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编者说明：
作为Fundão矿山尾矿坝溃决高级实验室试验计划的一部分，KCB温哥华岩土实验室使用GDS Instruments的EMDCSS设备进行直接单剪试验，以获得：
（1）不排水单剪试验的峰值和大应变抗剪强度；
（2）不排水动单剪试验中循环荷载作用下的反应；
（3）以及静偏压不排水动单剪试验中循环荷载作用下的反应。



Fundão矿山尾矿坝溃坝


2020年2月12日，CLAIRE SMITH克莱尔·史密斯
詹姆斯·霍普金斯和卡尔·斯内林，英国GDS公司

翻译：陈栋
 
 



1.0简介

2015年11月5日下午3时45分，位于巴西东南部米纳斯吉拉斯州（Minas Gerais）的110米高的Fundão矿山尾矿坝在液化流滑坡中坍塌。这次事故将大约4300万立方米的铁矿尾矿排放到环境中，污染了超过600公里的河道（Fonseca do Carmo等人，2017年），并导致19人死亡。

当时，这起事件被认为是巴西最严重的环境灾难，迄今为止，矿主损失了数十亿美元（Ridley和Lewis，2019年）。

Fundão尾矿坝审查小组是在坍塌之后召集起来的，目的是调查和确定Fundão尾矿坝在液化流动滑坡中失稳的原因。

专家小组于2016年8月报告了其调查结果（Morgenstern等人，2016年），得出结论认为，大坝内部发生液化的必要条件在溃决之前就存在（即存在松散、饱和的砂尾矿），砂尾矿下方富泥沉积物的侧向挤压触发了液化流滑。

本案例研究简要总结了专门小组报告的许多岩土工程发现。具体地说，它着重于在调查期间进行先进的实验室实验的方方面面，该计划采用了由英国GDS公司设计和制造的先进的循环单剪系统。

建议读者参考由Cleary Gottlieb Steen和Hamilton发表的公开发表的专家组报告，以获取关于Fundão尾矿坝溃决的详细评论。有关持续环境影响和法律案件的更多信息可在更广泛的媒体上获得。




2.0 Fundão矿山尾矿坝

修建Fundão矿山尾矿坝（图1）是为了保留铁矿石选矿产生的砂和矿泥尾矿。砂尾矿以泥浆形式运输，由砂和粉粒大小的颗粒组成，通常允许在沉积后快速排水。

然而，由于采用液压方式摆放，砂层通常是松散和未压实的。矿泥尾矿也作为泥浆运输，被归类为低塑性粘土（尽管只含有一小部分粘土矿物），其产生的沉积物比砂土更可压缩且渗透率更低。

由于要保留两种不同的材料类型，最初的大坝设计采用了“排水立管”理念，如图2示意图所示。这一概念旨在逐步将沙堆积在初期坝后，将淤泥保留在砂堆后面，并采用上游式施工方式将初期坝抬高至砂土顶部。

该设计的一个关键条件是在松散、未压实的砂土中保持足够的排水，以使砂土保持不饱和状态，不易发生静态液化。这一条件将通过三个因素得到满足：在初期大坝下方修建一个大容量排水系统；在左右坝肩下修建混凝土廊道（直径2m的导管），以将上游地表水流入大坝下游；在尾矿沉积过程中，通过保持距坝顶200m的沙滩宽度，将黏质土与砂子分离，从而不会阻碍沙子的向下排水。

初期大坝建设，包括大容量排水系统和混凝土廊道的施工，已于2008年10月完成。2009年4月开始排放尾矿。然而，在2015年11月溃坝之前，在大坝运行和蓄水过程中遇到了许多问题。其中包括：

• 大容量排水系统存在严重的施工缺陷，导致2009年发生内部腐蚀事件。这导致大容量排水系统被封闭，并最终实施了修订后的排水设计。重要的是，大容量排水系统发生故障后，更广泛的砂土发生了饱和。

• 2011年和2012年期间，难以维持200m的设计沙滩宽度，淤泥接近坝顶60米。重要的是，这导致矿泥沉积在原来保留来用于砂沉积的区域。

• 左桥台下方混凝土廊道的结构破坏，导致廊道在2013年被封闭。重要的是，这导致了左坝肩的后续施工转移调整到上游，更靠近（事实上，上面的）沉积了矿泥的区域。

还应注意到，在溃坝前约90分钟，大坝附近发生了三次1.8至2.6级的低震级地震。




3.0专家小组调查溃坝

目击者的陈述和物证证实，大坝在液化流滑中坍塌，从左坝肩开始。这一出发点使专家组集中讨论了为什么会发生液化流滑，为什么会在左坝肩开始，以及为什么在2015年11月5日发生。

