Informe Final CI6808

7/23/2019 Informe Final CI6808

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Universidad De ChileFacultad de Ciencias Físicas y MatemáticasDepartamento de Ingeniería CivilCI6908 Introducción al Trabajo de Título

INTRODUCCIÓN AL TRABAJO DE TÍTULO CI6908

Nombre Alumno: Nicolás Aceituno ReyesRut/Nº de Matricula: 17.596.119-4/ 28004647Profesor Guía: Yarko Niño.Profesor Curso CI69E: Yarko Niño C.Fecha: 7 de Julio del 2015

TÍTULO:

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL TRANSPORTE DE RELAVES MINEROS DEBIDOA ACCIDENTES EN UN CANAL CON LECHO DE GRAVA

RESUMEN

La industria de la minería, actual e históricamente ha sido un agente contaminante para sistemas fluviales

debido a múltiples accidentes, donde en muchas ocasiones diversos relaves mineros son vertidos en Ríos de

lechos de grava, depositándose y contaminando el sistema fluvial. Dentro de este contexto se enmarca el

trabajo de título a realizar, que es el estudio experimental del transporte de relaves mineros en un cana l con

lecho de grava, que tiene como objetivo principal la recreación experimental de los fenómenos que afectan

a los sistemas fluviales por estudiar, la evolución temporal y espacial de la estratigrafía del lecho producto

del transporte de relaves mineros. Lo anterior se realiza para lograr un mayor y mejor conocimiento del

modo en que los relaves mineros se van depositando sobre un lecho de grava de un sistema fluvial,

entendiendo cómo estos relaves van utilizando los espacios de poros, cómo avanzan sobre el lecho y cómo

este avance y depositación influyen sobre los parámetros hidráulicos del problema.

Para llevar a cabo lo descrito anteriormente se realizará un estudio de los fenómenos físicos que gobiernan

el problema, luego se pondrá en marcha el montaje experimental consistente en un canal abierto con lecho

de grava inmóvil ubicado en el laboratorio de Hidráulica Francisco J. Domínguez, Universidad de Chile, sobre

éste se inducirá un flujo permanente de agua y se verterá aguas arriba relave minero. Se desarrollará

también una metodología de trabajo para llevar a cabo los experimentos así como para el procesamiento de

datos.

De las observaciones del montaje se espera obtener como resultados una análisis cualitativo y cuantitativo

del fenómeno para tener una mayor comprensión de la estratigrafía depositacional de los lechos de grava en

ríos y la evolución del transporte de relaves mineros como contaminantes en depositación.




MOTIVACIÓN

Múltiples casos de contaminación por derrames de concentrados de cobre y/o relaves mineros sobreSistemas fluviales han ocurrido en muchas partes del mundo, incluyendo Chile debido al actual e histórico

papel que ha jugado la minería, lo que ha traído consecuencias nefastas, volviendo estos sistemas fluviales

contaminados por desechos ricos en metales en concentraciones que representan un riesgo para los

sistemas de vida humanos y el desarrollo sustentable (Coulthard and Macklin, 2003; Macklin, 2006; Dennis

et al., 2009). Los ríos de Chile, dada la historia geológica, presentan lechos de grava que ante situaciones

como la descrita, ocurrente regularmente por fallas en tuberías o canales de transporte de relaves y rotura

de presas de relaves, son contaminados alterando los procesos de transporte y estratigrafía depositacional.

Un estudio anterior demostró que diversos impactos sobre el medioambiente y la salud humana surgen

comúnmente debido a la residencia prolongada en el tiempo de metales pesados en sedimentos de ríos y

suelos aluviales y que además estos presentan características bioacumulatorias en plantas y animales(Macklin, 1992). Por otro lado, desde 1970 los esfuerzos en las investigaciones que se han desarrollado

principalmente en Europa y Norteamérica y que han estado relacionadas con la contaminación de sistemas

fluviales por relaves mineros han reconocido que la dispersión, almacenamiento y removilización de

metales transportados como sedimentos en ríos pueden estar directamente relacionados al estudio de los

procesos de transporte de sedimento (Lewin et al., 1977; Lewin and Wolfenden, 1978; Bradley, 1984; Lewin

and Macklin, 1987; Marcus, 1987; Graf, 1990; Axtmann and Luoma, 1991; Taylor and Kesterton, 2002;

Walling et al., 2003), por lo que el estudio de la dinámica depositacional espacial y temporal de los

sedimentos de un río pueden ser entendido y modelado a través de procesos de dispersión de largo plazo y

gran escala de sedimentos de origen metálicos en sistemas fluviales, como los que son vertidos por

accidentes de relaves mineros.

Un entendimiento del comportamiento geotécnico de relaves mineros es esencial para evaluar la estabilidad

y resistencia a la erosión de lechos sobre los cuales han sedimentado relaves mineros, tanto para el diseño

como para el manejo de la disposición final de los relaves. Dimitrova and Yanful (2012) prepararon relaves

mineros artificiales mezclando los obtenidos de diversas empresas mineras con mezclas de arcillas y arcillas

de origen mineralógico, logrando lechos con diferente composición, grosor y edad a través de variar el cómo

sedimentan. Lo anterior resume las formas en que se obtienen distintos relaves para ser utilizados en la

experiencia de laboratorio.

