垃圾填埋场FLAC3D建模方法研究

邱光习

(中国钢研科技集团有限公司，北京 100081)

0 引言

固体废弃物的应力—应变关系曲线呈现出显著的应变硬化特性，在试验的应变范围内，即使应变达到30%时强度还在继续增长，且没有出现明显的破坏现象［1］。FLAC3D软件在材料的弹塑性、大变形以及模拟施工过程等领域具有独到的优点［2］，为模拟这种大变形相关的强度特性提供了试验平台。

尽管FLAC网格形状库中提供了12种最基本的原始网格形状，加上内嵌语言Fish的二次开发功能，可生成复杂网格形状。但由于网格生成仍采用命令驱动方式进行，要求用户具有较高的编程水平。基于此，学者通过其他一些有限元软件和专业建模软件实现复杂几何模型的建立，然后再进行模型离散化并最终建立网格。如廖秋林等［3］以ANSYS有限元程序完成的复杂地质体建模、网格划分为基础，采用Visual Basic语言编写了FLAC3D-ANSYS接口程序，实现了FLAC3D软件的建模。王树人等［4］利用MIDAS/GTS进行三维几何建模和网格划分，应用MATLAB编写MIDAS/GTSFLAC接口程序，再将单元、节点信息导入FLAC3D。刘秀军等［5］基于GOCAD软件建模和划分网格，并通过 GOCAD与FLAC3D的接口程序，将其导入FLAC3D的复杂三维地质体建模方法，从而实现了复杂地质体FLAC3D模型的建立。罗周全等［6］基于SURPAC软件构建地质体块体模型，将模型以数据文件的形式输出到ACCESS数据库进行处理，形成FLAC3D命令流。徐文杰等［7］以ADINA为例对模型进行网格划分，对相应的接口程序进行了开发，转换为FLAC3D能够接受的格式，从而克服了FLAC3D在前处理建模方面的不足。但是基于其他有限元软件建模，得输入命令生成关键点key point，再由点连成线，生成面，最后再将面生成体，为模型建立带来麻烦。为此，崔芳鹏等［8］基于surfer平台与fish二次开发进行了FLAC3D建模过程，建模过程更加简捷、实用。

本文基于文献［2］与文献［8］的基本思想，将其进行扩展，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC内嵌的Fish平台等多软件交叉集合，生成FLAC3D数据文件，建立了多层、可考虑开挖过程的复杂地质模型。实现了垃圾填埋场等类似工程的快速、高效建模过程。并将其成功应用到垃圾填埋场的模型建立，为进一步逆向反演填埋场失稳事故提供基础。

1 模型建立过程

模型建立共分为7步，如图1所示。

1)描图。基于原图等高线数据，用CAD多段线描图并对其高程进行赋值。再对图进行修整，去除不必要的图元。

2)将修整后的图另存为#.dxf格式，用相应软件(如DXF2XYZ软件、GOCAD等)提取坐标点信息，另存为#.xyz数据格式。

图1 模型生成流程图

3)将前面生成的#.xyz文件用EXCEL打开，删除重复的数据和其他不必要的数据，因为考虑到图中有很多单独测量的高程点，以及一些未删除的钻孔数据，防止CAD图未修整干净，导致数据文件中有点坐标重复，而且对后续的模型网格剖分造成影响。EXCEL处理完数据以后，将其另存为#.txt格式。

4)打开surfer，导入数据文件。具体做法是:Grid-Data，读入第二次生成的#.txt文件，surfer软件将会进行自动插值计算，插值方法有很多种，可以根据自己的需要选择其中一种。数据导入成功后，将会有Griding report，同时生成#.grd文件(注意各层界面网格剖分要对应，即网格剖分的x，y方向数量及网格大小都要一致，在fish主程序中也要做出相应调整来予以保证)。

5)用surfer读入刚刚生成的#.grd文件，查看划分网格，将文件另存为##.txt文件。

6)更改##.txt文件名与文件格式，使其与fish程序调用格式相一致。按照图形要求对fish程序进行修改，如更改网格x，y方向数量，网格大小等。

7)采用已编制好的fish程序，用FLAC3D调用执行相关程序，生成模型。在执行主命令文件command.txt后，会分别调用网格节点、面节点、模型剖分fish子程序，生成最终模型。

