SISTEMAS DE FORRO Y COBERTURA EN PROYECTOS DE CIERRE DE MINAS Ing. Pedro C. Repetto URS Corporation, Denver Junio 2006 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 1 SISTEMAS DE FORRO Y COBERTURA EN PROYECTOS DE CIERRE DE MINAS Introducción Las estructuras geo-ambientales usadas para controlar la propagación de contaminantes son llamadas sistemas de contención. Los sistemas de contención usados más comúnmente son sistemas de forro, sistemas de cobertura y pantallas de zanja de lodo (slurry walls). El uso de sistemas de forro se limita generalmente a proyectos nuevos o a expansiones, mientras que los sistemas de cobertura y de zanja de lodo se usan en muchos tipos de proyectos. Si bien todos estos sistemas son importantes para controlar descargas al ambiente, sólo se discutirán en este trabajo los sistemas de forro y de cobertura. El objetivo principal de los sistemas de contención es controlar los impactos a la salud humana y/o al ambiente, así como reducir la pérdida de solución rica en pads de lixiviación. Las descargas que impactan el ambiente pueden ocurrir a través de las filtraciones o escorrentía de líquidos que han estado en contacto con desechos o mineral, o a través de emisiones de polvo. Estas descargas pueden, a su vez, impactar distintos medios. Pueden contaminar los suelos y los sedimentos acumulados dentro de cuerpos de agua, o transportar líquidos o contaminantes disueltos a través de aguas subterráneas o cuerpos de agua superficial. Este trabajo presenta una descripción breve de las principales categorías de proyectos ambientales mencionados líneas arriba; una discusión más detallada de estos proyectos ha sido publicada por Repetto (1995). Luego se presenta una discusión más detallada de los sistemas de forro y de cobertura utilizados en proyectos ambientales y mineros, incluyendo los materiales usados para su construcción y algunos aspectos relacionados con su construcción. Proyectos de Eliminación de Desechos Como se indicó previamente, la eliminación de desechos abarca aquellos proyectos diseñados y construidos para almacenar desechos, tales como los botaderos de roca, las pilas y pads de lixiviación y los depósitos de relaves. Los rellenos de desechos pueden ser SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 2 clasificados de acuerdo con varios criterios. Los criterios usados más comúnmente son el tipo de desecho, el sistema de forro y la configuración geométrica del relleno. Con respecto al sistema de forro, éstos pueden tener solamente un forro primario o pueden incluir forros primario y secundario. Aquellos con solamente un forro (primario) se llaman sistemas de forro simple, y aquellos con un forro primario y uno secundario, con un sistema intermedio de detección de lixiviado, se llaman sistemas de forro doble. Cada uno de los forros (primario o secundario) puede consistir de sólo una capa [suelo de baja permeabilidad, geomembrana o forro de arcilla geosintética (GCL) por sus siglas en Inglés “geosynthetic clay liner”] o de capas adyacentes de dos de estos materiales, en cuyo caso se le denomina forro compuesto. Más adelante se presenta una discusión detallada de los sistemas de forro. Proyectos de Cumplimiento Ambiental La segunda categoría abarca un amplio rango de proyectos, en los cuales la meta es que una instalación existente cumpla con las regulaciones actuales, incluyendo salud y seguridad, y/o para controlar las descargas al ambiente causadas por actividades actuales en el sitio. El tipo de instalación involucrada puede ser de cualquier tipo: relleno de desechos, depósitos de relaves, pilas de lixiviación, pozas para almacenamiento de líquidos y lodos, o cualquier instalación industrial. Las acciones para controlar descargas de instalaciones activas son múltiples y pueden ser clasificadas en tres grupos principales: • Modificaciones a las operaciones o procesos en la misma instalación, con el objetivo de eliminar o reducir la descarga de contaminantes; • Tratamiento de descargas, de manera que los contaminantes sean retirados antes de ocurrir la descarga; y • Contención de los contaminantes (como se discutió previamente, los sistemas principales de contención son sistemas de forro, sistemas de cobertura y pantallas de zanjas de lodo). SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 3 Los primeros dos grupos de acciones indicadas están fuera del alcance de este trabajo. Los sistemas de forro y de cobertura se describen más adelante. Proyectos de Remediación Ambiental Esta categoría abarca proyectos en los cuales la meta es controlar descargas al ambiente provenientes de desechos o contaminantes acumulados en un sitio y/o remediar terrenos cuyas funciones ambientales han sido impactadas por actividades pasadas. Esta categoría de proyectos frecuentemente se lleva a cabo en sitios donde han cesado las actividades. Como en el caso de proyectos de cumplimiento ambiental, las actividades realizadas en el sitio pueden ser de cualquier tipo. Las acciones usadas para controlar descargas de instalaciones cerradas pueden ser clasificadas en cuatro grupos principales: • Remoción de los desechos o materiales contaminados, y su eliminación en un relleno de desechos debidamente diseñado; • Tratamiento o fijación de los contaminantes en el sitio, de manera que los desechos y sus descargas ya no impacten el ambiente; • Intercepción y tratamiento de las descargas contaminadas; y • Encapsulamiento de los desechos o materiales contaminados con sistemas de contención, para prevenir descargas. De estos cuatro grupos, solamente el uso de sistemas de contención se considera dentro del alcance de este trabajo y es discutido más adelante. 4 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Tipos de Materiales Geosintéticos Geotextiles: Los geotextiles (GT) son similares a los textiles tradicionales, pero son siempre fabricados con fibras sintéticas. Estas fibras sintéticas se usan para fabricar mantas porosas y flexibles, ya sea con equipo para tejido (woven) o hilados por otos medios (non-woven). Los usos de los geotextiles se clasifican en las cinco funciones siguientes: • Separación • Refuerzo de tracción • Filtrado • Drenaje • Contenimiento (si son impregnados) Geomembranas: Las geomembranas (GM) son láminas de muy baja permeabilidad de polímeros, utilizadas en sistemas de forro de fondo y de cobertura. Su función es exclusivamente contenimiento de líquidos o vapor. Geodrenes: Los geodrenes (abreviados GN por su nombre en Inglés "geonet") son generalmente fabricados por la extrusión continua de tendones paralelos de polímero, formando mallas con ángulos agudos entre sí y aberturas grandes. Su función es exclusivamente drenaje (transporte de líquido en su plano). Geomallas: Las geomallas (abreviadas GG por su nombre en Inglés "geogrid") son plásticos formados en mallas con aberturas grandes, formadas por tendones perpendiculares entre sí. Las geomallas se fabrican estirándolas en una o en las dos direcciones, para mejorar sus propiedasdes mecánicas, dando lugar a las geomallas uniaxiales o biaxiales. Su función es exclusivamente refuerzo de tracción. Geocompuestos: Los geocompuestos (GC) consisten de combinaciones de más de un material geosintético, unidos entre sí. El más común es el geocompuesto de drenaje, formado por un geodrén con geotextil soldado de fábrica a uno o a ambos lados. Forros Sintéticos de Arcilla: Los forros geosintéticos de arcilla (GCL por sus siglas en Inglés "geosynthetic clay liner") consisten de una lámina delgada de arcilla bentonítica de SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 5 muy baja permeabilidad colocada entre dos geotextiles o adherida a una geomenbrana. Su integridad física se consige por medio de puntadas, costura o adhesivo. Su función exclusiva es contenimiento, ya sea sola o debajo de una geomembrana formando un forro compuesto. Control de Erosión y Soporte de Vegetación: Existen numerosos materiales dentro de la familia de los geosintéticos que sirven para controlar la erosión de la superficie de taludes y para apoyar el desarrollo de la vegetación. En general, estos materiales se pueden clasificar como temporales o permanentes. Los temporales son aquellos cuya función se requiere sólo hasta que la vegetación quede establecida. Geotuberías: Las geotuberías (abreviadas GP por su nombre en Inglés "geopipe") son tuberías plásticas enterradas. Si bien el uso de tuberías plásticas es muy antiguo, sus aplicaciones se han incrementado, ya que en proyectos ambientales y mineros los nuevos polímeros permiten su uso para transportar lixiviados. Sistemas de Forro Los sistemas de forro son elementos de contención construidos antes de la colocación de los desechos o del mineral, para prevenir la pérdida de solución rica o para contener líquidos contaminados y prevenir su migración al subsuelo o a las aguas subterráneas. Los sistemas de forro consisten de capas múltiples con funciones específicas. Los sistemas de forro pueden consistir, de arriba hacia abajo, de las siguientes capas funcionales: • Capa de protección. Esta capa de suelo, u