編者說明：
作為Fund?o礦山尾礦壩潰決高級實驗室試驗計劃的一部分，KCB溫哥華巖土實驗室使用GDS Instruments的EMDCSS設備進行直接單剪試驗，以獲得：
（1）不排水單剪試驗的峰值和大應變抗剪強度；
（2）不排水動單剪試驗中循環荷載作用下的反應；
（3）以及靜偏壓不排水動單剪試驗中循環荷載作用下的反應。
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·斯內林，英國GDS公司
翻譯：陳棟
1.0簡介
2015年11月5日下午3時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4300萬立方米的鐵礦尾礦排放到環境中，污染了超過600公里的河道（Fonseca do Carmo等人，2017年），并導致19人死亡。
當時，這起事件被認為是巴西最嚴重的環境災難，迄今為止，礦主損失了數十億美元（Ridley和Lewis，2019年）。
Fund?o尾礦壩審查小組是在坍塌之后召集起來的，目的是調查和確定Fund?o尾礦壩在液化流動滑坡中失穩的原因。
專家小組于2016年8月報告了其調查結果（Morgenstern等人，2016年），得出結論認為，大壩內部發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向擠壓觸發了液化流滑。
本案例研究簡要總結了專門小組報告的許多巖土工程發現。具體地說，它著重于在調查期間進行先進的實驗室實驗的方方面面，該計劃采用了由英國GDS公司設計和制造的先進的循環單剪系統。
建議讀者參考由Cleary Gottlieb Steen和Hamilton發表的公開發表的專家組報告，以獲取關于Fund?o尾礦壩潰決的詳細評論。有關持續環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日發生故障后約8個月。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生的砂和礦泥尾礦。砂尾礦以泥漿形式運輸，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的。礦泥尾礦也作為泥漿運輸，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，最初的大壩設計采用了“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
該設計的一個關鍵條件是在松散、未壓實的砂土中保持足夠的排水，以使砂土保持不飽和狀態，不易發生靜態液化。這一條件將通過三個因素得到滿足：在初期大壩下方修建一個大容量排水系統；在左右壩肩下修建混凝土廊道（直徑2m的導管），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，將黏質土與砂子分離，從而不會阻礙沙子的向下排水。
初期大壩建設，包括大容量排水系統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：
? 大容量排水系統存在嚴重的施工缺陷，導致2009年發生內部腐蝕事件。這導致大容量排水系統被封閉，并最終實施了修訂后的排水設計。重要的是，大容量排水系統發生故障后，更廣泛的砂土發生了飽和。
? 2011年和2012年期間，難以維持200m的設計沙灘寬度，淤泥接近壩頂60米。重要的是，這導致礦泥沉積在原來保留來用于砂沉積的區域。
? 左橋臺下方混凝土廊道的結構破壞，導致廊道在2013年被封閉。重要的是，這導致了左壩肩的后續施工轉移調整到上游，更靠近（事實上，上面的）沉積了礦泥的區域。
還應注意到，在潰壩前約90分鐘，大壩附近發生了三次1.8至2.6級的低震級地震。
3.0專家小組調查潰壩
目擊者的陳述和物證證實，大壩在液化流滑中坍塌，從左壩肩開始。這一出發點使專家組集中討論了為什么會發生液化流滑，為什么會在左壩肩開始，以及為什么在2015年11月5日發生。
