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Diseño de un depósito de relave reubicado frente a un relave contaminado en Ticapampa – Recuay - Ancash
Resumen Ejecutivo
Este estudio aborda el problema de contaminación generado por el depósito de relave pasivo de Ticapampa (Ancash, Perú), ubicado en la margen izquierda del río Santa. Investigaciones geológicas, geomorfológicas y topográficas identificaron un volumen de 1,043,000.53 m³ de relaves con alto contenido de ácidos, sulfatos, metales disueltos (Cu, Pb, Zn) y sólidos en suspensión. Estos materiales, vulnerables a la erosión e infiltración por lluvias, generan drenaje ácido que contamina el río Santa y sus alrededores. Para mitigar este impacto, se propone el diseño de un nuevo depósito de relave reubicado e impermeable. El diseño incluye una presa de arranque perimetral de 1,160.14 m de longitud, dos vasos excavados (volúmenes de corte: 134,868 m³ y 177,573 m³) y un sistema de impermeabilización compuesto por una geomembrana HDPE de 1.5 mm sobre geotextil no tejido de 400 g/m². Los análisis de estabilidad estática y pseudoestática (aceleración sísmica 0.17g para 500 años de retorno) arrojan factores de seguridad satisfactorios (FS > 1.28 en todos los casos). El estudio integra aspectos geotécnicos, hidrológicos, sísmicos y ambientales para ofrecer una solución técnica viable que garantice la estabilidad física, hidrológica y química del nuevo depósito, encapsulando los relaves contaminantes y previniendo futuros daños ambientales.
El estudio propone un diseño integral para reubicar y encapsular 1,043,000.53 m³ de relaves contaminantes del depósito pasivo de Ticapampa. La solución combina una presa de arranque perimetral estable (FS > 1.28 bajo sismo de 0.17g), dos vasos excavados y un sistema de impermeabilización con geomembrana HDPE de 1.5 mm sobre geotextil. Los análisis geotécnicos, hidrológicos y de estabilidad garantizan la viabilidad del diseño, que busca mitigar la generación de drenaje ácido y la contaminación del río Santa, cumpliendo con la normativa ambiental peruana y promoviendo la remediación de un pasivo ambiental minero crítico.
Contexto y Problemática
El depósito de relave pasivo de Ticapampa, ubicado en el departamento de Ancash (coordenadas UTM: 8922,454.92 N, 231,013.92 E, 3,520 msnm), representa un pasivo ambiental minero (PAM) crítico. Con un volumen de más de un millón de metros cúbicos, contiene materiales sulfurosos (pirita, galena) que, en contacto con el agua de lluvia, generan drenaje ácido de mina (DAM) con alta concentración de sulfatos, metales disueltos y sólidos en suspensión. Su ubicación adyacente al río Santa y su topografía con pendiente negativa favorecen la infiltración y escorrentía de estos contaminantes hacia el cauce fluvial, afectando la calidad del agua, los suelos y la salud de la población local. La zona presenta una sismicidad considerable (intensidad VII Mercalli) y está sujeta a precipitaciones provenientes de la Cordillera Blanca. Pese a la existencia de normativa peruana (Leyes 28271, 28526, DS 059-2005-EM) para regular los PAM, este sitio requería una solución de ingeniería específica para su contención y remediación definitiva.
Metodología de Investigación
1. Enfoque y Diseño
- Tipo: Investigación aplicada con diseño preexperimental de un solo grupo (pretest-postest).
- Unidad de análisis: El depósito de relave de Ticapampa.
- Variables:
- Independiente (X): Diseño e implementación del nuevo depósito de relave reubicado e impermeable.
- Dependiente (Y): Disminución de la contaminación (Yb: en sitio nuevo; Ya: en sitio original).
2. Etapas y Técnicas
- Caracterización del Sitio:
- Geodesia y topografía: Establecimiento de 08 estaciones a partir de 2 puntos geodésicos del IGN (sistemas WGS-84 y PSAD-56). Levantamiento detallado con curvas de nivel cada metro.
- Geología/Geotecnia: Investigación geológica, geomorfológica y geodinámica. Ejecución de calicatas, ensayos de penetración dinámica ligera (DPL), muestreo de suelos y ensayos de laboratorio (clasificación SUCS/AASHTO, corte directo).
- Mineralogía: Análisis por Difracción de Rayos X (DRX) de relaves (datos de Romero et al., 2008), confirmando alto contenido de cuarzo (>80%) y sulfuros (pirita, galena).
- Diseño de Ingeniería:
- Geotecnia: Determinación de parámetros de resistencia del suelo (cohesión, ángulo de fricción) para cimentación y materiales de construcción.
