焚烧厂垃圾池渗漏数值模拟方法与探讨

闫凤涛， 程卫祥， 万 曙， 胡子明， 王静峰

(1.中国能源建设集团安徽电力建设第一工程有限公司，安徽 合肥 230088； 2.广州环投从化环保能源有限公司，广东 广州 510940; 3.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

大型垃圾焚烧厂需配备大型垃圾池，而大型垃圾池由于结构占地大，地基条件复杂，受不均匀沉降影响易产生大量裂缝，结构的抗渗、抗腐蚀性能受到影响。垃圾池中的垃圾渗沥液是目前世界上最难处理的高浓度有机废水之一，含有高浓度的COD、NH3-N，且含有众多的重金属，渗漏至地基乃至地下水体会造成严重的环境污染[1]，并且由于土体覆盖难以发现。

随着计算机技术的发展，数值模拟方法在结构设计研究领域得到了广泛应用，良好的数值模拟方式为结构的设计提供有效参考。由于占地广，大型垃圾池易遇到地基不均匀沉降问题，沉降影响大则会产生裂缝引起渗流。针对此问题，目前规范尚不完善，数值模拟方法有较好的应用前景。

目前，针对大型垃圾池结构渗漏的数值模拟研究罕见，主要有几方面的原因：占地广，地质条件复杂，边界条件难以确定；混凝土渗流场模拟复杂，影响渗透系数的主要原因是混凝土的开裂损伤，目前应用较小。本文总结了现有结构数值分析方法，并提出了考虑结构裂缝影响的垃圾池结构有限元分析方法的技术路线。

1 垃圾池沉降裂缝有限元分析

1.1 结构沉降有限元分析现状

大型垃圾池体结构由于占地广易产生不均匀沉降，这是该结构出现裂缝的重要原因。现有结构沉降的有限元计算方法对地基的处理方式包含竖向弹性支承分析法[2]、地基数值分析模型[3]。

1.1.1 竖向弹性支承分析法

该方法由天津大学刘畅首次提出，在上部结构柱下施加弹簧模拟地基，这种思想与文克勒地基模型[4]相似，用弹簧的刚度(基床系数)指代下部地基的作用效果，文献[5]在ANSYS有限元分析软件中利用阻尼弹簧单元构建柱下弹簧，实现该方法的有限元建模。此方法的弹簧刚度难以确定，主要适用于独立基础。

1.1.2 地基数值分析模型

该方法是指采用合理的本构关系(线性弹性地基模型、非线性弹性地基模型、弹塑性地基模型、黏塑性地基模型、内时地基模型及其他地基模型等[6])建立土体的有限元模型，使用相关作用关系将地基模型与上部结构组合进行整体数值分析。该方法适用于各类基础，并得到了广泛应用[7-8]。图1为文献[8]结构有限元分析模型。

图1 文献[8]结构有限元分析模型

1.2 垃圾池沉降有限元分析方法

焚烧厂垃圾池体结构底板类似于筏板，范围大，占地广，地质条件往往不一，采用竖向弹性支承分析法实现难度大，建议采用地基数值分析模型，即采用土体本构关系模型，运用实体单元，考虑基体于上部结构的接触关系建立整体有限元分析模型，如图2所示。

图2 焚烧厂垃圾池体地基数值分析模型

在实际工程中，此类垃圾池结构易遇到部分软弱地基，此时一般采用桩筏基础或部分区域布置桩基础的桩基-筏板复合基础。桩基刚度较天然地基为大，这种刚度的不一致是引起结构不均匀沉降的重要因素。在数值模拟中，桩基的模拟难度大，为此本文提出了一种桩基复合基础的模拟方法：桩基础基于竖向弹性支承分析法，将试桩报告中的位移-荷载曲线作为本构关系，在底板对于位置布置阻尼弹簧单元模拟桩基作用。

2 垃圾池渗流场有限元分析

2.1 混凝土结构渗流有限元分析现状

有限元方法在土石构筑物渗流场分析中较为常见，土体在荷载作用下产生体积变形，引起孔隙比变化进而影响土体的渗透性能。针对此渗流-应力耦合问题，1925年Terzaghi最早提出了饱和土体的一维固结数学模型，此后针对岩土体的渗透系数-应力、渗透系数-应变、渗透系数-孔隙比耦合等数学模型纷纷提出[9～12]，有限元分析软件ABAQUS基于渗透系数-孔隙比耦合数学模型提供了固流耦合的计算方法。

混凝土材料与土体不同，其自身渗透系数较小，结构渗流主要是由裂缝产生，其渗透系数随弹性变形影响为小。混凝土裂缝的产生机制的数值模拟方法已有应用，但是该模型主要针对混凝土的细观机制，对于大型结构来说不适用。1976年，Dougill率先提出了混凝土损伤本构关系模型，此后该模型不断被完善[13]，利用较为宏观的损伤变量描述混凝土的开裂程度，成为一种新的选择并且得到大量应用。

