北意大利斯塔瓦尾矿坝持大事故的分析.pdf

北意大利斯塔瓦尾矿蛔特大事故的分析徐 日升 王海军 5 7 叩 大 矿蛔发生了尾矿液化事故， 导致 了兜难性泥石流．这场灾害使得 2 6 9 人丧生， 并造成 巨大 财产损失。意大利波洛亚大学地质科学系的 R ． 吉纳沃依斯和意大刺波洛亚大学地质科 学系的 P ．R ． 蒂卡最近在澳大利亚召开的 环境管理和地下水工程问题 国际会议 上发表了 对这次事故的分析论文， 在描述了当地的地质条件和总结了尾矿材料的地质工艺性质后． 分析 了泥性尾矿的固结状态和坝 的豌干条件， 借助有限元计算机模型进行的稳定性分析 来说明这两者以噩大坝高度对稳定条件 的重大影响．对我们分析尾矿库事故厦提 出防范 措施是有 益的参考． I 斯塔瓦尾矿坝的地理和地质条件 1 ． 1 地理 和地 质舔件 斯 塔 瓦溪 谷 的汇水面 积约2 1 k 1 位 于意火 利东北部多勒米特山区， 阿维苏河的上游 见 图 I ．普雷斯 塔伏 尔 荧石 矿的 尾 矿坝 正好 位 于波 赛 里尼 溪谷 ， 该 溪谷在 斯 塔 瓦 溪谷 上 瓣． 多勒 米 特地 区 包括 斯塔 瓦 溪 昝地 域 的造 山 特征 是 三叠 纪碳 酸 盐 的 陡峭 的峡谷 ．在 这 地 区， 早 期的 下三 叠统泥灰 土砂质 岩 层覆 盖在 较 低 的斜 坡上 ．武术期的 冰碛沉 积和裂隙广泛分 圈 1撕塔瓦尾矿埙 布在斯塔瓦流域 的坡 面上 ．流域的地表 下是 冰 川 一 洪积 沉 积．再 下面 是火 山形成 的二选 系 基底 ．基底还具有 泥灰 土 一 砂质岩 层 ， 在 这 个 岩层 巾发现 了集水 的构造 。 由于具 有不 同渗透 性的各种构造及 山此而存 在层 间 蓄水 层， 因此 这些 地 区 的构造 特 征具有 重要 的水 文 地质 意 义 ． 1 ． 2尾 矿坝 发展 史 I 9 6 2年， 下 方 坝开 始建 设， 用上 游 法 筑 子 坝， 上 升到 最终 高度太 约 2 6 l n ， 下游坡面平均角 度是 3 2 1 9 7 0年 初， 上方 坝 的初 期 坝建 筑 结束 ， 韧 期坝高 5 m， 由天然粘土筑成． 投有采 用任何地 基 处理 来 加 固地基 ．在 大 坝升 到大 约 1 0 m 高 之前是采用 中线法筑坝 ，下游坡面角大 约4 0 坡脚 部 分伸 人 到下 方 汇水 区域的软 沉积层 中．1 0 m高以上用上游法筑坝， 下游 坡面角度 不 变 1 9 7 5年， 上方 坝继续 筑 造 ， 下 游坡 面 角 平均是 3 5 在 1 9 m 高处 完成 一个 4 m 宽的 马 道 ．1 9 7 8年 ， 上方坝筑到 2 6 m 高后 暂停筑 坝， 可是 自然地下水继续流人 上方 库的汇水 区域 ， 这样在两个坝后面都蓄存着高水位的水．1 9 8 2 年， 上方 坝脊升高 到大 约 2 8 m高．1 9 8 5年 1 月， 上 方坝较 低 位置 的右 侧 发生 小塌 陷， 其 原 维普资讯 5 8 劳动 佩护科 学技术 J 9 9 年 第 j 卷第 2娟 霹足排水 涵 管冻结堵塞 日 } 起 以后的渗漏．j 9 8 2 年 6月上匈， 在 下方痒汇水 区域出现 了一个 3 0 m 宽， 3～ 4 m 僳的非常火 的漏莉， 这是 由于 排水 涵管 破裂 ， 火 量泥性尾矿 漏出。