evaluación del riesgo geotécnico en vertederos de

Transcripción

II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
EVALUACIÓN DEL RIESGO GEOTÉCNICO EN VERTEDEROS DE
RESIDUOS SÓLIDOS: IDENTIFICACIÓN DE LOS PRINCIPALES
PELIGROS
F.J. Colomer*, A. Gallardo, M.D. Bovea, M. Carlos
INGRES, Ingeniería de Residuos
Depto. Ingeniería Mecánica y Construcción
Universitat Jaume I
Avda. Vicente Sos Baynat, S/N, 12071 Castellón (España)
Resumen
Un vertedero es una instalación de eliminación que se destina al depósito de residuos en
superficie o bajo tierra (legislación española: Ley 10/98, de Residuos). La buena gestión y
diseño del mismo se conoce desde hace tiempo, pero no ha sido de obligado cumplimiento
hasta la entrada en vigor del Real Decreto 1481/2001, por el que se regula la eliminación de
residuos mediante depósito en vertedero (como aplicación al régimen jurídico español de la
Directiva 1999/31/CE de la Unión Europea). En dicha norma se indican las instalaciones
mínimas que debe llevar todo vertedero, en función de los residuos que admita, para
minimizar su impacto al aire, suelo y aguas. A pesar de todo ello es posible que, tanto a lo
largo de su vida útil como en la fase de postclausura, pueda producirse algún fallo: rotura de
la impermeabilización del vaso, escapes incontrolados de biogás o desprendimientos en la
masa de residuos. Las consecuencias civiles y ambientales de estos fallos podrían ser
graves por lo que el riesgo no puede despreciarse.
Por otro lado, la Directiva 2004/35/CE, sobre responsabilidad medioambiental en relación
con la prevención y reparación de daños medioambientales, tiene por objeto establecer un
marco de responsabilidad medioambiental, basado en el principio de “quien contamina
paga”, para la prevención y la reparación de los daños. El responsable del daño es la
persona física o jurídica titular de la actividad que lo ha provocado. Las entidades
aseguradoras fijarán las primas a los vertederos en función del riesgo potencial que
presenten, de manera que cuanto más seguro sea un vertedero, menores serán los pagos
que exigirán las entidades sobre responsabilidad medioambiental.
En el presente trabajo se realiza una identificación de los principales peligros geotécnicos
generados por los vertederos de residuos sólidos como primer paso en el proceso de
evaluación del riesgo ambiental. Esta identificación de peligros geotécnicos consiste en un
exhaustivo análisis de los accidentes más importantes ocurridos en vertederos de todo el
mundo como consecuencia de fallos geotécnicos de estabilidad de la masa de residuos. La
información ha sido obtenida a partir de artículos en revistas técnicas especializadas,
artículos en periódicos informativos, análisis propios de los autores y casos vividos por
expertos en el tema que participaron directa o indirectamente en los procesos de corrección.
Los principales causas de los fallos según sus similitudes han sido, entre otros, la falta de
estabilidad de la masa de residuos, deslizamientos de la masa de residuos sobre la capa
impermeable, acumulación de lixiviados en la base del vertedero por mal funcionamiento de
la red de evacuación, acumulación de lixiviados en las capas de cobertura intermedias,
acumulaciones no deseadas de biogás o mal dimensionado de los canales de evacuación
de pluviales. Una vez conocidas las causas de los accidentes, se plantearán posibles
medidas protectoras y criterios de diseño para aplicarlas a los vertederos actuales y
prevenir, de este modo, la ocurrencia de nuevos desastres.
*[email protected]
1
Con la aplicación de estas medidas protectoras se conseguirían dos metas;
por una parte, disminuir el riesgo geotécnico generado por los vertederos y por otra parte,
cumplir la normativa y disminuir las primas que los vertederos pagan a las compañías
aseguradoras.
PALABRAS CLAVE: Vertedero, evaluación del riesgo, identificación de peligro, estabilidad
de taludes
1. Introducción:
El vertedero ha sido una de las formas más utilizadas de eliminación de residuos y es, de
hecho, la manera más empleada actualmente en la mayor parte de países del mundo. Sin
embargo, en los países industrializados se prioriza la reducción en origen, la reutilización, el
reciclaje y la valorización energética, ubicando el vertido como la última opción
recomendable [1] (Directiva 91/156/CEE). En muchos países en desarrollo no se puede
aplicar esta jerarquía de gestión ya que existen otras prioridades a la hora de invertir los
escasos recursos económicos que poseen y tienen que recurrir al vertido más o menos
controlado.
Debido al riesgo ambiental y sanitario de los vertederos, un número importante de naciones,
entidades plurinacionales y organizaciones internacionales (Unión Europea, Banco Mundial,
ONU, etc.) han elaborado en las últimas décadas una normativa específica para la
ubicación, diseño, explotación y control de vertederos. Con esta legislación se pretende
minimizar o eliminar el impacto generado por los vertederos sobre el medio ambiente y
sobre la salud pública. No obstante, antes de la entrada en vigor de las distintas normativas,
muchos vertederos habían sido construidos de manera totalmente incontrolada, sin medidas
correctoras ni protectoras, sin apenas compactación, sin cobertura diaria y sin sistemas de
extracción de gases ni de evacuación de lixiviados. Esos vertederos fueron clausurados y la
mayoría de ellos no han sido adaptados a la legislación del país correspondiente.
El presente trabajo está basado en vertederos autorizados y controlados, lo que
comúnmente se denomina relleno sanitario. El término “Sanitary landfill” es muy utilizado en
muchos países en desarrollo como forma de describir el deposito autorizado y controlado de
residuos sólidos, sin embargo en algunos lugares se emplea este término para definir
cualquier tipo de vertedero autorizado [2] que no cuenta sin embargo, con un previo diseño
ingenieril. Esta falta de un adecuado método de diseño y gestión propicia que, cuando las
condiciones superan un determinado umbral, pueda producirse un accidente.