- Análisis de Estabilidad: Evaluación de taludes de la presa de arranque y terraplenes mediante el método de Bishop, en condiciones estáticas y pseudoestáticas (aceleración sísmica a=0.17g).
- Hidrología/Hidrogeología: Análisis de cuencas (subcuenca SC-2, área 1.22 km²) para cálculo de caudales máximos (5.49 m³/s) y diseño de canal de coronación. Estimación de caudal de infiltración subterránea (12.5 l/s) para diseño de subdrenaje.
- Diseño del Depósito: Definición de geometría de presa de arranque (longitud 1,160.14 m, corona 3.00 m, taludes 1H:1V interno, 2H:1V externo), excavación de dos vasos (cotas 3512 y 3520 msnm) y especificación del sistema de impermeabilización (geomembrana HDPE 1.5 mm + geotextil 400 g/m²).
- Evaluación Ambiental: Diseño de cobertura final (grava arcillosa, tierra vegetal, estiércol, revegetación) para garantizar estabilidad química y minimizar generación de DAM.
Resultados Principales
1. Caracterización del Relave y del Sitio
Volumen y Composición del Relave: Se cuantificó un volumen total de 1,043,000.53 m³ de relaves. El análisis mineralógico (Romero et al., 2008) mostró una composición dominada por cuarzo (80.82%), con presencia de sulfuros como jarosita (4.11%) y minerales asociados a la generación de aguas ácidas (ver Tabla 1). El relave es de naturaleza polimetálica (Cu-Pb-Zn-Au-Ag).
Características del Sitio de Nueva Ubicación: El terreno seleccionado para el nuevo depósito se emplaza sobre terrazas aluvionales del Pleistoceno, constituidas por arenas, gravillas, gravas y cantos rodados. Los estudios geotécnicos indican suelos de fundación no plásticos a ligeramente plásticos, de baja compresibilidad y humedad, con densidades que varían de medianamente densas a densas. No se evidenciaron procesos de karstificación que comprometan la estabilidad.
| Mineral | Fórmula | % |
|---|---|---|
| Cuarzo | SiO₂ | 80.82 |
| Muscovita | KAl₂Si₃AlO₁₀(OH)₂ | 5.15 |
| Jarosita | KFe₃(SO₄)₂(OH)₆ | 4.11 |
| Yeso | CaSO₄·2H₂O | 3.45 |
| Diáspora | AlOOH | 2.79 |
2. Parámetros Geotécnicos y de Diseño
Se determinaron los parámetros de resistencia para los materiales involucrados:
| Material | Peso Esp. (t/m³) | Condición Drenada | Condición No Drenada | ||
|---|---|---|---|---|---|
| C' (t/m²) | Φ' (°) | Cu (t/m²) | Φu (°) | ||
| Residuos inertes (limo arenoso) | 1.9 | 0 | 29 | 1.2 | 26.5 |
| Dique de arranque | 2.1 | 0 | 30 | 1.9 | 22.9 |
| Cimentación (Grava limosa con arena) | 2.1 | 0 | 35 | 1 | 27 |
Carga Sísmica de Diseño: Para un período de retorno de 500 años, la aceleración máxima esperada es de 0.26g. Se adoptó un valor conservador de 0.17g para los análisis pseudoestáticos (2/3 del valor máximo).
3. Análisis de Estabilidad de Taludes
Los análisis de estabilidad estática y pseudoestática (Método de Bishop) para la presa de arranque y los terraplenes de residuos inertes arrojaron factores de seguridad (FS) que cumplen ampliamente con los criterios de diseño (FS > 1.0 para pseudoestático).
| Estructura Analizada | Tipo de Análisis | FS (Estático) | FS (Pseudoestático, a=0.17g) |
|---|---|---|---|
| Dique de arranque | Local | 1.579 | 1.809 |
| Terraplén 1 + dique | Local | 1.542 | 1.590 |
| Terraplenes 1,2 + dique | Local | 1.580 | 1.426 |
| Terraplenes 1,2,3 + dique | Local | 1.595 | 1.300 |
| Terraplenes 1,2,3 + dique | Global | 1.790 | 1.280 |
El FS global mínimo bajo condición sísmica es de 1.280, superando el valor mínimo requerido de 1.0, lo que garantiza la estabilidad física de la estructura.
4. Diseño Hidrológico e Impermeabilización
Hidrología: El caudal máximo de diseño para avenidas extraordinarias en el área del depósito (0.70 km²) es de 3.19 m³/s. Se diseñó un canal de coronación para conducir este caudal.
Hidrogeología: El caudal de infiltración de aguas subterráneas hacia el depósito se estimó en 12.5 l/s, para lo cual se diseñó un sistema de subdrenaje adecuado.
