Influencia de la geotecnia en la normatividad de presas de jales mexicanas (Criterios Básicos) B

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1 III SEMINARIO SOBRE PRESAS DE JALES Facultad de Minas, Metalurgía y Geología Universidad de Guanajuato Influencia de la geotecnia en la normatividad de presas de jales mexicanas (Criterios Básicos) B Dr. Raúl l Vicente Orozco Santoyo Presidente del Consejo Consultivo y Coordinador del Comité de Presas de Jales SMMS Guanajuato, Gto. Jul 27 y 28,

2 NOM-141-SEMARNAT-2003: Que establece el procedimiento para caracterizar los jales, así como las especificaciones y criterios para la caracterización y preparación del sitio, proyecto, construcción, operación y postoperación de presas de jales (SEMARNAT, 2004) 2

3 Tajo a cielo abierto MINA Subterránea 3

4 PLANTA CONCENTRADORA Extracción metales Pb, Zn, Cu, Au, Ag, Molienda Reacción Flotación Filtrado Espesado 4

5 Residuos para JALES almacenar 5

6 Presa de Jales Cortina contenedora Vaso de almacenamiento Sistema decantador drenante Vertedor de excedencias 6

7 AGUA CORTINA IMPERMEABLE 7

8 SÓLIDOS CORTINA PERMEABLE, FILTRANTE 8

9 Propiedades fundamentales de las presas de jales SEGURIDAD (OBRA) PERMEABILIDAD (CORTINA) RESISTENCIA (CORTINA) NIVEL DE CALIDAD (OBRA) CORTINA EN ARCO ROBUSTA (RESISTENTE Y PERMEABLE) VASO MÍNIMO (ESTANQUE ALEJADO) ALCANTARILLA FUNCIONAL (SECCIÓN PORTAL) VERTEDOR GENEROSO ( EN FIRME ) MATERIALES DRENANTES PROCESOS CONSTRUCTIVOS IDÓNEOS GEOMETRÍA EQUILIBRADA ACABADOS SUPERFICIALES ECOLÓGICOS LICUACIÓN BAJO SISMO O EXPLOSIÓN TUBIFICACIÓN FÍSICA DESLIZAMIENTO DE TALUDES (s/t SISMO) EROSIÓN PLUVIAL Y EÓLICA DERRAMAMIENTO SOBRE LA CORTINA GEOMETRÍA ACABADOS MATERIALES PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS 9

10 Propiedades fundamentales de las presas de jales SEGURIDAD (OBRA) CORTINA EN ARCO ROBUSTA (RESISTENTE Y PERMEABLE) VASO MÍNIMO (ESTANQUE ALEJADO) ALCANTARILLA FUNCIONAL (SECCIÓN PORTAL) VERTEDOR GENEROSO ( EN FIRME ) 10

15 Propiedades fundamentales de las presas de jales MATERIALES DRENANTES PERMEABILIDAD (CORTINA) PROCESOS CONSTRUCTIVOS IDÓNEOS GEOMETRÍA EQUILIBRADA ACABADOS SUPERFICIALES ECOLÓGICOS 15

16 MÉTODO CONSTRUCTIVO: "AGUAS ARRIBA CON ARENA CICLONEADA OJO! TORMENTA DE DISEÑO NAME NAMO BL ARENA CICLONEADA C AGUA LAMA L A c AGUAS ARRIBA (UPSTREAM) B i PILETA RECUPERADORA DE AGUA NAME = NIVEL DE AGUAS MAXIMAS EXTRAORDINARIAS NAMO = NIVEL DE AGUAS MAXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) BL = BORDO LIBRE k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD = PERFORACIONES ABIERTAS = PERFORACIONES CERRADAS A c B i LEY: k < k < k L Ac Bi CORAZA ARENOSA RESISTENTE Y PERMEABLE BORDO INICIADOR RESISTENTE Y PERMEABLE 16 C TUBERIA DECANTADORA DRENANTE (ALCANTARILLA)

17 MÉTODO CONSTRUCTIVO: "AGUAS ARRIBA CON ESPIGAS OJO! TORMENTA DE DISEÑO NAME NAMO BL ESPIGAS AGUA C LEY: k < k < k J Fg Bi JAL (arena + lama) J AGUAS ARRIBA (UPSTREAM) F g B i PILETA RECUPERADORA DE AGUA NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS NAMO = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) BL = BORDO LIBRE k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD = PERFORACIONES ABIERTAS (AGUA CLARIFICADA) = PERFORACIONES CERRADAS (BLOQUEAR SÓLIDOS) F g B i C FILTRO DE GRAVA - ARENA BORDO INICIADOR RESISTENTE Y PERMEABLE 17 TUBERIA DECANTADORA DRENANTE (ALCANTARILLA)

