Implantación de un nuevo aliviadero para la mejora de la seguridad de una presa de minería
Introducción
Por encargo de la compañía minera VALE, ENGECORPS ha desarrollado el proyecto conceptual de refuerzo de la presa Maravilhas II, con el objetivo de implementar medidas para garantizar la seguridad de la presa y el cumplimiento de las normativas técnicas actuales.
Entre las alternativas estudiadas, se seleccionó la que contemplaba la reducción del nivel de agua operativo del embalse, mediante el descenso del umbral del aliviadero, con la construcción de un nuevo aliviadero con mayor capacidad de descarga.
La presa Maravilhas II ha retenido durante años los residuos procedentes del relave de minería generado en la mina Pico y, actualmente, además de contener los residuos acumulados, recibe los sedimentos provenientes del área situada aguas arriba, acumula agua para la recirculación de la mina y promueve la clarificación del efluente final para adecuarlo a las exigencias de la normativa ambiental, antes de su vertido en el arroyo aguas abajo.
En una auditoría independiente realizada en 2019, teniendo en cuenta las condiciones piezométricas registradas en el monitoreo de la presa, los análisis de estabilidad de la misma indicaron que los factores de seguridad eran inferiores a los aceptables según la normativa técnica.
Con el objetivo de aumentar la seguridad de la presa, se propuso un conjunto de intervenciones, que contemplaban la disminución de la altura de la presa y la suavización de su talud aguas abajo, con la construcción de un nuevo aliviadero ubicado en el estribo derecho de la presa, restituyendo los caudales efluentes del embalse directamente en el arroyo, aguas abajo de la desembocadura del curso de agua donde se encuentra ubicada la presa.
En un drenaje de canal natural, próximo al estribo derecho de la presa, se había producido, a lo largo de los años, un proceso erosivo de gran profundidad que afectaba a toda la ladera. Con el objetivo de estabilizar esta área, se realizó una remodelación de la región erosionada utilizando el suelo de las excavaciones necesarias para la construcción del aliviadero.
Aliviadero al final de la construcción, con la presa y su embalse al fondo
Características de la estructura
Para que el nuevo aliviadero fuera operativo fue necesario construir un canal, conectado a la estructura de toma del embalse, ubicado en el estribo derecho de la presa. La estructura principal es de hormigón armado, compuesta por una estructura de control, equipada con compuertas ataguía, seguida de una rápida escalonada, finalizando en un cuenco amortiguador, de forma que el canal restituye el caudal de manera ordenada al arroyo Congonhas.
A partir del estudio de laminación de las crecidas hidrográficas afluentes al embalse de la presa, se obtuvo el caudal máximo efluente de 80,9 m³/s para la precipitación máxima probable (PMP).
El sistema de desagüe tiene un desnivel de aproximadamente 88 m entre el nivel del agua en el embalse de la presa y la margen del arroyo. Los escalones tienen 1,0 m de altura y la longitud de las plataformas se ajustó para acomodarse al perfil del terreno.
Aliviadero – Perfil longitudinal de la rápida escalonada
En cuanto a la geología del área del aliviadero, esta presenta suelos coluviales superpuestos a los suelos saprolíticos de las formaciones Fecho do Funil y Taboões, principalmente compuestas por litología filítica dolomítica, además de depósitos aluviales en las márgenes del arroyo.
Las excavaciones para la implementación del aliviadero retiraron los suelos coluviales en la ladera, apoyando la estructura directamente en los suelos saprolíticos. En la margen del arroyo, los depósitos aluviales fueron parcialmente eliminados, tratando el tramo aguas abajo del cuenco amortiguador mediante sustitución por enrocado, conteniendo el perímetro del área de tratamiento mediante estacas tipo raíz.
Vista de las excavaciones para el aliviadero con sus accesos para construcción
Debido a la proximidad del área urbana, el propietario solicitó que la rápida escalonada estuviera dotada de una losa de cobertura por motivos acústicos. Así, en la ladera, la estructura está compuesta por una sección en galería cerrada con tres compartimentos, que se desarrolla desde el Módulo 1 (aguas abajo de la estructura de control) hasta el Módulo 9 (aguas arriba del cuenco amortiguador).
En los módulos 1 a 9 se instaló un sistema de drenaje para aliviar la posible presión interna en la cimentación (subpresión). En los módulos 10 y 11, correspondientes al cuenco amortiguador, la estructura se dimensionó para resistir la subpresión hidráulica, así como los esfuerzos de empuje de tierras no equilibrados entre ambos laterales.