2 垃圾填埋场模型的建立

2.1 垃圾填埋场概况

1996年3月，美国最大的垃圾填埋场发生了边坡失稳事故。边坡失稳事故涉及到1.2×106m3固体废弃物，对该事故的分析可以为垃圾填埋场的施工，扩展和稳定性分析提供经验教训。

早在1945年，填埋垃圾之前，该处是作为畜牧场的一部分。刚开始垃圾是沿峡谷边沿进行填埋，必须特意说明的是，垃圾填埋之前，在底部的原残积土壤并没有被挖除。后事故调查指出，失稳破坏也发生在软弱的残积土壤层。

1994年2月，填埋场在原有规模上进行扩展，在填埋场北部边坡坡角部位进行开挖，开挖深度最大达到45 m，随后在被开挖处，按照环保部门要求铺置了复合衬垫系统。

事故发生时，坡脚部位处的开挖深度达30 m～35 m。1995年9月，为在开挖边沿处修一条通道，使复合衬垫系统能被锚固，又在垃圾及原残积土层接近于竖直开挖，深度也达2.5 m～6.0 m。

1996年3月，在含软弱夹层、地震、附近开挖处的爆炸冲击、坡角处开挖等多因素影响下，填埋场发生了失稳破坏，北部垃圾边坡滑入开挖处，填满了之前挖的深坑。

随后，多名学者从地质勘查、原位测试等多角度进行了事故调查［9-11］，得到了较全面的事故分析参数。这为从数值分析上进行灾害重演及预测提供了参数保障。由文献［11］可知，在基岩上覆盖有2 m～5 m厚的残积土，本文为简化起见，基岩上的残积土层厚度统一取5 m。

基于上述数据资料，利用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC内嵌的Fish平台等生成FLAC3D数据文件，最终可建立该填埋场三维分层数值模型。

2.2 模型建立效果

图2为建立的模型图。由图2可知，模型共分为3层，分别为填放的垃圾层(mswsoil)，原残积土层(nativesoil)，基岩层(shalerock)。其中填放的垃圾层及原残积土层都设置为5 m厚。由于垃圾填埋场扩建工程对基岩层进行了开挖。在已有文献建模思想基础上，对程序进行了修改，使其可以考虑开挖过程等复杂因素。基于等高线数据，建立了多层复杂地质模型。模型建立后，还可以根据不同研究侧重点，对相应处网格进行细化。

图2 模型建立效果图

本次三维模型的建立，未考虑地下水与渗滤液水位影响。关于地下水与渗滤液水位，如果浸润线不规则的话，可以在FLAC3D中考虑采用“容重法”指定水面，具体作法在后续模拟过程中展开探讨。

3 结语

本文通过采用CAD，EXCEL，surfer以及FLAC内嵌的Fish平台等多软件交叉集合，生成FLAC3D数据文件，建立模型。该法缩短了建模时间，提高了分析计算效率，在垃圾填埋场等类似工程应用中得到了很好的验证。

［1］张丙印，袁会娜.垃圾力学的基本理论及应用［A］.第一届全国环境岩土工程与土工合成材料技术研讨会论文集［C］.杭州：浙江大学出版社，2002：192-196.

［2］陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［3］廖秋林，曾钱帮，刘 彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(6)：1010-1013.

［4］王树人，张海清.MIDAS/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其应用［J］.土木建筑与环境工程，2010，32(1)：12-17.

［5］刘秀军.基于GOCAD的复杂地质体FLAC3D模型生成技术［J］.中国地质灾害与防治学报，2011，22(4)：41-45.

［6］罗周全，吴亚斌，刘晓明，等.基于SURPAC的复杂地质体FLAC3D模型生成技术［J］.岩土力学，2009，29(5)：1334-1338.

［7］徐文杰，胡瑞林.基于逆向工程的三维复杂地质体精细建模及ADINA前处理在FLAC3D建模中的应用［J］.工程地质学报，2008，16(5)：703-709.

［8］高盛翔，叶容章，唐伟励，等.应用MATLAB接口程序建立复杂地质体FLAC3D模型［J］.煤田地质与勘探，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.