垃圾填埋場FLAC3D建模方法研究

邱光習

(中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081)

0 引言

固體廢棄物的應力—應變關系曲線呈現出顯著的應變硬化特性，在試驗的應變范圍內，即使應變達到30%時強度還在繼續增長，且沒有出現明顯的破壞現象［1］。FLAC3D軟件在材料的彈塑性、大變形以及模擬施工過程等領域具有獨到的優點［2］，為模擬這種大變形相關的強度特性提供了試驗平臺。

盡管FLAC網格形狀庫中提供了12種最基本的原始網格形狀，加上內嵌語言Fish的二次開發功能，可生成復雜網格形狀。但由于網格生成仍采用命令驅動方式進行，要求用戶具有較高的編程水平。基于此，學者通過其他一些有限元軟件和專業建模軟件實現復雜幾何模型的建立，然后再進行模型離散化并最終建立網格。如廖秋林等［3］以ANSYS有限元程序完成的復雜地質體建模、網格劃分為基礎，采用Visual Basic語言編寫了FLAC3D-ANSYS接口程序，實現了FLAC3D軟件的建模。王樹人等［4］利用MIDAS/GTS進行三維幾何建模和網格劃分，應用MATLAB編寫MIDAS/GTSFLAC接口程序，再將單元、節點信息導入FLAC3D。劉秀軍等［5］基于GOCAD軟件建模和劃分網格，并通過 GOCAD與FLAC3D的接口程序，將其導入FLAC3D的復雜三維地質體建模方法，從而實現了復雜地質體FLAC3D模型的建立。羅周全等［6］基于SURPAC軟件構建地質體塊體模型，將模型以數據文件的形式輸出到ACCESS數據庫進行處理，形成FLAC3D命令流。徐文杰等［7］以ADINA為例對模型進行網格劃分，對相應的接口程序進行了開發，轉換為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，得輸入命令生成關鍵點key point，再由點連成線，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平臺與fish二次開發進行了FLAC3D建模過程，建模過程更加簡捷、實用。

本文基于文獻［2］與文獻［8］的基本思想，將其進行擴展，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內嵌的Fish平臺等多軟件交叉集合，生成FLAC3D數據文件，建立了多層、可考慮開挖過程的復雜地質模型。實現了垃圾填埋場等類似工程的快速、高效建模過程。并將其成功應用到垃圾填埋場的模型建立，為進一步逆向反演填埋場失穩事故提供基礎。

1 模型建立過程

模型建立共分為7步，如圖1所示。

1)描圖。基于原圖等高線數據，用CAD多段線描圖并對其高程進行賦值。再對圖進行修整，去除不必要的圖元。

2)將修整后的圖另存為#.dxf格式，用相應軟件(如DXF2XYZ軟件、GOCAD等)提取坐標點信息，另存為#.xyz數據格式。

圖1 模型生成流程圖

3)將前面生成的#.xyz文件用EXCEL打開，刪除重復的數據和其他不必要的數據，因為考慮到圖中有很多單獨測量的高程點，以及一些未刪除的鉆孔數據，防止CAD圖未修整干凈，導致數據文件中有點坐標重復，而且對后續的模型網格剖分造成影響。EXCEL處理完數據以后，將其另存為#.txt格式。

4)打開surfer，導入數據文件。具體做法是:Grid-Data，讀入第二次生成的#.txt文件，surfer軟件將會進行自動插值計算，插值方法有很多種，可以根據自己的需要選擇其中一種。數據導入成功后，將會有Griding report，同時生成#.grd文件(注意各層界面網格剖分要對應，即網格剖分的x，y方向數量及網格大小都要一致，在fish主程序中也要做出相應調整來予以保證)。

5)用surfer讀入剛剛生成的#.grd文件，查看劃分網格，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程序調用格式相一致。按照圖形要求對fish程序進行修改，如更改網格x，y方向數量，網格大小等。

