焚燒廠垃圾池滲漏數值模擬方法與探討

閆鳳濤， 程衛祥， 萬 曙， 胡子明， 王靜峰

(1.中國能源建設集團安徽電力建設第一工程有限公司，安徽 合肥 230088； 2.廣州環投從化環保能源有限公司，廣東 廣州 510940; 3.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

大型垃圾焚燒廠需配備大型垃圾池，而大型垃圾池由于結構占地大，地基條件復雜，受不均勻沉降影響易產生大量裂縫，結構的抗滲、抗腐蝕性能受到影響。垃圾池中的垃圾滲瀝液是目前世界上最難處理的高濃度有機廢水之一，含有高濃度的COD、NH3-N，且含有眾多的重金屬，滲漏至地基乃至地下水體會造成嚴重的環境污染[1]，并且由于土體覆蓋難以發現。

隨著計算機技術的發展，數值模擬方法在結構設計研究領域得到了廣泛應用，良好的數值模擬方式為結構的設計提供有效參考。由于占地廣，大型垃圾池易遇到地基不均勻沉降問題，沉降影響大則會產生裂縫引起滲流。針對此問題，目前規范尚不完善，數值模擬方法有較好的應用前景。

目前，針對大型垃圾池結構滲漏的數值模擬研究罕見，主要有幾方面的原因：占地廣，地質條件復雜，邊界條件難以確定；混凝土滲流場模擬復雜，影響滲透系數的主要原因是混凝土的開裂損傷，目前應用較小。本文總結了現有結構數值分析方法，并提出了考慮結構裂縫影響的垃圾池結構有限元分析方法的技術路線。

1 垃圾池沉降裂縫有限元分析

1.1 結構沉降有限元分析現狀

大型垃圾池體結構由于占地廣易產生不均勻沉降，這是該結構出現裂縫的重要原因。現有結構沉降的有限元計算方法對地基的處理方式包含豎向彈性支承分析法[2]、地基數值分析模型[3]。

1.1.1 豎向彈性支承分析法

該方法由天津大學劉暢首次提出，在上部結構柱下施加彈簧模擬地基，這種思想與文克勒地基模型[4]相似，用彈簧的剛度(基床系數)指代下部地基的作用效果，文獻[5]在ANSYS有限元分析軟件中利用阻尼彈簧單元構建柱下彈簧，實現該方法的有限元建模。此方法的彈簧剛度難以確定，主要適用于獨立基礎。

1.1.2 地基數值分析模型

該方法是指采用合理的本構關系(線性彈性地基模型、非線性彈性地基模型、彈塑性地基模型、黏塑性地基模型、內時地基模型及其他地基模型等[6])建立土體的有限元模型，使用相關作用關系將地基模型與上部結構組合進行整體數值分析。該方法適用于各類基礎，并得到了廣泛應用[7-8]。圖1為文獻[8]結構有限元分析模型。

圖1 文獻[8]結構有限元分析模型

1.2 垃圾池沉降有限元分析方法

焚燒廠垃圾池體結構底板類似于筏板，范圍大，占地廣，地質條件往往不一，采用豎向彈性支承分析法實現難度大，建議采用地基數值分析模型，即采用土體本構關系模型，運用實體單元，考慮基體于上部結構的接觸關系建立整體有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 焚燒廠垃圾池體地基數值分析模型

在實際工程中，此類垃圾池結構易遇到部分軟弱地基，此時一般采用樁筏基礎或部分區域布置樁基礎的樁基-筏板復合基礎。樁基剛度較天然地基為大，這種剛度的不一致是引起結構不均勻沉降的重要因素。在數值模擬中，樁基的模擬難度大，為此本文提出了一種樁基復合基礎的模擬方法：樁基礎基于豎向彈性支承分析法，將試樁報告中的位移-荷載曲線作為本構關系，在底板對于位置布置阻尼彈簧單元模擬樁基作用。

2 垃圾池滲流場有限元分析

2.1 混凝土結構滲流有限元分析現狀

有限元方法在土石構筑物滲流場分析中較為常見，土體在荷載作用下產生體積變形，引起孔隙比變化進而影響土體的滲透性能。針對此滲流-應力耦合問題，1925年Terzaghi最早提出了飽和土體的一維固結數學模型，此后針對巖土體的滲透系數-應力、滲透系數-應變、滲透系數-孔隙比耦合等數學模型紛紛提出[9～12]，有限元分析軟件ABAQUS基于滲透系數-孔隙比耦合數學模型提供了固流耦合的計算方法。

混凝土材料與土體不同，其自身滲透系數較小，結構滲流主要是由裂縫產生，其滲透系數隨彈性變形影響為小。混凝土裂縫的產生機制的數值模擬方法已有應用，但是該模型主要針對混凝土的細觀機制，對于大型結構來說不適用。1976年，Dougill率先提出了混凝土損傷本構關系模型，此后該模型不斷被完善[13]，利用較為宏觀的損傷變量描述混凝土的開裂程度，成為一種新的選擇并且得到大量應用。

混凝土滲流-損傷耦合模型即建立混凝土滲透系數與混凝土損傷系數的關系，可以較好的描述這一行為，該數學模型國內研究甚少,Picandet等[14]測試軸壓損傷事件的氣體滲透系數，擬合了氣體的滲透系數與損傷演化方程。