j 9 8 5年 7月 1 5 新 的摊水 系筑建好 ， 在 修建 过程 巾 曾疏 于 拍 下方 库 汇 水 区 域 又 注 从 上 方 厍 汇 水 区域 下的 水 上方 坝 脊 升 高 刊 最 终 高 度 火 约 为 3 0m． 1 9 8 5辑 7月 I 9日， { I 午 l 2点 2 3分 ． 上 万 的 下 游 坡 面 发生 灾 难 性 溃 堤 ， 太 约 2 4 l O J 的 液化尾 矿席卷 了斯 塔瓦 溪 谷， 下 方 坝 内的 犬 部 分 尾 矿 也 随 着倾 泻 。 洪 流 达 到 了 阿 维 苏 流 域 并 逐 渐 扩 散 2 地质工艺性质 事故 发生 后。 通 过实地 谓 查 和对 存 留的 鼯 矿进行 实验 研究 簸娼对斯 塔 瓦尾 矿 坝 的地 质 工艺 性 质 的认 淑． 其 } 包 括 尾 矿 材 料 豹 塑 性 I p 相 对 礴 度 Dr 渗透 性 K ． 压 缩 性 ． 剪 切 强度 S u 等。 破坏 分析 斯塔瓦 的两 个尾矿坝 的建造 都不是 以工 程 设计 图纸为 依据 根本没有 分 折尾 矿及 地 堑的 地 质工 艺性 质 ， 没有 控 制撩 润 线 的措 施， 也 设 有绘 制火 坝破坏前的关 于滩 面边 界和坝体 中不 同材料的分布结 1 匈图 ．因此 ， 仅 从 筑坝 方 法 和 夫 坝升 高 率对 材 l { 分 布 的 影 响建 立 了一 些 假 设．囝 2 是上方坝的尾矿材料可能分布拍 4种 情 况 截 面 圉 ． l 尾 矿浆 的 固结 泥性 尾矿的固结状态是任 何尾 矿坝 稳定 性 分析的基本 因索 ， 可 以利 用 山吉布 松 1 9 5 8 提 出的适用于一种厚度 随时间增加的枯土层 的邴 些关系作为第 一个 近 吼分析法柬形成一 个固绐 状态概念 ． 3 2坝 内侵{ 0 j 线 确定浸润线位置 对稳定性 分析有重大 的意 义．但是 ， 由于从来都没 有 准确 地 了解大 坝 破 坏前的尾矿固结状 态， 所 以 浸润 线位 置 只 能推 堡墅 ／ ／慈 曼 二 ． 一 ； 围 2 上 方尾 矿库 纵剖面 瞄 韵 质f 号 I _ 灭 熟上 嚷2 ． 沙挫尾 矿3 ． 非 常驻 的 性 一 呢 性 交 选区4轼的 至 『 l l 警固站 的抄 性 一 祀 性 尾 矿 文 达 区量束 固 站 白 ；J 忱 尾 矿6 ． 非 常欤的 掘性尾 矿7戟 的况 睫尾矿 8 ． 1 ． 等固 结的 视性尾 矿 理 得到。预测尾矿坝 内平衡水含量的纵剖面图 可能 反 映 出材丰 哥 性 质 材车 { 分 布， 也 能 确定 它 与尾矿的基乖芰系． 山于对这 些关系 了解榴很 少， 计 算机程序 F L AC被用 于改变 尾 矿材 料 的 分带和庳 内水边线 与坝脊 的距 离 ， 确定 浸润 线 位 置状夺。为了进行稳 定性 分 析， 考 虑了 四个 不 同的位置状态． 鱼3稳定性 分析 乜 吉尾矿浆 的尾矿坝的破坏包括了实际 上 的 位移 ， 这 种位移在投有任 何 山剪 力 诱发 的孔 隙水压力 的明显弥 散情 况下 部将发生 ．这 种破 坏 基本是未疏 千的．根 据这 种关 系拉 德 1 9 8 8 华 提 无论 阿时沿着潜 在破 坏 表面 的平 均 剪 蜘应力达 到有 效的束疏干的 平均剪 啊强度 ， 此时束疏 干的破坏将产 生， 而 且 与事先 的疏 干 条 件 无 关 ． 对于 稳定性 分析． 已 经考虑 到了泥 性 尾矿 的束疏 干的剪切 强度 和沙性尾 矿的疏 千的剪 切 强度． 