CAPÍTULO 12: BALSAS DE ALMACENAMIENTO DE RELAVES

Este capítulo abarca los principales términos generales, las técnicas y materiales empleados en la construcción de balsas/presas y complementa la información sobre TSFs del capítulo 4. Su objetivo es ofrecer una visión más detallada de los tipos de balsas/presas, las propiedades de los materiales, la estabilidad del subsuelo, las posibles áreas problemáticas y los métodos de análisis y control para mitigarlas, además de ofrecer ideas para obtener información adicional sobre el tema.

Construcción de balsas/presas

En general, las tres funciones principales de una balsa/presa son las siguientes: una presa es una construcción que contiene y almacena agua y/o materiales; cuenta con un desagüe y un alivia-dero para controlar de forma segura el nivel del agua y evitar desbordamientos incontrolados. Muchas construcciones de balsas/presas confían en la gravedad; el peso del material de construc-ción proporciona la fuerza que mantiene el contenido en su lugar. Las presas de agua son imper-meables para contener el agua. Sin embargo, las balsas mineras/presas de relaves (TSF) son represas de terraplén semipermeables, construidas para permitir filtraciones controladas. El material filtrado que se acumula en el drenaje de la presa y el desagüe de una balsa minera (TSF) suelen recogerse en un estanque de decantación. Antes de verterla al curso receptor aguas abajo, el agua se analiza y puede tratarse para evitar riesgos de contaminación medioambiental o daños a los recursos de agua potable aguas abajo.

Elementos principales del diseño de una balsa/presea

Los elementos principales del diseño de una balsa/presa pueden variar según su propósito, sus características y la cantidad de relaves que se depositarán, así como las propiedades y la cantidad de material disponible para su construcción. Una presa de relaves de terraplén puede contener los siguientes componentes técnicos (Figura 2).

• Cimientos (la base estable sobre la que se erige la balsa/presa)
• Núcleo (o membrana, que restringe el agua aguas arriba de la presa)
• Revestimiento/carcasa (restringe los relaves almacenados dentro de la balsa/presa)
• Filtro de transición (mantiene el material del núcleo en su lugar, asegurando su funcionamiento a lo largo del tiempo)
• Drenaje interno (recoge las filtraciones, reduciendo la cantidad de agua dentro del revestimiento/carcasa de la presa aguas abajo, asegurando su estabilidad)
• Drenaje de pie (recoge las filtraciones, reduciendo la cantidad de agua dentro del revestimiento/carcasa de la presa aguas abajo para asegurar su estabilidad)
• Escollera (protección contra la erosión de la superficie del revestimiento/carcasa contra olas o corrientes de agua)

Figura 2. Figura esquemática de la construcción de una balsa/presa.

Las balsas/presas de relaves (TSF) suelen ampliarse y extenderse con el tiempo. Existen tres maneras principales de aumentar la capacidad de la TSF: elevar la presa aguas arriba, aguas abajo o sobre la línea central. Cada uno de estos conceptos tiene ventajas e inconvenientes. La elevación aguas arriba requiere la menor cantidad de material de construcción, pero cada elevación hacia el interior reducirá el volumen [adicional] disponible para el almacenamiento de relaves. La elevación aguas abajo aumentará el volumen de almacenamiento de relaves con cada ampliación, [pero] ocupará una superficie mucho mayor y requerirá volúmenes cada vez mayores de material de construcción (Figura 3).

Figura 3. Formas de extensión de balsas/presas de relaves (1: aguas abajo, 2: aguas arriba^* y 3: sobre la línea central).

* En algunos países, la extensión aguas arriba de balsas mineras está prohibida, como por ejemplo Ecuador.

Diseñando la construcción de una balsa/presa

Las balsas/presas de relaves son generalmente presas de terraplén, construidas con áridos y tierras disponibles localmente. En muchos casos, las fracciones adecuadas de estériles y tierras excavadas pueden obtenerse de la propia operación minera. No es raro que se abran canteras específicamente para obtener materiales con las características necesarias para la construcción de elementos específicos de un proyecto de construcción de balsa/presa (por ejemplo, el núcleo de la presa).