18 MÉTODO CONSTRUCTIVO: "AGUAS ABAJO CON ENROCAMIENTO "AGUAS ABAJO" (DOWNSTREAM) AGUA NAME BL LAMA L A c E ch F g E g PILETA RECUPERADORA DE AGUA TUBERIA DECANTADORA DRENANTE LEY: k < k < k < k < k L Ac F g E ch E g NAME = NIVEL DE AGUAS MAXIMAS EXTRAORDINARIAS BL = BORDO LIBRE k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD = PERFORACIONES ABIERTAS (AGUA CLARIFICADA) = PERFORACIONES CERRADAS (BLOQUEAR SÓLIDOS) A c F g E ch E g ARENA CICLONEADA FILTRO DE GRAVA-ARENA ENROCAMIENTO CHICO ENROCAMIENTO GRANDE 18

19 MÉTODO CONSTRUCTIVO: AGUAS ABAJO CON CHIMENEA Y DELANTAL "AGUAS ABAJO" (DOWNSTREAM) AGUA NAME BL C i CHIMENEA Jal J ETAPA INTERMEDIA F g DELANTAL C i TRINCHERA C DREN DE PIE D p LEY: k < k < k < k J C F i g D p BL = BORDO LIBRE C i CORTINA IMPERMEABLE DE SUELO COMPACTADO NAME= NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS F g FILTRO DE GRAVA-ARENA k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD 19

20 MÉTODO CONSTRUCTIVO: AGUAS ABAJO CON ARENA CICLONEADA Y COMPACTADA "AGUAS ABAJO" (DOWNSTREAM) OJO! AGUA NAME BL LAMA L A c ARENA CICLONEADA F g A c C F g B i CORTINA ARENOSA COMPACTADA, RESISTENTE Y PERMEABLE B t LEY: k < k < k < k L A F c g B i ó t NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS BL = BORDO LIBRE B i B t C F g BORDO INICIADOR RESISTENTE Y PERMEABLE BORDO TERMINAL RESISTENTE Y PERMEABLE TUBERIA DECANTADORA DRENANTE FILTRO DE GRAVA - ARENA 20

21 MÉTODO CONSTRUCTIVO: AGUAS ABAJO Y AGUAS ARRIBA, CON ENROCAMIENTO Y ARENA CICLONEADA TORMENTA DE DISEÑO "AGUAS ARRIBA" (UPSTREAM) NAME NAMO TUBERÍA DECANTADORA DRENANTE BL LAMA L "AGUAS ABAJO" (DOWNSTREAM) A c E c h Fg OJO! E g PILETA RECUPERADORA DE AGUA LEY: k < k < k < k < k L A F c E ch E g NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS NAMO = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD A c F g E ch E g ARENA CICLONEADA FILTRO DE GRAVA-ARENA ENROCAMIENTO CHICO ENROCAMIENTO GRANDE 21

22 MÉTODO CONSTRUCTIVO: AGUAS ABAJO Y AGUAS ARRIBA, CON ENROCAMIENTO Y ESPIGAS TORMENTA DE DISEÑO "AGUAS ARRIBA" (UPSTREAM) AGUA NAME NAMO JAL (arena + lama) J BL "AGUAS ABAJO" (DOWNSTREAM) E c h ESPIGAS F g OJO! E g PILETA RECUPERADORA DE AGUA TUBERÍA DECANTADORA DRENANTE LEY: k < k < k < k < k L A F c E ch E g NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS F g FILTRO DE GRAVA-ARENA NAMO = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD E ch E g ENROCAMIENTO CHICO ENROCAMIENTO GRANDE 22

23 MÉTODO CONSTRUCTIVO: CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS (TTD)* JAL ESPESADO (arena + lama) CAMINO PERIMETRAL 2 2 CAMINO PERIMETRAL 1 1 RESIDUOS SÓLIDOS COMPLETOS LEY: k < k 1 2 k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD 1 2 = MÁS FINO = MÁS GRUESO * Thickened Tailings Disposal RVOS NOTA: También puede transportarse estratégicamente los jales espesados por las laderas del "cerro" 23 Jul 17, 01

