GEOTÉCNICOS DE UNA CORTINA DE ARCILLA EN UN RELLENO SANITARIO EN BRASIL

 

Veruschka Escarião Dessoles Monteiro / Universidad Federal de Pernambuco, Brasil

José Fernando Thomé Jucá / Universidad Federal de Pernambuco, Brasil

 

 

 

RESUMEN: Este trabajo presenta estudios desarrollados en una cortina de arcilla en el Relleno de Residuos Sólidos de la Muribeca localizado cerca de la capital del Estado de Pernambuco (en la "Região Metropolitana de Recife"), Brasil. Este estudio es parte integrante del proyecto de recuperación ambiental del vertedero y envuelve el estudio de los parámetros geotécnicos obtenidos en una cortina de arcilla ejecutada, análisis de los costes de construcción de las cortinas, análisis del lixiviado, así como, una simulación del comportamiento de las situaciones que ocurren "in situ" através del uso de un programa de ordenador.

 

Palabras claves:, cortinas de arcilla, ensayos, relleno sanitario

 

1. Introducción

 

El Relleno de la Muribeca es un depósito de residuos sólidos municipal donde fueron depositadas en un area de 600 000m2, directamente sobre el suelo, 6 000 000tn de basura doméstica, industrial y hospitar alcanzando la altura de 20m a lo largo de 12 años. Para la recuperación del area fue adoptada la técnica de la biorremediación. En el proyecto, el área del relleno está dividida en 8 células para tratamiento de los residuos por procesos que envuelven el aumento de la tasa de decomposición de la materia orgánica. Cada célula está aislada de las demás por cortinas de arcilla compactada donde se suman 4,6Km de cortina con una altura media de 15m (Figura 1).

Figura 1 - "Lay-out" de las células de bioremediación

 

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de un estudio que está siendo desarrollado en una cortina experimental en el Relleno de la Muribeca. Se trata de estudios donde fueron realizados ensayos de campo y laboratorio, análisis económico de los costes de construcción de estas cortinas, así como um análisis preliminar de estabilidad a través del uso de un programa de ordenador.

2. Cortinas de arcilla en el Relleno de la Muribeca

 

En el relleno de la Muribeca, las cortinas son estructuras verticales de arcilla compactada con una altura que varía de 4 a 20m que tienen la función de diques de aislamiento entre las células de bioremediación, impidiendo el flujo de contaminantes de una célula a otra. Por outra parte las cortinas tienen la función de contención de los taludes de basuras

El proyecto inicial de estos diques tenía previsto un espesor de 10m, el cual en un primer análisis fue reducido a 5m, existiendo aún la posibilidad de reducirla a 3m despúes de concluidos los estudios para el dimensionamiento de una cortina ya ejecutada. La reducción de este espesor, no obstante, debe ser hecha de modo que atienda los requisitos de permeabilidad y estabilidad, representando así una economía de tiempo y sobre todo de equipos y material empleado en la construcción.

La metodología empleada en la construcción de las cortinas fue la excavación de la basura en un espesor mínimo de 10m, compactación del suelo (construcción de la cortina) y relleno de los espacios laterales vacíos con basura compactada. Al final será construído un acceso para la circulación de camiones de basura.

 

    1. Costes de las cortinas de arcillla

 

Los costes de construcción de las cortinas fueran estimados de acuerdo con las normas del Ayuntamiento de la ciudad de Recife (Tabla 1). Para los cálculos fueran consideradas las dimensiones siguientes: 4,6Km de longitud, 15m de altura y 10m de espesor.

 

Tabla 1 – Costes de las cortinas de arcillast

Especificación

Valor Unitario (US$)

Cantidad

Total (US$)

Excavación + transporte

1,74

4600m x 15m x 10m x US$1.74 /m3

1 200 600.00

Material + transporte

1,83

4600m x 15m x 10m x US$1.83 /m3

1 262 700.00

Ejecución (homogeneización + compactación)

4,74

4600m x 15m x 10m x US$4.74 /m3

3 270 600.00

TOTAL: US$ 5 733 900.00

 

Como se trata de un valor significativo, la reducción del espesor a 5m representa, en principio, una reducción de costes a la mitad del valor inicial:

VTfinal = US$2 866 950.00

Pero, para obtener valores aún mas reducidos, es necesario un dimensionamiento mas adequado para las cortinas de arcilla y basuras compactadas, de acuerdo con los requisitos necesarios para este tipo de estructura.