Este proyecto tiene como principal motivación estudiar y entender la estratigrafía depositacional de los

lechos de gravas en ríos, mejorando así la capacidad para evaluar la contaminación debido a accidentes

mineros en ríos debido al transporte de sedimentos de origen metálico tales como lo son los relaves y lacomprensión de la evolución de los procesos de contaminación producto de lo mismo.

El entendimiento de las interacciones que presenta la estratigrafía que presenta el lecho es crucial para el

balance de masa dado que se generan cambios dinámicos en el transporte de sedimentos de origen

metálico a través de la gradación o degradación del material en el lecho. Así, el trabajo experimental

propuesto y explicado en el siguiente temario tiene por objeto avanzar en el estudio mencionado y generar




herramientas con tal de abordar el problema de contaminación producto del derrame de relaves mineros

como un problema de transporte de sedimentos de origen metálico y la depositación que éste genera

OBJETIVOS:

GENERALES:

Estudio experimental de la respuesta de un canal con lecho de grava bajo presencia de

contaminación de relaves mineros artificiales.

ESPECÍFICOS:

1. Modificación y puesta en marcha de un canal presente en el Laboratorio de Hidráulica

Francisco J. Domínguez de la Universidad de Chile.2. Generación de una metodología para el trabajo experimental, producción de relaves mineros

artificiales y procesamiento de los resultados de los múltiples fenómenos producidos en el

experimento.

3. Análisis cuantitativo y cualitativo de los resultados experimentales guiados por el análisis fluido

dinámico y de la estratigrafía del canal en el espacio y tiempo, y el transporte de sedimentos en

éste. Estudio de la validez de las relaciones que describen fenómenos similares.




METODOLOGÍA

ESTUDIO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS QUE GOBIERNAN EL EXPERIMENTO Etapa que tiene por objetivo el entendimiento de los distintos fenómenos que afectan a los sistemas

fluviales del problema en estudio, donde los principales a estudiar serán: Cómo se transportan y depositan

los relaves mineros a lo largo del canal de estudio, cómo esta depositación afecta la fluido

dinámica(esfuerzo de corte de fondo, perfil de velocidades, movimiento incipiente de partículas) del sistema

fluvial y la estratigrafía del lecho en su interacción con el relave transportado y cómo lo anterior influye

sobre el transporte sólido de fondo y en suspensión.

MODIFICACIÓN, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DEL CANAL Etapa que busca, en escala reducida, recrear experimentalmente los fenómenos que afectan a los sistemas

fluviales con el objetivo de estudiar particularmente el desarrollo espacial y temporal de la estratigrafía del

lecho producto del transporte de relaves mineros.

Con la necesidad de lograr un ambiente más controlado que permita comprender de mejor manera los

fenómenos en estudio y registrar variables muy difíciles de ser registradas en terreno es que se realiza un

estudio experimenta, que presume de las siguientes etapas:

I. Diseño conceptual de las distintas modificaciones que se deseen realizar al canal para estudiar

el fenómeno de contaminación en río de lechos de grava por relaves mineros.

II. Modificación del montaje experimental, el que se llevará a cabo en el Laboratorio de

Hidráulica Francisco Javier Domínguez de la Universidad de Chile.

III. Puesta en marcha del canal como correcta operación mecánica del experimento.

IV. Fabricación del relave minero de carácter artificial con diferentes contenidos y mineralogías dearcilla a utilizar como medio contaminante en el sistema fluvial en estudio.

V. Instalación de instrumentos que permitan registrar las variables fluido dinámicas y de

transporte de sedimentos en estudio, tales como: caudal, avance del frente de relaves mineros,

tasa de depositación, etc.

DESARROLLO DE LOS EXPERIMENTOS Etapa consistente en el desarrollo de una metodología de trabajo que permita realizar experimentos

repetitivos y normalizar el manejo de la operación de instrumentos.

Se llevan a cabo los experimentos que serán registrados, se generará una metodología para el

procesamiento de datos para su posterior análisis desde la fluido dinámica, transporte de sedimentos yestratigrafía.

ANÁLISIS DE LOS DATOS REGISTRADOS DURANTE LA EXPERIMENTACIÓN EN EL LABORATORIO Se analizarán los resultados experimentales y se estudiará la validez de las relaciones que describen

fenómenos similares para el entendimiento de la estratigrafía depositacional de los lechos de grava en ríos y

su evolución ante la contaminación de relaves mineros.




RESULTADOS ESPERADOS

A partir del estudio de investigación y montaje en laboratorio se esperan los siguientes resultados.

Contar con un equipo experimental en funcionamiento, que permita estudiar la depositación de

relaves mineros en sistemas fluviales de lechos de grava inmóviles que logre emular situaciones

producidas en sistemas fluviales existentes.

Contar con una metodología de trabajo que permita llegar a cabo un buen desarrollo experimental,

generando experimentos repetibles y tomando en cuenta la caracterización y registro de las

experiencias.

Contar con una metodología de trabajo que permita un correcto desarrollo de los experimentos,

que permita la correcta captura de datos y un posterior procesamiento de éstos.

Contar con un registro de experimentos para un posterior análisis que, eventualmente, pruebe la

validez de relaciones que describen fenómenos físicos similares.

Comprender de mejor manera los fenómenos que afectan la estratigrafía de un sistema fluvial con

lecho de grava contaminado por relaves mineros y la evolución que éste presenta.




