1. 引言

一个不争的事实是尾矿坝(Tailings Dam)比水坝(Embankment)更容易发生破坏，主要是因为尾矿坝材料是由细粒的尾粉土组成，特别是使用上游法筑坝，近年来发生破坏的尾矿坝几乎都是采用的是上游法筑坝方法。加拿大Alberta特有的油砂(Oil Sands)尾矿坝相比金属尾矿坝相对安全一些，原因是尾矿内含有大量粘土；而对于金属尾矿坝，铁矿的尾矿坝是不是比其它类型金属的尾矿坝更容易发生破坏，这是一个非常有趣的科学和工程问题，本文最后简要讨论了这个话题。

当尾矿坝发生破坏后，矿业公司通常会聘请专家调查组对尾矿坝的溃坝原因进行详细的事故技术调查，取决于矿业公司对事故的重视程度，有的仅聘请一个调查组，有的聘请两个调查组，有的甚至聘请三个调查组，一个典型例子是1997年南非的Merriespruit尾矿坝破坏，那次事故造成17人死亡，事故发生后成立了三个独立的调查组，分别由政府、矿山业主以及尾矿库的运营者组织。

事故调查组成员都是尾矿工程领域内的专家和学者，事故调查在大多数情况下都不是单纯研究过去可得到的资料，我们通常称之为Desktop Study(类似于文献回顾)，而是作为一个独立的项目展开研究，包括新的岩土工程勘察、试验室试验、理论分析和数值模拟。

当有两个或两个以上专家组进行调查时，会遇到的一种情形是各个调查组形成的结论不一致，其实这很好理解，一方面由于岩土材料的不确定性，另一方面由于专家组人员广泛的研究背景，最后的结论通常取决于专家组组长的意见，更偏向于自己熟悉和专长的解释。

2 尾矿坝破坏的总体原因

所有的尾矿坝破坏都与水的存在有关。我以前说过的一句话是：“没有水的存在就没有土力学；没有节理的存在就没有岩石力学。”尽管这句话说得有些极端，但确实显示出岩土工程的核心所在。尾矿坝破坏的首要原因是由溢流、渗漏或内部侵蚀(管涌)；次要原因是由于静态液化或地震导致的基础破坏或滑动。事实上，很多破坏的机理是由上述多个因素联合组成的，或者由一个因素激发了另一个因素进而产生联动破坏【尾矿库重大事故隐患判定标准；一尾矿坝发生了溃坝事故(Tailing Dam Collapse)】。

(1) 溢流(Overtopping); 

(2) 边坡不稳定(Slope instability);

(3) 地震(Earthquake);

(4) 地基破坏(Foundation failure);

(5) 渗流(Seepage);

(6) 结构破坏(Structural failure);

(7) 侵蚀(Erosion);

(8) 下沉(Subsidence)。

3 破坏原因的不确定性

最近30年发生的10个重大尾矿坝破坏事故如下所示：

(1) Merriespruit, South Africa (1997)

(2) Aznalcóllar, Spain (1998)【尾矿坝破坏全过程的物质点法(MPM)模拟】

(3) Kingston Ash Flow, TN, USA (2008)

(4) Kolontár, Hungary, (2010) 

(5) Mount Polly, Canada (2014)【能精确预警尾矿坝的溃坝吗?|波利山(Mount Polley)尾矿坝事故调查】

(6) Fundao, Samarco, Brazil (2015)

(7) Mishor Rotem, Israel (2017)

(8) Cieneguita mine, Mexico (2018)

(9) Newcreast Cadia Mine, Australia (2018)【卡迪亚尾矿库溃坝专家组调查结果(Cadia Embankment Failure)】 

(10) Brumadinho Tailings Dam, Brzail (2019)  【布鲁马迪尼尾矿坝破坏的原因(Brumadinho dam disaster)】

本节简要讨论了2个破坏原因的不确定性案例。

(1) Merriespruit

Merriespruit尾矿坝官方最后发布的主要破坏原因是溢流(Overtopping)，然而一些研究者指出，尾矿坝破坏时并未观察到溢流现象，因而溢流不是尾矿坝破坏的真正原因，Fourie等人(2001)最先使用静态液化理论解释了破坏原因，参看《(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为组长的Brumadinho事故调查小组最后的结论是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【布鲁马迪尼尾矿坝破坏的原因(Brumadinho dam disaster)】。

虽然Robertson等人(2019年)和CIMNE(2021年)都同意尾矿的脆性行为是导致静态液化事件的关键因素，不过，本次事故的第二个调查小组CIMNE得出的结论是触发静态液化的近期事件并非蠕变和暴雨的组合，而是由坝顶附近安装监测仪器时的高压钻探产生的。此外，CMINE不同意铁氧化物键合的形成是导致尾矿坝破坏的重要因素。CIMNE说他们没有发现任何与尾矿的分级无关的显著键合证据。尾矿的非排水脆性不是键合的结果。

4 非排干脆性断裂

静态液化破坏是一种非排干强度脆性(Undrained Brittleness)的结果，这是Bishop(1973)最先提出的概念，即某些收缩材料在未排水剪切经历一个峰值，然后在较低的应力下达到临界状态条件，这种现象导致了脆弱的岩土结构，破坏可能以非常快的速度进行，就像Brumadinho的破坏型式。一旦液化，材料可以流动很长的距离，增加了破坏的后果。

Robertson报告提到的铁氧化物键合概念引发了一个非常有趣的问题，即铁矿的尾矿

是不是比其它金属的尾矿更具有脆性行为，换句话说，铁矿尾矿的脆性行为是否是由于尾矿之间形成的铁氧化物键合引起的。由于我还没有统计所有发生破坏的尾矿坝的材料性质，因此不能得出这样的结论：铁矿尾矿坝更容易发生破坏。

一些研究者重新研究了1998年西班牙Aznalcóllar尾矿坝的破坏原因，得出结论破坏是由于坝基中粘土的脆性行为引起的，液化后强度大幅降低。这种行为使用非排干脆性指数(Undrained Brittleness Index)进行定量评价。

文章来源：计算岩土力学