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ISSN 2346-4119
Estabilidad de taludes de un relleno sanitario: caso carrapacho, Chiquinquira, Boyacá.
Slope stability of a landfill: case Carrapacho, Chiquinquira, Boyacá.
Alfredo Ramos Moreno*1 José Vicente Gorraiz Barrera**
Resumen
En el área del relleno sanitario Carrapacho se han
realizado algunas investigaciones ambientales,
agrológicas, geológicas y geotécnicas que identifican
y hacen de este un lugar apropiado para evaluar la
estabilidad de taludes de las celdas de disposición
final de los residuos sólidos. Este se ubica en la parte
alta de las veredas de Sasa - Carapacho, por la vía
Chiquinquirá - Tinjacá, luego por una vía destapada
se llega al sitio. Se ha considerado este relleno
sanitario de carácter regional para aplicar la
metodología de estabilidad de taludes, de acuerdo a
la normatividad de la autoridad ambiental regional y
nacional.
La evaluación de la estabilidad de taludes del relleno
sanitario consiste en delinear una superficie de
deslizamiento sobre el perfil del talud, y dividirla en
secciones o rebanadas verticales, para luego calcular
las fuerzas y momentos que actúan sobre cada
sección, computando posteriormente el factor de
seguridad mediante la integración de los siguientes
aspectos: condición sísmica y parámetros resistentes.
Abstract
In the landfill Carrapacho have been some
environmental investigations, agrologic, geological
and geotechnical that identify and make this an
appropriate place to evaluate the slope stability of
the cells of disposal of solid waste. This is at the top
of the villages of Sasa - Carrapacho, by paved road
Chiquinquirá - Tinjacá, then by unpaved road you
come to the site. It has considered this regional
landfill to apply the methodology slope stability,
according to the regulations of the national and
regional environmental authority.
The evaluation of the slope stability of the landfill is
to delineate a sliding surface on the profile of the
slope, and divide it into sections or vertical slices,
then calculate the forces and moments acting on each
section, then computing the safety factor by
integrating the following: seismic condition and
strength parameters.
In this study, the following methods were applied:
parameters and information from a landfill,
* Investigador Grupo Ecosistemas Surcolombianos – Universidad Surcolombiana, Neiva. Docente
Titular. Programa de Ingeniería Ambiental. Universidad de Boyacá. Investigador Grupos de
Investigación en Recursos Hídricos y Gestión Ambiental. Ingeniero Suelos - Aguas. M.Sc.
Hydrology, M.Sc. Hydraulic and Environmental Engineering. Magister Ecología y Ecosistemas
Estratégicos. Doctoral in Degree Hydrology Environmental Engineering. E-mail:
** Docente Asociado. Programa de Ingeniería Sanitaria. Universidad de Boyacá. Grupo de
Investigación en Recursos Hídricos. Ingeniero Sanitario. Especialista en Gestión Ambiental.
Maestrìa en Gestión y Auditoría Ambiental en curso. E-mail: [email protected]
En este estudio se aplicaron las siguientes
metodologías: parámetros e información de un
relleno sanitario, análisis de compresibilidad,
capacidad portante y estabilidad de los taludes por
medio de un factor de seguridad (análisis de sus
parámetros resistentes y su condición mecánica, y la
aplicación del modelo Slope/W).
Los resultados obtenidos en los suelos sobre los que
se funda el relleno sanitario son de granulometría
fina, típicamente arcillas y limos de baja plasticidad
con un porcentaje que varía entre el 31.36% y el
42.18% de arenas, cuyos contenidos están dentro del
rango definido por Terraza (2012) y una
permeabilidad estimada entre 1x10-5 a 1x10-7 cm/s.
El modelo Slope/W estimó factores de seguridad de
1.5302 y 1.5755.
Palabras clave: relleno sanitario, estabilidad de
taludes, factor de seguridad, formación geológica,
modelo Slope/W.
compressibility analysis, bearing capacity and
stability of the slopes by a safety factor (analysis of
strength parameters and mechanical condition, and
the application of model Slope / W).
The results obtained in the soils underlying the
landfill are fine-grained, typically clays and silts of
low plasticity with a percentage that varies between
31.36% and 42.18% sand, the contents are within the
range defined by terrace (2012) and an estimated
permeability of between 1x10-5 to 1x10-7 cm/s. The
model Slope/W estimated safety factors of 1.5302
and 1.5755.
Keywords: landfill, slope stability, safety factor,
geological formation, Slope/W model.
I. INTRODUCCION
Para la elaboración de los estudios de rellenos
sanitarios se ha considerado el Decreto 838 de
2005 y la Resolución 1447 de 2005 del MAVDT y
el Documento Técnico Titulo F Sección II -
Sistema de Aseo Urbano del Reglamento de Agua
Potable y Saneamiento Básico – RAS, donde la
disposición final de residuos sólidos en Colombia
está sujeta al sistema de evaluación de impacto
ambiental y por lo tanto, las instalaciones
destinadas a tratar los residuos sólidos generados
en las ciudades deben cumplir importantes
exigencias técnicas, para proteger al ambiente y
las personas. Debido a estos requerimientos, a la
geotecnia ambiental le corresponde una activa
participación tanto en la etapa de selección del
sitio de disposición final, como en las de diseño,
construcción, operación, clausura y rehabilitación.
La tendencia actual de Colombia, al igual que en
países del tercer mundo y desarrollados, es
construir rellenos sanitarios que presten servicios
públicos domiciliarios, como el caso de los
rellenos sanitarios Doña Juana (Bogotá), Curva de
Rodas (Medellín), Navarro (Cali), Pirgua (Tunja),
entre otros. Estos han optado por alcanzar alturas
importantes, con proyectos de ingeniería y costos
que deben asegurar mínimos impactos sanitarios y
ambientales.