ESTRUCTURA DEL INFORME

Introducción al trabajo de título ........................................................................................................................ 1

Título: ............................................................................................................................................................. 1

Resumen ......................................................................................................................................................... 1

Motivación ...................................................................................................................................................... 2

Objetivos: ....................................................................................................................................................... 3

Generales: .................................................................................................................................................. 3

Específicos: ................................................................................................................................................. 3

Metodología ................................................................................................................................................... 4

Estudio de los fenómenos físicos que gobiernan el experimento .............................................................. 4

Modificación, construcción y puesta en marcha del canal ......................................................................... 4

Desarrollo de los experimentos .................................................................................................................. 4

Análisis de los datos registrados durante la experimentación en el laboratorio ....................................... 4

Resultados Esperados ..................................................................................................................................... 5

Estructura del informe .................................................................................................................................... 6

Revisión Bibliográfica ......................................................................................................................................... 7

Introducción ................................................................................................................................................... 7

Objetivo .......................................................................................................................................................... 7

Desarrollo y discusión ..................................................................................................................................... 8

Relevancia del estudio de la presencia de metales contenidos en relaves en lechos de ríos .................... 8

Estudios de Transporte de sedimentos en ríos con lechos de grava ........................................................ 10

Estudios de relaves, caracterización y medición del gasto sólido en suspensión .................................... 14

conclusiones ................................................................................................................................................. 19

Bibliografías y Referencias: ........................................................................................................................... 20




REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

INTRODUCCIÓN

Los fenómenos de transporte de sedimentos en lechos de ríos han sido largamente estudiados por distintos

investigadores reconocidos en el área hidráulica, dado que el mejor entendimiento de estos presume el

encontrar mejores soluciones a problemas diversos de ingeniería hidráulica y ambiental que son de

importancia sustancial y están hoy en constante cuestionamiento. Es así como por ejemplo Wren et al.

(2011) y Kuhnle et al. (2013) en sus últimas investigaciones han evaluado el efecto de incrementar el

transporte de arena sobre un lecho inmóvil de grava, lo que permite entender mejor procesos como la

liberación de sedimentos de arena en presas para aumentar la capacidad de ésta.

La siguiente revisión bibliográfica busca, de manera secuencial, mostrar por qué muchos investigadores han

venido estudiando fenómenos de transporte y depositación de sedimentos en lechos de ríos,

particularmente lechos de grava; cómo se han realizado estos estudios según los procedimientos llevados a

cabo, para finalmente mostrar al lector por qué estudiar el transporte de relaves en lechos de grava inmóvil

es importante para avanzar en la investigación y el entendimiento de fenómenos ambientales que son de

vital importancia en un país caracterizado porque su principal fuente de trabajo es la minería del cobre, que

dentro de sus principales procesos para su obtención en alta ley, requiere generar diversos desechos que se

caracterizan por relaves mineros a ser transportados como fluidos de alta viscosidad y vertidos en tranques

de relave. Además se discutirán técnicas de experimentación y teoría para caracterizar el arrastre en

suspensión de sedimentos como los relaves.

OBJETIVO La revisión bibliográfica de la memoria con título “ ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL TRANSPORTE DE RELAVES

MINEROS DEBIDO A ACCIDENTES MINEROS EN UN FLUJO CON LECHO DE GRAVA” tiene los siguientes

objetivos:

Mostrar y discutir diversas investigaciones acerca de la relevancia de estudiar la depositación de

metales en concentraciones en sistemas fluviales, donde éstos están contenidos en altas

concentraciones en relaves mineros que pueden ser vertidos en lechos de ríos debido a accidentes

de la minería.

Mostrar y discutir estudios realizados sobre el transporte de sedimentos en lechos de grava inmóvil

y como estos motivan la investigación de transporte y depositación de relaves en lechos de grava

inmóvil. Mostrar y discutir diversos estudios relacionados con la caracterización de relaves mineros, teoría y

experimentación del arrastre en suspensión.




DESARROLLO Y DISCUSIÓN

RELEVANCIA DEL ESTUDIO DE LA PRESENCIA DE METALES CONTENIDOS EN RELAVES EN LECHOS DE RÍOS

El siglo 21 trajo consigo diversos nuevos paradigmas en cuanto a la relevancia de cuidar el medio ambiente

en su relación con la sustentabilidad de éste y la preservación de la vida humana y animal evitando riesgos

de corto y largo plazo. Lo anterior motivó poner énfasis desde la ingeniería civil hidráulica, ambiental y

geotécnica en diversos fenómenos que presumían un riesgo gigante para la sustentabilidad del medio

ambiente y humano, la contaminación de los ríos, sistemas fluviales relevantes para el desarrollo de las

civilizaciones tanto en la antigüedad como en la actualidad.

Algunas nuevas disciplinas de la ingeniería han surgido en búsqueda de solucionar problemas ambientales

causados por ejemplo por el derrame de relaves debido a la falla de presas, es así como la ingeniería

geoambiental emerge como una contribución especializada de la Ingeniería Geotécnica en un contexto

interdisciplinario y en la escena inicial de todo proyecto de minería de presas de relave, por lo tanto, esta

contribución ha sido destinada a identificar con cierta claridad una adecuada utilización de las metodologías

geotécnicas para evitar fallas y accidentes, buscando además soluciones a los posibles efectos

contaminantes inducidos por la construcción u operación de obras civiles en la minería, tratando de

controlar o limitar condiciones negativas de contaminación ambiental en sus problemas más relevantes.

