Técnica Sísmica Pasiva HVSR Horizontal-to-Vertical Spectral 

Aplicación de la técnica para la vigilancia de la integridad de los taludes.

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Construcción de terraplenes.

 

Los terraplenes 

 

Los terraplenes son elementos habituales en las explotaciones mineras, necesarios para el almacenamiento de los residuos, la gestión de las aguas superficiales o las infraestructuras generales como las balsas de desagüe.

Las diferentes metodologías de construcción, desde el material de desecho suelto hasta los terraplenes de ingeniería con niveles de compactación individuales, conseguirán diferentes densidades, resistencias y permeabilidades. 

Los terraplenes, que son losas trapezoidales alargadas hechas por el hombre de material de grava seleccionado compactado y colocado sobre la roca madre, y cuya geometría es registrada con precisión por los topógrafos mediante GPS diferencial, son un caso ideal para la prospección HVSR.

 

La técnica HVSR es un método sísmico pasivo introducido por Nakamura (1989) que mide el ruido sísmico ambiental. El ruido sísmico ambiental, o los microtemblores, son producidos principalmente por el viento y las olas del océano que culminan en lo que se propone como ondas de corte cerca de la superficie (Yamanaka et al, 1994). 

El método HVSR define empíricamente que la interferencia constructiva de las ondas dentro de una capa, amplifican las oscilaciones horizontales con respecto a las verticales y que la relación de los componentes horizontales y verticales producen una frecuencia máxima relacionada con la frecuencia de resonancia de la capa (Ali, 2013, Moro, 2015).

En un modelo terrestre ideal de dos capas; este pico de frecuencia fundamental puede utilizarse para estimar la velocidad de la onda de corte (Vs, en m/s) de la capa superior si ambas capas presentan un contraste de impedancia suficientemente alto (Mucciarelli, 2001, Di Stefano et al, 2014).

Proponemos estimar los terraplenes Vs a partir de mediciones precisas de elevación. La estimación de Vs de los diques a través de la prospección sísmica pasiva HVSR como un sustituto de la rigidez de la construcción es un método práctico, continuo y no invasivo que puede llevarse a cabo en la empresa con una interrupción limitada de la construcción. 

Además, la asequibilidad y el pequeño tamaño del equipo de campo necesario hacen que la prospección HVSR en escenarios de minería activa sea una alternativa económica y eficiente a las prospecciones geofísicas del terreno más convencionales.

Método y Resultados Obtenidos

 

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El estudio de HVSR se llevó a cabo sobre terraplenes construidos con diversas metodologías de construcción, desde material de desecho suelto de residuos vertidos de forma suelta a terraplenes de ingeniería con elevaciones compactadas individualmente, cada una de las cuales lograba un grado diferente de rigidez. 

El nivel más alto de robustez se consigue utilizando la flota de movimiento de tierras civil y siguiendo los principios de ingeniería, donde el relleno seleccionado con un contenido de humedad específico se coloca en capas que suelen ser de 200 metros.

El relleno seleccionado, con un contenido de humedad específico, se coloca en capas de entre 200 y 300 mm de grosor y se compacta individualmente con rodillos hasta alcanzar el porcentaje de compactación requerido. Hasta alcanzar el porcentaje de compactación requerido. 

Los controles de calidad, que implican la supervisión del contenido de humedad y de la densidad de elevación, se llevan a cabo después de de cada capa. Como alternativa rentable, los terraplenes pueden construirse vertiendo material de desecho en capas de entre 1,5 y 2 metros, de entre 1,5 m y 2 m de altura y luego aplanados y compactados por la flota minera

La menor densidad y la mayor permeabilidad resultantes suelen compensarse con el diseño de estructuras más anchas y con una pendiente de bateo más suave. No obstante, estos dos métodos consiguen una mayor densidad de resistencia y menor permeabilidad que el vertido final de material de desecho a alturas superiores a 10 m.

El temblor sísmico ambiental se registró en la parte superior de los terraplenes utilizando un sismómetro portátil de tres componentes. En cada estación, los datos se registraron durante ocho o diez minutos, una vez que se consiguió un buen acoplamiento y nivelación del terreno en una zona libre de escombros o cascotes.

