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Pablo Castillo Falcón
Tutores: Antonio Morales-Esteban, Percy Durand Neyra
Memoria del trabajo fin de grado de Ingeniería Civil:
Cálculo Dinámico de Obras
Geotécnicas (Resumen en español)
2014
Departamento de Estructuras de Edificación e Ingeniería del Terreno E.T.S.I.
Universidad de Sevilla
Abstract
Abstract
The Aznalcóllar dam failure has caused that the authorities pay
attention to mining deposits. Almagrera tailings dam holds one
of the largest mining waste deposits in Andalucía. Thus, a
project for its dry closure has been done and partially
executed. The project includes drainage, water drawdown,
filling the reservoir with surrounding contaminate material and
reinforcing the dam.
In these papers, a dynamic calculation based on real
accelerograms has been performed for the dam. First, real
accelerograms have been selected by means of the uniform
seismic hazard acceleration response spectrum at Almagrera.
Then, a finite element model has been made and calibrated.
Finally, calculation results have been analysed.
La rotura de la presa de residuos minerales de Aznalcóllar ha
hecho que las autoridades presten atención a los depósitos
mineros. Dado que la presa de Almagrera encierra uno de los
depósitos de residuos mineros tóxicos más importantes de
Andalucía, se ha realizado y ejecutado parcialmente un plan de
clausura. El proyecto incluye labores de drenaje, bombeo de
agua estancada en su interior, un relleno con material
contaminado de los alrededores y un refuerzo en la presa.
En este estudio se ha llevado a realizado un cálculo dinámico
para la presa basado en acelerogramas reales. En primer
lugar se han seleccionado los acelerogramas, usando para ello
el espectro de peligrosidad sísmica uniforme para Almagrera.
Posteriormente se ha desarrollado un modelo con elementos
finitos y, por último, los resultados del cálculo han sido
analizados e interpretados.
Palabras Clave
Palabras Clave
Cálculo dinámico, presa de residuos mineros, elementos finitos, acelerograma,
terremoto, minería
.
ÍNDICE
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
2. LA PRESA DE RESIDUOS MINEROS DE ALMAGRERA .................... 3
3. LA CLAUSURA SECA ................................................................................. 7
4. SISMICIDAD Y ACELEROGRAMAS DE CÁLCULO ......................... 11
5. CÁLCULO DINÁMICO ............................................................................. 13
6. RESULTADOS DEL CÁLCULO .............................................................. 17
7. ANÁLISIS DE LICUEFACCIÓN .............................................................. 21
8. CONCLUSIONES ........................................................................................ 23
INTRODUCCIÓN
1
1. INTRODUCCIÓN
La sensibilidad hacia los depósitos mineros en España se ha incrementado en los
últimos años a causa de la rotura en la presa de residuos mineros de Aznalcóllar
en 1998. Por ello, la legislación actual obliga a las empresas mineras a presentar
un plan de clausura de las minas por adelantado. No obstante, la existencia de
minas y presas de residuos mineros abandonadas con anterioridad, como la presa
de Almagrera, obliga a las comunidades autónomas a afrontar su clausura.
En España se estima que hay un volumen total de unos 326.000.000 m3 de
residuos mineros. Con 122 balsas de residuos y 4 presas, Andalucía alberga
aproximadamente un 47% del volumen total.
En esta línea, se ha desarrollado un proyecto de clausura para la presa de
Almagrera, encontrándose ya en una fase avanzada de ejecución. Para dicho
proyecto se ha realizado un cálculo dinámico, obre el cual trata este estudio. El
proceso comienza con la resolución de la ecuación de peligrosidad sísmica para la
zona y, con la base de las curvas de peligrosidad obtenidas, se consturye el
espectro de aceleraciones de peligrosidad sísmica uniforme para el tipo de sustrato
concreto y el nivel de peligrosidad requerido. Posteriormente, se seleccionan los
acelerogramas que serán aplicados, con un periodo de retorno cercano a los 1000
años. Una vez obtenidos estos datos sísmicos, se procede a la realización y
calibrado de un modelo de elementos finitos, sobre el cual se realiza el cálculo
dinámico. Finalmente, se exponen los resultados y un análisis de los mismos para
las 3 secciones que se han estudiado en el cálculo 2D.
LA PRESA DE RESIDUOS MINEROS DE ALMAGRERA
3
2. LA PRESA DE RESIDUOS
MINEROS DE ALMAGRERA
La presa de residuos de Almagrera toma su nombre de la empresa que se la
explotó entre 1976 y 1981: “Minas de Almagrera S.A.”. Está situada al este de la
provincia de Huelva, cerca de la localidad de Calañas. Además, se encuentra a
pocos kilómetros de Áznalcóllar, lo que hace aún más importante su seguridad. En
la siguiente imagen se observa marcada con una flecha la localización de
Almagrera, mientras que la localidad de Aznalcóllar está señalada con una
circunferencia roja.