Los accidentes geotécnicos ocurridos en vertederos pueden ser debidos a multitud de
causas o, en la mayoría de los casos, a interacciones entre ellas. Pueden ser consecuencia
de la acumulación de lixiviados, de una inclinación y altura excesiva en el talud, de la
formación de bolsas de biogás, de una mala compactación de los residuos, de una
pendiente excesiva en el terreno subyacente y de otras muchas causas. Las consecuencias
de dichos accidentes suelen depender de la magnitud del accidente y pueden ocasionar
graves problemas sanitarios, considerables impactos ambientales e incluso daño a las
propiedades y muerte de personas.
En muchos casos los accidentes son debidos a la mala gestión de los residuos. Sin
embargo la causa de un número importante de casos ha sido el desconocimiento de las
propiedades mecánicas, físico-químicas y biológicas de los residuos y de su evolución en el
tiempo (heterogeneidad, asentamientos, fermentaciones, generación de lixiviados y biogás,
etc.). En la actualidad existe una participación creciente de especialistas que, a partir de
investigaciones y estudios experimentales, publican datos sobre las propiedades físicas y
geotécnicas de los residuos (Tabla 1). No obstante el comportamiento geotécnico de los
mismos es muy heterogéneo, complejo y, hasta cierto punto, todavía desconocido [3].
2
Pese a todo lo anterior se ha podido adquirir una visión global sobre las causas que
originaron las catástrofes y se han planteado medidas a tomar para minimizar el riesgo de
accidentes en futuros vertederos.
2. Objetivos
A raíz del estudio y síntesis de las causas que provocaron los diferentes accidentes en
vertederos, se establecerán criterios de diseño basados, tanto en la experiencia de los
técnicos que investigaron el suceso, como en las teorías físico-químicas, matemáticas y
biológicas que rigen la geotecnia y evolución de vertederos, dando como resultado una serie
de ecuaciones o directrices experimentales para futuros diseños.
3. Identificación de peligros asociados a un vertedero
Si se hace un repaso histórico bibliográfico sobre los accidentes ocasionados por vertederos
podrían enumerarse varias causas generadoras [4], aunque en este artículo se hará
especial hincapié en los riesgos geotécnicos:
Problemas de estabilidad por pendiente excesiva en los taludes: Vertedero de Sarajevo,
Bosnia-Herzegobina, 1977 [5; 6]; Vertedero de Umraniye-Hekimbasi, Estambul, Turkia, 1993
[7; 8; 5; 9; 10; 11]; Vertedero de Beirolas, Lisboa, Portugal, 1995 [12; 13]; vertedero de
Hiriya, Tel-Aviv, Israel, 1998 [14]; Vertedero de Abanilla, Murcia, España, 2005.
Problemas de estabilidad por pendiente excesiva en el suelo: Vertedero de UmraniyeHekimbasi, Estambul, Turkia, 1993 [7; 8; 5; 9; 10; 11]; Vertedero de Bens, La Coruña,
España, 1996; Vertedero de Canabrava, Salvador, Brasil, 1997 [15].
Problemas de estabilidad por deslizamientos de la masa de residuos sobre la capa
impermeable: Vertedero de Finale Emilia, Italia, 1987 [16]; Vertedero de Mankaa, Helsinki,
Finlandia, 1987 [16]; Vertedero de Kettleman Hills, California, EEUU, 1988 [17]; Vertedero
de Rumpke, Cincinnati, Ohio, EEUU, 1996 [18; 19; 20].
Problemas de estabilidad por saturación de la masa de residuos: Vertedero de Bens, La
Coruña, España, 1996; Vertedero de Doña Juana, Bogotá, Colombia [5; 21; 22]; Vertedero
de Payatas, Manila, Filipinas, 2000 [19; 23]; El Basuro de Navarro, Cali, Colombia, 2001;
Vertedero de Mpewere, Kampala, Uganda, 2002 [22; 24]; Vertedero de Chongquing, China,
2002; Vertedero de Loma Los Colorados, Santiago, Chile, 2002; Vertedero de Ano Liossia,
Atenas, Grecia, 2003; Vertedero de Guadalupe, Salvador, 2003 [25]; Vertedero de Bandung,
Indonesia, 2005 [26; 27].
Fugas de lixiviados ocasionadas por una incorrecta impermeabilización de la base:
Vertedero de Lewiston, Idaho, EEUU, 1999 [28]; Vertedero de Guadalupe, California, 2003
[29].
Problemas ocasionados por la producción y por la mala gestión de los gases generados:
Vertedero de Sarajevo, Bosnia Herzegovina, 1977 [5; 6; 36]; Vertedero de Derbyshire,
Loscoe, UK, 1986 [30; 31; 32; 33]; Vertedero de Carate-Brianza, Italia [34; 35]; Vertedero de
Umraniye-Hekimbasi, Estambul, Turquía, 1993 [7; 8; 5; 9; 10; 11]; Vertedero de Vergiate,
Italia [5; 34]; Vertedero del Cerro Maggiore, Milán, Italia [39; 5; 37 ; 38]; Vertedero de
Seveso, Italia [5; 35]; Vertedero de Casate, Ticino, Suiza [5; 34; 37; 40]; Vertedero de
Croglio, Suiza [34]; Vertedero de Saint Augustin, Alemania [34]; Vertedero de Los Ángeles,
Albuquerque, EEUU [5; 41); Vertedero de Ghemme, Novara, Italia [34; 39].
Mal dimensionamiento de los canales de evacuación de aguas de escorrentía exteriores al
vertedero: vertedero de Valparaíso (Chile).
