物联网技术下的垃圾堆体安全监测预警研究

温 丁，郭婧婷，佘祺锐，刘志刚，孟凡勇，朱文轩

（北京环境工程技术有限公司，北京 100101）

1 引言

生活垃圾填埋处理具有技术成熟、工艺简单、投资少和处理量大等特点，被国内外广泛应用，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式［1-3］，目前每年有60%以上的垃圾以填埋方式处理，其运行状况将直接关系到地区的安全保障和环境保护［4，5］。近年来，国内外有关垃圾堆体失稳的事故屡有发生：如2005 年印尼西爪哇万隆芝马墟垃圾填埋场滑坡，10 人死亡，109 人失踪［3］；2015 年深圳人工堆填土失稳垮塌，造成33 栋建筑物被掩埋或不同程度损害，70 余人遇难［6］。由此可见，堆体一旦失稳，其后果是灾难性的，为此堆体稳定监测及预警研究迫在眉睫。

目前，对垃圾堆体稳定性研究主要基于风险评级法［7］、边坡稳定性分析［8］和不确定性分析［9-11］。生活垃圾堆体中有机质含量较高，堆填物质在长期的厌氧或好氧降解过程中会发生复杂的物理化学反应，容易引起位移变化。另外，堆体内含水率也会随着降解过程而变化，当堆体内存在液体时，土壤空气中的孔隙将被液体填满，直接导致土壤的黏聚力和内摩擦角下降，极易造成堆体失稳［12，13］。可见表面位移、深层位移、沉降、水位均是垃圾堆体稳定性评价中最为直接的反映方式［10，12，14］。

由于填埋场垃圾性质复杂多样导致各类滑坡监测设备不适用及传统的监测技术无法满足实时监测预警需求等原因，垃圾堆体的稳定性预警系统至今在全国范围内仍然少见。因此本研究结合适合垃圾堆体环境的监测设备，建立垃圾堆体稳定性监测方法；同时，利用能够实现数据实时传输的物联网技术构建垃圾堆体稳定性预警模型及预警系统。研究结果不仅有利于实时预警评价堆体的安全性，提高堆体安全监管效率；还将在全国垃圾填埋场管理中起到示范效应，为未来填埋场的信息化管理提供科学指导。

2 试验与数据处理

2.1 试验区域概况

试验填埋场于1997 年开始运行，采用卫生填埋方式，属于平原型填埋场，占地面积约为49 hm2，其中库区面积约38 hm2。填埋场总设计库容1.275×107m3，设计总堆高70 m，目前库容使用率约为60%。渗滤液处理工艺采取MBR+纳滤+反渗透方式。试验区位于填埋区的西侧，为中间覆盖坡面，试验运行期间该侧填埋堆高约为40 m，共4 个平台，每层约为10 m，平台间设置有4 m宽平台道路。为了合理有效地监测该坡面的稳定性，将不同类型的监测仪器分散部署在坡面上的第一、二、三层平台（第四层平台正处于填埋作业期） 的不同位置，从而让监测仪器之间相互验证监测结果，有效达到监测整个坡面稳定性的效果。

2.2 试验设置

在填埋区西侧第二层平台部署了2 个表面位移监测站，第一层及第三层平台各部署1 个深部位移监测站。孔深均为地表向下10 m 左右，每孔安装有3 支传感器，分别位于地表向下深度2.4、4.8、9.0 m 处。第一层及第三层平台各部署1 个水位监测站，井深分别为10、30 m 左右（图1）。

图1 监测站布设位置

根据滑坡监测经验设定表面位移监测站的监测频率为1 次/30 min，深部位移监测站的监测频率为1 次/h，水位监测站的监测频率为1 次/4 h。

3 垃圾堆体稳定性分析方法

研究重点关注堆体几何失稳（如滑坡、坍塌、溃坝），采用不确定性分析法研究堆体稳定性［9-11］。堆体失稳（或滑坡） 是一个由量变渐进到质变的过程，可通过地表宏观迹象的变化和位移、水位变化监测其外在表现。在堆体失稳的孕育和发展演化过程中大量的滑坡监测实例表明，从变形出现开始到最终的失稳破坏，其表面累积位移随时间变化可分为初加速、中加速及临滑阶段3 个不同阶段［15-17］，其位移变化速率明显不同。堆体失稳的预警判据要求能够准确划分出滑坡的各个变形阶段，尤其是进入初加速阶段和临滑阶段后，滑坡的预测显得更加重要，为此通过参考相关文献确立了各阶段的预警级别、变形情况及水位变化，同时将初、中加速阶段和临滑阶段分别定义为黄、橙、红预警等级［18］，详见表1。

