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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Fundão 尾矿坝在液化流滑坡中倒塌。这次事故向环境中释放了大约4300万立方米的铁矿石尾矿，污染了600多公里的水道（Fonseca do Carmo 等, 2017），造成19人死亡。该事件被认为是巴西最严重的环境灾难，迄今为止已使矿主损失了数十亿美元（Ridley和Lewis, 2019）。
Fundão 尾矿坝审查小组（专家组）在坍塌后成立，以调查和确定Fundão 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日报告了其调查结果（Morgenstern等人，2016年），得出结论认为，坝内发生液化所必需的物质（即松散、饱和的尾矿）在破坏前就已经存在，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制。
本案例研究简要总结了专家组报告的许多岩土工程研究结果。具体来说，它侧重于在调查期间进行的先进实验室测试项目的各个方面，该项目采用了由GDS Instruments （GDS）设计和制造的先进循环直接简单剪切装置。我们强烈建议读者参考由Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP出版的公开专家组报告，以获取对Fundão 尾矿坝事故的详细评论。有关正在进行的环境影响和法律案件的更多信息可在更广泛的媒体中获得。  图 1: 2016年7月7日，Fundão尾矿坝发生破坏约8个月后。 来源： "Mariana, Minas Gerais" by Ibamagov is licensed under CC BY-SA 2.0. https://www.flickr.com/photos/ibamagov/29702341695/in/photo-stream/
2 FUNDÃO 矿山尾矿坝
Fundão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）以浆料的形式运输，由砂和粉粒大小的颗粒组成，通常在其沉积后可以快速排水。然而，由于采用水力方法放置，砂层通常松散且未压实。同样作为浆料运输的泥质尾矿（泥质）被归类为低塑性粘土（尽管只含有少量粘土矿物），其产生的沉积物比砂更可压缩，渗透性更低。
由于保留了两种不同的材料类型，最初的大坝设计采用了“排水堆”的概念，如图2所示样。这个概念的目的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采用上游式施工。这种设计的一个关键条件是在松散、不密实的砂土中保持足够的排水，使砂土保持非饱和状态，不容易发生静力液化。这个条件是通过（ 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道（ 2 m直径导管），以输送上游的地表水流入大坝下游；（ iii ）在尾矿沉积过程中，通过保持距离坝顶200 m的砂滩宽度，将矿泥从砂中分离出来，以免阻碍砂粒向下排水。  图 2：“排水堆”概念的概括性示意图。
启动坝施工于2008年10月完成，包括大容量排水系统和混凝土廊道的施工。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许多问题。这其中包括：
- 在2011 - 2012年期间，难以维持200 m的设计沙滩宽度，黏土距离坝顶近60 m。重要的是，这导致了煤泥沉积在原本为砂沉积预留的区域。 - 左坝肩下混凝土廊道结构破坏，2013年廊道被封闭。重要的是，这导致左坝肩的后续施工转向上游，更接近于（实际上是在）已经沉积了黏土的区域
同样值得注意的是，在大坝失事前约90分钟，在大坝附近发生了3次低震级地震( MW 1.8 ~ 2.6)。
3 对大坝失事进行全面调查
根据目击者的描述和实物证据表明，大坝是在液化滑坡泥流中坍塌的，始发于左坝肩。这一起点导致专家组关注为什么发生液化滑坡泥流，为什么在左坝肩启动，以及为什么在2015年11月5日失败。 为了回答这些问题，专家组进行了系统的调查，其中需要汇编目击者访谈和大坝仪器数据，进行分析和地震学研究，并对大坝破坏前结构进行模拟重建。
对溃坝前工程特性和筑坝材料（即砂子和煤泥尾矿）性能的估计是模拟大坝重建的基本输入。这些估计主要是根据地下现场调查和实验室测试数据得出的，后者主要是在专家组进行的实验室测试方案中获得的。该方案包括先进的直接简单剪切试验（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附近的日耳曼尾矿库获得的矿泥样进行重塑。 先进的实验室测试程序，包括使用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实验室测试方案的一部分。本试验使用GDS伺服电机动态循环单剪装置（EMDCSS），该设备通过低顺应性DSS装置设计、自动高度控制和通过堆叠低摩擦挡（(也可以使用钢丝增强橡胶膜）的物理横向约束，在剪切（单一或循环）过程中保持恒定的试样体积。试验按照ASTM D 6528试验标准（ASTM, 2007）开展。  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（分别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指导。
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相同的竖向有效应力范围内固结。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）范围在0.12 ~ 0.14之间，黏土的峰值不排水强度比在0.16 ~ 0.17之间。值得注意的是，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，所有试样均表现出应变软化特性（也就是说，剪切应力从小到大的减小）。