3
4. Riesgos geotécnicos
Atendiendo al diseño de los vertederos, los factores que más pueden influir en la seguridad
o estabilidad del vertedero son la topografía y la morfología del terreno. Los vertederos con
mayor peligro de accidente por desprendimiento o deslizamiento son los emplazados en
laderas y vaguadas, en los cuales se debe considerar la pendiente del terreno y el
coeficiente de rozamiento entre: residuos-lámina impermeable y lámina impermeable–suelo.
Así mismo, cuando no existe un diseño previo, los residuos van depositándose
anárquicamente y los taludes van aumentando su altura de forma incontrolada sin tener en
cuenta las propiedades mecánicas de los residuos, lo cual entraña un riesgo evidente.
Además, la ausencia de sistemas de evacuación de lixiviados y biogás genera presiones
dentro de la masa de residuos que disminuyen su estabilidad, aumentando la probabilidad
de ocurrencia de un desprendimiento.
Todos los parámetros anteriores pueden combinarse entre sí, actuar simultáneamente y
provocar un accidente de graves consecuencias. Es por ello la necesidad de evaluar el
riesgo geotécnico que entraña todo vertedero.
Uno de los fallos estructurales que pueden ocurrir en un vertedero es el debido a un
incorrecto diseño geométrico de los taludes debido a bajos factores de seguridad (FS). Para
calcular el FS del talud en un vertedero, se deben saber las propiedades mecánicas y físicas
de los residuos que se depositan. Entre estas propiedades están la densidad, la humedad,
etc. La densidad depende directamente de la composición, de la humedad y del grado de
compactación y es uno de los parámetros necesarios para conocer la estabilidad de un
talud. Los otros parámetros necesarios son la cohesión efectiva (C’o) y el ángulo de
rozamiento efectivo (Ø’).
Para conocer C’o y Ø’ se recurre a ensayos de laboratorio. Los resultados obtenidos son
muy heterogéneos y difieren mucho de unos ensayos a otros y de unas zonas a otras,
incluso dentro de un mismo vertedero, distintas catas pueden proporcionar valores distintos.
Hay que tener en cuenta que, además de la heterogénea composición de los residuos
(plásticos, tejidos, materia orgánica, papel, metales, etc.), también difiere mucho el tamaño
de partícula (desde pequeños trozos de materia orgánica hasta grandes cartones o plástico
tipo film). Además, dependiendo del la profundidad a la que se realice la cata, la variación
de la densidad, a medida que la muestra es más profunda, es mucho mayor que en suelos.
La edad también influye, ya que por ejemplo la materia orgánica fermentable va
degradándose formando líquidos y otros compuestos más simples. Por otro lado, las
muestras que se extraen modifican las propiedades con respecto a su estado en el
vertedero ya que en el proceso de extracción, suele haber disgregación. Una vez que las
muestras llegan al laboratorio son compactadas en el equipo de análisis para realizar el
ensayo. Por tanto, los resultados obtenidos en el ensayo diferirán de los originales [42]. Así
pues, distintos ensayos geotécnicos realizados en todo el mundo, han proporcionado
valores muy dispares. Los valores de C’o obtenidos en laboratorio varían desde 0 t/m2 [43]
hasta 12,64 t/m2 [44] y los valores de Ø’ oscilan entre 0º [45] y 53º [43]. Otros datos
recogidos se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: comparación de propiedades geotécnicas de los residuos de distintos vertederos
proporcionados por diversos autores.
2
Referencia
2
(1 kPa = 0,1019716 t/m )
C’o (t/m )
Ø’ (º)
[46] Jessberger (1994)
[46] Fassett et al. (1994)
[46] Kolsch (1995)
0-2,86
1,02
1,52-1,84
15-42
23
15-22
4
[46] Cowland et al. (1993)
[46] Del Greco and Oggeri (1993)
[46] Landva and Clark (1986)
[46] Landva and Clark (1990)
[46] Golder Associates (1993)
[47] Oweis (1985)
[47] Dvirnof y Munion (1986) y Oweis (1985)
[47] Pagotto y Rimoldi (1987)
[48] Sadat International Doña Juana, 1998
[46] Hidroestudios Integral Doña Juana, 2001
[49] Drescher, 1990
[47] Prinz, 1991
[50] Sánchez Alciturri, 1995
[47] Sharma et al. 1997
[47] Houston et al. 1995
[51] Mazzucato et al. 1999 (recompactados)
[51] Mazzucato et al. 1999 (muestra extraida)
[18] Eid et al. 2000 y Stark et al. 2000
[52] Kavazanjian, 1995
[53] Kavazanjian, 1999
[54] Reddy et al. 2009
[47] Caicedo et al. 2002
[55] Sabatini et al. 2002
1,02
1,60-2,40
1,02-2,34
2,34
0
6,7
2,4
2,9
6,7-6,8
1,25-2,5
2
0,75
0-2
1,92
0,41-0,51
2,24
2,45
2,54
0,51
4,38
3,16-4,69
7,95
2,15-4,32
23
21-22
24-42
24
41
15-25
10-30
22
23
20-28
30
16-26
20
33-36
17
18
35
28
31
26-30
23
18,4
Analizando la legislación sobre vertederos de diversos países [56] se puede observar que la
mayoría de normativas contemplan pendientes máximas de 1V:2,5H (Banco Mundial) a
1V:4H (Canadá). El factor de seguridad de taludes con estas pendientes suele ser aceptable
aunque dependerá de las propiedades de los residuos, de las condiciones climatológicas y
de la altura. Genéricamente, la normativa establece que un factor de seguridad apropiado
para garantizar la estabilidad de un talud frente al deslizamiento puede tener un valor que
oscile entre 1,3 y 1,5 [57; 3; 58]. Así pues los accidentes atribuidos, entre otros problemas, a
una falta de estabilidad en el talud por la altura excesiva y pendiente elevada son los
siguientes:
Vertedero de Sarajevo (Bosnia-Herzegovina. Diciembre 1977): El talud tenía una
pendiente de 60º lo que daba un facto de seguridad de 1,1 el cual es un valor muy bajo
(Figura 1). Una explosión de los gases generados contribuyó al deslizamiento [5; 6].
