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1 引言
2015年11月5日下午3点45分 ，位于巴西东南部米纳斯吉拉斯州的110米高的Fund?o 尾矿坝在液化流滑坡中倒塌。这次变乱向环境中开释了约莫4300万立方米的铁矿石尾矿 ，传染了600多公里的水路（Fonseca do Carmo 等, 2017） ，造成19人殒命。该事务被以为是巴西最严沉的环境苦难 ，迄今为止已使矿主损失了数十亿美元（Ridley和Lewis, 2019）。
Fund?o 尾矿坝审查幼组（专家组）在坍塌后成立 ，以调查和确定Fund?o 尾矿坝（大坝）在液化滑坡泥流中失稳的原因。专家组于2016年8月25日汇报了其调查了局（Morgenstern等人 ，2016年） ，得出结论以为 ，坝内产生液化所必须的物质（即疏松、鼓和的尾矿）在粉碎前就已经存在 ，并且尾矿下富含煤泥沉积物的侧向挤压提供了触发液化滑坡泥流的机造。
本案例钻研简要总结了专家组汇报的很多岩土工程钻研了局。具体来说 ，它侧沉于在调查期间进行的先进尝试室测试项主张各个方面 ，该项目选取了由GDS Instruments （GDS）设计和造作的先进循环直接单一剪切装置。我们强烈建议读者参考由Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP出版的公开专家组汇报 ，以获取对Fund?o 尾矿坝变乱的具体评论。有关在进行的环境影响和司法案件的更多信息可在更宽泛的媒体中获得。  图 1: 2016年7月7日 ，Fund?o尾矿坝产生粉碎约8个月后。 起源： "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 矿山尾矿坝
Fund?o矿尾矿坝是为了截留铁矿石选矿过程中产生的砂和矿泥尾矿而建造的。砂尾矿（砂）以浆料的大局运输 ，由砂和粉粒大幼的颗粒组成 ，通常在其沉积后能够急剧排水。然而 ，由于选取水力步骤搁置 ，砂层通常疏松且未压实。同样作为浆料运输的泥质尾矿（泥质）被归类为低塑性粘土（只管只含有少量粘土矿物） ，其产生的沉积物比砂更可压缩 ，渗入性更低。
由于保留了两种分歧的资料类型 ，最初的大坝设计选取了“排水堆”的概想 ，如图2所示样。这个概想的主张是将砂堆逐级堆放在启动坝后面 ，黏土留在砂堆后面 ，启动机坝在砂堆上面选取上游式施工。这种设计的一个关键前提是在疏松、不密实的砂土中维持足够的排水 ，使砂土维持非鼓和状态 ，不容易产生静力液化。这个前提是通过（ i ）在启动器大坝下面建造一个大容量的排水系统来满足的；（ ii ）在左坝肩和右坝肩下方建造混凝土廊路（ 2 m直径导管） ，以输奉上游的地表水流入大坝下游；（ iii ）在尾矿沉积过程中 ，通过维持距离坝顶200 m的砂滩宽度 ，将矿泥从砂中分离出来 ，以免故障砂粒向下排水。  图 2：“排水堆”概想的概括性示意图。
启动坝施工于2008年10月实现 ，蕴含大容量排水系统和混凝土廊路的施工。尾矿排放则始于2009年4月。然而 ，在2015年11月大坝失败之前 ，大坝在运行和抬升过程中遇到了很多问题。这其中蕴含：
- 在2011 - 2012年期间 ，难以维持200 m的设计沙岸宽度 ，黏土距离坝顶近60 m。沉要的是 ，这导致了煤泥沉积在正本为砂沉积预留的区域。 - 左坝肩下混凝土廊路结构粉碎 ，2013年廊路被封关。沉要的是 ，这导致左坝肩的后续施工转向上游 ，更靠近于（现实上是在）已经沉积了黏土的区域
同样值妥贴心的是 ，在大坝出事前约90分钟 ，在大坝左近产生了3次低震级地震( MW 1.8 ~ 2.6)。
3 对大坝出事进行全面调查
凭据目见者的描述和实物证据批注 ，大坝是在液化滑坡泥流中坍塌的 ，始发于左坝肩。这一路点导致专家组关注为什么产生液化滑坡泥流 ，为什么在左坝肩启动 ，以及为什么在2015年11月5日失败。 为了回覆这些问题 ，专家组进行了系统的调查 ，其中必要汇编目见者访谈和大坝仪器数据 ，进行分析和地震学钻研 ，并对大坝粉碎前结构进行仿照沉建。
