垃圾填埋場FLAC3D建模方法研究

邱光習(xí)

(中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081)

0 引言

固體廢棄物的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化特性，在試驗(yàn)的應(yīng)變范圍內(nèi)，即使應(yīng)變達(dá)到30%時(shí)強(qiáng)度還在繼續(xù)增長，且沒有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象［1］。FLAC3D軟件在材料的彈塑性、大變形以及模擬施工過程等領(lǐng)域具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)［2］，為模擬這種大變形相關(guān)的強(qiáng)度特性提供了試驗(yàn)平臺(tái)。

盡管FLAC網(wǎng)格形狀庫中提供了12種最基本的原始網(wǎng)格形狀，加上內(nèi)嵌語言Fish的二次開發(fā)功能，可生成復(fù)雜網(wǎng)格形狀。但由于網(wǎng)格生成仍采用命令驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行，要求用戶具有較高的編程水平?；诖耍瑢W(xué)者通過其他一些有限元軟件和專業(yè)建模軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何模型的建立，然后再進(jìn)行模型離散化并最終建立網(wǎng)格。如廖秋林等［3］以ANSYS有限元程序完成的復(fù)雜地質(zhì)體建模、網(wǎng)格劃分為基礎(chǔ)，采用Visual Basic語言編寫了FLAC3D-ANSYS接口程序，實(shí)現(xiàn)了FLAC3D軟件的建模。王樹人等［4］利用MIDAS/GTS進(jìn)行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分，應(yīng)用MATLAB編寫MIDAS/GTSFLAC接口程序，再將單元、節(jié)點(diǎn)信息導(dǎo)入FLAC3D。劉秀軍等［5］基于GOCAD軟件建模和劃分網(wǎng)格，并通過 GOCAD與FLAC3D的接口程序，將其導(dǎo)入FLAC3D的復(fù)雜三維地質(zhì)體建模方法，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體FLAC3D模型的建立。羅周全等［6］基于SURPAC軟件構(gòu)建地質(zhì)體塊體模型，將模型以數(shù)據(jù)文件的形式輸出到ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，形成FLAC3D命令流。徐文杰等［7］以ADINA為例對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)相應(yīng)的接口程序進(jìn)行了開發(fā)，轉(zhuǎn)換為FLAC3D能夠接受的格式，從而克服了FLAC3D在前處理建模方面的不足。但是基于其他有限元軟件建模，得輸入命令生成關(guān)鍵點(diǎn)key point，再由點(diǎn)連成線，生成面，最后再將面生成體，為模型建立帶來麻煩。為此，崔芳鵬等［8］基于surfer平臺(tái)與fish二次開發(fā)進(jìn)行了FLAC3D建模過程，建模過程更加簡捷、實(shí)用。

本文基于文獻(xiàn)［2］與文獻(xiàn)［8］的基本思想，將其進(jìn)行擴(kuò)展，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內(nèi)嵌的Fish平臺(tái)等多軟件交叉集合，生成FLAC3D數(shù)據(jù)文件，建立了多層、可考慮開挖過程的復(fù)雜地質(zhì)模型。實(shí)現(xiàn)了垃圾填埋場等類似工程的快速、高效建模過程。并將其成功應(yīng)用到垃圾填埋場的模型建立，為進(jìn)一步逆向反演填埋場失穩(wěn)事故提供基礎(chǔ)。

1 模型建立過程

模型建立共分為7步，如圖1所示。

1)描圖?；谠瓐D等高線數(shù)據(jù)，用CAD多段線描圖并對(duì)其高程進(jìn)行賦值。再對(duì)圖進(jìn)行修整，去除不必要的圖元。

2)將修整后的圖另存為#.dxf格式，用相應(yīng)軟件(如DXF2XYZ軟件、GOCAD等)提取坐標(biāo)點(diǎn)信息，另存為#.xyz數(shù)據(jù)格式。

圖1 模型生成流程圖

3)將前面生成的#.xyz文件用EXCEL打開，刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)和其他不必要的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭紤]到圖中有很多單獨(dú)測量的高程點(diǎn)，以及一些未刪除的鉆孔數(shù)據(jù)，防止CAD圖未修整干凈，導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件中有點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)，而且對(duì)后續(xù)的模型網(wǎng)格剖分造成影響。EXCEL處理完數(shù)據(jù)以后，將其另存為#.txt格式。

4)打開surfer，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件。具體做法是:Grid-Data，讀入第二次生成的#.txt文件，surfer軟件將會(huì)進(jìn)行自動(dòng)插值計(jì)算，插值方法有很多種，可以根據(jù)自己的需要選擇其中一種。數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功后，將會(huì)有Griding report，同時(shí)生成#.grd文件(注意各層界面網(wǎng)格剖分要對(duì)應(yīng)，即網(wǎng)格剖分的x，y方向數(shù)量及網(wǎng)格大小都要一致，在fish主程序中也要做出相應(yīng)調(diào)整來予以保證)。