Así, para el dimensionamiento de las demás cortinas, fueron desarrollados estudios para analizar los parámetros geotécnicos obtenidos en la cortina ya ejecutada en el relleno. Estos estudios se referen a la caracterización de los materiales usados en la construcción de la cortina, análisis del lixiviado, así como, la simulación en el ordenador de las situaciones que ocurren en campo. Fueron desarrollados ensayos de campo y laboratorio a fin de obtener datos para el análisis.

 

  1. Ensayos de campo
  2.  

    Los ensayos de campo requirieron la ejecución de um pozo en la cortina para el análisis del suelo compactado en profundidad y la obtención de muestras no deformadas para ensayos posteriores y la obtención de parámetros geotécnicos. Durante la excavación fueron obtenidos los perfiles de humedad, densidad y succión a lo largo de la profundidad. Estos ensayos fueron complementados con dos perfuraciones de sondeos tipo SPT (Standard Penetration Test) próximo al local del pozo, ademas de otras dos perfuraciones para ensayos de permeabilidad in situ (ensayo de perdida de agua) en la cortina. Fueron realizados también, ensayos utilizando técnicas recientes de investigación del suelo, como el uso de la técnica de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) para la determinación de la humedad y la estimación de la conductividad hidraúlica in situ, a través del acompañamiento del avance de la infiltración en la cortina. Los resultados de los ensayos entán presentados en la Figura 2.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Figura 2 – Resultados de los ensayos de campo

     

    Los perfiles de humedad, densidad, SPT y succión están de acuerdo unos con otros, o sea, valores de humedad menores en la superficie (0,5m) cresciendo a medida que profundizamos, en cambio, los valores de densidad, SPT y succión son mayores en esta misma profundidad, asumiendo valores muy bajos a partir de 1m de profundidad alcanzando valores no deseables para la estabilidad de la cortina.

    Los resultados de los ensayos con TDR no fueron los esperados, debido a diversas dificultades operacionales encontradas en la realización del ensayo. Estas dificultades se refieren principalmente a la calibración del equipo hecha en laboratorio, la cual no obtuvo resultados satisfatorios.Aunque los resultados sean preliminares, el TDR se mostró sensible a la variación de humedad del suelo.

     

  3. Ensayos de laboratorio
  4.  

    4.1. Caracterización física, química y mineralógica del suelo

     

    La caracterización física de los materiales fue realizada con el objetivo de verificar la aplicabilidad de estos materiales a la construcción de las cortinas de las células proyectadas para biorremediación.

    Los estudios de los materiales se refieren a la investigación de los suelos del área de préstamo, localizados en la propia area del vertedero de la Muribeca. Fueron coletadas muestras deformadas para la caracterización completa de estes suelos, así como la determinación de sus propriedades de compactación y flujo. Junto a la caracterización de los préstamos fue realizado también la caracterización de muestras no deformadas recogidas en bloques durante ensayos "in situ" en la cortina ya ejecutada. Los resultados de los ensayos están representados en la Tabla 2.

     

     

    Tabla 2 - Propriedades de los Suelos

    PROPRIEDADES

    Préstamo 1 1

    Préstamo 2

    Préstamo 3

    Préstamo 3B 1

    Préstamo 5

    Bloque 1

    Bloque 2

    Tipo de suelo

    Arena

    Arcilla

    Arcilla

    Limo

    Arcilla

    Arcilla

    Arcilla

    Granulometria (%)

    Grava

    -

    5

    3

    -

    -

    -

    -

    Arena Gruesa

    2

    1

    1

    1

    -

    2

    1

    Arena Media

    30

    17

    24

    21

    18

    20

    26

    Arena Fina

    38

    21

    24

    32

    29

    20

    13

    Limo

    18

    10

    8

    28

    37

    25

    14

    Arcilla

    12

    46

    40

    18

    16

    33

    46

    Límites (%)

    LL

    28,0

    48,5

    47,6

    54,5

    42,8

    46,5

    52,5

    LP

    25,0

    31,8

    31,0

    35,9

    28,5

    31,3

    32,1

    LC

    -

    -

    19,4

    29,9

    26,0

    -

    -

    IP

    3,0

    16,7

    16,6

    18,7

    14,2

    15,2

    20,4

    g g (kN/m3)

    26,6

    26,4

    26,1

    26,8

    26,7

    26,7

    26,2

    Proctor Normal

    g g (kN/m3)

    18,7

    15,7

    16,3

    15,8

    15,7

    -

    -

    Wot (%)

    13,0

    22,8

    22,0

    23,0

    22,0

    -

    -

    Permeabilidad

    Ksat (m/s)

    1,1 x 10-8

    -

    1,5 x 10-8

    -

    5,9 x 10-8

    -

    -

     

    Los resultados presentados en la Tabla 2 muestran, de una forma general, la predominancia de material típicamente arcilloso, plástico y por lo tanto con buenas características de impermeabilización, siendo adecuado para su utilización como suelo a ser compactado en las cortinas de arcilla.