Estructura del cuenco amortiguador del aliviadero – Perfil hidráulico y empujes de tierra
Modelación Numérica 3D
La modelación numérica 3D del aliviadero comprende la estructura hidráulica desde el canal de conducción hasta la estructura de control, la rápida escalonada y el cuenco amortiguador. Debido a las dimensiones del sistema, y teniendo en cuenta el nivel de detalle necesario para que los fenómenos físicos fueran correctamente representados, las simulaciones se dividieron en tres tramos:
- Primer tramo: comienza en la margen derecha del embalse con el canal de conducción, la estructura de control y los cuatro primeros escalones.
- Segundo tramo: consiste en uno de los compartimentos de la rápida, dado que la geometría es la misma y los caudales son aproximadamente los mismos.
- Tercer tramo: consiste en los tres compartimentos de la rápida en escalones y el cuenco amortiguador.
El software utilizado para el modelo numérico 3D de la simulación hidráulica del aliviadero ha sido OpenFOAM, que se basa en la dinámica computacional de fluidos (DCF). DCF es un área de la mecánica de fluidos que utiliza análisis numéricos y estructuras de datos para analizar y resolver problemas que involucran el flujo de fluidos, procesando con ordenador los cálculos necesarios para simular el movimiento de los fluidos (líquidos y gases) y sus interacciones con superficies u objetos definidos mediante condiciones de contorno.
En los resultados de las simulaciones del tramo 1 se observa, en la estructura de control, que la velocidad del agua aumenta en las contracciones para la captación de agua en cada uno de los compartimentos. En el tramo escalonado se observa la formación de vórtices en cada escalón, según lo previsto en el diseño, con la formación del régimen skimming flow. El flujo se mantiene siempre en condición libre, tanto en el tramo de canal abierto como en el tramo de canal cerrado.
En los resultados de las simulaciones del tramo 2 se observan las presiones a lo largo de los escalones, con la presencia de presiones negativas inmediatamente aguas abajo de los bordes de todos los escalones, debidas a la contracción del flujo por los vórtices generados en los mismos, seguida por un aumento de la presión debido al impacto con el fondo de los escalones.
Resultados del Tramo 1 – Velocidades: a) vista en planta; b) perfil longitudinal; c) vista isométrica
Resultados del Tramo 2 – Presiones: a) segmento1; b) segmento2; c) segmento3; d) segmento4
Para el tramo 3 se realizaron dos simulaciones: El escenario A para verificar el borde libre considerando el NA máximo en el arroyo y el escenario B para verificar la contención del resalto hidráulico en el interior del cuenco amortiguador para el NA mínimo en el arroyo. En los resultados de las simulaciones se observa, en el escenario A, la existencia de un borde libre de 1,0 m al final del cuenco amortiguador, con una buena cantidad de aire en el flujo en la zona turbulenta, mientras que en el escenario B, se observa la formación del salto hidráulico en el interior del cuenco amortiguador, desarrollándose libremente sin escapar hacia el canal de restitución o hacia el arroyo.
Resultados del Tramo 3 – Velocidades: a) escenario A; b) escenario B
Los resultados de las simulaciones numéricas 3D desarrolladas en OpenFOAM atestiguan el buen desempeño hidráulico de la estructura del aliviadero: el canal de conducción tiene dimensiones adecuadas, la división del flujo en la estructura de control se realiza de forma ordenada y equitativa, en la rápida escalonada la altura es suficiente para el caudal máximo, incluso en los lugares donde se producen algunas oscilaciones de flujo debido al cambio de la pendiente longitudinal, en el cuenco amortiguador se respetó el borde libre mínimo y el resalto hidráulico quedó contenido dentro de la longitud de la estructura.
A partir de los resultados de estos estudios, se decidió instalar tuberías para aireación en la base de los escalones, para evitar la formación de presiones negativas que podrían generar cavitación en las paredes y en la base de los escalones. Además, se instalaron ventanas en todos los módulos para permitir la inspección y posibles reparaciones.
Construcción del aliviadero
El proyecto contempla un acceso para la construcción que se discurre desde la cresta de la estructura de control hasta el lado del cuenco amortiguador. Este acceso permite el mantenimiento a lo largo de toda la escalera del aliviadero, con accesos intermedios al techo de la galería.
Acceso para construcción/mantenimiento en el aliviadero. a) tramo superior; b) tramo inferior
Una vez que la presa ya estaba construida y su embalse lleno, las obras del aliviadero tuvieron que ser debidamente protegidas contra eventuales elevaciones del nivel del embalse aguas arriba. Igualmente, las obras en la margen del arroyo tuvieron que planificarse manteniendo una protección contra crecidas en el área de trabajo aguas abajo.