(Arnaldo Carrillo, 2000).

Otro caso de derrame de mina, donde se tomaron medidas de remediación dada la importancia para la

biodiversidad de la comunidad de aves, fue la estudiara por Ontiveros et al (2012), en su investigación

“Recovery of the Bird Community after a Mine Spill and Landscape Restoration of a Mediterrnean River”, en

esta se muestra como a lo largo de 9 años de remediación, por ocurrencia del derrame minero de

Aznalcóllar (SW Spain, 1998), lograron aumentar la diversidad de especies diversas de aves tan pronto

lograron corroborar la remediación del lugar.

Lo anterior ya indica que los relaves mineros traen consigo múltiples efectos nocivos, caracterizados por el

vertimiento de éstos en diversos sistemas fluviales, en particular, en lechos de ríos presumen efectos tanto

de corto como largo plazo. Dada reciente e histórica influencia de la minería de metales a nivel mundial y

como el cobre en chile, muchos cauces de ríos del mundo han sufrido contaminación por desechos

metálicos de altas concentraciones, lo que resulta en un riesgo para la vida humana y el desarrollo

sustentable (Macklin et al, 2006). Es más, autores como Macklin et al se han dedicado a investigar acerca del

cómo manejar ríos que han sido contaminados por metales de la minería, que vienen muchas veces en altas

concentraciones debido a que se encuentran en relaves que son transportados por largas tuberías y canales

y depositados en tranques que pueden sufrir diversos accidentes. En particular, ellos estudiaron como un

entendimiento del proceso de dispersión en ríos de los sedimentos asociados a los metales, en el espacio y

el tiempo en que este ésta ocurre, puede ser usado de manera práctica para ayudar a manejar de manera

más efectiva las ríos de las cuencas contaminadas, haciendo más efectivo el control y remediando los




suelos de éstos para garantizar la sustentabilidad ambiental y de los medios de vida humanos. La

investigación concluye acerca de 4 tópicos que permitirían lograr lo objetivado anteriormente:

1. Respuesta y recuperación de sistemas fluviales debido a fallas de presas de relave de gran tamaño.

2. Efectos de inundaciones en la contaminación de ríos y el uso sustentable de llanuras de inundación.

3. Nuevos desarrollos de técnicas numéricas para identificar fuentes de contaminación de metales de

altas concentraciones y para rastrear la distribución espacial de contaminantes en ríos y llanuras de

inundación.

4. Recientes aproximaciones a la remediación de ríos de cuencas afectadas por minería según la

European Union´s Water Framework Directive.

Una manera más clara de entender por qué es la minería la que contribuye de una manera muy grave a

contaminar los ríos se muestra en la figura 1, donde se visualizan los distintos procesos mineros para

obtener la materia que llega a los consumidores y como estos afectan los ríos.

Figura 1. Etapas producción de metales de minería, procesamiento e impactos ambientales




La investigación anterior finalmente concluyó que debido al alto tiempo de residencia de metales pesados,definidos como elementos de densidad mayor a 6 gr/cm

3 ,es que se producen impactos ambientales,

quedándose desde cientos a miles de años, caracterizándose por una naturaleza bioacumulatoria en plantas

y animales. Analizando diversas otras investigaciones notaron que fenómenos como la dispersión,

almacenamiento y removilización de sedimentos asociados a metales pueden ser estudiados como procesos

de transporte de sedimentos, lo anterior surgía básicamente porque más del 90% de los contaminantes

metálicos en ríos son transportados como partículas asociadas a la misma carga de sedimentos del río, por

tanto siguen los mismos caminos de transporte que ésta. Más específicamente corroboraron una premisa

subyacente en su investigación: que las consideraciones geomorfológicas e hidrogeológicas pueden tomar

parte del manejo de contaminación de sedimentos, particularmente en el cambio climático. También surgió

como resultado una nueva manera de valorar la contaminación de metales mineros en sistemas fluviales, el

cuál recoge información histórica del norte de Inglaterra, donde esta nueva manera reúne el potencial para

ser usada ampliamente para comprender el destino de sistemas fluviales contaminados y puede ser usado y

testeado en cuencas de diversos tipos, tamaños e historia.

Más recientemente, el 2013, Tom J. Coulthard y Mark G. Macklin, siguiendo su línea investigativa,

estudiaron la modelación de la contaminación en sistemas fluviales utilizando datos históricos de la minería

del metal, en esta ya establecían la contaminación de sedimentos de metales pesados dentro de los

sistemas fluviales como el mayor problema alrededor del mundo relacionado a la contaminación de ríos,

por lo tanto requería un esfuerzo enorme por comprenderlo y así solucionarlo. En esta nueva investigación

ponen de manifiesto como un nuevo, genérico, modelo de transporte en cuencas llamado TRACER, que usa

información histórica acerca de accidentes mineros permite mejorar la precisión de la predicción de niveles

actuales y futuros en cuanto al patrón de contaminación. Este modelo provee una vista detallada y extensade la contaminación y demuestra cómo los sedimentos contaminados derivan en “hot spots” que se

convierten en secundarias fuentes de polución. El tiempo elevado en que siguen estando presentes la

mayoría de los sedimentos contaminantes, más del 70 % de estos presentan tiempos de persistencias

mayores a 200 años cuando han sufrido procesos de depositación. Uno de los mayores avances que plantea

esta nueva investigación se resume que la simulación para el impacto en cambios climáticos futuros,

siguiendo la conclusión otorgada en la investigación del 2006, muestra que la magnitud de la inundación

tiene decrecer la superficie contaminada a través dela dilución limpiando el sedimento. Es importante notar

que esta investigación se realizó para mineras de oro.