为了回答这些问题，专家小组进行了一项系统的调查，需要收集目击者访谈和大坝仪器数据、分析和地震研究以及对溃决前的大坝结构进行虚拟重建。

对溃坝材料（即砂泥尾砂）溃前工程性质和性能的估计虚拟大坝重建需要的基础化输入。这些估计主要是根据地下实地调查和实验室试验数据作出的，后者主要是专家小组进行的实验室试验方案中获得的。该方案包括对从坝址获取的砂土铲挖表面样本以及从附近Germano尾矿库获得的矿泥中重建/重塑的样本进行高级直接单剪（DSS）和三轴（TX）测试。




4.0高级实验室测试方案

4.1单剪和循环动单剪实验 Klohn Crippen Berger（KCB）对砂和矿泥样本进行了15次恒定体积的DSS测试，作为专家组高级实验室测试计划的一部分。本试验采用GDS电机动态循环单剪（EMDCSS）装置（图3）进行，该装置通过低柔度设计的DSS装置，使剪切（单调和/或循环）过程中保持恒定的试样体积，通过一堆低摩擦叠环（或者，也可以使用钢丝增强型橡胶膜）进行主动高度控制和物理侧向约束。试验按照ASTM D6528试验标准（ASTM，2007）进行。

在GDS-EMDCSS装置内KCB测试了9个砂样，标称直径为70mm，固结150kPa至600kPa间的垂直有效应力。在五个周期剪切试件中，两个在固结阶段施加了初始剪应力偏差（分别为垂直有效固结应力的17.5%和35%）。以0.1Hz的频率施加循环荷载，施加的循环应力比（CSR）由专家小组根据现场响应分析进行指导。

KCB在GDS EMDCSS装置内测试的六个矿泥样本标称直径也为70mm，并在相同的垂直有效应力范围内进行固结，这与在砂土测试期间用的相同。在循环剪切的三个试样中，一个试样在固结过程中施加了初始剪应力偏差（垂直有效固结应力的17.5%），另一个试样在单调剪切至20%剪切应变后施加循环荷载。

从恒定体积单调DSS试验获得的数据得出了砂土的峰值不排水强度比（即峰值水平剪切应力除以垂直有效固结应力）的估计值，范围为0.12至0.14，泥质土的峰值不排水强度比为0.16至0.17。据估计，砂样估算的先期固结孔隙比在1.04到0.93之间，而泥质土估算的试样的孔隙比在0.99到0.91之间。当土壤的应变超过峰值剪应力时，所有试样都表现出应变软化行为（即剪切应力的小幅度或显著降低）。

恒定体积循环DSS试验期间记录的数据表明，代表溃坝前低震级地震震动的循环荷载不会产生显著的超孔隙水压力累积或剪切应变。例如，当CSR值为0.01时，在30个荷载循环后，砂土和矿泥质土样本中记录到0.01%的最大剪切应变，而CSR等于0.004估计代表坝顶以下58m深度处的第84个百分位地震动（靠近尾矿库底部）。随后，在循环DSS试验期间，使用的CSR会增加，CSR先提高到0.05，然后提高到0.1。


4.2三轴实验

在高级实验室试验方案执行期间，KCB对砂样进行了一系列排水和不排水三轴（TX）试验。在排水和不排水条件下，通过对各向同性和各向异性固结试样施加应变控制压缩，共进行了21次试验，结果用于估算强度参数（例如，有效摩擦角为33°），以及临界状态线（CSL）和剪胀参数。这些参数随后成为小组调查的一部分进行的稳定性和变形分析的一个组成部分。

此外，还进行了九个额外的排水TX试验，称为“挤压坍塌”试验，以研究通过侧向挤压装置在砂土中引发液化的可能性。该装置将在本文件的结论部分进一步描述）。

为了进行这些试验，首先对试样进行各向异性固结，然后进行特殊设计的应力路径实验，在该路径中，平均有效应力（即试样约束）减小，而偏应力保持恒定或增大。当试样的应力状态接近CSL时，通常会观察到试样的快速塌陷。这项测试基本上复制了大坝内砂土的破坏方式。

值得注意的是，用于执行“挤压塌陷”试验的TX装置是一种改进的TX系统。需要进行修改，以实现产生快速试样破坏所需的应力控制。GDS可提供专门配置用于“挤压倒塌”试验的TX装置，其中速度控制的三轴加载架通过数字远程反馈模块（DigiRFM）接收来自三轴荷重传感器的直接反馈。直接反馈可以显著提高三轴荷载框架的响应能力，使得在排水条件下试样快速坍塌时能够进行快速轴向压缩。