otro material adecuado, separa los desechos del resto del forro para prevenir daños al sistema de forro causados por objetos grandes o contudentes • Capa de recolección de lixiviado. Esta es una capa de alta permeabilidad, cuya función es recolectar el lixiviado y conducirlo a un sumidero, de donde es extraído. Frecuentemente, las funciones de las capas de protección y de recolección de lixiviado son integradas en una sola capa de suelo granular grueso (grava o piedra chancada). En pads de lixiviación esta capa es generalmente llamada overliner. SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • 6 Forro primario. Esta es una capa de baja permeabilidad (o capas de dos materiales diferentes de baja permeabilidad en contacto directo entre sí). Su función es controlar el movimiento del lixiviado hacia el subsuelo. • Capa secundaria de recolección de lixiviado (o capa de detección de fugas). Esta es una capa de alta permeabilidad (o transmisividad, si es geosintético) diseñada para detectar filtraciones del lixiviado a través del forro primario y recolectarlas. Esta capa se usa conjuntamente con un forro secundario. • Forro secundario. Esta es una capa secundaria (o de doble seguridad) de baja permeabilidad (o capas de dos materiales diferentes de baja permeabilidad en contacto directo entre sí). No todos los sistemas de forro incluyen un forro secundario. • Capa de anticontaminante. En los casos en que el sistema de forro está cerca de o bajo la napa freática, se coloca generalmente una capa de drenaje de alta permeabilidad (o alta transmisividad, si es geosintético) debajo del sistema de forro, para controlar el ingreso de agua al sistema de forro. Estas capas son separadas generalmente por geotextiles que sirven como filtro para prevenir la migración de partículas entre las capas o como amortiguamiento para proteger las geomembranas de suelos adyacentes. Existen múltiples combinaciones de los nombres asignados a los sistemas de forros. A continuación se presentan algunos ejemplos (existen más combinaciones): • Forro simple sintético: sólo forro primario, el cual consiste de una geomembrana. • Forro simple de suelo: sólo forro primario, el cual consiste de una capa de suelo de baja permeabilidad. • Forro simple compuesto: solamente forro primario, consistente de una geomembrana en contacto directo con una capa de suelo de baja permeabilidad o un GCL. • Forro doble sintético: forros primario y secundario, cada uno de los cuales consiste de una geomembrana, separadas por una capa de detección de lixiviado. • Forro doble compuesto: forros primario y secundario, cada uno de los cuales consiste de una geomembrana en contacto directo con una capa de suelo de baja permeabilidad o un GCL, separados por una capa secundaria de detección de lixiviado (ver Figura 1). SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 7 Sistemas de Cobertura Son sistemas de contención construidos encima de los desechos. Su función es controlar la infiltración de precipitación a los desechos o al mineral, y promover la escorrentía con una topografía adecuada de la superficie final. Otras funciones de los sistemas de cobertura pueden ser prevenir el contacto de la escorrentía con los desechos, prevenir el desplazamiento de desechos a las áreas contiguas, reducir la posibilidad de vectores de enfermedades (aves, insectos, roedores, etc.), evitar la erosión eólica, controlar los malos olores y controlar la emisión de gases. Los sistemas de cobertura también consisten de capas múltiples con funciones específicas relacionadas con el manejo de las aguas de lluvia (ver Figura 2). De la precipitación que cae sobre la cobertura, una parte se elimina como escorrentía superficial, una parte se infiltra y es retenida en los suelos de cobertura, otra parte se infiltra a los desechos a través de la cobertura y el resto se elimina por evapotranspiración. En general, los sistemas de cobertura se pueden clasificar como permeables o de baja permeabilidad, dependiendo de si su sección transversal incluye una capa de baja permeabilidad (también llamada de barrera). El uso de un tipo u otro depende de los contaminantes existentes en los desechos y los impactos al ambiente ocasionados por la infiltración. Un sistema de cobertura de baja permeabilidad puede incluir, de arriba hacia abajo, las siguientes capas funcionales: • Capa de erosión (vegetal). Esta es una capa de suelo capaz de apoyar el crecimiento de vegetación y con buena resistencia a la erosión debida a la escorrentía superficial. • Capa de infiltración. Las funciones de esta capa, también llamada frecuentemente suelo de cobertura, son reducir la filtración, separar la precipitación que no se evapora en escorrentía y filtración, y proteger la capa de barrera inferior de la penetración de las heladas, raíces, etc. • Capa de drenaje. Esta es una capa permeable cuya función es evacuar el agua que se infiltra a través del sistema de cobertura. Una cobertura de baja permeabilidad sin la capa de drenaje es susceptible a ser dañada por afloramientos del agua infiltrada. SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • 8 Capa de barrera. Esta es una capa de baja permeabilidad (o capas de dos materiales diferentes de baja permeabilidad en contacto directo entre sí), cuya función es reducir la filtración a los desechos. Los sistemas de cobertura permeable consisten sólo de las dos capas superiores indicadas lineas arriba. Las coberturas permeables reducen la infiltración pero no a valores mínimos. La reducción de la infiltración se debe a que promueven la escorrentía y la evapotranspiración. Las capas de erosión e infiltración son normalmente construidas de suelos, ya que deben tener espesor adecuado para soportar la vegetación, retener la humedad y proporcionar protección a las capas subyaceientes. La capa de drenaje puede ser construida usando un suelo permeable, un geodrén o un geocompuesto. La capa de barrera puede ser construida usando un suelo de baja permeabilidad, una geomembrana, un GCL o capas adyacentes de dos de estos materiales, en cuyo caso se le llama capa de barrera compuesta. Algunas de estas capas son separadas por geotextiles para evitar la migración de partículas de suelo entre las capas (filtro) o para proteger las geomembranas contra daño. La escorrentía puede erosionar la superficie de la cobertura y debe ser controlada usando un sistema de manejo del agua de lluvia. El agua infiltrada corre principalmente a través de la capa de drenaje, la cual debe tener una capacidad hidráulica adecuada para conducir el flujo esperado sin que se sature y genere presión hidráulica. Clasificación de Capas por su Función Los materiales usados para la construcción de los sistemas de forro y cobertura pueden ser clasificados de acuerdo a su origen y función. Con respecto a su origen, se clasifican como de suelos naturales y de materiales geosintéticos. La clasificación es más compleja de acuerdo a su función e incluye: • Capas de barrera. Estas son capas de suelos naturales de baja permeabilidad (arcilla, mezclas de suelo-bentonita) o materiales geosintéticos (geomembranas, GCLs). 9 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • Capas de drenaje. Estas son capas de alta permeabilidad (si es suelo) o de alta transmisividad (si es geosintético). En el primer caso consisten de suelos granulares y en el último de geodrenes o geocompuestos. • Capas de filtración/amortiguamiento. Los forros y coberturas consisten de capas funcionales de suelos de diferentes gradaciones o de materiales geosintéticos. En el caso de suelos naturales se requiere de filtros que impidan la migración de particulas de una capa a otra. La membranas requieren de protección especial para prevenir daños durante su instalación y operación. La filtración y amortiguamineto son proporcionados generalmente por geotextiles colocados entre las capas funcionales. • Relleno. Los usos de relleno incluyen aplicaciones tales como nivelación y bermas. Esta categoría obviamente se limita a suelos naturales. • Capa vegetal. La capa vegetal constituye la capa superior de la cobertura, la cual proporciona protección contra la erosión en taludes permanentes o temporales. Esta categoría también se limita a suelos naturales o mezclas de suelos naturales y materiales de desecho reciclados (biomantas). • Refuerzo de tracción. En los casos en que se pueden esperar fuerzas de tracción y deformaciones importantes de los forros o coberturas, se usan geomallas o geotextiles del tipo tejido como refuerzo de tracción para prevenir tracción excesiva en los otros elementos geosintéticos del forro o de la cobertura. Asimismo, el deslizamiento es un modo de falla posible de coberturas colocadas sobre taludes. En ese caso se puede instalar geomallas embebidas en la capa susceptible a deslizarse y ancladas más allá de la cresta del talud, para proporcionar una fuerza estabilizadora de tracción. Se pueden encontrar discusiones detalladas de las capas que forman los sistemas de forro y cobertura en diversas publicaciones (Mitchell et at. 1990a, Mitchell