吳 桐，張記峰，張貴鑫，陸 毅，金洪調(diào)

（1、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500；2、廣州大學(xué) 廣州 510006；3、華思（廣州）測控科技有限公司 廣州 511400）

0 引言

中國城市發(fā)展已經(jīng)邁入存量更新時代，城市更新迅速，大型市政設(shè)施的建設(shè)產(chǎn)生了大量建筑余泥渣土，余泥渣土的處理難度劇增。余泥渣土的隨意堆放將侵占大量的建設(shè)用地，還有可能危害公共安全、污染土地及水資源等。建筑余泥渣土“圍城”已成為影響城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重的“城市病”，引起政府與社會各界的高度重視。

一方面，大量建筑余泥渣土未能有效利用與回收再利用。對于進(jìn)行余泥渣土填海造陸，其填海區(qū)規(guī)劃、建設(shè)的工作會涉及海洋法約束與國家海洋管理部門的嚴(yán)格審批，且測評工作量巨大［1］，所以填海的解決方法困難重重。對于開展余泥渣土資源化再利用，目前我國建筑垃圾的資源化率卻不到5%［2］，遠(yuǎn)低于國外如德國、美國、荷蘭、新加坡等發(fā)達(dá)國家的余泥渣土資源化率達(dá)到80%以上［3］的水平，余泥渣土循環(huán)再利用的發(fā)展之路任重道遠(yuǎn)。

另一方面，各地已建成投入使用的受納場大部分已經(jīng)或即將被填滿，大量建筑余泥渣土“無處可倒”的問題將會爆發(fā)［4］。以深圳為例，早在2000 年以前，城市建設(shè)基本面臨缺乏土方的境地，但未引起政府和民眾的特別重視。到了2008年，隨著地鐵工程的全面開工，余泥渣土的排放問題全面爆發(fā)，市內(nèi)僅有一座余泥渣土受納場，庫容不足100 萬m3，與此同時市內(nèi)余泥渣土產(chǎn)生量已突破2 000 萬m3，凸顯供需嚴(yán)重不平衡［5］。另外一些民間的非法違規(guī)渣土場應(yīng)運而生，亂倒現(xiàn)象、違法占地、污染環(huán)境等問題層出不窮，而且其在選址上具有很大的隨意性，如道路兩邊的高堆填，留下許多安全隱患［6］。因此，亟需建造更多現(xiàn)代化的受納場，對城市建筑余泥渣土進(jìn)行規(guī)范化集中堆填管理，并以此逐步實現(xiàn)土地資源的再開發(fā)利用。

2015年，深圳市光明新區(qū)紅坳余泥渣土受納場發(fā)生特別重大滑坡事故，造成嚴(yán)重的人員與財產(chǎn)損失，滑坡事故的發(fā)生直接導(dǎo)致深圳市最大的余泥渣土受納場停運，整頓期間全市產(chǎn)生的余泥渣土僅能運往周邊城市和工程，同時市內(nèi)規(guī)劃的27個受納場建設(shè)項目也因此而停擺［7］。

綜上可述，由于目前城市建設(shè)產(chǎn)生的余泥渣土的回收率、重復(fù)利用率、資源化程度太低，且各地已經(jīng)建成的余泥渣土受納場被快速填滿，受納場的運營和規(guī)劃建設(shè)又常常受制于安全問題，再加上每年產(chǎn)生的渣土量不會在短時間內(nèi)急劇減少，這就很容易使大城市頻繁陷入渣土無處安放的困境中。因此，切實有效地保證受納場在建設(shè)、堆填、封場階段的安全，充分了解堆填體的各項特性與影響因素，落實全生命周期動態(tài)防災(zāi)減災(zāi)的相關(guān)工作，才能從整體上提升受納場建設(shè)與運營的安全系數(shù)，這將有望成為解決未來大城市“渣土圍城”的關(guān)鍵議題。