7)采用已編制好的fish程序，用FLAC3D調用執行相關程序，生成模型。在執行主命令文件command.txt后，會分別調用網格節點、面節點、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生了邊坡失穩事故。邊坡失穩事故涉及到1.2×106m3固體廢棄物，對該事故的分析可以為垃圾填埋場的施工，擴展和穩定性分析提供經驗教訓。

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。后事故調查指出，失穩破壞也發生在軟弱的殘積土壤層。

1994年2月，填埋場在原有規模上進行擴展，在填埋場北部邊坡坡角部位進行開挖，開挖深度最大達到45 m，隨后在被開挖處，按照環保部門要求鋪置了復合襯墊系統。

事故發生時，坡腳部位處的開挖深度達30 m～35 m。1995年9月，為在開挖邊沿處修一條通道，使復合襯墊系統能被錨固，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，填埋場發生了失穩破壞，北部垃圾邊坡滑入開挖處，填滿了之前挖的深坑。

隨后，多名學者從地質勘查、原位測試等多角度進行了事故調查［9-11］，得到了較全面的事故分析參數。這為從數值分析上進行災害重演及預測提供了參數保障。由文獻［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一取5 m。

基于上述數據資料，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內嵌的Fish平臺等生成FLAC3D數據文件，最終可建立該填埋場三維分層數值模型。

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置為5 m厚。由于垃圾填埋場擴建工程對基巖層進行了開挖。在已有文獻建模思想基礎上，對程序進行了修改，使其可以考慮開挖過程等復雜因素。基于等高線數據，建立了多層復雜地質模型。模型建立后，還可以根據不同研究側重點，對相應處網格進行細化。

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。關于地下水與滲濾液水位，如果浸潤線不規則的話，可以在FLAC3D中考慮采用“容重法”指定水面，具體作法在后續模擬過程中展開探討。

3 結語

本文通過采用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC內嵌的Fish平臺等多軟件交叉集合，生成FLAC3D數據文件，建立模型。該法縮短了建模時間，提高了分析計算效率，在垃圾填埋場等類似工程應用中得到了很好的驗證。

［1］張丙印，袁會娜.垃圾力學的基本理論及應用［A］.第一屆全國環境巖土工程與土工合成材料技術研討會論文集［C］.杭州：浙江大學出版社，2002：192-196.

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

［3］廖秋林，曾錢幫，劉 彤，等.基于ANSYS平臺復雜地質體FLAC3D模型的自動生成［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(6)：1010-1013.

［4］王樹人，張海清.MIDAS/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其應用［J］.土木建筑與環境工程，2010，32(1)：12-17.

［5］劉秀軍.基于GOCAD的復雜地質體FLAC3D模型生成技術［J］.中國地質災害與防治學報，2011，22(4)：41-45.

［6］羅周全，吳亞斌，劉曉明，等.基于SURPAC的復雜地質體FLAC3D模型生成技術［J］.巖土力學，2009，29(5)：1334-1338.

［7］徐文杰，胡瑞林.基于逆向工程的三維復雜地質體精細建模及ADINA前處理在FLAC3D建模中的應用［J］.工程地質學報，2008，16(5)：703-709.

［8］高盛翔，葉容章，唐偉勵，等.應用MATLAB接口程序建立復雜地質體FLAC3D模型［J］.煤田地質與勘探，2009，10(5)：51-53.

［9］STARK T.D，EID H.T，EVANS W.D，et al.Municipal solid waste failureⅡ：stability analysis［J］.journal of geotechnical and geoenvironmental engineering，2005，126(5)：408-419.

［10］BAUM R.L，JOHNSON A.M.Overview of landslide problems research and mitigation，Cincinnati，Ohio area［J］.U.S.Geological Survey Bull，2059-A.

［11］A.K CHUGH，STARK T.D，DEJONG K.A.Reanalysis of a municipal landfill slope failure near Cincinnati，Ohio，USA［J］.Can.Geotech，2007(44)：33-53.