et al. 1990b, Koerner y Daniel 1992, Mitchell y Mitchell 1992, Seed y Bonaparte 1992, Repetto 1995). Suelos Naturales Utilizados en Sistemas de Forro y Cobertura Capas de Barrera Las capas de barrera construidas con suelos naturales pueden consistir de arcilla o de una mezcla de suelo-bentonita. En el caso de mezclas, el contenido de bentonita requerido se elige en base a pruebas de compactación y de permeabilidad de laboratorio realizadas con SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 10 diferentes porcentajes de bentonita. A estas capas se les denomina CCL (por sus siglas en Inglés “compacted clay liner”). El requerimiento típico para capas de barrera es un coeficiente de permeabilidad no mayor que 1 x 10-7 cm/seg. Sin embargo, ya que la mayoría de las regulaciones ambientales no especifican las condiciones bajo las que debe determinarse este valor, las especificaciones del proyecto deben establecer esas condiciones. Los factores más importantes que influyen en la permeabilidad de un suelo o de una mezcla de suelo-bentonita compactado son: • Densidad seca de compactación. Con todos los demás factores constantes, cuanto mayor sea la densidad seca de compactación de un suelo, menor es su permeabilidad. Sin embargo, a la misma densidad seca de compactación, la permeabilidad también varía en función del contenido de humedad y del procedimiento de compactación. La densidad seca de compactación es generalmente especificada como un porcentaje de la densidad seca máxima del ensayo Proctor estándar o modificado. • Contenido de humedad de compactación. Con todos los demás factores constantes, la permeabilidad de un suelo compactado disminuye con el aumento del contenido de humedad de compactación. Debe notarse, sin embargo, que cuando el contenido de humedad se acerca a la saturación, se vuelve más difícil compactar el suelo (ocurre amasado), y otras propiedades del suelo compactado, tales como la compresibilidad o la resistencia al corte, pueden volverse críticas. • Procedimiento de compactación. Se ha observado que especímenes compactados a densidades secas y contenidos de humedad idénticos pueden tener permeabilidades diferentes si son compactados usando procedimientos diferentes. Por lo tanto, si los resultados de laboratorio son cercanos a la permeabilidad requerida, el procedimiento de compactación usado para la preparación de los especímenes de laboratorio debe ser representativo de los procedimientos de compactación de campo. • Presión de consolidación. En aplicaciones mineras y ambientales, las capas de barrera pueden estar sujetas a cargas permanentes elevadas cuando estén en servicio, como es el caso en los sistemas de forro de pads de lixiviación y de rellenos de desechos. En estos casos hay un aumento en la densidad y una reducción en la permeabilidad debido a la consolidación bajo las cargas de servicio. Por otro lado, las cargas permanentes son mínimas en los sistemas de cobertura y no se debe esperar un aumento de la 11 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA densidad con el tiempo. Por lo tanto, las pruebas de permeabilidad deben ser realizadas usando una presión de consolidación consistente con las cargas esperadas. En obras importantes, la combinación de densidades secas compactadas y contenidos de humedad que producen una permeabilidad no mayor que un valor específico puede ser determinada experimentalmente por medio de una ventana de permeabilidad. La ventana de permeabilidad se obtiene efectuando pruebas de permeabilidad en una serie de especímenes compactados a densidades secas y contenidos de humedad diferentes, cubriendo los rangos de interés de estos parámetros. Los especímenes deben ser preparados usando un procedimiento de compactación consistente con el procedimiento de campo (generalmente compactación Proctor) y las pruebas deben ser realizadas a una presión de consolidación similar a la carga de servicio. A continuación se describe una manera práctica de determinar una ventana de permeabilidad: • Una muestra grande del suelo, suficiente para realizar tres ensayos Proctor y para preparar nueve especímenes de permeabilidad, debe ser homogeneizada cuidadosamente, para evitar variaciones debidas a los especímenes individuales. • Se determina el peso específico de los sólidos del suelo y se dibuja la línea de saturación en un gráfico densidad seca-humedad (ver Figura 3). • Se realizan tres ensayos Proctor: modificado, estándar y “reducido”, y se grafican en el diagrama densidad seca-humedad (Figura 3). El ensayo Proctor "reducido" es una prueba realizada con el martillo Proctor estándar, pero usando un número menor de golpes por capa. Asumiendo que se usa un molde de 4 pulgadas de diámetro, el ensayo Proctor reducido puede realizarse con 10 ó 15 golpes por capa. • Para cada uno de los ensayos Proctor se determinan la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad, y se dibuja una línea de óptimos conectando las tres curvas (Figura 3). • Para cada una de las curvas Proctor, se seleccionan tres contenidos de humedad correspondientes a puntos en la curva Proctor. Los contenidos de humedad típicamente se eligen entre el contenido de humedad óptimo y aproximadamente 95 por ciento de saturación (puntos A, B y C en la Figura 3). 12 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • Se preparan los especímenes para los ensayos de permeabilidad con cada uno de los tres contenidos de humedad elegidos previamente y se les compacta con la misma energía y procedimiento de la curva Proctor usada para elegir el contenido de humedad. • Se sigue el mismo procedimiento para las otras dos curvas Proctor, obteniendo un total de nueve especímenes para los ensayos permeabilidad. • Se efectúan ensayos de permeabilidad de pared flexible (ASTM D-5084) con los nueve especímenes, usando una presión de consolidación consistente con las cargas de servicio esperadas. La presión de consolidación se elige típicamente igual a K0 por la presión vertical esperada. • Se anotan los resultados de los ensayos de permeabilidad en el diagrama densidad secahumedad y se trazan líneas de isopermeabilidad interpoladas entre los nueve puntos de los ensayos (Figura 4). Si es necesario, se pueden elegir puntos para ensayos adicionales, para mejorar la exactitud o para verificar resultados anómalos. • Finalmente, la ventana de permeabilidad se determina como el área comprendida entre la línea de isopermeabilidad correspondiente a la permeabilidad requerida y la línea de saturación. Adicionalmente, la ventana de permeabilidad se trunca generalmente con límites inferior y superior del contenido de humedad. La línea de óptimos es generalmente seleccionada como el límite inferior del contenido de humedad, ya que los suelos cohesivos compactados a una humedad menor que la óptima son demasiado rígidos y pueden rajarse fácilmente. El límite superior del contenido de humedad se elige en base a la resistencia a la compresión no confinada (o resistencia al corte) y la compresibilidad, dependiendo de la aplicación específica. Debe notarse que la elección de los contenidos de humedad sobre las tres curvas Proctor y la compactación de los especímenes siguiendo el procedimiento Proctor no proporciona puntos en una cuadrícula. Sin embargo, en opinión del autor, este procedimiento es preferible porque el procedimiento de compactación es uniforme y se considera representativo de los procedimientos de campo. Algunos autores prefieren preparar los especímenes siguiendo una malla rectangular en el gráfico densidad seca-humedad, compactando los especímenes dentro del molde Proctor usando una gata. En estos casos, el procedimiento es menos representativo de las condiciones de campo y pueden esperarse algunas diferencias con respecto a las pruebas realizadas en especímenes preparados usando el procedimiento Proctor. 13 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA La discusión presentada anteriormente se refiere, en general, a ensayos en los que el permeante es agua limpia. Sin embargo, en aplicaciones mineras y ambientales, el permeante es lixiviado en el caso de forros. El flujo de lixiviados a través de suelos cohesivos puede producir cambios en los cationes de la arcilla, lo cual puede a su vez modificar la permeabilidad del suelo. Para evaluar estos cambios, se realizan pruebas de compatibilidad de la permeabilidad al lixiviado. Estas son pruebas de permeabilidad de larga duración, en las cuales se usa inicialmente agua destilada como permeante y luego se continúa el ensayo con lixiviado de la instalación (o un lixiviado similar) como permeante. Estas pruebas se continúan hasta que hayan circulado varios volúmenes de poros (típicamente tres o cuatro) del lixiviado a través del especimen. Durante este período se registran los cambios en la permeabilidad del suelo. Para suelos de baja permeabilidad, esta prueba puede durar varios meses. Capas de Drenaje Las capas de drenaje construidas con suelos naturales consisten de arenas y gravas, y pueden ser usadas para forros o coberturas. Las capas de drenaje deben ser diseñadas para tener una capacidad hidráulica adecuada para conducir el flujo de diseño, sin retardar el flujo o desarrollar presiones importantes. La capacidad hidráulica de una capa de drenaje es función de su permeabilidad, espesor e inclinación. Frecuentemente se usa la transmisividad, definida como el producto de la permeabilidad por el espesor, para caracterizar una capa de drenaje. A continuación se describen las principales consideraciones con respecto a las capas de drenaje: • El principal criterio para elegir la gradación de un suelo granular a ser usado para una capa de drenaje es la permeabilidad requerida. En general, no hay requisitos de gradación estrictos para capas de drenaje, pero si hay suelos naturales o capas de otros suelos adyacentes, las gradaciones deben satisfacer el criterio de filtro para prevenir la migración de partículas (Figura 5). Frecuentemente los requerimientos para filtración entre capas adyacentes son satisfechos con un geotextil que actúa como filtro. La gradación de las capas de drenaje se elige principalmente en función de la disponibilidad (por ejemplo, cantera cercana, agregados disponibles comercialmente). 