Vertedero de Umraniye-Hekimbasi (Estambul, Turquía. Abril 1993): En este caso, las
causas fueron una pendiente excesiva del terreno, una pendiente y altura excesivas
del talud del vertedero y una explosión de metano [7; 8; 5; 9; 10; 11].
Vertedero de Beirolas (Lisboa, Portugal. Junio 1995): El depósito incontrolado de
terreno procedente de suelos contaminados sobre una masa de residuos, sin ningún
control ni diseño, hizo que la altura del talud superase la máxima cota permisible y
produjera un desprendimiento [12; 13]
Vertedero de Hiriya (Tel-Aviv, Israel. Enero 1998): La parte superior del talud tenía una
inclinación de 40º pero en la parte inferior la pendiente era de 56º (Figura 2). El factor
de seguridad del talud fue de 1,05; valor muy poco seguro [14].
Vertedero de Abanilla (Murcia, España. Mayo 2005): Un leve movimiento sísmico
facilitó el deslizamiento de 25000 m3 de residuos en un talud con pendiente excesiva.
5
x = - 50,78
y = 99,53
R = 111,38
FS = 1,10
pendiente
1,7V:1H
círculo de
deslizamiento
Figura 1: Superficie de deslizamiento y Factor de Seguridad (FS) calculado sobre la ladera norte del
vertedero de Sarajevo
x=-34,53
y=105,63
R=110,63
FS=1,05
pendiente
1V:1,2H
pendiente
1V:0,67H
berma
Figura 2: representación gráfica del talud norte del vertedero de Hiriya en Tel-Aviv
Como se ha visto anteriormente, las propiedades mecánicas de los residuos sólidos pueden
variar de unos vertederos a otros e incluso de unas épocas a otras, o de un punto a otro de
la instalación de vertido. No obstante, hay unos valores conservadores que se aplican para
tener cierta seguridad de la estabilidad del depósito. La cohesión efectiva C’o de cualquier
material disminuye significativamente cuando el material está saturado. Por otro lado, en
condiciones de saturación la presión intersticial o presión de poro aumenta ostensiblemente
disminuyendo la estabilidad. Lo mismo ocurre con los residuos, lo cual no siempre se tiene
en cuenta a la hora del diseño y de la operación.
Las precipitaciones provocan una infiltración de agua en la masa de residuos, la cual percola
hasta las capas inferiores y se acumula en la base del vertedero. Esta acumulación de
lixiviados provoca la saturación de la zona inferior y una disminución importante en la
cohesión efectiva de los residuos y, si no existe drenaje, unos incrementos importantes en la
presión intersticial. El efecto de esta disminución en la cohesión efectiva y del aumento en
las presiones intersticiales, puede ocasionar una pérdida de estabilidad y el consecuente
deslizamiento o desprendimiento de los taludes.
Analizando las ecuaciones de la mecánica del suelo, se puede comprobar que si aumentan
las tensiones intersticiales por la acumulación de lixiviados y/o de gases en el interior de la
masa de residuos y por consiguiente, disminuye la cohesión efectiva, entonces la tensión
6
tangencial también disminuirá. Si esta disminución es lo suficientemente
grande puede dar lugar a un deslizamiento o desprendimiento. Esta acumulación de
lixiviados y de gases suele ser consecuencia de la inexistencia de sistemas de evacuación y
de drenaje o de un mal dimensionamiento de estos sistemas.
Otra de las precauciones que hay que considerar es el de limitar la recirculación de
lixiviados, la cual puede también provocar la saturación de los residuos, el incremento de las
presiones intersticiales y consiguiente deslizamiento. Muchos de los casos citados a
continuación son consecuencia de varios factores y, sobre todo de un diseño inexistente o
inadecuado y de una carencia total o casi total de gestión controlada.
Vertedero de Bens (A Coruña, España. Septiembre 1996): Las lluvias persistentes
facilitaron la formación de lixiviados que saturaron la masa de residuos. Un vertido sin
ningún diseño constructivo, facilitó la catástrofe.
Vertedero de Doña Juana (Bogotá, Colombia. Septiembre 1997): Aunque la gestión se
realizaba correctamente, la recirculación de lixiviados provocó el incremento de las
presiones intersticiales en la masa de residuos y el consecuente deslizamiento [5; 21;
22].
Vertedero de Payatas (Manila, Filipinas. Julio 2000): Las lluvias torrenciales
provocaron la saturación de los residuos y la erosión del terreno. El depósito de
residuos se realizaba sin control, formando un talud con pendiente y altura excesivas
para un material saturado y con elevadas presiones intersticiales [27; 23].
El Basuro de Navarro (Cali, Colombia. Septiembre 2001): Las lluvias persistentes
provocaron una acumulación de lixiviados, lo que unido a la acumulación de gases,
incrementó de forma espectacular la presión de poro, saturó los residuos y ocasionó el
derrumbe.
Vertedero de Mpewere (Kampala, Uganda. Mayo 2002): Aunque se diseñó con un
sistema de evacuación de lixiviados y de gases, éstos no llegaron a funcionar por
obturación y los lixiviados se acumularon en el fondo del vertedero provocando el
deslizamiento [22; 24].
Vertedero de Chongquing (China. Junio 2002): Al igual que los anteriores, el
deslizamiento fue debido a una acumulación de lixiviados generados por lluvias
intensas y persistentes.
Vertedero de Loma Los Colorados (Santiago, Chile. Diciembre 2002): La naturaleza
arcillosa de un material de cobertura poco permeable y la deposición de nuevas celdas
sobre otras celdas saturadas fueron las causas de esta importante fuga de lixiviados.