Para el proceso de operación de un relleno
sanitario, se debe garantizar la construcción y
seguridad del mismo, para lo cual se deben
integrar diferentes aspectos geotécnicos como: la
estabilidad de taludes y del suelo de fundación, las
características del material para el recubrimiento
de los residuos, la determinación de la resistencia
del relleno y el análisis de la compresibilidad y
tiempos de la estabilización de las deformaciones
en los rellenos.
En Colombia, los datos y parámetros geotécnicos
que se han utilizado para el diseño de rellenos
sanitarios se han obtenido o estimado,
principalmente, a partir de información generada
en investigaciones y trabajos llevados a cabo en
Alemania, Estados Unidos, México, Brasil, y
Chile, lo que en algunos casos ha obligado a
realizar modificaciones importantes y de alto
costo en el diseño de la ingeniería y las obras de
construcción. Por lo tanto, considerando que los
rellenos sanitarios que se están realizando
actualmente, deben cumplir con altos niveles de
seguridad ambiental y sanitaria, se hace necesario
generar antecedentes representativos de nuestra
realidad, que permitan evaluar las condiciones
geotécnicas de los rellenos sanitarios regionales y
nacionales.
Con este artículo se propone una metodología para
el estudio de la estabilidad de taludes de rellenos
sanitarios, a partir de experiencias en estudios e
investigaciones desarrolladas en los últimos 20
años.
II. MATERIALES Y METODOLOGIA
A. Materiales
La zona de influencia del relleno sanitario
Carrapacho, municipio de Chiquinquirá,
departamento de Boyacá, se determinó con base
en la siguiente información:
- INGEOMINAS. Mapa Geológico
Chiquinquirá, Plancha No. 190, Escala
1:100.000. Bogotá. 2005.
- INGEOMINAS. Mapa Geológico nacional.
Bogotá. 2007.
- Estratigrafía y ambientes de depósito de la
arenisca de Chiquinquirá en los alrededores
de la localidad. Boletín de Geología. Vol. 34,
N° 2, julio-diciembre de 2012. Servicio
Geológico Colombiano. INGEOMINAS.
Bogotá D. C.
- CAR. Mapa geológico regional. 2006. Escala
1:250.000.
- Cuatros (4) excavaciones (apiques) MRC-10,
MRC-20, MRC-30 y MRC-40.
- Ensayos de laboratorio
B. Metodologia
La metodología aplicada permite obtener
parámetros e información de un relleno sanitario,
para analizar su compresibilidad, capacidad
portante y estabilidad de los taludes.
Específicamente, se propone un procedimiento
que evalúa las condiciones de estabilidad por
medio de un factor de seguridad, a partir del
análisis de sus parámetros resistentes y su
condición mecánica, utilizando métodos
geotécnicos tradicionales.
1) Medición de movimientos del relleno.
Los métodos tradicionales registran los
movimientos de puntos ubicados en la superficie
del relleno, a través de mediciones topográficas
que pueden emplear niveles, taquímetros o
estaciones totales. Para el estudio de los
asentamientos a diferentes niveles en el interior
del relleno se han implementado nuevas técnicas
de seguimiento de los asentamientos,
incorporando distintos dispositivos. Un estudio
realizado en cinco rellenos sanitarios franceses
puso a prueba la eficacia de distintos dispositivos
utilizados en el monitoreo de los asentamientos
(Gourc et al., 2001). La principal ventaja de estos
métodos es que permite la medición de
asentamientos en el interior del relleno. Para el
estudio de los movimientos horizontales de los
taludes en rellenos sanitario se aplican
normalmente técnicas de medición topográfica
basadas en triangulaciones precisas, siguiendo el
desplazamiento de puntos ubicados a diferentes
alturas sobre el talud.
2) Densidad de los residuos.
Es importante conocer la densidad de los residuos
y su variabilidad debido a la evolución de las
propiedades resistentes en el tiempo. Las
dificultades para evaluarla son:
- Separación de los residuos por la capa de
cobertura diaria.
- Dificultad para calcular los cambios de
densidad con el tiempo y la profundidad.
La mayoría de los valores publicados
corresponden a residuos cercanos o en la
superficie.
- Determinación del contenido de humedad
de los residuos sólidos urbanos (RSU).
Singh y Murphy (1990), Landva y Clark (1990),
Siegel et al. (1990), Kavazanjian et al. (1995), y
Fassett et al. (1994) sitúan los valores de densidad
de los residuos en un rango entre 0.30 a 1.5 t/m³.
Se puede asumir que los valores bajos
corresponden a relleno con deficiente o nula
compactación de los residuos. Los valores altos se
pueden asignar a residuos antiguos bajo
sobrecargas relativamente altas o rellenos
modernos. Fassett et al. (1994) en un intento por
aclarar los factores que afectan a la densidad, han
ordenado la información de acuerdo con la energía
de compactación, contenido de humedad, edad y
profundidad del relleno.
3) Estabilidad de taludes.
Los análisis de estabilidad del relleno sanitario
Carrapacho, dependen de la información obtenida
relativa a las deformaciones, parámetros
resistentes, presión intersticial, densidad,
geometría, tipo de residuos, método de
disposición, sistema de drenaje de biogás y
lixiviados, entre otros datos relevantes. Es
importante conocer la densidad de los residuos y
su variación en función de la evolución de las
propiedades resistentes. Singh y Murphy (1990) y
Fassett et al (1994), sitúan los valores de densidad
de los residuos en un rango entre 0.30 a 1.50 t/m3.
