含氰土壤的筑堆边坡稳定性研究

筑堆边坡失稳是指在一定范围内，边坡沿坡内较为软弱的部位发生移动，从而破坏筑堆整体稳定性的现象。边坡失稳会引发严重的地质灾害，带来较大的经济损失，甚至带来严重的人身安全事故，还有可能对环境产生污染。氰化物具有很强的毒性，可以通过多种途径进入人体，使中枢神经系统瘫痪引发呼吸困难，甚至导致死亡[1]。因此，研究含氰土壤边坡稳定性，保证筑堆安全，具有重大意义。

目前，用于模拟边坡稳定性的技术有很多，但都存在一些缺陷，如有限元有变小的假设、需要较大内存等[2]，FLAC3D模拟软件模拟方法弥补了以上缺点，使得其广泛应用于岩土工程、降雨模拟等领域[3]。史绪鑫[4]采用FLAC3D软件对边坡稳定性安全系数以及渗流方面的问题进行了模拟研究；王玉珏[5]利用FLAC3D数值模拟方法分析堆浸场边坡在排土为68～84 m高度下边坡稳定的安全系数、塑性区、最大位移，最大不平衡力和潜在滑移面的位置，结果证实堆浸场整体上处于稳定状态。

本文以20 000 m3含氰土壤修复工程为基础，采用FLAC3D数值模拟方法，建立堆场模型，根据堆场的土力学参数模拟堆场的边坡安全系数、塑性区、潜在滑移面、最大位移和最大不平衡力，分析堆场整体的稳定性，为含氰土壤的修复工程提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 含氰土壤

天津某含氰土壤的修复工程，采用筑堆淋洗修复方法。土壤堆场分为两部分，上部为散体物料，下部为基底，形状为梯形，堆场长153 m×宽60 m，下底120 m×60 m，上底110 m×45.2 m，上底长45.2 m，筑堆总量为20 784 m3，堆场总高度为5.8 m，散体自然安息角为35°，为保证淋洗过程中堆体的淋洗液可以快速渗滤通过，将堆场基底整体抬高0.6 m，中间最高点高度达到4.8 m，场地坡度为8°。

土壤模拟参数采用实测和文献检索相结合的办法，其中干密度、湿密度、杨氏模量、黏聚力、内摩擦角、渗透系数、水的体积模量和孔隙率采用实测方法[6]，泊松比采用文献检索方法[7～10]。见表1。

表1 土体力学参数

1.2 试验方法

采用FLAC3数值模拟软件对含氰土壤的筑堆边坡稳定性进行模拟分析，见图1。模型的边界条件：固定模型侧边方向速度，底面限制垂直方向位移，上部为自由面并对模型中所有节点的Y方向速度进行约束，以便等效地进行平面应变分析。

图1 FLAC3D 5.0建模

不考虑堆场前后Y方向的位移，建立了筑堆边坡稳定性分析几何模型。模型为左右对称结构，试验选取堆场边坡左侧的剖面，在坡面选取了3个位移监测点进行分析，见图2。

图2 土堆边坡几何模型及监测点

2 结果与讨论

2.1 堆场位移

应用FLAC3D数值模拟软件计算3个监测点的位移，见图3-图6。

图3 监测点水平方向位移曲线

从图3可以看出：在水平方向上①号监测点最稳定，位移为0；②和③号监测点的位移随计算步数的增长趋于稳定，②号监测点最大位移为2.8 cm，③号监测点最大位移为1.4 cm；变化最大的是②号监测点，但其位移很小，可认为在水平方向是稳定的。

图4 监测点竖直方向位移曲线

从图4可以看出：在竖直方向上①号监测点最稳定，位移为0；②和③号监测点都随计算步数的增长趋于稳定，②号监测点最大位移为3.3 cm，③号监测点最大位移为7.0 cm；变化最大的是③号监测点，但相对土壤堆场整体而言，位移较小，可认为在竖直方向是稳定的。

图5 边坡水平方向位移等值线

从图5中可以看出：位移最大部位集中在堆场土体的堆积体内，在3 cm左右。导致这种结果的原因主要是：堆场较高，土体物料的杨氏模量较低。

图6 边坡竖直方向位移等值线

从图6可以看出：位移最大部位集中在堆场土体的上方，在10 cm左右。主要原因是堆场受自身重力影响而出现固结沉降的现象。

2.2 堆场最大不平衡力

最大不平衡力是数值计算迭代过程中产生的系统内外力之差[11]，在静态求解模式中用于判断堆场是否达到平衡状态，如果模型网格的每个节点力都为0，那么模型达到绝对的平衡状态[5]。应用FLAC3D进行数值分析，获得含氰土壤堆场的最大不平衡力曲线，见图7。

图7 最大不平衡力曲线

从图7中可以看出：随着计算步数不断增加，污染土壤的最大不平衡力逐渐减小，当计算步数到2004时，最大不平衡力趋于0，说明体系实现了力的平衡状态[12]，不再发生滑坡。

2.3 堆场塑性区

边坡失稳破坏一般发生在强度软弱带或应力集中区，这部分区域土体单元会发生不同程度的塑性形变，假如发生塑性形变的区域互相贯通[13]，就说明边坡会在互相贯通的区域内发生失稳及破坏。故可以基于塑性区互相贯通判断边坡是否会发生失稳及破坏[14～15]。含氰土壤堆场的塑性区见图8。

图8 塑性区

由图8可以看出：堆场模型只是曾经进入过拉伸屈服状态，但已经退出，并没有产生互相贯通的塑性区，故边坡整体处于稳定状态。

2.4 堆场潜在滑移面与安全系数

堆场潜在滑移面见图9。

图9 潜在滑移面

从图9可以看出，在剪切应变增量过程出现了坡体的最软弱部位，也就是最易沿此面损坏失稳的部位，即图9中位于堆场左侧坡顶的红色区域，范围很小。用强度折减法获得边坡稳定性系数为3.85，根据规范要求[16]，安全系数≥1.25为稳定状态。结合以上结果分析，表明边坡整体处于稳定状态。

3 结论

应用FLAC3D数值模拟方法建立了堆场模型并分析了堆场在5.2 m高下的边坡安全系数、塑性区、潜在滑移面、最大位移和最大不平衡力，模拟结果发现：在堆载高度5.2 m下，堆场塑性区和潜在滑移面没有贯通、计算收敛、无位移突变且FLAC3D数值模拟方法计算所得的安全系数值为3.85，堆场整体处于稳定状态，不会产生滑坡，表明在此筑堆条件下，可开展污染土壤的淋洗修复工程。