Vertedero de Ano Liossia (Atenas, Grecia. Marzo 2003): El incremento en la
concentración de lixiviado incrementó las presiones intersticiales y provocó una
pérdida de cohesión en la masa de residuos. Se atribuyó también a un incendio
declarado dos semanas antes.
Vertedero de Guadalupe (Salvador. Octubre 2003): El deslizamiento se originó en una
ladera, pero el movimiento de tierra arrastró el vertedero y produjo una avalancha de
lodo y residuos [25].
Vertedero de Bandung (Indonesia. Febrero 2005): Las lluvias torrenciales y
persistentes provocaron la formación de lixiviados que saturaron la masa de residuos.
Las lluvias también se infiltraron al subsuelo y deterioraron sus propiedades
mecánicas, por lo que la masa de residuos deslizó sobre el mismo. Además un fuego
interno ocurrido en el vertedero afectó la cohesión y el ángulo de rozamiento de las
partículas de refuerzo de los residuos, disminuyendo su FS (Figura 3). Un vertido sin
7
ningún diseño constructivo con una altura de más de 60 m y una
inclinación del talud entre 30-45º con un FS = 1,13 facilitó la catástrofe [26; 27].
x = - 16,88
y = 123,75
R = 124,89
FS = 1,11
pendiente
círculo de
deslizamiento
38º
Figura 3: representación gráfica del vertedero de Bandung en Indonesia
5. Propuesta de diseño
A la vista de lo descrito en la identificación de peligros geotécnicos ocasionados por
vertederos, se impone la necesidad de que la estabilidad geotécnica de los taludes del
vertedero sea máxima, aun en condiciones de alta humedad de la masa de residuos.
Como ya se ha visto anteriormente, las propiedades mecánicas de los residuos son muy
variables e impredecibles a priori por lo que es preferible adoptar valores mínimos de
cohesión efectiva y de ángulo de rozamiento efectivo. De este modo, los resultados
obtenidos a partir de los cálculos realizados estarán del lado de la seguridad.
Para los residuos que forman el vertedero se ha tomado una cohesión efectiva C’o = 1 t/m2,
un ángulo de rozamiento efectivo Ø’ = 14º y una densidad γ = 0,9 t/m3. Para el suelo que
soporta la masa de residuos y el material con el que está construido el dique inicial de 10 m
de altura se han elegido valores intermedios: la C’o = 5 t/m2, el ángulo de rozamiento
efectivo Ø’ = 25º y la densidad γ = 2,0 t/m3. El coeficiente sísmico se considera nulo.
Para el cálculo de la estabilidad de los taludes se ha recurrido al programa informático
“Estabilidad de Taludes” diseñado por el profesor Rechea en la Escuela Técnica Superior de
Arquitectura de la Universidad Politécnica de Valencia (España). En este estudio se han
analizado distintos casos de taludes con alturas variables de 17, 24, 31, 38 y 66 m. En la
mayor parte de los casos analizados se ha planteado un dique inferior de 10 m de altura que
forma un vaso que se va llenando de residuos. Cuando este vaso está lleno se construye un
segundo dique de 7 m de altura y se vuelve a rellenar. Así sucesivamente hasta alcanzar los
66 m (Figura 4). El caso siguiente sería un talud con la misma altura e inclinación, pero sin
bermas.
8
9 8
3
7
6
5
4
3
2
1
1
Figura 4: talud exterior del vertedero ubicado en el levante español formado por 9 diques de tierra
Los cálculos analizados varían en cuanto a la altura (H), a la anchura de las bermas y a la
inclinación de los taludes intermedios (ρ), lo cual proporciona distintas inclinaciones del talud
global (β). Los resultados obtenidos para cada uno de los casos se representan en las
figuras siguientes.
9
β = 33º
Caso 1
ρ = 45º
Anchura de bermas de 5 m
H = 66 m
círculo deslizamiento:
x = 19,0; y = 131,81; R = 122.23
FS = 0,69
H = 38 m
círculo deslizamiento
x = 19,0; y = 62,94; R = 53,21
FS = 0,88
H = 31 m
x =19,00; y = 49,88; R = 40,07
FS = 0,97
H= 24 m
x = 16,63; y = 38,00; R = 27,85
FS = 1,15
H = 17 m
x = -7,13; y = 61,75; R = 56,27
FS = 1,85
Figura 5
Caso 1.1
β = 33º
Sin bermas
H = 66 m
círculo deslizamiento:
x = -8,25; y = 148,50; R = 148,72
FS = 0,63 – 0,66*
H = 38 m
x = 2,06; y = 78,38; R = 78,35
FS = 0,75 – 0,85*
H = 31 m
x =0,00; y = 68,06; R = 67,99
FS = 0,81 – 0,93*
H= 24 m
x = 16,63; y = 38,00; R = 27,85
FS = 0,93 – 1,43*
H = 17 m
x = -7,13; y = 61,75; R = 56,27
FS = 1,16 – 2,29*
Figura 6
10
Caso 2
β = 27º
ρ = 45º
H = 66 m
x =39,19; y = 140,25; R = 132,90
FS = 0,81
H = 38 m
x =26,13; y = 73,63; R = 64,22
FS = 1,00
H = 31 m
x = 24,94; y = 51,06; R = 42,12
FS = 1,10
H = 24 m
x = 21,38; y = 40,38; R = 30,46
FS = 1,28
H = 17 m
x = 7,13; y = 61,75; R = 52,84
FS = 1,89
Figura 7
Caso 2.1
β = 27º
