能精确预警尾矿坝的溃坝吗?|波利山(Mount Polley)尾矿坝事故调查

1 引言

在【事故发生8年后，Mount Polley尾矿坝溃坝涉事的三名岩土工程师受到处罚】中，介绍 了APEGBC对三名失职的岩土工程师实施的处罚，他们的失职行为总结如下：

(1) 没有在坝顶进行钻探工作，没有记录2011年的重要现场观察结果;

(2) 未能充分观察和监测尾矿坝，没有足够数量的现场观察，没有监测尾矿坝的渗流；

(3) 没有确保对堤坝底部的开挖进行稳定性评估。

公平地来说，尽管这三人的工作确实出现了疏忽，但也不能把全部责任归结于岩土工程师的身上。即使工程师尽守职责，实际的工作会受到许多客观条件的限制，包括时间和费用以及公司的整体工作部署。进一步来讲，即使作了上面提到的工作，也不能保证尾矿坝不会发生破坏。为此，调查了最近10年全球发生的较大尾矿坝破坏事故，主要包括：

Mount Polly, BC, Canada (2014)

Fundao, Samarco, Brazil (2015)

Fundao Mudflow, Samarco, Brazil (2015)

Mishor Rotem, Israel (2017)

Cieneguita mine, Mexico (2018)

Newcreast Cadia Mine, Australia (2018)

Brumadinho Tailings Dam, Brzail (2019)

调查发现这些事故都是在没有任何预警的情况下发生的，而这些矿山的拥有者也不全都是小型的缺乏实力的公司，其中就包括象力拓这样资金和技术雄厚的知名公司。这就给我们提出了一个问题：尾矿坝的溃坝到底能不能做到提 前 预 测。

2 影响溃坝的主要因素

为了回答坝体破坏能不能做到提 前 预 测，需要明白影响溃坝的主要因素。

(1) 坝体的几何形状。按照构筑方法(上游，下游和中心线)不同，坝体的几何形状不同，其中上游构筑法是最常使用的方法，中国大多数的尾矿坝都是采用上游法建造的，如下图所示。由于尾矿坝已经有着成熟的设计经验，因此一般情况下溃坝不是由于坝体的几何参数设计不当造成的。

(2) 地基土。坝基一定要坐落在坚硬的地层上。尽管每个设计工程师都知道这个道理，但具体确定起来却不是一件容易的事情，因为这直接设计到施工费用问题。波利山(Mount Polley)尾矿坝最后专家组给出的破坏原因是由于地基土的承载力不足造成的。该地基土由冰川沉积土Glacial till组成，till是加拿大北部地区典型的土层【不同类型土的弹性模量---一个经验总结】。当我们确定地基土的承载力时，通常综合勘察描述和现场测试结果，例如不排干的原位剪切强度Cu, SPT, CPT的测试值以及试验室土试样试验结果, 特别是固结压力试验结果(假如有的话) 来进行till的承载力判断，即使这样，也不能保证设计的承载力既经济又安全。由于目前还没有仔细阅读专家组的审查报告，因此感到不解的是承载力不足应该是设计尾矿坝时的问题，为什么把破坏的直接原因归结到监测工程师的身上。 

(3) 土的液化。这是溃坝最困难的确定因素。尽管液化研究进行了几十年，但目前仍然不能有效地解决这个问题。这又返回到我们开始提出的问题，即溃坝是在没有任何预警的情况下发生的。一些研究者把这种突然破坏的现象用静态液化或流动液化(static/flow liquefaction)理论来解释。当孔隙水压力快速增加达到应力峰值后，强度突然下降达到残余强度。如果土的残余强度小于土体平衡所需的静态剪切应力时，就会出现流动液化现象。这就涉及到坝体的监测问题。APEGBC指责工程师没有监测尾矿坝的渗流，但实际问题是大多数岩土工程公司监测渗流的方法是测量水位，不过，即使每天监测水位，也可能监测不出坝体内材料的应力变化。这是目前困扰尾矿坝监测的一个问题。另一个问题是我们很难进行地基土的监测，尽管理论上可以在地基土中布置一系列测试设备。因此，目前的理论和技术都很难对尾矿坝的破坏作出精确预测。

