2015年11月5日下午3點(diǎn)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(huán)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(rèn)為是巴西最嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難，迄今為止已使礦主損失了數(shù)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(diào)查和確定Fund?o 尾礦壩（大壩）在液化滑坡泥流中失穩(wěn)的原因。專家組于2016年8月25日報告了其調(diào)查結(jié)果（Morgenstern等人，2016年），得出結(jié)論認(rèn)為，壩內(nèi)發(fā)生液化所必需的物質(zhì)（即松散、飽和的尾礦）在破壞前就已經(jīng)存在，并且尾礦下富含煤泥沉積物的側(cè)向擠壓提供了觸發(fā)液化滑坡泥流的機(jī)制。
本案例研究簡要總結(jié)了專家組報告的許多巖土工程研究結(jié)果。具體來說，它側(cè)重于在調(diào)查期間進(jìn)行的先進(jìn)實(shí)驗室測試項目的各個方面，該項目采用了由GDS Instruments （GDS）設(shè)計和制造的先進(jìn)循環(huán)直接簡單剪切裝置。我們強(qiáng)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(xì)評論。有關(guān)正在進(jìn)行的環(huán)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，F(xiàn)und?o尾礦壩發(fā)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/
Fund?o礦尾礦壩是為了截留鐵礦石選礦過程中產(chǎn)生的砂和礦泥尾礦而建造的。砂尾礦（砂）以漿料的形式運(yùn)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(shí)。同樣作為漿料運(yùn)輸?shù)哪噘|(zhì)尾礦（泥質(zhì)）被歸類為低塑性粘土（盡管只含有少量粘土礦物），其產(chǎn)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(shè)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(jī)壩在砂堆上面采用上游式施工。這種設(shè)計的一個關(guān)鍵條件是在松散、不密實(shí)的砂土中保持足夠的排水，使砂土保持非飽和狀態(tài)，不容易發(fā)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(tǒng)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(dǎo)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。
啟動壩施工于2008年10月完成，包括大容量排水系統(tǒng)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(yùn)行和抬升過程中遇到了許多問題。這其中包括：
- 大容量排水系統(tǒng)內(nèi)部存在嚴(yán)重的施工缺陷，導(dǎo)致2009年發(fā)生內(nèi)部侵蝕事件。這導(dǎo)致了大容量排水系統(tǒng)被封堵，并最終實(shí)施了修改后的排水設(shè)計。重要的是，在大容量排水系統(tǒng)失效后，砂土的飽和度也得到了更廣泛地認(rèn)可。
- 在2011 - 2012年期間，難以維持200 m的設(shè)計沙灘寬度，黏土距離壩頂近60 m。重要的是，這導(dǎo)致了煤泥沉積在原本為砂沉積預(yù)留的區(qū)域。
- 左壩肩下混凝土廊道結(jié)構(gòu)破壞，2013年廊道被封閉。重要的是，這導(dǎo)致左壩肩的后續(xù)施工轉(zhuǎn)向上游，更接近于（實(shí)際上是在）已經(jīng)沉積了黏土的區(qū)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(fā)生了3次低震級地震( MW 1.8 ~ 2.6)。
根據(jù)目擊者的描述和實(shí)物證據(jù)表明，大壩是在液化滑坡泥流中坍塌的，始發(fā)于左壩肩。這一起點(diǎn)導(dǎo)致專家組關(guān)注為什么發(fā)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(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，其中需要匯編目擊者訪談和大壩儀器數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和地震學(xué)研究，并對大壩破壞前結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jù)地下現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)驗室測試數(shù)據(jù)得出的，后者主要是在專家組進(jìn)行的實(shí)驗室測試方案中獲得的。該方案包括先進(jìn)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(jìn)行重塑。