    La composición química del suelo fue determinada utilizando muestras de la préstamo utilizado en la construcción de la cortina y muestras no deformadas retiradas de la cortina en las profundidades 1 y 2,5m (con contaminante) y los resultados se encuentran en la Tabla 3.

     

    Tabela 3 - Caracterización química del suelo

    Meq / 100g de solo

    Local

    Prof

    (m)

    Na+

    K+

    Ca++

    Mg++

    H+

    Al+++

    pH

    ppm de P

    N%

    C%

    M.O.

    (%)

    Jazida5

    -

    0,22

    0,11

    0,90

    0,55

    1,97

    0,50

    4,6

    1,90

    0,01

    0,12

    0,21

    Bloco 1

    1

    0,29

    0,06

    2,50

    1,15

    0,50

    0,00

    6,9

    2,46

    0,03

    0,20

    0,34

    Bloco 2

    2,5

    0,06

    0,10

    3,50

    0,90

    0,99

    0,00

    6,5

    2,12

    0,07

    0,84

    1,45

     

    Se destaca la elevación de los niveles de Ca++ + Mg++ en las muestras de los Bloques 1 e 2 ya con la presencia del contaminante, elevación del pH y materia orgánica del suelo.

    Se obtuvo también la mineralogía del suelo para identificar a los minerales presentes en la porción fina del suelo (limo y arcilla) verificandose la capacidad de expansión y contracción del suelo utilizado en la construcción de las cortinas. Los resultados denotan la presencia de caulinita en las porciones de limo y arcilla. El comportamiento físico-químico indica un desempeño geotécnico condicionado mas por la textura que por la mineralogía. No se prevé expansión/contración y la capacidad de intercámbio es pequeña. Por lo tanto, el lixiviado deberá percolar por el material sin mucha variación química.

     

    4.2. Medida de la densidad y viscosidad del agua y del lixiviado

     

    La densidad del lixiviado fue determinada a través de dos métodos: densímetro y picnômetro. Los valores obtenidos fueron: 10,04 kN/m3 y 10,06kN/m3 respectivamente siendo bastante próximos al valor de la densidad del agua.

    Los ensayos de viscosidad cinemática del lixiviado (pH variable) y del água fueron realizados, a temperaturas de 27o y 20o Celsius, debido al hecho de que la permeabilidad del suelo está en función de la viscosidad y de la temperatura del fluído permeante. En los ensayos de laboratorio la permeabilidad fue medida a la temperatura de 27o Celsius. Los resultados obtenidos se encontran en la Tabla 4.

     

    Tabla 4. Viscosidades cinemáticas de los líquidos

    Viscosidad Cinemática (cSt)*

    Temperatura

    Água

    Lixiviado

    (oC)

     

    pH 5.0

    pH 7.8

    27

    0.858

    0.923

    0.925

    20

    1.007

    1.090

    1.084

    Razón

    0.852

    0.847

    0.853

    *cSt = 0,01 Stoke

    Stoke = unidad de viscosidad cinemática del sistema c.g.s. = gm__________

    s x cm x masa específica (oF)

     

    La razón entre las viscosidades (n 27/n 20) para el cálculo del coeficiente de permeabilidad del suelo práticamente no varió, significando que las viscosidades cinemáticas de los diferentes permeantes son práticamente iguales.

     

    4.3. Ensayos de permeabilidad

     

    En lo referente a las propriedades del flujo fueron realizados ensayos utilizando dos tipos de permeantes - água y lixiviado (con variación de pH) - para reproducir las condiciones reales de flujo in situ, así como establelecer una relacción comparativa del comportamiento de estos permeantes entre si. Para estos ensayos se utilizó el permeámetro de pared rígida con el flujo en las direcciones paralela (permeabilidad horizontal) y perpendicular (permeabilidad vertical) al sentido de compactación de los estratos de suelo y los resultados están presentados en la Figura 3.

    Figura 3: Permeabilidad horizontal y vertical

     

    Los resultados de los ensayos muestran la permeabilidad del suelo variando de 10-7 a 10-8 m/s, en el caso de los dos permeantes. Los valores de condutividad hidráulica indican que la cortina atende al requisito de minimizar el flujo de contaminantes, pues se trata de valores de permeabilidad bajos (Mitchell et al, 1995).

