SOUTHERN PERU COOPER CORPORATION
MINA CUAJONE
CONTROL DE LA EROSIÓN EN EL DESVÍO QUEBRADA CHUNTACALA
INFORME DE LA VISITA TÉCNICA
16-17 OCTUBRE 2007
Dr. Víctor M. Ponce
Consultor
Profesor de Ingeniería Civil y Ambiental
Universidad Estatal de San Diego, California, EE.UU.
INTRODUCCIÓN
Por invitación del Ing. José De Piérola, Gerente del Departamento de Recursos Hídricos de Southern Peru, el Consultor ha visitado la Mina Cuajone los días 16-17 de octubre de 2007. La visita tiene por objeto evaluar el comportamiento del corte, desvío y caída Chuntacala. El objetivo es controlar la erosión local en la zona de la caída con el fin de reducir la cantidad de sedimentos que llegan al reservorio Torata, ubicado aguas abajo (Fig. 1). Un segundo objetivo es mitigar los impactos que pueda tener la presencia de la caída sobre la población local.
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La visita incluyó dos salidas al campo, los días 16 y 17 de octubre en la mañana. El día 16 se examinó la Quebrada Chuntacala inmediatamente aguas arriba del corte y desvío, avanzando eventualmente en dirección aguas abajo hacia la zona de la caída. En esta primera visita, el Consultor estuvo acompañado por el Ing. Herminio Nieto. El día 17 se examinó la caída propiamente dicha desde su extremo inferior, ascendiendo hacia la zona central. En esta oportunidad, el Consultor estuvo acompañado por los Ings. De Piérola y Nieto. En ambas visitas se observaron de cerca los problemas de erosión local y transporte de sedimentos en el corte, desvío y caída Chuntacala.
La mina Cuajone está localizada en la cuenca del Río Torata y las quebradas vecinas Chuntacala y Arondaya. El tajo abierto está parcialmente localizado en la Quebrada Chuntacala, mientras que la represa de control de flujo está sobre el Río Torata (Fig. 1). La Compañía Southern Peru viene efectuando diversas intervenciones en esta cuencas para manejar los caudales líquidos y sólidos (agua y sedimentos).
CORTE Y DESVÍO
En el año 2002 se efectuó un corte y desvío de la Quebrada Chuntacala a la cuenca del Río Torata, con el fin de evitar que los flujos de avenida de la Quebrada Chuntacala lleguen al tajo abierto. El corte se efectuó en una silla ("saddle point" o límite bajo entre dos cuencas) localizada al nivel de 3,850 m.s.n.m. El desvío de la Quebrada Chuntacala discurre por el canal del corte y deposita la descarga de agua y sedimentos en la cuenca del Río Torata mediante una caída de agua. El lecho del Río Torata próximo a la caída se encuentra al nivel 3,525 m.s.n.m.; por tanto, la caída tiene una altura aproximada de 325 m. La distancia del fin del corte al pie del talud es de 670 m. Por tanto, la pendiente de la caída es de So = 325/670 = 0.48.
Aguas arriba del corte, la Quebrada Chuntacala tiene una pendiente promedio de 0.11, lo cual significa que es un río de torrente, con una carga de sedimentos de gran tamaño. El tramo de la Quebrada Chuntacala inmediatamente aguas arriba del corte ha sido recientemente canalizado (2007) con un revestimiento de concreto. La Figura 2 muestra la sección de aforo en la Quebrada Chuntacala, inmediatamente aguas arriba de la canalización. Nótese el tamaño del material del lecho, que incluye algunos cantos rodados mayores de 30 cm de diámetro.
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La Figura 3 muestra la canalización de la Quebrada Chuntacala inmediatamente aguas arriba del corte y desvío. El revestimiento se ha efectuado con el fin de disminuir las filtraciones hacia el antiguo curso de la Quebrada Chuntacala. El corte de la Quebrada Chuntacala hacia el Río Torata se muestra en las Figuras 4 y 5.
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CAÍDA CHUNTACALA
La caída tiene una altura de 325 m y una pendiente de 0.48. En consecuencia, la energía disipada y el potencial de erosión son elevados. Puede observarse que la caída ha causado erosión en la roca y en los suelos localizados directamente en su paso. La cantidad y forma de erosión depende de la competencia de la roca existente en la zona. En la parte superior de la caída se ha documentado la presencia de una gran cárcava formada en roca (Fig. 6). Más abajo de esta cárcava existe un estrato de materiales deleznables, los cuales están siendo gradualmente erosionados y mobilizados por el flujo. Sin embargo, hacia el centro de la caída, el material rocoso es más competente; en esta zona la caída parece haberse estabilizado (Fig. 7).