ρ = 45º
Sin bermas
H = 66 m
x = 4,13; y = 165,00; R = 164,99
FS = 0,75 – 0,79*
H = 38 m
x = 8,25; y = 94,88; R = 94,88
FS = 0,88 – 1,00*
H = 31 m
x = 6,19; y =84,56; R = 84,35
FS = 0,95 – 1,13*
H = 24 m
x = 4,13; y = 74,25; R = 74,19
FS = 1,06 – 1,48*
H = 17 m
x = 0,00; y = 70,13; R = 70,06
FS = 1,30 – 2,58*
Figura 8
11
Caso 3
β = 23º
ρ = 45º
H = 66 m
x = 33,00; y = 220,65; R = 211,56
FS = 0,92
H = 38 m
x =34,44; y = 80,75; R = 72,69
FS = 1,13
H = 31 m
x = 30,88; y = 57,00; R = 49,10
FS = 1,23
H = 24 m
x = 26,13; y = 48,69; R = 39,43
FS = 1,43
H = 17 m
x = -2,38; y = 78,38; R = 72,24
FS = 1,94
Figura 9
Caso 3.1
β = 23º
ρ = 45º
sin bermas
H = 66 m
x = 24,75; y = 181,50; R = 181,29
FS = 0,86 – 0,91*
H = 38 m
x = 16,50; y = 107,25; R = 107,05
FS = 1,01 – 1,12*
H = 31 m
x = 14,44; y = 84,56; R = 84,46
FS = 1,08 – 1,25*
H = 24 m
x = 10,31; y = 78,38; R = 78,27
FS = 1,19 – 1,59*
H = 17 m
x = 6,19; y = 68,06; R = 68,04
FS = 1,42 – 2,79*
Figura 10
12
Caso 4
β = 19º
ρ = 45º
H = 66 m
x = 66,00; y = 181,50; R = 178,53
FS = 1,13
H = 38 m
x = 41,25; y = 113,44; R = 107,66
FS = 1,32
H = 31 m
x = 43,31; y =78,38; R = 71,43
FS = 1,45
H = 24 m
x = 20,63; y = 109,31; R = 99,32
FS = 1,83
H = 17 m
x = -22,69; y =162,94; R = 160,44
FS = 2,34
Figura 11
Caso 4.1
β = 19º
ρ = 45º
Sin bermas
H = 66 m
x = 47,44; y = 214,50; R = 214,18
FS = 1,02 – 1,08*
H = 38 m
x = 28,88; y = 119,63; R = 119,17
FS = 1,18 – 1,20*
H = 31 m
x = 24,75; y =96,94; R = 96,92
FS = 1,25 – 1,32*
H = 24 m
x = 20,63; y = 76,31; R = 76,23
FS = 1,37 – 1,48*
H = 17 m
x = 12,38; y =66,00; R = 65,77
FS = 1,61 – 2,33*
Figura 12
13
Una vez calculados los FS para cada talud de vertedero se muestran los gráficos
que relacionan el descenso del FS con respecto al incremento de altura (Figura 13).
Caso 2
Caso 1
FS 2,5
FS
3
FS caso 1
FS caso 2
2,5
FS caso 1.1
2
FS caso 2.1
FS caso 1.1*
FS caso 2.1*
2
1,5
1,5
1
1
0,5
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
10
20
30
altura del talud
Caso 3
FS
40
50
60
70
altura del talud
Caso 4
3
FS 2,5
FS caso 3
2,5
FS caso 4
FS caso 3.1
FS caso 4.1
2
FS caso 3.1*
FS caso 4.1*
2
1,5
1,5
1
1
0,5
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
altura del talud
70
10
20
30
40
50
60
70
altura del talud
Figura 13: Graficos de los distintos casos calculados (FS vs H)
Con estos gráficos se podría estimar el FS de un talud de un vertedero para una altura dada.
Los casos con asterisco representan un talud sin bermas en cuyo pie se construye
inicialmente un dique de tierra compactada para incrementar la estabilidad del conjunto.
6. Resultados y conclusiones
La falta de un diseño adecuado en los taludes del vertedero genera riegos que, en casos
extremos puede dar lugar a accidentes. El primer paso de obligado cumplimiento en el
diseño de un vertedero es cumplir la legislación vigente. En lo referente al diseño, la
normativa de países como Canadá obliga a una inclinación mínima de 1V:4H, esto es una
pendiente de 14º. Con esta inclinación se asegura un talud estable aun con alturas
superiores a 60 m, condiciones de saturación y coeficientes sísmicos superiores a 0,15 (en
este caso FS = 1,41).
Sin embargo, no todas las legislaciones obligan a estas pendientes ya que la mayoría de
estados, o bien sólo obligan a taludes estables (Filipinas, Unión Europea, Japón o India) o
se limitan a obligar una pendiente máxima de 1V:3H (Chile, Australia o República
Surafricana). Estos taludes, en condiciones normales permanecen estables incluso a
grandes alturas. No obstante, en caso de lluvias intensas continuadas, movimientos
sísmicos o explosiones por acumulación de biogás en el interior de la masa de residuos,
podría producirse un deslizamiento.
Como ya se conoce, el incremento en altura de la masa de residuos disminuye la estabilidad
del dique. Sin embargo, a partir de los casos calculados en el apartado anterior, se puede
observar que con el mismo ángulo del talud, éste resulta más estable (FS mayor) si el talud
se diseña con bermas. Además estas bermas pueden ser utilizadas para el paso de la
maquinaria y como zonas de acopio de material de cobertura. La construcción de un dique
de tierra compactada en el pie del talud, también incrementa la estabilidad del mismo.
14
Otra conclusión que se obtiene de los cálculos anteriores es que, a
igualdad de pendiente, el FS es mayor cuanto mayor es la anchura de las bermas. Sin
embargo, la disminución de la pendiente en los taludes intermedios no representa un
incremento significativo en la estabilidad.
