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安全生产
尾矿坝溃决的剖析与未来的警示
2020-02-27 21:00:15   来源: Engineering

      2019年1月25日, 位于巴西布鲁玛丁霍附近的Córrego do Feijo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。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 Feijo矿上游大坝高87 m,蓄积了近1.3×107m3 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[5]。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[8]。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。


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