Estabilidad y erosión

Los materiales gruesos y pesados pueden resistir las fuerzas erosivas del agua y el viento, pero los materiales de grano fino pueden ser más propensos a la erosión y ser deslavados por fuertes lluvias o arrastrados por el viento de la superficie de una playa seca en una balsa minera. Las propiedades de un material granular con diferente contenido de agua pueden describirse mediante la analogía de la construcción de un castillo de arena en una playa. El castillo de arena solo se sostiene si el contenido de agua se encuentra dentro del intervalo adecuado. Cuando el contenido de agua en los poros es demasiado bajo, se puede crear un muro, pero los granos se desmoronarán. Si el contenido de agua es demasiado alto o si el material está completamente seco, será imposible siquiera erigir un muro de arena. Los materiales de grano muy fino, como la arcilla y el limo, tienen propiedades muy diferentes a las de la arena y otros materiales más gruesos. Debido a su pequeño tamaño de partícula, las fuerzas de cohesión física son mucho mayores. Por ello, la arcilla y el limo a veces forman muros verticales que pueden mantenerse estables a lo largo del tiempo. Sin embargo, también en este caso, el contenido de agua es crucial. Sin embargo, si el contenido de agua es demasiado alto, el material de grano fino puede volverse inestable y propenso a la deformación plástica, lo que puede causar derrumbes y corrimientos de tierra.

Uso de materiales específicos en elementos de construcción de balsas/presas

Generalmente, se evitan los materiales limosos en la construcción de presas debido a sus deficientes características técnicas (potencialmente inestables y con riesgo de licuefacción). Las capas limosas y arcillosas en el subsuelo también son indeseables, ya que el contenido de limo puede afectar los costos de cimentación y diseño de la presa para mitigar futuros riesgos de estabilidad. Dependiendo de la roca madre, los relaves mineros pueden contener cantidades considerables de limo. Esto debe tenerse en cuenta al diseñar y operar una balsa/presa de relaves. Los cimientos de una presa suelen estar compuestos de roca o tierra y sostienen la construcción del terraplén, proporcionando estabilidad frente a cargas verticales y horizontales. Capas permeables en los cimientos, incluso si no están expuestas en superficie, pueden representar un riesgo para la estabilidad de la balsa/presa (filtraciones bajo la presa) y no son deseados en unos cimientos de presa. Dependiendo del entorno, se pueden construir unos cimientos como parte de la construcción de la balsa/presa, reemplazando un terreno no apto con materiales o elementos técnicos adecuados. Se utilizan materiales de grano fino (arcilla) en elementos casi impermeables, tales como el núcleo o membrana de la presa. Los materiales arenosos se utilizan comúnmente como materiales filtrantes. Los materiales de grano grueso se emplean en los revestimientos/car-casas de las presas y los cimientos, para el drenaje (drenaje interno, drenajes de pie) y la estabili-dad en la construcción de las balsas/presas.

Estabilidad de los cimientos – propiedades del subsuelo

Es fundamental conocer las características del suelo o de los materiales granulares destinados a cimentación de balsas/presas o a la construcción de sus diferentes elementos. Otro aspecto importante es investigar la estratigrafía, las capas y los materiales presentes en el subsuelo del lugar donde se construirá la balsa/presa. Por ejemplo, un subsuelo laterítico rico en arcilla no es adecuado para los cimientos de una balsa/presa. Existen diversos métodos de investigación para evaluar adecuadamente las propiedades materiales y realizar cálculos geotécnicos de mecánica de suelos. Existen rutinas de muestreo e investigación estandarizadas para evitar posibles errores que podrían afectar la calidad de los resultados de análisis posteriores.

Métodos de investigación

• Excavación de un pozo en suelo para cartografiar capas superficiales y tomar muestras de material.
• Cartografía de suelo o roca mediante perforación, recolección de sedimentos o núcleos de roca para muestreo de materiales y análisis geotécnico.
• Métodos geofísicos: geomagnéticos, sísmicos y electromagnéticos. A menudo utilizados en combinación con un programa de perforación para verificar resultados.
• Teledetección: escaneo láser o radar interferométrico de apertura sintética (LiDAR, ”laser imaging detection and ranging”, e InSAR, ”interferometric synthetic aperture radar”, por sus siglas en inglés, respectivamente).

