Estudio Geotécnico de los Depósitos de Desechos Sólidos Urbanos (página 2)

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La investigación recientemente realizada más importante corresponde al año 2004, y fue publicada en el mes de abril. Corresponde a un equipo de ingenieros norteamericanos, representados por el Ingeniero Eric O. Andersen (1), quienes presentaron en la V Conferencia Internacional Sobre Casos Históricos de la Ingeniería Geotécnica, los resultados obtenidos en el monitoreo realizado a un tramo de autopista que cruza el antiguo vertedero de Everett, en Washington, U.S.A.

En la base de dicha autopista y a lo largo de unos 180 metros de longitud, se encontró un estrato de 4,5m a 6m de espesor de desechos sólidos urbanos compuestos por una mezcla de restos vegetales, materia orgánica, plásticos, textiles, metales, escombros y fragmentos de hormigón, en una matriz de lodo y arena resultante de la descomposición, y saturado por el agua subterránea.

Para realizar el monitoreo, se utilizaron placas de asentamiento y extensómetros, con los que se midió el asiento ocurrido en cada estrato. El tiempo de monitoreo fue de 28 meses (febrero de 2001 a Junio de 2003), y se obtuvieron asentamientos en el estrato de desechos en el orden de los 0,762m a 0,945m. Utilizando el método de Sowers, se calcularon valores de Cc y Cα en el orden de 0,17-0,23 y 0,024-0,030 respectivamente. Sin embargo, el valor de parámetros como el índice de poros y la densidad fueron supuestos, por lo que los resultados pudieran no corresponderse con la realidad, de ahí que no se consideró oportuno utilizar este modelo para realizar el pronóstico de asentamientos.

Por primera vez en el estudio de los desechos sólidos se recurrió entonces al Modelo Hiperbólico, propuesto con anterioridad para el estudio de suelos de turba aluvial y en general, suelos con propiedades geotécnicas difíciles de determinar. Investigadores como Sridharon y Tan consideran este método como muy efectivo en el análisis de la consolidación en el campo y, según este último, es muy popular en la ingeniería geotécnica japonesa.

El método hiperbólico asume que la relación entre el asentamiento (S) y el tiempo (t) se comporta como una línea recta en una gráfica lineal de (t/S) vs (t). Esta recta describe una relación hiperbólica entre ambas variables, y se ha demostrado su aplicación en rellenos con un grado de consolidación superior al 40%. El inverso de la pendiente (m) de esta línea representa el asentamiento final. Por tanto, una vez superado el 40% de consolidación del suelo, los valores de asientos en este pueden ser utilizados para predecir el asentamiento futuro.

La porción lineal de la gráfica de (t/S) vs (t) puede ser definida por la siguiente ecuación:

Donde c es el intercepto de la línea recta con el eje (t/S). La ecuación puede se redactada como sigue:

En tal ecuación, cuando el valor de tiempo t crece, el asentamiento S tiende a ser igual al inverso de la pendiente. A partir de tal razonamiento, ha sido demostrado (Sridharan et al. (28)) que la siguiente relación adimensional es también gráficamente recta.

Donde:

δ100 = asentamiento al 100% de consolidación.

Hi = altura inicial del estrato

m = pendiente de la recta (t/S)vs(t)

0,859 = coeficiente de correlación propuesto por Sridharan para suelos de

turba y sedimentos aluviales.

En el análisis del caso Everett, la aplicación del Modelo Hiperbólico arrojó resultados muy satisfactorios para la predicción de los asentamientos en el estrato de desechos sólidos urbanos. Empleándose el coeficiente de correlación 0,859, se obtuvo errores de predicción en el orden del 7% al 8% del asentamiento predicho respecto al observado. Al aumentar el coeficiente a 0,93, los errores de predicción disminuyeron a 3% y 4%, por lo que se estima este valor como óptimo en tal material. Los valores de asiento predicho y observado en el estrato de residuos se muestran en la gráfica de la figura 2.11.

