Materiales de Sistemas de Forro y Cobertura

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