目前，基于混凝土滲流—損傷耦合模型的有限元分析模型較為罕見，林凱生[15]利用ABAQUS商業有限元軟件二次開發，實現了數值模擬模型的建立；呂從聰[16]利用ABAQUS在滲流損傷的基礎上，考慮了宏觀裂縫對滲流的影響，實現了滲流損傷破壞全過程滲流-彈塑性損傷耦合模型的建立。以上文獻成果在實際工程中的應用未見。

2.2 垃圾池滲流有限元分析方法

垃圾池的設計建造對混凝土的防滲性能要求高，多采用防滲混凝土。垃圾池滲漏的主要原因是在荷載及變形作用下產生損傷裂縫，從而影響防滲混凝土的工作性能。對于這種大型工程，宜采用基于混凝土塑性損傷本構關系的滲流-損傷耦合模型，以實現較為宏觀的垃圾池體滲流場模擬，為池體設計提供參考。

垃圾池體滲流場有限元分析模型的實現主要有以下問題：①材料滲流-損傷本構關系不明，目前對于混凝土滲透系數與混凝土損傷系數的關系的研究較少，垃圾池用防滲混凝土的相應本構應試驗獲得；②現有有限元軟件為提供匹配功能。由于混凝土滲流應用較少，現有商業有限元軟件的材料屬性設置針對土體固結滲流，基本假設及本構關系不一致；③大型垃圾池體地質條件復雜，沉降變形及荷載情況多樣，模型計算難度大，采用耦合方式很重要。

3 基于ABAQUS的垃圾池滲漏數值模擬方法

現有混凝土結構滲流有限元方法已有應用，但應用于實際工程中少見，目前多處于驗證研究階段。為實現大體積垃圾池結構沉降變形-滲流耦合有限元分析，本文總結已有研究，提出了基于商用有限元軟件的數值模擬方法。

3.1 垃圾池沉降-滲流耦合有限元分析模型

該滲流模型采用順序耦合，即結構沉降裂縫會影響結構滲流，但滲流對裂縫無影響，垃圾池受水壓較小，符合順序耦合的條件，該耦合模型包含以下步驟。

3.1.1 沉降模型建立

根據地質資料建立地基模型，依據地質參數給各區塊賦予本構關系，在底板布置彈簧單元(SPRINGS約束)模擬樁基；建立上部垃圾池，垃圾池采用對應混凝土牌號的塑性損傷本構，可參照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[17]；施加自重及其他荷載。

3.1.2 滲透-損傷關系確定

由于目前混凝土滲透-損傷關系未成體系，需進行試驗獲取參數。

3.1.3 滲流模型建立

利用ABAQUS孔壓單元模擬混凝土的滲流場，該單元適用于土體固結滲流[18]。該單元需定義材料滲透系數。為實現使該功能適應于混凝土材料需定義滲透系數與場變量的關系，可以調用*DEPENDENCIES語句實現；需要定義將沉降模型中的損傷參數賦予上述場變量，可以利用ABAQUS用戶子程序USDFLD進行二次開發，開發語句如下所示：

SUBROUTINE USDFLD(FIELD,STATEV,PNEWDT,DIRECT,T,CELENT,TIME,DTIME,CMNAME,ORNAME,NFIELD,NSTATV,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC,NDI,NSHR,COORD,JMAC,JMATYP,MATLAYO,LACCFLA)

INCLUDE ′ABA_PARAM.INC′

CHARACTER*80 CMNAME,ORNAME

CHARACTER*3 FLGRAY(15)

DIMENSION FIELD(NFIELD),STATEV(NSTATV),DIRECT(3,3),T(3,3),TIME(2)

DIMENSION ARRAY(15),JARRAY(15),JMAC(*),JMATYP(*),COORD(*)

CALL GETVRM(′DAMAGET′,ARRAY,JARRAY,FLGRAY,JRCD,JMAC,JMATYP,MATLAYO,LACCFLA)

FIELD(1) = ARRAY(1)

STATEV(1) = FIELD(1)

RETURN

END

3.2 有限元模型驗證

為驗證該方法的可行性，本文模擬對一垃圾池體利用python二次開發對結果文件進行處理，預先定義了損傷場，并運用上述方法建立了損傷參數與混凝土滲透系數的關系，其函數關系參照文獻[19]，結果如圖3、4所示，損傷區與無損傷區域滲流差異明顯。

圖3 預先定義的損傷

圖4 滲流速度

4 結論與展望

本文總結了結構沉降及滲流的數值模擬方法，并且論證了其用于焚燒廠垃圾池的可行性，最后提出了用于垃圾池的混凝土滲漏模擬方法。該方法可以為垃圾池結構防滲設計提供參考，但該方法尚需完善，為實現垃圾池滲漏的精細模擬仍有工作有待展開。

(1) 混凝土滲透系數與損傷參數的本構關系尚在研究階段，隨損傷提高混凝土滲透系數敏感度提高，目前模型尚待發展。

(2) 損傷混凝土滲透系數試驗有待進一步發展，目前試驗不甚標準。

(3) 該方法為單向順序耦合，適用于垃圾池等外水壓力低的結構，雙向耦合數值模擬模型開發難度更大，有待研發。