在定容循环DSS试验中记录的数据表明，在大坝破坏之前，代表低震级地震震动的循环荷载不会产生显著的超孔隙压力积聚或剪切应变。例如，施加的CSR值为0.01时，在30次加载循环后，砂土和黏土试样中记录到的最大剪应变为0.01 %，而在坝顶（在砂尾砂基部附近）以下58 m深度处，CSR等于0.004被估计为代表第84百分位的地震动。在循环DSS测试中，施加的CSR随后增加，其中CSR提高到0.05，然后是0.1。
为了说明GDS EMDCSS装置的典型循环性能，图4给出了在GDS办公室进行的定容DSS试验中记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Fundão尾矿库溃坝调查无关，仅做说明之用。
图 4：在GDS办公室的GDS伺服电机动态循环单剪( EMDCSS )设备中，在定容条件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Fundão矿山尾矿坝失效调查没有任何关系，仅用于说明目的。
b) 三轴试验 在高级室内试验计划期间，KCB对砂土试样进行了一系列广泛的排水和不排水三轴(（TX ）试验。在排水和不排水条件下，对各向同性和各向异性固结试样进行了21次应变控制的压缩试验，其结果用于估计强度参数（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分进行稳定和变形分析。
此外，还进行了9个排水TX试验，称为“挤压坍塌”试验，以研究砂土中可能通过侧向挤压机制（该机制在本文的“结论”部分做了进一步说明）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，然后遵循专门设计的应力路径，其中平均有效应力（即试样约束）降低，而偏应力保持不变或增加。当试件的应力状态接近CSL时，通常会观察到试件的快速坍塌。该试验基本上复制了2015年11月5日大坝内砂土破裂的方式。
需要说明的是，用于进行“挤压塌陷”试验的TX装置是经过改造的TX系统。为了实现试样产生快速破坏所需的应力控制，需要对其进行修改。GDS可以提供专门用于"挤压坍塌"测试的TX设备，其中速度控制的三轴载荷框架通过数字远程反馈模块（ DigiRFM ）接收来自三轴荷载传感器的直接反馈。直接反馈可以显著提高三轴载荷框架的响应能力，使快速轴向压缩能够在排水条件下快速启动试样破坏。
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结果。
c) 其他高级的实验室检测 研究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、压缩性和渗透性以及小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、渗透性和沉降速率估计值。请参考专家组报告的附录D，以进一步了解这些实验室测试的详细情况。
从高级的实验室检测方案中得到启示
专家小组的高级实验室测试方案提供了一些关于砂和黏土的整体行为的重要见解，以及对基本工程参数的估计，这有助于专家小组确定大坝于2015年11月5日在左坝肩开始失稳的原因。
- 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快速坍塌，帮助专家组证实了侧向挤压机制最终触发了液化滑坡泥流。标准排水和不排水三轴试验还提供了用于稳定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，为固结和渗透性参数提供了信息，这些参数是专家组模拟大坝左坝肩下黏土固结行为的一部分。
4 专家组得出的结论
专家小组的调查最终得出结论认为，大坝失稳的原因是侧向挤压机制引发了位于左坝肩的松散饱和砂土液化。这种机制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发生横向变形（即被挤压），迫使上方砂土层经历水平应力的逐渐降低（即限制减少）并有效松动。这一过程最终导致砂土达到不稳定的应力状态，从而引发液化，导致大坝溃决。专家组进行的模拟表明，这种不稳定状态预计将在2015年11月5日的大坝高度达到，这有助于解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制和启动液化滑坡泥流的必要条件。具体而言： -松散、不密实的砂土通过饱和而变得容易液化，这是由于不充分的排水条件造成的。由于在整个大坝运行期间，原先的大容量排水系统仍然有效，这个问题就不太可能出现。-由于坝肩台在上游重新对齐，随后在富含黏土的堆积物上方建造，因此能够形成侧向挤压机制。如果底层混凝土廊道没有发生结构破坏，那么这种调整是不可能的，并且如果在整个尾矿沉积过程中保持200米的设计海滩宽度，那么在调整后的桥台位置不可能存在显著的富含黏土的沉积物。
 图 5: 说明左坝坝肩的上游调整，加上泥质侵蚀原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略示意图。
5 总结 Fundão尾矿坝于2015年11月5日被判定为液化滑坡泥流失稳，原因是松散、饱和砂尾矿下方富含黏土的堆积物侧向挤出。Fundão尾矿坝审查小组在进行了系统的调查之后得出了这一结论：在许多其他分析中，包括在GDS伺服电机动态循环简单剪切装置（ GDS EMDCSS ）将砂土和黏土样进行了高级的实验室测试。本案例研究表明，先进的实验室测试程序可以在调查过程中检查尾矿材料的力学特性和潜在失稳机制，以及一系列意外事件和偏离原始设计如何导致大坝结构的灾难性破坏。
参考文献 •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). Fundão 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). Fundão Tailings Dam Review Panel, Report on theImmediate Causes of the Failure of the Fundão 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.
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