編者說明：
作為Fund?o礦山尾礦壩潰決高級(jí)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)劃的一部分，KCB溫哥華巖土實(shí)驗(yàn)室使用GDS Instruments的EMDCSS設(shè)備進(jìn)行直接單剪試驗(yàn)，以獲得：
（1）不排水單剪試驗(yàn)的峰值和大應(yīng)變抗剪強(qiáng)度；
（2）不排水動(dòng)單剪試驗(yàn)中循環(huán)荷載作用下的反應(yīng)；
（3）以及靜偏壓不排水動(dòng)單剪試驗(yàn)中循環(huán)荷載作用下的反應(yīng)。
Fund?o礦山尾礦壩潰壩
2020年2月12日，CLAIRE SMITH克萊爾·史密斯
詹姆斯·霍普金斯和卡爾·斯內(nèi)林，英國(guó)GDS公司
翻譯：陳棟
1.0簡(jiǎn)介
2015年11月5日下午3時(shí)45分，位于巴西東南部米納斯吉拉斯州（Minas Gerais）的110米高的Fund?o礦山尾礦壩在液化流滑坡中坍塌。這次事故將大約4300萬(wàn)立方米的鐵礦尾礦排放到環(huán)境中，污染了超過600公里的河道（Fonseca do Carmo等人，2017年），并導(dǎo)致19人死亡。
當(dāng)時(shí)，這起事件被認(rèn)為是巴西最嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難，迄今為止，礦主損失了數(shù)十億美元（Ridley和Lewis，2019年）。
Fund?o尾礦壩審查小組是在坍塌之后召集起來(lái)的，目的是調(diào)查和確定Fund?o尾礦壩在液化流動(dòng)滑坡中失穩(wěn)的原因。
專家小組于2016年8月報(bào)告了其調(diào)查結(jié)果（Morgenstern等人，2016年），得出結(jié)論認(rèn)為，大壩內(nèi)部發(fā)生液化的必要條件在潰決之前就存在（即存在松散、飽和的砂尾礦），砂尾礦下方富泥沉積物的側(cè)向擠壓觸發(fā)了液化流滑。
本案例研究簡(jiǎn)要總結(jié)了專門小組報(bào)告的許多巖土工程發(fā)現(xiàn)。具體地說，它著重于在調(diào)查期間進(jìn)行先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方方面面，該計(jì)劃采用了由英國(guó)GDS公司設(shè)計(jì)和制造的先進(jìn)的循環(huán)單剪系統(tǒng)。
建議讀者參考由Cleary Gottlieb Steen和Hamilton發(fā)表的公開發(fā)表的專家組報(bào)告，以獲取關(guān)于Fund?o尾礦壩潰決的詳細(xì)評(píng)論。有關(guān)持續(xù)環(huán)境影響和法律案件的更多信息可在更廣泛的媒體上獲得。
圖1:Fund?o尾礦壩于2016年7月7日發(fā)生故障后約8個(gè)月。圖片由Ibama提供。
2.0 Fund?o礦山尾礦壩
修建Fund?o礦山尾礦壩（圖1）是為了保留鐵礦石選礦產(chǎn)生的砂和礦泥尾礦。砂尾礦以泥漿形式運(yùn)輸，由砂和粉粒大小的顆粒組成，通常允許在沉積后快速排水。
然而，由于采用液壓方式擺放，砂層通常是松散和未壓實(shí)的。礦泥尾礦也作為泥漿運(yùn)輸，被歸類為低塑性粘土（盡管只含有一小部分粘土礦物），其產(chǎn)生的沉積物比砂土更可壓縮且滲透率更低。
由于要保留兩種不同的材料類型，最初的大壩設(shè)計(jì)采用了“排水立管”理念，如圖2示意圖所示。這一概念旨在逐步將沙堆積在初期壩后，將淤泥保留在砂堆后面，并采用上游式施工方式將初期壩抬高至砂土頂部。
圖2：“排水立管”理論的通用原理示意圖
該設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵條件是在松散、未壓實(shí)的砂土中保持足夠的排水，以使砂土保持不飽和狀態(tài)，不易發(fā)生靜態(tài)液化。這一條件將通過三個(gè)因素得到滿足：在初期大壩下方修建一個(gè)大容量排水系統(tǒng)；在左右壩肩下修建混凝土廊道（直徑2m的導(dǎo)管），以將上游地表水流入大壩下游；在尾礦沉積過程中，通過保持距壩頂200m的沙灘寬度，將黏質(zhì)土與砂子分離，從而不會(huì)阻礙沙子的向下排水。