3 波利山事故调查

2014年8月4日，位于加拿大BC省北部的波利山(Mount Polley)矿区的尾矿坝发生溃坝事故，导致大约1700万立方米的水和800万立方米的尾矿/细沙流失到Polley湖，被污染的水通过Hazeltine溪流出进入Quesnel湖，造成非常大的环境影响。

为了应对这一事故，根据加拿大能源和矿业部法案(Ministry of Energy and Mines Act)第8条的授权，BC省政府下令对这一破坏性事件进行独立的工程调查和审查。为此在2014年8月18日，成立了一个由三名岩土工程专家组成的独立专家工程调查和审查小组， 对这一破坏性事故进行调查和报告。三位小组成员是: (1)Norbert Morgenstern, 任小组组长; 另外两位成员是(2)Steven G. Vick和(3)Dirk Van Zyl。他们都是经验丰富的岩土工程专家，特别在尾矿管理设施方面有特别的专长。

审查小组在报告中应当确定：

(1) 尾矿矿破坏的任何机理；

(2) 任何可能导致或促成破坏机理的技术、管理或其他做法(因此可能包括对尾矿库的设计、施工、运营、维护、监督和监管的独立审查）;

(3) 可以考虑的任何改变，以减少未来此类事件发生的可能性。

审查小组于2015年1月30日向加拿大能源部提交了长达156页的调查报告《Independent Expert Engineering Investigation and Review---Mount Polley Tailings Storage Facility Breach》回答了上述提出的要求,并且召开了45分钟的新闻发布会，向社会公开了这次调查的结果。下面简要介绍一下这三位专家的技术背景。

(1) Norbert Morgenstern

Morgenstern是岩土工程领域公认的领导者，中国学生比较熟知的是他在边坡极限平衡方法中提出的Morgenstern法，因为这种方法既考虑了力的平衡又考虑了力矩的平衡，理论上是所有极限平衡算法中最精确的方法。Morgenstern是阿尔伯塔大学(University of Alberta)土木和环境工程系的名誉教授，他的大部分研究与Alberta的油砂采矿和大坝稳定性相关，曾参与全球140多个大坝项目的咨询。在其职业生涯中获得了大量的荣誉和奖项，包括太沙基讲座; 朗金讲座[朗金讲座60年(Rankine Lecture 1961-2022)]; Seed讲座。

(2) Steven G. Vick

Vick是大坝工程(dam engineering)领域的领导者，是国际公认的大坝审查顾问，曾为圭亚那(Guyana)政府主持Omai尾矿坝溃坝的调查。1973年毕业于麻省理工学院(MIT, Massachusetts Institute of Technology), 获得土木工程学士和硕士学位，毕业后进入到一些私人企业进行了几年短暂的工作，其中包括两家国际知名的岩土工程咨询公司---Dames & Moore(现在的URS Corporation)和Klohn Leonoff(现在的Klohn Crippen Berger，个人认为KCB是加拿大尾矿管理作得最好的公司) ，随后开始了自己独立的咨询生涯。Vick撰写的专著《Planning, Design, and Analysis of Tailings Dams(尾矿坝的规划、设计和分析)》是该领域唯一保持印刷超过30年的书，而他的另一本书《Degrees of Belief: Subjective Probability and Engineering Judgment》则是岩土工程师必读的科学哲学著作【Terzaghi和Peck的科学哲学思想】，强调了工程判断力处理岩土工程不确定的重要性---最好的岩土工程专家不是依靠计算，而是依靠工程判断力。

(3) Dirk van Zyl

Zyl是英属哥伦比亚大学UBC(University of British Columbia)采矿和环境系的名誉教授，拥有超过40年的尾矿和矿山岩石结构研究、教学和咨询经验。他曾在美国和加拿大的四所大学任教，其中包括内华达大学(University of Nevada, Reno)。他的主要研究领域是采矿对可持续发展的贡献以及采矿结构的生命周期评估，他也是尾矿和矿岩管理的高级审查顾问。Zyl在国际上参与了许多采矿项目，这些项目涵盖了整个采矿生命周期。