对从现场取样获得的矿泥样本也进行了不排水TX试验，但小组并未使用这些试验的结果。


4.3其他高级实验室实验

对砂土试样进行了一次直接剪切试验、一次固结仪试验和两次弯曲元试验，以提供砂土的附加强度、压缩性和渗透性以及小应变剪切模量估计值。对矿泥样本进行了一次固结仪试验、一次大应变固结试验和一次沉降试验，以提供矿泥的压缩性、固结系数、渗透性和沉降速率估算值。有关这些实验室测试的进一步详情，请参阅专家组报告的附录D。




5.0 来自高级实验室实验方案的见解

专家组的高级实验室试验方案提供了大量关于砂和泥质总体特性的重要见解，以及对基本工程参数的估计，这有助于专家组确定2015年11月5日在左坝肩开始溃坝的原因。

在GDS-EMDCSS装置内对砂土试样进行循环直接单剪试验，结果表明，当施加代表性的低震级地震荷载时，不会产生显著的超孔隙水压力和剪切应变。这使专家小组得出结论，大坝倒塌之前发生的地震并没有在砂土中诱发液化，排除了潜在的破坏机制。然而，专家小组确实注意到地震可能加速了大坝的破坏。

砂土样本的排水“挤压-坍塌”三轴试验复制了在溃坝期间观察到的快速崩塌，帮助专家小组确认侧向挤压机制最终触发了液化流滑。标准排水和不排水三轴试验还提供了砂土的强度、临界状态和扩容参数估计，用于稳定性和变形分析。

泥质试样的固结试验提供了数据，以获知固结和渗透参数，这些参数是专家组模拟大坝左坝肩下淤泥固结特性的一部分。



6.0专家组得出的结论

专家小组的调查最终得出结论，大坝溃败是因为侧向挤压机制引发了位于左坝肩的松散饱和砂土液化。在这种机制中，当在越来越高的大坝的荷载下压缩时，位于砂土（图4）下方的富泥沉积物发生横向变形（即挤压），迫使上面的砂承受水平应力的逐渐减小（即限制条件的减少）并有效地松脱。这一过程最终导致砂土达到不稳定的应力状态，在这一点上引发液化，大坝决口。专家小组进行的建模表明，这种不稳定状态在2015年11月5日的达到大坝的高度，这有助于解释为什么大坝在那时发生溃败。


大坝施工、运行和抬高过程中遇到的问题有效地创造了在左坝肩形成侧向挤压机制并引发液化流动滑动的必要条件，具体而言：

• 由于排水条件不足，松散、未压实的砂土因饱和而易发生液化。如果原来的大容量排水系统在整个大坝运行期间保持运行，则不太可能出现这个问题。

• 侧向挤压机制得以发展，因为桥台在上游重新对齐，随后在富含矿泥的沉积物上建造。如果下伏混凝土廊道未发生结构破坏，则不太可能需要进行这种重新定线，并且如果在整个尾矿沉积过程中保持200m的设计海滩宽度，则不太可能在重新调整的坝基位置出现大量富泥沉积物。

7.0 总结

Fundão尾矿坝被确定于2015年11月5日在液化流动滑坡中溃坝，该滑坡是由松散饱和砂尾矿下面富含矿泥的沉积物侧向挤压引起的。

Fundão尾矿坝审查小组在进行了一项系统调查后得出了这一结论，该调查与许多其他分析一样，在GDS机电动态循环单剪装置内对砂土和矿泥样本进行了先进的实验室测试。

本案例研究表明，在公开调查期间，先进实验室实验方案能够在以下方面提供见解：在检查尾矿材料的行为和潜在失效机制方面，以及一系列意外事件发生和偏离了原始设计后如何导致大坝结构的灾难性破坏方面。
 




免责声明
本案例研究仅由GDS Instruments在审查和解释公开提供的技术报告后编写。本案例研究未经第三方审查，不构成任何形式的技术建议。



参考
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). Fundão 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). Fundão Tailings Dam Review Panel, Report on the Immediate Causes of the Failure of the Fundão Dam 25 August 2016 Cleary Gottlieb Steen and Hamilton

Ridley, K; Lewis, B, (2019). BHP faces $5bn claim over 2015 Brazil dam failure
 


原文链接：https://www.geplus.co.uk/features/technical-note-fundao-mine-tailings-dam-failure-12-02-2020/