14 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • Las capas de drenaje de los sistemas de forro deben resistir el ataque del lixiviado, el cual puede ser ácido. Generalmente se deben evitar los materiales calcáreos. • Las capas de drenaje se encuentran frecuentemente adyacentes a geomembranas, las cuales son susceptibles a ser perforadas por los suelos granulares. Se usan geotextiles no tejidos para proteger las geomembranas de los suelos granulares. Sin embargo, si se usa grava angular, puede ser que los geotextiles no ofrezcan suficiente protección. Por lo tanto, la angularidad máxima de las gravas es generalmente limitada a sub-angular. La protección requerida depende también del polímero del cual está hecha la geomembrana, ya que los materiales más flexibles (como el LLDPE) resisten mejor la penetración de suelos granulares. • El espesor mínimo de la capa de drenaje que puede ser construido es aproximadamente 15 cm. Sin embargo, si la capa de drenaje tiene que ser colocada sobre una geomembrana, el tráfico del equipo de construcción sobre la capa de drenaje dañaría seriamente la geomembrana. En estos casos, las consideraciones de colocación controlan el espesor mínimo de la capa y deben ser evaluadas cuidadosamente. Estas consideraciones pueden incluir la colocación del material a partir de franjas de mayor espesor y el uso de equipo de baja presión (5 psi ó 0.35 kg/cm2). Capas de Filtro En general, siempre que un suelo sujeto a flujo está en contacto con otro suelo con partículas más grandes en la dirección del flujo, las granulometrías de ambos suelos deben satisfacer el criterio de filtro, con objeto de prevenir la migración de partículas del suelo más fino hacia los vacíos del más grueso. Si este criterio no se satisface, se debe colocar entre estos una capa de filtro, que puede consistir de otro suelo de granulometría intermedia o de un geotextil. Uno de los criterios usuales para selecionar la granulometría de un filtro de suelo se presentan en la Figura 5. Rellenos Los requerimientos para rellenos son, en general, similares a aquellos utilizados para otros tipos de proyectos de ingeniería. Los siguientes tipos de relleno son frecuentes en proyectos de pads de lixiviación y ambientales: 15 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • Relleno de nivelación. No hay requerimientos estrictos para rellenos de nivelación en los cuales no se construyen taludes de relleno. Dependiendo del espesor del relleno y de las cargas que serán colocadas sobre estos, la compresibilidad puede ser una consideración importante. Cuando se coloca un relleno de nivelación para formar taludes, se prefiere usar suelo granular grueso para proporcionar resistencia adecuada y evitar que se acumula agua que reduce la estabilidad del talud. • Relleno estructural. Esta categoría comprende el relleno usado para elementos tales como bermas entre las celdas, bermas perimetrales en rellenos de desechos y bermas de pozas. Cuando las bermas van a soportar presiones laterales importantes, éstas se construyen con suelos granulares gruesos. Estas bermas son generalmente forradas, por lo tanto su permeabilidad no es una consideración crítica. • Relleno para bermas de contención de agua. Las bermas que cierran estructuras de retención de agua, tales como las bermas de pozas de sedimentación y de detención, generalmente no llevan forros de baja permeabilidad. En consecuencia, requieren de una combinación de baja permeabilidad y resistencia al corte adecuados. Estas dos condiciones son difíciles de satisfacer simultáneamente, ya que los suelos de permeabilidad baja son débiles, y viceversa. En estos casos, el tipo de relleno usado generalmente consiste de un suelo granular con contenido importante de finos, lo cual proporciona permeabilidad y resistencia intermedias. Alternativamente, se pueden construir bermas forradas. Capa Vegetal La capa vegetal (o de erosión) es la capa superior de un sistema de cobertura. La capa vegetal debe ser adecuada para favorecer el desarrollo de vegetación y debe tener resistencia adecuada a la erosión. Para favorecer el desarrollo de vegetación, el suelo debe tener suficientes nutrientes. También se pueden proporcionar nutrientes añadiendo caliza u otros fertilizantes. A veces las especificaciones se refieren a la capa de apoyo vegetal como “capa de suelo orgánico”. Suelo orgánico tiene un significado específico desde un punto de vista agrícola, y es generalmente más caro y escaso que otros suelos que también pueden servir para favorecer el desarrollo de vegetación con fertilización adecuada. Por estas razones, se 16 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA recomienda usar “capa de suelo orgánico” solo cuando se requiere ese tipo de suelo específicamente. Materiales Geosintéticos Utilizados en Sistemas de Forro y Cobertura Se usa un gran número de materiales geosintéticos en aplicaciones mineras y ambientales, y hay muchos métodos de ensayos diferentes para caracterizar sus propiedades. Esta sección presenta un breve resumen de los materiales geosintéticos más comunes usados en aplicaciones mineras y ambientales, y sus propiedades más importantes. Para una discusión detallada sobre las aplicaciones de materiales geosintéticos, normas, especificaciones, datos de productos y fabricantes, se recomienda consultar Koerner (1997), los métodos y estándares de la ASTM (2006) y del Geosynthetic Research Institute (GRI 2002), y la Guía de Especificadores del Manual de Materiales Geotécnicos (Industrial Fabrics Association International 2006). Cabe señalar que las especificaciones de fabricación, las normas de ensayo de los materiales geosintéticos y las propiedades típicas de los materiales disponibles cambian frecuentemente, por lo que deben utilizarse siempre versiones actualizadas. En la Tabla 1 se adjuntan los títulos y fechas de las versiones actualizadas a noviembre del 2002 de los estándares, prácticas y guías más usadas de la ASTM y del GRI referentes a geosintéticos. En general, en las especificaciones para materiales geosintéticos se incluyen dos tipos de ensayos: ensayos de conformidad y ensayos de control de calidad de su instalación. Los ensayos de conformidad son realizados antes de instalar los materiales geosintéticos, para verificar el cumplimiento de los materiales con las especificaciones del proyecto. Algunos de los ensayos de conformidad menos comunes son frecuentemente proporcionadas por el fabricante. Los ensayos de instalación se clasifican como no destructivos y destructivos y se realizan durante la construcción, para asegurar el cumplimiento de los materiales instalados y de los procedimientos de instalación con las especificaciones del proyecto. Geomembranas Como se indico líneas arriba, se usan geomembranas como capas de barrera en sistemas de forro y de cobertura. También se usan como forros de canales, embalses, túneles y presas. 