Análisis de Estabilidad de Taludes: Caso Cantera “Chapalita”

Por: M.C. Ricardo Marín Herrera¹, Dr. Martín Caudillo G, M. A. Victor Quezada A.,M.C. Federico Vogel G., M.C. Juan José Martínez Reyes

Resumen
Los deslizamientos de grandes masas de roca de taludes o laderas, constituyen los principales riesgos de accidentes en las operaciones de  minería a cielo abierto, por lo tanto, el estudio y la prevención de este tipo de eventos  constituye una tarea primordial durante el diseño de los taludes tanto en tajos como en canteras. 

La Cantera “Chapalita”, ubicada en el estado de Jalisco, explota material constituido principalmente por basaltos que están afectados estructuralmente por varios juegos de diaclasas o fracturas de enfriamiento con paredes lisas y abiertas que originan infinidad de planos de deslizamiento. La combinación de las familias de estructuras forma bloques y cuñas prácticamente a todo lo largo y alto del talud general propiciando muchos puntos de atención debido al riesgo de caídas de roca. Debido a que la explotación está cerca de llegar a su límite final de diseño, con el objetivo de prevenir cualquier tipo de riesgo, se realizaron evaluaciones de los factores de seguridad de los taludes actuales y se compararon contra el diseño del talud final propuesto para definir el riesgo que puede significar continuar con su explotación. La metodología de evaluación incluyó Modelos de Análisis Cinemático y Modelos de Probabilidad de Falla.

Abstract
Landslides of large masses of rock are the main hazards in open pit mining operations, therefore, the study and prevention of such events is a basic task in the slope design process for open pits and quarries.

Quarry “Chapalita”, located in the state of Jalisco, exploits material composed mainly of basalts that are structurally affected by several sets of joints or fractures with open, smooth walls that cause numerous slip planes. The combination of the families of structures forms numerous blocks and wedges along almost in the entire length and height of the quarry, generating numerous alert points due of the risk of rock falls. Since the mining operation is close to reaching its final design limit, to prevent any risk, assessments of the safety factors of existing slopes were performed and compared with the safety factor of the final slope at design limit, to define the risk if the mining operation continues. The assessment methodology included Kinematic Analysis and Failure Probability Models.

1. Introducción y objetivos
Los deslizamientos de roca en taludes constituyen  uno de los principales problemas de seguridad en todas las operaciones de minería a cielo abierto, entre las que se incluyen las canteras para extracción de materiales para construcción. Por esta razón, el diseño de los taludes de los bancos individuales y del talud general, deben realizarse de tal forma que se pueda integrar toda la información geomecánica y estructural posible, ya que precisamente de ésta información se desprenden los principales parámetros que gobiernan la estabilidad de los taludes, tales como la cohesión y ángulo de fricción de los diversos materiales explotados, así como las direcciones o rumbos,  ángulos de buzamiento y  orientaciones de las principales estructuras geológicas (fallas, diaclasas o fracturas, etc.)

La cantera “Chapalita”, se localiza en el estado de Jalisco; consta a la fecha de 4 bancos con altura media de 12 metros y ángulos de talud entre 80º y 90º; el ángulo general de la cantera está entre los 53º y los 57º. Durante su operación se han presentado algunos problemas de inestabilidad y está muy cerca de llegar a los límites de diseño por lo que se requiere definir si es viable continuar con su explotación. 

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar la estabilidad de los taludes actuales y comparar contra los propuestos a límite final de diseño, integrando información estructural y de resistencia del macizo rocoso (Rock Mass Strength) para definir los riesgos por deslizamiento de roca que se puedan presentar si se decide continuar la operación.

2. Metodología
2.1. Caracterización Geomecánica del Macizo Rocoso

El material que se explota en el banco Chapalita, se constituye por basaltos que están afectados estructuralmente por varios juegos de diaclasas o fracturas de enfriamiento con planos lisos y abiertos (sin relleno que los “solde”); la información sobre los parámetros geométricos y características que definen a los juegos de juntas, se obtuvo previamente mediante un mapeo estructural a detalle (Martínez, N., 2014). El área de estudio es prácticamente seca, a reserva de las condiciones de humedad que se originan durante la temporada de lluvias. 

Además de la información obtenida con el mapeo estructural, para estimar los parámetros geomecánicos de los macizos rocosos de los taludes generados durante la explotación, se utilizó el programa RocData. Este programa integra diversas variables que definen la resistencia global de la roca; entre éstas, se incluyen:

•  El GSI (Geological Strength Index, Marinos, P. et al, 2000): define la calidad de un macizo rocoso en función de las estructuras que lo integran (Figura 1). 
• La resistencia a la compresión simple de muestras de roca intacta.
• El módulo de roca intacta (m_i, Hoek, E.  et al, 2002 ).