Métodos de análisis

• Análisis de tamaño y distribución de grano: análisis en laboratorio de muestras de campo. El tamaño de muestra requerido aumenta rápidamente con el tamaño de grano del material muestreado.
• Prueba de penetración de cono (CPT, “cone penetration test”, por sus siglas en inglés): es un método común para evaluar las propiedades geotécnicas del suelo y el sedimento. Se introduce una barra con punta cónica en el material mientras se mide la velocidad de penetración, la fricción del manto de la barra y la presión de agua intersticial generada en la punta. Se utiliza a menudo en combinación con el análisis de tamaño de grano.
• Análisis químico: análisis en laboratorio de muestras de campo recolectadas, puede ser relevante en ciertos entornos geológicos. Algunos materiales, como suelos o rocas con sulfuros [o sulfatos], pueden no ser aptos para la construcción debido al aumento del drenaje ácido[, la liberación de aniones y cationes, y su interacción con los materiales de construcción de la balsa/presa].
• Análisis de resistencia al corte: análisis en laboratorio de muestras de suelo o sedimento para evaluar la resistencia del material bajo tensión.
• Visualización y modelado informático de los datos disponibles, como cartografía geológica, mediciones de campo y resultados de análisis[, así como modelización numérica y análisis computacional 2D o 3D de modos potenciales de colapso].

Rotura de balsas/presas – causas comunes

Una rotura de balsa minera/presa de relaves (TSF) podría provocar eventos catastróficos, como movimientos de masas aguas abajo e inundaciones repentinas, así como la posible contaminación de grandes áreas y la pérdida de vidas humanas. Las causas comunes de roturas de balsas/presas incluyen:

• El volumen de relleno de la presa excede la capacidad planificada del diseño, lo que provoca fallas/rotura de la construcción.
• Las propiedades técnicas, la distribución y la operación de relleno del material de relave en la balsa/presa no se ajustan al diseño original de la presa.
• El diseño o la cimentación de la balsa/presa no son adecuados para soportar impactos externos, tales como riesgo sísmico de la región (si corresponde).
• Sequías/precipitaciones intensas episódicas, inundaciones repentinas en la zona de captación aguas arriba.
• Fallas técnicas o mal funcionamiento de los elementos o equipos de la presa (núcleo, desagüe de la balsa/presa, equipos de monitoreo o emergencia, aliviadero de emergencia).
• Investigaciones inadecuadas del subsuelo antes de la construcción o ampliación de la balsa/presa.
• Diseño inadecuado para modernizar o ampliar las balsas/presas existentes con el fin de facilitar almacenamiento de un mayor volumen de residuos, o modificar el diseño técnico de la balsa/presa.
• Monitoreo y control de calidad deficientes durante la construcción, operación, recuperación o desmantelamiento de la presa, que impide detectar riesgos potenciales a tiempo.

Figura 4. Colapso de la balsa minera de Brumadinho, Brasil, 2019.

Mitigación del riesgo y las consecuencias de la rotura de balsas/presas:

El riesgo de rotura de una balsa minera/presa de relaves puede mitigarse mediante una planificación adecuada que garantice que la presa tenga capacidad para contener un volumen de seguridad adicional signficativo, junto con medidas de seguridad adecuadas, como aliviaderos de emergencia. Las propiedades físicas del material de construcción de la balsa/presa, el material del subsuelo y de los relaves contenidos en ella son igualmente importantes. Se debe investigar el subsuelo para determinar que no existan capas profundas ocultas que puedan afectar su uso como cimiento estable para la construcción de una balsa/presa. En algunos casos, las características y el comportamiento del material pueden variar considerablemente al verse afectados por vibraciones o altas presiones intersticiales. Una presión intersticial alta dentro de la construcción de una balsa/presa o un nivel elevado de agua en el revestimiento/carcasa de la presa aguas abajo generalmente reducen la estabilidad de la presa e indican un mayor riesgo potencial de rotura. A medida que disminuye la fricción entre las partículas, disminuye la capacidad del diseño de la balsa/presa para retener de forma segura los relaves y el agua aguas arriba. Si el material de la presa de relaves está saturado de agua y la mayoría de los poros están anegados, la presión intersticial aumentará. Si los poros están llenos de aire/gas, la presión intersticial disminuirá.