初期大壩建設(shè)，包括大容量排水系統(tǒng)和混凝土廊道的施工，已于2008年10月完成。2009年4月開始排放尾礦。然而，在2015年11月潰壩之前，在大壩運(yùn)行和蓄水過程中遇到了許多問題。其中包括：
? 大容量排水系統(tǒng)存在嚴(yán)重的施工缺陷，導(dǎo)致2009年發(fā)生內(nèi)部腐蝕事件。這導(dǎo)致大容量排水系統(tǒng)被封閉，并最終實(shí)施了修訂后的排水設(shè)計(jì)。重要的是，大容量排水系統(tǒng)發(fā)生故障后，更廣泛的砂土發(fā)生了飽和。
? 2011年和2012年期間，難以維持200m的設(shè)計(jì)沙灘寬度，淤泥接近壩頂60米。重要的是，這導(dǎo)致礦泥沉積在原來(lái)保留來(lái)用于砂沉積的區(qū)域。
? 左橋臺(tái)下方混凝土廊道的結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致廊道在2013年被封閉。重要的是，這導(dǎo)致了左壩肩的后續(xù)施工轉(zhuǎn)移調(diào)整到上游，更靠近（事實(shí)上，上面的）沉積了礦泥的區(qū)域。
還應(yīng)注意到，在潰壩前約90分鐘，大壩附近發(fā)生了三次1.8至2.6級(jí)的低震級(jí)地震。
3.0專家小組調(diào)查潰壩
目擊者的陳述和物證證實(shí)，大壩在液化流滑中坍塌，從左壩肩開始。這一出發(fā)點(diǎn)使專家組集中討論了為什么會(huì)發(fā)生液化流滑，為什么會(huì)在左壩肩開始，以及為什么在2015年11月5日發(fā)生。
為了回答這些問題，專家小組進(jìn)行了一項(xiàng)系統(tǒng)的調(diào)查，需要收集目擊者訪談和大壩儀器數(shù)據(jù)、分析和地震研究以及對(duì)潰決前的大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬重建。
對(duì)潰壩材料（即砂泥尾砂）潰前工程性質(zhì)和性能的估計(jì)虛擬大壩重建需要的基礎(chǔ)化輸入。這些估計(jì)主要是根據(jù)地下實(shí)地調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的，后者主要是專家小組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案中獲得的。該方案包括對(duì)從壩址獲取的砂土鏟挖表面樣本以及從附近Germano尾礦庫(kù)獲得的礦泥中重建/重塑的樣本進(jìn)行高級(jí)直接單剪（DSS）和三軸（TX）測(cè)試。
4.0高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案
4.1單剪和循環(huán)動(dòng)單剪實(shí)驗(yàn)
Klohn Crippen Berger（KCB）對(duì)砂和礦泥樣本進(jìn)行了15次恒定體積的DSS測(cè)試，作為專家組高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃的一部分。本試驗(yàn)采用GDS電機(jī)動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪（EMDCSS）裝置（圖3）進(jìn)行，該裝置通過低柔度設(shè)計(jì)的DSS裝置，使剪切（單調(diào)和/或循環(huán)）過程中保持恒定的試樣體積，通過一堆低摩擦疊環(huán)（或者，也可以使用鋼絲增強(qiáng)型橡膠膜）進(jìn)行主動(dòng)高度控制和物理側(cè)向約束。試驗(yàn)按照ASTM D6528試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM，2007）進(jìn)行。
在GDS-EMDCSS裝置內(nèi)KCB測(cè)試了9個(gè)砂樣，標(biāo)稱直徑為70mm，固結(jié)150kPa至600kPa間的垂直有效應(yīng)力。在五個(gè)周期剪切試件中，兩個(gè)在固結(jié)階段施加了初始剪應(yīng)力偏差（分別為垂直有效固結(jié)應(yīng)力的17.5%和35%）。以0.1Hz的頻率施加循環(huán)荷載，施加的循環(huán)應(yīng)力比（CSR）由專家小組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)分析進(jìn)行指導(dǎo)。
