A Finite Element Analysis of the Fundão Dam Failure

ABSTRACT: The Fundão tailings dam failure of November 2015 in Brazil is one of the deadliest and most environmentally damaging tailings dam breaches in recent history. Roughly 32 million cubic meters (Mm3) of iron mine tailings were accidentally released in this catastrophic collapse, claiming the lives of nineteen villagers, and causing major environmental concerns after polluting local water systems. As part of the forensic investigation that followed, a finite difference analysis (FDA) simulation using the NorSand constitutive model in FLAC software was conducted by the Panel to test the hypothesis of lateral extrusion triggered failure. The purpose of the present study is to simulate the triggering of static liquefaction failure of the Fundão dam using a finite element analysis (FEA) approach in which the NorSand constitutive model is adopted in Rocscience RS2 software. A selected number of the Panel’s laboratory test results were simulated in a series of FEA models to determine the validity of the numerical results and the strain-softening behaviour of the tailings. Drained triaxial compression tests were simulated to confirm calibration of the constitutive model. A computer model of the failing section of the dam’s left abutment was subsequently generated for numerical analyses following the depositional details provided in the Panel’s report. The results of the FEA are compared with the FDA shear stress-strain behaviour of the tailings reported by the Panel on a laboratory scale and for the dam’s failing section, thus supporting the hypothesis of a slope failure triggered by a lateral extrusion mechanism. The implications and limitations associated with the FEA are further discussed in this paper.

RÉSUMÉ: La rupture du barrage Fundão en novembre 2015 au Brésil est une des ruptures plus meurtrières et plus dommageables pour l'environnement de l'histoire récente. Environ 32 millions de mètres cubes (Mm3) de résidus miniers de fer ont été accidentellement libérés lors de cet effondrement catastrophique, tuant dix-neuf villageois et causant de graves problèmes environnementaux après avoir pollué les systèmes d'eau locaux. Dans le cadre de l'enquête scientifique qui a suivi, une simulation numérique de l'analyse des différences finies (FDA) utilisant le modèle constitutif NorSand dans le logiciel FLAC a été menée par le Comité pour tester l'hypothèse d'une défaillance générée par l'extrusion latérale. Le but de la présente étude est de simuler le déclenchement de liquéfaction statique du barrage Fundão en utilisant une approche d'analyse par éléments finis (FEA) dans laquelle le modèle constitutif NorSand est adopté dans le logiciel Rocscience RS2. Une sélection de résultats d’essais en laboratoire du Comité a été simulés dans une série des modèles réalisés à base d'analyse FEA pour déterminer la validité des résultats numériques et aussi que la anti-écrouissage des résidus. Des essais de compression triaxiale drainée ont été simulés pour confirmer l'étalonnage du modèle constitutif. Un modèle de la section défaillante de la culée gauche du barrage a ensuite été généré pour des analyses numériques à la suite des détails de dépôt fournis dans le rapport du Comité. Les résultats de la FEA sont comparés au comportement contrainte-déformation de cisaillement de la FDA des résidus rapporté par le Panel à l'échelle du laboratoire et pour la section défaillante du barrage, soutenant ainsi l'hypothèse d'une rupture de pente déclenchée par une extrusion latérale. Les implications et les limites associées à la FEA sont discutées plus en détail dans cet article.