Diversos autores emplean estos valores para
estimar la capacidad de rellenos y estudios de
estabilidad y se puede asumir que los valores
bajos corresponden a rellenos con deficiente
(compactación nula) y los valores altos se pueden
asignar a residuos antiguos bajo sobrecargas
relativamente altas (rellenos modernos). Fassett et
al (1994), en un intento por aclarar los factores
que afectan a la densidad, han ordenado la
información de acuerdo con la energía de
compactación, contenido de humedad, edad y
profundidad del relleno. La energía de
compactación se ha separado en tres grupos:
- Mala compactación (vinculada a poca ó
ningún tipo de compactación)
- Compactación moderada (vinculada a
rellenos antiguos)
- Buena Compactación (representa las
prácticas usuales)
La estabilidad de taludes se ha calculado mediante
un análisis de tipo equilibrio límite, utilizando el
modelo computacional SLOPE/W. Este software
realiza análisis del tipo pseudoestático
bidimensional, permitiendo calcular el factor de
seguridad resultante mediante los métodos de
Bishop Modificado, Spencer, entre otros. El
análisis considera, en primer lugar, que la
plataforma se comporta como un suelo y que tiene
características similares. También se asume que el
comportamiento del material obedece al criterio
de Mohr‐Coulomb.
El modelo SLOPE/W utiliza la teoría de equilibrio
límite de fuerzas y momentos para calcular el
factor de seguridad del talud. El factor de
seguridad se define como el factor por el cual la
resistencia al corte del suelo debe ser reducida
para llevar a la masa del suelo a un estado de
equilibrio límite a lo largo de una superficie de
deslizamiento específica.
El análisis de estabilidad consiste en delinear una
superficie de deslizamiento sobre el perfil del
talud, y dividirla en secciones o rebanadas
verticales, para luego calcular las fuerzas y
momentos que actúan sobre cada sección,
computando posteriormente el factor de seguridad
mediante la integración de los siguientes aspectos:
- Condición sísmica. El análisis considera
los casos estático y sísmico. El caso estático
permite evaluar las condiciones actuales de
estabilidad, mientras el caso sísmico considera
para el cálculo un coeficiente de aceleración
sísmica para simular el efecto de un terremoto.
Para el análisis sísmico el modelo utiliza el
método pseudo‐estático, el cual asume un
coeficiente sísmico a modo de sobrecarga
horizontal de 0.40.
- Parámetros resistentes. A partir de los
resultados de laboratorio y a datos obtenidos de un
análisis de la literatura especializada en cuanto a
las propiedades geotécnicas de suelos, se resumen
los valores empleados en el modelo:
Cohesión (C) = 0.28 Estrato Arena-Limo
Angulo de fricción (Φ) = 25 - 35° Estrato
Arena-Limo
Wiemer (1982), Kavazanjian et al. (1995) y König
& Jessberger (1997), afirman que el peso
específico de los residuos sólidos urbanos (RSU)
tienden a aumentar con la profundidad en los
vertederos (rellenos sanitarios) más antiguos,
aunque los incrementos dejan de ser significativos
a una determinada profundidad. Esta afirmación
se basa en la bioconsolidación de los RSU y en la
comprensión debida a la sobrecarga impuesta por
las capas superiores.
Grisolia & Napoleoni (1995) presenta variaciones
de los parámetros de resistencia de los RSU en
función de los niveles de deformaciones axiales.
Inicialmente predomina el efecto de fricción en el
comportamiento resistente del material.
III. RESULTADOS
A. Ubicación Geográfica
El municipio de Chiquinquirá ha realizado su
disposición de sus residuos sólidos en el relleno
sanitario Carrapacho ubicado en la parte alta de
las veredas de Sasa y Carapacho. Este se localiza a
una distancia de 8,5 km por la vía pavimentada
Chiquinquirá - Tinjacá, de allí se desprende una
vía destapada en un recorrido de 4,2 km hasta la
portería del relleno sanitario. El área total del
predio es de 26,36 ha, de las cuales se han
utilizado aproximadamente 3382.5 m² (3,38 ha), el
área restante se debe de proteger debido a sus
zonas boscosas y los cuerpos de agua existentes
en el predio.
B. Geologia
Terraza y Tchegliakova (2005) afirman que la
unidad litoestratigráfica Arenisca de Chiquinquirá
aparecen cinco segmentos con carácter litológico
contrastante, de base a techo denominados
informalmente como A, B, C, D y E, de los cuales
los segmentos A, C y E son arenosos o con alta
proporción de arenitas (contenido de arenitas entre
34 y 66%) y los segmentos B y D son lutíticos
(contenido de lutitas > 90%). Los segmentos
considerados como arenosos o con alta proporción
de arenitas como los segmentos A, C y E
representan fondos marinos someros progradantes
(con alto suministro de sedimentos donde las
facies arenosas costeras avanzaban sobre las
facies arcillosas de costa afuera), en los cuales se
desarrollaron extensas planicies intermareales
arenosas hasta mixtas (areno-lodosas), con lapsos
de exposición subaérea y barras arenosas en los
fondos submareales. Los segmentos B y D
considerados litológicamente como lutíticos,
representan esencialmente fondos marinos de
costa afuera con acumulaciones arenosas o
“mixtas” producto de las tormentas.
Según el estudio geológico actualizado por
Terraza (2012), el espesor mínimo de la
Formación Arenisca de Chiquinquirá es de 780 m.