KCB在GDS EMDCSS裝置內(nèi)測(cè)試的六個(gè)礦泥樣本標(biāo)稱直徑也為70mm，并在相同的垂直有效應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)，這與在砂土測(cè)試期間用的相同。在循環(huán)剪切的三個(gè)試樣中，一個(gè)試樣在固結(jié)過程中施加了初始剪應(yīng)力偏差（垂直有效固結(jié)應(yīng)力的17.5%），另一個(gè)試樣在單調(diào)剪切至20%剪切應(yīng)變后施加循環(huán)荷載。
從恒定體積單調(diào)DSS試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)得出了砂土的峰值不排水強(qiáng)度比（即峰值水平剪切應(yīng)力除以垂直有效固結(jié)應(yīng)力）的估計(jì)值，范圍為0.12至0.14，泥質(zhì)土的峰值不排水強(qiáng)度比為0.16至0.17。據(jù)估計(jì)，砂樣估算的先期固結(jié)孔隙比在1.04到0.93之間，而泥質(zhì)土估算的試樣的孔隙比在0.99到0.91之間。當(dāng)土壤的應(yīng)變超過峰值剪應(yīng)力時(shí)，所有試樣都表現(xiàn)出應(yīng)變軟化行為（即剪切應(yīng)力的小幅度或顯著降低）。
恒定體積循環(huán)DSS試驗(yàn)期間記錄的數(shù)據(jù)表明，代表潰壩前低震級(jí)地震震動(dòng)的循環(huán)荷載不會(huì)產(chǎn)生顯著的超孔隙水壓力累積或剪切應(yīng)變。例如，當(dāng)CSR值為0.01時(shí)，在30個(gè)荷載循環(huán)后，砂土和礦泥質(zhì)土樣本中記錄到0.01%的最大剪切應(yīng)變，而CSR等于0.004估計(jì)代表壩頂以下58m深度處的第84個(gè)百分位地震動(dòng)（靠近尾礦庫(kù)底部）。隨后，在循環(huán)DSS試驗(yàn)期間，使用的CSR會(huì)增加，CSR先提高到0.05，然后提高到0.1。
4.2三軸實(shí)驗(yàn)
在高級(jí)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案執(zhí)行期間，KCB對(duì)砂樣進(jìn)行了一系列排水和不排水三軸（TX）試驗(yàn)。在排水和不排水條件下，通過對(duì)各向同性和各向異性固結(jié)試樣施加應(yīng)變控制壓縮，共進(jìn)行了21次試驗(yàn)，結(jié)果用于估算強(qiáng)度參數(shù)（例如，有效摩擦角為33°），以及臨界狀態(tài)線（CSL）和剪脹參數(shù)。這些參數(shù)隨后成為小組調(diào)查的一部分進(jìn)行的穩(wěn)定性和變形分析的一個(gè)組成部分。
此外，還進(jìn)行了九個(gè)額外的排水TX試驗(yàn)，稱為“擠壓坍塌”試驗(yàn)，以研究通過側(cè)向擠壓裝置在砂土中引發(fā)液化的可能性。該裝置將在本文件的結(jié)論部分進(jìn)一步描述）。
為了進(jìn)行這些試驗(yàn)，首先對(duì)試樣進(jìn)行各向異性固結(jié)，然后進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)，在該路徑中，平均有效應(yīng)力（即試樣約束）減小，而偏應(yīng)力保持恒定或增大。當(dāng)試樣的應(yīng)力狀態(tài)接近CSL時(shí)，通常會(huì)觀察到試樣的快速塌陷。這項(xiàng)測(cè)試基本上復(fù)制了大壩內(nèi)砂土的破壞方式。
值得注意的是，用于執(zhí)行“擠壓塌陷”試驗(yàn)的TX裝置是一種改進(jìn)的TX系統(tǒng)。需要進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生快速試樣破壞所需的應(yīng)力控制。GDS可提供專門配置用于“擠壓倒塌”試驗(yàn)的TX裝置，其中速度控制的三軸加載架通過數(shù)字遠(yuǎn)程反饋模塊（DigiRFM）接收來(lái)自三軸荷重傳感器的直接反饋。直接反饋可以顯著提高三軸荷載框架的響應(yīng)能力，使得在排水條件下試樣快速坍塌時(shí)能夠進(jìn)行快速軸向壓縮。
