土壤液化

◎ 應(yīng)急管理部信息研究院 袁陽

2015年11月5日，巴西米納斯吉拉斯州Germano礦廠的Fund?o尾礦庫工人正在作業(yè)，此時尾礦庫已堆填至地面以上90米的高度，與設(shè)計庫頂只差30米。突然，有工人注意到大壩的左側(cè)升起一股濃塵。緊接著，工人目睹了尾礦庫中央出現(xiàn)了類似海浪的現(xiàn)象，砂粒在上下擺動。另外一名站在高處的工人，則感覺到地面開始在他腳下裂開，并一直向下游移。較低處的大壩斜坡像“一條蛇”一樣慢慢地向前延伸。它完好無損地整體移動著，然后突然膨脹起來，隨著運動的加速而扭曲變形，最終“像波浪一樣”落下，或者像是“在融化”。隨著斜坡的破壞，泥石流狀的尾礦從大壩左側(cè)傾瀉而下。幾個小時后，將近100米高的Fund?o大壩徹底消失，4500萬立方米的有毒污泥如潮水般涌出，流入附近的多西河，并最終到達距離大壩600多公里遠的大西洋。事故給當(dāng)?shù)亓饔蚺c社區(qū)帶來了破壞性的影響。19人死亡，約700人無家可歸。數(shù)十萬人的水源被污染，野生動物大批死亡。這一事故廣泛被認為是巴西有史以來最嚴重的環(huán)境災(zāi)難，在巴西國內(nèi)和國際引起了廣泛的關(guān)注。由四位權(quán)威專家組成的獨立調(diào)查組對潰壩事故進行全面深入分析，其中專家組主席正是創(chuàng)立了Morgenstern-Price邊坡穩(wěn)定計算方法的Morgenstern教授。調(diào)查的罪魁禍首，則是礦山工業(yè)生產(chǎn)中的廢渣——尾礦，發(fā)生液化現(xiàn)象所致。

圖1 災(zāi)難發(fā)生后的村莊

土壤液化（soil liquefaction）是地震工程的一個術(shù)語，指在外力作用下，原本固態(tài)的土壤變成液態(tài)，或變成粘稠的流質(zhì)。當(dāng)土壤液化現(xiàn)象發(fā)生后，原本具有承載能力的固態(tài)土壤會轉(zhuǎn)化為不具有承載能力的液態(tài)土壤。近十幾年來，土壤液化現(xiàn)象成為了工程地質(zhì)學(xué)界研究的主要課題。

圖2 土壤液化示意圖

一般認為，土壤液化有兩個必要的條件：一是土壤必須處于飽和狀態(tài)；二是要有一定條件的動荷載作用，但是并不是所有具有上述兩個條件的土壤都能液化。從微觀角度而言，土體由土和孔隙組成，飽和狀態(tài)時，主要由土體和孔隙水壓受力，受到動荷載作用時，土壤顆粒排列趨于密實。如果土的透水性很差，孔隙水不能排除，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇上升，而總體受力不變，將導(dǎo)致土顆粒之間的相互作用力減小；當(dāng)完全由孔隙水壓力來承擔(dān)外力，此時土體顆粒間的作用力（摩擦力和內(nèi)聚力）為零，即土體失去抗剪性能。

在Fund?o尾礦庫最初的設(shè)計理念中，基礎(chǔ)設(shè)置有排水廊道與排水溝，庫內(nèi)的水位在正常狀態(tài)下，水位線上的尾礦砂是干燥的，沒有產(chǎn)生液化的條件。但是，結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致基礎(chǔ)排水系統(tǒng)的徹底失效改變了現(xiàn)狀。首先，提取事發(fā)前水壓計的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)水位確實比設(shè)計明顯要高，水位大約在870～875標高處，已高于排水墊層所在的826米約50米，由于排水能力不足使壩體水位線抬高使得干燥狀態(tài)的尾礦砂變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。在2013年，此處曾多次發(fā)生坡面變形滲漏破壞的事故。其次，在事發(fā)前一個月，尾礦堆填速率達到了2.9米/月，是設(shè)計要求的3倍，這樣使得外部荷載單位時間增量過大；礦區(qū)中幾乎每天都會有爆破作業(yè)，這也造成了許多較小震級的震動荷載；在2015年11月5日下午2點15分左右，4分鐘內(nèi)發(fā)生了3次不高于2.2級的小地震，震中距尾礦庫只有不到2公里。地震引發(fā)大壩事故的案例并不罕見，但從來沒有一座大壩在低于5.5級的地震中崩塌。只能撼動桌子的地震令高達100米的大壩潰壩，聽起來很不可思議。最終飽和尾砂在荷載的作用下發(fā)生液化現(xiàn)象引起潰壩，造成了不可彌補的損失。

土壤液化是一種很常見的自然現(xiàn)象，絕非是勢不可擋的“魑魅魍魎”。實際工程中，地震、打樁、設(shè)備震動等均可能引起飽和土體的液化現(xiàn)象，可能誘發(fā)一些災(zāi)難性事故，因此需要根據(jù)建筑物的重要性、地基液化等級，結(jié)合具體情況綜合確定選擇全部或部分消除液化的土體，采用繪制區(qū)域性液化風(fēng)險圖、注漿加固地基、添加結(jié)構(gòu)圍束、嚴格執(zhí)行設(shè)計標準等方式遏制土壤液化的程度，保障人民的生命和財產(chǎn)安全。