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Del centro de la caída hacia la parte inferior la roca subyacente parece ser más competente, habiéndose formado a través de los años pequeños saltos casi verticales seguidos de pasos horizontales, en forma de escalera (Fig. 8). El número de este conjunto de saltos y pasos es aproximadamente diez (10). La caída es fuente activa de sedimentos, como puede observarse por el material detrítico que yace al pie del talud (Fig. 9).
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Los sedimentos generados por la caída son transportados aguas abajo junto con los otros sedimentos que se originan en la cuenca del Río Torata. Cada año, durante la temporada de lluvias, la fracción más gruesa de estos sedimentos (arenas y gravas) se deposita en la cola del reservorio (Fig. 10). Esto ha hecho necesario un programa de remoción periódica de sedimentos de la cola del reservorio para evitar que éstos ingresen eventualmente al reservorio.
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(foto tomada el 17 de octubre del 2007). |
ANÁLISIS
Una prioridad en el manejo de recursos hídricos en Cuajone es el manejo de las aguas y los sedimentos. El tajo abierto está localizado en una cuenca hidrográfica, y las contribuciones de aguas superficiales, subterráneas, y sedimentos deben ser manejadas con cuidado. El corte, desvío y caída Chuntacala trasvasa agua y sedimentos desde la Quebrada Chuntacala al Río Torata, evitando así que éstos lleguen al sitio de mina.
Las condiciones geodinámicas en la caída han originado la formación de una cárcava en roca y la erosión de los suelos subyacentes y adyacentes. Es de esperar que este proceso erosivo continúe hasta que se establezca el equilibrio en la ladera. No es posible predecir con certeza en qué momento se establecerá este equilibrio. Las observaciones y condiciones actuales (octubre del 2007) indican que el proceso erosivo está aún activo.
El desvío Chuntacala ha producido un cambio en las condiciones fluvio-geomorfológicas en la zona. En condiciones naturales, la pendiente de la Quebrada Chuntacala es de 0.11. Esta pendiente es de por si elevada, con la capacidad de transportar gran cantidad de sedimentos de gran tamaño. En la condición modificada, con la presencia de la caída de agua, la pendiente se ha elevado a 0.48.
Un principio básico en el manejo de agua y sedimentos es la relación de Lane. Esta relación especifica que el producto del caudal líquido por la pendiente del lecho es proporcional al producto del caudal sólido por el tamaño medio del grano (Lane, 1955; Simons y Sentürk, 1977).
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Qw So ∝ Qs d50 | (Ecuación 1) |
En el caso presente, la relación de Lane indica lo siguiente:
- Cuando el tamaño medio del grano de sedimentos es constante, el caudal sólido Qs aumentará proporcionalmente con
la pendiente So.
Esto significa que el flujo es capaz de transportar una mayor cantidad de sedimentos en presencia
de la caída.
- Cuando la concentración de sedimentos Cs = Qs/Qw es constante, el tamaño medio del grano d50 aumentará proporcionalmente con la pendiente So. Esto significa que el flujo es capaz de transportar cantos rodados de mayor tamaño en presencia de la caída.
Cuál de estas dos situaciones es aplicable al caso de la caída Chuntacala? El aumento en el caudal sólido Qs o tamaño de grano de sedimento d50 dependerá de la disponibilidad de sedimentos, es decir de la cantidad de erosión, la que depende en gran parte de la fuerza tractiva unitaria. Por su parte, la fuerza tractiva unitaria es función del radio hidráulico (R) y de la pendiente (Chow, 1959):
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τo = γ R So | (Ecuación 2) |
Habiendo disponibilidad de sedimentos, ya sea provenientes de aguas arriba del corte, o que sean generados por erosión local en la caída, el aumento en la pendiente causará un aumento en el tamaño del grano y/o caudal sólido.
La caída de agua es capaz de transportar tanto los sedimentos provenientes de aguas arriba como los que se originan localmente por erosión. En el caso hipotético de ausencia de erosión local (cuando se reestablezca el equilibrio geodinámico en la ladera), la caída es capaz de transportar todos los sedimentos provenientes de aguas arriba. Por lo tanto, la caída transporta y produce sedimentos, pero no los disminuye.