Figura 1. Provincia de Huelva
LA PRESA DE RESIDUOS MINEROS DE ALMAGRERA
4
En cuanto a la gelogía de la zona, la presa de Almagrera se sitúa dentro de la Faja
Pirítica Ibérica, cuya riqueza mineral ha hecho de la minería en la zona una
actividad económica muy importante durante siglos.
La presa
El eje de la presa tiene una altura de 37.3 m sobre el nivel de cimentación más
bajo, y ha sido recrecida hasta en cinco ocasiones añadiendo material en la parte
de aguas abajo, cuya pendiente final es de 2:1. En el proyecto de clausura se
incluyó un refuerzo de escollera en el talud de aguas abajo.
Se trata de una presa de materiales sueltos, con un núcleo inclinado de arcilla
aguas arriba. El terreno sobre el que está cimentada presenta una alternancia de
rocas volcánicas interestratificadas con sedimentarias, incluyendo lavas, filitas
arcillosas y lutitas.
En las Figuras 2 y 3 se puede observar la sección central antes y después del
proyecto de clausura.
Figura 2. Sección central de la presa previa a la clausura
LA PRESA DE RESIDUOS MINEROS DE ALMAGRERA
5
Figura 3. Sección central de la presa tras la clausura
Los parámetros de los distintos tipos de material se obtuvieron mediante ensayos
in situ y pruebas de laboratorio. Se incluyen en la siguiente tabla:
Tipo de suelo USCS c' [kPa] Φ’ [ kN/m3] K [m/s] E [MPa]
Núcleo SC 18 30º 19.8 10-8
50
Filtro SP-SM 1 35º 20 10-5
50
Todo uno GC 6 33º 20.2 6,5*10-5
30
Escollera SC 15 31º 21.9 9,5*10-7
60
Escollera seleccionada 1 35 20 5,1*10-3
60
Roca alterada SC 50 20 20.5 1,4*10-6
300
Roca 250 21.4 1,3*10-6
104
Residuos blandos ML 1 29 13.2 5,1*10-9
0,52
Residuos medios ML 1 32 19.7 5,1*10-9
1.0
Material de Las Viñas 1 30 20 1,2*10-4
10
Tabla 1. Parámetros de cálculo
LA CLAUSURA SECA
7
3. LA CLAUSURA SECA
El proyecto de clausura formaba parte de un plan ministerial, y se designó como
responsable al profesor emérito de la Universidad de Sevilla José Luís de Justo
Alpañés.
Al inicio del proyecto, los lodos tóxicos encerrados por la presa se encontraban
inundados varios metros bajo agua, estando este agua fuertemente contaminada
por los mismos. De hecho, la primera fase del proyecto constaba de un drenaje
perimetral y un bombeo y depurado de las aguas tóxicas. Durante esta fase se
rebajó el nivel de agua hasta cinco metros
En la segunda fase del proyecto se incluyen las labores de vertido sobre los lodos
de material grueso contaminado proveniente de la cercana mina de Las Viñas.
También se incluyen en esta fase la nivelación de la superficie y la colocación de
una capa de arcilla de 10 cm, la construcción de pozos de drenaje y el refuerzo de
la presa. Esta fase se encuentra finalizada.
En fases posteriores que aún no han sido acometidas se incluye la colocación de
un relleno final que deje los materiales de la balsa al nivel de la coronación de la
presa, así como la recogida de aguas tóxicas superficiales y profundas para llevar
a cabo un tratamiento pasivo de las mismas.
En las figuras 4 y 5 se observa el estado de la presa antes y después de las labores
de clausura realizadas.
LA CLAUSURA SECA
8
Figura 4. Vista aérea 2005 (antes de la clausura).
Figura 5. Vista aérea 2013.
LA CLAUSURA SECA
9
El cálculo de estabilidad de la presa se realizó con el método de elementos finitos
mediante un modelo Mohr-Coulomb. La presa, clasificada como de clase 1 por su
altura, debía satisfacer los siguientes factores de seguridad: 1.4 para acciones
normales, 1.3 para accidentales y 1.2 bajo solicitaciones extremas. La siguiente
tabla muestra los resultados obtenidos en cada fase de la clausura. Aunque bajo
acciones sísmicas, consideras accidentales, se debería cumplir un coeficiente de
seguridad de 1.3, el valor mostrado de 1.19 se produjo dentro de los lodos, lo que
no afecta a la seguridad de la presa y se tomó como suficientemente seguro.
Fase δmax [mm] F
Inicial 1,44
Nivel de embalse: 207,5 1,43
Desembalse 193 1,47
Relleno 1300 1,36
Largo plazo 2060 1,79
Terremoto y licuefacción 278 1,19
Tabla 2. Coeficientes de seguridad obtenidos para la sección 1 con el análisis estático.