Se colocó una cubierta sobre la unidad para protegerla del viento, y se mantuvo una zona de exclusión de 50 m durante el registro para evitar la interferencia de los movimientos del operador.

La garantía y el control de la calidad de los datos, el procesamiento estándar de HVSR y la selección de la frecuencia de resonancia máxima (f0, en Hz) se llevaron a cabo en un software propio siguiendo un flujo de trabajo similar al descrito en Owers et al (2016). A continuación, se estima la Vs del terraplén estimado siguiendo la ecuación empírica de Nakamura (2000); Vs = 4 * h * f0, donde h es el espesor conocido del terraplén en la ubicación de la estación. 

Un resumen de los resultados promedio de Vs recogidos en 69 estaciones sísmicas pasivas en cinco sitios. La calidad de los datos fue excelente a pesar de encontrarse en una zona minera activa.

Un análisis de los resultados de HVSR sugirió que el tipo de material y el grado de compactación pueden ser los principales parámetros de control en los relaves depositados en el emplazamiento Nº 5, que están compuestos por limo seco y arcilla, y que recibieron la menor cantidad de compactación(depositados por tubería y únicamente dejados sedimentar con el tiempo), devolvieron un Vs significativamente menor que otras estructuras compactadas hechas de material de desecho que contenía principalmente cuarzo, pizarras y rocas ferruginosas.

 El emplazamiento Nº 1, que es el que experimentó la mayor cantidad de compactación durante la construcción, devolvió el valor más alto de Vs. Del mismo modo, aunque los emplazamientos 3 y 4 están hechos del mismo material utilizando metodologías de construcción consistentes, el terraplén más nuevo tiene un Vs significativamente menor que el más antiguo que se utilizó posteriormente como camino de acarreo, que a su vez tiene un Vs ligeramente más alto en el centro que a lo largo de su borde, donde el tráfico de vehículos es menos frecuente.

Además, una repetición de la adquisición en 2017 de los datos de HVSR recogidos en 2015 sobre un terraplén más antiguo construido con flota minera (Sitio # 3) ha devuelto valores promedio de Vs notablemente similares dentro del 1,3% (516 m/s en 2015 y 523 m/s en 2017). Este demuestra la repetitividad del método HVSR, y la posibilidad de monitorear la integridad de los terraplenes en el tiempo.

Conclusiones del estudio

 

  • El método sísmico pasivo HVSR ha demostrado ser una forma rápida, no invasiva y rentable de caracterizar las velocidades de las ondas de corte de las ondas de cizallamiento en los diques mineros. Los datos adquiridos a lo largo de varios tipos de terraplenes demuestran la muy buena correlación entre las velocidades estimadas de las ondas de corte y el grado de compactación de los diques. 

 

  • Tanto la velocidad de onda de corte calculada como los valores de las ondas de corte y de la densidad aparente son coherentes con las mediciones in situ y de laboratorio, una vez que se han tenido en cuenta las limitaciones del tamaño del material.

 

  • Como resultado, las metodologías de construcción alternativas pueden compararse cuantitativamente con un espectro de densidad aparente con terraplenes totalmente diseñados y vertederos de residuos sueltos como miembros finales. 

 

  • La recopilación de mediciones repetidas a lo largo del tiempo también podría discriminar los terraplenes estables de los que se alteran, y constituye una nueva herramienta para identificar posibles zonas de debilidad antes de que se produzca un fallo peligroso. No obstante, para determinar el contenido de humedad y la densidad de los materiales, será necesario llevar a cabo más estudios sobre el terreno, que incluyan pruebas geotécnicas in situ y de laboratorio.

 

  • No obstante, será necesario realizar más estudios in situ y de laboratorio sobre la densidad, el Vs, la PSD y el contenido de humedad para comprobar las correlaciones observadas en este estudio piloto.

En Cotecno no solo realizamos estudios geofísicos, también  nos dedicamos a compartir nuestra experiencia en el campo de la geofísica y geotécnica a través de esta serie de artículos, analizando la aplicación de técnicas o métodos como el sísmico pasivo HVSR, útiles para identificar las condiciones de debilidad o estabilidad y prevenir posibles riesgos.

Siempre orientados a ofrecer soluciones en geofísica, ofrecemos estudios geofísicos de alto nivel que permiten a nuestros aliados y clientes desarrollar exitosos proyectos de ingeniería.

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