Es también es procedente recordar que los cálculos se han realizado con condiciones muy
desfavorables en cuanto a las propiedades mecánicas de la masa de residuos, ya que se
han tomado valores de C’o cercanos a 0 y de Ø’ mínimos. Como prueba de esto es que,
vertederos con taludes de inclinación alrededor de 1V:2,5H (21,80º) permanecen estables
durante mucho tiempo, aun en condiciones de precipitaciones intensas, habiéndose
calculado un factor de seguridad para estos casos inferior a lo recomendado. Por ello, es de
suponer que los valores de C’o y Ø’ en la masa de residuos son sensiblemente mayores y
permiten dar la suficiente estabilidad a los taludes, siempre que los lixiviados y el biogás
sean evacuados convenientemente.
7. Referencias
[1] Tchobanoglous, G., H. Theysen, and S. Vigil. (1994). Gestión Integral de Residuos
Sólidos. Ed. McGraw-Hill/Interamericana de España. Madrid.
[2] Díaz, L. F. and G. M. Savage, (2002). Developing landfill. Guidelines for sites in
developing countries. Waste Management World ISWA. 2.
[3] Calderón, P. A., (2000). Geotecnia de vertederos. Apuntes UPV.
[4] Colomer Mendoza, F.J., Gallardo Izquierdo, A., (2007). Identificación de peligros
asociados a un vertedero controlado. Residuos 97, 86-95
[5] ECONS.S.A., (2003) Safety in landfill: photographic documentation. http://www.econs.ch/
Bioggio, Switzerland.
[6] UNECE (United Nations Economic Commission for Europe), (2004). Management of
waste and contaminated sites. Studies: Bosnia Herzegovina. 6, 91-99.
[7] Blight, G. E. and A. B. Fourie, (2005). Catastrofe revisited - disastrous flow failures of
mine and municipal solid waste. Geotechnical and Geological Engineering. 23, 219-248.
[8] Díaz, L., S. Röder, and B. Nguyen, (2003). Solid waste management in economically
developing countries. Institut für Abfallwirtschaft Boku Univertisät für Bodenkultur, Mungasse.
Viena, Austria.
[9] Fahey, M., T. A. Newson, and F. Fujiyasu, (2002). Engineering with tailings;
Environmental geotechnics. Balkema, Lisse, Netherlands. 2, 947-973.
[10] Kocasoy, G. and K. Curi, (1995). The Úmraniye - Hekimbasi open dump accident. Waste
Management&Research. 13, 305-314.
[11] Rushbrook, P., (1999). Getting from subsidence landfill to sophisticated landfill. Waste
Management&Research. ISWA. 17, 4-9.
[12] Castelao, M., L. M. Rodrigues, E. Zungailia, and J. Rocha, (1999). Beirolas sanitary
landfill closure and post-closure use as a park. International Waste Management and Landfill
Symposium.Sardinia (Italy). Sta. Margherita di Paula, Cagliary, Italy.
[13] Pardo de Santayana, F. and A. A. Veiga, (1998). Behaviour of a slide area at a Lisbon's
MSW landfill after implementation of stabilizing measures. Proceedings of the Third
International Congress on Environmental Geotechnics. Lisbon, Portugal.
[14] Klein, A., (2003). Geotechnical and Geoenvironmental Consultant. M. Sc. Meshilah.com.
49 Einstein St. Haifa 34602 Israel.
15
[15] Oliveira, D. A. F., (2002). Estabilidade de taludes de maciços de
residuos sólidos urbanos. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de
Brasilia. Brasilia DF. 1-155.
[16] Cancelli, A., (1989). 6.8 Soil and refuse stability in sanitary landfills. Sanitary landfilling
Process, Technology and Environmental Impact. Academic Press. London.
[17] Chang, M.-H., J. K. Mitchell, and R. B. Seed, (1999). Model studies of the 1988
Kettleman Hills Landfill slope failure. Geotechnical Testing Journal, GTJODJ. 22, 61-66.
[18] Eid, H. T., T. Stark, W. D. Evans, and P. E. Sherry, (2000). Municipal solid waste slope
failure I: waste and foundation soil properties. Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering. 126, 397-407.
[19] Kölsch, F. and G. Ziehmann, (2004). Landfill stability, risks and challenges. Waste
Management World ISWA. 4,
[20] Stark, T., H. T. Eid, W. D. Evans, and P. E. Sherry, (2000). Municipal solid waste slope
failure II. Stability analyses. Journal of Geotechnical and Geoevironmental
Engineering.ASCE. 126, 408-419.
[21] Hendron, D. M., G. Fernández, P. J. Prommer, and L. F. Orozco, (1999). Investigation of
the cause of the 27 september 1997 slope failure at the Doña Juana Landfill. Proceedings
Sardinia 1999. 7th International Waste Management and Landfill Symposium. S. Margherita
di Paula, Cagliari, Italy. 3, 545-567.
[22] Johannessen, L. M. and G. Boyer, (1999). Observations of solid waste landfills in
developing countries: Africa, Asia and Latin America. Waste Management Anchor Team. The
World Bank. Washington.
[23] Merry, S. M., (2000). Proyect description: Field reconnaissance of Payatas landfill
wasteslide in Quezon City, Philippines.
[24] Lemoine, C. H., (2003). Bioreactor landfills. An innovative solution or a riski experiment?
Alternative Service Delivery i Kampala City Council. Kampala City, Uganda.
[25] Prois, T. A., (2003). Emergency relief to victims of floods&landslides. Balance requested
from the ACT Alliance. ACT International. Action by Churches Toghether. Geneve,
Switzerland.
[26] Kölsch, F, Fricke, K., Mahler, C., Damanhuri, E., (2005). Stability of landfills – the
bandung dumpsite desaster, Proceedings Sardinia 2005. International Waste Management
and Landfill Symposium. S. Margherita di Paula, Cagliari, Italy
[27] Kölsch, F (2005). Landslides Standsicherheitsversagen. Geo Und Umwelttechnik GmbH.