Los segmentos A y B representan el Albiano
superior y los segmentos C, D y E el
Cenomaniano. En el Cenomaniano temprano hubo
subsidencia tectónica diferencial posiblemente
relacionada a fallamiento normal (NW-SE)
concomitante con la sedimentación. La Formación
Arenisca de Chiquinquirá ha sido reconocida y
cartografiada por INGEOMINAS en cinco
planchas geológicas a escala 1:100.000: -151:
Pulido, 1979, 1980; -170: Ulloa y Rodríguez,
1978a, 1979; -189: Rodríguez y Ulloa, 1984,
1994; -190: Ulloa y Rodríguez, 1978b, 1979,
1991; -208: Ulloa et al., 1998, Ulloa y Acosta
1993, las cuales abarcan sectores de los
departamentos de Cundinamarca, Boyacá y
Santander (Tabla 1 y Figura 1). Los afloramientos
de esta unidad se localizan hacia la región central
de la Cordillera Oriental de Colombia, en una
franja con sentido SW-NE de aproximadamente
150 km de longitud por 70 km de ancho, que se
extiende desde la represa de Neusa
(Cundinamarca), al sur, hasta más allá de la
población de Guepsa (Santander), al norte.
Tabla 1. Cuadro comparativo que muestra las edades asignadas a la Arenisca de Chiquinquirá por distintos
autores (Tomado de Terraza, 2012).
Basado en lo anterior, el relleno sanitario
Carrapacho se encuentra ubicado en la zona de
influencia de la Formación de Areniscas de
Chiquinquirá. Esta zona se encuentra fuertemente
plegada y afectada por fallas inversas o de
cabalgamiento; estas estructuras se orientan
predominantemente en sentido SW-NE.
Figura 1. Marco geológico regional para la
Formación Arenisca de Chiquinquirá (Tomado de
Terraza, 2012).
Para la definición perfil estratigráfico se realizaron
cuatro (4) apiques en suelo en los cortes de las
excavaciones realizadas para las celdas existentes
y del antiguo relleno, como los perimetrales al
relleno, con profundidad promedio de 3 metros
(Figura 2). Al confrontarlo con el estudio de
geología (estratigrafía) se identifica la Formación
Arenisca de Chiquinquirá (Kichi) ubicada en las
coordenadas X=1038369 Y=1114023 (5°37,63´N
73° 43,926´W) (Figura 3).
Figura 2. Sitios de muestreos (apiques) en el
relleno sanitario Carrapacho
Figura 3 Detalle de la Formación Arenisca de
Chiquinquirá
En toda la zona aledaña al relleno no se registró la
presencia de coluviones o materiales transportados
diferentes al material residual reseñado. Por esta
razón, en la zona se presenta un perfil de
meteorización en el que las propiedades mejoran
gradativamente con la profundidad, es decir,
debajo del suelo residual se llega a la roca. De los
apiques se extraen muestras alteradas e inalteradas
para los ensayos de caracterización y resistencia al
esfuerzo cortante y realizar los análisis de
estabilidad y capacidad portante del terreno.
C. Ensayos De Laboratorio
Para la caracterización del material y la obtención
de las propiedades de resistencia al corte se tuvo
en cuenta el estudio geológico actualizado por
Terraza (2012) donde se realizaron tres (3)
ensayos de granulometria por tamizado (mallas),
seis (6) límites de Atterberg, seis (6) condiciones
de humedad natural y un (1) ensayo de
compresión simple, los cuales se describen en la
tabla 2.
Tabla 2 Caracterización del material de la Formación Areniscas de Chiquinquirá
Sondeos Muestra Profundidad
Descripción Wh Clasificación
USC LL LP ɣ qu Arena Finos
(m) (%) (%) (%) t/m³ t/m² (%) (%)
MRC - 20
1 0.75 Ar Gris clara 3.87 1.62 78.64
2 1.10 Ar - A Amarilla 30.82
3 1.90 Ar - A Amarilla 17.83 CL 33.74 11.15 33.2 76.8
MRC - 40 3 2.10 Ar - A Amarilla 8.58 CL - ML 28.84 6.43 31.36 68.64
MRC - 10 4 3.05 Ar - A Amarilla 65.74 ML 37.62 11.85 42.18 57.82
MRC - 30 3 2.05 Ar - A Amarilla 9.55 CL 31.12 9.08
De las muestras de suelo extraídas se concluye
que los suelos sobre los que se funda el relleno
sanitario de Carrapacho son de granulometría fina,
típicamente arcillas y limos de baja plasticidad
con un porcentaje que varía entre el 31.36% y el
42.18% de arenas, cuyos contenidos están dentro
del rango definido por Terraza (2012). De
acuerdo con la granulometría encontrada el suelo
tiene una permeabilidad estimada entre 1x10-5 a
1x10-7 cm/s catalogado como muy poco
permeable según la clasificación propuesta por
Terzaghi y Peck (1948, 1967).
D. Analisis de estabilidad de los taludes
Para el análisis de estabilidad de los taludes en los
rellenos sanitarios, Quian et al. (2002) sugieren un
factor de seguridad (FS) mínimo de 1,5 para el
análisis de estabilidad. Shafer et al. (2003)
sugieren un factor de seguridad para roturas,
basado en la interface crítica del sello, en rangos
de 1,4 suponiendo gran deformación, interface
residual y resistencia de los residuos, a 1,5
suponiendo interface peak y resistencia de los
residuos. Para rotura dentro de los residuos se
considera un FS de 1,5 como condición final
mínima aceptable.
Para condición transitoria, normalmente son
empleadas resistencias interface peak. Los FS para
condiciones transitorias normalmente varían entre
1,2 a 1,3 que son los rangos de valores
referenciales empleados en cálculos de estabilidad
realizados en rellenos sanitarios de Latinoamérica.
Se consideraron los factores de seguridad para el
análisis de tensiones en el plano teniendo como
refernte el Factos de Seguridad (FS) del
Reglamento de Agua Potable y Saneamiento
Básico (RAS) y las experiencia de los ensayos
realizados en el relleno sanitario de Doña Juana
(Bogotá) con F.S. de 1.2 a 1.5 (González y
Espinosa, 2000, 2001a y 2001b).
