前沿热点丨尾矿坝溃决的剖析与未来的警示

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2019年第4期

作者：Jane Palmer

来源：Anatomy of a Tailings Dam Failure and a Caution for the Future[J].Engineering,2019,5(4):605-606.

导语

尾矿是采矿作业中产生的湿废物，最常见的尾矿坝，也就是所谓的“上游”坝，是一堆厚厚的淤泥，随着废物不断累积，淤泥会越堆越高，尾矿坝一旦发生溃决，将向下游释放出有毒泥浆，危害巨大。

中国工程院院刊《Engineering》刊发《尾矿坝溃决的剖析与未来的警示》，介绍了巴西布鲁玛丁霍附近的Córrego do Feijão铁矿尾矿坝坍塌带来的灾难情况及警示。文章指出，尾矿坝极其容易发生事故，引起尾矿坝溃决的因素有工程设计不合理、管理不善、经营不当等，其中气候变化影响是值得特别关注的。为此，文章指出，撇开设计、运营和维护等问题，采矿工程师要加强对气候变化持续影响的认识。 

2019年1月25日， 位于巴西布鲁玛丁霍附近的Córrego do Feijão铁矿的尾矿坝发生了灾难性的破坏，下游释放出巨大的有毒泥浆（图1）。污泥浪潮造成237人死亡，使该事件成为历史上最致命的尾矿坝灾害之一。

图1 2019年1月25日，巴西布鲁玛丁霍附近的Córrego do Feijão铁矿尾矿坝（箭头处）坍塌，导致一波有毒泥浆顺流而下，造成237人死亡，269.84 hm² 的土地被毁，这是历史上最致命的尾矿坝灾难之一。图片来源：Vinícius Mendonça/Ibama（ CC-BY-SA-2.0）

尾矿是采矿作业中产生的湿废物，大坝限制了这种细碎且往往有毒的碎屑的储层。最常见的尾矿坝——也就是所谓的“上游”坝——只不过是一堆厚厚的淤泥，随着废物的累积，这些淤泥越堆越高。巴西淡水河谷公司拥有并经营的Córrego do Feijão矿上游大坝高87 m，蓄积了近1.3×10⁷ m³ 的废料。

事实证明，尾矿坝极其容易发生事故。加拿大里贾纳大学环境系统工程教授Shahid Azam和克利夫顿联合公司（位于加拿大里贾纳）环境工程师Qiren Li在2010年对尾矿坝百年来的溃决进行了广泛的研究，发现在此期间，超过1/100的尾矿坝（占世界18 401个尾矿矿场的1.2%）坍塌。相比之下，传统蓄水坝的溃坝率为万分之一。

多种因素可能导致尾矿坝的溃决。这些物质可能会慢慢泄漏出去，地震可能会撼动大坝及其地基发生晃动，而过快地填满水库可能会导致水库溢水和维修问题，从而导致过量的水积聚起来。完善的工程设计是不够的；对案例的分析表明，管理不善和经营策略不当也是导致大坝溃坝的因素。在布鲁玛丁霍大坝发生灾难后，巴西当局下令禁止在该国上游修建大坝，并已着手调查为何大坝在宣布安全后仅几个月就发生了故障。据报道，在故障前的几个月里，公司员工对不安全环境的投诉没有得到重视。

除了给淡水河谷造成约4.8×10⁹ 美元的损失，并迫使其首席执行官和其他几位高管在3月份辞职外，这场灾难还促使全球矿业界呼吁采取行动。4月，国际采矿与金属理事会（ICMM）、责任投资原则（PRI）和联合国环境规划署（UNEP）对全球矿山尾矿储存设施进行了独立审查。审查的目的是为尾矿库设施的安全设计和管理建立一个国际标准，该标准可适用于所有尾矿坝，而不受其所在地或运营人的影响。

“该评估同意的新标准将是ICMM成员的强制性标准，并将在其全球所有运营资产上采用，” ICMM首席执行官Tom Butler表示，“我希望非成员国也能签署该标准。”