先進(jìn)的實(shí)驗室測試程序，包括使用GDS單剪儀
a) 單一和循環(huán)直接單剪(DSS)試驗
Klohn Crippen Berger （KCB）對砂土和黏土標(biāo)本進(jìn)行了15次定容直接單剪試驗，以作為專家組的先進(jìn)實(shí)驗室測試方案的一部分。本試驗使用GDS伺服電機(jī)動態(tài)循環(huán)單剪裝置（EMDCSS），該設(shè)備通過低順應(yīng)性DSS裝置設(shè)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(qiáng)橡膠膜）的物理橫向約束，在剪切（單一或循環(huán)）過程中保持恒定的試樣體積。試驗按照ASTM D 6528試驗標(biāo)準(zhǔn)（ASTM, 2007）開展。
圖 3：GDS伺服電機(jī)動態(tài)循環(huán)單剪裝置（EMDCSS）
在GDS EMDCSS裝置中進(jìn)行KCB試驗的9個砂土試樣，其直徑為70 mm，固結(jié)至150 ~ 600 k Pa豎向有效應(yīng)力之間。在5個循環(huán)剪切試樣中，有2個試樣在固結(jié)階段（分別為豎向有效固結(jié)應(yīng)力的17.5 %和35 %）施加了初始剪應(yīng)力偏壓。循環(huán)荷載的施加頻率為0.1 Hz，施加的循環(huán)應(yīng)力比（CSR）由Pane進(jìn)行的現(xiàn)場響應(yīng)分析指導(dǎo)。
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(yīng)力范圍內(nèi)固結(jié)。在循環(huán)剪切的3個試件中，一個在固結(jié)（ 17.5 %的豎向有效固結(jié)應(yīng)力）時施加初始剪應(yīng)力偏壓，而一個在單調(diào)剪切至20%剪切應(yīng)變后施加了循環(huán)加載。
從定容單調(diào)DSS試驗中獲得的數(shù)據(jù)，估算出砂土的峰值不排水強(qiáng)度比（即峰值水平剪應(yīng)力除以豎向有效固結(jié)應(yīng)力）范圍在0.12 ~ 0.14之間，黏土的峰值不排水強(qiáng)度比在0.16 ~ 0.17之間。值得注意的是，砂土試樣的固結(jié)后孔隙比在1.04 ~ 0.93之間，而黏土試樣的固結(jié)后孔隙比在0.99 ~ 0.91之間。當(dāng)土體應(yīng)變超過峰值剪應(yīng)力時，所有試樣均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性（也就是說，剪切應(yīng)力從小到大的減小）。
在定容循環(huán)DSS試驗中記錄的數(shù)據(jù)表明，在大壩破壞之前，代表低震級地震震動的循環(huán)荷載不會產(chǎn)生顯著的超孔隙壓力積聚或剪切應(yīng)變。例如，施加的CSR值為0.01時，在30次加載循環(huán)后，砂土和黏土試樣中記錄到的最大剪應(yīng)變?yōu)?.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(huán)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(huán)性能，圖4給出了在GDS辦公室進(jìn)行的定容DSS試驗中記錄的一個干凈砂土試樣的循環(huán)響應(yīng)。圖4所示的試驗數(shù)據(jù)和照片與Fund?o尾礦庫潰壩調(diào)查無關(guān)，僅做說明之用。
(測試數(shù)據(jù)和照片與Fund?o的調(diào)查沒有任何關(guān)系。僅供說明之用)
圖 4：在GDS辦公室的GDS伺服電機(jī)動態(tài)循環(huán)單剪( EMDCSS )設(shè)備中，在定容條件下測試的干凈砂試件的
循環(huán)直接單剪響應(yīng)和照片。該試驗與Fund?o礦山尾礦壩失效調(diào)查沒有任何關(guān)系，僅用于說明目的。
在高級室內(nèi)試驗計劃期間，KCB對砂土試樣進(jìn)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(jié)試樣進(jìn)行了21次應(yīng)變控制的壓縮試驗，其結(jié)果用于估計強(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)隨后作為專家組調(diào)查的一部分進(jìn)行穩(wěn)定和變形分析。
此外，還進(jìn)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(cè)向擠壓機(jī)制（該機(jī)制在本文的“結(jié)論”部分做了進(jìn)一步說明）引發(fā)砂土液化的可能性。為了進(jìn)行這些試驗，首先對試樣進(jìn)行了各向異性固結(jié)，然后遵循專門設(shè)計的應(yīng)力路徑，其中平均有效應(yīng)力（即試樣約束）降低，而偏應(yīng)力保持不變或增加。當(dāng)試件的應(yīng)力狀態(tài)接近CSL時，通常會觀察到試件的快速坍塌。該試驗基本上復(fù)制了2015年11月5日大壩內(nèi)砂土破裂的方式。
