Análisis dinámico de una presa de relaves mediante modelamiento numérico con el modelo UBCSAND

Abstract

El presente trabajo de investigación describe el modelamiento numérico de una presa de relaves a través del programa FLAC. La solución de la ecuación diferencial es a través de diferencias finitas con el modelo constitutivo UBCSAND. Los registros sísmicos empleados son del año 1974 (Lima) y 2001 (Ático) ajustados al espectro de peligro uniforme de la zona del proyecto para 475 años de periodo de retorno. El modelamiento geométrico se inicia en el estado actual de la presa para estabilizar el sistema y obtener las deformaciones estáticas. Se asignó las propiedades mecánicas (de resistencia) y las propiedades de flujo (permeabilidades de los materiales). Se aplicó el método acoplado para lograr el efecto combinado del flujo en el modelo, es decir el sentido y la velocidad con la que se mueve el flujo y de la presión de poros, que determina el esfuerzo efectivo de los materiales. Para la variación de la rigidez según el rango de deformación se asignaron las ecuaciones de amortiguamiento a los materiales. Para el análisis dinámico se emplearon los registros de velocidades sísmicas que se aplicaron en la base del modelo numérico que representa de la presa de relave. La calibración del modelo constitutivo de UBCSAND para el material de relave se realizó con: las curvas del ensayo de corte simple cíclico (DSS), la curva de esfuerzo cortante vs esfuerzo efectivo vertical y la curva de esfuerzo cortante vs deformación cortante. Asimismo, se calibró con la curva de CSR (relación de esfuerzo cortante cíclico) contra el número de ciclos para alcanzar la licuación. Finalmente, se tuvo en cuenta otras calibraciones empleando la ecuación de amortiguamiento histerético usando el modelo constitutivo Mohr-Coulomb en los demás materiales. El método semiempírico de Idriss y Boulanger (2008) se empleó para la evaluación de la licuación en el material de relave del vaso de almacenamiento. Los resultados obtenidos se compararon con los resultados del análisis numérico concluyéndose que, para los sismos utilizados, hay presencia del fenómeno de licuación. Con esto se observa que la licuación es muy probable de generarse en las presas de relaves sometidas a sismos severos, por lo que es importante la evaluación de este fenómeno. Sin embargo, el método semiempírico solo proporciona una idea inicial de la licuación de una presa de relaves. El análisis dinámico, que es más riguroso, debe ser empleado en estudios de factibilidad e ingeniería de detalle. Cabe señalar que es requerida la comparación de análisis con el método de equilibrio límite y el análisis dinámico para comprobar la estabilidad física de la presa de relaves en términos de condiciones de serviciabilidad. Esto genera mayor información en los resultados de esfuerzos y deformaciones colocando puntos de control en puntos de interés de la presa. El modelamiento numérico con el modelo constitutivo UBCSAND ha permitido la evaluación del incremento de presión de poros, así como el estudio de la licuación de los relaves del depósito mediante el parámetro “Ru”. Donde se observa que el incremento de presión de poros por el movimiento sísmico hace que las partículas se separen, disminuyendo su esfuerzo efectivo, perdiendo su rigidez. Esta investigación busca ser una referencia técnica para la aplicación en diseños futuros de las presas de relaves en el Perú considerando análisis dinámicos que son métodos más rigurosos a los convencionales.

This research describes the numerical modeling of a tailings dam through the FLAC finite difference program with the constitutive model UBCSAND, using the Lima 1974 and Atico 2001 earthquakes adjusted spectrally to the uniform danger spectrum of the project area in 475 years return period. Geometric modeling begins with the current state of the dam to stabilize the system and obtain static deformations. Also, mechanical properties (resistance) and Flow properties (permeabilities of materials) were assigned. The coupled method was applied to achieve the combined effect of the flow in the model, that is, the direction and speed with which the flow moves and the pore pressure, which determines the effective stress of the materials. The damping equations were assigned to the materials, which is defined as the variation of the stiffnesses according to the deformation range, and the earthquake was entered, in the form of a speed record at the base of the model. The constitutive model of UBCSAND was calibrated with the curves of the simple cyclic shear test (DSS), the shear stress curve against the vertical effective stress and the shear stress curve against the shear deformation. Also, it was calibrated with the CSR curve (cyclical shear stress ratio) against the number of cycles. Among other calibrations, we had the hysteretic damping equation for the other materials where the mohr coulomb model was used. The numerical modeling allows to study the liquefaction of the tailings of the eposit by means of the parameter “Ru”, through the relation of acting stresses and resistant stresses, where the acting stress is the excess pressure of pores due to seismic movement, which generates a decrease in stress effective and loss of stiffness of the particles. In other words, it is the ratio of the excess pore pressure generated by the seismic movement against the initial vertical effective stress, which is the resistance of the soil. On the other hand, the limit equilibrium method will be compared with a rigorous analysis, such as dynamic analysis which use the finite difference method. This will verify that physical stability in terms of serviceability conditions, generates more information on stresses and deformations at control points placed at sites of interest in the dam. The results of the pseudo-static safety factor and the earthquake resulting from the limit equilibrium method will be reflected in the range of deformations obtained from the dynamic analysis. The liquefaction potential evaluation was performed using the semi-empirical method of Idriss and Boulanger (2008), comparing it with the results of the numerical analysis and concluding that the tailings of the deposit present liquefaction for the earthquakes used. The performance of the geotechnical modeling with finite differences will be compared with the semi-empirical method of Idriss and Boulanger from 2008, this will serve to weigh the use of more rigorous analyzes to carry out feasibility studies or detailed engineering. Although the empirical methods do give an initial idea about the behavior of the dam about whether there will be liquefaction in certain areas in the face of an earthquake, they do not give me information about the effect of liquefaction on the dam during and after an earthquake. This research seeks to be a technical reference for the future design of tailings dams in Peru considering rigorous analysis.