表1 堆体失稳变形特征

为了确定黄、橙、红预警阈值，基于GB 51108—2015 尾矿库在线安全监测系统工程技术规范，根据尾矿库与垃圾填埋场的类似性，确定了不同监测因素的预警阈值及预警等级（表2），其中填埋场堆体水位、沉降及位移变化速率的正常变化范围将根据现场试验研究结果进行确定。

表2 不同监测因素的预警阀值及预警等级

4 试验结果

4.1 水平位移及沉降变化速率监测结果

表面位移监测站的监测结果表明监测站1 的水平位移变化速率大概在每半小时±5 mm波动（图2），其沉降变化速率约在每半小时±15 mm波动（图3）；该段时期内监测站2 的水平位移变化速率在每半小时±6 mm波动（图4），其沉降变化速率也在每半小时±15 mm波动（图5）。

图2 表面位移监测站1 水平位移速率随时间变化趋势

图3 表面位移监测站1 沉降速率随时间变化趋势

图4 表面位移监测站2 水平位移速率随时间变化趋势

图5 表面位移监测站2 沉降速率随时间变化趋势

为了分析表面位移监测站的水平位移及沉降的日变化规律，将2 个表面位移监测站的所有监测数据在日尺度下进行统计分析，结果表明水平位移变化速率在每天±3 mm波动（图6），而沉降变化速率则在每天±8 mm波动（图7）。

图6 水平位移日变化速率随时间变化趋势

图7 沉降日变化速率随时间变化趋势

4.2 深部位移变化速率监测结果

深部位移监测站主要监测各深度的水平位移变化规律，其中监测站2 由于监测设备出状况导致数据不可用，而监测站1 的监测结果表明垃圾深度在2.4、4.8、9.0 m 处的水平位移变化速率分别约在每小时±0.2、±0.3、±0.7 mm波动（图8～10）。

图8 垃圾深度2.4 m 处水平位移变化速率随时间变化趋势

图9 垃圾深度4.8 m 处水平位移变化速率随时间变化趋势

图10 垃圾深度9.0 m 处水平位移变化速率随时间变化趋势

为了分析深部位移监测站的日变化规律，将所有监测数据在日尺度下进行统计分析，结果表明深度在2.4、4.8、9.0 m 处的水平位移变化速率分别约在每天±0.2、±0.4、±0.6 mm波动（图11～13）。

图11 垃圾深度2.4 m 处水平位移日变化速率随时间变化趋势

图12 垃圾深度4.8 m 处水平位移日变化速率随时间变化趋势

图13 垃圾深度9.0 m 处水平位移日变化速率随时间变化趋势

4.3 水位变化速率监测结果

水位监测站的监测结果表明监测站1（井深30 m） 的水位变化速率约在每4 小时±0.1 m 波动（图14），而监测站2（井深10 m） 的水位变化速率约在每4 小时±0.04 m 波动（图15）。

图14 井深30 m 水位变化速率随时间变化趋势

图15 井深10 m 水位变化速率随时间变化趋势

5 结论

1） 通过填埋场长期监测，结果表明：水平位移和沉降的速率变化正常范围分别为±6 mm/30 min、±15 mm/30 min，日均速率变化范围分别为±3、±8 mm/d；深部位移变化速率的正常范围为±0.7 mm/h，日变化速率的正常范围为±0.6 mm/d；水位变化速率的正常范围为±0.1 m/4 h。

2） 结合监测数据及尾矿库在线安全监测系统构建机理，确定了不同监测因素的预警阈值及预警等级，并构建了垃圾堆体安全预警模型。采用堆体水位、沉降及位移变化速率作为监测指标，当监测值超出正常变化范围的1.3 倍、2 倍、3 倍后预警系统将分别呈现出黄、橙、红的预警。

3） 堆体安全预警系统借鉴物联网技术，能够满足实时监测的需求。不但实现了对垃圾堆体监测信息的无人化采集、远程传输、自动化解算，而且可以实时通过网络或移动通讯等手段将预警结果告知场区管理者，便于其随时随地了解垃圾堆体安全状况。

4） 由于每个填埋场的堆填物质存在较大差异性，本预警系统在用于其他设施过程中，各监测因素预警阀值的确定还应基于该设施特性进行进一步修正。

5） 目前垃圾堆体稳定性研究主要停留在机理层面，在实际操作中难以实现实时监测预警的目的。进一步研究失稳机理与多因素预警评价体系，将对本研究构建的堆体安全预警模型及预警系统科学性及可靠性的提升具有重要意义。