物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的垃圾堆體安全監(jiān)測預(yù)警研究

溫 丁，郭婧婷，佘祺銳，劉志剛，孟凡勇，朱文軒

（北京環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100101）

1 引言

生活垃圾填埋處理具有技術(shù)成熟、工藝簡單、投資少和處理量大等特點(diǎn)，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，也是現(xiàn)階段我國垃圾處理的主要方式［1-3］，目前每年有60%以上的垃圾以填埋方式處理，其運(yùn)行狀況將直接關(guān)系到地區(qū)的安全保障和環(huán)境保護(hù)［4，5］。近年來，國內(nèi)外有關(guān)垃圾堆體失穩(wěn)的事故屢有發(fā)生：如2005 年印尼西爪哇萬隆芝馬墟垃圾填埋場滑坡，10 人死亡，109 人失蹤［3］；2015 年深圳人工堆填土失穩(wěn)垮塌，造成33 棟建筑物被掩埋或不同程度損害，70 余人遇難［6］。由此可見，堆體一旦失穩(wěn)，其后果是災(zāi)難性的，為此堆體穩(wěn)定監(jiān)測及預(yù)警研究迫在眉睫。

目前，對垃圾堆體穩(wěn)定性研究主要基于風(fēng)險評級法［7］、邊坡穩(wěn)定性分析［8］和不確定性分析［9-11］。生活垃圾堆體中有機(jī)質(zhì)含量較高，堆填物質(zhì)在長期的厭氧或好氧降解過程中會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，容易引起位移變化。另外，堆體內(nèi)含水率也會隨著降解過程而變化，當(dāng)堆體內(nèi)存在液體時，土壤空氣中的孔隙將被液體填滿，直接導(dǎo)致土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角下降，極易造成堆體失穩(wěn)［12，13］?？梢姳砻嫖灰啤⑸顚游灰?、沉降、水位均是垃圾堆體穩(wěn)定性評價中最為直接的反映方式［10，12，14］。

由于填埋場垃圾性質(zhì)復(fù)雜多樣導(dǎo)致各類滑坡監(jiān)測設(shè)備不適用及傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)無法滿足實(shí)時監(jiān)測預(yù)警需求等原因，垃圾堆體的穩(wěn)定性預(yù)警系統(tǒng)至今在全國范圍內(nèi)仍然少見。因此本研究結(jié)合適合垃圾堆體環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備，建立垃圾堆體穩(wěn)定性監(jiān)測方法；同時，利用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建垃圾堆體穩(wěn)定性預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)。研究結(jié)果不僅有利于實(shí)時預(yù)警評價堆體的安全性，提高堆體安全監(jiān)管效率；還將在全國垃圾填埋場管理中起到示范效應(yīng)，為未來填埋場的信息化管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)填埋場于1997 年開始運(yùn)行，采用衛(wèi)生填埋方式，屬于平原型填埋場，占地面積約為49 hm2，其中庫區(qū)面積約38 hm2。填埋場總設(shè)計(jì)庫容1.275×107m3，設(shè)計(jì)總堆高70 m，目前庫容使用率約為60%。滲濾液處理工藝采取MBR+納濾+反滲透方式。試驗(yàn)區(qū)位于填埋區(qū)的西側(cè)，為中間覆蓋坡面，試驗(yàn)運(yùn)行期間該側(cè)填埋堆高約為40 m，共4 個平臺，每層約為10 m，平臺間設(shè)置有4 m寬平臺道路。為了合理有效地監(jiān)測該坡面的穩(wěn)定性，將不同類型的監(jiān)測儀器分散部署在坡面上的第一、二、三層平臺（第四層平臺正處于填埋作業(yè)期） 的不同位置，從而讓監(jiān)測儀器之間相互驗(yàn)證監(jiān)測結(jié)果，有效達(dá)到監(jiān)測整個坡面穩(wěn)定性的效果。

2.2 試驗(yàn)設(shè)置

在填埋區(qū)西側(cè)第二層平臺部署了2 個表面位移監(jiān)測站，第一層及第三層平臺各部署1 個深部位移監(jiān)測站?？咨罹鶠榈乇硐蛳?0 m 左右，每孔安裝有3 支傳感器，分別位于地表向下深度2.4、4.8、9.0 m 處。第一層及第三層平臺各部署1 個水位監(jiān)測站，井深分別為10、30 m 左右（圖1）。

圖1 監(jiān)測站布設(shè)位置

根據(jù)滑坡監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)設(shè)定表面位移監(jiān)測站的監(jiān)測頻率為1 次/30 min，深部位移監(jiān)測站的監(jiān)測頻率為1 次/h，水位監(jiān)測站的監(jiān)測頻率為1 次/4 h。

3 垃圾堆體穩(wěn)定性分析方法

研究重點(diǎn)關(guān)注堆體幾何失穩(wěn)（如滑坡、坍塌、潰壩），采用不確定性分析法研究堆體穩(wěn)定性［9-11］。堆體失穩(wěn)（或滑坡） 是一個由量變漸進(jìn)到質(zhì)變的過程，可通過地表宏觀跡象的變化和位移、水位變化監(jiān)測其外在表現(xiàn)。在堆體失穩(wěn)的孕育和發(fā)展演化過程中大量的滑坡監(jiān)測實(shí)例表明，從變形出現(xiàn)開始到最終的失穩(wěn)破壞，其表面累積位移隨時間變化可分為初加速、中加速及臨滑階段3 個不同階段［15-17］，其位移變化速率明顯不同。堆體失穩(wěn)的預(yù)警判據(jù)要求能夠準(zhǔn)確劃分出滑坡的各個變形階段，尤其是進(jìn)入初加速階段和臨滑階段后，滑坡的預(yù)測顯得更加重要，為此通過參考相關(guān)文獻(xiàn)確立了各階段的預(yù)警級別、變形情況及水位變化，同時將初、中加速階段和臨滑階段分別定義為黃、橙、紅預(yù)警等級［18］，詳見表1。