為了回答這些問題，專家小組進行了一項系統的調查，需要收集目擊者訪談和大壩儀器數據、分析和地震研究以及對潰決前的大壩結構進行虛擬重建。
對潰壩材料（即砂泥尾砂）潰前工程性質和性能的估計虛擬大壩重建需要的基礎化輸入。這些估計主要是根據地下實地調查和實驗室試驗數據作出的，后者主要是專家小組進行的實驗室試驗方案中獲得的。該方案包括對從壩址獲取的砂土鏟挖表面樣本以及從附近Germano尾礦庫獲得的礦泥中重建/重塑的樣本進行高級直接單剪（DSS）和三軸（TX）測試。
4.0高級實驗室測試方案
4.1單剪和循環動單剪實驗
Klohn Crippen Berger（KCB）對砂和礦泥樣本進行了15次恒定體積的DSS測試，作為專家組高級實驗室測試計劃的一部分。本試驗采用GDS電機動態循環單剪（EMDCSS）裝置（圖3）進行，該裝置通過低柔度設計的DSS裝置，使剪切（單調和/或循環）過程中保持恒定的試樣體積，通過一堆低摩擦疊環（或者，也可以使用鋼絲增強型橡膠膜）進行主動高度控制和物理側向約束。試驗按照ASTM D6528試驗標準（ASTM，2007）進行。
在GDS-EMDCSS裝置內KCB測試了9個砂樣，標稱直徑為70mm，固結150kPa至600kPa間的垂直有效應力。在五個周期剪切試件中，兩個在固結階段施加了初始剪應力偏差（分別為垂直有效固結應力的17.5%和35%）。以0.1Hz的頻率施加循環荷載，施加的循環應力比（CSR）由專家小組根據現場響應分析進行指導。
KCB在GDS EMDCSS裝置內測試的六個礦泥樣本標稱直徑也為70mm，并在相同的垂直有效應力范圍內進行固結，這與在砂土測試期間用的相同。在循環剪切的三個試樣中，一個試樣在固結過程中施加了初始剪應力偏差（垂直有效固結應力的17.5%），另一個試樣在單調剪切至20%剪切應變后施加循環荷載。
從恒定體積單調DSS試驗獲得的數據得出了砂土的峰值不排水強度比（即峰值水平剪切應力除以垂直有效固結應力）的估計值，范圍為0.12至0.14，泥質土的峰值不排水強度比為0.16至0.17。據估計，砂樣估算的先期固結孔隙比在1.04到0.93之間，而泥質土估算的試樣的孔隙比在0.99到0.91之間。當土壤的應變超過峰值剪應力時，所有試樣都表現出應變軟化行為（即剪切應力的小幅度或顯著降低）。
恒定體積循環DSS試驗期間記錄的數據表明，代表潰壩前低震級地震震動的循環荷載不會產生顯著的超孔隙水壓力累積或剪切應變。例如，當CSR值為0.01時，在30個荷載循環后，砂土和礦泥質土樣本中記錄到0.01%的最大剪切應變，而CSR等于0.004估計代表壩頂以下58m深度處的第84個百分位地震動（靠近尾礦庫底部）。隨后，在循環DSS試驗期間，使用的CSR會增加，CSR先提高到0.05，然后提高到0.1。
4.2三軸實驗
在高級實驗室試驗方案執行期間，KCB對砂樣進行了一系列排水和不排水三軸（TX）試驗。在排水和不排水條件下，通過對各向同性和各向異性固結試樣施加應變控制壓縮，共進行了21次試驗，結果用于估算強度參數（例如，有效摩擦角為33°），以及臨界狀態線（CSL）和剪脹參數。這些參數隨后成為小組調查的一部分進行的穩定性和變形分析的一個組成部分。
此外，還進行了九個額外的排水TX試驗，稱為“擠壓坍塌”試驗，以研究通過側向擠壓裝置在砂土中引發液化的可能性。該裝置將在本文件的結論部分進一步描述）。
為了進行這些試驗，首先對試樣進行各向異性固結，然后進行特殊設計的應力路徑實驗，在該路徑中，平均有效應力（即試樣約束）減小，而偏應力保持恒定或增大。當試樣的應力狀態接近CSL時，通常會觀察到試樣的快速塌陷。這項測試基本上復制了大壩內砂土的破壞方式。
值得注意的是，用于執行“擠壓塌陷”試驗的TX裝置是一種改進的TX系統。需要進行修改，以實現產生快速試樣破壞所需的應力控制。GDS可提供專門配置用于“擠壓倒塌”試驗的TX裝置，其中速度控制的三軸加載架通過數字遠程反饋模塊（DigiRFM）接收來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能力，使得在排水條件下試樣快速坍塌時能夠進行快速軸向壓縮。