24 PRESA CONVENCIONAL SECCIÓN GRADUADA TORMENTA DE DISEÑO NAME NAMO BL E ch E ch AGUA O JAL C i F g F g E g E g TRINCHERA LEY: k C < k F < k E < k i g ch E g NAME = NIVEL DE AGUAS MAXIMAS EXTRAORDINARIAS NAMO = NIVEL DE AGUAS MAXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) BL = BORDO LIBRE C i F g E ch CORAZÓN IMPERMEABLE FILTRO DE GRAVA - ARENA ENROCAMIENTO CHICO E g ENROCAMIENTO GRANDE 24

25 CORTINA COMPACTADA Y ARQUEADA DE SECCIÓN GRADUADA CON CORAZÓN VARIABLE DE CONCRETO ASFÁLTICO PAVIMENTO TORMENTA DE PROYECTO NAME BL NAMO E ch E ch AGUA C i M t E g E g PANTALLA IMPERMEABLE DE INYECCIÓN GALERÍA DE INSPECCIÓN Y DRENAJE LEY: k C < k M < k E < k i t ch E g NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS C i CORAZÓN IMPERMEABLE NAMO = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) BL = BORDO LIBRE M t E ch MATERIAL DE TRANSICIÓN ENROCAMIENTO CHICO k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD E g ENROCAMIENTO GRANDE 25

26 CORTINA COMPACTADA Y ARQUEADA DE SECCIÓN GRADUADA CON CORAZÓN CONSTANTE DE CONCRETO ASFÁLTICO TORMENTA DE PROYECTO NAME NAMO AGUA BL E ch PAVIMENTO E ch C i T f1 E g T f2 E g PANTALLA IMPERMEABLE GALERÍA DE INSPECCIÓN E INYECCIÓN (Anclada en la roca) LEY: k C < k T < k T < k E < k E i f 1 f 2 ch g CORAZÓN IMPERMEABLE NAME = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS EXTRAORDINARIAS C i (E de 0.6 a 1.4 m) NAMO = NIVEL DE AGUAS MÁXIMAS ORDINARIAS (OPERACIÓN) TRANSICIÓN FILTRANTE T f (E de 2 a 6 m; TM < 6 cm) BL = BORDO LIBRE E ENROCAMIENTO CHICO k = COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD ch (TM < 50 cm) 1 = ZONA DE RETARDO E = ESPESOR E ENROCAMIENTO GRANDE g 2 = CHIMENEA Y DELANTAL TM = TAMAÑO MÁXIMO (TM < 1 m) 26

27 S E G U R I D A D ESTABILIDAD DE PROPIEDADES DEL CORAZÓN DE CONCRETO ASFÁLTICO EN CORTINAS PARA PRESAS DE ALMACENAMIENTO DE AGUA SEGURIDAD* DURABILIDAD FUNCIONALIDAD** (Afinidad asfaltoagregados) ECONOMÍA*** RESISTENCIA (Corte, Erosión, Envejecimiento, Sismo y fracturamiento hidráulico colgado por diferencia de rigideces) I M P E R M E A B I L I D A D (Control eficaz y continuo de filtraciones) F L E X I B I L I D A D (Antifisuramiento sostenido) D E F O R M A B I L I D A D (Adaptabilidad a asentamientos diferenciales sin riesgos de agrietamiento) COMPOSICIÓN (Agregados duros y sanos, con cemento asfáltico y filler calificados) COMPACIDAD (Alta concentración de sólidos) CONSISTENCIA (Adhesividad y fluidez de ingredientes calientes) ELASTO PLASTICIDAD (Bajo presión confinante gradual) MANEJABILIDAD (Colocabilidad y Compactabilidad) HOMOGENEIDAD (Equilibrio armónico en rigideces relativas) COMPATIBILIDAD CON TRANSICIONES (Buena liga y trabazón; adaptabilidad a deformaciones y filtraciones) CIMENTACIÓN IMPERMEABLE Y RESISTENTE (Pantalla de concreto asfáltico o de inyección convencional) * (Confiabilidad en la construcción ** (Buen comportamiento de la *** (Máxima relación beneficio/costo; llenado parcial sin juntas y el antivandalismo) estructura completa) antes de terminación de obra) 27

28 Dam Storglomvatn under construction in With a height of 125 meters it is cur world highest rockfill dam with a central asphalt concrete core. Owner: Statki. Sweden 28

