布鲁马迪尼尾矿坝破坏的原因(Brumadinho dam disaster)

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1 引言

从过去失败的案例中汲取经验和教训是岩土工程最实用的研究方法，不仅有助于新的工程项目的可行性研究和评估，而且有助于新的失败项目的诊断，分析其破坏的原因。

本文讨论了尾矿坝破坏历史上另一个重要的案例---布鲁马迪尼尾矿坝(Brumadinho dam disaster)。

2 破坏事故

布鲁马迪尼尾矿坝，也称作Feijão Dam，2019年1月25日当地时间下午12:28左右，位于巴西米纳斯吉拉斯州布鲁马迪尼奥东北9公里处的Córrego do Feijão铁矿尾矿坝B-I突然发生破坏，导致灾难性的泥石流迅速向下游流动。该坝由巴西矿业公司Vale S.A.拥有和运营，坝体坍塌导致了巴西历史上最严重的矿业灾难之一，至少270人失去了生命。

坝体的破坏始于坝顶，延伸到靠近第一提高坝(初始坝)上方的区域。坝顶下降，坝底以上区域向外凸起，然后坝面瓦解。破坏范围延伸到坝体大部分区域，整个坡面在不到10秒的时间里完全坍塌，导致9700万立方米(约占存储尾矿的75%)的物质在不到5分钟的时间内从坝体流出。坝体内的物质突然且显著地失去了强度，迅速变成了高速流动的重液体。视频显示，最初的破坏相对较浅，随后是一系列快速陡的浅层滑坡，并向后进入尾矿堆积区。

3 破坏原因

根据这些观察结果，可以明确地得出这次破坏是由坝体材料内部的静态液化导致的。显著而突然的强度损失表明，坝体内的物质是脆性的。坝体在破坏前没有明显的预兆。在破坏前7天，使用一架无人机拍摄的高质量视频也没有显示出任何问题。该坝通过一系列监测手段进行广泛监测，包括沿坝顶的测量点、倾斜仪测量内部变形、地基雷达监测坝面变形和压力计测量内部水位变化等等。在破坏前，这些方法都没有检测到任何明显的变形或变化。事后卫星图像分析显示，在破坏前一年，坝面出现了小于36毫米/年的缓慢而基本连续的下沉变形，而在雨季期间，变形有所加速。在坝的下部，破坏前12个月测得的变形包括水平变形在10到30毫米之间。这样的变形符合坝体缓慢而长期的沉降，单独来看并不能表明破坏的前兆。

缺乏重要的排水设施，再加上坝体内存在较不渗透的细粒尾矿层，导致坝体水位较高。自第四次提高以来，周期性地观察到从靠近趾部以上的坝面渗漏。尽管在2016年中止尾矿堆积，但对坝内安装的压力计的审查显示，在尾矿堆积结束后，坝内的水位并没有显著降低。坝的上部水位缓慢下降，但趾部区域的水位仍然很高。这主要是由于高区域的雨季降雨量与坝体内有限的内部排水相结合。2018年初安装了深水平排水管，共安装了14个，主要沿着退后坝位的趾部。

在破坏当天，该地区没有记录到地震。虽然该地区的露天矿山进行了爆破，但在2019年1月25日，靠近I号水坝的地震仪上没有记录到任何爆破。因此，地震和爆破不是导致破坏的触发因素。

总之，以下历史事件导致了I号坝的不稳定条件：

• 设计导致上游坡度陡峭；

• 尾矿围堰内的水管理有时允许积水靠近坝顶，导致弱尾矿沉积在靠近坝顶的位置；

• 设计中的后退使得较弱的细粒尾矿位于较上部的斜坡上；

• 缺乏重要的内部排水，导致坝内持续高水位，尤其是在脚部区域；

• 高铁含量导致重型尾矿的颗粒之间具有胶结力。这种胶结力形成了硬性的尾矿，如果被触发未排水，则可能非常脆性；

• 高强度的区域性雨季降雨可能导致吸力的显著损失，从而在水位以上的非饱和材料中产生小的强度降低。

4 结论

蠕变和静态液化导致了坝体破坏。由于持续的内部蠕变应变(creep rupture)和2018年末强降雨引起的非饱和区域吸力损失造成的强度降低导致了坝体突然强度损失和破坏。在尾矿沉积于2016年7月停止之后，经历了几年的增加降雨量。非饱和带中的内部应变和强度降低达到了临界水平，导致了坝体最终破坏。

5 视频参考

(1) (2019) Allen Marr(Geocomp, USA): 尾矿坝的岩土工程问题(Geotechnical aspects of tailing dams)[1小时10分]

(2) (2021) Michael Jefferies(Golder Associates, Canada) 提高监管不足以避免大坝垮塌(Improving governance will not be sufficient to avoid dam failures)[1小时22分]，由Michael Jefferies主讲

(3) (2019)Pebble矿尾矿坝破坏影响的模拟(Modeling the impacts of a tailings dam failure at the Pebble Mine)[21分]

(4) Midas GTS对尾矿坝的数值分析(Numerical Analysis of Tailings Dams by Midas GTS)[50分]

(5) 尾矿坝破坏原因(Tailing Dam Failure Reasons)[7分]

(6) (2018) Chad LePoudre(BHP, Canada): 尾矿坝案例研究和统计的破坏模式(Tailings faiulre case studies,statistica failure modes)[1小时12分]

(7) Scott M. Olson (University of Illinois at Urbana-Champaign, USA) 液化土的抗剪强度-更新和新发展(The shear strength of liquefied soils-updates and new developments)[1小时6分]

(8) 尾矿坝类型：上游、下游和中心线施工方法(Upstream, Downstream and Centerline Construction Methods)[12分]

(9) (2015)波利山尾矿坝溃坝事故调查 (Independent Expert Engineering Investigation and Review---Mount Polley Tailings Storage Facility Breach[独立专家工程调查和审查---Mount Polley尾矿储存设施破坏事件])[21分]

(10) (2022) Analysis and Design of Tailings Dams using Numerical Methods

来源：计算岩土力学