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1 引言
2015年11月5日下午3點45分，位于巴西東南部米納斯吉拉斯州的110米高的Fund?o 尾礦壩在液化流滑坡中倒塌。這次事故向環境中釋放了大約4300萬立方米的鐵礦石尾礦，污染了600多公里的水道（Fonseca do Carmo 等, 2017），造成19人死亡。該事件被認為是巴西最嚴重的環境災難，迄今為止已使礦主損失了數十億美元（Ridley和Lewis, 2019）。
Fund?o 尾礦壩審查小組（專家組）在坍塌后成立，以調查和確定Fund?o 尾礦壩（大壩）在液化滑坡泥流中失穩的原因。專家組于2016年8月25日報告了其調查結果（Morgenstern等人，2016年），得出結論認為，壩內發生液化所必需的物質（即松散、飽和的尾礦）在破壞前就已經存在，并且尾礦下富含煤泥沉積物的側向擠壓提供了觸發液化滑坡泥流的機制。
本案例研究簡要總結了專家組報告的許多巖土工程研究結果。具體來說，它側重于在調查期間進行的先進實驗室測試項目的各個方面，該項目采用了由GDS Instruments （GDS）設計和制造的先進循環直接簡單剪切裝置。我們強烈建議讀者參考由Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP出版的公開專家組報告，以獲取對Fund?o 尾礦壩事故的詳細評論。有關正在進行的環境影響和法律案件的更多信息可在更廣泛的媒體中獲得。  圖 1: 2016年7月7日，Fund?o尾礦壩發生破壞約8個月后。 來源： "Mariana, Minas Gerais" by Ibamagov is licensed under CC BY-SA 2.0. https://www.flickr.com/photos/ibamagov/29702341695/in/photo-stream/
2 FUND?O 礦山尾礦壩
Fund?o礦尾礦壩是為了截留鐵礦石選礦過程中產生的砂和礦泥尾礦而建造的。砂尾礦（砂）以漿料的形式運輸，由砂和粉粒大小的顆粒組成，通常在其沉積后可以快速排水。然而，由于采用水力方法放置，砂層通常松散且未壓實。同樣作為漿料運輸的泥質尾礦（泥質）被歸類為低塑性粘土（盡管只含有少量粘土礦物），其產生的沉積物比砂更可壓縮，滲透性更低。
由于保留了兩種不同的材料類型，最初的大壩設計采用了“排水堆”的概念，如圖2所示樣。這個概念的目的是將砂堆逐級堆放在啟動壩后面，黏土留在砂堆后面，啟動機壩在砂堆上面采用上游式施工。這種設計的一個關鍵條件是在松散、不密實的砂土中保持足夠的排水，使砂土保持非飽和狀態，不容易發生靜力液化。這個條件是通過（ i ）在啟動器大壩下面建造一個大容量的排水系統來滿足的；（ ii ）在左壩肩和右壩肩下方建造混凝土廊道（ 2 m直徑導管），以輸送上游的地表水流入大壩下游；（ iii ）在尾礦沉積過程中，通過保持距離壩頂200 m的砂灘寬度，將礦泥從砂中分離出來，以免阻礙砂粒向下排水。  圖 2：“排水堆”概念的概括性示意圖。
啟動壩施工于2008年10月完成，包括大容量排水系統和混凝土廊道的施工。尾礦排放則始于2009年4月。然而，在2015年11月大壩失敗之前，大壩在運行和抬升過程中遇到了許多問題。這其中包括：
- 在2011 - 2012年期間，難以維持200 m的設計沙灘寬度，黏土距離壩頂近60 m。重要的是，這導致了煤泥沉積在原本為砂沉積預留的區域。 - 左壩肩下混凝土廊道結構破壞，2013年廊道被封閉。重要的是，這導致左壩肩的后續施工轉向上游，更接近于（實際上是在）已經沉積了黏土的區域
同樣值得注意的是，在大壩失事前約90分鐘，在大壩附近發生了3次低震級地震( MW 1.8 ~ 2.6)。
3 對大壩失事進行全面調查
根據目擊者的描述和實物證據表明，大壩是在液化滑坡泥流中坍塌的，始發于左壩肩。這一起點導致專家組關注為什么發生液化滑坡泥流，為什么在左壩肩啟動，以及為什么在2015年11月5日失敗。 為了回答這些問題，專家組進行了系統的調查，其中需要匯編目擊者訪談和大壩儀器數據，進行分析和地震學研究，并對大壩破壞前結構進行模擬重建。
