ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL DE ESTABILIDAD DE TALUDES DE UN DEPÓSITO DE DESMONTE DE MINA

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1 ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL DE ESTABILIDAD DE TALUDES DE UN DEPÓSITO DE DESMONTE DE MINA Andrés Reyes Parra, Ingeniero Geotécnico, Junio, 2013 Anddes Asociados S.A.C. desarrolló recientemente un desafiante proyecto ubicado al norte del Perú, que involucró un análisis tridimensional (3D) de estabilidad de taludes de un depósito de desmonte de mina. El análisis de estabilidad de taludes incluyó un complejo arreglo y apilamiento del desmonte y diversos estratos de suelo en la cimentación, los cuales afectan la estabilidad del depósito. Este problema fue resuelto satisfactoriamente usando el software SVSlope3D. Debido a la expansión de las operaciones y al incremento de producción de la compañía minera, se requería el rediseño del depósito de desmonte de mina, con el propósito de alcanzar una capacidad de 113 millones de toneladas (66 millones de metros cúbicos), emplazado en un área de 118 Ha. El ángulo de reposo del desmonte formaría un talud de 1,5H:1V, con un talud global de 2,5H:1V. En la Figura 1 se muestra una fotografía con un área referencial del emplazamiento del depósito. Figura 1: Futura área de emplazamiento del depósito de desmonte de mina rediseñado por Anddes Anddes Asociados S.A.C., compañía consultora peruana innovadora y de rápido crecimiento, fue contratada por la empresa minera para llevar a cabo el rediseño del depósito, cuya configuración es mostrada en la Figura 2. Como parte del trabajo se emprendió una extensa campaña de investigaciones geotécnicas de campo, con el propósito de caracterizar y modelar apropiadamente el desmonte y el suelo de cimentación. Las investigaciones consistieron en 123 calicatas, 31 pruebas de penetración ligera (DPL), 91 pruebas de penetración estándar (SPT), 30 pruebas de penetración pesada (LPT) y 21 perforaciones diamantinas, además de un extenso programa de laboratorio. Análisis Tridimensional de Estabilidad de Taludes de un Depósito de Desmonte de Mina Página 1

2 Como resultado de las investigaciones geotécnicas, se determinó que la cimentación del depósito de desmonte estaba conformada por capas de suelo muy heterogéneas, la mayoría comprometiendo la estabilidad de la instalación, como se esquematiza en la Figura 3. De esta manera, existían secciones del depósito con factores de seguridad relativamente altos y otras muy cercanas con condiciones de estabilidad muy pobres. Figura 2: Arreglo general del depósito. Figura 3: Diferentes secciones geotécnicas del depósito, mostrando la heterogeneidad de las capas de suelo presentes en la cimentación y el apilamiento variable del desmonte de mina. Para abordar el problema y verificar la estabilidad del depósito se analizaron, como es práctica en la industria, secciones representativas de la instalación, mediante un análisis bidimensional (2D). Dos secciones, las más críticas, fueron elegidas; los trazos en planta de éstas se muestran en la Figura 2. Ambas presentaban problemas en su cimentación particularmente Análisis Tridimensional de Estabilidad de Taludes de un Depósito de Desmonte de Mina Página 2

3 diferentes; por ejemplo, la superficie de falla de una sección atravesaba suelos arcillosos blandos de origen aluvial, mientras que la otra atravesaba suelos residuales sueltos. Ambas secciones poseían un factor de seguridad 2D por debajo de los mínimos requeridos por los criterios de diseño, usando el método de equilibrio límite de Spencer. Dado que era necesario mantener la geometría y arreglo del depósito y, en consecuencia, garantizar la estabilidad de la estructura, se requirió el uso de un software competente de análisis 3D de estabilidad de taludes. El análisis 3D proporciona una aproximación más real al problema de estabilidad de taludes, al tomar en cuenta la variabilidad de los estratos de suelos a lo largo de la cimentación del depósito y de su propia geometría, pudiendo evitar así la necesidad del diseño de grandes diques de estabilización, contrafuertes, o procesos de mejoramiento de la cimentación, así como la modificación de la volumetría del depósito. Se utilizó el software SVSlope3D de la compañía SoilVision, para modelar el problema. Debido a que la información geotécnica disponible a todo lo largo del depósito de desmonte era abundante, se crearon dos modelos para el análisis. Con este propósito, los ingenieros geotécnicos y geólogos de Anddes desarrollaron 15 secciones geotécnicas para el Modelo 1 y 19 para el Modelo 2, cada una separada 50 m de la otra. Es importante señalar que ambos modelos fueron creados alrededor de las secciones críticas evaluadas en el análisis 2D. La Figura 4 presenta los modelos generados en SVSlope 3D. Toda la información de puntos contenida en cada sección generada fue cargada al software usando archivos de Excel. El software interpoló satisfactoriamente más de 30 secciones para ambos modelos. Asimismo, fueron creadas 11 superficies, herramienta que permite definir materiales en SVSlope 3D, demostrando el desafío y la complejidad de este análisis. Los diversos lentes de suelos blandos presentes en las secciones geotécnicas fueron procesados fácilmente y representados apropiadamente a lo largo de los modelos. Además, la geometría 3D modelada del apilamiento del desmonte asemejaba a una generada en cualquier software CAD. Figura 4: Vista 3D del los Modelos 1 y 2, analizados en SVSlope 3D. Análogamente al análisis 2D, el método riguroso de Spencer fue usado para determinar la relación exacta de los factores de seguridad 2D y 3D. El método de búsqueda de grilla y tangente fueron usados en muchos análisis, cada uno incrementando la densidad de la grilla 3D, planos tangentes, ubicación de estos en las zonas críticas y variación de la excentricidad de la superficie 3D de falla elipsoidal. La Figura 5 muestra la superficie más crítica del Modelo 1 Análisis Tridimensional de Estabilidad de Taludes de un Depósito de Desmonte de Mina Página 3

4 Los resultados del análisis 3D fueron muy satisfactorios, dado que se representaron adecuadamente la topografía, estratigrafía y apilamiento del desmonte, además de determinar que el factor de seguridad 3D resultó mayor al mínimo requerido. Esto es explicado debido a que la superficie de falla 3D no solo atraviesa las capas de suelo blandas y sueltas, sino que también atraviesa suelos competentes presentes en zonas de la cimentación, como es mostrado en la Figura 6, mejorando la condición de estabilidad del depósito. Figura 5: Superficie 3D más crítica analizada en el Modelo 1. Anddes reconoce las potenciales y significativas diferencias entre los análisis 2D y 3D, que realzan la importancia de considerar análisis de estabilidad 3D con mayor frecuencia dentro de la industria. El diseñar taludes más empinados y evitar construir estructuras de estabilización, puede reducir considerablemente el costo de construcción y operación de depósitos de relave, desmonte, pilas de lixiviación, entre otros. Análisis Tridimensional de Estabilidad de Taludes de un Depósito de Desmonte de Mina Página 4

5 Figura 6: Vista en planta en SVSlope 3D de la superficie de falla crítica del Modelo 1. Nótese las diferentes capas de suelo involucradas en el cálculo del factor de seguridad 3D a lo largo de las dos direcciones. Análisis Tridimensional de Estabilidad de Taludes de un Depósito de Desmonte de Mina Página 5