Tanto el GSI como el m_i, dependen de la estructura del macizo rocoso y sus valores se estimaron a partir de la base de datos del RocData integrando también las observaciones realizadas en campo (Fotografía 1). Es importante mencionar que no se cuenta con datos de resistencia de la zona de estudio ya que de acuerdo a las observaciones de los encargados de la operación en la cantera, “el material está bastante fracturado y su constitución en lajas no permitió obtener muestras de roca intacta” para pruebas de resistencia a compresión. Por lo tanto se estimó un valor de 70 MPa, que corresponde a una roca entre regular a media calidad geomecánica.

Tomando como fundamento las estructuras que afectan el macizo rocoso de la cantera, se estimaron los valores de GSI, m_i y de σc  (resistencia a compresión simple) y se aplicaron al programa RocData para definir los parámetros de resistencia global del macizo rocoso (Rock Mass Strenght o RMS) obteniéndose los siguientes resultados: cohesión ( c )=169 KPa; ángulo de fricción (φ)= 32.79º  (Figura 2).

En la fotografía 1 se aprecia con claridad que la litología corresponde a un macizo rocoso (MR) entre regular a mala calidad (comparar contra clasificación GSI) debido a las diferentes familias de estructuras que lo afectan. 

2.2 Análisis Cinemático
Uno de los métodos básicos para evaluar la estabilidad de taludes es el análisis cinemático. Éste consiste primordialmente en la comparación entre los diferentes ángulos que conforman la geometría del talud, de las estructuras que lo afectan y del ángulo de fricción estimado, ya sea para las propias juntas o para el macizo rocoso. El análisis cinemático permite estimar de manera más o menos rápida, la posibilidad de deslizamiento de bloques debido a fallas planas, fallas de cuña o fallas por volteo o toppling. 

En función de la modelación estereográfica de todas las estructuras identificadas en los taludes de la cantera se definieron 6 familias de juntas (Tabla 1 y Figura 3). Dadas las condiciones de riesgo, no se pudo realizar levantamiento estructural en algunas áreas.

Familia	Rumbo	Dip	Dip Direction
F1	NE 25 SW	84	144
F2	NW 66 SE	29	204
F3	NW 43 SE	85	227
F4	NE 8 SW	85	98
F5	NE 4 SW	81	274
F6	NE 88 SW	85	178
Talud General	NE 25 SW	53-57	115
Taludes Bancos	NE 25 SW	60-80	115
Bancos según diseño	NE 25 SW	80	115

Si se considera  individualmente a cada una de las familias de juntas descritas, podemos concluir lo siguiente:

• Las familias 1, 2, 3 y 6, no generan por si mismas zonas de falla (planas, de cuña, o por toppling) debido a que sus rumbos con respecto al rumbo principal de los taludes, forman ángulos  mayores a 25º y por lo tanto los rumbos de estas juntas que constituyen a tales familias “penetran” hacia la cara del talud.  En análisis cinemático, se considera que una estructura puede originar fallas planas o de toppling cuando el ángulo entre su rumbo y el rumbo del talud es menor a 20º. 
• Por el contrario, las familias 4 y 5 pueden originar por si solas fallas planas y por toppling directo (éstas son prácticamente fallas planas originadas por estructuras con buzamiento mayor al ángulo del talud, pero que al intersectarse con otras familias de juntas forma bloques que al desprenderse exponen una cara casi vertical) respectivamente ya que sus rumbos son sensiblemente paralelos a la cara del talud (Fotografía 2).

La combinación de las diversas familias de estructuras, forma una cantidad considerable de intersecciones que originan infinidad de fallas de cuña y principalmente fallas por toppling directo; también se presentan fallas planas, originadas principalmente por la familia 4, (Figuras 4 a 9).

2.3 Modelos de Probabilidad de Falla
A efecto de evaluar la estabilidad global de la cantera actual y comparar contra la cantera a límites de diseño se prepararon modelos de probabilidad de falla de los taludes en diferentes secciones (Figura 10) con el programa SLIDE.  En ambos casos se integran las topografías presente y propuesta y los parámetros de resistencia del macizo rocoso (RMS) estimados en el punto 2 Caracterización Geomecánica de MR.  

De acuerdo a la metodología aplicada, la estabilidad de cierto volumen de roca sobre una superficie de falla en un talud, se establece mediante la comparación del factor de seguridad obtenido mediante el análisis estático de todas las fuerzas involucradas en el problema, tanto las que lo pueden “detonar”, como las que se “oponen” a que ocurra, entonces, una superficie con probabilidad de falla es aquella cuyo factor de seguridad es menor a 1, aunque en excavaciones mineras, el factor de seguridad mínimo aceptable es regularmente mayor a 1.3

Entre los factores detonantes de un deslizamiento se pueden numerar: el propio peso del macizo rocoso, que se ve incrementado en época de lluvias por el proceso de infiltración y absorción de humedad en los poros y fracturas de la roca, el daño ocasionado durante el proceso de excavación (mal control de voladuras), la sismicidad, y por supuesto, la mala calidad de las rocas. Prácticamente las únicas variables en contra de una posible falla, son: la resistencia global del macizo rocoso y el diseño adecuado de las excavaciones. Las figuras 11, 12 y 13 representan ejemplos de los modelos realizados.