表1 堆體失穩(wěn)變形特征

為了確定黃、橙、紅預(yù)警閾值，基于GB 51108—2015 尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范，根據(jù)尾礦庫與垃圾填埋場的類似性，確定了不同監(jiān)測因素的預(yù)警閾值及預(yù)警等級（表2），其中填埋場堆體水位、沉降及位移變化速率的正常變化范圍將根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行確定。

表2 不同監(jiān)測因素的預(yù)警閥值及預(yù)警等級

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 水平位移及沉降變化速率監(jiān)測結(jié)果

表面位移監(jiān)測站的監(jiān)測結(jié)果表明監(jiān)測站1 的水平位移變化速率大概在每半小時±5 mm波動（圖2），其沉降變化速率約在每半小時±15 mm波動（圖3）；該段時期內(nèi)監(jiān)測站2 的水平位移變化速率在每半小時±6 mm波動（圖4），其沉降變化速率也在每半小時±15 mm波動（圖5）。

圖2 表面位移監(jiān)測站1 水平位移速率隨時間變化趨勢

圖3 表面位移監(jiān)測站1 沉降速率隨時間變化趨勢

圖4 表面位移監(jiān)測站2 水平位移速率隨時間變化趨勢

圖5 表面位移監(jiān)測站2 沉降速率隨時間變化趨勢

為了分析表面位移監(jiān)測站的水平位移及沉降的日變化規(guī)律，將2 個表面位移監(jiān)測站的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)在日尺度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明水平位移變化速率在每天±3 mm波動（圖6），而沉降變化速率則在每天±8 mm波動（圖7）。

圖6 水平位移日變化速率隨時間變化趨勢

圖7 沉降日變化速率隨時間變化趨勢

4.2 深部位移變化速率監(jiān)測結(jié)果

深部位移監(jiān)測站主要監(jiān)測各深度的水平位移變化規(guī)律，其中監(jiān)測站2 由于監(jiān)測設(shè)備出狀況導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用，而監(jiān)測站1 的監(jiān)測結(jié)果表明垃圾深度在2.4、4.8、9.0 m 處的水平位移變化速率分別約在每小時±0.2、±0.3、±0.7 mm波動（圖8～10）。

圖8 垃圾深度2.4 m 處水平位移變化速率隨時間變化趨勢

圖9 垃圾深度4.8 m 處水平位移變化速率隨時間變化趨勢

圖10 垃圾深度9.0 m 處水平位移變化速率隨時間變化趨勢

為了分析深部位移監(jiān)測站的日變化規(guī)律，將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)在日尺度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明深度在2.4、4.8、9.0 m 處的水平位移變化速率分別約在每天±0.2、±0.4、±0.6 mm波動（圖11～13）。

圖11 垃圾深度2.4 m 處水平位移日變化速率隨時間變化趨勢

圖12 垃圾深度4.8 m 處水平位移日變化速率隨時間變化趨勢

圖13 垃圾深度9.0 m 處水平位移日變化速率隨時間變化趨勢

4.3 水位變化速率監(jiān)測結(jié)果

水位監(jiān)測站的監(jiān)測結(jié)果表明監(jiān)測站1（井深30 m） 的水位變化速率約在每4 小時±0.1 m 波動（圖14），而監(jiān)測站2（井深10 m） 的水位變化速率約在每4 小時±0.04 m 波動（圖15）。

圖14 井深30 m 水位變化速率隨時間變化趨勢

圖15 井深10 m 水位變化速率隨時間變化趨勢

5 結(jié)論

1） 通過填埋場長期監(jiān)測，結(jié)果表明：水平位移和沉降的速率變化正常范圍分別為±6 mm/30 min、±15 mm/30 min，日均速率變化范圍分別為±3、±8 mm/d；深部位移變化速率的正常范圍為±0.7 mm/h，日變化速率的正常范圍為±0.6 mm/d；水位變化速率的正常范圍為±0.1 m/4 h。

2） 結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)理，確定了不同監(jiān)測因素的預(yù)警閾值及預(yù)警等級，并構(gòu)建了垃圾堆體安全預(yù)警模型。采用堆體水位、沉降及位移變化速率作為監(jiān)測指標(biāo)，當(dāng)監(jiān)測值超出正常變化范圍的1.3 倍、2 倍、3 倍后預(yù)警系統(tǒng)將分別呈現(xiàn)出黃、橙、紅的預(yù)警。

3） 堆體安全預(yù)警系統(tǒng)借鑒物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠滿足實(shí)時監(jiān)測的需求。不但實(shí)現(xiàn)了對垃圾堆體監(jiān)測信息的無人化采集、遠(yuǎn)程傳輸、自動化解算，而且可以實(shí)時通過網(wǎng)絡(luò)或移動通訊等手段將預(yù)警結(jié)果告知場區(qū)管理者，便于其隨時隨地了解垃圾堆體安全狀況。

4） 由于每個填埋場的堆填物質(zhì)存在較大差異性，本預(yù)警系統(tǒng)在用于其他設(shè)施過程中，各監(jiān)測因素預(yù)警閥值的確定還應(yīng)基于該設(shè)施特性進(jìn)行進(jìn)一步修正。

5） 目前垃圾堆體穩(wěn)定性研究主要停留在機(jī)理層面，在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測預(yù)警的目的。進(jìn)一步研究失穩(wěn)機(jī)理與多因素預(yù)警評價體系，將對本研究構(gòu)建的堆體安全預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)科學(xué)性及可靠性的提升具有重要意義。