The Failure of the Aznalcóllar Tailings Dam in SW Spain

Abstract

The Aznalcóllar dyke failed and released much of its stored, saturated pyritic tailings after a process of progressive failure in the foundation clay. 1.5 Mm³ of tailings and 5.5 Mm³ of acidic water were rapidly discharged from the pond. The paper reviews the main geotechnical aspects that contributed to the development of a sliding surface under the dyke: its downward construction procedure, the brittle nature of the over-consolidated, high plasticity foundation clay, and the prevalent high pore pressures in the clay. The downward construction method created a “wave” of high stress ratios under the advancing toe of the dyke capable of taking the strength from peak to residual values. The brittleness of the foundation clay is very significant because of its high plasticity and the presence of montmorillonite among its mineralogical constituents. The high pore pressures are a consequence of the high density tailings (3.1 g/cc), the low permeability of the clay, and the consolidation process in a dominant upward direction. Also discussed in the paper are the dynamics of the dam failure (displacement, velocity, and acceleration). The geometry of the dyke, in plan view, and its relationship with the direction and dip of the clay layers explains the position of the failure. This paper summarizes the lessons derived from this case history.

西班牙西南Aznalcollar尾矿坝事故

经历了地基粘土层持续破坏之后, Aznalcóllar尾矿库发生溃坝, 存储的大量饱和黄铁矿尾矿溃泄而下, 迅速排出150万立方尾矿和550万立方酸性废水。综述了导致坝下滑动面形成的主要岩土工程因素: 下方工程影响、超固结层脆弱性、基础粘土层高塑性和粘土层内偏高孔隙水压。下方施工法在大堤推进脚下产生了较强的高应力比“波”, 使之经受了从峰值到残余值的作用。高塑性和蒙脱石矿物的存在使基础粘土层脆弱性非常重要。高孔隙压力由尾砂密度高(3.1 g/cc)、粘土渗透性低和上方固结过程引起。讨论了大坝破坏的动力学过程(位移、速度和加速度)。从平面角度, 坝体几何形状及其与粘土层走向和倾向的关系解释了坝体的破坏位置特征。总结了案例过程给我们留下的教训。

Zusammenfassung

Im Jahr 1998 brach der Los Frailes Damm und gab einen Großteil seiner gespeicherten, gesättigten pyritischen Aufbereitungsabgänge nach einem Prozess des fortschreitenden Versagens am Gründungston frei. 1,5 Mm3 Schlämme und 5,5 Mm3 saures Wasser flossen schnell aus dem Rückhaltebecken. Die vorliegende Mitteilung gibt einen Überblick über die wichtigsten geotechnischen Aspekte, die zur Entstehung einer Gleitfläche unter dem Damm beigetragen haben: das unterwasserseitige Bauverfahren, die Sprödigkeit des überkonsolidierten, hochplastischen Gründungstons und die vorherrschend hohen Porendrücke im Ton. Die unterwasserseitige Bauweise erzeugte eine "Welle" hoher Spannungsverhältnisse unter der vorrückenden Dammsohle, die in der Lage war, die Scherfestigkeit von Spitzen- auf Restwerte zu bringen. Die Sprödigkeit des Fundamenttons ist aufgrund seiner hohen Plastizität und der Präsenz von Montmorillonit unter den konstitutiven Mineralen sehr bedeutend. Die hohen Porendrücke sind eine Folge der hohen Dichte der Aufbereitungsabgänge (3,1 g/ccm), der geringen Durchlässigkeit des Tons und der aufwärtsgerichteten Konsolidierung. Auch die Dynamik des Dammbruchs (Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung) wird in der Arbeit diskutiert. Die Geometrie des Dammes in Aufsicht und seine Beziehung zu Streich- und Fallrichtung der Tonschichten erklärt die Position des Versagens. Dieses Papier fasst die aus der Bruchgeschichte abgeleiteten Lehren zusammen.

Resumen

La falla del dique de estériles de Aznalcóllar liberó una parte de los residuos piríticos saturados almacenados, tras un proceso de fallo progresivo de su cimentación sobre arcilla, de tal manera que 1,5 Mm³ de residuos piríticos y 5,5 Mm³ de agua ácida se descargaron desde dicha estructura. El artículo revisa la relevancia de los principales aspectos geotécnicos que contribuyeron al desarrollo de una superficie de deslizamiento, bajo el dique: el procedimiento constructivo del dique hacia aguas abajo, la naturaleza frágil y de alta plasticidad de la fundación de arcilla y las altas presiones de poro prevalentes en la arcilla. El método de construcción aguas abajo originó una "ola" de altas tensiones, bajo el pie del dique en desplazamiento, capaz de llevar la fuerza desde el máximo hasta los valores residuales. La fragilidad de la fundación arcillosa fue muy significativa, por su alta plasticidad y la presencia de montmorillonita entre sus componentes mineralógicas. Las altas presiones de poro fueron consecuencia de la elevada densidad de los residuos (3,1 g/cc), la baja permeabilidad de la arcilla y el proceso de consolidación en una dirección dominante hacia aguas abajo. También se discute en el artículo la dinámica del fallo de la presa (desplazamiento, velocidad y aceleración). La geometría del dique y su relación con la dirección y la inmersión de los estratos de arcilla explica la posición de la falla. El trabajo resume los principales hallazgos y las lecciones derivadas de este caso histórico.