Para la operación del relleno sanitario de
Carrapacho se dividió el llenado en tres ciclos: El
ciclo I de llenado de las antiguas
administraciones, el ciclo II corresponde al
llenado que se adelanta actualmente sobre la
extensa planicie dejada por operadores anteriores
del relleno y en la zona donde actualmente se
extrae el material de cobertura y el ciclo III que
corresponde al llenado sobre las piscinas cubiertas
con geomembrana localizadas en la zona
occidental. La geometría se definió con base en la topografía
correspondiente a las geometrías definitivas
entregadas por el operador actual del relleno
sanitario la empresa SAMA, tomándose para el
análisis la sección máxima central del relleno
sanitario para los ciclos I y II y una sección
independiente para el ciclo III. El espesor de
residuos sólidos se infirió con base en la
geomorfología del sitio, los planos suministrados
y por la información de los trabajadores antiguos
del relleno, debido a que no se cuenta con la
topografía inicial. Se consideraron espesores de
residuos sólidos de máximo 20 m en la zona
central.
Los resultados del modelo Slope/W para caso
estático y dinámico (sísmico) se presentan en las
figuras 3, 4 y 5, donde se considero un ancho de
240 m, radios de 83.5 y 81.0 m y y una altura de
10 y 20 m con factores de seguridad o de Bishop
calculados de 1.5302 y 1.5755 (tablas 10 y 11).
Los ciclos de operación del relleno se detallan a
continuación:
Operación del relleno - Ciclo I.
Con la topografía entregada por
Empochiquinquirá y teniendo en cuenta las
condiciones descritas se realizó el análisis de
estabilidad para el Ciclo I, que es la zona de
llenado de los antiguos operadores del relleno
sanitario. En la figura 4 se muestra que el factor
de seguridad obtenido para el análisis del caso
estático, con una relación de Ru=0,5, y una falla
por los residuos sólidos es de 4,0, valor que es
superior a 1,5 que es el mínimo considerado para
estos casos.
Figura 4 Modelo Mohr - Coulomb – Caso
estático en el ciclo I
Operación del relleno - Ciclo I. Este ciclo, es considerado por EmpoChiquinquirá
como la colocación de residuos en la planicie
dejada por los antiguos operadores del relleno y
llenado de la actual zona de extracción de material
de cobertura con residuos sólidos en un espesor
que no supera los 10 m.
En caso de un sismo con las condiciones del ciclo
I (figura 5), se consideran juntas con un Ru=0,5 en
los residuos sólidos y el sismo obtiene un Factor
de Seguridad de 1,47, valor mayor que 1,1 que es
el mínimo considerado para estos casos.
Para el ciclo II se considera la carga debida al
sismo y las condiciones de relación de presión de
poros (Ru) es de 0,5 se encuentra que el Factor de
seguridad es de 2,0 (figura 5), valor que también
es superior al mínimo recomendado (FS>1,1).
Figura 5.Modelo Mohr - Coulomb – Caso dinámico en los ciclos I y II.
Operación del relleno - Ciclo III.
Este ciclo corresponde a la zona ubicada al
occidente del relleno, donde actualmente se
encuentran unas piscinas para el tratamiento de
lixiviados. Para efectos del análisis de estabilidad
esta zona se analiza independiente de las dos
anteriores, por la zona más crítica. El diseño del
relleno prevé que las piscinas sean llenadas con
residuos y se configura una celda independiente.
Para condiciones estáticas y considerando un
Ru=0,5 se encuentra que el Factor de seguridad
mínimo en la parte central del ciclo II es de 4,1
(figura 6), valor que es mayor al indicado para
este tipo de materiales (FS>1,5). Si se considera la
carga debida a sismo y las condiciones de relación
de presión de poros de 0,5 se encuentra que el
Factor de seguridad es de 2,0 (figura 6), valor que
también es superior al mínimo recomendado
(FS>1,1).
Figura 6 Modelo Mohr - Coulomb – Caso estático y sísmico en el ciclo III.
1) Parámetros resistentes
Los valores de los parámetros resistentes
adoptados de las investigaciones realizadas por
Kölsch (1993), para realizar los análisis de
estabilidad de la geometría proyectada se detallan
en las tablas 3 y 4., para el relleno sanitario
Carrapacho se consideraron los mismos
parámetros.
Tabla 3. Parámetros empleados para el análisis de
estabilidad para la condición de basura fresca
Estrato Densidad
(ɣ) t/m³
Cohesión
(C) t/m²
Angulo
de
fricción
(ɸ)
Residuos
compactados 1.0 1.5 35.0
Sello basal 1.8 0.0 16.0
Residuos
compactados 2.1 10.0 40.0
Tabla 4 .Parámetros empleados para el análisis de
estabilidad para la condición de basura
descompuesta
Estrato Densidad
(ɣ) t/m³
Cohesión
(C) t/m²
Angulo
de
fricción
(ɸ)
Residuos
compactados 1.0 1.8 22.0
Sello basal 1.8 0.0 16.0
Residuos
compactados 2.1 10.0 40.0
De los resultados de análisis de estabilidad
obtenidos correspondiente a los perfiles
analizados de la geometría proyectada bajo
condiciones sísmicas (dinámicas), se puede
concluir que considerando el efecto de las “fibras
de cohesión” se debe realizar un abatimiento
mínimo del nivel piezométrico de 25 m bajo la
superficie proyectada del relleno sanitario de
Carrapacho, para alcanzar las condiciones de
estabilidad cercanas a la unidad, empleando los
parámetros resistentes de “basura fresca”,
parámetros que representarían bajo este escenario,
la situación actual del relleno.