Áreas de trabajo protegidas contra inundaciones a) tramo superior; b) tramo inferior
Para restituir el caudal vertido desde el embalse de la presa Maravilhas II, fue necesario realizar obras en el cauce del arroyo Congonhas, reconfigurando sus márgenes y ampliando su canal. Todo el tramo de intervención fue protegido con enrocado de diámetro compatible con la velocidad de flujo esperada para una avenida de período de recurrencia de 100 años.
Intervenciones en el cauce del arroyo Congonhas en el entorno del cuenco amortiguador
Este aliviadero entró en operación en el cuarto trimestre de 2025 y ha experimentado, a principios de 2026, su primer período hidrológico húmedo, con lluvias intensas, mostrando un desempeño satisfactorio, consistente con las hipótesis y parámetros adoptados en el diseño.
Recuperación del área erosionada
Las obras para aumentar la seguridad de la presa de minería incluyeron la recuperación de una extensa área erosionada en la ladera, entre el estribo derecho de la presa y el nuevo aliviadero a construir.
La ladera presentó un proceso evolutivo debido al afloramiento del manto freático en un suelo con potencial erosivo. Las paredes de esta quebrada mostraban una estabilidad precaria, con deslizamientos durante los períodos de lluvia. Al inicio de las intervenciones, el área afectada tenía una extensión de 250 m, una profundidad de hasta cerca de 40 m y un ancho en la superficie de 86 m.
Para recuperar el área erosionada, el primer paso fue estabilizar sus paredes mediante excavación, suavizando la pendiente, con un volumen total de excavación en suelo de 90.000 m³. Estas excavaciones permitieron acceder con seguridad al fondo de la cárcava para la instalación de un drenaje interno, compuesto por arena y grava, que fue cubierto con el relleno compuesto por los suelos de las excavaciones necesarias para el aliviadero.
Vista de las excavaciones realizadas para la estabilización del área erosionada
Las excavaciones alcanzaron la margen derecha del arroyo, donde se implantó un relleno de enrocado en la base del área recuperada, recibiendo el caudal recolectado en el drenaje del fondo de la quebrada, incluyendo algunas contribuciones de afloramiento de agua en sus paredes.
Después de que las excavaciones produjeran la estabilización de la quebrada, se construyó un relleno de suelo en capas, desde la base hasta la cresta, sobre el drenaje de fondo previamente ejecutado. Se dispuso un volumen total de 300.000 m³ en relleno, compuesto por suelo, arena, grava y enrocado.
Relleno en ejecución en el área erosionada, con la presa y el aliviadero al fondo
El área recuperada fue cubierta con césped, integrándola plenamente con la morfología natural de la ladera. Un sistema de drenaje superficial recoge las aguas pluviales, conduciéndolas de manera ordenada hasta la margen del arroyo, previniendo posibles nuevos procesos erosivos.
Área recuperada finalizando el drenaje superficial y el revestimiento de césped
Consideraciones finales
La implementación de las obras de refuerzo ha mejorado las condiciones de estabilidad de la presa de minería Maravilhas II, en conformidad con los requisitos normativos previstos en la legislación vigente. Con tales intervenciones, la presa ha alcanzado el cierre del nivel de emergencia por parte de la Agencia Nacional de Minería (ANM), recibiendo la Declaración de Condición de Estabilidad (DCE) positiva, documento técnico que acredita la seguridad de la estructura.
La construcción del nuevo aliviadero, con la reducción del nivel de agua operativo del embalse y el aumento de su capacidad de desagüe, se ha ejecutado paralelamente a las obras de refuerzo de la presa, contemplando la reducción de la altura de la misma, la suavización de su talud aguas abajo y el tratamiento de las cimentaciones en la base. Paralelamente, las obras para la recuperación del área erosionada han permitido la remodelación de la ladera natural, aumentando la seguridad y aprovechando los volúmenes excedentes de las excavaciones necesarias para la construcción del nuevo aliviadero.
Los diseños del nuevo aliviadero y de la recuperación del área erosionada han sido desarrollados por ENGECORPS, paralelamente al proyecto de refuerzo de la presa, que ha sido realizado por otra empresa brasileña. Hay que destacar que estos diseños fueron verificados y certificados por una empresa de consultoría internacional, lo que acredita la calidad de los trabajos realizados.