Si la construcción, operación y monitoreo de la balsa/presa se llevan a cabo correctamente, el operador puede identificar y reaccionar adecuadamente ante cualquier cambio en las filtraciones y/o superficie del muro de la presa. Los sumideros a menudo se identifican por filtraciones discretas en la base de la presa o por socavones en la parte superior o lateral de la presa. La evaluación de la seguridad de la presa es una actividad continua e iterativa que incluye:

• Planificación a largo plazo de la operación de la balsa minera y presa de relaves, lo que permite prever oportunamente las mejoras necesarias o los cambios (climáticos) que afecten a la presa o su zona de captación.
• Capacitación y formación periódicas de la competencia del personal.
• Asegurar que el diseño de la presa sea adecuado para las operaciones y el tipo de relave, y que el diseño de los cimientos se base en investigaciones [adecuadas] del subsuelo.
• Asegurar un proceso adecuado de permisos, concesiones y evaluación de impacto medioambiental.
• Asegurar una planificación adecuada, monitoreo y control continuos de las operaciones. Se dispondrá de registros continuos de mediciones y resultados de análisis. Se abordarán e investigarán las anomalías.
• Control periódico por parte de las autoridades para garantizar que las operaciones cumplan con los permisos pertinentes, que los programas de monitoreo y las medidas de seguridad estén implementados y en funcionamiento.
• Asegurar que el equipo de seguridad, el desagüe de la presa y el aliviadero de emergencia estén mantenidos y operativos.
• Asegurar que los planes de recuperación no afecten la capacidad de la balsa minera (TSF) para mantener un almacenamiento seguro (por ejemplo, raíces de árboles que penetren el núcleo de la presa, creando vías para filtraciones).
• Identificación de la ocurrencia y cambios en las filtraciones (ubicación, cantidad), reconocimiento de cambios en la topografía del frente de la presa y la superficie del terreno adyacente (asentamientos/subsidencias, abultamientos, grietas).
• Análisis periódico del agua liberada desde el estanque de decantación de una presa de relaves (por ejemplo, elementos químicos relevantes, pH, turbidez).
• Monitoreo y análisis de los recursos hídricos subterráneos adyacentes aguas abajo.

Supervisión gubernamental de balsas mineras (TSF)

Los funcionarios gubernamentales responsables de la supervisión de una balsa TSF deben mantener contacto con el operador y las partes interesadas relevantes, como la administración municipal local/regional. El objetivo es garantizar el correcto cumplimiento de la legislación y las normas medioambientales. Las autoridades, junto con el operador de la balsa TSF y las partes interesadas relevantes, deben evaluar los posibles escenarios de riesgo relacionados con el sitio (tipo de relaves, tamaño y topografía de la zona de captación aguas arriba, uso del suelo/asenta-mientos/áreas protegidas aguas abajo, impacto potencial de la rotura de la balsa/presa). Comun-mente, el operador de la balsa TSF y las autoridades relevantes programan reuniones de forma regular para discutir la operación y la supervisión. Si hay un incidente, este debe informarse de inmediato a las autoridades pertinentes, independientemente de su gravedad, incluyendo las acciones de mitigación. En el seguimiento posterior del incidente, se presentarán las acciones tomadas y las medidas preventivas para evitar su recurrencia.

Monitoreo, inspección e instrumentación de balsas mineras/presas de relaves

El monitoreo de presas de relaves/balsas mineras (TSF) debe realizarse diariamente para detectar y minimizar riesgos de roturas en las presas debido, por ejemplo, a falla de taludes, asentamiento de relaves por deslizamiento debido a construcción aguas arriba, terremotos (licuefacción) y erosión (interna y externa). Los parámetros a medir son la filtración, los desplazamientos (en superficie e internos), la presión intersticial, la tensión total (potencial de agrietamiento) y la calidad del agua (turbidez, erosión interna).