2) Estabilidad de taludes de la geometría
proyectada.
El cálculo de la estabilidad de taludes se realiza
mediante un análisis de equilibrio límite
bidimensional de Bishop Modificado y para
situaciones estimadas como conservadoras.
Seguidamente se presentan los resultados de los
análisis de estabilidad obtenidos a partir de los dos
escenarios planteados, considerando en todos ellos
la configuración geométrica final del relleno:
Análisis de Estabilidad Sísmica a partir del
primer escenario.
Para este escenario se consideró un
comportamiento de la masa de residuos puramente
friccional y total ausencia de presiones de poros
producidas por la generación de biogás y líquidos
lixiviados. Además, el análisis efectuado fue
realizado considerando falla por talud infinito. Los
parámetros resistentes finales, que controlan la
estabilidad del relleno sanitario (disposición final
en la celda), se presentan en la tabla 5, los cuales
se ajustan a los dados por Palma (1995) para el
diseño y operación del relleno donde el ángulo de
fricción varía 16 a 25° y la cohesión entre 2 y 15
t/m2.
Tabla 5. Parámetros resistentes del relleno
sanitario Carrapacho
Estrato Densidad
(ɣ) t/m³
Cohesión
(C) t/m²
Angulo
de
fricción
(ɸ)
Residuos
compactados 1.0 1.8 20.0
Debido a la situación conservadora del relleno
sanitario (parámetros resistentes) de los valores
adoptados en este escenario, lo cual corresponde a
la sección principal de los residuos compactados,
presenta espesores de 15 m en promedio y una
condición más estable desde el punto de vista
geométrico.
En las tablas 6 (método de Bishop modificado FS
= 1.5755) y 7 (método del talud infinito FS =
1.5302), se presentan los cálculos de FS obtenidos
bajo condiciones sísmicas. Para este caso se aplicó
Bishop (1955) que utiliza secciones (rebanadas o
dovelas) y tiene en cuenta el efecto de las fuerzas
entre estas. Bishop asume que las fuerzas entre
secciones son horizontales es decir, que no tiene
en cuenta las fuerzas de corte. La solución
rigurosa de Bishop es muy compleja y por esta
razón, se utiliza una versión simplificada de su
método, de acuerdo con la expresión:
Donde:
W =Peso de cada sección vertical (dovela o
rebanada)
c’, φ´= Parámetros de resistencia del suelo.
u =Presión de poros en la base de cada sección = γ
w x h w
α = Angulo del radio y la vertical en cada sección.
Tabla 6 .Factor de seguridad (método Bishop modificado)
Tipo de
Faja
XBAR b c
YTAL YW
YCIRC
Wa
Wb u F
c.b+(Wa+Wb-
u.b)tg() (Wa+Wb)sen(
) Suelo No m o m o
kP
a m m m kN kN
kP
a
(1+(tg().tg()/F))co
s.
1 0.85 0.581
2 1.694
1 22
0.0 0.19
0.00 0.00
1.0
0.0
0.0
1.82979 0.4 0.0
2 2.54 1.744 1.694
1 22
0.0 0.56
0.00 0.03
1.0
0.0
0.0
ITER
AR
CO
N E
L V
ALO
R D
E "
F"
HASTA U
N E
RR
OR <
0,0
05
0.4
0.0
3 4.24 2.907
4 1.694
1 22
0.0 0.94
0.00 0.09
1.0
0.0
0.0
0.4
0.1
4 5.93 4.072
1 1.694
1 22
0.0 1.32
0.00 0.18
1.0
0.0
0.0
0.4
0.1
5 7.62 5.238
4 1.694
1 22
0.0 1.69
0.00 0.29
1.0
0.0
0.0
0.4
0.1
6 9.32 6.406
9 1.694
1 22
0.0 2.07
0.00 0.44
1.0
0.0
0.0
0.4
0.1
7 11.0
1 7.578
1 1.694
1 22
0.0 2.45
0.00 0.61
1.0
0.0
0.0
0.4
0.1
8 12.7
1 8.752
5 1.694
1 22
0.0 2.82
0.00 0.81
1.0
0.0
0.0
0.4
0.2
9 14.4
0 9.930
6 1.694
1 22
0.0 3.20
0.00 1.04
1.0
0.0
0.0
0.4
0.2
10 16.0
9 11.11
3 1.694
1 22
0.0 3.58
0.00 1.30
1.0
0.0
0.0
0.4
0.2
11 17.7
9 12.3 1.694
1 22
0.0 3.95
0.00 1.59
1.0
0.0
0.0
0.4
0.2
12 19.4
8 13.49
3 1.694
1 22
0.0 4.33
0.00 1.92
1.0
0.0
0.0
0.4
0.2
13 21.1
8 14.69
1 1.694
1 22
0.0 4.71
0.00 2.27
1.0
0.0
0.0
0.4
0.3
14 22.8
7 15.89
6 1.694
1 22
0.0 5.08
0.00 2.65
1.0
0.0
0.0
0.4
0.3
15 24.5
6 17.10
9 1.694
1 22
0.0 5.46
0.00 3.06
1.0
0.0
0.0
0.4
0.3
16 26.2
6 18.32
9 1.694
1 22
0.0 5.84
0.00 3.51
1.0
0.0
0.0
0.4
0.3
17 27.9
5 19.55
8 1.694
1 22
0.0 6.21
0.00 3.99
1.0
0.0
0.0
0.4
0.3
18 29.6
5 20.79
7 1.694
1 22
0.0 6.59
0.00 4.50
1.0
0.0
0.0
0.4
0.4
19 31.3
4 22.04
6 1.694
1 22
0.0 6.96
0.00 5.04
1.0
0.0
0.0
0.4
0.4
20 33.0 23.30 1.694 2 0. 7.34 0.0 5.61 1. 0. 0. 0.4 0.4
4 5 1 2 0 0 0 0 0
21 34.7
3 24.57
7 1.694
1 22
0.0 7.72
0.00 6.22
1.0
0.0
0.0
0.4
0.4
22 36.4
2 25.86
2 1.694
1 22
0.0 8.09
0.00 6.87
1.0
0.0
0.0
0.4
0.4
23 38.1
2 27.16
1 1.694
1 22
0.0 8.47
0.00 7.55
1.0
0.0
0.0
0.4
0.5
24 39.8
1 28.47
6 1.694
1 22
0.0 8.85
0.00 8.27
1.0
0.0
0.0
0.4
0.5
25 41.5
1 29.80
7 1.694
1 22
0.0 9.22
0.00 9.02
1.0
0.0
0.0
0.4
0.5
CALCULO DE LA SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO DEL TALUD:
1.5755 10 6
Tabla 7. Factor de seguridad (método de talud infinito)
Tipo de
Faja
XBAR b c
YTAL YW
YCIRC
Wa
Wb u F c.b+(Wa+Wb-u.b)tg() (Wa+Wb)sen(
) Suelo No m o m o
kP
a m m m kN kN
kP
a
(1+(tg().tg()/F))cos.