Sistema de Impermeabilización: Componente clave del diseño para evitar infiltración y generación de lixiviados:
- Geotextil de Soporte: No tejido, 400 g/m².
- Geomembrana de Barrera: HDPE (Polietileno de Alta Densidad) de 1.5 mm de espesor, formulada para resistir agentes químicos, rayos UV y degradación.
Este sistema encapsulará los relaves, minimizando la infiltración de agua y la consiguiente generación de drenaje ácido.
5. Cobertura Final y Estabilidad Química
Para asegurar el cierre ambiental y la estabilidad química a largo plazo, se diseñó una cobertura multicapa sobre el depósito sellado:
- Capa de Sellado: Grava arcillosa (40% arcilla), 0.40 m de espesor.
- Sustrato: Tierra vegetal (0.20 m) y estiércol de ovino (0.05 m).
- Revegetación: Implantación de especies vegetales nativas de la zona.
Esta cobertura busca minimizar la infiltración de agua meteórica, controlar la erosión e integrar el depósito al paisaje, promoviendo la no generación de drenaje ácido.
Discusión e Interpretación
Validez de la Solución Propuesta
- Enfoque Integral: El diseño aborda de manera holística las tres dimensiones de la estabilidad requerida para un depósito de relaves en cierre: física (análisis de taludes sísmicos), hidrológica (control de escorrentía e infiltración) y química (encapsulamiento con geomembrana y cobertura).
- Factibilidad Técnica: Los factores de seguridad obtenidos (todos > 1.28 incluso bajo sismo severo) demuestran que la presa de arranque y los terraplenes son estructuralmente seguros. El uso de una geomembrana HDPE es una práctica estándar probada para la contención de lixiviados.
- Adaptación al Contexto: El diseño considera las condiciones específicas del sitio: sismicidad de la zona (0.17g de diseño), litología de cimentación (terrazas aluviales competentes), hidrología local y la naturaleza acidogénica de los relaves. La reubicación a un sitio topográficamente favorable y la excavación de vasos permiten un mejor control que el sitio original.
- Cumplimiento Normativo: La solución se alinea con la normativa peruana sobre pasivos ambientales mineros (PAM), al proponer un cierre técnico que mitiga los riesgos de contaminación a perpetuidad.
- Beneficio Ambiental: La remediación propuesta eliminaría la fuente de contaminación actual del río Santa, recuperaría el sitio original de Ticapampa y confinaría los relaves de forma segura en una estructura diseñada y monitoreada, representando un avance significativo en la gestión de PAM en el Perú.
Conclusiones Principales
- Se caracterizó y cuantificó el pasivo ambiental del depósito de relave de Ticapampa, identificando un volumen de 1,043,000.53 m³ de material contaminante con alto potencial de generación de drenaje ácido, que requiere una solución de contención urgente.
- Se diseñó un depósito de relave reubicado e impermeable que incluye una presa de arranque perimetral de 1,160.14 m, dos vasos excavados y un sistema de impermeabilización con geomembrana HDPE de 1.5 mm sobre geotextil, asegurando el encapsulamiento de los relaves.
- Los análisis de estabilidad estática y pseudoestática (aceleración sísmica 0.17g) confirman la seguridad estructural del diseño, con factores de seguridad globales de 1.790 (estático) y 1.280 (pseudoestático), cumpliendo con los estándares internacionales.
- Los estudios hidrológicos e hidrogeológicos permitieron dimensionar adecuadamente las obras de drenaje superficial (canal de coronación para 3.19 m³/s) y subterráneo (subdrenaje para 12.5 l/s), garantizando el control del agua en el depósito.
- El diseño integral garantiza la estabilidad física, hidrológica y química del depósito a largo plazo, incorporando una cobertura final con revegetación para minimizar la infiltración, controlar la erosión e integrar el sitio al paisaje, en línea con los manuales del Ministerio de Energía y Minas del Perú.
- La investigación demuestra la viabilidad técnica de una solución de remediación para un PAM crítico, proporcionando un modelo replicable que combina ingeniería geotécnica, geosintéticos y gestión ambiental, contribuyendo al desarrollo sostenible y a la protección de los recursos hídricos en zonas mineras.
Palabras claves: Pasivo ambiental minero, depósito de relave, Ticapampa, diseño geotécnico, geomembrana HDPE, impermeabilización, análisis de estabilidad de taludes, drenaje ácido de mina, remediación ambiental, cierre de minas, Ancash, río Santa.
Referencia Completa
Escalante Contreras, J. (2023). Diseño de un depósito de relave reubicado frente a un relave contaminado en Ticapampa – Recuay - Ancash. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 26(52), e26106. https://doi.org/10.15381/itgeo.v26i52.26106
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