29 Propiedades fundamentales de las presas de jales RESISTENCIA (CORTINA) LICUACIÓN BAJO SISMO O EXPLOSIÓN TUBIFICACIÓN FÍSICA DESLIZAMIENTO DE TALUDES (s/t SISMO) EROSIÓN PLUVIAL Y EÓLICA DERRAMAMIENTO SOBRE LA CORTINA 29

30 Propiedades fundamentales de las presas de jales RESISTENCIA (CORTINA) LICUACIÓN BAJO SISMO O EXPLOSIÓN TUBIFICACIÓN FÍSICA DESLIZAMIENTO DE TALUDES EROSIÓN PLUVIAL Y EÓLICA DERRAMAMIENTO SOBRE LA CORTINA 30

36 Clasificación de Presas de Jales Mexicanas Topografía Terreno (1) (2) (3) Hidrología Zona (1) (2) (3) Sismicidad Región (1) (2) (3) Número de Categorías Montañoso Lomerío Plano Ciclónica Húmeda Seca Sísmica Penesísmica Asísmica 3 x 3 x 3 = 27 36

37 Clasificación de presas de jales mexicanas MÉTODO CONSTRUCTIVO SISMICIDAD REGIÓN HIDROLOGÍA TOPOGRAFÍA TERRENO ZONA Categoría Sub-grupo Grupo M L P C H S S P A C s A c A e A E A ch A c A c E A e E S g 1 x x x x x x x x x x x x I 2 5 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x II 5 14 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x III 8 23 x x x x x x x x x x x x x x x Aguas abajo y aguas arriba Aguas arriba Aguas abajo Presa convencional sección graduada Enrocamiento y espigas Enrocamiento y arena "cicloneada" Arena "cicloneada" y compactada Homogénea con filtro Enrocamiento Espigas Arena "cicloneada" Concentración de sólidos Asísmica Penesísmica Sísmica Seca Húmeda (lluviosa) Ciclónica Plano Lomerío Montañoso I II III IV V VI VII VIII IX 37

38 Clasificación de presas de jales mexicanas Grupo E c E f P e S f S n P I R S S p C c B b S I II III Sub-grupo Categoría Convencional Estático Elemento finito ANÁLISIS ESTABILIDAD Pseudoestático Elemento finito Sísmico Red neuronal Piezómetros INSTRUMENTACIÓN Inclinómetros Referencias superficiales Sismógrafos SISTEMA DECANTADOR DRENANTE Alcantarilla Sección Portal Conducto circular o cuadrado Bombeo en balsa Sifones

39 NIVEL DE CALIDAD (OBRA) GEOMETRÍA ACABADOS MATERIALES PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS Responsables del nivel de calidad en la obra civil GEOMETRÍA, ACABADOS, MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS SUPERVISIÓN (VERIFICA) PROYECTO (ESTABLECE) CONSERVACIÓN (MANTIENE) CONTROL DE CALIDAD (CERTIFICA) CONSTRUCCIÓN (ASEGURA) OPERACIÓN (VIGILA) PLANIFICACIÓN (DEFINE) 39

40 Relación de vacíos, e Peso de pisón, Pp (g) w=5% w=7% w=9% w=11% w=13% C FIGURA 3. Variación de e o C con Pp y la humedad (w), para 10% de finos (F) 40

41 Relación de vacíos, e w=7% w=9% w=12% C Peso de pisón, Pp (g) FIGURA 4. Variación de e o C con Pp y la humedad (w), para F = 48% 41

42 Coeficiente de permeabilidad, k (cm/seg) 6.10E E E E-06 C Resultados experimentales Relación de vacíos, e FIGURA 5. Variación de k en función de e o C, para F = 48% 42

43 C Relación de vacíos, e Esfuerzo de pseudo-preconsolidación Esfuerzo efectivo, σ' (kg/cm 2 ) FIGURA 6. Curvas de compresibilidad, en función de e o C, para F = 10% 43

44 Relación de vacíos, e Esfuerzo de pseudo-preconsolidación Esfuerzo efectivo, σ' (kg/cm 2 ) C FIGURA 7. Curvas de compresibilidad, en función de e o C, para F = 48% 44

45 2 SSL 48%F C 0.35 Relación de vacíos, e SSL 10%F E-I-TA-10%F 0.80 E-I-TA-48%F Esfuerzo promedio, p' (kg/cm 2 ) FIGURA 8. Líneas de estado estable (SSL), en función de e o C, para F = 10 y 48% 45

46 100 1 Abertura, mm % que pasa, en peso %F 10%F 0 FIGURA 9. Curvas granulométricas de los jales ensayados, para F = 10 y 48% 46