5)用surfer讀入剛剛生成的#.grd文件，查看劃分網(wǎng)格，將文件另存為##.txt文件。

6)更改##.txt文件名與文件格式，使其與fish程序調(diào)用格式相一致。按照圖形要求對(duì)fish程序進(jìn)行修改，如更改網(wǎng)格x，y方向數(shù)量，網(wǎng)格大小等。

7)采用已編制好的fish程序，用FLAC3D調(diào)用執(zhí)行相關(guān)程序，生成模型。在執(zhí)行主命令文件command.txt后，會(huì)分別調(diào)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、面節(jié)點(diǎn)、模型剖分fish子程序，生成最終模型。

2 垃圾填埋場模型的建立

2.1 垃圾填埋場概況

1996年3月，美國最大的垃圾填埋場發(fā)生了邊坡失穩(wěn)事故。邊坡失穩(wěn)事故涉及到1.2×106m3固體廢棄物，對(duì)該事故的分析可以為垃圾填埋場的施工，擴(kuò)展和穩(wěn)定性分析提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

早在1945年，填埋垃圾之前，該處是作為畜牧場的一部分。剛開始垃圾是沿峽谷邊沿進(jìn)行填埋，必須特意說明的是，垃圾填埋之前，在底部的原殘積土壤并沒有被挖除。后事故調(diào)查指出，失穩(wěn)破壞也發(fā)生在軟弱的殘積土壤層。

1994年2月，填埋場在原有規(guī)模上進(jìn)行擴(kuò)展，在填埋場北部邊坡坡角部位進(jìn)行開挖，開挖深度最大達(dá)到45 m，隨后在被開挖處，按照環(huán)保部門要求鋪置了復(fù)合襯墊系統(tǒng)。

事故發(fā)生時(shí)，坡腳部位處的開挖深度達(dá)30 m～35 m。1995年9月，為在開挖邊沿處修一條通道，使復(fù)合襯墊系統(tǒng)能被錨固，又在垃圾及原殘積土層接近于豎直開挖，深度也達(dá)2.5 m～6.0 m。

1996年3月，在含軟弱夾層、地震、附近開挖處的爆炸沖擊、坡角處開挖等多因素影響下，填埋場發(fā)生了失穩(wěn)破壞，北部垃圾邊坡滑入開挖處，填滿了之前挖的深坑。

隨后，多名學(xué)者從地質(zhì)勘查、原位測試等多角度進(jìn)行了事故調(diào)查［9-11］，得到了較全面的事故分析參數(shù)。這為從數(shù)值分析上進(jìn)行災(zāi)害重演及預(yù)測提供了參數(shù)保障。由文獻(xiàn)［11］可知，在基巖上覆蓋有2 m～5 m厚的殘積土，本文為簡化起見，基巖上的殘積土層厚度統(tǒng)一取5 m。

基于上述數(shù)據(jù)資料，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內(nèi)嵌的Fish平臺(tái)等生成FLAC3D數(shù)據(jù)文件，最終可建立該填埋場三維分層數(shù)值模型。

2.2 模型建立效果

圖2為建立的模型圖。由圖2可知，模型共分為3層，分別為填放的垃圾層(mswsoil)，原殘積土層(nativesoil)，基巖層(shalerock)。其中填放的垃圾層及原殘積土層都設(shè)置為5 m厚。由于垃圾填埋場擴(kuò)建工程對(duì)基巖層進(jìn)行了開挖。在已有文獻(xiàn)建模思想基礎(chǔ)上，對(duì)程序進(jìn)行了修改，使其可以考慮開挖過程等復(fù)雜因素?；诘雀呔€數(shù)據(jù)，建立了多層復(fù)雜地質(zhì)模型。模型建立后，還可以根據(jù)不同研究側(cè)重點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

圖2 模型建立效果圖

本次三維模型的建立，未考慮地下水與滲濾液水位影響。關(guān)于地下水與滲濾液水位，如果浸潤線不規(guī)則的話，可以在FLAC3D中考慮采用“容重法”指定水面，具體作法在后續(xù)模擬過程中展開探討。

3 結(jié)語

本文通過采用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內(nèi)嵌的Fish平臺(tái)等多軟件交叉集合，生成FLAC3D數(shù)據(jù)文件，建立模型。該法縮短了建模時(shí)間，提高了分析計(jì)算效率，在垃圾填埋場等類似工程應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。

［1］張丙印，袁會(huì)娜.垃圾力學(xué)的基本理論及應(yīng)用［A］.第一屆全國環(huán)境巖土工程與土工合成材料技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002：192-196.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

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