岩土工程专家称四分之一的国际尾矿坝失败是由于地震

您是否知道国家地震信息中心每年记录全球 20，000 次地震的测量结果，大约每天 55 次?

大多数人可能不会立即考虑的一个问题是对尾矿坝的影响，尾矿坝是地球上最大的工程结构之一，旨在储存采矿作业的副产品。

大约每六个月，澳大利亚就会受到一次超过五级或更大的地震的影响，这足以对尾矿坝造成广泛的破坏。

“澳大利亚的地震是板块内的，这意味着它们发生在远离大陆板块边缘的位置，例如日本和加利福尼亚发生的地震，”新南威尔士大学土木与环境工程学院岩土工程教授、澳大利亚研究委员会未来研究员阿德里安·拉塞尔说。

就在上个月，南澳大利亚部分地区遭受了该州九年来最大的地震，当时弗林德斯地区记录了4.8级地震。2021年，墨尔本受到菲利普港湾地震的震动，余震远在悉尼。

尾矿坝可能有失败的风险

当地震发生时，尾矿储存设施(TSF)的风险，通常被称为尾矿坝，可能不是首要考虑的问题。

尾矿坝是堤坝，有时长数公里，用于容纳和储存尾矿，尾矿是加工开采矿石后采矿作业的副产品。堤防后面的尾矿通常由地面岩石、金属甚至有毒和放射性化学物质组成。

罗素教授说，不幸的是，全球25%的尾矿坝失败是由于地震造成的。

“矿物开采和采矿业的主要优先事项之一是减少尾矿坝灾难性故障的数量，”他说。

“当尾矿坝失败时，这是灾难性的。它对环境造成的破坏程度是不可想象的，更不用说它对任何平民构成的风险了。

“这些结构可能很大，路堤有时高达300米，所以你可以想象它们后面储存的尾矿数量。

“他们需要定期维护和监测，以确保堤防足够坚固以容纳尾矿。

“摇晃已经稍微稳定的堤坝可能会导致尾矿失效和突然释放。

尾矿坝溃坝的影响

仅在澳大利亚，就有大约250座活跃的尾矿坝。考虑到采矿业是澳大利亚最大的产业之一，这些大坝的性能对于运营的安全、在这些矿山工作的平民以及周围的环境和社区至关重要。

“TSF故障的影响范围很广。当一些TSF发生故障时，幸运的是损害最小，“Russell教授说。

“2018年，新南威尔士州的卡迪亚金矿发生了TSF故障。堤防和尾矿的坍塌部分没有走得足够远，无法造成环境破坏或死亡。

但失败也可能导致尾矿大量排放到自然环境中，可能导致死亡和严重的经济损失。

例如，2019年，巴西布鲁马迪纽(Brumadinho)的尾矿坝发生灾难性故障，造成270人死亡，帕拉奥佩巴河的水污染影响了120公里外的社区。

当尾矿坝溃坝时，可能是灾难性的。Brumadinho大坝灾难被认为是巴西最严重的工业事故，数百万吨有毒废物涌入周边地区。信用：Shutterstock

“如果TSF故障有可能造成严重或极端的后果，那么TSF所有者将被各自国家的大坝当局授权每两年进行一次彻底的稳定性评估，”Russell教授说。

“如果我们想避免灾难性的失败，例如2019年巴西的Brumadinho大坝灾难，这些标准和定期测试非常重要。

测量潜在故障的风险

在澳大利亚，评估大坝及其所含尾矿的方法之一是通过锥形渗透测试(CPT)。CPT使岩土工程师能够确定其特性并评估其强度和稳定性。

该测试通常涉及以恒定的穿透速率将锥形尖端杆垂直推入路堤或尾矿中。在此过程中，进行测量以收集锥尖电阻的数据。

Russell教授及其团队先前的研究使工程师能够在尾矿具有不同状态时解释尾矿中的CPT结果，包括当它们在孔隙中具有空气和水的混合物时，或者换句话说，当它们不饱和时。

该研究的结果展示了如何使用CPT结果来确定尾矿的原位状态 - 这非常重要，因为它控制了尾矿的强度和抗震性。

“在这项研究之前，工程师经常错误地解释CPT结果，假设尾矿完全饱和，但情况并非总是如此，”Russell教授说。

“这导致了对尾矿原位状态的错误确定和对强度的高估。

在他发表在Géotechnique上的最新研究论文中，Russell教授和他的团队向从业者展示了如何在不饱和时估计尾矿的地震后强度。

“在这些发现之前，工业中使用的CPT解释方法和强度评估主要是针对饱和天然土壤开发的，”Russell教授说。

“饱和的天然土壤和大坝中的尾矿之间存在许多差异，尾矿更淤泥，或更像灰尘，在许多情况下是不饱和的。

“这纠正了许多错误假设：不饱和尾矿在地震中不会液化。这意味着工程师可以在任何地震稳定性评估中使用改进的强度估计，以准确识别哪些TSF更容易失效。

展望未来

澳大利亚国家大型水坝委员会(ANCOLD)强调了澳大利亚TSF故障的风险。它要求所有后果严重的类别TSF即使在关闭后也要保持安全，并且能够承受万年一遇的地震。

罗素教授说，可能被破坏的不仅仅是尾矿坝。再保险公司将悉尼地震评为全球风险敞口。

“澳大利亚城市面临高风险，因为地震会破坏由未加固的砖块和砖石制成的旧基础设施，”他说。

“此外，澳大利亚城市的大部分地区都被土壤覆盖，如果发生地震，土壤可能会经历强度损失并变成类似流体的状态或液化。

“风险特别高的地区是主要港口所在的植物湾。如果地震导致植物湾周围的地面液化，可能会导致广泛的破坏，基础设施变得无法修复。

“此外，土地可能变得无法投保。下一代地震标准需要转向基于性能的设计，不仅要保护生命，还要减少直接破坏和业务中断造成的重大经济损失。