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土地是弯曲的 我看不见你 我只能远远看见 《土地是弯曲的》，顾城  部族在凝望被污染的多西河 2015年11月5日，巴西米纳斯吉拉斯州Germano矿厂的Fundão尾矿库大坝发生了崩塌。 坝后4500万立方米的有毒污泥如潮水般涌出，流入附近的多西河，并最终到达距离大坝600多公里远的大西洋。  污泥最终到达大西洋 事故给当地流域与社区带来了破坏性的影响。19人死亡，约700人无家可归。数十万人的水源被污染，野生动物大批死亡。 这一事故被广泛认为是巴西有史以来最严重的环境灾难。而罪魁祸首，则是矿山工业生产中的废渣——尾矿（Tailings）。 尾砂与细泥 铁矿石是钢铁冶金工业较主要的原料，也是国民经济可持续发展的重要矿产资源。 然而，自然界中采集的铁矿石并不能直接利用，还需经过一系列的工艺流程进行加工处理。其中，选矿（Beneficiation）是生产过程中最重要的环节。 通过物理或化学方法，可以将铁矿石原料中的有用矿物和无用矿物分开。这个过程就称为选矿。被分选出来的有用矿物称为精矿，可以进一步提炼；无用矿物则称为尾矿，矿物中可利用的有价值成分低，一般抛弃处理。 在巴西的Germano矿场，铁矿的选矿产生了两种截然不同的尾矿，它们以混合泥浆的形式分别产生和运输。第一种是尾砂（Sand Tailings），主要由砂粒和粉粒组成，粒径大致相同，总体上呈灰色，没有粘性；另外一种是细泥（Slimes），本质上是颗粒更加细小的致密粘土，是具有粘性的红棕色物质。  尾砂（a）与细泥（b） 与建筑弃土的处理方式类似，尾矿会被集中堆填弃置，这种堆填场所称为尾矿库。由于尾矿是以流动性的泥浆形式产出的，所以尾矿库一般会选在山谷地带筑坝，像水库大坝一样拦着尾矿泥浆防止其渗出，让其在坝后逐渐沉淀压实。 在尾矿库的筑坝过程中，主要可以分为三种工法。 01 上游式筑坝法（Upstream Method）  这种是目前尾矿库最常用的，也是最便宜的筑坝方式。在建立起最底部的初期坝之后，尾矿的填埋与子坝体的建设交替往上游方向进行。由于上游建设的子坝体基础均座落在尾矿上，这种筑坝方式的安全性要特别注意，尤其是尾矿是否能充分排水。 02 下游式筑坝法（Downstream Method）  与前者不同，这种工法的坝体建设是通过在初期坝外侧逐渐向下游方向加高实现的。由于要包裹已建设的坝体，每一级的坝体加高的费用会逐步变得昂贵。当然，坝体的基础全部均座落在坚实地基上，其安全性要明显高于前者。 03 中线式筑坝法（Centerline Method）  第三种工法是通过在初期坝中线方向逐步加高坝体的，相当于是前两者优缺点的中和体。 三种工法各有优劣，需结合具体情况合理采用。 Fundão尾矿库 在Germano矿场，大部分的尾矿库都是采用上游式筑坝建造的。如前所述，上游式筑坝法的关键在于坝后的尾矿体能充分排水，不能存在过高的水位线。否则，支撑子坝体的松散尾矿砂在饱和富水的情况下，很容易出现液化或流失，影响坝体安全。 为了防止尾矿的不稳定，Germano的上游式筑坝尾矿库采用了两个排水控制措施。一是在尾矿库的底部设置了排水沟，一直延伸到了初期坝的外部，尾矿泥浆带来的水可以通过排水沟排到坝体外；二是在尾矿不断加高的过程中，在不同高度处设置了水压计，以便监测是否有出现异常的水位。  尾矿库的排水控制措施 对于Fundão山谷的尾矿库，也是采用了类似的原则进行建造。在最初的布局中，尾矿砂和细泥在物理上是分开的，尾矿砂被排到1号堤之后，而细泥则是排到2号堤之后。  