1 0.85 0.599
2 1.694
1 22 0.0 0.10
0.00 0.00 1.0 0.0 0.0
1.82979 0.4 0.0
2 2.54 1.797
8 1.694
1 22 0.0 0.31
0.00 0.03 1.0 0.0 0.0
ITERAR C
ON
EL V
ALO
R D
E "
F"
HASTA U
N E
RRO
R <
0,0
05
0.4
0.0
3 4.24 2.997
2 1.694
1 22 0.0 0.52
0.00 0.09 1.0 0.0 0.0
0.4
0.1
4 5.93 4.198 1.694
1 22 0.0 0.73
0.00 0.18 1.0 0.0 0.0
0.4
0.1
5 7.62 5.400
5 1.694
1 22 0.0 0.94
0.00 0.29 1.0 0.0 0.0
0.4
0.1
6 9.32 6.605
5 1.694
1 22 0.0 1.15
0.00 0.44 1.0 0.0 0.0
0.4
0.1
7 11.01 7.813
4 1.694
1 22 0.0 1.36
0.00 0.61 1.0 0.0 0.0
0.4
0.1
8 12.71 9.024
8 1.694
1 22 0.0 1.57
0.00 0.81 1.0 0.0 0.0
0.4
0.2
9 14.40 10.24 1.694
1 22 0.0 1.78
0.00 1.04 1.0 0.0 0.0
0.4
0.2
10 16.09 11.46
1 1.694
1 22 0.0 1.99
0.00 1.30 1.0 0.0 0.0
0.4
0.2
11 17.79 12.68
6 1.694
1 22 0.0 2.20
0.00 1.59 1.0 0.0 0.0
0.4
0.2
12 19.48 13.91
7 1.694
1 22 0.0 2.41
0.00 1.92 1.0 0.0 0.0
0.4
0.2
13 21.18 15.15
5 1.694
1 22 0.0 2.61
0.00 2.27 1.0 0.0 0.0
0.4
0.3
14 22.87 16.40
1 1.694
1 22 0.0 2.82
0.00 2.65 1.0 0.0 0.0
0.4
0.3
15 24.56 17.65
4 1.694
1 22 0.0 3.03
0.00 3.06 1.0 0.0 0.0
0.4
0.3
16 26.26 18.91
6 1.694
1 22 0.0 3.24
0.00 3.51 1.0 0.0 0.0
0.4
0.3
17 27.95 20.18
8 1.694
1 22 0.0 3.45
0.00 3.99 1.0 0.0 0.0
0.4
0.3
18 29.65 21.47 1.694
1 22 0.0 3.66
0.00 4.50 1.0 0.0 0.0
0.4
0.4
19 31.34 22.76
3 1.694
1 22 0.0 3.87
0.00 5.04 1.0 0.0 0.0
0.4
0.4
20 33.04 24.06
9 1.694
1 22 0.0 4.08
0.00 5.61 1.0 0.0 0.0
0.4
0.4
21 34.73 25.38
9 1.694
1 22 0.0 4.29
0.00 6.22 1.0 0.0 0.0
0.4
0.4
22 36.42 26.72
3 1.694
1 22 0.0 4.50
0.00 6.87 1.0 0.0 0.0
0.4
0.4
23 38.12 28.07
2 1.694
1 22 0.0 4.71
0.00 7.55 1.0 0.0 0.0
0.4
0.5
24 39.81 29.43
9 1.694
1 22 0.0 4.92
0.00 8.27 1.0 0.0 0.0
0.4
0.5
25 41.51 30.82
5 1.694
1 22 0.0 5.12
0.00 9.02 1.0 0.0 0.0
0.4
0.5
CALCULO DE LA SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO DEL TALUD:
1.5302 10 7
IV. CONCLUSIONES
Se ha presentado una metodología que permite
evaluar la estabilidad mecánica en rellenos
sanitarios regionales en las etapas de diseño,
operación y cierre. El procedimiento propuesto
evalúa las condiciones de estabilidad de un relleno
sanitario, a partir del análisis de los parámetros
resistentes y su condición mecánica, utilizando
métodos geotécnicos tradicionales.