撇开设计、运营和维护问题不谈，布鲁玛丁霍矿难还提高了采矿工程师对气候变化持续影响的认识，气候变化可能导致更强的降水。尾矿坝由于异常多雨，如果排水不足，大部分为固体的尾矿坝会液化——这一过程被称为液化，它增加了对潮湿、饱和的大坝墙的压力，并增加了大坝变弱和倒塌的风险。在Azam和Li 2010年的研究中，他们在对218个大坝故障的仔细检查中发现，异常的强降雨是一个常见原因。此外，过量降雨的影响随时间增长而增加：在2000年以前，25%的故障与过量降雨有关；2000年以后，比例上升到40%。

“毫无疑问，这是一个与不稳定的降雨有关的问题，”Butler说，“人们可能会为5000年一遇的事件设计这些水坝，但你会不断听到每10年就会出现5000年一遇的事件。”

尽管尾矿坝很可能受到影响，但与气候变化相关的极端天气事件可能会导致排水系统、交通网络和建筑物等其他基础设施无法按设计运行，从而可能造成人员伤亡和广泛而代价惨重的破坏。

马里兰大学土木与环境工程教授、技术与系统管理中心主任Bilal Ayyub说:“仅在美国，我们每年就投入了价值1.3×10¹² 美元的基础设施建设，这是一种紧迫感。而且我可以向你们保证，大部分建造的设计并未考虑到气候变化。”

由于担心气候变化的潜在影响，美国土木工程师协会（ASCE）于2011年成立了适应气候变化委员会（CACC）。Ayyub是该委员会的创始成员和前任主席，该委员会的重点是建立新的做法，帮助土木工程师预测与气候变化相关的温度、降雨、风暴强度和海平面上升的变化。

这些变化可能以多种方式造成损害。例如，在世界各地的沿海地区，大多数基础设施都位于海岸附近。当暴风雨发生时，海平面上升会产生更大的浪涌和巨浪，这些会淹没建筑物和交通系统，淹没排水系统，而这些排水系统的设计初衷并不是为了应对不断增加的洪水。Ayyub在上海同济大学担任荣誉教授两年，目前正在调查高水位对上海地铁系统的潜在影响。

Ayyub还担任Climate-Resilient Infrastructure: Adaptive Design and Risk Management 的编辑，这是CACC在2018年出版的手册，为“适应性设计”和风险管理概念的标准和指南的制定奠定了基础。该手册启动了ASCE进程，根据美国国家标准协会的要求，为应对气候相关危害的可持续基础设施制定标准。Ayyub说，这项工作可能需要几个月到几年的时间才能完成，这取决于利益攸关方达成共识所需要的辩论程度。

当工程师计划一个可能使用寿命为100年的新项目时，他们的设计决策是基于当前对气候变化的估计。但这些估计数字可能会随着温室气体排放的变化而波动，这些变化与全球人口和能源使用等因素有关，预计的影响也会有所不同。CACC手册建议工程师应该每隔几年重新审视一个项目，检查设计背后的假设是否仍然适用。Ayyub说:“项目应该有内置的功能，这样如果需要加强的话，就不需要拆除，这样我们就可以利用最初投入的土地来增加或扩建。”

虽然布鲁玛丁霍灾难很难被解释，因为“雨太大了”，但在工程设计和维护中考虑气候变化的必要性不容忽视。持续的监测变得越来越重要，特别是对于像尾矿坝这样的动力更强、风险更大的基础设施。Butler说:“重要的是要知道是否会发生危及人们生命的事情。”

注：本文内容呈现形式略有调整，若需可查看原文。

改编原文：

Jane Palmer.Anatomy of a Tailings Dam Failure and a Caution for the Future[J].Engineering,2019,5(4):605-606.

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注：论文反映的是研究成果进展，不代表《中国工程科学》杂志社的观点。