Fundão尾矿库平面布置 1号堤作为Fundão尾矿库的初期坝，基础下设置了高透水性的碎石排水沟，作为日后将水体排到坝外的排水通道；随后，尾矿采用上游式筑坝法逐步填埋加高。为了控制尾矿库的水位，还设置了200m的干滩隔离带，在坝后200m范围内只允许填埋尾矿砂。这是因为尾矿砂具有良好的透水性，如果靠近坝体坡面存在有透水性差的细泥，将会阻碍尾矿库的排水，对安全不利。 最终，尾矿库将会填到标高920的位置，约地面以上120m。  Fundão尾矿库的设计方案  1号堤基础下的碎石排水沟 除了初期坝下方的排水沟，在尾矿堆填物下方也设置了两个直径2m混凝土排水廊道。其中，主廊道位于右侧坝肩下方，次廊道位于左侧坝肩下方。尾矿填埋区域下渗的水将进入廊道，再从与廊道相接的碎石排水沟排出。  排水廊道平面布置 建设中的排水廊道 溃坝 2015年11月5日下午，大部分工人正在位于坝顶右侧作业。此时，尾矿库已堆填至地面以上90m的高度，与设计库顶只差30m。 突然，有工人注意到大坝的左侧升起一股浓尘。 紧接着，工人目睹了尾矿库中央出现了类似海浪的现象，砂粒在上下摆动。另外一名站在高处的工人，则感觉到地面开始在他脚下裂开，并一直向下游移动。 较低处的大坝斜坡像“一条蛇”一样慢慢地向前延伸。它完好无损地整体移动着，然后突然膨胀起来，随着运动的加速而扭曲变形，最终“像波浪一样”落下，或者像是“在融化”。 随着斜坡的破坏，泥石流状的尾矿从大坝左侧倾泻而下。这时大家才反应过来：溃坝发生了。 几个小时后，将近100m高的Fundão大坝彻底消失。 Fundão大坝溃坝前后对比 重量级调查组 因Fundão尾矿库的溃坝对生态环境造成灾难性的影响，且该矿区又属于铁矿石三巨头之二的必和必拓和淡水河谷所持有，该事件迅速在巴西国内和国际引起了广泛的关注。 到底是什么原因导致了溃坝？ 作为回应，最终由四名权威专家组成了独立调查组，对溃坝事故全面深入的研究分析。其中，专家组主席正是大名鼎鼎的Morgenstern教授。（没错，就是创立了Morgenstern-Price边坡稳定计算方法的那位） N. R. Morgenstern 独立调查组的目的只有一个：提供最独立和最公正的专业判断，以确定事故发生的真实原因。为了达到这一目的，调查组在调查期间，有权可以： （1）审查任何与Fundão尾矿库相关的技术文件及资料； （2）传唤任何调查所需的证人。 简单地说，只要对了解事件的真相有帮助，专家组的决定都会得到全力支持。 目击者的还原 Fundão尾矿库的溃坝十分突然，在短短几分钟之内大坝便被完全摧毁，并没有任何的影像资料留下。要调查清楚事故发生的关键部位与过程，只能通过当时现场工人的证词。由于工人并不是专业的工程师，他们的描述不一定准确，需要对他们提供的口述资料进行归纳对比，最终还原出真相。 溃坝事故发生时，目击者分别在以下图示的区域作业。他们分别处于整座90m高大坝的不同位置，仅能清楚地观察到邻近位置的大坝在事故中的情况。 事故发生时现场目击者所处位置 首先调查的是4，5，6号位置处的目击者。事发时他们站在大坝的最高点，拥有最宽广的视野。 在4号和6号位置处，目击者首先注意到的是从大坝左侧飘起了一团浓尘，预示着溃坝已经发生。一名4号位的目击者看到了尾矿库中心部分出现了波浪起伏的现象，同时在左边坝顶出现了裂缝，沙粒在上下移动。另一名5号位的目击者也看到了左侧坝顶出现了一条裂缝，然后沿纵横不断发展延伸。 4，5，6号位置目击者的视野范围及描述 与此同时，在9号位大坝底部的目击者，并没有看到初期坝有任何动静。直到不久后，大量呈红棕色的泥石流状的尾矿物沿大坝坡面从左侧倾泻而下。 