El valor práctico del estudio del vertedero Everett radica en demostrar la aplicabilidad del Modelo Hiperbólico al estudio del fenómeno de la consolidación y la predicción de asentamientos en rellenos de desechos urbanos.

Este modelo se basa solamente en observaciones de campo y en la correlación matemática de los valores medidos, lo cual aventaja al modelo propuesto por Sowers, que requiere de conocer parámetros que caracterizan al material que se estudia.

2.3 Recuento de valores.

Múltiples investigaciones fueron realizadas en el mundo en tan solo 30 años, y tan numerosas como estas han sido las conclusiones que han llegado los investigadores. Sin embargo, la gran complejidad del tema se demuestra en el profundo desacuerdo que aún existe respecto al valor de los parámetros geotécnicos que caracterizan a los residuos sólidos urbanos como material de relleno.

El parámetro para el cual han sido propuestos mayor cantidad de valores es el índice de compresión para los procesos de consolidación primaria y secundaria. La tabla 2.2 muestra una recopilación de autores y rangos propuestos por cada uno.

Fig. 2.11: Relación entre asientos predichos y observados según el Modelo Hiperbólico (Andersen et al. 2004).

Con pequeñas discordancias, el rango de valores para el índice de compresión durante el proceso de consolidación primaria propuesto por Sowers (0,1-0,41) ha sido demostrado como válido en las investigaciones posteriores. Durante este proceso predominan los fenómenos físicos (compactación por peso propio, acomodamiento de las partículas por arrastre de los lixiviados, etc.) que en general no difieren en la forma que actúan sobre el relleno de desechos.

Por el contrario, el valor del índice de compresión en la consolidación secundaria es aún discutible, pues los rangos propuestos manifiestan aguda discordancia entre sí. En la consolidación secundaria actúan procesos que dependen fundamentalmente del tiempo, el clima, las condiciones de explotación del vertedero, la composición del residuo urbano, fenómenos muy variables y que inducen a resultados tan numerosos como investigaciones que se realizan. Es en este proceso donde resulta útil el Modelo Hiperbólico para la previsión de asentamientos en el tiempo.

Tabla 2.2: Autores y rangos de valores propuestos para el índice de compresión en la consolidación primaria y secundaria.

Otros parámetros que han sido frecuentemente investigados son la cohesión c y el ángulo de fricción Φ. La tabla 2.3 muestra los rangos de valores hallados por varios investigadores (compendio realizado por los autores).

Los valores de cohesión y ángulo de fricción muestran enorme variedad, lo cual hace pensar que también dependen del tiempo, de las condiciones y características de los residuos, así como de los fenómenos que ocurren en un vertedero sanitario.

Una propiedad tan simple como lo es el peso específico también carece de un valor reconocido. En general las muestras difícilmente son representativas de un relleno de residuos sólidos, de ahí que los valores obtenidos muestren discordancias. La tabla 2.4 resume algunos de los valores hallados a partir de muestreo extensivos muestreos, según compilación de los autores.

Tabla 2.3: Valores de cohesión y ángulo de fricción según distintos investigadores.

Tabla 2.4: Valores de peso específico de los residuos sólidos según varios investigadores.

2.4 Vertederos Sanitarios.

La disposición de residuos urbanos en vertederos sanitarios data de inicios del presente siglo. A finales de la década del 20’ del siglo pasado, las organizaciones medioambientales y de la salud, en un esfuerzo por dar solución a los focos de vectores y epidemias, y a la polución que se desarrollaba en el medio ambiente por efecto de los basureros a cielo abierto, como único método conocido de deponer desechos, impulsaron la creación de nuevas vías para deponer los residuales urbanos. Se implementó inicialmente la cremación, que pronto fue desechada debido a sus requerimientos energéticos y a la contaminación atmosférica.