對潰壩前工程特性和筑壩材料（即砂子和煤泥尾礦）性能的估計是模擬大壩重建的基本輸入。這些估計主要是根據地下現場調查和實驗室測試數據得出的，后者主要是在專家組進行的實驗室測試方案中獲得的。該方案包括先進的直接簡單剪切試驗（DDS）和三軸試驗（TX），對從大壩場址用鏟子挖取的表層砂樣和從附近的日耳曼尾礦庫獲得的礦泥樣進行重塑。 先進的實驗室測試程序，包括使用GDS單剪儀 a) 單一和循環直接單剪(DSS)試驗 Klohn Crippen Berger （KCB）對砂土和黏土標本進行了15次定容直接單剪試驗，以作為專家組的先進實驗室測試方案的一部分。本試驗使用GDS伺服電機動態循環單剪裝置（EMDCSS），該設備通過低順應性DSS裝置設計、自動高度控制和通過堆疊低摩擦擋（(也可以使用鋼絲增強橡膠膜）的物理橫向約束，在剪切（單一或循環）過程中保持恒定的試樣體積。試驗按照ASTM D 6528試驗標準（ASTM, 2007）開展。  圖 3：GDS伺服電機動態循環單剪裝置（EMDCSS）
在GDS EMDCSS裝置中進行KCB試驗的9個砂土試樣，其直徑為70 mm，固結至150 ~ 600 k Pa豎向有效應力之間。在5個循環剪切試樣中，有2個試樣在固結階段（分別為豎向有效固結應力的17.5 %和35 %）施加了初始剪應力偏壓。循環荷載的施加頻率為0.1 Hz，施加的循環應力比（CSR）由Pane進行的現場響應分析指導。
在GDS EMDCSS裝置中用KCB測試的6個黏土試樣的直徑也是70 mm，并在砂土測試時施加相同的豎向有效應力范圍內固結。在循環剪切的3個試件中，一個在固結（ 17.5 %的豎向有效固結應力）時施加初始剪應力偏壓，而一個在單調剪切至20%剪切應變后施加了循環加載。
從定容單調DSS試驗中獲得的數據，估算出砂土的峰值不排水強度比（即峰值水平剪應力除以豎向有效固結應力）范圍在0.12 ~ 0.14之間，黏土的峰值不排水強度比在0.16 ~ 0.17之間。值得注意的是，砂土試樣的固結后孔隙比在1.04 ~ 0.93之間，而黏土試樣的固結后孔隙比在0.99 ~ 0.91之間。當土體應變超過峰值剪應力時，所有試樣均表現出應變軟化特性（也就是說，剪切應力從小到大的減小）。
在定容循環DSS試驗中記錄的數據表明，在大壩破壞之前，代表低震級地震震動的循環荷載不會產生顯著的超孔隙壓力積聚或剪切應變。例如，施加的CSR值為0.01時，在30次加載循環后，砂土和黏土試樣中記錄到的最大剪應變為0.01 %，而在壩頂（在砂尾砂基部附近）以下58 m深度處，CSR等于0.004被估計為代表第84百分位的地震動。在循環DSS測試中，施加的CSR隨后增加，其中CSR提高到0.05，然后是0.1。
為了說明GDS EMDCSS裝置的典型循環性能，圖4給出了在GDS辦公室進行的定容DSS試驗中記錄的一個干凈砂土試樣的循環響應。圖4所示的試驗數據和照片與Fund?o尾礦庫潰壩調查無關，僅做說明之用。
圖 4：在GDS辦公室的GDS伺服電機動態循環單剪( EMDCSS )設備中，在定容條件下測試的干凈砂試件的
循環直接單剪響應和照片。該試驗與Fund?o礦山尾礦壩失效調查沒有任何關系，僅用于說明目的。
b) 三軸試驗 在高級室內試驗計劃期間，KCB對砂土試樣進行了一系列廣泛的排水和不排水三軸(（TX ）試驗。在排水和不排水條件下，對各向同性和各向異性固結試樣進行了21次應變控制的壓縮試驗，其結果用于估計強度參數（例如，有效摩擦角為33 °），以及臨界狀態線（ CSL ）和剪脹參數。這些參數隨后作為專家組調查的一部分進行穩定和變形分析。
此外，還進行了9個排水TX試驗，稱為“擠壓坍塌”試驗，以研究砂土中可能通過側向擠壓機制（該機制在本文的“結論”部分做了進一步說明）引發砂土液化的可能性。為了進行這些試驗，首先對試樣進行了各向異性固結，然后遵循專門設計的應力路徑，其中平均有效應力（即試樣約束）降低，而偏應力保持不變或增加。當試件的應力狀態接近CSL時，通常會觀察到試件的快速坍塌。該試驗基本上復制了2015年11月5日大壩內砂土破裂的方式。
需要說明的是，用于進行“擠壓塌陷”試驗的TX裝置是經過改造的TX系統。為了實現試樣產生快速破壞所需的應力控制，需要對其進行修改。GDS可以提供專門用于"擠壓坍塌"測試的TX設備，其中速度控制的三軸載荷框架通過數字遠程反饋模塊（ DigiRFM ）接收來自三軸荷載傳感器的直接反饋。直接反饋可以顯著提高三軸載荷框架的響應能力，使快速軸向壓縮能夠在排水條件下快速啟動試樣破壞。
還對從實地取樣獲得的黏土標本進行了不排水TX試驗，但專家組沒有使用這些試驗的結果。
c) 其他高級的實驗室檢測 研究人員對砂土試樣進行1次直剪試驗、1次固結試驗和2次彎曲元試驗，以提供砂土的附加強度、壓縮性和滲透性以及小應變剪切模量估計值。對黏性土試樣進行1次固結試驗、1次大應變固結試驗和1次沉降試驗，以提供黏性土的壓縮性、固結系數、滲透性和沉降速率估計值。請參考專家組報告的附錄D，以進一步了解這些實驗室測試的詳細情況。