ESTUDIOS DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS CON LECHOS DE GRAVA

En el contexto chileno, dado los procesos geológicos de formación de los cauces de ríos, se tiene que la

mayoría de éstos pueden ser caracterizados a través de lechos de grava, que en la zona del valle central,

dada la velocidad del flujo que no permite el arrastre del sedimento de fondo presenta un comportamiento

de lecho de grava inmóvil. Lo anterior permite definir una característica principal de los estudios a discutir,




estos se realizan sobre lechos de grava, principalmente en canales de laboratorio donde se vierten

sedimentos diversos, como arena y se estudia qué ocurre con la depositación de estos.

La experimentación del transporte de sedimentos tales como arena en lechos de grava ha sido estudiada por

diversos autores, en particular se mostrará los estudios recientes de Wilcock et al (2001), Wren and Kuhnle

(2011) y Licanqueo et al (2015).

El primer estudio realizado el 2001 por Wilcock et al fue una de las primeras aproximaciones al estudio

experimental del transporte de sedimentos en un canal artificial, en este se midió un amplio rango de tasas

de transporte para 4 distintas mezclas de grava y arena en un canal de flujo. Es éste, se mantuvo la misma

cantidad de gravas, pero se variaba el contenido de arenas mezclada desde 6, 15, 21, 27 y 34%. Lo

importante resultaba estudiar qué pasaba con la cama de gravas que se formaba a medida que se

adicionaba más arena, así mismo ver como respondían las tasas de transporte de grava y arena y

compararlas, viendo si se correspondía la teoría utilizada con los resultados experimentales. El estudio serealizó bajo la motivación que muchas de las actividades humanas, constructivas y de agricultura pueden

incrementar la carga de arena en un río de grava y un entendimiento de la respuesta del cauce del río a las

entradas de arena requerían un entendimiento del efecto del contenido de arena en la tasa de transporte.

De este estudio, uno de los precursores en el estudio en ríos de lechos de grava, se concluyó que para los 5

contenidos distintos de arena, el total de la tasa de transporte y la tasa de transporte de grava depende

fuertemente del contenido de arena, así se observó que para el mismo caudal, la tasa de transporte de

grava incrementó en orden de magnitud como la arena lo hizo, explicado por el hecho que la cantidad de

grava disponible para el transporte decrece a medida que el de arena se incrementa.

El 2011, más recientemente, Wren and Kuhnle estudiaron el efecto de la adición de arena en un flujo

turbulento sobre una cama de grava inmóvil, motivados por el estudio del lavado de reservorios y remociónde sedimentos acumulados para aumentar la capacidad de presas. Resulta importante esta investigación

pues para realizar mediciones que permitieron concluir acerca los parámetros hidrodinámicos del flujo se

requirió de un Acoustic Doppler Velocimeter (ADV), herramienta utilizada en la gran mayoría de las

investigaciones posteriores, pues permite realizar detalladamente las mediciones. Este experimento se

realizó en un canal de 15 m de largo, por 0,36 m de ancho y 0,46 m de profundidad, donde un flujo de agua

era recirculado y la pendiente del canal era ajustable. Se cubrió el lecho con gravas de D 50=35 mm,

depositadas de manera aleatoria a una profundidad aproximada de 17.5 cm. La arena fue adherida a la cama

de grava mediante una presa aguas arriba del canal usando un depositador de sedimentos por vibración. Un

imagen de la instalación experimental cuando ya existía depositación de los sedimentos de arena se muestra

en la figura 2.




Figura 2. Fotografia de canal experimental, Progreso del llenado de arena. W

Como resultado principal se determinó que la elevación relativa de la arena a la capa de grava resultó en un

decrecimiento de la tensión de corte de fondo, stress de Reynolds y un incremento relativo de la intensidad

de la turbulencia. Además, se concluyó acerca del correcto uso del ADV, que permitió medir las velocidades

y turbulencias sobre un lecho inmóvil de gravas gruesas en la que la arena fue adherida incrementalmente,

permitiendo concluir que el consecuente llenado de los espacios vacíos en la capa superior del lecho de

grava resultó en cambios en las propiedades turbulentas y globales del flujo, donde la elevación promedio

de arena respecto a la grava descrita por Z S fue usada como un índice para describir el cambio en las

condiciones. Finalmente, se concluyó que como el espacio de poros fue llenado mientras ZS fue

disminuyendo, el efecto de la rugosidad en el flujo se volvió cada vez menos pronunciado.

El estudio más reciente del transporte de sedimentos en un canal con lecho de grava fue realizado por elalumno memorista de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile en el laboratorio de Hidráulica Francisco J.