现已用有 限元 法 z S oI L 计算 安全系 敷 维普资讯 北意大利斯塔 瓦尾矿坝特大事故的分析僚 日升 王海军 - 5 9 和分 析变形 ．与分 析有 关的地质工艺参数部列 在表 1巾．在 表 巾材料号数是 圈 2小的材 捌 导 数．根据 与 C P T实验尖 端 阻力 的 经验 关系计 算 出杨 氏模数 ． 表 1 地 质工 艺参 数 土质号 C k N／ r a S 译。 Cu i k P a E [ MP a t 2 0 6 4 0 一 I 5 0 n2 5 2 l B ． 6 4 2 3 5 n3 0 3 t 7 ． 2 3 6 一 l 5 n3 5 4 t B ． 】3 7 25 n 5 1 3 7 7 3 n3 5 6 】 6 ． 2一 】 5 6 0 3 5 7 】 7 ． 7 2 5 9 0 3 5 8 1 8 ． 6 3 5 t 2 0 3 5 3 ． 3 ． 1 浸润线位置 的影 响 由塑变分析得 出的 四个不 同的浸润线是 以 整个 沙性 坝体的饱合度 S r ％ 来表示 的． 山于 下 游 坡面 角度 的减少 1 9 7 5～ 1 9 7 8 、 尾 矿浆 的固结 ． 甚至在 暂停 使用 时期 1 9 7 8～ 1 9 8 2 沙性尾矿 可能产生 微弱 的胶 结 等情 况下 ， 安全 系数 开 始 增 加． 由于 1 9 8 2年 筑 坝 又 重 新 开 始， 安仝 系数 酌减 少是 非 常 1 人注 目的． 3 ． 3 ． 2坝 高的影响 在失去 收缩 性的沙子， f 1 产生最大 的应力 差 。 一 的条件并不符合 由最大有效应力 比 ． ， 表 达 的 实际 破坏 表 面 前者 相 应 于 一 种最小应力差的条件 ， 在这样 的 条件 下 不稳 定 性可能在真正破坏表面 内形成 。 目前， 出现了一种 确定 较低 不稳 定 边界 条 件的方法．这个方法就是 与有效 应力线一起确 定潜在 不稳定区．这个方法 已经被用来分析坝 高对潜在不稳定区范围的影响．遗个方法已经 稍加 修正， 来 适用于有不 同 的材 料配 比情况 的 计算 已经考 虑到 了勾划 出应 力 区界 线 的趾 形 圆周 图 3 ， 并 用有 限 元法 F L AC对 坡 面的 应 力状态 进行 计算 ． 在 1 9 7 5年 已经存 在局部不 稳定区， 随着 大 坝的升高， 它越来越 向上 和 向内 扩展 ． 由于 未 疏干负荷所形成 的任 何孔隙压力都会扩大不 稳 定区 不断增加不 稳定尾 矿 的 体积 和最 终 导致 圈 3 在上方 埙建筑 过 程中 潜在的 不稳定 区 的扩展 夫 坝的静态液化 事故 ． 3 ． 3 ． 3其它可能的破坏条件 对稳定 性分析又包含 了对 另外 两个引发 破 坏的机理的考虑 ， 呷在基 础土 质 巾存 在 的较 高 的水压 力及 1 9 8 2年 后 冲填尾 矿的 高速 度． 稳 定性分 析说 明了 山于从上方库 的汇水 区 向下的 渗 产生的过量 孔隙水 压不会 产生 任何安全系 数显著 的减少 ， 至少扣对于 授 润线 位 置对火 坝 产生 的重压来说是这样 的 ．仅在基 础土质的尾 问 蓄水 层 的水 压 处 于 超 过 液 力 静 态 压 力 的 l O 0 k P a等级 时才能 发生 稳 定条 件 的 量火 的改 变 ．在 这 种情 况 下， 坝 内浸 润线 位 置 最 高 ， 安 全系数低到 0 ． 