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【案例研究】卡迪亚谷北部尾矿储存设施堤防坍塌
发布时间:2021-09-29 浏览次数:7550 来源:欧美大地


免责声明:本案例研究,仅由 GDS Instruments 对公开可用的技术报告进行审查和解释后编写。本案例研究未经第三方审查,不构成任何形式的技术建议。



介绍


2018 年 3 月 9 日下午,位于澳大利亚新南威尔士州中西部的卡迪亚河谷项目项目北部尾矿库设施(Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility (NTSF))的南部堤防约 300 m 段发生了流动性坍塌。堤防坍塌导致 NTSF 释放尾矿,释放的尾矿在相邻的南尾矿储存设施 (STSF) 内被捕获。Cadia现场人员在当天早些时候观察到的开裂(路堤顶部)和逆冲(路堤坡脚处),使得在塌落发生之前,能够及时疏散工地以及一些下游的住宅。这导致了经济损失,但没有造成明显的社会或环境影响。为此成立了一个独立的技术审查委员会(ITRB),以确定Cadia NTSF路堤坍塌的技术原因。ITRB在四月十七日2019日(杰夫里等人,2019)报告了其发现,得出在坍塌附近先前未识别的低密度基础层由于路堤结构施加的荷载而逐渐变形的结论。


当这种变形速率迅速增加时,储存在NTSF内的尾矿液化,显著增加了路堤上的荷载。地基已经弱化,最终无法抵抗荷载的增加,导致堤坝坍塌。本案例研究简要总结了ITRB报告的一些岩土工程发现。


具体而言,它侧重于调查期间进行的高级实验室测试计划的各个方面,其中使用了由GDS公司设计和制造的高级循环动单剪、三轴、弯曲元系统和恒应变速率固结实验系统。我们强烈建议我们的读者参考纽克雷斯特矿业有限公司(NML)发布的公开ITRB报告,以获取有关Cadia NTSF路堤坍塌的完整评论。还可以点击这里观看10分钟的坍落简明技术总结。



图 1:截至 2018 年 9 月 13 日的 Cadia NTSF 南部路堤坍塌位置的鸟瞰图。

来源:谷歌地球,图片 © 2021 CNES / Airbus。





卡迪亚北部尾矿储存设施堤防和基金会




NTSF的设计和建造是为了封存卡迪亚金矿和铜矿开采作业产生的尾矿。最初的NTSF路堤于1998年完工,包括一个最大高度为50 m的堆石坝,随后的路堤凸起打算使用改进的中心线施工。


到2016年末,路堤已达到其初始目标最大高度91 m,但最终采用下游、中心线和上游施工相结合的方式修建路堤。


2017 年初,开始使用上游施工进行额外的 3 m 加高(第 10 阶段),并于 2017 年年中在坍塌位置附近完成加高。


然而,2017年进行的锥体贯入试验(CPT)引起了对路堤稳定性的担忧,因此建议建造两个支墩,以提高静态和动态荷载下的稳定性(第1阶段和第2阶段支墩,如图2所示)。在坍落位置:

•   第一阶段支墩于 2017 年底开始施工,并于 2018 年 3 月 5 日完工。

•   2018 年 1 月,从堤坝趾部挖出约 5.5 m 的材料,为第二阶段支墩施工准备基础。挖掘出的材料包括超过 4 m 的堆积尾矿以及一些地基材料。

•   第二阶段支墩的建设在坍塌时尚未开始。



图 2:Cadia NTSF 路堤在第 10 阶段的简化示意图。请注意,在坍塌时,第 2 阶段的支墩施工尚未开始。






图 3:路堤坍塌附近地基材料的简化剖面。

还注意到堤防在坍塌发生的前一天(2018 年 3 月 8 日)经历了两次低级地震(约 MW3,相隔十秒左右)。





图 3 显示了坍落附近地基材料的基础轮廓。 虽然卡迪亚的地质复杂性超出了本案例研究的范围,重要的是要注意靠近路堤基础水平的森林礁火山岩 (FRV) Unit A 层的存在。