Finalmente, a inicios de 1950, se comenzaron a utilizar excavaciones en las que se depositaban los desechos en forma de relleno sanitario, cubriéndolos con materiales inertes, y sin considerar la compactación, técnica que fue introducida posteriormente con el avance de los conocimientos científicos y las necesidades de alargar la vida útil de los vertederos.

Actualmente la ejecución de estas obras constituye el método generalizado internacionalmente en la disposición de residuos sólidos urbanos. Los países desarrollados son abanderados de la tecnología en esta rama, y utilizan estos vertederos con fines energéticos, es decir, la producción de energía eléctrica a partir de los gases generados.

La producción del composting, útil en la agricultura, también comienza a generalizarse. Los países subdesarrollados, si bien carecen en buena medida de las tecnologías necesarias, trabajan por desarrollar vertederos sanitarios sostenibles, dotados de las estructuras elementales que garanticen su explotación prolongada e inofensiva al medio ambiente. Los principales avances sobre geotecnia de vertederos son canalizados por el Comité Técnico TC 5 "Geotecnia Ambiental", de la ISSMGE, creado en el año 1994.

Un buen ejemplo de depósito sostenible es el Vertedero Sanitario Pichacay, de la Ciudad de Cuenca, en Ecuador. Amplia documentación gráfica recogida en la obra por el Ingeniero Rolando Armas Novoa, tutor, y la estudiante Verónica Fabiola Larriva, de la Universidad de Cuenca, muestra las técnicas que allí se adoptan.

Los desechos urbanos en el Vertedero de Pichacay, ciudad de Cuenca, se vierten en excavaciones realizadas previamente en el área de deposición (figura 2.12). Estas excavaciones son impermeabilizadas con geomembranas, e incluyen una red de canales en forma de "espina de pescado", para la recolección de los lixiviados (figuras 2.13 y 2.14).

Las geomembranas se cubren con neumáticos para evitar las roturas causadas por objetos punzantes, y la posterior infiltración de lixiviados (figura 2.15).

Fig. 2.12 Los residuos sanitarios urbanos de Cuenca son vertidos en excavaciones previamente realizadas e impermeabilizadas con geomembranas.

Fig. 2.13: Las geomembranas se extienden en la base del vertedero, formando una línea impermeable que protege las capas de suelo natural e impide la infiltración de lixiviados.

Fig. 2.14: Detalle en el que se muestra los canales trazados en la base de geomembranas, para la conducción de lixiviados.

Fig. 2.15: Geomembranas protegidas por neumáticos.

Una estructura particularmente utilizada en este vertedero son las torres de drenaje y salida de gases. Estas torres se construyen con armazones de madera y recubrimientos de mallas, en forma de prismas que se rellenan con áridos muy gruesos que actúan como filtro (ver figura 2.16). Tienen un doble propósito: el drenaje de los lixiviados hacia la geomembrana inferior, y la evacuación de los gases a la superficie. A tal efecto, se colocan regularmente espaciadas en el vertedero y de esta forma, se disipa el efecto de la presión de poros y se incrementa su estabilidad (ver figuras 2.17 y 2.18).

Los lixiviados extraídos del relleno, son conducidos a través de conducciones destinadas a ello, y en las cuales también se utilizan neumáticos como filtros y estabilizadores del talud (ver figura 2.19). Por su parte, los gases son quemados, aunque en una etapa posterior de desarrollo se considera su utilización con fines energéticos.

El vertimiento de residuos se realiza en superficies regulares (figura 2.20), dispuestos en taludes provistos de bermas, y que luego se perfilan y cubren con capas de áridos (figura 2.21).

Las áreas clausuradas del depósito son recubiertas de capa vegetal, para aumentar su estabilidad e integrarlas al medio ambiente. Se trabaja en la reforestación y se realiza una adecuada señalización (ver figuras 2.22, 2.23, 2.24 y 2.25).

Fig 2.16: Estructura simple de las torres de drenaje y escape de gases.

Fig. 2.17: Vista de una torre de escape de gases sobresaliendo sobre la cubierta del depósito.