SISMICIDAD Y ACELEROGRAMAS DE CÁLCULO
11
4. SISMICIDAD Y
ACELEROGRAMAS DE
CÁLCULO
El primer paso para realizar un cálculo dinámico es la selección de los
acelerogramas que se aplican. En zonas donde se han registrado un gran número
de acelerogramas a lo largo de los años, se pueden usar éstos después de un
cálculo estadístico. Sin embargo, en lugares donde no existe este tipo de base de
datos, se suelen usar espectros de respuesta visco elástica.
Utilizando las áreas sismogénicas definidas por Martín (1984), se puede situar la
presa de Almagrera dentro del área número 10. Este área se caracteriza por la
presencia de fallas inversas orientadas con dirección noroeste-sureste, un bajo
ratio de terremotos por km2 (1.6E-4/km
2), y una magnitud máxima de los
terremotos no superior a 5.5. En la Figura 6 se observan las mencionadas áreas
sismogénicas y se señala con una flecha la localización de Almagrera.
La selección de los acelerogramas de cálculo se ha llevado a cabo mediante el
método estadístico propuesto por Carrasco (2001), y detallado en el artículo
“Probabilistic method to select calculation accelerograms based on uniform
seismic hazard acceleration response spectra”(Morales-Esteban y otros, 2012).
SISMICIDAD Y ACELEROGRAMAS DE CÁLCULO
12
Figura 6. Áreas sismogénicas de la Península Ibérica
Los acelerogramas con los que se ha trabajado han sido obtenidos de la base de
datos European Strong Motion Database. Para la elección se han tenido en cuenta
los siguientes datos propios de Almagrera: vida útil de 50 años, cimentación en
roca sana y tiempo de retorno cercano a los 1000 años. Finalmente, los
acelerogramas seleccionados y aplicados son los siguientes.
Acelerogramas
358
385
607
4341
6261
6269
6274
Tabla 3. Acelerogramas seleccionados para la presa de Almagrera
CÁLCULO DINÁMICO
13
5. CÁLCULO DINÁMICO
Una vez seleccionados los acelerogramas a aplicar, se han construido modelos de
elementos finitos de tres secciones transversales separadas unos 50 metros. En
cada una de las tres secciones se ha realizado un análisis dinámico independiente
en dos dimensiones. El software de cálculo utilizado ha sido Plaxis 2D v9.02.
Para la implementación de los modelos de cálculo se han utilizado los modelos de
materiales Mohr-Coulomb y HS-Small, éste último porque por sus características
particulares permite determinar las deformaciones remanentes. Una de las bases
fundamentales para el buen calibrado de un modelo de elementos finitos es una
buena caracterización del suelo. Por ello, para este estudio se han utilizado los
parámetros calculados para el proyecto del cierre de la presa, incluidos en la Tabla
1.
Especialmente importante en el desarrollo de un cálculo dinámico es el calibrado
de los parámetros de amortiguamiento. En un modelo de este tipo se pueden
distinguir tres fuentes de disipación de energía: amortiguamiento de los
materiales, disipación por el modelo de integración y condiciones de contorno.
Para la primera de ellas, Plaxis utiliza la formulación de Rayleigh:
Donde:
: Matriz de amortiguamiento.
: Matriz de masas.
CÁLCULO DINÁMICO
14
: Matriz de rigidez.
: Coeficientes de Rayleigh.
Los coeficientes y se han calculado para cada sección utilizando el
procedimiento recomendado por EERA (2000). Los valores obtenidos son:
Sección 1 Sección 2 Sección 3
R 1.20831 1.95873 1.32696
R 0.00025 0.00015 0.00023
Tabla 4. Coeficientes de Rayleigh
En cuanto a la disipación de energía introducida por el método de integración, ésta
se controla en Plaxis mediante los parámetros de cálculo y (coeficientes de
Newmark). En el presente estudio se ha optado por no introducir ningún tipo de
disipación numérica, aunque eso suponga una menor eficiencia de cálculo. En este
caso, los valores de los coeficientes son los siguientes:
En lo que se refiere a las condiciones de contorno, Plaxis proporciona un tipo de
borde absorbente, cuya función es simular la disipación de energía por la
propagación de la onda más allá del modelo construido. Los parámetros
encargados de calibrar estos bordes se llaman coeficientes de relajación, y se han
establecido en función de las recomendaciones del programa. No obstante, no hay
un criterio suficientemente claro para establecer el valor de estos parámetros ni
evidencias de que las ondas sean totalmente absorbidas por los bordes. Por ello, se
opta por situar los bordes alejados de la zona de interés para mayor seguridad.
