Modelo numérico para la estimación de vertimientos en colapsos de depósitos superficiales de relaves

Abstract

Los colapsos en depósitos superficiales de relaves, dada la rotura de su muro de contención, son desastres que causan importantes pérdidas económicas, ambientales y, en algunos casos, de vidas humanas. En Chile, este fenómeno se ha producido principalmente por la acción de sismos, los que producen la licuación del relave contenido y de algunas zonas del prisma resistente, desencadenando inestabilidad de taludes o reboses (overtopping). La investigación desarrollada tuvo como objetivo diseñar e implementar un modelo numérico del que se pueda obtener para el colapso de un depósito superficial, la tasa de vertimiento de relaves y la evolución de la superficie de su muro de contención por efecto del paso del flujo. Los resultados generados buscan ser la información de entrada para la realización del rastreo de la onda de relave que se propaga hacia aguas abajo. El proceso de rotura del muro, considerando una deformación instantánea de su superficie como condición inicial de falla, fue modelado como un flujo sobre un lecho erosionable. El relave se considera saturado y en estado licuado, siendo modelado como una mezcla no-newtoniana. El muro de contención se supone compuesto de material granular. Las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento son integradas en vertical imponiendo condiciones de flujo somero. La reología de la mezcla es considerada en los términos friccionales que son calculados en función de las condiciones locales del flujo. La continuidad de sedimento se modela mediante la ecuación de Exner. El modelo fue implementado utilizando el software OpenFOAM R como entorno de programación. Las ecuaciones de flujo y erosión fueron resueltas de forma débilmente acoplada, utilizando esquemas tipo Godunov. Se realizó la verificación y validación del modelo comparando su desempeño con soluciones analíticas y trabajos anteriores. Adicionalmente, se aplicó esta herramienta en un caso real de falla evaluando su desempeño y ejemplificando su uso. En general, los resultados obtenidos de la aplicación del modelo indican que los parámetros que dominan el proceso erosivo son la densidad de mezcla y el esfuerzo de fluencia del relave licuado. Se observa que los volúmenes totales vertidos dependerían principalmente de los parámetros resistentes del relave contenido en la cubeta, cuando éste presenta un comportamiento como un suelo. Ahora bien, la distribución de los caudales efluentes estarían modulados por la reología del relave una vez licuado y por la erosión progresiva del muro por efecto del paso del flujo.