物聯網技術下的垃圾堆體安全監測預警研究

溫 丁，郭婧婷，佘祺銳，劉志剛，孟凡勇，朱文軒

（北京環境工程技術有限公司，北京 100101）

1 引言

生活垃圾填埋處理具有技術成熟、工藝簡單、投資少和處理量大等特點，被國內外廣泛應用，也是現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，其運行狀況將直接關系到地區的安全保障和環境保護［4，5］。近年來，國內外有關垃圾堆體失穩的事故屢有發生：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，其后果是災難性的，為此堆體穩定監測及預警研究迫在眉睫。

目前，對垃圾堆體穩定性研究主要基于風險評級法［7］、邊坡穩定性分析［8］和不確定性分析［9-11］。生活垃圾堆體中有機質含量較高，堆填物質在長期的厭氧或好氧降解過程中會發生復雜的物理化學反應，容易引起位移變化。另外，堆體內含水率也會隨著降解過程而變化，當堆體內存在液體時，土壤空氣中的孔隙將被液體填滿，直接導致土壤的黏聚力和內摩擦角下降，極易造成堆體失穩［12，13］。可見表面位移、深層位移、沉降、水位均是垃圾堆體穩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復雜多樣導致各類滑坡監測設備不適用及傳統的監測技術無法滿足實時監測預警需求等原因，垃圾堆體的穩定性預警系統至今在全國范圍內仍然少見。因此本研究結合適合垃圾堆體環境的監測設備，建立垃圾堆體穩定性監測方法；同時，利用能夠實現數據實時傳輸的物聯網技術構建垃圾堆體穩定性預警模型及預警系統。研究結果不僅有利于實時預警評價堆體的安全性，提高堆體安全監管效率；還將在全國垃圾填埋場管理中起到示范效應，為未來填埋場的信息化管理提供科學指導。

2 試驗與數據處理

2.1 試驗區域概況

試驗填埋場于1997 年開始運行，采用衛生填埋方式，屬于平原型填埋場，占地面積約為49 hm2，其中庫區面積約38 hm2。填埋場總設計庫容1.275×107m3，設計總堆高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。試驗區位于填埋區的西側，為中間覆蓋坡面，試驗運行期間該側填埋堆高約為40 m，共4 個平臺，每層約為10 m，平臺間設置有4 m寬平臺道路。為了合理有效地監測該坡面的穩定性，將不同類型的監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期） 的不同位置，從而讓監測儀器之間相互驗證監測結果，有效達到監測整個坡面穩定性的效果。

2.2 試驗設置

在填埋區西側第二層平臺部署了2 個表面位移監測站，第一層及第三層平臺各部署1 個深部位移監測站。孔深均為地表向下10 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 個水位監測站，井深分別為10、30 m 左右（圖1）。

圖1 監測站布設位置

根據滑坡監測經驗設定表面位移監測站的監測頻率為1 次/30 min，深部位移監測站的監測頻率為1 次/h，水位監測站的監測頻率為1 次/4 h。

3 垃圾堆體穩定性分析方法

研究重點關注堆體幾何失穩（如滑坡、坍塌、潰壩），采用不確定性分析法研究堆體穩定性［9-11］。堆體失穩（或滑坡） 是一個由量變漸進到質變的過程，可通過地表宏觀跡象的變化和位移、水位變化監測其外在表現。在堆體失穩的孕育和發展演化過程中大量的滑坡監測實例表明，從變形出現開始到最終的失穩破壞，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。堆體失穩的預警判據要求能夠準確劃分出滑坡的各個變形階段，尤其是進入初加速階段和臨滑階段后，滑坡的預測顯得更加重要，為此通過參考相關文獻確立了各階段的預警級別、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、紅預警等級［18］，詳見表1。

表1 堆體失穩變形特征

為了確定黃、橙、紅預警閾值，基于GB 51108—2015 尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范，根據尾礦庫與垃圾填埋場的類似性，確定了不同監測因素的預警閾值及預警等級（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現場試驗研究結果進行確定。

表2 不同監測因素的預警閥值及預警等級

4 試驗結果

4.1 水平位移及沉降變化速率監測結果

表面位移監測站的監測結果表明監測站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）；該段時期內監測站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 表面位移監測站1 水平位移速率隨時間變化趨勢

圖3 表面位移監測站1 沉降速率隨時間變化趨勢

圖4 表面位移監測站2 水平位移速率隨時間變化趨勢

圖5 表面位移監測站2 沉降速率隨時間變化趨勢

為了分析表面位移監測站的水平位移及沉降的日變化規律，將2 個表面位移監測站的所有監測數據在日尺度下進行統計分析，結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測結果

深部位移監測站主要監測各深度的水平位移變化規律，其中監測站2 由于監測設備出狀況導致數據不可用，而監測站1 的監測結果表明垃圾深度在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測站的日變化規律，將所有監測數據在日尺度下進行統計分析，結果表明深度在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 水位變化速率監測結果

水位監測站的監測結果表明監測站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 結論

1） 通過填埋場長期監測，結果表明：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） 結合監測數據及尾礦庫在線安全監測系統構建機理，確定了不同監測因素的預警閾值及預警等級，并構建了垃圾堆體安全預警模型。采用堆體水位、沉降及位移變化速率作為監測指標，當監測值超出正常變化范圍的1.3 倍、2 倍、3 倍后預警系統將分別呈現出黃、橙、紅的預警。

3） 堆體安全預警系統借鑒物聯網技術，能夠滿足實時監測的需求。不但實現了對垃圾堆體監測信息的無人化采集、遠程傳輸、自動化解算，而且可以實時通過網絡或移動通訊等手段將預警結果告知場區管理者，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存在較大差異性，本預警系統在用于其他設施過程中，各監測因素預警閥值的確定還應基于該設施特性進行進一步修正。

5） 目前垃圾堆體穩定性研究主要停留在機理層面，在實際操作中難以實現實時監測預警的目的。進一步研究失穩機理與多因素預警評價體系，將對本研究構建的堆體安全預警模型及預警系統科學性及可靠性的提升具有重要意義。