Fig. 2.18: Vista general de las torres espaciadas regularmente en el vertedero.

Fig. 2.19: Conducciones de lixiviados, en las que los neumáticos se utilizan como filtros y para dar estabilidad a los taludes.

Fig. 2.20: Vertimiento de residuos en superficies regulares.

Fig. 2.21: Perfilado de taludes, y recubrimiento uniforme de áridos.

Fig. 2.22: Talud de un área clausurada, cubierto de césped y con señalizaciones.

Fig. 2.23: Depósito de gases protegido y señalizado. Al fondo, taludes con bermas y cubierta de césped.

Fig. 2.24: Trabajos de reforestación del área clausurada.

Fig. 2.25: Trabajos de reforestación del área clausurada.

El Vertedero Sanitario Pichacay, en la ciudad de Cuenca constituye un patrón de referencia en cuanto a explotación de obras de su tipo, y de su estudio resultan las siguientes consideraciones:

• La ejecución de excavaciones previas amplía las expectativas de explotación del vertedero.
• Aunque con algunas deficiencias en el manejo de los materiales impermeabilizantes por problemas económicos, la aplicación de los mismos es correcta, y pueden considerarse como el único elemento cuyo costo es significativo.
• Las estructuras empleadas en el tratamiento de lixiviados y extracción de gases pueden ser elaboradas manualmente y su aplicación es útil en el aspecto geotécnico, medioambiental y energético.
• Las labores de reforestación requieren únicamente de atención y dedicación por parte del personal que labora en esta actividad.

Capítulo 3: Experiencia Cubana.

3.1 Introducción.

El estudio geotécnico de los desechos sólidos en el mundo ha surgido y se ha desarrollado prácticamente en las últimas tres décadas. Aún más joven es esta materia en Cuba, donde cuenta apenas tres lustros. Si bien la implementación de vertederos sanitarios data de 1976, con la creación del situado en calle 100 y autopista a Pinar del Río, el estudio del material residual urbano es aún más reciente, y tiene su fundamento en la nueva situación económica y social del país, matizada por la expansión de la ciudad y la necesidad de reciclar.

En Cuba, pues, los estudios de los desechos sólidos urbanos se reducen a su cuantificación en peso y volumen por zonas de generación, caracterización de estos residuos, y ensayos geotécnicos elementales realizados en un antiguo estrato de tal material. En el diseño de los vertederos sólidos (y hasta ahora se ha diseñado sólo un diseño: el del vertedero de calle 100) se tiene en cuenta sólo un parámetro: el peso específico que alcanzará el relleno de residuos, parámetro que se rige por consideraciones muy particulares de los proyectistas.

3.2 Historia y situación actual.

La historia de los residuos sólidos en Cuba en años precedentes a la década del 70’ es bien simple: estos se disponían en basureros (depósitos de basura a cielo abierto, carentes en su totalidad de estructuras de protección o acondicionamiento alguno) ubicados en las afueras de la ciudad, donde era quemada parcialmente. En todas las ciudades del país se practicaba este procedimiento que, con excepción de Ciudad de La Habana, persiste hasta nuestros días. El mayor ejemplo de estos vertederos a cielo abierto es el basurero de Cayo Cruz, situado en las proximidades de la bahía de La Habana.

La creación del basurero de Cayo Cruz data de finales del siglo XIX, aunque no existe fecha definida, pues su origen se debió a la simple aglomeración de residuos urbanos que allí vertía por medios propios los habitantes de la ciudad. Particularmente este basurero se desarrolló en un área interior del núcleo poblacional, núcleo que se expandió sin necesidad de utilizar dicha área, al menos hasta los últimos años, de ahí que haya sido utilizada por más de 80 años como vertedero. La creación del Vertedero de Calle 100 y la implementación de un basurero en la zona del Cotorro, próximo a la circunvalación de la ciudad o "primer anillo", permitieron la clausura del basurero de Cayo Cruz, catalogado en la actualidad como zona de insalubridad urbana.