6 7 ． 可 以得到这样 一些 假 设 由于 尾矿库 长 期 束被使用， 从 1 9 8 2年到 灾害发 生前排放的尾 矿 已经作为一种未疏 干的负荷作 用于过去 已经形 成的尾矿坝 体上 ．对 1 9 8 2年发 生 灾难 时的 尾 矿坝所进行的稳定性分析所考 虑到 的情 况已是 一 种在上表面施加与所排放 的尾矿的最终高度 成 比例的调整过 的分散负荷 ．在这 种情 况下 ， 所考 虑的火坝浸润线处 于 最低 的位 置 ， 所 以得 到的要全 系数是 1 ． O 6 ． 4讨论和最后 的意见 表 2总结 了在斯 塔瓦尾矿坝历史上的 四个 标 志{ j 寸 期 从所考虑 剁 的渗透 和 负荷条 件的变 化类 型所 获得 的安全 系数． 节 点位 移向量图示表明 了潜在的破坏情 况 的旋转机理．在 1 9 7 5 年和 1 9 8 5 年高水位的情 况 s r 5 7 ％ ， 由于坝体 的物质空问分布与所 采用 的上游筑 坝法 有关， 最大 的 位移是 在 垂直 维普资讯 6 0 劳 动保 护科学技 术 2 9 9 4年 第 J 4卷 第 2期 表 2 斯 塔瓦上方坝安全 系数 h 太 坝 高度 f Ⅷ ． S 玎％ 沙性堆 租 墁l外层 渔合 度 ． 9 8 5 a 假设 的在 抄性 与 淝性交 选沉积区承压 超过静卷 瞌上 值 2 0 0 k P a时 的基础 土质 的压 力增 高 时的情 况 ． 1 9 8 假设 的 I 9 8 2 至 1 9 8 5年问 怍为束 疏千 负载 的 尾矿的 增厚 的情 况 ． 方 向并总是 直接上溯刊 坝脊处 。 由于初期 坝具 有阻力大得 多的材料， 田此 控 制 了较 低 部位 的 位移 分布 因此 ， 旋转 f I勺 破 坏 表 面在 通过 互 相 交迭 的沙性和 泥性 尾矿并 滑过初 期， j 贝， 在 坝 坡 脚上稍高一点 的位 置与坝坡栩交 ．如果 考虑到 地基土质 - I | 压力 升高， 破 坏情 况总 是 与 以上 情 况相 似， 可是移 动 情 况则 相 当不 一样 虽 然 在 坝脊 和滩面上总是形 成垂 直 位移， 这 些移动 与 1 9 7 ．5 年筑成舶 马道 以下 的坝坡是 平行 的 这是 由于在地 基土壤 1 假设 存在 着 蓄水 层 ， 从这 蓄 水层 通过在筑坝韧期采用 q ， 线筑坝法堆积 在初 期坝 之上的沙性尾矿 向坝 体的渗A引起坝 体的 高水位．如果把从 1 9 8 2 年起排放的尾矿部视 为来疏 干的负荷， 那么位 移 上溯 集 中于坝 脊， 尽管位移很 小， 也反 映出一 种 初始 的上 溯的分 量， 这 时沙性尾 矿可出现 非 常小 的变 形 ． 对稳定性分析 总结 如下 一 不 稳定 的情 况 总是 局 限在 一 泥怔 尾矿麦 迭部位 ， 包 括仅 在边 缘地带 的尾 矿浆 ． 一 沙性 坝 体 的外层 剪 切位移 随着 坝 高 和 主要 由于 固结过程产 生的泥性尾矿位移 向量 的 下游 方向的 同期旋 转而 增加 ． 一 计 算 的 最 大 垂 直 位 移 从 1 9 7 5年 大 约 l 6 c m增 加到 1 9 8 5年 的多 于 6 4 a n ， 而 同 时期 水 平位移是从 ．5 ,a n增加 到 I 8 e m． 一 从两个斯 塔瓦尾 矿坝 的地 质 ． 水 文 地质 和地质工艺图台乎情理地得出的任何一种破坏 模式 都 可 能导 致上 方 坝的 下游 坡 面 的不 稳 定 性 。 