Para disminuir el transporte de sedimentos en la caída, es necesario disminuir el caudal líquido, pues es prácticamente imposible disminuir la pendiente (Ecuación 1). Para disminuir la cantidad de sedimentos que llegan al reservorio (Fig. 11) es necesario disminuir la fuerza tractiva en la ladera, lo que implica disminuir el radio hidráulico (Ecuación 2). Por lo tanto, es necesario reducir sustancialmente el caudal líquido que pasa por la caída. Esto puede lograrse mediante la retención y laminación del flujo de avenidas aguas arriba del corte, es decir, en la Quebrada Chuntacala propiamente dicha.
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ALTERNATIVAS
La solución permanente que se plantea consiste en la retención y laminación del caudal líquido (flujo de avenidas) en la Quebrada Chuntacala, con el fin de disminuir el caudal sólido en la caída. Esto requiere la construcción de un reservorio de retención de caudales líquidos y sólidos, localizado aguas arriba del corte. Este reservorio tendría el propósito doble de: (1) retener y laminar los flujos de avenida, y (2) retener y almacenar los sedimentos acarreados por las avenidas.
El gasto líquido laminado puede ser conducido por una tubería que comenzaría en la presa, atravesaría longitudinalmente el corte, y terminaría en el pie del talud de la actual caída, con una distancia estimada de 1200 m. Alternativamente, el agua acumulada en el reservorio puede ser usada localmente para otros propósitos (pastoreo y afines).
El gasto sólido debe ser removido del reservorio con una periodicidad anual, al final de la temporada de lluvias. Cabe mencionar que es preferible remover los sólidos aguas arriba del corte que aguas abajo de la caída. En el caso de retención de agua y sedimentos aguas arriba del corte, no hay producción artificial de sedimentos, es decir, no hay erosión local en la ladera. De otro modo, en el caso actual, sin retención, es probable que la erosión local en la ladera del cerro continúe por varios años.
La presa debe diseñarse para laminar la avenida de 50 años. Una alternativa de menor costo es diseñar la presa para laminar la avenida media anual, con frecuencia de 2 años o, en todo caso, 5 años. La presa debe diseñarse para retener tanto la avenida de diseño como también el gasto sólido asociado con la avenida de diseño. Debe establecerse un programa de mantenimiento del reservorio, con el fin de remover oportunamente los sedimentos (arenas y gravas) atrapados durante las avenidas.
Una solución temporal es la construcción de un tapón o presa pequeña aguas abajo de la canalización, al inicio del corte, con el fin de laminar la avenidas y controlar los sedimentos. Como parte del diseño, habría que determinar qué frecuencia de avenida podría laminarse con la solución de tapón, en base al volumen del vaso disponible. Dado el reducido ancho del corte existente (Fig. 4), es recomendable que el tapón sea de un material noble como el concreto.
La presencia de la caída ha causado problemas con la población local. El reclamo parece ser que los animales tienden a caerse en la zona de la caída, y los accidentes pueden ser mortales. La solución es construir un puente en un lugar apropiado, para el cruce de personas y animales. La demarcación y señalización apropiadas contribuirían a disminuir el riesgo de accidentes.
CONCLUSIÓN
El manejo adecuado del corte-desvío-caída Chuntacala requiere de la construcción de una presa aguas arriba del corte con el fin de retener y laminar las avenidas y almacenar los sedimentos acarreados por éstas. De esta manera se reduce el gasto líquido en la caída a un valor nulo, disminuyendo la erosión local y propiciándose la estabilización geodinámica de la ladera. La producción de sedimentos en la caída disminuiría a cero. La remoción de sedimentos naturales se haría aguas arriba del corte, en vez de aguas abajo de la caída. No habrían sedimentos artificiales (erosión en la ladera), reduciéndose el volumen y, por consiguiente, el costo de remoción.
BIBLIOGRAFÍA
Chow, V. T. 1959. Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York.
Lane, E. W. 1955. The importance of fluvial morphology in hydraulic engineering. Proceedings, American Society of Civil Engineers, Vol. 81, Paper No. 745, July. http://ponce.sdsu.edu/milestone_lane.html
Simons, D. B., y F. Senturk. 1977. Sediment transport technology. Water Resources Publications, Fort Collins, Colorado.