静态液化的可能性 (static liquefaction)

1. 引言

静态液化涉及土强度的突然丧失和在没有地震作用下的液化，已被确定为许多尾矿坝溃坝的原因。本文总结了由静态液化引起的4个尾矿坝溃坝的案例(其中3个在以前的公众号文章中讨论过)，以此作为类比对象来检查目前尾矿坝静态液化的可能性。

• 尾矿坝静态液化的触发因素和机理 (static liquefaction)
  

• 静态液化模拟(Static Liquefaction)
  

• 使用非排干脆性指数粗略估算静态液化(undrained brittleness index)

2. 破坏案例

2.1 Brumadinho dam

2019 年 1 月 25 日发生在巴西的布鲁马迪尼奥灾难 (Brumadinho dam)是历史上最严重的尾矿坝溃坝事故之一，排放了近1200万立方米尾矿，淹没了下游地区，造成至少270人死亡。调查指出尾矿内的静态液化是可能的破坏机制，稳定性分析表明即使在灾难发生之前安全系数也很低。专家小组将破坏归因于蠕变应变导致强度突然丧失以及强雨期后土吸力丧失。后来的一项研究指出了钻井引起的液化，这也显示出最终确定破坏原因的挑战。

• 尾矿坝破坏原因的不同解释

• 尾矿坝破坏原因解释的不确定性

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

2.2 Merriespruit dam

1994 年南非的 Merriespruit 尾矿坝溃坝也归因于静态液化。暴雨导致尾矿坝溃决，释放出 60 万立方米的尾矿，顺流而下 3公里，淹没了 Merriespruit 村。溢流和侵蚀是直接原因，但研究表明静态液化是导致液化尾矿释放的潜在破坏机制。Fourie、Blight 和 Papageorgiou 认为静态液化可以解释 Merriespruit 的破坏，并列举了高水位和尾矿松散状态等因素。然而，Brzezinski在发表的讨论中批评了他们的解释。原作者在已发表的答复中捍卫了自己的立场，进一步说明了最终将静态液化确定为破坏模式的复杂性。

• 尾矿坝破坏原因解释的不确定性

• 尾矿坝发生溢流的可能性(Overtopping)
  

• VS Code运行Anaconda虚拟环境下的代码
  

2.3 Stava dam

1985年意大利斯塔瓦(Stava)尾矿坝的溃坝同样涉及尾矿的静态液化，而高潜水位和排水不良加剧了这种情况，尾矿泄漏造成268人死亡。【从斯塔瓦(Stava)尾矿坝破坏案例中汲取教训】，穿过尾矿的倾析管(decant pipe)堵塞是这次灾难的触发因素。

[1] (1995) The Stava tailings dam failure, Italy, July 1985.

[2] (2014) Dam Failures in the 20th Century: Nearly 1,000 Avoidable Victims in Italy Alone 

[3] (2017) The failure of the Stava Valley tailings dams (Northern Italy): numerical analysis of the flow dynamics and rheological properties

[4] (2018) The Stava Valley Tailings Dams Disaster: A Reference Point for the Prevention of Severe Mine Incidents

2.4 Wachusett dam

Olson等人研究调查了1907年马萨诸塞州沃楚塞特大坝(Wachusett Dam)上游边坡的静态液化破坏，他们的分析强调了倒退静态液化流破坏的可能性。Moriwaki等人对分析的各个方面提出了批评，但一致认为液化可能是失败的原因。

[1] (2000) 1907 static liquefaction flow failure of the north dike of Wachusett dam. 

[2] (2003) The Pre- and Post-Failure Deformation Behaviour of Soil Slopes

[3] (2009) Evaluation of Flow Liquefaction and Liquefied Strength Using the Cone Penetration Test

[4] (2013) Static liquefaction-triggering analysis considering soil dilatancy

[5] (2015) Engineering Evaluation Of Post-Liquefaction Strength

[6] (2018) Characterisation of Static Liquefaction of Sand with Different Mixtures of Fines 

3. 关键因素

导致静态液化破坏的关键因素包括：

(1) 高潜水位和排水不充分导致孔隙压力过大

(2) 松散、未固结的尾矿，容易发生未排水破坏和液化

(3) 边坡不稳定和变形可能导致液化的触发条件

(4) 强降雨或地震震动会进一步扰动松散的尾矿并导致孔隙压力增加

因此，稳定性评估标准和排水控制措施对于管理液化风险至关重要。尾矿坝的稳定性分析至关重要，需要评估安全系数、变形、渗流、孔隙压力、液化势和破坏模式等因素，以确保尾矿坝的稳定性，但目前预测精确的破坏模式仍然是一个挑战。另一方面，强降雨引起的溢流和侵蚀可能会导致尾矿坝溃坝，这凸显了有效风险管理策略的必要性，通过适当排水和尾矿固结以减轻液化风险。地震液化也是尾矿坝的主要风险，因为地震引起的循环剪应力也会引发液化。过去几十年来，静态液化和地震液化都是许多尾矿坝溃坝的罪魁祸首。

文章来源：计算岩土力学