El relleno sanitario Carrapacho se encuentra
ubicado sobre la Formación Areniscas de
Chiquinquirá, que presenta un gran espesor de
suelos residuales consistente en arenas limosas de
color amarillo, con intercalaciones de materiales
arcillosos de color blanco. La composición
mineralógica de las arenitas indica aporte de
sedimentos a partir de varios posibles tipos de
rocas félsicas intrusivas y volcánicas, así como
también de varias clases de rocas metamórficas y
de rocas sedimentarias siliciclásticas pero en
mucha menor proporción, de acuerdo a lo
observado en las secciones delgadas.
De las muestras de suelo extraídas se concluye
que los suelos sobre los que se funda el relleno
sanitario de Carrapacho son de granulometría fina,
típicamente arcillas y limos de baja plasticidad
con un porcentaje que varía entre el 31.36% y el
42.18% de arenas, cuyos contenidos están dentro
del rango definido por Terraza (2012). De
acuerdo con la granulometría encontrada el suelo
tiene una permeabilidad estimada entre 1x10-5 a
1x10-7 cm/s catalogado como muy poco
permeable según la clasificación propuesta por
Terzaghi y Peck.
Para el apique MRC-20 se realizaron ensayos de
humedad a diferentes profundidades
encontrándose que el contenido de humedad
decrece con la profundidad, lo que es de esperarse
debido a que los primeros metros se encuentran en
el frente de saturación debido a las variaciones
climáticas y el nivel freático esta profundo (no fue
detectado en ninguno de los apiques). El ensayo
de compresión simple se realizó para una muestra
arcillosa, seca, que estaba a 0,75 m de
profundidad del apique MRC-20, pero como en
esta zona se efectúan cortes para tomar material de
cubrimiento de residuos, originalmente la muestra
de suelos se encontraba ubicada a 5.85 m de
profundidad. El resultado del ensayo Cu=78,64
t/m² define la muestra como una arcilla dura, apta
para la fundación de estructuras, y en este caso
para el relleno sanitario.
El análisis de estabilidad se utilizó el programa
Slope/W que obtiene el factor de seguridad
mediante la técnica del equilibrio límite
empleando la teoría de Spencer que satisface el
equilibrio de fuerzas y momentos. Para el análisis
se consideró la hipótesis de que la relación de
presión de poros alcanza valores de 0,5 (hipótesis
que involucra la existencia de mecanismos de
drenaje de lixiviados y venteo de gases y el efecto
de la recirculación) y que la fuerza debida a sismo
corresponde a la zona de amenaza sísmica
intermedia.
Se analizaron las geometrías correspondientes a
los Ciclos I, II y III (operación de la celda del
relleno sanitario) de acuerdo con la topografía. En
todos los casos se obtuvo un factor de seguridad
satisfactorio mayor a 1.5. Se consideran
adecuados los taludes 3H:1V y 2,5H:1V que se
vienen empleando en la zona de disposición
actual, no se recomienda cargar la zona baja,
donde se dispuso anteriormente y donde se
observan taludes más inclinados que el descrito
como seguro.
Para el análisis se consideró un valor de la presión
de poros (Ru) de 0,5, esta suposición debe ser
verificada mediante la instalación de piezómetros
que permitan determinar su valor exacto. De
cualquier manera, dadas las condiciones de
pluviosidad (pluviosidad baja) y la red de filtros y
chimeneas colocada se espera que ese valor sea
bajo. La instalación de los piezómetros también
permitirá evaluar el efecto de la recirculación de
lixiviados en la presión de poros de la masa de
residuos sólidos.
El material de la zona se considera impermeable,
se debe tener cuidado al colocar la capa de
cobertura diaria debido a que puede generar zonas
como bolsas aisladas en los que no pueden
escapar los gases ni drenarse los lixiviados. Para
evitar esta situación las chimeneas deben estar
conectadas con el sistema de filtros en la base y
siempre debe haber material filtrante entre las
capas de suelo.
Se debe evaluar permanentemente la geometría y
movimiento de los taludes del relleno sanitario,
con el propósito de evaluar el cumplimiento de
dicha geometría con el diseño original o
reformulado. Para ello es necesario contar con una
zona segura en el relleno sanitario para la
ubicación de los puntos de control de
asentamientos, para que así no sufra alteraciones
producto del paso de la maquinaria y que pudiese
perjudicar la posición de éstos.
El espesor del material de cobertura, no debería
sobrepasar capas de 15 a 30 cm de espesor,
procurando utilizar materiales de permeabilidad
alta. En el caso que sea necesario aplicar una
cobertura de espesor mayor, en áreas de abandono
temporal, se deberá recuperar el espesor de diseño
de cobertura diaria no mayor a 30 cm antes de
construir una celda adyacente o superior.
Se debe contar con medidas de monitoreo y
control periódico, entre las que se destacan:
sistemas de medidas de deformaciones tales como
redes de inclinómetros y/o seguimiento de los
datos aportados por redes topográficas;
seguimiento en los piezómetros instalados y
análisis de los sistemas de control entre los
lixiviados producidos y recolectados, que
permitan determinar la acumulación de líquido en
el relleno; implementación de elementos de
medida de presión de gases dentro del relleno,
considerando como fuentes las chimeneas de
ventilación pasiva; sistema de extracción forzada;
superficies de cobertura; tuberías basales
colectoras de lixiviado; y superficies de
acumulación de lixiviados. La obtención de una
base de datos con suficiente información
permitiría modelar, predecir y optimizar la
producción de biogás.
AGRADECIMIENTOS
Empresa prestadora servicios públicos de
Chiquinquirá. EMPOCHIQUINQUIRA.
Alcaldía de Chiquinquirá, Boyacá.
Corporación Autónoma Regional de
Cundinamarca. CAR. Sede Chiquinquirá.
INGEOMINAS. Servicio Geológico Colombiano.
Bogotá D.C.
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