17 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA En general, las geomembranas se clasifican con respecto al polímero del cual están hechas y por su aspereza superficial. A continuación se discuten estas dos clasificaciones. Los polímeros más comunes usados en aplicaciones mineras de geomembranas son el polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en Inglés "high density polyethylene"), el polietileno linear de densidad baja (LLDPE, por sus siglas en Inglés "linear low density polyethylene"), el polipropileno flexible reforzado y no reforzado (fPP y fPP-R) y el PVC. Al grupo de polímeros formado por el HDPE, LLDPE, fPP y fPP-R se les denomina polyolefins. La elección del polímero se basa principalmente en su resistencia química a las substancias a ser contenidas (solución rica en el caso de pads de lixiviacion o lixiviado en el caso de rellenos de desechos) y en su flexibilidad. El polímero más común para sistemas de forro de pads es el LLDPE, ya que es más flexible y tiene adecuada resistencia química a las soluciones típicamente utilizadas en pads. En el caso de capas de barrera de sistemas de cobertura, la flexibilidad es frecuentemente el factor más importante de la elección, ya que las coberturas están expuestas a asentamientos importantes. Las membranas de LLDPE, fPP y fPP-R son más flexibles que las de HDPE y, por lo tanto, son frecuentemente las usadas en sistemas de cobertura. La resistencia química de las geomembranas y de otros materiales geosintéticos se evalúa por medio de ensayos efectuados en especímenes que han sido sumergidos en las soluciones de interés por períodos prolongados (ASTM D5322). Para esto se determinan primero las propiedades físicas y mecánicas iniciales del geosintético (ensayos de base) antes de que esté en contacto con las solución química. Luego, los especímenes geosintéticos son sumergidos en tanques que contienen esas soluciones, a 23 y a 50 grados Centígrados. El uso de temperaturas elevadas acelera la degradación química de los polímeros usados para fabricar los materiales geosintéticos. Se extraen los especímenes de los tanques después de 1, 2, 3, y 4 meses de inmersión y se ensayan para determinar sus características físicas y mecánicas. La comparación de estas propiedades con los resultados de las pruebas de base sirven como indicador del efecto de las sustancias químicas en ese material geosintético. La lista de propiedades mínimas que deben ensayarse para determinar la línea base y luego de la inmersión son diferentes para cada tipo de material geosintético y están especificadas en los estándares ASTM D 5747 para geomembranas, D6213 para geomallas, D6388 para geodrenes y D6389 para geotextiles. 18 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Cabe señalar que no existe estándar para evaluar si el cambio es aceptable o no. Esta evaluación se basa en los requerimientos del proyecto específico o en las reglamentaciones pertinentes. Con respecto a la aspereza de la superficie, las geomembranas se clasifican como lisas y rugosas. Las membranas lisas son menos caras y más fáciles de instalar que las rugosas, pero tienen un ángulo bajo de fricción interfaz (tan bajo como 6 a 8 grados) con otros geosintéticos y con suelos cohesivos. Las geomembranas rugosas proporcionan un ángulo de fricción interfaz más elevado. Debe tomarse en cuenta que los ángulos de fricción interfaz no son valores fijos y deben ser evaluados para cada caso específico, ya que varían en función de parámetros tales como el desplazamiento relativo (resistencia pico versus residual), tensión normal, condiciones de humedad, apoyo usado en la prueba (suelo o placas rígidas), etc. Las principales propiedades físicas y mecánicas usadas para caracterizar las geomembranas de HDPE y de LLDPE y las normas de ensayo para medirlas son: Propiedad Norma Espesor • Lisa ASTM D5199 • Rugosa ASTM D5994 Altura de la aspereza GRI GM 12 Densidad ASTM D1505/792 Propiedades de tracción ASTM D638 Tensión de fluencia Tensión a la rotura Alargamiento a la fluencia Alargamiento a la rotura Modulo secante al 2% (LLDPE) ASTM D5323 Resistencia a la penetracion ASTM D 4833 Resistencia al desgarramiento ASTM D1004 Resistencia axisimétrica (LLDPE) ASTM D5617 Fricción interfaz ASTM D5321 19 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Propiedad Norma Fragilidad a baja temperatura ASTM D746 Contenido de carbón negro ASTM D1603 Dispersion del carbon negro ASTM D5596 Resistencia a rajaduras (HDPE) ASTM D5397 Tiempo de inducción oxidativa (OIT) ASTM D3895/5885 Envejecimiento en horno a 85ºC ASTM D5721/ 3895/5885 Resistencia ultravioleta GRI GM11 /ASTM D3895/5885 El empalme de las geomembranas se efectúa superponiendo los bordes de dos paneles adyacentes y luego uniéndolos. Los métodos de unión de geomembranas son: • Soldadura por fusión. Se derriten porciones de los dos paneles superpuestos usando un borde metálico o aire caliente. La fusión generalmente se efectúa a lo largo de dos carriles adyacentes y paralelos, dejando un pequeño canal al medio, el cual sirve para efectuar pruebas de la estanqueidad del empalme. Este método es aplicable a todo tipo de geomembrana y es el más usado. • Soldadura por extrusión. Se extruye una cinta de polímero derretido en el borde de una de las hojas o entre las dos hojas. Este método es aplicable solamente a membranas de polietileno y polipropileno. • Solvente o adhesivos. Se coloca entre las dos hojas una sustancia química que disuelve el polímero o que se pega al polímero. Estos métodos no son aplicables a geomembranas de polietileno y polipropileno. Generalmente se usa sólo para el PVC. Durante la instación se controla la estanqueidad de la longitud total de todos empalmes entre paneles de geomembranas mediante pruebas no destructivas. Estas dependen del tipo de empalme. En los de fusión se inyecta aire a presión a través de la ranura que se deja entre los dos carriles de fusión (ASTM D5820) y se mide que la presión se mantenga sin pérdida mayor que un límite especificado. En los otros tipos de empalmes se usa una solución jabonosa y una caja de vacío (ASTM D5641), y se observa si se forman burbujas. También se utilizan pruebas de chispa eléctrica (spark test) (ASTM D5641), para lo cual se requiere dejar pequeños alambres embebidos en el empalme. 20 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA La resistencia de los empalmes entre geomembranas se controla durante la instalación usando pruebas de instalación (destructivas) de muestras de los empalmes. Con las muestras de los empalmes se realizan ensayos de pelado y de corte (peel and shear) de acuerdo con los procedimientos del ASTM D6392. Forros Sintéticos de Arcilla (GCL) Los GCLs consisten de una capa delgada de bentonita deshidratada fijada entre dos geotextiles o pegada a una geomembrana. Los GCLs que se fabrican actualmente tienen los siguientes nombres de fábrica: Gundseal, Claymax (200R y 600 SP), Shear-Pro, Bentofix, Bentomat y NaBento. Gundseal consiste de bentonita adherida a una geomembrana (en un solo lado), mientras que los otros productos tienen geotextiles a ambos lados. Los geotextiles son unidos a la capa de bentonita usando fibras introducidas dentro de la bentonita con agujas, o cosiendo los dos geotextiles por medio de puntadas. Los tipos de geotextiles usados incluyen varias combinaciones de geotextiles tejidos y no tejidos. Las principales propiedades físicas y mecánicas usadas para caracterizar los GCLs y los procedimientos de ensayos son los siguientes: Propiedad Norma Masa de bentonita por unidad de área ASTM D3776 Permeabilidad ASTM D5084 Resistencia a la tracción ASTM D4595 Propiedades de la bentonita Contenido de humedad ASTM D4643 Indice de hinchamiento ASTM D5890 Pérdida de fluido ASTM D5891 Corte directo Propiedades de los geotextiles Adicionalmente, todas las propiedades pertinentes relativas a los geotextiles o a la geomembrana de base son también aplicables a los GCLs. 21 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA La evaluación de la resistencia de un GCL debe tomar en consideración su resistencia interna al corte y la resistencia interfaz entre el GCL y los materiales adyacentes. Debe notarse que tanto la resistencia interna como la interfaz, no son valores fijos y deben ser evaluados para cada caso, ya que varían con parámetros tales como el desplazamiento relativo (resistencia pico versus residual), la tensión normal, el grado de hidratación de la bentonita, el apoyo usado en el ensayo, etc. Debe darse atención especial a los efectos del corte a largo plazo (fluencia) en las fibras usadas para coser los GCLs reforzados y al paso de bentonita hidratada a través de los geotextiles. El empalme entre GCLs se realiza sobreponiendo paneles adyacentes y añadiendo bentonita en polvo en el área sobrepuesta para sellarla adecuadamente. Geodrenes Los polímeros usados para los geodrenes son el HDPE y el polietileno de densidad mediana (MDPE, por sus siglas en Inglés "mid-density polyethylene"). La prueba de inmersión también se usa para evaluar la resistencia química de los geodrenes. Las principales propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas generalmente usadas para caracterizar los geodrenes y los procedimientos de ensayo para medir estas propiedades son: Propiedad Norma Propiedades Geométricas Espesor ASTM D5199 Densidad ASTM D1505/792 Resistencia a la fluencia en compresión (perpendicular a su plano) ASTM D1621 Fricción interfaz ASTM D5321 Transmisividad ASTM D4716 La propiedad más importante de los geodrenes, en relación a su uso como capa de drenaje, es la transmisividad. Debe tomarse en cuenta que los resultados de ensayos de laboratorio de transmisividad varían con varios parámetros, incluyendo la presión normal, el gradiente y el apoyo usado en los ensayos. Asimismo, los valores de transmisividad determinados en SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 22 los ensayos de laboratorio a corto plazo deben ser reducidos para estimar los valores que ocurrirán a largo plazo, los cuales consideran la fluencia bajo presión normal, el