Cálculo de coeficiente sísmico para una presa de relaves a partir del análisis de respuesta de sitio

Abstract

Este trabajo es impulsado por un acta de supervisión operativa realizada por OSINERGMIN (Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería). El acta deja por escrito que la empresa minera debe realizar un análisis de respuesta de sitio en la presa de relaves N°4A debido a la presencia de un depósito de suelo de gran profundidad que subyace su cimentación. El autor, contemplando este análisis previo y un escenario de operación de la presa de relaves, obtiene el coeficiente sísmico pseudoestático por el criterio de Bray et al. (2017) y realiza un análisis comparativo con el coeficiente sísmico obtenido por el criterio de Hynes - Griffin y Franklin (1984). Este trabajo revisa y recopila información de la presa de relaves existente, respecto a su topografía, geología, investigaciones geotécnicas, exploraciones geofísicas y estudio de peligro sísmico. La presa de relaves se encuentra en la etapa de operación y es clasificada como una presa de riesgo alto, esto en base a la evacuación de riesgo realizada por la minera y de acuerdo con la guía CDA (2014). Los criterios sísmicos de la guía sugieren un periodo de retorno correspondiente a Tr = 2475 años para estas condiciones descritas. Para el análisis de respuesta de sitio no lineal fue necesario realizar el ajuste espectral de registros sísmicos tiempo - historia de Perú y Chile (07 sismos). Los registros sísmicos fueron ajustados al espectro objetivo para un periodo de retorno de Tr = 2475 años desprendido del espectro de peligro uniforme presentado en el estudio de peligro sísmico (ZER, 2017). Una vez realizado el ajuste espectral, se procedió con el modelamiento de la columna de suelo para el análisis de respuesta de sitio en el software DeepSoil v7.0. Debido a que el depósito de suelo que subyace la presa corresponde a un suelo granular en toda su extensión, se utilizó las curvas de degradación planteadas por Menq (2003). Los resultados del software (espectro de respuesta promedio en superficie) indican que existen amplificaciones sísmicas en el rango de periodos de 0,3 a 3,0 seg. Esto es coherente con los resultados de Seed and Idriss (1983) para este tipo de depósitos de suelos con profundidades mayores a los 60 m. Además, se observa que este espectro de respuesta promedio se encuentra por debajo del espectro de diseño de la norma técnica NTP E030-Diseño sismo resistente (2019), lo que hace concluir que este último es conservador. El autor con la información previa del análisis de respuesta de sitio no lineal obtuvo el coeficiente sísmico por el criterio de Bray et al. (2017), y realizó un análisis comparativo con el coeficiente sísmico obtenido por el criterio de Hynes - Griffin y Franklin (1984). Mediante estos criterios se determinaron los coeficientes sísmicos pseudoestáticos de Ks = 0,172 y 0,287, respectivamente. Los factores de seguridad obtenidos en los análisis pseudoestáticos por equilibrio límite mediante el software SlideV6.0 arrojan factores de seguridad de F.S. = 1,23 y 0,983 respectivamente, lo que hace concluir que el criterio de Hynes - Griffin y Franklin (1984) conlleva a un factor de seguridad que está por debajo del factor de seguridad mínimo recomendable, resultando en un diseño muy conservador. Finalmente, se realizó un análisis comparativo de los criterios evaluando las suposiciones adoptadas para el comportamiento sísmico de un talud, llegando a la conclusión de que realizar análisis pseudoestáticos a presas de relaves con el criterio de Hynes - Griffin y Franklin (1984) conlleva a coeficientes sísmicos altos y a escenarios muy conservadores para el diseño sísmico. Por otro lado, el criterio de Bray et al. (2017) conlleva a coeficientes sísmicos más bajos, es más racional y por lo tanto es el más adecuado para la elección de un coeficiente sísmico para los análisis pseudoestáticos de presas de relaves.

This work is promoted by an act of operational supervisión carried out by OSINERGMIN (Supervisory Agency for Investment in Energy and Mining). The record leaves in writing that the mining company must carry out a site response analysis in the tailings dam No. 4A due to the presence of a deep soil deposit that underlies its foundation. The author, contemplating this previous analysis and a scenario of the operation of the tailings dam, obtains the pseudostatic seismic coefficient by the criteria of Bray et al. (2017) and performs a comparative analysis with the seismic coefficient obtained by the Hynes - Griffin and Franklin (1984) criteria. This work reviews and compiles information on the existing tailings dam, regarding its topography, geology, geotechnical investigations, geophysical explorations, and seismic hazard study. The tailings dam is in the operation stage and is classified as a high risk dam, based on the risk evacuation carried out by the mining company and in accordance with the CDA guide (2014). The seismic criteria of the guide suggest a return period corresponding to Tr = 2475 years for these described conditions. For the non-linear site response analysis, it was necessary to perform the spectral adjustment of time - history seismic records of Peru and Chile (07 earthquakes). The seismic records were adjusted to the objective spectrum for a return period of Tr = 2475 years detached from the uniform hazard spectrum presented in the seismic hazard study (ZER, 2017). Once the spectral adjustment was made, we proceeded with the modeling of the soil column for the site response analysis in the DeepSoil v7.0 software. Because the soil deposit that underlies the dam corresponds to a granular soil throughout its extension, the degradation curves proposed by Menq (2003) were used. The software results (surface average response spectrum) indicate that there are seismic amplifications in the range of periods from 0,3 to 3,0 s. This is coherent with the results of Seed and Idriss (1983) for this type of soil deposits with depths greater than 60 m. In addition, it is observed that this average response spectrum is below the design spectrum of the technical standard NTP E030-Earthquake resistant design (2019), which leads to the conclusión that the latter is conservative. The author with the previous information of the non-linear site response analysis obtained the seismic coefficient by the criteria of Bray et al. (2017), and performed a comparative analysis with the seismic coefficient obtained by the Hynes-Griffin and Franklin (1984) criteria. Using these criteria, the pseudostatic seismic coefficients of Ks = 0,172 and 0,287, respectively, were determined. The safety factors obtained in the pseudostatic analysis by limit equilibrium using the SlideV6.0 software show safety factors of F.S. = 1,23 and 0,983 respectively, which leads to the conclusion that the Hynes-Griffin and Franklin (1984) criterion leads to a factor safety that is below the recommended minimum safety factor, resulting in a very conservative design. Finally, a comparative analysis of the criteria was carried out, evaluating the assumptions adopted for the seismic behavior of a slope, reaching the conclusion that performing pseudostatic analyzes of tailings dams with the criteria of Hynes - Griffin and Franklin (1984) leads to coefficients high seismic and very conservative scenarios for seismic design. On the other hand, the criterion of Bray et al. (2017) leads to lower seismic coefficients, is more rational, and is therefore the most suitable for the choice of a seismic coefficient for pseudostatic analyzes of tailings dams.