Los controles de filtraciones se realizan para cuantificar el caudal de desagüe que pasa por la balsa/presa, evaluar la eficacia de su zona impermeable, estimar la relación entre la filtración y la carga del embalse, y obtener tendencias a largo plazo de la filtración. La filtración se mide en el flanco aguas abajo de la balsa/presa, donde el agua se recoge en uno o varios puntos y se conduce por tuberías hasta una cámara de medición en el pie aguas abajo. En la cámara, la cantidad de filtración se mide mediante una entalla en V (carga de agua por encima de la entalla en V, medición manual/automática mediante una escala calibrada fija) (figura 5) o mediante un registrador de nivel de agua (medición automática).

Figura 5: Medición de la altura del agua por encima de la entalla en V (manual o automática).

Se realizan controles de desplazamiento superficial para verificar la elevación de la cima de la cresta/núcleo. Esto implica una red de marcadores (puntos geodésicos, figura 6) colocados en la superficie y en el núcleo de la balsa/presa. Las coordenadas de los marcadores se determinan mediante triangulación.

Los controles de desplazamiento interno se realizan para monitorear los movimientos y deformaciones del subsuelo, incluyendo desplazamientos horizontales, verticales y longitudinales. El objetivo de las mediciones es detectar zonas de movimiento y determinar si este es constante, se acelera o responde a medidas correctivas. También es importante verificar si las deformaciones se encuentran dentro de los límites de diseño (durante la construcción, durante y después del embalsado). Cómo medir: [mediante] inclinómetros (pueden instalarse horizontal y verticalmente) y extensómetros (desplazamientos longitudinales, instalados horizontal y paralelos al eje de la balsa/presa) (figura 6).

Las mediciones de presión intersticial se realizan mediante instrumentos de presión instalados en pozos desde la superficie del terreno a la profundidad de medición deseada. Las mediciones regulares o continuas de la presión intersticial y del nivel freático permiten detectar cambios que podrían indicar filtraciones o sumideros. En la construcción de balsas/presas, la presión intersticial puede utilizarse para el control y la monitorización de filtraciones (figura 6). Los instrumentos de presión se instalan típicamente en los cimientos de la balsa/presa, aguas abajo de la misma o en los contrafuertes laterales (soportes de la presa). Los instrumentos utilizados son: sensores (electrónicos y neumáticos), filtros o celdas de Casagrande instalados dentro de un tubo de plástico (manómetro o sensor eléctrico) y piezómetros (sensores de presión de agua).

La medición de la calidad del agua se realiza para detectar indicios tempranos de erosión interna en la construcción de la balsa/presa. Un agua de filtración turbia con partículas de suelo dispersas podría indicar erosión interna. A menudo se miden parámetros como la turbidez (indicador de sedimentos en suspensión de grano muy fino), el pH y la composición química del agua (el agua ácida y rica en metales puede indicar oxidación en la construcción). La medición de la temperatura del agua sirve para indicar fugas, capas congeladas, y es importante para evaluar el potencial total de agrietamiento. La temperatura se mide mediante fibra óptica y termopares, por ejemplo.

Figura 6: Imagen conceptual de mediciones, instrumentos, en la construcción de una balsa/presa.

En general, al diseñar la construcción de una balsa/presa, se deben tener en cuenta la presión del agua (también conocida como presión hidrostática) y la permeabilidad (la capacidad de los materiales para permitir que fluidos y gases se filtren a través de sus poros). La permeabilidad se ve influida por la distribución, la forma y la cantidad relativa de espacio conectado (poros) disponible para el transporte dentro del material en cuestión. La presión aguas arriba, por ejemplo, la altura de una columna de agua libre o dentro de los poros aguas arriba, también afectará la permeabilidad.

Figura 7: Sumidero y grieta en la construcción de una balsa/presa.

Inspecciones visuales

Las inspecciones visuales deben formar parte del programa de monitoreo y llevarse a cabo con una lista de verificación. Las inspecciones pueden incluir patrullajes a pie en las presas, galerías y túneles. En estos lugares, se deben buscar daños o asentamientos, sumideros, señales de movimiento, grietas, fugas y turbidez visibles en el agua de filtración (figura 7). También se deben revisar los aliviaderos, las compuertas, el funcionamiento de los diferentes equipos, anomalías en la instrumentación y otras anomalías en el sitio.

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