Domínguez, el 2015, en este se estudió el gasto sólido de fondo de sedimentos finos y cómo el proceso

depositacional afecta los parámetros hidráulicos del problema. El experimento es similar al anterior en

cuanto a dimensiones del canal utilizado, más el lecho de grava era de D 50G=45 mm, donde se hace ingresar

al canal a través de una tolva sedimento fino de D 50 S=0.45 mm, también se registra la altura de

escurrimiento a través de sensores capacitivos y el gasto sólido de fondo es controlado a través de una

trampa al final del canal. Se registró la posición frente del sedimento a través de 3 cámaras de colocadas




longitudinalmente en el canal, con frecuencias de fotografías de 30 s o más. Aquí se varío el gasto sólido de

entrada para distintos caudales con tal de conseguir diferentes elevaciones de arena respecto al fondo del

canal. Algunos parámetros hidráulicos como un ADV Nortek permite determinar el esfuerzo de corte medio

to. Los resultados obtenidos se apoyaron en las investigaciones de Kuhnle et al (2013), que empleó un

montaje similar al de esta investigación. Las conclusiones persiguen el cálculo del gasto sólido de fondo, así,

en la figura 3 se muestra el gráfico que relaciona el gasto sólido de fondo adimensional versus el esfuerzo de

corte de fondo medido y lo compara con las relaciones de Engelun y Fredse (1976) o Meyer-Peter y Muller

(1948).

Figura 3. Gasto sólido adimensional versus esfuerzo de corte de Fondo. Licanqueo et al (2015).

Del análisis gráfico y tratamiento matemático, el autor propone un ajuste de la forma:

Lo que permitió obtener una ajuste como el de la figura 4.




Figura 4. Ajuste del gasto sólido de fondo adimensional medido vs predicho. Licanqueo et al (2015)

Todo lo anterior permitió aseverar que el ajuste propuesto se comporta de una manera bastante aceptable

para valores de ts= 10 -2 , donde para valores menores se explica por la capacidad de arrastre del flujo dadoque es bastante menor, ya que la arena está enterrada dentro de la grava.

La discusión propuesta en esta investigación y las anteriores radica en que la relación entre el D50 de los

sedimentos y el del lecho de grava, donde se podría explorar valores distintos, además lograr ajustes

satisfactorios no solo pasa por proponer buenas relaciones, sino también por la incertidumbre de las

variables medidas, que son el caudal, gasto sólido de fondo y gasto sólido de entrada.

ESTUDIOS DE RELAVES, CARACTERIZACIÓN Y MEDICIÓN DEL GASTO SÓLIDO EN SUSPENSIÓN

El estudio del transporte de sedimentos en lechos de grava ha sido motivado por problemas generalmente

ambientales, donde aplicando conceptos y experimentación de transporte hidráulico de sólidos se logra una

mejor comprensión de los fenómenos detrás y se proponen distintas soluciones.

De la primera parte de la revisión bibliográfica se hizo hincapié en la relevancia que tiene la minería de

metales en la contaminación de cauces de ríos y cuencas completas, debido al inherente riesgo de




accidentes que estas sufren al estar expuestas a grandes obras de Ingeniería Civil que por diversas razones

pueden fallar.

RELAVES MINEROS PARA ENSAYOS DE LABORATORIO

Uno de los principales contaminantes, más nocivos y difíciles en cuanto a procesos de remoción en lechos de

ríos son los relaves mineros, que pueden ser vertidos debido a accidentes mineros de tuberías y presas de

relave en cauces completos y transportados como partículas asociadas a la misma carga de sedimentos

natural del río, por lo que siguen los mismos caminos de sedimentación o muy similares. Si bien en la

literatura actual no existe registro de experimentación acerca del vertimiento de relaves en lechos de grava,

distintos autores ligados a la geotécnica como Dimitrova, R., Yanful, E., y Geremew, A., han realizado

investigaciones para caracterizar en distintos tipos de relaves mezclados con arcillas de distintas

mineralogías qué factores afectan el esfuerzo de corte, otros estudios respecto al tema muestra cómo es el

comportamiento de los relaves mineros bajo cargas hidráulicas cíclicas. Si bien no todos los papers

señalados anteriormente fueron ayuda completa para el trabajo de título a desarrollar, resultan relevante

pues proponen maneras de trabajar con relaves en laboratorios, caracterizándolos y permitiendo tener una

manera básica de generar relaves para poder ser ensayados en un lecho de grava.

Dimitrova, R.S., y Yanful, E.K., en su artículo “Factors affecting the shear strength of mine taillings/clay

mixtures with varying clay content and clay mineralogy” permiten obtener una metodología para obtener

relaves a ser vertidos en el canal descrito en la sección metodología en las primeras páginas del informe

final. Plantean que a través de mezclas artificiales de relaves mineros cedidos por mineras de oro y al ser

mezcladas con arcillas puede preparar concentrados de metales, a partir de los cuales pueden obtenerse

lechos con diferente composición, grosor y edad mediante procesos de sedimentación. Su investigaciónespecíficamente tomó relaves mineros obtenidos en formas de lechadas de agua y relave desde la mina de

cobre Clarabelle Copper Mine, localizada en Sudbury, Ontario. Según McGregor et al., 1998; Shaw et al.,

1998 los principales minerales encontrados en estos relaves fueron: Pentlandine, Chalcopyrite, Pyrrhotite,

Quartz, Feldspar, Chlorite, Biotite, Amphibole, Canbonates plus minor pyroxene, Apatite, Magnetite,

Ilminite, Marcasite, Galena y pyrite. Las características finales de las mezclas de relaves originales,

denotados T, y las mezclas arcillosas de suelo preparadas en el laboratorio con incremento de las cantidades

de material arcilloso de distinto tamaño (denomiado M) se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Composición y propiedades físicas de relaves mineros y mezclas artificiales. Dimitrova and Yanful

(2012)




También resulta importante reconocer que se debe indicar la curva granulométrica de los relaves secos y

mezclas artificiales utilizadas, lo anterior se muestra en la figura 4.