一 考 虑 到 没 有 进 行 过 任 何 形 式 的 初 期 调 研； 没有 火 坝 的设 计 图纸 ； 在 两 个库 内的 汇 水 区域部没有建造排水 系 统； 没有 对 降雨 和 近地 袭 的地下水流A汇水 区域 的防 范措 施 ； 没有设 置对孔 隙压力和 位移 的监 测 仪器 ； 对 以上 四素 了解 褥很少和上方坝 的下 游坡 面 过 陡， 这 样 就 会形成 一个 结 论 对 甚 至 相 对 较 小 的 上 升 高 度 ， 上方坝部可能形成很大 的破坏隐患． 1 9 8 ．5年 7月， 上方 坝 已有 3 0 m 高， 施 加 睡 何小的附加作用都可 能成 为激 发 因素 ， 使 坝 顷 刻 破坏．这些附加作用如下 一 沙 性 尾 矿 较 松 散 部 分 的 局 部 静 态 液 化； 一 由于在软沉积层上迅速施加的负荷产 生过 量孔 隙压 力； 一 坝体 内产生 的l临界反 向压力 。 以下是分析斯塔 瓦大坝破坏的真正引发 因 素 的两 个不 同观 点。 1 坝的升 高产 生 了潜 在 不稳 定地 带 的 进一步扩大 ， 这个地带不 仅仅 涉及 沙性 尾 矿， 沙性一泥性尾矿交迭地区，也涉及到一小部分最 细的泥性尾矿 ， 这些不稳 定地 带 可能 出于 剪切 应力 诱发的孔隙压 力的形成 而 液化 所 有 下 游 坡面可 能 由于 实 际有效 剪 切强 度 的 低 而 垮 塌 ． 2 与大坝 高度 相 关的不 同的种 种迹 象 导致形成 了水 平位移 ， 使得有 效 剪切 强 度逐 步 减少 与上游筑 坝法 特别 有 关 的泥性 尾 矿二 维 固结性 ； 在 大坝寿命期 内承受 的 一 次又一 次的 地 震周 渡负荷 ， 有影响她 可是 又 不足 以激 发 周 期 液 _化； 部分延 深到可压 缩的 下 方库 内泥性 尾 矿 中的上方 坝坡脚 ； 上方 坝脚在 倾 斜 的天 然基 础上向下 游方 向的延深 移动 ， 补 偿 了地 下 水 面 的同 时上升和 坝脊 重量 的连续增加 ．在每 个子 坝 冲填周期监测 到的 内部移动 与后来用 有限元 下转第2 6 页 维普资讯 2 6 劳动保护科学技术1 9 9 4年 第 J 卷第 2期 炭纤维 回转 轮将大 风量 低浓 度 的废 气， 通 过 吸 附与脱附 浓缩 为高浓 度 ， 然 后进 行催 化 燃 烧， 并 回收利用热 能。 这种处理系统分为两个工作过程．第一 个 过程 有机废气经过滤后进A 回转轮吸掰 寸 区， 溶剂蒸气被 活性 炭纤 维吸附 ． 挣 化气 体 排人 大 气 ．第 二 个 过程 ； 在 回转 轮脱 附 区． 按 一 定 的 浓缩 比把 吸附 在 活性 炭纤 维 上 的有 机溶 剂 用 1 2 0℃ 的热 风脱 出， 经 浓 缩后 的 高浓度 有 机气 体， 通 过换 热 器 预热 到 3 0 0℃ 后 ， 再进 行 催 化 燃烧 ， 用 热变 按 器 再 回 收高 温 净 化 气 体 的 热 能。 回收 的热量一 部分加热催 化前的高浓度废 气 ， 另 一 部分加 热 补充的 新 鲜空 气， 作为 同 转 轮 脱附 气 体 用． 山于 浓 缩 ， 需 燃 烧 的 气 体 量 小 ， 装置费用下降 ， 燃 料消耗 减少 ， 整 机运 转 费 降 低。 吸附 浓缩 一 催 化燃 烧 组合 法是 口前 比 较理想的处理有机溶剂废 气 的方法． 