9号位置目击者的视野范围及描述 这些观察结果表明，大坝的破坏起源于左侧的部位，而初期坝并没有出现任何损坏。然而，这些在坝顶上的目击者并不能准确地看到溃坝是如何以及从左侧哪个部位开始的，当他们看到的时候，溃坝已经发生了。 对此，1，2，3号位距离大坝的左侧更近，这些位置的目击者更能清楚地看到溃坝的过程。1号和2号位的目击者最先看到大坝异常开始于他们所站位置附近，他们看到一股污水突然从地下喷涌而出。一名站在1号位的工人，感觉到地面开始在他脚下裂开，从身后的斜坡向下游移动。 根据2、3号位目击者的描述，地面的移动是以“从底部向上”形式传播的，而不是从顶部向下。他们首先在3号位观察到一台小型推土机在E标高875的平台上被向外推，这也许就是大坝第一个发生变形的部位。起初，较低处的大坝斜坡像“一条蛇”一样慢慢地向前延伸。它完好无损地整体移动着，然后突然膨胀起来，随着运动的加速而扭曲变形，最终“像波浪一样”落下，或者像是“在融化”。 4，5，6号位置目击者的视野范围及描述 综合所以证词，这些目击者的观察结果可以被合成为下图所示的溃坝过程。 溃坝破坏的时间序列 两个疑点 在对现场的目击者取证过后，基本上可以确定尾矿库的溃坝始于左侧。然而，证词中却隐隐中有着不对劲的地方。 如前所述，Fundão尾矿库采用的是上游式筑坝工法建造，在底部设置有排水廊道和垫层。在正常情况下，尾矿库内的水位线应该是下图形式的。 正常情况下的水位线 而在证词中，描述了污水在地下喷出的现象，这与库内正常水位线的分布情况是矛盾的。当时目击者所处的位置所处的标高是857，高于正常水位线。水不可能从下往上逆向而行。 污水喷出点高于正常水位线 另外，目击者看到倾泻而下的尾矿库是红棕色的，意味着尾矿中含有相当数量的细泥。然而，根据尾矿库的规划，1号堤后面堆填的主要是尾矿砂，而不是细泥（细泥堆填在2号堤后面）。现在1号堤发生了溃坝，流出的尾矿物应该是灰色的砂才对。这是第二个疑点。 尾矿砂和细泥分别堆填在两座堤后面 这两个疑点值得进一步深入研究。 存在缺陷的排水 对于疑点1，如果被发现有污水从标高857流出，只能说明实际的水位线已明显高于正常水位线。这意味着，尾矿坝的排水系统可能存在着不足。 事实上，坝体的排水系统在建成后确实发生过一系列的事故。 在2009年，1号堤刚建成后不久，在堤基础主排水沟附近的位置即出现了管涌（Piping）。地下水携带大量细颗粒的从坡面流出，1号堤部分坝体遭到了损坏。 1号堤基础处出现管涌 在随后的调查中发现，原因是1号堤基础下的碎石排水层在施工中出现了严重缺陷。在作为排水通道时，碎石的铺设要经过特别设计。为了防止尾矿库中的细颗粒经排水流失，一般在进水口要由2~4层不同粒径大小的碎石或砂粒沿水流方向由小到大铺设，像过滤网一直只允许水流出，挡住细颗粒，如下图（左）所示。然而，在对损坏的排水沟挖掘后发现，碎石排水沟并没有按照粒径顺序铺设，缺乏了中间过渡粒径层。 常规滤层（左）与1号堤缺陷滤层（右） 由于过滤层没有做好，在排水沟中发现了大量堵塞的细颗粒，使排水能力大为降低，导致1号堤的水位不断升高，最终出现管涌。 当时雨季即将来临，要将排水沟完全修复，只能等到雨季结束后才能动工。此时，分选工厂中的尾矿却仍在远远不断地产出。为了能尽早接纳产出的尾矿，最终的解决方案是将1号堤所有的排水沟都进行封闭，放弃其排水作用。 为了尽快投产，排水沟被完全封闭 这个决策，违背了上游式筑坝工法中最重要的排水理念。如果继续堆高，尾矿的水只能从坡面流出，对大坝的安全将产生极不利的影响。所以，在排水沟被封闭后，又在1号堤的堤顶附近设置了一个新的排水垫层。