Pág. web: http://www.dr-koelsch.de/
[28] Jenkins, J. E., A. Rajiv, and T. Rick, (2002). South hill landslide, meeting owner´s need
with finantial constraints. Cordilleran Section.
[29] Seward, T., (2000). Guadalupe landfill landslide. San Francisco Bay Regional Water
quality Control Board. Executive Officer´s Report. San Francisco.
[30] Aitkenhead, N. Ph. D., (2002). Geological aspects of two Derbyshire disasters lessons
from Loscoe: March 1986.
[31] Derbyshire County Council, (1986). Report on the non-statutory public enquiry into the
gas explosion at Loscoe, Derbyshire, 24 March, 1986. Derbyshire County Council.
Derbyshire.
16
[32] Eden, R., The three dimensional modelling of flare stacks combusting
landfill gas. Sardinia 2005. International Waste Management and Landfill Symposium Sta.
Margheritha di Paula, Italy.
[33] Wittle, A., (1998). UK landfill; The future? The Environmentalist.Kluwer Academic
Publishers. 18, 263-265.
[34] Gandolla, M., C. Acaia, and C. Fisher, (1998). Landfill gas migration in the subsoil.
Experiences of control and remediation. James&James Science Publishers, Ltd. London,
UK. 237-245.
[35] Lassini, P., G. Sala, and F. Sartori, (1999). Reclamation of old and news landfills and
their integration with the environment. International Waste Management and Landfill
Symposium. Sta. Margherita di Paula, Cagliary, Italy.
[36] Gandolla, M., E. Gabner, and R. Leoni, (1979). Stability problems with compacted
landfills: the example of sarajevo. ISWA Journal. 75-80.
[37] Parsons, P.,. Options for landfill containment. Proceeding of Harwell Waste
Management Symposium. AEA Technology. Harwell, 1993
[38] TENAX SpA., Gamma Verde. TENAX International B.V. Geosynthetics Division. Via
Feruccio Pelli, 14 CH-699. Lugano, Switzerland. 2004.
[39] Calare, A., P. Recaltati, A. Ricciutti, and P. Rimoldi, (1996). Italian landfill capping
techniques. Geotechnical Fabrics Report. 14, 42-47.
[40] Zhao, A. and F. Montanelli,. Effect of soil presence on flow capacity of drainage
geocomposites under high normal loads. Tenax Corporation, Baltimore. Maryland, USA.
1999
[41] Yoshimura, D., Internal Audit Committee. New Mexico Risk Management Dicision
Department of Finance and Administration Land Acquisition 02-135. Albuquerque. 2002.
[42] Dixon, N. and Jones, D.R.V., 2005. Engineering properties of municipal solid waste.
Geotextiles and Geomembranes 23, 205-233.
[43] Siegel, R. et. al.,. Slope stability investigations at a landfill in southern California.
Geotechnics of Waste Fills, Theory and Practice.ASTM STP 1070. Philadelphia. 259-284.
1990
[44] Los Angeles County Sanitation Distric,. Instability of landfill slope, Puente Hills Landfill,
Los Angeles County, California. Earth Technology. 1988
[45] Sing, S. and B. Murphy, Evaluation of the satability of sanitary landfill. Geotechnics of
Waste Fills, Theory and Practice.ASTM STP 1070. Philadelphia. 240-268. 1990.
[46] Yong, R.N. and Thomas, H.R. Geoenvironmental Engineering. Ed. University of Wales.
College of Cardiff. School of Engineering, 1997, Wales.
[47] Oweis, I.S., Khera, R.P., Geotechnology of waste management: 2nd ed. Imprint :
Boston : PWS Publishing, 1998
[48] Sociedad Colombiana de Geología, Universidad Nacional de Colombia. Departamento
de Geología, Geología colombiana, Ed. UNC. Bogotá. 1999.
[49] Ansal, A. Recent advances in earthquake geotechnical engineering and microzonation.
Ed. Springer, 2004.
[50] Sanchez Alciturri, J.M., Palma, J.M., Sagaseta, C., (1995). Mechanical properties of
wastes in a sanitary landfill. Geotechnics Related to the Environment Symposium on Waste
Disposal by Landfill (GREEN 93). pp. 357-363. Bolton England.
17
[51] Mazzucato, A., Simonini, P., Colombo, S., (1999). Analysis of block
slide in a MSW landfill. In: Proceedings of the Seventh International Waste Management and
Landfill Symposium, Sardinia 1999.
[52] Kavazanjian, E. Jr., Matasovic, N., Bonaparte, R. and Schmertmann, G.R., (1995).
Evaluation of MSW Properties for Seismic Analysis, Geoenvironment 2000, v. 2. ASCE
Geotechnical Special Publication No. 46, pp. 1126 1141.
[53] Kavazanjian, E., (1999). Seismic design of solid waste containment facilities. In:
Proceddings of Eighth Canadian Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, BC.
[54] Reddy, K.R., Hettiarachi, H., Parakalla, N.S., Gangathulasi, J., (2009). Geotechnical
properties of fresh municipal solid waste at Orchard Hills Landfill, USA. Waste Management
29, 952-959
[55] Sabatini, P.J., Griffin, L.M., Bonaparte, R., Espinoza, R.D., Giroud, J.P., (2002).
Reliability of state of practice for selection of shear strength parameters for waste
containment system stability analyses, Geotextiles and Geomembranes 20, 241-262
[56] Colomer Mendoza, F.J., Ferrer Gisbert, A., Gallardo Izquierdo, A., (2005). Legislación
sobre vertederos en algunos países del mundo. Análisis comparativo. II Congreso Ibérico
sobre vertederos, Málaga.
[57] Bureau of Reclamation, Manual de Tierras. Ed. Bellisco. Madrid. 1980.
[58] Lambe, T. W. and R. V. Whitman,. Mecánica de suelos (Nueva edición). Ed. Limusa.
Mexico. 1990.
18

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