    Como se observa en la Figura 3 las permeabilidades horizontal y vertical del suelo al lixiviado (pH ácido y básico) son bastante similares, lo que ya era esperado, una vez que, no hubo control de compactación durante la ejecución de la cortina. Algunos valores de humedad del suelo compactado se encontraban en la rama seca de la curva Proctor.

     

    2.4.4. Ensayos de succión

     

    Para los ensayos de succión se utilizó el suelo del Bloque 1 (suelo compactado "in situ") y también suelo compactado en laboratorio en la umidad del Bloco (25%). Los ensayos tuvieron el objetivo de se determinar correlaciones entre la succión y la umidad del suelo y verificar su comportamiento ante el uso de dos permeantes en la realización del ensayo. En los ensayos se utilizó los permeantes - agua y lixiviado - con el fin de establecer una analogía de comportamiento del suelo con relación a estos permeantes.

    La curva característica o relación succión-humedad del suelo obtenida se encuentra en la Figura 4.

    (a) Suelo compactado "in situ" (Bloque 1) (b) Suelo compactado en laboratorio

    Figura 4 - Curva succión-humedad (agua y lixiviado)

     

    De acuerdo con los resultados (Figura 4), se observa que en los ensayos utilizando permeantes diferentes práticamente no hubo variación de comportamiento. Los resultados en el caso de la muestra no deformada presentan una gran dispersión. Estos resultados son aún preliminares en relación al programa de ensayos, que pretende investigar el papel que desempeña la succión osmótica en el comportamiento succión-humedad de un suelo sujeto a la contaminación por lixiviado.

    De una manera general se puede decir que el suelo es material inerte, no tiene materia orgánica y por lo tanto, no hay interación entre el lixiviado y el suelo. De acuerdo con la composición química del suelo no hay gran interactividad físico-química, para este tipo de suelo.

    Comparándose los resultados obtenidos con el suelo compactado "in situ" (Figura 4a) y el suelo compactado en laboratorio (Figura 4b), se observa que los valores tienen una tendencia semejante pero ocurre una menor dirpersividad de los valores en el caso del suelo compactado en laboratorio, donde se verifica el efecto de la compactación.

     

     

    2.5. Análisis de estabilidad

     

    El análisis de estabilidad de las cortinas de arcilla hecha através del uso del programa de ordenador - PC STABL 5M - donde se utilizaron parámetros geotécnicos obtenidos a través de ensayos de campo y laboratorio en la cortina experimental estudiada. Las situaciones simuladas a través del programa, están basadas en las solicitaciones presentes en el campo.

    El análisis de estabilidad fue realizado con el objetivo de determinar la sección (espesor e inclinación) y el factor de seguridad de la cortina en cada etapa del proceso de biorremediacón. La situación más crítica del proceso corresponde a la apertura de una de las células, la cual garantiza la estabilidad lateral de la cortina, quedando la otra célula rellena con basura. La sección adoptada, considerando un factor de seguridad mínimo de 1,5 está representada en la Figura 5.

    f basura = 14o f cortina = 18o

    FS = 1,70

    Figura 5 - Superficie de Ruptura Crítica

     

    La estabilidad de la cortina experimental demonstró bajos factores de seguridad respecto a la ruptura.

     

  5. CONCLUSIONES

 

 

AGRADECIMIENTOS

 

El programa experimental descrito fue desarollado por el Departamento de Engeniería Civil de la Universidad Federal de Pernambuco con el apoyo del CNPq e ATEPE/EMLURB/PCR.

 

Referéncias Bibliográficas

 

Conciani, W.; Herrmann, P. S. de P. & Soares, M.M. (1995), "The time domain reflectometry to study matrix suction. International Conference on Unsaturated Soils", Proceedings, v. 3, no. 1, Paris.

Jucá, J. F. T., W. D. Costa, V. E. D. Monteiro, E. A Santos (1997), "Geological and Geotechnical Studies Performed on The Muribeca Municipal Solid Waste Disposal in Recife, Brazil", International Symposium Engineer Geology and the Environment, IAEG, Athenas, Greece.

Mitchell, J. K., J. D. Bray; R. A. Mitchell (1995), "Material interactions in solid waste landfills", Geoenvironment 2000, ASCE Geotechnical Special Publication, v. 1, no. 46, pp. 568-590.

Monteiro, V. E. D. & J. F. T. Jucá (1998), "Geotechnical Studies of Clay Liners in a Municipal Solid Waste Landfill, Brazil". Third International Congress on Environmental Geotechinics, Lisboa, Portugal.

Monteiro, V. E. D. (1998), "Estudos Geotécnicos de Cortinas de Argila no Aterro da Muribeca, Pernambuco", Tese de Mestrado, Recife, Brasil.