TR-351 - Rendimiento hidráulico de los revestimientos

TR-351 - Rendimiento hidráulico de los revestimientos

REFERENCIA TÉCNICA
RENDIMIENTO HIDRÁULICO DE
LOS RECUBRIMIENTOS FINALES CON GCL
Durante la década pasada, diversos estudios sobre el terreno han evaluado el rendimiento de los
GCL en funcionamiento en situaciones reales de los recubrimientos finales en los vertederos. Los
resultados de estos estudios han sido dispares y a veces confusos. Esta referencia pretende
resumir los hallazgos más significativos de dichos estudios, clarificar las condiciones que pueden
afectar a la conductividad hidráulica a largo plazo de los GCL en los recubrimientos finales, y
proporcionar ciertas recomendaciones para conservar dicho rendimiento hidráulico a largo plazo de
los GCL.
Recubrimientos compuestos de geomembrana/GCL
En 1998, la USEPA lanzó el programa ACAP (Alternative Cover Assessment Program [Programa de
evaluación de recubrimientos alternativos]) para evaluar el rendimiento a gran escala de los
recubrimientos alternativos y convencionales para vertederos (Albright et ál. 2010). Se construyeron
instalaciones para realizar pruebas y se vigilaron 12 lugares a lo largo de EE.UU. De estos, dos
emplazamientos, uno en Boardman (Oregón) y el otro en Apple Valley (California), utilizaron
sistemas de cobertura con geomembrana/GCL. Los datos que presentaron Albright et ál. (2010)
mostraron que los sistemas de cobertura con geomembrana/GCL fueron los que mejor rendimiento
mostraron durante todo el estudio, obteniendo una filtración de 0 mm/año. Téngase en cuenta que
el componente de GCL de ambos sistemas de revestimiento compuesto había sufrido intercambio
iónico por el contacto con sustratos subterráneos abundantes en calcio (Scalia y Benson, 2011); no
obstante, el revestimiento compuesto dio en general mejor rendimiento que los sistemas de
geomembrana/CCL (en cinco emplazamientos, con índices de filtración de hasta 29 mm/año).
Por el contrario, los recubrimientos que constaban solo de suelo compactado dieron los peores
resultados (en tres de los emplazamientos, con índices de filtración de 7,4 a 156 mm/año, y en
aumento con el transcurso del tiempo). Benson et ál. (2007) advirtieron que durante un periodo de
seguimiento de 4 años, la conductividad hidráulica saturada de las barreras que revestían los suelos
se incrementó hasta en un factor de 10000. Los recubrimientos de evapotranspiración (ET) que se
instalaron en los 12 emplazamientos mostraron un rendimiento francamente variable, con un
promedio de índices de filtración de entre 0 y 207 mm/año (Tabla 1). El rendimiento que mostraba el
recubrimiento de ET estaba estrechamente relacionado con el clima, siendo las tasas de filtración
menores en aquellos sitios con climas áridos o semiáridos, y los mayores índices de filtración en
lugares con climas húmedos o semihúmedos. Se obtuvieron índices bajos de filtración solo en
lugares con precipitaciones moderadas o infrecuentes.
Revestimientos de GCL laminados con geopelícula (GCLL)
Benson et ál. (2007) construyeron unos recintos para pruebas con GCL sin reforzar, laminado con
una geopelícula de polietileno, de 0,1 mm de grosor (Claymax 600CL). Se construyeron dos fases:
En la primera, el GCL laminado se instaló con la geopelícula hacia abajo; en la segunda se instaló
con la película orientada hacia arriba. Se utilizaron lisímetros para medir la filtración a lo largo de
cada sección de prueba. Las mediciones dieron lugar a índices de máximos de filtración inferiores a
TR-351
TR_351_AM_SP_201402_v1
Revisado el 10/2013
REFERENCIA TÉCNICA
los 18 mm/año, así como índices medios de filtración de 2,6 y 4,1 mm/año con los dos lisímetros,
respectivamente, durante un periodo de 6 años.
Recubrimientos de solamente GCL
Mackey y Olsta (2003) excavaron muestras de dos sistemas de GCL solamente, ubicados en
zonas húmedas de Florida. Las muestras de GCL que se desenterraron estaban húmedas, sin
indicios de grietas por desecación. Durante el desenterramiento, se observaron varios
fragmentos de conchas en los sustratos de recubrimiento, indicando la presencia de carbonato
cálcico. Los análisis de las muestras de bentonita de las GCL desenterradas (entre otros el
índice de hinchamiento, la pérdida de líquido y la química de cationes) confirmaron que se
había producido intercambio de iones calcio por sodio. Sin embargo, las pruebas de
conductividad hidráulica en las muestras de GCL desenterradas empleando agua desionizada
mostraron valores de entre 8,5 x 10-9 y 2,1 x 10-8 cm/s (vertedero Alfa), y de entre 3,5 x 10-9 y
2,3 x 10-8 cm/s (vertedero Beta). Estos valores solo eran ligeramente mayores que la
conductividad hidráulica en el momento de su producción (<5 x 10-9 cm/s) y siguen siendo
propios de una barrera de baja permeabilidad hidráulica. De manera similar, Egloffstein (2002)
solo obtuvo aumentos de la permeabilidad moderados al desenterrar muestras de varios
sistemas de recubrimiento de vertederos en climas húmedos, donde es menos probable que
exista desecación.
