Análisis numérico de la construcción de presas de residuos mineros

Abstract

Las presas de relaves o de residuos mineros son infraestructuras crí ticas en la minera debido a los riesgos ambientales, sociales y de seguridad asociados a su posible fallo. Entre los mecanismos de inestabilidad ma s relevantes se encuentra la licuefaccio n esta tica, un feno meno que depende de las condiciones iniciales del material, la permeabilidad y las cargas externas. En este trabajo se analiza el comportamiento de una presa de relaves, basada en una real, mediante la aplicacio n del modelo constitutivo NorSand, basado en la meca nica del estado crí tico. La caracterizacio n del terreno se realizo mediante ensayos CPTu, que permitieron estimar el para metro de estado (Ψ) y definir los rangos representativos utilizados en la modalizacio n. A partir de un modelo representativo tomado como referencia y nombrado como “modelo base”, se realizaron variaciones progresivas de los para metros ma s influyentes integrando el uso del software de elementos finitos PLAXIS 2D con el ana lisis sistema tico mediante DAARWIN. En primer lugar, se calibraron los para metros constitutivos de NorSand considerando datos de laboratorio y referencias bibliogra ficas. Posteriormente, se evaluo la sensibilidad de los principales para metros y se identifico que la permeabilidad y el estado inicial eran los que ma s influí an en la respuesta. Se realizaron simulaciones nume ricas en diferentes escenarios de carga, geometrí a y condiciones de contorno, como la aplicacio n de cargas distribuidas, desplazamientos prescritos y variaciones del nivel frea tico. Los resultados muestran que la distribucio n de permeabilidades controla la acumulacio n y disipacio n de las presiones de poro, lo que afecta directamente a la estabilidad global de la presa. Tambie n se comprobo que un para metro de estado positivo caracteriza a los materiales contractivos con mayor susceptibilidad a la licuefaccio n. Por tanto, el riesgo de licuefaccio n esta tica aumenta cuando el material permanece saturado, no logra disipar las presiones de agua y presenta un para metro de estado positivo.

Tailings dams or mining waste dams are critical infrastructures in mining due to the environmental, social, and safety risks associated with their potential failure. Among the most relevant instability mechanisms is static liquefaction, a phenomenon that depends on the initial conditions of the material, permeability, and external loads. This paper analyzes the behavior of a tailings dam, based on a real one, by applying the NorSand constitutive model, based on critical state soil mechanics. The characterization of the terrain was carried out using CPTu tests, which allowed the state parameter (Ψ) to be estimated and the representative ranges used in the modeling to be defined. Based on a representative model taken as a reference and named the “base model,” progressive variations of the most influential parameters were made, integrating the use of PLAXIS 2D finite element software with systematic analysis using DAARWIN. First, the NorSand constitutive parameters were calibrated considering laboratory data and bibliographic references. Subsequently, the sensitivity of the main parameters was evaluated, and permeability and initial state were identified as having the greatest influence on the response. Numerical simulations were performed under different load, geometry, and boundary condition scenarios, such as the application of distributed loads, prescribed displacements, and variations in the water table. The results show that the distribution of permeabilities controls the accumulation and dissipation of pore pressures, which directly affects the overall stability of the dam. It was also found that a positive state parameter characterizes contractive materials with greater susceptibility to liquefaction. Therefore, the risk of static liquefaction increases when the material remains saturated, fails to dissipate water pressures, and has a positive state parameter.

Les preses de relaus o de residus miners so n infraestructures crí tiques a la minera a causa dels riscos ambientals, socials i de seguretat associats a la seva possible errada. Entre els mecanismes d'inestabilitat me s rellevants hi ha la liqu efaccio esta tica, un fenomen que depe n de les condicions inicials del material, la permeabilitat i les ca rregues externes. En aquest treball s'analitza el comportament d'una presa de relaus, basada en una de real, mitjançant l'aplicacio del model constitutiu NorSand, basat en la meca nica de l'estat crí tic. La caracteritzacio del terreny es va fer mitjançant assaigs CPTu, que van permetre estimar el para metre d'estat (Ψ) i definir els rangs representatius utilitzats en la modalitzacio . A partir d'un model representatiu pres com a refere ncia i anomenat “model base”, es van fer variacions progressives dels para metres me s influents integrant l'u s del programari d'elements finits PLAXIS 2D amb l'ana lisi sistema tica mitjançant DAARWIN. En primer lloc, es van calibrar els para metres constitutius de NorSand considerant dades de laboratori i refere ncies bibliogra fiques. Posteriorment, es va avaluar la sensibilitat dels principals para metres i es va identificar que la permeabilitat i l'estat inicial eren els que influí en me s en la resposta. Es van realitzar simulacions nume riques en diferents escenaris de ca rrega, geometria i condicions de contorn, com ara l'aplicacio de ca rregues distribuí des, desplaçaments prescrits i variacions del nivell frea tic. Els resultats mostren que la distribucio de permeabilitats controla l'acumulacio i la dissipacio de les pressions de porus, cosa que afecta directament l'estabilitat global de la presa. Tambe es va comprovar que un para metre d'estat positiu caracteritza els materials contractius amb me s susceptibilitat a la liqu efaccio . Per tant, el risc de liqu efaccio esta tica augmenta quan el material es mante saturat, no aconsegueix dissipar les pressions d'aigua i presenta un para metre d'estat positiu