在太 风 量、 低 浓度 的 场合 ． 应 推广将 吸附 浓 缩和 催 比 燃烧组合成一 体的 回转轮浓缩净 化机。 3 改革涂料产品结构 净 化涂 料废 气并不 是 积极 的 治本 方 法， 涂 料 巾 6 0 ％ 左 右 的溶 剂， 不 仪 处理 困 难， 投 资 丈， 而且是菏染车问空气和室外大 气的主要有 害物．1 9 6 6 年． 美国环保局制定了有关规定． 要在 涂料 品种 上进行 改革 ， 减 少 ． 取 代 直 至 排 除有机溶剂 ， 从根本上解决 污染 问题 ． 目前 ， 国际上 已应用 的 低污 染 涂料有 以下 几 种 r - 1 高固体分涂料 其含田体分达 6 o ％一7 0 ％， 从而降低溶剂 含 置 ． 2 非 水分做型涂料 是将聚合物以胶态粒子分散在非极性的有 机稀释刺中形成， 是一种低污染诛抖． 3 水 系涂料 为乳剂涂料与水溶性树脂涂料， 可低温固 化， 在涂装 业 1 起很 太兴趣。 4 粉 体涂 料 是垒 不含有机溶 剂 的千 粉末 ， 不 存在 溶 剂 污 染 ， 涂 层 附 着 力 强 ． 耐 冲 击 、 耐 磨 、 耐腐 蚀 ． 粉 体 喷涂 涂复 率 高， 粉体 可网 收刊用 ， 浪 费 极 少 ， 而 且 不用 涂含 铅 的底 漆 ． 能一 次 获得 必 要 的涂膜厚度 ， 橡膜均匀性 好。 5 如二 液形 涂料， 其 为无溶 剂 型馀 剌 ， 成 膜 与固化材嗣 分装 ， 使用 前混 合 ． 方便 、 节 能； 紫 外光 固 化 涂料 是 光 重 合 性 涂 l 4 ， 不 仅 无 溶 剂 ， 而且成膜好； 电子 线硬 比涂车 { ． 是 或 射 线引起架侨反应而硬化的涂| { ， 与紫外光固化 涂 卡 ； } 一样无 溶剂 ， 在常温 扳短时 问内固化 。 从我 国 日前涂 料 产 品结 构看 ， 溶 剂型馀 科 仍 占 7 5 ％ 左 右， 而具 有发展前途帕糟 体涂 柯还 不到 2 ％， 尚处于起步 阶段 ．田此 ， 改 革 我 国 日 前 涂料产 品站 句 ， 减 少溶 剂 型涂 l卡 4 ， 加大 高 固 分 涂 料 ， 水 系涂 糊 特 别 是 粉 体 涂 丰 斗 所 占 比 重． 无论是从劳动保护的角度． 还是从环境保 护舯角度米考虑 ， 都是十分，必要的． 上接第6 0 页 法 z s OI L计 算 { J j 来 的结果 有 相 同等 级 的增加 幅度， 这些移动对于克服尾 矿坝的稳定性的影 响已经褶到 了重视．应盎0 I 发的 l 部 位移 可能 J 起从稀 疏到 小等密度状态的 性尾 矿的液化 破 坏 。 上 方 坝 的高度 在 1 9 8 5年 7月 已经达 到这 样的临界值， 似乎太大 的不 稳 定 区域 或太火 的 变形 已经形 成 ， 或者 两者 都形 成 在 任 何情 况 下 山于在上 方坝沙性坝体 内过量孔隙压力或应 变的产 生． 发 展 和 迅 速 地 扩 展 而 出 现 液 化 现 象 ． 导致上方坝 突然 向下方库 区垮 塌。 所有库存 的怩 性尾 矿 都 液化 了 包 括 由于 非疏 ．T的卸 茼谢起 的上方 坝内尾矿的液化和由 于非疏于负荷引起的下方坝内尾矿的液化．最后 形 成 的洪流致使 2 6 9人 死亡 ， 造成 了 惨痛 的 损 失 ． 编译 撩 日升校核 王海军 劳 动部矿 山安全卫 生监察局 非煤 处， l O O 7 I 6 维普资讯