obturamiento químico y/o la precipitación de sustancias químicas, y el obturamiento biológico. Koerner (1997) presenta una discusión completa de los factores de corrección pertinentes. Además de las propiedades del geodrén o de los geocompuestos, las propiedades de los geotextiles soldados a los geodrenes son generalmente especificadas por separado. Los empalmes de los geodrenes y los geocompuestos se realizan por medio de ataduras plásticas, las cuales no son diseñadas para transferir tracción. Geotextiles Se pueden usar geotextiles para desarrollar varias funciones diferentes. Las más importantes son: • Separación. Consiste en proporcionar separación entre dos materiales para evitar que se mezclen. Una aplicación típica es la colocación de un relleno granular sobre una subrasante blanda (por ejemplo, lamas de relaves). • Refuerzo. Las aplicaciones de geotextiles para refuerzo son idénticas a las de las geomallas, como se discute más adelante. • Filtración. El geotextil puede servir como filtro para evitar la migración de partículas de suelo a través de él. • Drenaje. El geotextil se puede utilizar para conducir el flujo en su propio plano. La capacidad hidrálica para conducir el flujo en su plano se mide por medio de la transmisividad. • Amortiguación/Protección. El geotextil puede servir para proteger una geomembrana de la subrasante, que puede tener piedras sobresalientes, o de un suelo granular a ser colocado sobre ella, para evitar daños a la geomembrana. Los polímeros usados más comúnmente para fabricar geotextiles son el polipropileno y el poliester. Con respecto a su estructura, los geotextiles se clasifican como tejidos y no tejidos. Cada uno de estos tipos de estructura es subdividida, a su vez, dependiendo del proceso de fabricación. 23 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Las principales propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas usadas para caracterizar los geotextiles son: Propiedad Norma Peso específico ASTM D792/D1505 Masa por unidad de área ASTM D5261 Tamaño aparente de abertura ASTM D4751 Permitividad bajo presión ASTM D5493 Transmisividad ASTM D4716 Resistencia a la penetración (puncture) ASTM D4833 Resistencia a reventar (burst) ASTM D3786 Resistencia al desgarramiento (tear) ASTM D4533 Resistencia a la tracción/alargamiento • Jalado (grab) ASTM D4632 • Muestra ancha ASTM D4595 Fricción interfaz ASTM D5321 Resistencia al arranque ASTM D6706 Abrasión ASTM D4886 Obturamiento (clogging) ASTM D5101/5084 Resistencia a la luz ultravioleta ASTM D4355 Resistencia de empalmes ASTM D4884 El empalme de geotextiles se realiza por cosido o por fusión. La forma de empalme más usual es por cosido. La mayoría de los geotextile son susceptibles a degradación bajo la luz ultravioleta. Por lo tanto, se requiere una protección apropiada durante el transporte, almacenamiento e inmediatamente después de la instalación para evitar que se exceda el tiempo de exposición a la luz ultravioleta permitido. Geomallas Las geomallas son usadas para proporcionar refuerzo de tracción. Tal como se indicó anteriormente, también se utilizan geotextiles como refuerzo de tracción. Las aplicaciones típicas incluyen: 24 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA • Refuerzo de taludes y terraplenes. Las superficies potenciales de falla tendrían que cortar a través de las capas de geomalla o geotextil de refuerzo. Cuando se usa este refuerzo, las fuerzas resistentes que actúan en las superficies potenciales de falla son la resistencia al corte del suelo y la resistencia a la tracción de la geomalla o geotextil. • Refuerzo de estructuras de contención. En esta aplicación, parte de la presión del suelo que actuaría contra el muro de contención es transferida por fricción a la parte de la geomalla o geotextil de refuerzo adyacente al muro, mientras que el resto de su longitud proporciona anclaje pasivo. • Caminos sin pavimentar. Las fuerzas de tracción que actúan en la geomalla o geotextil permiten la distribución de cargas en un área mayor y reducen la formación de huellas. • Refuerzo de sistemas de cobertura. Un modo posible de falla de coberturas relativamente empinadas es que una capa de suelo se deslice sobre otro suelo o un geosintético subyaciente (deslizamiento tipo lámina). Para controlar este tipo de falla, se coloca una geomalla o geotextil embebido dentro de la capa de suelo inestable para proporcionar una fuerza de tracción estabilizadora. El extremo superior de la geomalla o geotextil debe ser anclado en una zanja de anclaje o debe ser suficientemente largo para desarrollar resistencia pasiva adecuada por fricción para restringir su desplazamiento. • Puente sobre posibles vacíos bajo sistemas de forro. Cuando se construyen sistemas de forro encima de desechos existentes (expansiones verticales de rellenos) o en áreas donde se pueden desarrollar vacíos, se usan geomallas o geotextiles como parte del sistema de forro para crear puentes sobre los vacíos. Las geomallas son de poliester, polietileno y polipropileno. Si van a estar expuestas a desechos o a lixiviados, la elección del polímero debe considerar su resistencia química, tal como en el caso de las geomembranas. Dependiendo de la dirección de mayor resistencia y rigidez, las geomallas se clasifican como uniaxiales y biaxiales. 25 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Las principales propiedades físicas y mecánicas usadas para caracterizar las geomallas son: Propiedad Norma Propiedades geométricas Resistencia a la tracción (muestra ancha) ASTM D4595 Fluencia en tracción ASTM D5262 Resistencia de diseño a largo plazo GRI GG4 Resistencia de anclaje ASTM D6706 Fricción interfaz ASTM D5321 En la dirección de las fuerzas de tracción, las geomallas se empalman usando barras de acero entrelazadas con la geomalla. Geocompuesto de drenaje Tal como se indicó anteriormente, el geocompuesto de drenaje utilizado en sistemas de forro y cobertura consiste de un geodrén con geotextiles soldados de fábrica en uno o en ambos lados. Para fabricar estos geocompuestos, se sueldan geotextiles de varios tipos y pesos a los geodrenes, siendo los más comunes los geotextiles no tejidos. Las propiedades más importantes de estos geocompuestos, en relación a su uso como capa de drenaje, es la transnisividad. Al igual que los geodrenes, los resultados de los ensayos de transmisividad en geocompuestos dependen de la presión normal, el gradiente y el apoyo utilizado en los ensayos. En el caso de los geocompuestos, la transmisividad depende también del tipo y peso de los geotextiles utilizados en su fabricación, ya que la deformación de los geotextiles debida a la presión normal actuante reduce el espacio interior del geodrén. Para empalmar geocompuestos, generalmente se superponen los geotextiles inferiores, los geodrenes se unen con ataduras plásticas y los geotextiles superiores se cosen entre sí. SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 26 COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE FORRO Y COBERTURA Análisis Geotécnico y de los Geosintéticos Los sistemas de forro y de cobertura consisten típicamente de capas múltiples de suelos y de materiales geosintéticos. Esto crea un sistema complejo de materiales con resistencias, módulos de alargamiento y fricciones interfaz diferentes, en los cuales deben realizarse análisis geotécnicos y de los geosintéticos para evaluar su comportamiento. Estos materiales son susceptibles a sufrir daños por tensiones y deformaciones en los materiales geosintéticos y por rajaduras de tracción en los suelos. Los análisis geotécnicos realizados normalmente para el diseño incluyen la estabilidad general del talud, la estabilidad bajo carga sísmica, el deslizamiento del sistema de forro sobre las bermas o taludes durante la construcción, el deslizamiento de la cobertura final, los asentamientos del fondo del relleno de desechos y la capacidad de carga de los suelos de cimentación. La estabilidad general del talud y la estabilidad bajo carga sísmica son frecuentemente unas de las más críticas. La carga sísmica en el relleno de desechos se determina generalmente por medio de un análisis de propagación de ondas. La estabilidad bajo carga sísmica se analiza luego efectuando un análisis de estabilidad pseudo-estático y/o el cálculo de desplazamientos inducidos sísmicamente. Discusiones detalladas del método de análisis sísmico de rellenos de desechos ha sido publicado por Repetto et al. (1993a, 1993b), Augello et al. (1995) y Bray et al. (1995). El comportamiento de los materiales geosintéticos incluye generalmente el análisis de tensiones y deformaciones, la resistencia química al lixiviado, la durabilidad, la resistencia a la penetración, la permitividad y el obturamiento de los geotextiles, y la transmisividad de los geodrenes y los geocompuestos. Los métodos para evaluar el comportamiento de los materiales geosintéticos han sido desarrollados y son discutidos en detalle por Koerner (1997). SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 27 Sistema de Manejo de Aguas de Lluvia El sistema de