对溃坝前工程个性和筑坝资料（即砂子和煤泥尾矿）机能的估计是仿照大坝沉建的根基输入。这些估计重要是凭据地下现场调查和尝试室测试数据得出的 ，后者重要是在专家组进行的尝试室测试规划中获得的。该规划蕴含先进的直接单一剪切试验（DDS）和三轴试验（TX） ，对从大坝场址用铲子挖取的表层砂样和从左近的日耳曼尾矿库获得的矿泥样进行沉塑。 先进的尝试室测试法式 ，蕴含使用GDS单剪仪 a) 单一和循环直接单剪(DSS)试验 Klohn Crippen Berger （KCB）对砂土和黏土标本进行了15次定容直接单剪试验 ，以作为专家组的先进尝试室测试规划的一部门。本试验使用GDS伺服电机动态循环单剪装置（EMDCSS） ，该设备通过低适应性DSS装置设计、自动高度节造和通过堆叠低摩擦挡（(也能够使用钢丝加强橡胶膜）的物理横向约束 ，在剪切（单一或循环）过程中维持恒定的试样体积。试验依照ASTM D 6528试验尺度（ASTM, 2007）发展。  图 3：GDS伺服电机动态循环单剪装置（EMDCSS）
在GDS EMDCSS装置中进行KCB试验的9个砂土试样 ，其直径为70 mm ，固结至150 ~ 600 k Pa竖向有效应力之间。在5个循环剪切试样中 ，有2个试样在固结阶段（别离为竖向有效固结应力的17.5 %和35 %）施加了初始剪应力偏压。循环荷载的施加频率为0.1 Hz ，施加的循环应力比（CSR）由Pane进行的现场响应分析领导。
在GDS EMDCSS装置中用KCB测试的6个黏土试样的直径也是70 mm ，并在砂土测试时施加一样的竖向有效应力领域内固结。在循环剪切的3个试件中 ，一个在固结（ 17.5 %的竖向有效固结应力）时施加初始剪应力偏压 ，而一个在单调剪切至20%剪切应变后施加了循环加载。
从定容单调DSS试验中获得的数据 ，估算出砂土的峰值不排水强度比（即峰值水平剪应力除以竖向有效固结应力）领域在0.12 ~ 0.14之间 ，黏土的峰值不排水强度比在0.16 ~ 0.17之间。值妥贴心的是 ，砂土试样的固结后孔隙比在1.04 ~ 0.93之间 ，而黏土试样的固结后孔隙比在0.99 ~ 0.91之间。当土体应变超过峰值剪应力时 ，所有试样均阐发出应变软化个性（也就是说 ，剪切应力从幼到大的减。。
在定容循环DSS试验中纪录的数据批注 ，在大坝粉碎之前 ，代表低震级地震震荡的循环荷载不会产生显著的超孔隙压力积累或剪切应变。例如 ，施加的CSR值为0.01时 ，在30次加载循环后 ，砂土和黏土试样中纪录到的最大剪应变为0.01 % ，而在坝顶（在砂尾砂基部左近）以下58 m深度处 ，CSR蹬宗0.004被估计为代表第84百分位的地震荡。在循环DSS测试中 ，施加的CSR随后增长 ，其中CSR提高到0.05 ，而后是0.1。
为了注明GDS EMDCSS装置的典型循环机能 ，图4给出了在GDS办公室进行的定容DSS试验中纪录的一个干净砂土试样的循环响应。图4所示的试验数据和照片与Fund?o尾矿库溃坝调查无关 ，仅做注明之用。
图 4：在GDS办公室的GDS伺服电机动态循环单剪( EMDCSS )设备中 ，在定容前提下测试的干净砂试件的
循环直接单剪响应和照片。该试验与Fund?o矿山尾矿坝失效调查没有任何干系 ，仅用于注明主张。
b) 三轴试验 在高级室内试验打算期间 ，KCB对砂土试样进行了一系列宽泛的排水和不排水三轴(（TX ）试验。在排水和不排水前提下 ，对各向同性和各向异性固结试样进行了21次应变节造的压缩试验 ，其了局用于估计强度参数（例如 ，有效摩擦角为33 °） ，以及临界状态线（ CSL ）和剪胀参数。这些参数随后作为专家组调查的一部门进行不变和变形分析。
此表 ，还进行了9个排水TX试验 ，称为“挤压坍塌”试验 ，以钻研砂土中可能通过侧向挤压机造（该机造在本文的“结论”部门做了进一步注明）引发砂土液化的可能性。为了进行这些试验 ，首先对试样进行了各向异性固结 ，而后遵循专门设计的应力蹊径 ，其中均匀有效应力（即试样约束）降低 ，而偏应力维持不变或增长。当试件的应力状态靠近CSL时 ，通；峁鄄斓绞约的急剧坍塌。该试验根基上复造了2015年11月5日大坝内砂土分裂的方式。