從高級的實驗室檢測方案中得到啟示
專家小組的高級實驗室測試方案提供了一些關于砂和黏土的整體行為的重要見解，以及對基本工程參數的估計，這有助于專家小組確定大壩于2015年11月5日在左壩肩開始失穩的原因。
- 砂土樣排水"擠壓坍塌"三軸試驗復現了在大壩失穩期間觀察到的快速坍塌，幫助專家組證實了側向擠壓機制最終觸發了液化滑坡泥流。標準排水和不排水三軸試驗還提供了用于穩定性和變形分析的砂土的強度、臨界狀態和剪脹參數估計值。 - 黏土試樣的固結試驗提供了數據，為固結和滲透性參數提供了信息，這些參數是專家組模擬大壩左壩肩下黏土固結行為的一部分。
4 專家組得出的結論
專家小組的調查最終得出結論認為，大壩失穩的原因是側向擠壓機制引發了位于左壩肩的松散飽和砂土液化。這種機制使位于砂層下方的黏土沉積物在越來越高的大壩荷載作用下壓縮時發生橫向變形（即被擠壓），迫使上方砂土層經歷水平應力的逐漸降低（即限制減少）并有效松動。這一過程最終導致砂土達到不穩定的應力狀態，從而引發液化，導致大壩潰決。專家組進行的模擬表明，這種不穩定狀態預計將在2015年11月5日的大壩高度達到，這有助于解釋為什么大壩在運行時失穩的原因。
在大壩施工、運行和抬升過程中遇到的問題，有效地創造了在左壩肩發展側向擠壓機制和啟動液化滑坡泥流的必要條件。具體而言： -松散、不密實的砂土通過飽和而變得容易液化，這是由于不充分的排水條件造成的。由于在整個大壩運行期間，原先的大容量排水系統仍然有效，這個問題就不太可能出現。-由于壩肩臺在上游重新對齊，隨后在富含黏土的堆積物上方建造，因此能夠形成側向擠壓機制。如果底層混凝土廊道沒有發生結構破壞，那么這種調整是不可能的，并且如果在整個尾礦沉積過程中保持200米的設計海灘寬度，那么在調整后的橋臺位置不可能存在顯著的富含黏土的沉積物。
 圖 5: 說明左壩壩肩的上游調整，加上泥質侵蝕原本為砂土保留的區域，可能導致左壩肩建在富含黏土的沉積物之上的概略示意圖。
5 總結 Fund?o尾礦壩于2015年11月5日被判定為液化滑坡泥流失穩，原因是松散、飽和砂尾礦下方富含黏土的堆積物側向擠出。Fund?o尾礦壩審查小組在進行了系統的調查之后得出了這一結論：在許多其他分析中，包括在GDS伺服電機動態循環簡單剪切裝置（ GDS EMDCSS ）將砂土和黏土樣進行了高級的實驗室測試。本案例研究表明，先進的實驗室測試程序可以在調查過程中檢查尾礦材料的力學特性和潛在失穩機制，以及一系列意外事件和偏離原始設計如何導致大壩結構的災難性破壞。
參考文獻 ?ASTM (2007). Standard Test Method for ConsolidatedUndrained Direct Simple Shear Testing of Cohesive Soils. ASTMD6528-07. 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 damfailures: the environment tragedy of the largest technologicaldisaster of Brazilian mining in global context. Perspectives inEcology 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 theImmediate Causes of the Failure of the Fund?o Dam. 25August 2016. Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP. http://fundaoinvestigation.com/the-panel-report. ?Ridley, K.; Lewis, B. (2019). BHP faces $5 billion claim over2015 Brazil dam failure. Retrieved from https://www.reuters.com/article/us-bhp-brazil-lawsuit/bhp-faces-5-billion-claim-over-2015-brazil-dam-failure-idUSKCN1SD1AK.
免責聲明 本案例研究完全由GDS Instruments根據我們對公開技術報告的審查和解釋編寫。本案例研究未經第三方審查，不構成任何形式的技術建議。 |
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