A partir del Triunfo de la Revolución, el Ministerio de Salud Pública (MINSAP), en interés de controlar la propagación de las epidemias, inició el monitoreo de los desechos sólidos urbanos, particularmente su composición. Los informes contenidos en el archivo central del MINSAP relacionan los porcentajes de componentes en estos residuos en los años 1960, 1969 y 1976, como se muestra en la tabla 3.1.

Tabla 3.1: Composición de los desechos sólidos urbanos según informes del MINSAP.

El aspecto más significativo observado en tales monitoreos es el alto contenido de materia orgánica, el cual prácticamente se duplica en los primeros 17 años posteriores al Triunfo de la Revolución. Además, en la ocasión en que se determinó el contenido de agua en los desechos, y que se referencia en la tabla como porcentaje de humedad, se evidencia que esta también es considerable. Los desechos sólidos urbanos monitoreados en 1976 pueden ser clasificados como altamente orgánicos, si se tiene en cuenta que un 59,5% de su contenido es materia orgánica fácilmente biodegradable, mientras que un 24,1% (correspondiente a papeles, cuero y textiles) son degradables a mediano y largo plazo, lo cual influye en los asentamientos futuros y en el modelo matemático adoptado para predecirlos.

En el caso del Modelo de Sowers, los valores del índice de compresión en la consolidación primaria adoptará valores próximos a CC=0,55e0 que se corresponden con el alto contenido de materia orgánica. Para las condiciones de humedad muestreadas en 1960 (30%), y las condiciones climáticas de Cuba, el índice de compresión en la consolidación secundaria adoptará valores próximos a Cα=0,09e0, teniendo en cuanta además las condiciones particulares de la zona de vertido.

Las características monitoreadas por el MINSAP fueron resumidas en el año 74 como muestra la tabla 3.2, y resulta evidente el alto contenido de humedad en la materia residual. Los valores de densidad corresponden a residuos no compactados.

Según Hernandez Rossié y Macías González (14), tales residuos pueden ser compactados hasta una densidad entre 400kg/m3 y 500kg/m3 en función del equipo que se utilice, así como reducciones del volumen en el orden de 2:1 y 3:1, o sea, la mitad o un tercio del volumen original.

Tabla 3.2: Algunas características de los residuos sólidos urbanos según informes del MINSAP.

En 1990, la Empresa de Servicios Comunales realizó la primera (y única realizada por tal entidad) investigación relacionada con la cuantificación y clasificación de los desecho urbanos que se generan en Ciudad de La Habana. En dos etapas de igual tiempo de duración, se midió el volumen, peso e índice de formación de "desechos comunales sólidos" (tal es la denominación adoptada por la empresa) en cada zona de la ciudad. A su vez, se obtuvieron los valores globales por municipio. La tabla 3.3 muestra tales resultados.

Entiéndase por índice de formación, la masa de desechos que genera un habitante en el día. Se expresa en kilogramo por habitante por día (kg/hab/día).

También se realizó una caracterización de la composición de tales residuos, cuyos valores, en porciento de unidad de volumen, se exponen en la tabla 3.4.

En la segunda etapa de evaluación no se presentaron los valores de peso, volumen en índice de formación correspondientes a tres municipios, aunque los valores totales sí los incluyen. Estos totales dan una clara idea de las magnitudes de desechos sólidos que requieren de manipulación diaria en la capital.

Desde el punto de vista geotécnico, el único aporte valioso de este estudio es la caracterización realizada a los desechos sólidos urbanos. Confirma el elevado contenido de materia orgánica fácilmente degradable, que se manifestará con grandes asentamientos una vez iniciados los procesos de biodegradación en un plazo de 30 a 90 días (según Sowers) a partir de la deposición. Estos procesos se identifican con la consolidación secundaria en este material.

Tabla 3.3: Resultados del muestreo realizado por la Empresa de Servicios Comunales en 1990.