因为这种地基材料被确定为导致路堤坍塌的最重要的特征。这是因为 FRV Unit A 材料密度低(孔隙比约为

0.8 到 1.5),相对较弱,高度可压缩,并在荷载作用下显示应变减弱响应。值得注意的是,在路堤坍塌发生之前,FRV Unit A 尚未被识别。





ITRB 对 CADIA NTSF 堤防坍塌的调查


ITRB 的任务是确定路堤坍塌的技术原因。于是 ITRB 审查了NTSF 建造历史,并委托进行了广泛的地下现场调查、先进的实验室测试和各种荷载条件下路堤的先进数值分析。还进行了水文地质和地震学研究。


由 ITRB 委托进行的实验室测试计划能够评估尾矿、路堤和地基材料的加载响应,并提供用于高级数值分析的材料特性。


虽然作为测试计划的一部分由许多实验室进行了许多不同的测试,但本案例研究将重点限制在 Golder 的珀斯实验室 (Golder ;www.golder.com/testing-services/)


进行的高级直剪单剪(DSS)、三轴、弯曲元和恒速应变测试对尾矿和FRV单元进行了基础材料的研究。请参考ITRB报告附录D和附录E,了解作为ITRB调查一部分进行的实验室测试的更多详情。





尾矿和 FRV Unit A 材料的高级实验室测试,包括使用 GDS 设备


a) 单调和循环直接简单剪切 (DSS) 测试。


作为高级实验室测试计划的一部分,Golder 对许多尾矿级配和 FRV Unit A 试样进行了 24 次恒定体积直接简单剪切测试。该测试是使用 GDS 电机动态循环简单剪切 (EMDCSS) 设备进行的,该设备能够通过设计的低柔顺性的 DSS 设备剪切(单调和/或循环)期间保持恒定的试样体积,主动高度控制,以及通过一堆低摩擦叠环(或者,也可以使用钢丝增强橡胶膜)进行物理侧向约束。



图 4:GDS 电机动态循环单剪 (EMDCSS) 设备



Golder 在 GDS EMDCSS 设备内测试的 12 个重组尾矿试样标称直径为 100 毫米,并被固结到 50 kPa 或 300 kPa 垂直有效应力。所有试样都比固结后估计的原位尾矿状态稍松。


在循环剪切的十个试样中,八个在固结阶段施加了初始剪切应力偏差(垂直有效固结应力的 5% 或 30%)。对其中八个试样施加频率为1Hz的正弦循环荷载,同时对两个试样施加自定义循环荷载,模拟2018年3月8日发生的两次低震级地震的地面运动。图5显示了GDSLab软件界面,供用户在GDS EMDCSS内执行测试时定义自定义循环荷载。


以每小时约5%的剪切应变率对两个试样进行单调剪切。





图 5:GDSLab 软件界面,用于在 GDS EMDCSS 内执行测试时定义自定义循环载荷。




从恒定体积循环 DSS 测试中获得的数据表明,在路堤坍塌之前的两次低震级地震(循环应力比约为 0.05)不会在尾矿试样中引起显著的超孔隙压力累积或剪切应变。具体而言,在施加 5 到 15 个荷载循环后观察到的超孔隙压力约为初始垂直有效应力的 10%

,而不管在固结期间使用的静态偏差。


Golder 在 GDS EMDCSS 设备内测试的 12 个 FRV 单元 A 样本标称直径为 60 毫米,并且施加固结到 250 kPa 到 1200 kPa 之间的垂直有效应力。接着发现试样固结后的干密度范围为 1.29 至 1.59 t/m3。在这些测试中固结阶段未施加初始剪应力偏差,所有测试都以每小时大约 2% 的剪切应变率进行单调剪切。其中 9 个试样由管状或块状样品制备,3个试样使用内部压实步骤重塑而成。


对从管状或块状样品制备的样品,进行恒定体积的单调 DSS 测试获得数据峰值不排水强度比(即峰值剪应力除以垂直有效固结应力)的估计0.26 到 0.56 的范围,取决于固结应力和管或块采样位置。重要的是,样本通常表现出应变弱化行为(如,剪应力降低)一旦土壤应变超过峰值剪应力,突出了 FRV Unit A 材料的脆性响应。峰值后平均强度损失约为 25%(强度损失范围约为 0 至 40%)。