Resultados y conclusiones
Del análisis de los estereogramas presentados en la sección 2.2, se puede concluir que los principales tipos de posibles fallas son por cuña y por toppling directo. Otro aspecto que salta a la vista es que la posibilidad de deslizamientos se incrementa de manera directamente proporcional al ángulo del talud, de tal forma que son los bancos individuales los más afectados y no tanto el talud general. Debemos esperar por lo tanto que si se pretende alcanzar el límite de diseño con taludes de bancos a 80º, el riesgo de desprendimientos sea mayor.

Por otro lado, el deterioro sistemático de los macizos rocosos debido al intemperismo en combinación con los bloques y cuñas formadas por las intersecciones de las familias de juntas y las caras de los taludes de los bancos, puede ocasionar caídas de pequeños bloques de roca  originando bermas que tienden a ser más angostas que las propuestas en el diseño del límite final. Como efecto de lo anterior se tienen bancos más altos con ángulos sensiblemente verticales y por lo tanto también con mayor riesgo.

En función del análisis de los modelos de probabilidad de falla (Tabla 2) se puede concluir que los taludes actuales tienen factores de seguridad medios (FS) mayores al que se obtuvo para el talud a límite final de diseño, si bien en todos los casos,  la probabilidad de una falla global es nula y todos los FS están por encima del límite mínimo aceptable de 1.3. Es claro que al llevar la explotación a límite final de diseño el FS medio disminuye y  más aún si se considera que durante la operación regular, los taludes se ven afectados por la sismicidad inducida por las voladuras; para evaluar el efecto de éstas sobre los factores de seguridad, se incluyó en el modelo de talud final de acuerdo a proyecto y el FS medio bajó hasta 1.33 quedando prácticamente al límite de lo mínimo aceptable.

Sección	Factor de seguridad medio
S 30	1.945
S 60	2.055
S 80	1.944
S 100	2.372
S 120	1.877
S 140	2.042
S 150	2.833
Límite de Explotación Proyectado	1.496
Límite de Explotación Proyectado con Sismicidad	1.330

Conclusiones

El macizo rocoso que conforma los taludes en la cantera Chapalita está afectado por infinidad de fracturas o diaclasas que se pueden agrupar en 6 familias. Dado lo anterior, se considera que el MR es de calidad regular a mala.

El análisis cinemático muestra una correlación directa entre el incremento del ángulo del talud y el aumento de las intersecciones que pueden  ocasionar fallas planas, de cuña y por toppling directo.

La afectación al MR de los taludes se nota más en los bancos individuales ocasionando una cantidad notable de pequeños deslizamientos que afectan el ancho de las bermas, en consecuencia éstas se adelgazan tanto que tienden a desaparecer.

En los modelos de estabilidad, los FS para todas las secciones de la topografía actual, resultaron muy superiores a límite aceptable de 1.3. La probabilidad de una falla global en el talud, bajo las condiciones actuales es prácticamente nula pero tiende a incrementarse conforme se adelgazan las bermas y aumentan los ángulos individuales de los bancos y el ángulo general.

Para toda cantera en operación, se debe tomar en cuenta la sismicidad inducida por las voladuras ya que afecta sistemáticamente la cohesión del MR, sobre todo cuando está afectado por infinidad de fracturas o diaclasas. Cuando se incluyó el factor de sismicidad en el modelo de talud final de diseño el FS bajó de 1.49 a 1.33, apenas mayor al límite aceptable.

De acuerdo a las conclusiones previas, no es recomendable forzar la explotación del banco Chapalita hasta el límite de talud final propuesto en el diseño original debido a que de hacerlo, se estaría incrementando la exposición a riesgos de accidente por deslizamientos o fallas en los taludes.

Referencias

• Martínez, N., 2014. Levantamiento Estructural en Cantera Chapalita, Jalisco.  
• Marinos, P. and Hoek, E. (2000). GSI — A geologically friendly tool for rock mass strength estimation. Proc. GeoEng 2000 Conference, Melbourne
• Hoek, E., Carranza, C., Corkum, B., 2002. Hoek-Brown failure criterion – 2002 Edition

¹ r_marin@ugto.mx
Departamento de Ingeniería en Minas, Metalurgia y Geología Universidad de Guanajuato