manejo de aguas de lluvia tiene dos partes. Una parte controla la escorrentía en el mismo relleno de desechos para reducir la erosión de la cobertura. La otra parte es externa al depósito de desechos y su objetivo es prevenir el ingreso de escorrentía de las áreas adyacentes al relleno de desechos. Los sistemas de manejo de aguas de lluvia son diseñados generalmente para recolectar y controlar por lo menos el caudal máximo que resulte de la tormenta de 24 horas y de 100 años de recurrencia El control de escorrentía en el relleno de desechos consiste generalmente de un sistema de bermas/canales ubicado sobre la cobertura (ver Figuras 6 y 7). Es difícil controlar la escorrentía sin bermas y canales sobre la cobertura, pero es posible en taludes poco inclinados o cortos. La distancia vertical entre las bermas/canales generalmente se elige de manera que la erosión de la cobertura final, calculada por la Ecuación Universal de Pérdida de Suelos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USLE por sus siglas en Ingles "Universal Soil Loss Equation"), no exceda 2 a 4 toneladas/acre/año. Un criterio adicional para elegir la distancia vertical entre las bermas/canales es prevenir que el régimen del flujo del agua superficial cambie de flujo laminar a flujo concentrado poco profundo. Previniendo este cambio en el régimen de flujo, el agua de tormentas tiene menos energía para movilizar las partículas del suelo. Los canales ubicados sobre la cobertura final son diseñados con una pendiente longitudinal mínima, siguiendo más o menos las curvas a nivel de la cobertura final. Dependiendo de la velocidad del flujo, los canales pueden ser revestidos con pasto o rip-rap. Los canales de la cobertura final descargan generalmente a canales (chutes) de bajada forrados con gaviones, que conducen el flujo hacia abajo. Generalmente se usa forro de gavión para los canales de las bajadas por su habilidad para resistir asentamientos y por las velocidades relativamente elevadas del agua que resultan de los taludes empinados. Los canales de bajada, por su parte, descargan a otros canales que conducen el flujo a pozas de sedimentación/detención. Estos otros canales típicamente recolectan la escorrentía de la cobertura final y de las áreas aledañas, y la descargan a pozas de sedimentación, las cuales son frecuentemente convertidas a pozas de detención después del cierre del relleno. 28 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA El diseño del sistema de control de escorrentía de la cobertura final debe ser realizado simultáneamente con el diseño detallado de la topografía final del relleno. En esta etapa, se debe también evaluar la necesidad de caminos de acceso permanente sobre la cobertura final. Si se requieren tales caminos, deben ser diseñados simultáneamente con el sistema de control de escorrentía. Típicamente el diseño de los sistemas de control de ingreso y salida de escorrentía se diseñan para el evento de 100 años y 24 horas. Los métodos delineados por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Conservación de Suelos en la publicación titulada “TR-55: Hidrología Urbana para Cuencas Pequeñas” (USDA, 1986) son generalmente usados para calcular los caudales de diseño de las estructuras para el control de aguas de tormentas. Para modelar las pozas de sedimentación/detención, normalmente se utiliza el método de indicación del almacenamiento, también conocido como el método Puls modificado. Este método dirige el hidrograma del flujo, modelando el desfase y la atenuación de la onda de flujo que pasa a través del reservorio de almacenamiento cuando entra y se dispersa en la poza. Existen varios programas de computadora que realizan este cálculo de ruta. El hidrograma de flujo se obtiene como resultado de TR-55. La elevación del invert, y el tamaño y el tipo de la estructura de descarga son típicamente seleccionados al mismo tiempo que la relación de almacenamiento-cota de la poza. Finalmente, la ecuación de Manning para flujo en canales abiertos se usa para analizar la capacidad de los canales. El ancho de la base, los taludes laterales y la gradiente longitudinal de los canales pueden ser seleccionados utilizando esta ecuación. En general, la gradiente mínima usada para los canales de coberturas es dos por ciento para tomar en cuenta los asentamientos probables. Cálculo de la Infiltración El cálculo de la infiltración puede efectuarse por dos métodos: el método de balance de aguas y el modelo Hidrológico de Evaluación del Comportamiento de Rellenos de Desechos (HELP, por sus siglas en Inglés "Hydrologic Evaluation of Landfill Performance"). El método de balance de aguas, basado en la interrelación entre la SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 29 precipitación, la evapotranspiración, la escorrentía, el almacenamiento de humedad en el suelo y la infiltración, como lo discute Viessman et al. (1989), es un cálculo manual que puede ser realizado usando una hoja de cálculos. Sin embargo, este método no permite incluir una geomembrana como componente de la cobertura. Por otra parte, el modelo HELP, desarrollado por el Corps of Engineers de los Estados Unidos (EPA, 1994), permite la inclusión de geomembranas como parte de la cobertura y del forro. Este programa requiere parámetros de datos similares al método de balance de aguas. Los resultados del programa incluyen la escorrentía, la evapotranspiración, el drenaje vertical a través del forro, la infiltración a través de las capas, la tasa pico de generación diaria de lixiviado, las tasas promedio anual y mensual de generación de lixiviado, y el drenaje lateral de las capas ubicadas encima de la capa de barrera. SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 30 BIBLIOGRAFIA American Society for Testing and Materials (2006), 2006 Book of Standards Augello, A.J., Bray, J.D., Leonards, G.A., Repetto, P.C., and Byrne, R.J. (1995), Response of Landfills to Seismic Loading, Proc. GeoEnvironment 2000, Special Geotechnical Publication, ASCE. Bray, J.D., Augello, A.J., Leonards, G.A., Repetto, P.C., and Byrne, R.J. (1995), Seismic Stability Procedures for Solid-Waste Landfills, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 2, February, pp. 139-151. Geosynthetic Research Institute, Drexel University (2002), GRI Test Methods and Standards. Industrial Fabrics Association International 2006), Geotechnical Fabrics Report Specifier's Guide, December. Koerner, R.M. (1997), Designing with Geosynthetics, 4th Edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ. Martin, R.B., Koerner, R.M. and Whitty, J.E. (1984), Experimental Friction Evaluation of Slippage Between Geomembranes, Geotextiles and Soils, Proc. International Conference on Geomembranes, Denver, pp. 191-196. Mitchell, J.K., Seed, R.B., and Seed, H.B. (1990b), Stability Considerations in the Design and Construction of Lined Waste Repositories, ASTM STP 1070, Geotechnics of Waste Landfills -Theory and Practice, A. Ladva and G.D. Knowles, ed., American Society for Testing and Materials, pp. 207-224. Repetto, P.C. (1995), The Civil Engineering Handbook - Chapter 25: Geo-Environment, CRC Press, Inc. Repetto, P.C., Bray, J.D., Byrne, R.J., and Augello, A.J., (1993a), Applicability of Wave Propagation Methods to the Seismic Analysis of Landfills, Proc. WasteTech ’93, National Solid Wastes Management Association, California, January. Repetto, P.C., Bray, J.D., Byrne, R.J., and Augello, A.J., (1993b), Seismic Analysis of Landfills, 13th Central Pennsylvania Geotechnical Seminar, Hershey, PA, April. United States Department of Agriculture (1986), Soil Conservation Service, Engineering Division, TR-55: Urban Hydrology for Small Watersheds. United States Environmental Protection Agency (1994), Office of Research and Development, The Hydrological Evaluation of Landfill Performance (HELP) Model, User's Guide for Version 3 (EPA/600/R-94/168a) and Engineering Documentation for Version 3 (EPA/600/R-94/168b). Viessman, Jr., W., Lewis, G., and Knapp, J. (1989), Introduction to Hydrology, 3rd Edition, Harper & Row Publishers, New York. 31 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA TABLAS Tabla 1. Estándares de la ASTM Comúnmente Utilizados para Geosintéticos (en secuencia numérica) FIGURAS Figura 1. Sistemas de Forro Doble Compuesto Figura 2. Capas Funcionales de la Cobertura Final Figura 3. Gráfico Densidad Seca-Humedad Figura 4. Ventana de Permeabilidad Figura 5. Criterio de Filtro de Suelo Figura 6. Topografía de Cobertura SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 32 Tabla 1 Estándares de la ASTM Comúnmente Utilizados para Geosintéticos (en secuencia numérica) D1987-95(2002) Test Method for Biological Clogging of Geotextile or Soil/Geotextile Filters D4354-99 Practice for Sampling of Geosynthetics for Testing D4355-02 Test Method for Deterioration of Geotextiles by Exposure to Light, Moisture and Heat in a Xenon Arc Type Apparatus D4437-99 Practice for Determining the Integrity of Field Seams Used in Joining Flexible Polymeric Sheet Geomembranes D4439-02 Terminology for Geosynthetics