Finalmente, tras el calibrado de los modelos se ha procedido a aplicar los
acelerogramas de cálculo, seleccionando el más crítico y llevando a cabo un
análisis profundo de los resultados. Las fases de cálculo ejecutadas en cada caso
son:
1. Peso propio.
2. Peso propio y aplicación del acelerograma.
CÁLCULO DINÁMICO
15
Se incluye a continuación a modo de ejemplo el modelo realizado para la sección
1.
Figura 7. Modelo de la sección 1
RESULTADOS DEL CÁLCULO
17
6. RESULTADOS DEL CÁLCULO
Tras la realización de los modelos y la implementación del cálculo aplicando el
acelerograma crítico a cada sección, se ha procedido al análisis de resultados. Para
ello se ha hecho uso de la opción del software utilizado por la cual se pueden
realizar simulaciones del estado de cada sección durante la aplicación del
acelerograma.
Para el análisis de las tensiones se han utilizado las tensiones de corte relativa y
los puntos de plastificación, por la claridad de los resultados que ofrecen. Durante
la simulaciones se puede observar que no aparece ninguna superficie de rotura en
el cuerpo de la presa, aunque sí en los materiales depositados aguas arriba (lodos
y Las Viñas). No obstante, se observa también que el cuerpo de la presa está
sometido a grandes tensiones, por lo que en ningún caso se puede considerar
como sobredimensionado.
En cuanto a las deformaciones, los resultados muestran que el cuerpo de la presa
permanece prácticamente inalterado, aunque sí se producen desplazamientos
importantes en los lodos. El modelo HS-Small da como resultado unas
deformaciones remanentes en coronación de entre 1 y 3 mm.
Las figuras 8, 9 y 10 son ejemplos de los resultados obtenidos en el momento más
crítico durante la aplicación del acelerograma. La Figura 8 muestra las tensiones
de corte relativas en el perfil 1; la Figura 9, lo puntos de plastificación en la
sección 2; y la Figura 10 la malla deformada de la sección 3.
RESULTADOS DEL CÁLCULO
18
Figura 8. Tensiones de corte relativas en el instante crítico de cálculo.
RESULTADOS DEL CÁLCULO
19
Figura 9. Puntos plastificados en la sección 2 en el instante crítico de cálculo.
RESULTADOS DEL CÁLCULO
20
Figura 10. Malla deformada. Sección 3.
ANÁLISIS DE LICUEFACCIÓN
21
7. ANÁLISIS DE LICUEFACCIÓN
La licuefacción puede ser causa de los mayores desastres durante un terremoto,
por ello es necesaria una evaluación de las posibilidades de que se produzca.
Según el Eurocódigo 8 parte 5:
“Se debe evaluar la susceptibilidad a la licuefacción cuando el terreno de la
cimentación esté formado por capas extendidas o potentes lentejones de arena
suelta, situado bajo el nivel freático tanto si presentan finos -limos o arcillas-
como si no, y cuando dicho nivel esté próximo a la superficie del terreno. Esta
evaluación se debe realizar para las condiciones de campo libre en el
emplazamiento (posición de la superficie del terreno, posición del nivel freático)
que vaya a predominar durante la vida de la estructura”.
Por tanto, se puede afirmar que en el caso de Almagrera, cimentada sobre roca
sana y formada por materiales fuertemente compactados, no hay un riesgo de
licuefacción importante. Además, la baja sismicidad de la zona hace aún más
difícil que se produzca este fenómeno. No obstante, un análisis profundo de la
posibilidad de licuefacción en los lodos puede ser una futura línea de
investigación en este tema.
CONCLUSIONES
23
8. CONCLUSIONES
El cálculo dinámico realizado, basado en acelerogramas reales y utilizando el
método de los elementos finitos, proporciona una útil simulación del estado y
comportamiento de la presa durante un seísmo. Los resultados muestran que la
presa es suficientemente segura, aunque sin estar sobredimensionada. De hecho,
en ciertos momentos durante el periodo de simulación, la presa se encuentra en
estados relativamente cercanos a su límite. Por su parte, tanto el material de
relleno (de Las Viñas) como los lodos llegan a romper durante el desarrollo de la
simulación, sin más trascendencia.
En definitiva, la ejecución de un cálculo dinámico por medio del método de
elementos finitos proporciona valiosas simulaciones que permiten un análisis más
profundo de los resultados que los métodos tradicionales.
Analizando los resultados obtenidos para las diferentes secciones, se puede
afirmar que el cuerpo de la presa es más seguro donde la roca subyacente ocupa
una porción mayor de la sección (sección 2). En este caso, esto significa que el
mayor peligro de rotura se sitúa en la parte central de la presa, donde la altura
sobre los cimientos es mayor.
En cuanto a la licuefacción, por las características de los materiales, no se dará ni
en la roca subyacente ni en los materiales de la propia presa. Sin embargo, los
materiales interiores del depósito sí pueden ser susceptibles de licuefacción (Las
Viñas y los lodos).