Figura 4. Curva granulométrica del relave minero original y las mezclas artificiales de relaves/arcillas.

Dimitrova y Yanful (2012).

Lo anterior resume la importancia de esta investigación, que básicamente provee una metodología para

generar relaves artificiales para ser vertidos en un canal con lecho de grava tal como si se trataran de

sedimentos como aquellos de los experimentos mostrados en la sección anterior con arenas y sedimentos

finos.

MEDICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL SEDIMENTO EN SUSPENSIÓN

Los procesos de depositación y transporte de sedimentos como relaves, mezclas de sedimentos finos de

origen minero metálico con arcillas, suponen que, a diferencia de lo que ocurre con la arena, se producirá un

gasto sólido en suspensión, vale decir, se generará una carga de sedimentos en suspensión aparte de los

sedimentos de fondo que caracterizarán el fenómeno de transporte analizado, dado que será necesario

cuantificarlo a través de mediciones experimentales y compararlo con ecuaciones o modelos ya planteados

en la literatura de hidráulica fluvial, o bien, tal como Llanquileo et al (2015) ajustar una ecuación para el

cálculo a través de relaciones experimentales.

Han sido muchos los autores que han propuesto relaciones para el cálculo del gasto sólido en suspensión. Ya

Van Rijn (1984) en su artículo “Sediment Transport, Part II: Suspended Load Transport” estudio distintosmétodos experimentales para su cálculo estudiando la carga en suspensión en distintos ríos y tomando esa

información para generar ajustes experimentales. Además comparó los valores obtenidos por distintos

modelos con los medidos realmente, concluyendo con la tabla 2 mostrada a continuación.




Tabla 2. Carga de sedimentos total medida

Autores más recientes como Niño Y. han tomado estos distintos modelos y a través de un análisis teórico

muestran un camino más amigable para el trabajo de título para el cual se realiza esta revisión bibliográfica,

pues realiza el análisis para partículas de sedimento en suspensión de manera inicial, tal como se supone se

comportarán los relaves artificiales vertidos que también pueden ser resuspendidos. Por ejemplo, Bagnold

(1966) propuso uno de los primeros criterios para estimar la condición umbral para la incorporación de

partículas en suspensión, suponiendo que éstas permanecerán así siempre que los remolinos turbulentos

tengan una velocidad vertical dominante, que escale con la velocidad de corte del flujo, u x que a la vez

exceda la velocidad de sedimentación de las partículas ws lo que parece intuitivo. En su apunte sobre gasto




sólido en suspensión, Niño discute los resultados de Van Rijn (1984) con los de Bagnold (1966) acerca del

arrastre incipiente de sedimentos en suspensión.

Resulta importante entender cómo medir el gasto sólido en suspensión que caracterizará el transporte de

relaves en un lecho de grava, para esto se revisan la memoria realizada por Cristian Godoy, “Estudio

Experimental del Transporte de Sedimento en Suspensión en Presencia de una Cuña Salina ”, y el artículo de

Voudoukas et al (2011), “Comparisons of Acoustic and Optical Sensors for Suspended Sediment concetration

meauserements under non-homegeneous solutions”.

Godoy (2007) para la medición de la concentración de sedimento en suspensión propone y realiza dos

métodos, extracción directa de muestras y su posterior análisis y otro mediante la estimación indirecta

utilizando el sensor ADV.

1. Método de extracción de muestras:Propone una extracción directa de muestras desde el escurrimiento, a diferentes alturas,

representando a cada uno de los puntos de medición de velocidad dentro de los perfiles verticales,

por cada punto de medición obtuvieron 2 muestras para poder contrastarlas.

Las muestras correspondieron a 30 ml aproximadamente, extraídos a tasas pequeñas con el fin de

obtener muestras de un volumen reducido al punto de muestreo. Las muestras fueron analizadas

en el Laboratorio de Calidad de Aguas del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de

Chile.

Se determinó la concentración de sedimentos en las muestras por medio del análisis del peso seco

de las muestras tomadas. El método consiste en el filtrado de las muestras en filtros de Boro-

Silicato, marca ADVANTEC con porosidad de 0,5 um, las muestras se filtraron utilizando un sistema

de bombeo vacío.La concentración final se calcula notando que el sistema anterior permite la separación del líquido

de la solución, dejando las partículas sólidas en los filtros con una baja humedad. Posterior a la

filtración, los filtros son secados a 105°C durante 1 hora según la norma, para finalmente obtener

solamente el filtro en su estado natural más la masa de partículas sólidas de la solución filtrada. Se

obtienen así los pesos del agua extraída, filtro seco, filtro húmedo con sólidos y filtro seco con

sólidos. Con lo anterior se puede determinar la masa de las partículas sólidas, y en consecuencia, la

cantidad o concentración de sedimentos en el punto de análisis. Esta metodología fue repetida

para cada uno de los puntos de medición.

