土壤液化

◎ 应急管理部信息研究院 袁阳

2015年11月5日，巴西米纳斯吉拉斯州Germano矿厂的Fundão尾矿库工人正在作业，此时尾矿库已堆填至地面以上90米的高度，与设计库顶只差30米。突然，有工人注意到大坝的左侧升起一股浓尘。紧接着，工人目睹了尾矿库中央出现了类似海浪的现象，砂粒在上下摆动。另外一名站在高处的工人，则感觉到地面开始在他脚下裂开，并一直向下游移。较低处的大坝斜坡像“一条蛇”一样慢慢地向前延伸。它完好无损地整体移动着，然后突然膨胀起来，随着运动的加速而扭曲变形，最终“像波浪一样”落下，或者像是“在融化”。随着斜坡的破坏，泥石流状的尾矿从大坝左侧倾泻而下。几个小时后，将近100米高的Fundão大坝彻底消失，4500万立方米的有毒污泥如潮水般涌出，流入附近的多西河，并最终到达距离大坝600多公里远的大西洋。事故给当地流域与社区带来了破坏性的影响。19人死亡，约700人无家可归。数十万人的水源被污染，野生动物大批死亡。这一事故广泛被认为是巴西有史以来最严重的环境灾难，在巴西国内和国际引起了广泛的关注。由四位权威专家组成的独立调查组对溃坝事故进行全面深入分析，其中专家组主席正是创立了Morgenstern-Price边坡稳定计算方法的Morgenstern教授。调查的罪魁祸首，则是矿山工业生产中的废渣——尾矿，发生液化现象所致。

图1 灾难发生后的村庄

土壤液化（soil liquefaction）是地震工程的一个术语，指在外力作用下，原本固态的土壤变成液态，或变成粘稠的流质。当土壤液化现象发生后，原本具有承载能力的固态土壤会转化为不具有承载能力的液态土壤。近十几年来，土壤液化现象成为了工程地质学界研究的主要课题。

图2 土壤液化示意图

一般认为，土壤液化有两个必要的条件：一是土壤必须处于饱和状态；二是要有一定条件的动荷载作用，但是并不是所有具有上述两个条件的土壤都能液化。从微观角度而言，土体由土和孔隙组成，饱和状态时，主要由土体和孔隙水压受力，受到动荷载作用时，土壤颗粒排列趋于密实。如果土的透水性很差，孔隙水不能排除，导致孔隙水压力急剧上升，而总体受力不变，将导致土颗粒之间的相互作用力减小；当完全由孔隙水压力来承担外力，此时土体颗粒间的作用力（摩擦力和内聚力）为零，即土体失去抗剪性能。

在Fundão尾矿库最初的设计理念中，基础设置有排水廊道与排水沟，库内的水位在正常状态下，水位线上的尾矿砂是干燥的，没有产生液化的条件。但是，结构缺陷导致基础排水系统的彻底失效改变了现状。首先，提取事发前水压计的监测数据，可以发现水位确实比设计明显要高，水位大约在870～875标高处，已高于排水垫层所在的826米约50米，由于排水能力不足使坝体水位线抬高使得干燥状态的尾矿砂变为饱和状态。在2013年，此处曾多次发生坡面变形渗漏破坏的事故。其次，在事发前一个月，尾矿堆填速率达到了2.9米/月，是设计要求的3倍，这样使得外部荷载单位时间增量过大；矿区中几乎每天都会有爆破作业，这也造成了许多较小震级的震动荷载；在2015年11月5日下午2点15分左右，4分钟内发生了3次不高于2.2级的小地震，震中距尾矿库只有不到2公里。地震引发大坝事故的案例并不罕见，但从来没有一座大坝在低于5.5级的地震中崩塌。只能撼动桌子的地震令高达100米的大坝溃坝，听起来很不可思议。最终饱和尾砂在荷载的作用下发生液化现象引起溃坝，造成了不可弥补的损失。

土壤液化是一种很常见的自然现象，绝非是势不可挡的“魑魅魍魉”。实际工程中，地震、打桩、设备震动等均可能引起饱和土体的液化现象，可能诱发一些灾难性事故，因此需要根据建筑物的重要性、地基液化等级，结合具体情况综合确定选择全部或部分消除液化的土体，采用绘制区域性液化风险图、注浆加固地基、添加结构围束、严格执行设计标准等方式遏制土壤液化的程度，保障人民的生命和财产安全。