需要說明的是，用于進(jìn)行“擠壓塌陷”試驗的TX裝置是經(jīng)過改造的TX系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)試樣產(chǎn)生快速破壞所需的應(yīng)力控制，需要對其進(jìn)行修改。GDS可以提供專門用于"擠壓坍塌"測試的TX設(shè)備，其中速度控制的三軸載荷框架通過數(shù)字遠(yuǎn)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(yīng)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(shí)地取樣獲得的黏土標(biāo)本進(jìn)行了不排水TX試驗，但專家組沒有使用這些試驗的結(jié)果。
研究人員對砂土試樣進(jìn)行1次直剪試驗、1次固結(jié)試驗和2次彎曲元試驗，以提供砂土的附加強(qiáng)度、壓縮性和滲透性以及小應(yīng)變剪切模量估計值。對黏性土試樣進(jìn)行1次固結(jié)試驗、1次大應(yīng)變固結(jié)試驗和1次沉降試驗，以提供黏性土的壓縮性、固結(jié)系數(shù)、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(jìn)一步了解這些實(shí)驗室測試的詳細(xì)情況。
專家小組的高級實(shí)驗室測試方案提供了一些關(guān)于砂和黏土的整體行為的重要見解，以及對基本工程參數(shù)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(wěn)的原因。
- GDS EMDCSS裝置中砂土試樣的循環(huán)直剪試驗表明，在施加具有代表性的低震級地震荷載時，砂土樣沒有產(chǎn)生顯著的超孔壓和剪應(yīng)變。這使得專家組得出結(jié)論，在大壩坍塌之前的地震不會導(dǎo)致砂土液化，排除了潛在的破壞機(jī)制。然而，專家組注確實(shí)指出，地震可能加速了大壩的失穩(wěn)。
- 砂土樣排水"擠壓坍塌"三軸試驗復(fù)現(xiàn)了在大壩失穩(wěn)期間觀察到的快速坍塌，幫助專家組證實(shí)了側(cè)向擠壓機(jī)制最終觸發(fā)了液化滑坡泥流。標(biāo)準(zhǔn)排水和不排水三軸試驗還提供了用于穩(wěn)定性和變形分析的砂土的強(qiáng)度、臨界狀態(tài)和剪脹參數(shù)估計值。
- 黏土試樣的固結(jié)試驗提供了數(shù)據(jù)，為固結(jié)和滲透性參數(shù)提供了信息，這些參數(shù)是專家組模擬大壩左壩肩下黏土固結(jié)行為的一部分。
專家小組的調(diào)查最終得出結(jié)論認(rèn)為，大壩失穩(wěn)的原因是側(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。這種機(jī)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(fā)生橫向變形（即被擠壓），迫使上方砂土層經(jīng)歷水平應(yīng)力的逐漸降低（即限制減少）并有效松動。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)，從而引發(fā)液化，導(dǎo)致大壩潰決。專家組進(jìn)行的模擬表明，這種不穩(wěn)定狀態(tài)預(yù)計將在2015年11月5日的大壩高度達(dá)到，這有助于解釋為什么大壩在運(yùn)行時失穩(wěn)的原因。
在大壩施工、運(yùn)行和抬升過程中遇到的問題，有效地創(chuàng)造了在左壩肩發(fā)展側(cè)向擠壓機(jī)制和啟動液化滑坡泥流的必要條件。具體而言：
-松散、不密實(shí)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(yùn)行期間，原先的大容量排水系統(tǒng)仍然有效，這個問題就不太可能出現(xiàn)。
-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(cè)向擠壓機(jī)制。如果底層混凝土廊道沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，那么這種調(diào)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(shè)計海灘寬度，那么在調(diào)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(diào)整，加上泥質(zhì)侵蝕原本為砂土保留的區(qū)域，可能導(dǎo)致左壩肩建在富含黏土的沉積物之上的概略示意圖。
Fund?o尾礦壩于2015年11月5日被判定為液化滑坡泥流失穩(wěn)，原因是松散、飽和砂尾礦下方富含黏土的堆積物側(cè)向擠出。Fund?o尾礦壩審查小組在進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查之后得出了這一結(jié)論：在許多其他分析中，包括在GDS伺服電機(jī)動態(tài)循環(huán)簡單剪切裝置（ GDS EMDCSS ）將砂土和黏土樣進(jìn)行了高級的實(shí)驗室測試。本案例研究表明，先進(jìn)的實(shí)驗室測試程序可以在調(diào)查過程中檢查尾礦材料的力學(xué)特性和潛在失穩(wěn)機(jī)制，以及一系列意外事件和偏離原始設(shè)計如何導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞。
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本案例研究完全由GDS Instruments根據(jù)我們對公開技術(shù)報告的審查和解釋編寫。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。