47 Esfuerzo cortante, q (kg/cm 2 ) E-I-TA-10%F E-I-TA-48%F Líneas de falla 10%F 48%F Líneas de inestabilidad 10%F 48%F Esfuerzo promedio, p' (kg/cm 2 ) FIGURA 10. Curva p - q para jales con F = 10 y 48 % 47

48 Módulo de rigidez, G (kg/cm 2 ) D-I-TC-10%-1 D-I-TC-10%-2 D-I-TC-10%-3 D-I-TC-10%-4 D-I-TC-10%-5 D-I-TC-10%-6 D-I-TC-10% Distorsión angular, γ (%) FIGURA 11. Degradación de G en función de γ, para F = 10% 48

49 30 Amortiguamiento, λ (%) D-I-TC-10%-1 D-I-TC-10%-2 D-I-TC-10%-3 D-I-TC-10%-4 D-I-TC-10%-5 D-I-TC-10%-6 D-I-TC-10% Distorsión angular, γ (%) FIGURA 12. Variación de λ" en función de γ", para F = 10% 49

50 Deformación unitaria axial, ε (%) C=0.45 σ'= 1 kg/cm 2 e (%) (10%F) (10%F) (10%F) 1.20 (48%F) C= Ciclo en el que se presenta licuación FIGURA 13. Número de ciclos necesarios para generar licuación en los jales, para F = 10 y 48 % 50

51 f=u/σ' ε = 0.34 % ε = 0.28 % ε = 0.22 % 10%F e=1.157 C= Número de ciclo, N FIGURA 14a. Incremento de la presión de poro normalizada (f = u/ σ ) con N, para el jal con F = 10%, e = 1.157, C = y ε = 0.22, 0.28 y 0.34 % 51

52 f=u/σ' ε =0.34% ε =0.28% ε =0.22% 10%F e=0.945 C= Número de ciclos, N FIGURA 14b. Incremento de la presión de poro normalizada (f = u/ σ ) con N, para el jal con F = 10%, e = 0.945, C = 0.51 y ε = 0.22, 0.28 y 0.34 % 52

53 f=u/σ' ε = 0.34 % ε = 0.22 % 10%F e=0.738 C= Número de ciclos, N FIGURA 14c. Incremento de la presión de poro normalizada (f = u/ σ ) con N, para el jal con F = 10%, e = 0.738, C = y ε = 0.22 y 0.34 % 53

54 f=u/σ' ε = 0.34% ε = 0.22% 48%F e=1.20 C= Número de ciclos, N FIGURA 15. Incremento de la presión de poro normalizada (f = u/ σ ) con N, para el jal con F = 48% e = 1.20, C = 0.45 y ε = 0.22 y 0.34 % 54

55 Propiedades fundamentales de una presa de jales S E G U R I D A D F Í S I C A Y A M B I E N T A L + 55 CORTINA CONTENEDORA PERMEABLE RESISTENTE* VASO DE ALMACENAMIENTO DEFINIDO** ESTABLE SISTEMA DECANTADOR DRENATE HOLGADO RESISTENTE VERTEDOR DE EXCEDENCIAS GENEROSO EN FIRME ECONOMÍA + * ** APOYO FIRME Y HOMOGÉNEO Durante la construcción, operación y después del colmado y abandono de la obra A la erosión: pluvial y eólica o por derrames incidentales, a la tubificación: física y química, a la licuación bajo sismo o explosión, al deslizamiento de talud, por saturación incontrolada e inestabilidad general principalmente, sobre todo bajo sismo o explosión En terreno natural firme (en hueso ) El estanque de agua libre y clarificada por sedimentación de los sólidos debe estar alejada lo más posible de la corona de la cortina contenedora, de tal manera que se tenga una playa amplia que asegure la estabilidad general de la cortina, evaluada ésta mediante redes de flujo completas y variables, según las etapas de desarrollo concebidas dentro de la vida (útil o económica) esperada en (o asignada a) la obra.

56 Tabla 5. Clasificación general de las presas de jales mexicanas 56

57 COMPACIDAD = CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS C = V / V =γ / s t d γ s 1 1 C = = 1 + e 1 + w S r G s 57

58 Lámina 21 DIAGRAMA CAS (COMPACIDAD-AGUA O ASFALTO-SATURACION) 100 Compacidad (C), % Contenido de Líquido (C L), % 1 C= 1+ C L S G r s Grado de saturación (S r), % Gs = Densidad relativa del Sólido =