图 6:FRV Unit A在 GDS EMDCSS 内恒定体积条件下进行单调 DSS测试的试样的应力-应变曲线。





图 7:在 GDS 办公室的 GDS 电机动态循环动单剪 (EMDCSS) 设备中在恒定体积条件下测试干净砂样的照片。该测试与 Cadia NTSF 路堤坍塌调查无关,仅用于说明目的。




b) 三轴测试


作为高级实验室测试计划的一部分,Golder 对多个尾矿级配和 FRV Unit A 样本进行了 41 次三轴 (TX) 测试。该测试是使用 GDS 三轴自动化系统 (GDS TAS) 进行的,该系统采用先进的速度控制荷载框架和 GDS 压力/体积控制器将轴向和径向应力应用于三轴测试试样。


图 8:GDS 三轴自动化系统 (GDSTAS)。



通过对排水(20 次测试)和不排水条件(12 次测试)下的各向同性固结尾矿试样,应用应变控制单调压缩,总共进行了 32 次 TX 测试,结果用于确定临界状态线 (CSL),以及估计强度参数, 四种不同的尾矿等级。使用内部湿夯法重建测试样本,并在每次测试中施加至少 20% 的轴向应变,以达到临界状态。根据获得的TX试验数据,尾矿采用的临界状态有效摩擦角等于34度。


另外还进行了六次 TX 测试,以观察尾矿对后期路堤阶段和第 1 阶段支墩施工期间所经历的许多应力路径的响应。这些试验首先对试样进行各向异性固结,然后在排水或部分不排水条件下加载,帮助 ITRB 了解在堤防施工期间尾矿内的某些点是否可能已接近不稳定的应力状态,例如少量的快速装载可能导致尾矿液化。


要进行排水测试,Golder 称为“恒定剪切排水”测试(CSD 测试),所使用的三轴系统必须能够对测试试样施加并保持恒定的偏应力。即使试样正在迅速坍塌状态(即,经历快速轴向应变)。 Golder 使用了两种三轴配置来实现这一标准:一种是手动将荷载放置在装载架上,另一种是将 GDS DigiRFM 安装在 GDS TAS 中。


DigiRFM 在三轴荷重传感器和荷载框架之间引入了快速、直接的反馈回路,使荷载框架能够以超过 90 毫米/分钟的速度轴向压缩试样,保持目标偏应力。有兴趣升级其 GDSTAS 以包含 DigiRFM 的用户应直接联系 GDS。



图 9:安装在 GDS TAS 中的 GDS DigiRFM。



还对单个重塑TX 尾矿样本进行了弯曲元件 (BE) 测试。这使得剪切波速以及随后的小应变剪切模量能够在不同水平的有效围压下估算,为评估路堤对地震震动的响应提供重要依据。 BE 测试在 17 个不同的平均有效围压值(范围在大约 20 kPa 到 1090 kPa 之间)进行,测试使用 GDS 弯曲元系统 (GDSBES) 进行。



图 10:GDS 弯曲元件系统 (GDSBES)。





图 11:通过使用 GDSBES 对 GDSTAS 内的单个尾矿 TX 试样进行弯曲元件测试获得的剪切波速和小应变剪切模量估计值。还显示了试样空隙率和堆积密度估计值。




通过在不排水条件下对各向同性固结的未扰动 FRV Unit A 试样应用应变控制压缩来执行三个 TX 测试。这些测试再次强调了 FRV 的应变减弱行为Unit A 材料的峰值和残余有效摩擦角分别估计为 21.4° 和 16.2°(以及有效内聚力值分别等于 58.5 kPa 和 0 kPa)。



图 12: GDSTAS 内不排水单调应变控制压缩条件下,测试各向同性固结后细粒土试样的照片。该测试与 Cadia NTSF 路堤坍塌调查无关,仅用于说明目的。



c) 恒速应变速率固结测试


作为高级实验室测试计划的一部分,Golder 对 FRV 单元 A 样本进行了两次恒定应变速率 (CRS) 测试。该测试是使用 GDS 恒应变速率固结测试(GDSCRS) 系统进行的,其中使用先进的速度控制荷载框架将垂直应力施加到侧向限制的反压试样。反压通过 GDS 压力/体积控制器提供。