Mansour (2001) obtuvo muestras de un revestimiento solo de GCL transcurridos 5 años desde
que empezó a utilizarse, en un lugar de California de clima semiárido. El sustrato del suelo en
contacto con el GCL era abundante en sodio. Como resultado de esto, las propiedades de la
arcilla del GCL desenterrado eran características de la bentonita sódica, y la conductividad
hidráulica media de las muestras de GCL era de 1,9 x 10-9 cm/s.
Meer y Benson (2007) desenterraron muestras de GCL de cuatro sistemas de recubrimiento
para vertederos, dando unos valores de conductividad hidráulica en el laboratorio de entre
5x10-9 cm/s y 2x10-4 cm/s con solución diluida de calcio (0,01 M CaCl2, según el método ASTM
D5084). (Otros trabajos posteriores de Scalia y Benson [2010] mostraron que la conductividad
hidráulica de las muestras de GCL extraídas eran extremadamente sensibles a la composición
química de las aguas que las bañaban, y recomendaron realizar las pruebas con soluciones
diluidas que tuvieran tanto calcio como sodio, para que representaran mejor las condiciones de
una situación real). El contenido en humedad de las muestras varió desde el 30 % hasta el 200
%. Se observó una clara relación entre la conductividad hidráulica y el contenido en agua del
GCL en el momento de la toma de muestras, algunas de ellas con proporciones de humedad
superiores al 50 o al 100 %, denotando los valores más bajos de conductividad hidráulica. Los
análisis de las muestras de bentonita desenterradas (entre otros el índice de hinchamiento y la
química de cationes) confirmaron que se había producido intercambio de iones calcio por sodio
en la mayoría de los casos.
Investigación en laboratorio
Desde que se hizo patente que la conductividad hidráulica se veía afectada por el intercambio
catiónico combinado con los ciclos de sequedad y humedad, Benson y Meer (2009) realizaron
más análisis en laboratorio para investigar dichos dos mecanismos. Las muestras de GCL se
TR-351
TR_351_AM_SP_201402_v1
Revisado el 10/2013
REFERENCIA TÉCNICA
sometieron a ciclos repetidos de sequedad y humedad con soluciones de diversa fuerza iónica
y proporciones distintas de calcio y sodio disueltos. Las soluciones de prueba se clasificaron en
función de la relación de cationes monovalentes y divalentes (RMD), que se define como:
[Na ]+ [K ]
[Ca ]+ [Mg ]
+
RMD =
2+
+
2+
Valores altos de RMD indican entornos abundantes en sodio poco propicios a que se produzca
intercambio catiónico con la bentonita, mientras que valores bajos de RMD indicarán entornos
abundantes en calcio en los que es más probable que se produzca el intercambio catiónico. La
Figura 1 es un extracto del estudio de Benson y Meer (2009), y muestra que los GCL expuestos
a soluciones con valores altos de RMD (≥ 0,14 M1/2) mantenían una baja conductividad
hidráulica a largo plazo (del orden de entre 10-9 y 10-8 cm/segundo), incluso después de 10
ciclos de humedad-sequedad. Por el contrario, los GCL expuestos a soluciones con valores
bajos de RMD mostraron un aumento de la conductividad hidráulica tras ciclos repetidos de
humedad y secado, con los aumentos más significativos asociados a soluciones con valores de
RMD ≤ 0,10 M1/2.
Figura 1. Equilibrio de la conductividad hidráulica en los GCL sometidos a ciclos de humedad y
secado con soluciones de RMD diferentes y dos fuerzas iónicas distintas (de Benson y Meer,
2009).
TR-351
TR_351_AM_SP_201402_v1
Revisado el 10/2013
REFERENCIA TÉCNICA
Consecuencias prácticas
Conforme a estos estudios de casos, se hace patente que la combinación de los procesos de
intercambio iónico y la desecación pueden aumentar la conductividad hidráulica del GCL en
recubrimientos de solo GCL. Sin embargo, si uno de los dos mecanismos se elimina, como en
los estudios de casos de Mackey y Olsta (intercambio catiónico sin desecación) o de Mansour
(desecación sin intercambio iónico), el GCL puede mantener una conductividad hidráulica baja
a largo plazo, del orden de entre 10-9 y 10-8 cm/s.
Para evitar la deshidratación, se puede usar tanto el compuesto de recubrimiento
(geomembrana sobre GCL) como el GCL laminado con la geopelícula orientada hacia arriba.