D4491-99a Test Methods for Water Permeability of Geotextiles by Permittivity D4533-91(1996) Test Method for Trapezoid Tearing Strength of Geotextiles D4545-86(1999) Practice for Determining the Integrity of Factory Seams Used in Joining Manufactured Flexible Sheet Geomembranes D4594-96 Test Method for Effects of Temperature on Stability of Geotextiles D4595-86(2001) Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method D4632-91(1996) Test Method for Grab Breaking Load and Elongation of Geotextiles D4716-01 Test Method for Determining the (In-plane) Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head D4751-99a Test Method for Determining Apparent Opening Size of a Geotextile D4759-88(1996) Practice for Determining the Specification Conformance of Geosynthetics D4833-00e1 Test Method for Index Puncture Resistance of Geotextiles, Geomembranes, and Related Products D4873-02 Guide for Identification, Storage, and Handling of Geosynthetic Rolls and Samples D4884-96 Test Method for Strength of Sewn or Thermally Bonded Seams of Geotextiles D4885-01 Test Method for Determining Performance Strength of Geomembranes by the Wide Strip Tensile Method D4886-88(2002) Test Method for Abrasion Resistance of Geotextiles (Sand Paper/Sliding Block Method) D5101-01 Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio D5141-96(1999) Test Method for Determining Filtering Efficiency and Flow Rate of a Geotextile for Silt Fence Application Using Site-Specific Soil D5199-01 Test Method for Measuring the Nominal Thickness of Geosynthetics D5261-92(1996) Test Method for Measuring Mass per Unit Area of Geotextiles D5262-97 Test Method for Evaluating the Unconfined Tension Creep Behavior of Geosynthetics SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 33 D5321-92(1997) Test Method for Determining the Coefficient of Soil and Geosynthetic or Geosynthetic and Geosynthetic Friction by the Direct Shear Method D5322-98 Practice for Immersion Procedures for Evaluating the Chemical Resistance of Geosynthetics to Liquids D5323-92(1999) Practice for Determination of 2% Secant Modulus for Polyethylene Geomembranes D5397-99 Test Method for Evaluation of Stress Crack Resistance of Polyolefin Geomembranes Using Notched Constant Tensile Load Test D5493-93(1998) Test Method for Permittivity of Geotextiles Under Load D5494-93 (1999) Test Method for the Determination of Pyramid Puncture Resistance of Unprotected and Protected Geomembranes D5496-98 Practice for In Field Immersion Testing of Geosynthetics D5514-94(2001) Test Method for Large Scale Hydrostatic Puncture Testing of Geosynthetics D5567-94(2001) Test Method for Hydraulic Conductivity Ratio (HCR) Testing of Soil/Geotextile Systems D5596-94 Test Method for Microscopic Evaluation of the Dispersion of Carbon Black in Polyolefin Geosynthetics D5617-99e1 Test Method for Multi-Axial Tension Test for Geosynthetics D564194(2001)e1 Practice for Geomembrane Seam Evaluation by Vacuum Chamber D5721-95 Practice for Air-Oven Aging of Polyolefin Geomembranes D5747-95a Practice for Tests to Evaluate the Chemical Resistance of Geomembranes to Liquids D5818-95(2000) Practice for Obtaining Samples of Geosynthetics from a Test Section for Assessment of Installation Damage D5819-99 Guide for Selecting Test Methods for Experimental Evaluation of Geosynthetic Durability D582095(2001)e1 Practice for Pressurized Air Channel Evaluation of Dual Seamed Geomembranes D5884-01 Test Method for Determining Tearing Strength of Internally Reinforced Geomembranes D5885-97 Test Method for Oxidative Induction Time of Polyolefin Geosynthetics by HighPressure Differential Scanning Calorimetry D5886-95(2001) Guide for Selection of Test Methods to Determine Rate of Fluid Permeation Through Geomembranes for Specific Applications D5887-99 Test Method for Measurement of Index Flux Through Saturated Geosynthetic Clay Liner Specimens Using a Flexible Wall Permeameter D588895(2002)e1 Guide for Storage and Handling of Geosynthetic Clay Liners D5889-97 Practice for Quality Control of Geosynthetic Clay Liners SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 34 D5890-02 Test Method for Swell Index of Clay Mineral Component of Geosynthetic Clay Liners D5891-02 Test Method for Fluid Loss of Clay Component of Geosynthetic Clay Liners D5970-96 Practice for Deterioration of Geotextiles from Outdoor Exposure D5993-99 Test Method for Measuring Mass Per Unit Area of Geosynthetic Clay Liners D5994-98 Test Method for Measuring Core Thickness of Textured Geomembrane D6072-96(2002) Guide for Obtaining Samples of Geosynthetic Clay Liners D6088-97(2002) Practice for Installation of Geocomposite Pavement Drains D6102-97 Guide for Installation of Geosynthetic Clay Liners D6140-00 Test Method to Determine Asphalt Retention of Paving Fabrics Used in Asphalt Paving for Full-Width Applications D6141-97 Guide for Screening the Clay Portion of a Geosynthetic Clay Liner (GCL) for Chemical Compatibility to Liquids D6213-97 Practice for Tests to Evaluate the Chemical Resistance of Geogrids to Liquids D6214-98 Test Method for Determining the Integrity of Field Seams Used in Joining Geomembranes by Chemical Fusion Methods D6241-99 Test Method for the Static Puncture Strength of Geotextiles and GeotextileRelated Products Using a 50-mm Probe D6243-98 Test Method for Determining the Internal and Interface Shear Resistance of Geosynthetic Clay Liner by the Direct Shear Method D6244-98 Test Method for Vertical Compression of Geocomposite Pavement Panel Drains D6364-99 Test Method for Determining the Short-Term Compression Behavior of Geosynthetics D6365-99 Practice for the Nondestructive Testing of Geomembrane Seams using the Spark Test D6388-99 Practice for Tests to Evaluate the Chemical Resistance of Geonets to Liquids D6389-99 Practice for Tests to Evaluate the Chemical Resistance of Geotextiles to Liquids D6392-99 Test Method for Determining the Integrity of Nonreinforced Geomembrane Seams Produced Using Thermo-Fusion Methods D6434-99 Guide for the Selection of Test Methods for Flexible Polypropylene (fPP) Geomembranes D6454-99 Test Method for Determining the Short-Term Compression Behavior of Turf Reinforcement Mats (TRMs) D6455-99 Guide for the Selection of Test Methods for Prefabricated Bituminous Geomembranes (PBGM) D6461-99 Specification for Silt Fence Materials D6462-99 Practice for Silt Fence Installation D6475-00 Test Method for Measuring Mass Per Unit Area of Erosion Control Blankets D6495-02 Guide for Acceptance Testing Requirements for Geosynthetic Clay Liners SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA 35 D6496-99 Test Method for Determining Average Bonding Peel Strength Between the Top and Bottom Layers of Needle-Punched Geosynthetic Clay Liners D6497-02 Guide for Mechanical Attachment of Geomembrane to Penetrations or Structures D6524-00 Test Method for Measuring the Resiliency of Turf Reinforcement Mats (TRMs) D6525-00 Test Method for Measuring Nominal Thickness of Permanent Rolled Erosion Control Products D6566-00 Test Method for Measuring Mass per Unit Area of Turf Reinforcement Mats D6567-00 Test Method for Measuring the Light Penetration of a Turf Reinforcement Mat (TRM) D6574-00 Test Method for Determining the (In-Plane) Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic by Radial Flow D6575-00 Test Method for Determining Stiffness of Geosynthetics Used as Turf Reinforcement Mats (TRM's) D6636-01 Test Method for Determination of Ply Adhesion Strength of Reinforced Geomembranes D6637-01 Test Method for Determining Tensile Properties of Geogrids by the Single or Multi-Rib Tensile Method D6638-01 Test Method for Determining Connection Strength Between Geosynthetic Reinforcement and Segmental Concrete Units (Modular Concrete Blocks) D6685-01 Guide for the Selection of Test Methods for Fabrics Used for Fabric Formed Concrete D6693-01 Test Method for Determining Tensile Properties of Nonreinforced Polyethylene and Nonreinforced Flexible Polypropylene Geomembranes D6706-01 Test Method for Measuring Geosynthetic Pullout Resistance in Soil D6707-01 Specification for Circular-Knit Geotextile for Use in Subsurface Drainage Applications D6747-02 Guide for Selection of Techniques for Electrical Detection of Potential Leak Paths in Geomembrane D6766-02 Test Method for Evaluation of Hydraulic Properties of Geosynthetic Clay Liners Permeated with Potentially Incompatible Liquids D6767-02 Test Method for Pore Size Characteristics of Geotextiles by Capillary Flow Test D6768-02 Test Method for Tensile Strength of Geosynthetic Clay Liners SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 1 Sistemas de Forro Doble Compuesto 36 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 2 Capas Funcionales de Coberturas 37 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 3 Gráfico Densidad Seca-Humedad 38 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 4 Ventana de Permeabilidad 39 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 5 Criterio de Filtro de Suelo 40 SISTEMES DE FORRO Y COBERTURA Figura 6 Topografía de Cobertura 41