對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)取樣獲得的礦泥樣本也進(jìn)行了不排水TX試驗(yàn)，但小組并未使用這些試驗(yàn)的結(jié)果。
4.3其他高級(jí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)
對(duì)砂土試樣進(jìn)行了一次直接剪切試驗(yàn)、一次固結(jié)儀試驗(yàn)和兩次彎曲元試驗(yàn)，以提供砂土的附加強(qiáng)度、壓縮性和滲透性以及小應(yīng)變剪切模量估計(jì)值。對(duì)礦泥樣本進(jìn)行了一次固結(jié)儀試驗(yàn)、一次大應(yīng)變固結(jié)試驗(yàn)和一次沉降試驗(yàn)，以提供礦泥的壓縮性、固結(jié)系數(shù)、滲透性和沉降速率估算值。有關(guān)這些實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的進(jìn)一步詳情，請(qǐng)參閱專家組報(bào)告的附錄D。
5.0 來(lái)自高級(jí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方案的見解
專家組的高級(jí)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案提供了大量關(guān)于砂和泥質(zhì)總體特性的重要見解，以及對(duì)基本工程參數(shù)的估計(jì)，這有助于專家組確定2015年11月5日在左壩肩開始潰壩的原因。
在GDS-EMDCSS裝置內(nèi)對(duì)砂土試樣進(jìn)行循環(huán)直接單剪試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)施加代表性的低震級(jí)地震荷載時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生顯著的超孔隙水壓力和剪切應(yīng)變。這使專家小組得出結(jié)論，大壩倒塌之前發(fā)生的地震并沒有在砂土中誘發(fā)液化，排除了潛在的破壞機(jī)制。然而，專家小組確實(shí)注意到地震可能加速了大壩的破壞。
砂土樣本的排水“擠壓-坍塌”三軸試驗(yàn)復(fù)制了在潰壩期間觀察到的快速崩塌，幫助專家小組確認(rèn)側(cè)向擠壓機(jī)制最終觸發(fā)了液化流滑。標(biāo)準(zhǔn)排水和不排水三軸試驗(yàn)還提供了砂土的強(qiáng)度、臨界狀態(tài)和擴(kuò)容參數(shù)估計(jì)，用于穩(wěn)定性和變形分析。
泥質(zhì)試樣的固結(jié)試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)，以獲知固結(jié)和滲透參數(shù)，這些參數(shù)是專家組模擬大壩左壩肩下淤泥固結(jié)特性的一部分。
6.0專家組得出的結(jié)論
專家小組的調(diào)查最終得出結(jié)論，大壩潰敗是因?yàn)閭?cè)向擠壓機(jī)制引發(fā)了位于左壩肩的松散飽和砂土液化。在這種機(jī)制中，當(dāng)在越來(lái)越高的大壩的荷載下壓縮時(shí)，位于砂土（圖4）下方的富泥沉積物發(fā)生橫向變形（即擠壓），迫使上面的砂承受水平應(yīng)力的逐漸減小（即限制條件的減少）并有效地松脫。這一過程最終導(dǎo)致砂土達(dá)到不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，在這一點(diǎn)上引發(fā)液化，大壩決口。專家小組進(jìn)行的建模表明，這種不穩(wěn)定狀態(tài)在2015年11月5日的達(dá)到大壩的高度，這有助于解釋為什么大壩在那時(shí)發(fā)生潰敗。
大壩施工、運(yùn)行和抬高過程中遇到的問題有效地創(chuàng)造了在左壩肩形成側(cè)向擠壓機(jī)制并引發(fā)液化流動(dòng)滑動(dòng)的必要條件，具體而言：