混凝土渗流-损伤耦合模型即建立混凝土渗透系数与混凝土损伤系数的关系，可以较好的描述这一行为，该数学模型国内研究甚少,Picandet等[14]测试轴压损伤事件的气体渗透系数，拟合了气体的渗透系数与损伤演化方程。

目前，基于混凝土渗流—损伤耦合模型的有限元分析模型较为罕见，林凯生[15]利用ABAQUS商业有限元软件二次开发，实现了数值模拟模型的建立；吕从聪[16]利用ABAQUS在渗流损伤的基础上，考虑了宏观裂缝对渗流的影响，实现了渗流损伤破坏全过程渗流-弹塑性损伤耦合模型的建立。以上文献成果在实际工程中的应用未见。

2.2 垃圾池渗流有限元分析方法

垃圾池的设计建造对混凝土的防渗性能要求高，多采用防渗混凝土。垃圾池渗漏的主要原因是在荷载及变形作用下产生损伤裂缝，从而影响防渗混凝土的工作性能。对于这种大型工程，宜采用基于混凝土塑性损伤本构关系的渗流-损伤耦合模型，以实现较为宏观的垃圾池体渗流场模拟，为池体设计提供参考。

垃圾池体渗流场有限元分析模型的实现主要有以下问题：①材料渗流-损伤本构关系不明，目前对于混凝土渗透系数与混凝土损伤系数的关系的研究较少，垃圾池用防渗混凝土的相应本构应试验获得；②现有有限元软件为提供匹配功能。由于混凝土渗流应用较少，现有商业有限元软件的材料属性设置针对土体固结渗流，基本假设及本构关系不一致；③大型垃圾池体地质条件复杂，沉降变形及荷载情况多样，模型计算难度大，采用耦合方式很重要。

3 基于ABAQUS的垃圾池渗漏数值模拟方法

现有混凝土结构渗流有限元方法已有应用，但应用于实际工程中少见，目前多处于验证研究阶段。为实现大体积垃圾池结构沉降变形-渗流耦合有限元分析，本文总结已有研究，提出了基于商用有限元软件的数值模拟方法。

3.1 垃圾池沉降-渗流耦合有限元分析模型

该渗流模型采用顺序耦合，即结构沉降裂缝会影响结构渗流，但渗流对裂缝无影响，垃圾池受水压较小，符合顺序耦合的条件，该耦合模型包含以下步骤。

3.1.1 沉降模型建立

根据地质资料建立地基模型，依据地质参数给各区块赋予本构关系，在底板布置弹簧单元(SPRINGS约束)模拟桩基；建立上部垃圾池，垃圾池采用对应混凝土牌号的塑性损伤本构，可参照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[17]；施加自重及其他荷载。

3.1.2 渗透-损伤关系确定

由于目前混凝土渗透-损伤关系未成体系，需进行试验获取参数。

3.1.3 渗流模型建立

利用ABAQUS孔压单元模拟混凝土的渗流场，该单元适用于土体固结渗流[18]。该单元需定义材料渗透系数。为实现使该功能适应于混凝土材料需定义渗透系数与场变量的关系，可以调用*DEPENDENCIES语句实现；需要定义将沉降模型中的损伤参数赋予上述场变量，可以利用ABAQUS用户子程序USDFLD进行二次开发，开发语句如下所示：

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 有限元模型验证

为验证该方法的可行性，本文模拟对一垃圾池体利用python二次开发对结果文件进行处理，预先定义了损伤场，并运用上述方法建立了损伤参数与混凝土渗透系数的关系，其函数关系参照文献[19]，结果如图3、4所示，损伤区与无损伤区域渗流差异明显。

图3 预先定义的损伤

图4 渗流速度

4 结论与展望

本文总结了结构沉降及渗流的数值模拟方法，并且论证了其用于焚烧厂垃圾池的可行性，最后提出了用于垃圾池的混凝土渗漏模拟方法。该方法可以为垃圾池结构防渗设计提供参考，但该方法尚需完善，为实现垃圾池渗漏的精细模拟仍有工作有待展开。

(1) 混凝土渗透系数与损伤参数的本构关系尚在研究阶段，随损伤提高混凝土渗透系数敏感度提高，目前模型尚待发展。

(2) 损伤混凝土渗透系数试验有待进一步发展，目前试验不甚标准。

(3) 该方法为单向顺序耦合，适用于垃圾池等外水压力低的结构，双向耦合数值模拟模型开发难度更大，有待研发。