灰池和尾矿坝溃决风险值得警惕｜Science述评

来源：ScienceAAAS

评述论文：Why coal ash and tailings dam disasters occur-Knowledge gaps and management shortcomings contribute to catastrophic dam failures (Science 10 May 2019, Vol.364, Issue 6440)

2019年1月25日，巴西Brumadinho发生铁矿山尾矿坝崩溃灾害，导致至少232人死亡，是世界上最近众多尾矿库溃坝灾难性事故（见图1）的最新案例。中国也曾发生类灾害，比如2008年9月8日，山西省襄汾县新塔矿业有限公司新塔矿区980平硐尾矿库发生特别重大溃坝事故，造成277人死亡、4人失踪。类似的灾难事件也发生在火电厂的粉煤灰池溃决，全世界估计有约9000余处灰池，中国超过半数以上。灰池或尾矿坝溃决之后往往转化为泥石流快速流动，给下游基础设施和人民生命财产构成严重威胁。在最新一期《科学》杂志上，来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学J. Carlos Santamarina联合南非和美国相关学者在INSIGHTS / PERSPECTIVES专栏发表评述论文，指出灰池和尾矿坝溃决的缘由。溃坝事件调查分析表明，对尾矿坝溃坝机制与演进过程认识不到位、设计、施工与后期维护管理存在的缺陷是导致溃坝灾害事件屡次发生的主要原因。  

图1. 过去一个世纪，尾矿坝和粉煤灰池溃决累计导致3000余人死亡

通常认为尾矿坝溃决机制包括漫顶溃决、坝基剪切破坏、周边蓄水引起可压缩低渗透尾矿的剪切破坏等（图2）。Brumadinho尾矿坝虽然前期进行了大量监控，并开展了实验室分析、现场试验和原位监测，但仍在闭库3年之后发生溃坝事故，其发生事实与岩土材料随着时间增长强度增加，进而引变得更加稳定的预期相反。一座处于严密监控、闲置状态的大坝在接受安全评估不到半年时间内发生了灾难性溃坝事故，表明我们在科学层面上对尾矿坝的延时失效机制还存在认识上的不足。尾矿库和灰池存在的时间很长，要经历各种与时间有关物理、化学过程，比如孔隙水压力消散与蠕变、内部侵蚀与管涌，细颗粒迁移导致排水通道堵塞引发的孔压上升等，这些过程在其整个生命周期内都会发生，可能要持续几年甚至几十年，而室内试验、原位试验与现场监测往往只有几个小时或数周，时间尺度上差异表明需要对这些坝体进行持续监测，科学评估其安全性在时间上的演变。溃坝发生后往往转化为泥石流快速流动，其超强流动性机制需要采用更为复杂的理论来解释，包括T-H-M-C多物理场耦合、多相介质剪胀效应、沿程侵蚀与规模放大效应等。

图2. 尾矿坝失效机制与过程

在工程管理和运营方面，管理者往往为了追求更大的经济效益而对尾矿坝的安全性、实际工程情况有所忽视，最终导致坝体的灾难性事故。许多实际案例的调查结果均指出大坝失效常常由工程监管不到位等原因引起，譬如工程管理者未对已发现的问题做出及时处理、大坝的水位超限、尾矿坝的填充压实以及颗粒材料的选用不合格等等。事实上，国际大坝委员会曾对221座尾矿坝的失效情况进行了详细调查，并指出大多数事故都是可以避免的。

在防止灾难性事故方面，其一，是弄清失效过程的真正物理触发机制；其二，则是确定大坝失效后是否会产生类似泥石流的高速远程流动。因此，增强对其失效机制以及破坏性流动机制的理解、确保有效的工程管理和相关法规是确保尾矿库工程安全、长久运行的保障。此外，这些事故的发生也将增加对新性能监测仪器的潜在需求。

灰池和尾矿坝失效所带来的灾难性事故，是受灾人民的伤痛，也是工程管理者的警讯，当然也将是工程师和科研人员弄清物理机制的机会。在理解其物理机制、积累工程经验以及改进工程管理后，将会最大限度地减少未来灾难发生的可能性。

博士，博士生导师，中科院成都山地所研究员。主要从事山地灾害形成演化机理研究。