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由于排水條件不足，松散、未壓實(shí)的砂土因飽和而易發(fā)生液化。如果原來(lái)的大容量排水系統(tǒng)在整個(gè)大壩運(yùn)行期間保持運(yùn)行，則不太可能出現(xiàn)這個(gè)問題。
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側(cè)向擠壓機(jī)制得以發(fā)展，因?yàn)闃蚺_(tái)在上游重新對(duì)齊，隨后在富含礦泥的沉積物上建造。如果下伏混凝土廊道未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，則不太可能需要進(jìn)行這種重新定線，并且如果在整個(gè)尾礦沉積過程中保持200m的設(shè)計(jì)海灘寬度，則不太可能在重新調(diào)整的壩基位置出現(xiàn)大量富泥沉積物。
7.0 總結(jié)
Fund?o尾礦壩被確定于2015年11月5日在液化流動(dòng)滑坡中潰壩，該滑坡是由松散飽和砂尾礦下面富含礦泥的沉積物側(cè)向擠壓引起的。
Fund?o尾礦壩審查小組在進(jìn)行了一項(xiàng)系統(tǒng)調(diào)查后得出了這一結(jié)論，該調(diào)查與許多其他分析一樣，在GDS機(jī)電動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪裝置內(nèi)對(duì)砂土和礦泥樣本進(jìn)行了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。
本案例研究表明，在公開調(diào)查期間，先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方案能夠在以下方面提供見解：在檢查尾礦材料的行為和潛在失效機(jī)制方面，以及一系列意外事件發(fā)生和偏離了原始設(shè)計(jì)后如何導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞方面。
免責(zé)聲明
本案例研究?jī)H由GDS Instruments在審查和解釋公開提供的技術(shù)報(bào)告后編寫。本案例研究未經(jīng)第三方審查，不構(gòu)成任何形式的技術(shù)建議。
參考
ASTM (2007). Standard Test Method for Consolidated Undrained Direct Simple Shear Testing of Cohesive Soils, ASTM D6528-07 ASTM International
Fonseca do Carmo, Fl; Kamino, L H Y; Tobias Junior, R; Christina de Campos, I; Fonseca do Carmo, Fe; Silvino, G; Xavier de Castro, K J d S; Mauro, M L; Rodrigues, N U A; Miranda, M P d S; Pinto, C E F, (2017). Fund?o tailings dam failures: the environment tragedy of the largest technological disaster of Brazilian mining in global context Perspectives in Ecology and Conservation, 15, p145-151
Morgenstern, N R; Vick, S G; Viotti, C B; Watts, B D, (2016).
Fund?o Tailings Dam Review Panel, Report on the Immediate Causes of the Failure of the Fund?o Dam 25 August 2016 Cleary Gottlieb Steen and Hamilton
Ridley, K; Lewis, B, (2019). BHP faces $5bn claim over 2015 Brazil dam failure
原文鏈接：
https://www.geplus.co.uk/features/technical-note-fundao-mine-tailings-dam-failure-12-02-2020/