图 13:GDS 恒应变速率固结实验系统 (GDSCRS)



在 FRV Unit A 试样上进行的两个 CRS 测试使 ITRB 能够估计典型固结参数的值(例如,固结系数、预固结压力),同时还强调了约束模量的降低(即,一维刚度)随着垂直有效应力增加超过大约 1000 – 1500 kPa。有人提出,在较高垂直应力水平下,刚度的这种降低是由土壤颗粒压碎或分解引起的。




来自高级实验室测试计划组的见解


先进的实验室测试计划提供了许多关于尾矿和 FRV Unit A 基础材料的加载响应的重要见解,帮助 ITRB 了解 Cadia NTSF 路堤在 2018 年 3 月 9 日坍塌的机制。这些见解包括:

  • GDS EMDCSS 内 FRV Unit A 试样的单调直接简单剪切 (DSS) 测试突出了这种先前未识别的应变减弱响应路堤基础材料。这最终导致 ITRB 得出结论,在堤防施工期间,这种材料的峰值强度已开始被超过,特别是在堤坝趾部开挖材料和第一阶段支墩施工后,导致地基逐渐变形。在坍塌发生之前,变形迅速加快。


  • GDS TAS 内重组尾矿样本的“恒定剪切排水”(CSD)三轴测试表明,在堤防施工期间尾矿内的某些位置已接近不稳定的应力状态,并且可能会触发快速坍塌(即可能发生液化)应少量快速加载。路堤基础内的加速变形触发了尾矿液化,这反过来又显著增加了路堤和已经削弱的地基的负荷。无法抵抗这种额外的荷载,导致路堤坍塌。


  • GDS EMDCSS 内尾矿试样的循环 DSS 测试表明,2018 年 3 月 8 日在卡迪亚工地发生的两次低级地震并未在尾矿中引起显著的超孔隙水压力和剪切应变。这一发现很重要,因为它确定了低震级地震不会导致路堤坍塌。



总结


2018 年 3 月 9 日在 卡迪亚河谷项目项目北部尾矿库设施(Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility )的一段路堤中发生的移动坍塌被确定是由于正在进行的路堤施工期间以前身份不明的低密度基础层的逐渐变形造成的,这最终引发了存储尾矿的液化。一旦液化,尾矿就会显著增加施加在路堤上的荷载,而这已经是脆弱的地基无法抵抗的。这导致路堤坍塌,但及时疏散Cadia 人员的工地意味着坍塌没有造成明显的社会或环境影响。


上述路堤坍塌的技术原因是通过独立技术审查委员会 (ITRB) 的调查得出的。作为 ITRB 调查的一部分,委托进行了一项实验室测试计划,其中Golder 的珀斯实验室 (Golder) 使用 GDS Instruments (GDS) 生产的许多先进测试设备来产生单调和循环直接简单剪切 (DSS)、三轴、弯曲单元和恒定应变速率测试数据。此类测试为 ITRB 提供了有关尾矿和地基材料对载荷的响应的重要见解,有助于 ITRB 确定坍落度的技术机制。测试还帮助 ITRB 排除了两次低震级地震是尾矿液化的原因。


因此,该案例研究证明了先进的实验室测试方案,可以在评估地基土和蓄积材料在堤防施工施加的荷载和/或地震活动如何影响尾矿储存设施中的价值。




参考文献

杰弗里斯,M.; Morgenstern, N. R.;范齐尔,D.;沃茨,J.(2019 年)。独立技术审查委员会关于 Ashurst Australia 的 NTSF 路堤故障 Cadia Valley 运营的报告。 2019 年 4 月 17 日。纽克雷斯特矿业有限公司。https://www.newcrest。 com/sites/default/files/2019-10/190417_Report%20on%20 NTSF%20Embankment%20Failure%20at%20Cadia%20for%20 Ashurst.pdf。

 

纽克雷斯特矿业有限公司。 (2019)。卡迪亚 NTSF 路堤坍塌。可在:https://www.youtube.com/ 看?v=DyyxLmPdVaE 。





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