En ambos casos ha de situarse el GCL sobre suelo compactado húmedo. Los GCL situados en
un subsuelo preparado con un contenido óptimo de agua (o incluso más húmedo) se hidratarán
completamente a los 60-90 días (USEPA 1996, Bradshaw 2008), con la mayor parte de la
hidratación teniendo lugar cuando el contenido acuoso del subsuelo esté hidratado a un nivel
óptimo. Además, la geomembrana debería cubrirse con tierra tan pronto como se pueda. Como
se indicó anteriormente, el rendimiento sobre el terreno de los recubrimientos finales con
barreras compuestas de GCL resulta excelente. Los índices de filtración son habitualmente
inferiores a 1 mm/año en regiones áridas, y se han medido índices menores de 5 mm/año con
GCL laminados en zonas de clima húmedo. Se calculan índices de filtración incluso menores
en zonas húmedas si se utilizan GCL recubiertos de geomembranas, aunque no se dispone de
datos de situaciones reales sobre dichas coberturas.
Se puede limitar el intercambio catiónico si los terrenos de recubrimiento contienen suficiente
sodio. Benson and Meer (2009) observaron que cuando el RMD de la solución de empapado
era al menos 0,14 M1/2, solo se apreciaba un ligero aumento de la conductividad hidráulica.
Conclusiones y recomendaciones
A partir de los hallazgos aquí mencionados, se hacen las siguientes recomendaciones en
cuanto al uso de GCL en recubrimientos finales:
•
En las cubiertas definitivas, los GCL deberían usarse acompañados de una
geomembrana o de una geopelícula encima, a menos que el RMD del agua intersticial
en el sustrato en contacto con el GCL sea de al menos 0,14 M1/2. El RMD del agua
intersticial del terreno se puede medir con el método ASTM D-6141.
•
Los GCL deben situarse sobre un terreno húmedo (a humedad óptima o superior) para
hacer que la bentonita se hidrate rápidamente. La tierra del recubrimiento superior
deberá añadirse lo antes posible tras colocar la geomembrana para minimizar la
potencial deshidratación de la bentonita.
Aunque los GCL recubiertos de geotextil convencionales en recubrimientos pueden verse
alterados por el efecto combinado del intercambio iónico y la desecación, los datos muestran
que los recubrimientos finales con barreras compuestas de geomembrana/GCL o GCL
TR-351
TR_351_AM_SP_201402_v1
Revisado el 10/2013
REFERENCIA TÉCNICA
laminados funcionan realmente bien. Se han medido índices de filtración inferiores a 5 mm/año
en zonas de clima continental, y filtraciones cercanas a cero en climas áridos y semiáridos.
Bibliografía
Albright, W.H., Benson, C.H., Gee, G.W., Abichou, T., McDonald, E.V., Tyler, S.W., and Rock,
S.A. (2006), Field Performance of a Compacted Clay Landfill Final Cover at a Humid Site.
Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 132(11), 1393-1403.
Albright, W., Benson, C., 2005. Alternate Cover Assessment Program (ACAP). Prepared by the
Desert Research Institute for the Office of Research and Development National Risk
Management Research Lab Land Remediation and Pollution Control Division.
Benson, C., Thorstad, P., Jo, H., Rock, S. (2007), Hydraulic performance of geosynthetic clay
liners in a landfill final cover. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,
133(7), 814-827.
Benson, C. and Meer, S. (2009), “Relative abundance of monovalent and divalent cations and
the impact of desiccation on geosynthetic clay liners”, Journal of Geotechnical and
Geoenvironmental Engineering, 135(3), 349-358.
Benson, C.H. and Scalia, J. (2010), “Hydraulic conductivity of exhumed geosynthetic clay liners
from composite barriers.” GBR-C 2k10, 3rd International Symposium on Geosynthetic Clay
Liners, Wurzburg, Germany.
Mackey, R.E. and Olsta, J.T., “Performance of Geosynthetic Clay Liners used in two Landfill
Closures in a Coastal Area of Florida”, Advances in Geosynthetic Clay Liner Technology: 2nd
Symposium, ASTM STP 1456.
Mansour (2001), GCL Performance in semi-arid climate conditions. Proceedings Sardinia 2001,
Eight International Waste Management and Landfill Symposium, 219-226.
Meer, S. and Benson, C. (2007), “Hydraulic conductivity of geosynthetic clay liners exhumed
from landfill final covers.” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,133(5),
550-563.
Scalia, J. and Benson, C.H. (2010), Effect of Permeant Water on the Hydraulic Conductivity of
Exhumed GCLs. ASTM Geotechnical Testing Journal, 33(3), 1-11.
Scalia, J. and Benson, C.H. (2011), Hydraulic conductivity of geosynthetic clay liners exhumed
from landfill final covers with composite barriers, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering, 137(1), 1-13.
TR-351
TR_351_AM_SP_201402_v1
Revisado el 10/2013