必要注明的是 ，用于进杏装挤压塌陷”试验的TX装置是经过刷新的TX系统。为了实现试样产生急剧粉碎所需的应力节造 ，必要对其进行批改。GDS能够提供专门用于"挤压坍塌"测试的TX设备 ，其中速度节造的三轴载荷框架通过数字远程反馈 ？椋 DigiRFM ）接管来自三轴荷载传感器的直接反馈。直接反馈能够显著提高三轴载荷框架的响应能力 ，使急剧轴向压缩可能在排水前提下急剧启动试样粉碎。
还对从实地取样获得的黏土标本进行了不排水TX试验 ，但专家组没有使用这些试验的了局。
c) 其他高级的尝试室检测 钻研人员对砂土试样进行1次直剪试验、1次固结试验和2次弯曲元试验 ，以提供砂土的附加强度、压缩性和渗入性以及幼应变剪切模量估计值。对黏性土试样进行1次固结试验、1次大应变固结试验和1次沉降试验 ，以提供黏性土的压缩性、固结系数、渗入性和沉降速度估计值。请参考专家组汇报的附录D ，以进一步相识这些尝试室测试的具体情况。
从高级的尝试室检测规划中得到启迪
专家幼组的高级尝试室测试规划提供了一些关于砂和黏土的整体行为的沉要见解 ，以及对根基工程参数的估计 ，这有助于专家幼组确定大坝于2015年11月5日在左坝肩起头失稳的原因。
- 砂土样排水"挤压坍塌"三轴试验复现了在大坝失稳期间观察到的急剧坍塌 ，援手专家组证实了侧向挤压机造最终触发了液化滑坡泥流。尺度排水和不排水三轴试验还提供了用于不变性和变形分析的砂土的强度、临界状态和剪胀参数估计值。 - 黏土试样的固结试验提供了数据 ，为固结和渗入性参数提供了信息 ，这些参数是专家组仿照大坝左坝肩下黏土固结行为的一部门。
4 专家组得出的结论
专家幼组的调查最终得出结论以为 ，大坝失稳的原因是侧向挤压机造引发了位于左坝肩的疏松鼓和砂土液化。这种机造使位于砂层下方的黏土沉积物在越来越高的大坝荷载作用下压缩时产生横向变形（即被挤压） ，迫使上方砂土层阅过水平应力的逐步降低（即限度削减）并有效松动。这一过程最终导致砂土达到不不变的应力状态 ，从而引发液化 ，导致大坝溃决。专家组进行的仿照批注 ，这种不不变状态预计将在2015年11月5日的大坝高度达到 ，这有助于诠释为什么大坝在运行时失稳的原因。
在大坝施工、运行和抬升过程中遇到的问题 ，有效地创造了在左坝肩发展侧向挤压机造和启动液化滑坡泥流的必要前提。具体而言： -疏松、不密实的砂土通过鼓和而变得容易液化 ，这是由于不充分的排水前提造成的。由于在整个大坝运行期间 ，原先的大容量排水系统依然有效 ，这个问题就不太可能出现。-由于坝肩台在上游沉新对齐 ，随后在富含黏土的堆积物上方建造 ，因而可能形成侧向挤压机造。若是底层混凝土廊路没有产生结构粉碎 ，那么这种调整是不成能的 ，并且若是在整个尾矿沉积过程中维持200米的设计海滩宽度 ，那么在调整后的桥台地位不成能存在显著的富含黏土的沉积物。
 图 5: 注明左坝坝肩的上游调整 ，加上泥质侵蚀正本为砂土保留的区域 ，可能导致左坝肩建在富含黏土的沉积物之上的概况示意图。
5 总结 Fund?o尾矿坝于2015年11月5日被判定为液化滑坡泥流失稳 ，原因是疏松、鼓和砂尾矿下方富含黏土的堆积物侧向挤出。Fund?o尾矿坝审查幼组在进行了系统的调查之后得出了这一结论：在很多其他分析中 ，蕴含在GDS伺服电机动态循环单一剪切装置（ GDS EMDCSS ）将砂土和黏土样进行了高级的尝试室测试。本案例钻研批注 ，先进的尝试室测试法式能够在调查过程中查抄尾矿资料的力学个性和潜在失稳机造 ，以及一系列意表事务和偏离原始设计若何导致大坝结构的苦难性粉碎。
参考文件 ?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.
免责申明 本案例钻研齐全由GDS Instruments凭据我们对公开技术汇报的审查和诠释编写。本案例钻研未经第三方审查 ，不组成任何大局的技术建议。 |
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