新增垫层后，后续坝体继续加高的过程中，水就可以通过垫层排出，以控制水位不会接近坡面。 新增排水垫层以控制水位线 新增排水垫层平面布置 从图中可以看出，新的排水垫层试图复制坝基础排水沟的理念。然而，基础排水沟已被封闭彻底失效，即使新的垫层可以控制上覆尾矿的排水，但垫层下方的尾矿将一直处于饱和状态。 到了2010年，又出现了另外一起事故，直接令排水廊道也直接报废。当时，在坝顶的位置出现了塌陷，说明下方的出现了严重的水土流失。 尾矿库顶的塌陷 检查显示，地基沉降和施工缺陷造成排水廊道出现了裂缝，水和尾矿的不断涌入，最终导致库顶出现塌陷。 水和尾矿不断涌入廊道 排水廊道贯穿了整个1号堤，如果出现倒塌，将可能令1号堤的基础失稳，最终导致整座大坝坍塌。 此时大坝已经建了几十米高，再去修复地下的廊道谈何容易。最终，排水廊道迎来了与基础排水沟同样的命运：通过填充混凝土完全封堵，以防倒塌。此时，整个尾矿库基础的排水系统已经全部失效。 基础底部的排水廊道也完全失效 计划外的1a堤 针对疑点2，1号堤溃坝后流出了红棕色的尾矿。按照规划，1号堤后面应该全部都是灰色的尾矿砂。深入了调查后，发现在1号堤和2号堤之间，还存在一座规划里未被提及的1a堤。 1a堤后面填的不是规划中的尾矿砂，而是本应填在2号堤后面的细泥。 1a堤后面填的是细泥 因为2号堤的容量比预期中要小，使其细泥填满的时间提前了。与此同时，分选工厂中减少了尾矿砂的产出，而细泥则仍在继续。为了处理这些不断产出的细泥，这需要在1号和2号堤之间建造第三个堤，即1a堤，以提供额外的细泥容纳场所。 为了防止细泥过于靠近1号堤坡面影响排水，1a堤与1号堤之间预留了200m的隔离区域，此区域全部采用尾矿砂填埋，以保证水位线在靠近坡面时不会过高。 1a堤与1号堤之间设置有200m的隔离带 然而，随着尾矿坝的加高，200m隔离宽度的标准并没有得到完美执行。现场尾矿砂泥浆与细泥泥浆的严格控制十分困难。砂和泥在物理上经常是混合在一起的。根据数据统计，在大部分时间里，隔离宽度经常会小于200m，有时会侵占到离坡面仅60m的地方。 隔离带宽度最小仅为60m 实际中细泥与尾矿砂的边界十分模糊 基础排水系统的失效，细泥与尾矿砂的无序管理，似乎早已给事故埋下了伏笔。 突兀的线位 如前所述，坝底排水廊道出现了结构缺陷，需要填充混凝土封闭以防止出现倒塌。在完成填充之前，廊道上方的尾矿没有办法再继续升高。 作为一个临时的解决方案，在左侧坝肩处重新调整了大坝的线位，将其移到了廊道的后面，如下图所示。这样，填充混凝土与尾矿填埋的工作就可以同步进行，不会影响到矿区的生产。 大坝线位进行了避让 所以，从俯视角度看，大坝左侧会呈现出一个突兀的内凹形状。 大坝左侧突兀的内凹形状 按常理，大坝上部往后退了100m，应该是对安全性更加有利。为什么溃坝反而是从这个部位发生的？ 如果我们综合之前的信息一起分析，在各种因素的叠加下，这个部位发生事故基本是必然的。最关键的是，大坝的避让非但没有增加安全性，反而是溃坝事故发生的助燃剂。 流动的砂 砂是小型的固体颗粒，当无数颗粒堆叠在一起时，便是我们常见的沙丘或沙漠。 无数颗粒堆叠而成的沙丘 在堆叠压力下，砂通过颗粒之间的摩擦力紧密连接，形成各种各样稳定的固态形状。 但是在特殊的极端情况下，堆叠的砂瞬间可转化为液态的砂流，完全丧失稳定与强度。这个过程称为液化（liquefaction）。砂的液化并不常见，至少要满足三个条件。 第一，砂土是饱和的。砂颗粒之间的孔隙完全被水填满，没有水的砂土不会发生液化； 第二，砂土是松散的。如果砂土属于密实状态，颗粒之间的咬合连接十分紧密，砂颗粒之间也难以形成液化开始时颗粒互相脱离悬浮的状态； 第三，砂土之间的水压大于砂的重量。