1. 引言

一個不爭的事實是尾礦壩(Tailings Dam)比水壩(Embankment)更容易發生破壞，主要是因為尾礦壩材料是由細粒的尾粉土組成，特別是使用上游法筑壩，近年來發生破壞的尾礦壩幾乎都是采用的是上游法筑壩方法。加拿大Alberta特有的油砂(Oil Sands)尾礦壩相比金屬尾礦壩相對安全一些，原因是尾礦內含有大量粘土；而對于金屬尾礦壩，鐵礦的尾礦壩是不是比其它類型金屬的尾礦壩更容易發生破壞，這是一個非常有趣的科學和工程問題，本文最后簡要討論了這個話題。

當尾礦壩發生破壞后，礦業公司通常會聘請專家調查組對尾礦壩的潰壩原因進行詳細的事故技術調查，取決于礦業公司對事故的重視程度，有的僅聘請一個調查組，有的聘請兩個調查組，有的甚至聘請三個調查組，一個典型例子是1997年南非的Merriespruit尾礦壩破壞，那次事故造成17人死亡，事故發生后成立了三個獨立的調查組，分別由政府、礦山業主以及尾礦庫的運營者組織。

事故調查組成員都是尾礦工程領域內的專家和學者，事故調查在大多數情況下都不是單純研究過去可得到的資料，我們通常稱之為Desktop Study(類似于文獻回顧)，而是作為一個獨立的項目展開研究，包括新的巖土工程勘察、試驗室試驗、理論分析和數值模擬。

當有兩個或兩個以上專家組進行調查時，會遇到的一種情形是各個調查組形成的結論不一致，其實這很好理解，一方面由于巖土材料的不確定性，另一方面由于專家組人員廣泛的研究背景，最后的結論通常取決于專家組組長的意見，更偏向于自己熟悉和專長的解釋。

2 尾礦壩破壞的總體原因

所有的尾礦壩破壞都與水的存在有關。我以前說過的一句話是：“沒有水的存在就沒有土力學；沒有節理的存在就沒有巖石力學。”盡管這句話說得有些極端，但確實顯示出巖土工程的核心所在。尾礦壩破壞的首要原因是由溢流、滲漏或內部侵蝕(管涌)；次要原因是由于靜態液化或地震導致的基礎破壞或滑動。事實上，很多破壞的機理是由上述多個因素聯合組成的，或者由一個因素激發了另一個因素進而產生聯動破壞【尾礦庫重大事故隱患判定標準；一尾礦壩發生了潰壩事故(Tailing Dam Collapse)】。

(1) 溢流(Overtopping); 

(2) 邊坡不穩定(Slope instability);

(3) 地震(Earthquake);

(4) 地基破壞(Foundation failure);

(5) 滲流(Seepage);

(6) 結構破壞(Structural failure);

(7) 侵蝕(Erosion);

(8) 下沉(Subsidence)。

3 破壞原因的不確定性

最近30年發生的10個重大尾礦壩破壞事故如下所示：

(1) Merriespruit, South Africa (1997)

(2) Aznalcóllar, Spain (1998)【尾礦壩破壞全過程的物質點法(MPM)模擬】

(3) Kingston Ash Flow, TN, USA (2008)

(4) Kolontár, Hungary, (2010) 

(5) Mount Polly, Canada (2014)【能精確預警尾礦壩的潰壩嗎?|波利山(Mount Polley)尾礦壩事故調查】

(6) Fundao, Samarco, Brazil (2015)

(7) Mishor Rotem, Israel (2017)

(8) Cieneguita mine, Mexico (2018)

(9) Newcreast Cadia Mine, Australia (2018)【卡迪亞尾礦庫潰壩專家組調查結果(Cadia Embankment Failure)】 

(10) Brumadinho Tailings Dam, Brzail (2019)  【布魯馬迪尼尾礦壩破壞的原因(Brumadinho dam disaster)】

本節簡要討論了2個破壞原因的不確定性案例。

(1) Merriespruit

Merriespruit尾礦壩官方最后發布的主要破壞原因是溢流(Overtopping)，然而一些研究者指出，尾礦壩破壞時并未觀察到溢流現象，因而溢流不是尾礦壩破壞的真正原因，Fourie等人(2001)最先使用靜態液化理論解釋了破壞原因，參看《(2001) Static liquefaction as a possible explanation for the Merriespruit tailings dam failure. Canadian Geotechnical Journal, 38, 707–719. (pdf)》 

(2) Brumadinho

以Dr. Robertson為組長的Brumadinho事故調查小組最后的結論是蠕變和靜態液化導致了壩體破壞。由于持續的內部蠕變應變(creep rupture)和2018年末強降雨引起的非飽和區域吸力損失造成的強度降低導致了壩體突然強度損失和破壞。在尾礦沉積于2016年7月停止之后，經歷了幾年的增加降雨量。非飽和帶中的內部應變和強度降低達到了臨界水平，導致了壩體最終破壞【布魯馬迪尼尾礦壩破壞的原因(Brumadinho dam disaster)】。

雖然Robertson等人(2019年)和CIMNE(2021年)都同意尾礦的脆性行為是導致靜態液化事件的關鍵因素，不過，本次事故的第二個調查小組CIMNE得出的結論是觸發靜態液化的近期事件并非蠕變和暴雨的組合，而是由壩頂附近安裝監測儀器時的高壓鉆探產生的。此外，CMINE不同意鐵氧化物鍵合的形成是導致尾礦壩破壞的重要因素。CIMNE說他們沒有發現任何與尾礦的分級無關的顯著鍵合證據。尾礦的非排水脆性不是鍵合的結果。

4 非排干脆性斷裂

靜態液化破壞是一種非排干強度脆性(Undrained Brittleness)的結果，這是Bishop(1973)最先提出的概念，即某些收縮材料在未排水剪切經歷一個峰值，然后在較低的應力下達到臨界狀態條件，這種現象導致了脆弱的巖土結構，破壞可能以非?？斓乃俣冗M行，就像Brumadinho的破壞型式。一旦液化，材料可以流動很長的距離，增加了破壞的后果。

Robertson報告提到的鐵氧化物鍵合概念引發了一個非常有趣的問題，即鐵礦的尾礦

是不是比其它金屬的尾礦更具有脆性行為，換句話說，鐵礦尾礦的脆性行為是否是由于尾礦之間形成的鐵氧化物鍵合引起的。由于我還沒有統計所有發生破壞的尾礦壩的材料性質，因此不能得出這樣的結論：鐵礦尾礦壩更容易發生破壞。

一些研究者重新研究了1998年西班牙Aznalcóllar尾礦壩的破壞原因，得出結論破壞是由于壩基中粘土的脆性行為引起的，液化后強度大幅降低。這種行為使用非排干脆性指數(Undrained Brittleness Index)進行定量評價。

文章來源：計算巖土力學