La precisión del método es de ±0,025 [mg/ml] y permite determinar la concentración media de

sedimentos en el volumen de control utilizado.

2. Método continuo con Micro ADV:

Este método se basa en la relación entre la concentración de sedimentos presentes en el volumen

de control y la magnitud del SNR (Signal to Noise Ratio) del instrumento Micro ASV.

La relación existente entre ambas variables está dada por el fabricante del instrumento y basada

en la magnitud de la onda de sonido reflejada en las partículas de sedimento presentes en el

volumen de control, de esta manera, al poseer mediciones del SNR a una frecuencia de 50 Hz se




podrá estimar la concentración de sedimentos a la misma frecuencia, teniendo medidas de

concentración en tiempo real.

Basicamente, la metodología consta de realizar ajustes para cada uno de los perfiles medidos,

considerando los valores de concentración obtenidos de las muestras extraídas y los valores

promediados del SNR en los tres ejes de medición. Así, se realizan dos ajustes para cada uno de los

perfiles, uno para la zona de datos obtenidos en la zona del flujo superior, y otro para la zona al

interior de la cuña. Esta división se realiza debido a un cambio de tendencia tanto de los perfiles de

concentración como de los SNR.

Lo importante es que los ajustes obtenidos para cada perfil logran estimar las concentraciones para

cada uno de los puntos de muestreo, con esto se obtiene una calibración para cada uno de los

perfiles. Finalmente, con los ajustes obtenidos para cada uno de los perfiles es posible estimar la

concentración instantánea en la serie de tiempo, para cada uno de los puntos que lo componen; y

a su vez, estimar las variaciones de la concentración, con respecto al valor medio, en la serie detiempo.

Voudoukas et al (2011) analizan por su parte la manera de métodos ópticos y acústicos para medir la

concentración de sedimentos suspendidos, que son básicamente los mismos métodos realizados por Godoy

con otro tipo de sensores

CONCLUSIONES

A partir de las investigaciones, apuntes y libros revisados, es posible verificar la importancia de lograr un

mejor entendimiento de los procesos de transporte de relaves en lechos de grava.

Las investigaciones de sedimentos finos y arenas en lechos de grava permite generar una base investigativa

fuerte para experimentos posteriores.

Obtener relaves artificiales según lo propuesto por Dimitrova y Yanful (2013) no resulta un gran desafío

para realizar la memoria actual, solo resta encontrar un proveedor y una zona accesible para obtener

relaves, por lo mismo se debe analizar qué tipo de relaves extraer para utilizarlos en el desarrollo

experimental.

Caracterizar el sedimento en suspensión resultará un desafío importante para un lecho de grava, pero la

utilización de herramientas de medición como ADV permitirán generar otros métodos más que los solo

actuales y la muestra directa.




BIBLIOGRAFÍAS Y REFERENCIAS:

Carrillo, G. (2000), Accidentes y fallas en presas de relave, Geotecnia de los Suelos Peruanos.

Coulthard, T.J., Macklin, M.G. (2013) Modeling long-term contamination in river systems from

historical metal mining, Geological Society of America, pp. 451-454.

Dimitrova, R.S., Yanful, E.K. (2012) Factors affecting the shear strength of mine tailings/clay

mixtures with varying clay content and clay mineralogy. Engineering Geology, 125, pp. 11 –25.

Godoy, C. (2007), Estudio Experimental del Transporte de Sedimento en Suspensión en Presencia

de una Cuña Salina, Memoria para optar al título de Ingeniero Civil, Junio 2007.

Macklin, M.G., Brewer, P.A., Hudson-Edwards, K.A., Bird, G., Coulthard, T.J., Dennis, I.A., Lechler,

P.J., Miller, J.R. and Turner, J.N. A. (2006) Geomorphological approach to the management of rivers

contaminated by metal mining. Geomorphology 79, pp. 423 –447

Macklin, M.G. and Dowsett, R.B. (1989) The chemical and physical speciation of trace metals in fine

grained overbank flood sediments in the Tyne basin, north-east England. Catena 16, 135-151.

Macklin, M.G. and Lewin, J. (1989) Sediment transfer and transformation of an alluvial valley floor:

the river South Tyne, Northumbria, UK. Earth Surface Processes and Landforms 14, pp. 233-246.

Niño, Y., (2013), Apunte del curso Transporte Hidráulico de Sólidos, Gasto sólido en suspensión.

Ontiveros, D., Marquéz-Ferrando, R., Fernández-Cardence, J.R., Santos, X., Caro, J., Pleguezuelos,

J.M. (2012), Recovery of the Bird Community after a Mine Spill and Landscape Restoration of a

Mediterranean River, Restoration Ecology 21, pp. 193-199.

Wren, D. G., E. J. Langendoen, and R. A. Kuhnle, Effects of sand addition on turbulent flow

overan immobile gravel bed, J. Geophys. 2011

Wilcock, P.R., Kenworthy, S.T., Crowe, J.C. (2001), Experimental study of the transport of

mixed sand and gravel, Water resources research 37, Pp. 3349-3358. Van Rijn, L.C. (1984), Sediment Transport, Part II: Suspended Load Transport, Journal of

Hidraulic Engineering.

Informe Final CI6808

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