当水压大于砂的重量时，松散的砂颗粒便在水中变成悬浮状态，与水混合在一起，化为流动的液态砂流。 砂土的液化示意 在Fundão尾矿库最初的设计理念中，基础设置有排水廊道与排水沟，库内的水位在正常状态下如下图所示，水位线上的尾矿砂是干燥的，没有产生液化的条件。 水位线以上的砂是干燥的 随后，结构缺陷导致基础排水系统的彻底失效改变了现状。虽然在1号堤初期坝的坝顶位置设置有新的排水垫层，但随着坝后填埋尾矿的面积越来越大，单薄的排水垫层逐渐达到了最大排水能力，已无法完全排出坝后的水体。 随着填埋面积的增大，垫层（黄色）的排水能力变得不足 提取事发前水压计的监测数据，可以发现水位确实比设计明显要高，水位大约在870~875标高处，已高于排水垫层所在的826约50m。 地下水位已高出排水垫层约50m 实际水位线已高于排水垫层 在大坝左侧避让的内凹位置，情况则更加严重。在2013年，此处曾多次发生坡面变形渗漏破坏的事故。 左侧内凹坝体曾多次发生坡面渗漏 除了排水垫层能力不足，更重要的是这里的坝体往内退让了100m，使得坝体的基础大部分位于细泥堆积的区域。细泥的渗透性很低，进一步抑制了本来就已捉襟见肘的排水。 左侧坝体的后退令基础大部分位于细泥区域 由于排水能力的不足，坝体的水位线明显抬高，原来为干燥状态的尾矿砂已变为饱和状态。液化的第一个条件已经得到满足。 尾矿的急速填高是另一个大坝左侧坡面多次发生损害的重要原因。在实际的堆填中，大部分月份超过了设计要求的1m/月堆填速率要求。在事发前一个月，当月堆填速率甚至达到了惊人的2.9m/月，是设计要求的3倍。 尾矿实际堆填速率过大 由于荷载施加的速度太快，左侧坝体下的细泥在压力的作用下像牙膏一样被逐渐挤出，造成了左侧坝体发生了多起变形过大的事故。 过快的荷载使细泥发生挤出变形 细泥的挤出使得其上方的尾矿砂也跟随发生变形，从而变得更松散。液化的第二个条件也得到了满足。 Fundão尾矿库的稳定性已经危如累卵，特别是左侧。 小型地震的威力 在矿区，几乎每天都有爆破作业，因此它们经常会造成一些小震级地震的发生。在溃坝发生的当日，即2015年11月5日下午2点15分左右，在4分钟的时间内发生了3次小地震，震央距离Fundão尾矿库只有不到2公里。 当天记录的地震信息 地震最大只有2.6级，只是令附近一家工厂的电脑从桌面摔了下来。90分钟后，Fundão尾矿库发生了溃坝。 地震引发大坝事故的案例并不罕见，但从来没有一座大坝在低于5.5级的地震中崩塌。只能撼动桌子的地震令高达100m的大坝溃坝，听起来很不可思议。 事实上，小型地震只是压垮Fundão大坝的最后一根稻草，地震令到坝后的尾矿砂达成了液化的最后一个条件。 在地震动过程中，土层会受到来回往返的水平力作用，会引起孔隙中水压的升高。如果土层的排水性能良好，那这种水压升高只是暂时性的，很快会随着排水降低。 对于大坝后面的尾矿砂，在遭受地震力作用时，短时间内水压变高了。不幸的是，这部分尾矿砂下部是低透水性的细泥，排水受到抑制。无法排掉的水压超过了临界值，液化的第三个条件也已经就位。 往返的地震力令水压升高 尾矿砂瞬间丧失了强度，与水共同变成一股砂流，从左侧避让平台处冲出。这就是为什么目击者一开始观察到的是喷出的污水。 小型地震的威力毕竟有限，关键问题还是大坝本身就存在非常严重的安全隐患。即使没有发生地震，不久的将来溃坝同样可能发生。 只是地震加速了崩溃的进程。 终幕 村庄永远留下了红棕色的记忆。 END |
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