對從現場取樣獲得的礦泥樣本也進行了不排水TX試驗，但小組并未使用這些試驗的結果。
4.3其他高級實驗室實驗
對砂土試樣進行了一次直接剪切試驗、一次固結儀試驗和兩次彎曲元試驗，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。對礦泥樣本進行了一次固結儀試驗、一次大應變固結試驗和一次沉降試驗，以提供礦泥的壓縮性、固結系數、滲透性和沉降速率估算值。有關這些實驗室測試的進一步詳情，請參閱專家組報告的附錄D。
5.0 來自高級實驗室實驗方案的見解
專家組的高級實驗室試驗方案提供了大量關于砂和泥質總體特性的重要見解，以及對基本工程參數的估計，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裝置內對砂土試樣進行循環直接單剪試驗，結果表明，當施加代表性的低震級地震荷載時，不會產生顯著的超孔隙水壓力和剪切應變。這使專家小組得出結論，大壩倒塌之前發生的地震并沒有在砂土中誘發液化，排除了潛在的破壞機制。然而，專家小組確實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”三軸試驗復制了在潰壩期間觀察到的快速崩塌，幫助專家小組確認側向擠壓機制最終觸發了液化流滑。標準排水和不排水三軸試驗還提供了砂土的強度、臨界狀態和擴容參數估計，用于穩定性和變形分析。
泥質試樣的固結試驗提供了數據，以獲知固結和滲透參數，這些參數是專家組模擬大壩左壩肩下淤泥固結特性的一部分。
6.0專家組得出的結論
專家小組的調查最終得出結論，大壩潰敗是因為側向擠壓機制引發了位于左壩肩的松散飽和砂土液化。在這種機制中，當在越來越高的大壩的荷載下壓縮時，位于砂土（圖4）下方的富泥沉積物發生橫向變形（即擠壓），迫使上面的砂承受水平應力的逐漸減小（即限制條件的減少）并有效地松脫。這一過程最終導致砂土達到不穩定的應力狀態，在這一點上引發液化，大壩決口。專家小組進行的建模表明，這種不穩定狀態在2015年11月5日的達到大壩的高度，這有助于解釋為什么大壩在那時發生潰敗。
大壩施工、運行和抬高過程中遇到的問題有效地創造了在左壩肩形成側向擠壓機制并引發液化流動滑動的必要條件，具體而言：
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由于排水條件不足，松散、未壓實的砂土因飽和而易發生液化。如果原來的大容量排水系統在整個大壩運行期間保持運行，則不太可能出現這個問題。
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側向擠壓機制得以發展，因為橋臺在上游重新對齊，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生結構破壞，則不太可能需要進行這種重新定線，并且如果在整個尾礦沉積過程中保持200m的設計海灘寬度，則不太可能在重新調整的壩基位置出現大量富泥沉積物。
7.0 總結
Fund?o尾礦壩被確定于2015年11月5日在液化流動滑坡中潰壩，該滑坡是由松散飽和砂尾礦下面富含礦泥的沉積物側向擠壓引起的。
Fund?o尾礦壩審查小組在進行了一項系統調查后得出了這一結論，該調查與許多其他分析一樣，在GDS機電動態循環單剪裝置內對砂土和礦泥樣本進行了先進的實驗室測試。
本案例研究表明，在公開調查期間，先進實驗室實驗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制方面，以及一系列意外事件發生和偏離了原始設計后如何導致大壩結構的災難性破壞方面。
免責聲明
本案例研究僅由GDS Instruments在審查和解釋公開提供的技術報告后編寫。本案例研究未經第三方審查，不構成任何形式的技術建議。
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/