1 受納場監(jiān)測研究現(xiàn)狀與存在問題

目前，對受納場進(jìn)行全面、有效的監(jiān)測監(jiān)控，是保證受納場安全使用的主要選擇。但由于建筑余泥渣土受納場為填埋場型人工堆填坡體，而且進(jìn)場余泥渣土內(nèi)雜質(zhì)較多，與自然沉積坡體存在明顯差異，渣土堆積體土體的物理特性和力學(xué)強度存在顯著各項異性、不均一分布等特點，另外渣土中碎石含量較高，土質(zhì)較為松散，易構(gòu)成軟弱層，極易造成滑坡災(zāi)害［8］。再加上受納場體量大、影響范圍廣、未知影響因素多、工程數(shù)據(jù)缺乏等特點，給受納場安全監(jiān)測的實施與效果帶來了阻礙和挑戰(zhàn)。

近年來，有一些學(xué)者開展了對建筑余泥渣土受納場監(jiān)控與測量等方面的研究，方建鋒［9］與姜建生［10］以水徑渣土受納場的建設(shè)項目作為依托，在監(jiān)測措施及運營維護等方面進(jìn)行了分析，對幾個關(guān)鍵的斷面進(jìn)行深部位移監(jiān)測，并定期開展人工巡查，為運營期穩(wěn)定性判斷提供直觀的數(shù)據(jù)及地貌變形特征數(shù)據(jù)；張雅瓊等人［11］基于高分一號（GF-1）衛(wèi)星遙感影像技術(shù)對余泥渣土場實時監(jiān)管所具有的顯著技術(shù)優(yōu)勢，研究出生態(tài)空間周邊余泥渣土場快速提取方法，并通過數(shù)據(jù)分析提高了提取的精度，為生態(tài)空間區(qū)域及周邊建筑余泥渣土場環(huán)境風(fēng)險管控提供技術(shù)支持。柏君等人［12］基于無人機，利用低空無人機攝影測量技術(shù)獲取垃圾填埋庫區(qū)連續(xù)一年的影像數(shù)據(jù)，通過觀測垃圾填埋場固體物質(zhì)的體積空間變化，較準(zhǔn)確地評估其有效庫容量，為城市管理者進(jìn)行垃圾填埋處理決策和安排提供科學(xué)依據(jù)，但該方法能否應(yīng)用于建筑余泥渣土受納場的庫容監(jiān)管及庫區(qū)地質(zhì)形變監(jiān)測還有待檢驗。

建筑余泥渣土受納場安全監(jiān)測預(yù)警與科學(xué)管控的實現(xiàn)所面臨的主要問題如下：

⑴近年來的研究極少涉及建筑余泥渣土受納場監(jiān)測技術(shù)的內(nèi)容，且多局限于深層水平位移監(jiān)測的研究，或單一技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測，并非系統(tǒng)性的融合研究。因此行業(yè)中缺乏成熟、完善、有針對性的建筑余泥渣土受納場安全監(jiān)測相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測方法、監(jiān)測預(yù)警以及安全評估標(biāo)準(zhǔn)。

⑵建筑余泥渣土受納場占地面積廣、體量龐大、工況復(fù)雜，加上所處周邊環(huán)境長期的人類活動、地下水侵蝕及短期強降雨誘發(fā)等情況下，更容易使受納場堆填體出現(xiàn)失穩(wěn)險情［13］，所以僅僅依靠單一或傳統(tǒng)的測量手段，不但難以實現(xiàn)對整個區(qū)域的系統(tǒng)性測量與監(jiān)控，還不利于及時發(fā)現(xiàn)受納場失穩(wěn)的險情及影響因素。

建筑余泥渣土受納場的建設(shè)、使用、封存是一個變化的過程，所以需要借助新的測量與監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)全天候、多維度、動態(tài)的監(jiān)測作業(yè)，才能實時掌握受納場安全穩(wěn)定的運營狀況。

⑶國內(nèi)沒有針對純建筑余泥渣土受納場監(jiān)測的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范，難以對監(jiān)測項目的實施進(jìn)行有效指導(dǎo)和評判；目前監(jiān)測工作的實施細(xì)節(jié)主要依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：DL∕T 5259—2012》，存在標(biāo)準(zhǔn)適用性問題。

⑷建筑余泥渣土受納場庫區(qū)的容量、沉降、形變和擋土壩的設(shè)計均為理論值或估計值，其實際使用的科學(xué)性與合理性，以及安全性與穩(wěn)定性等都需要通過檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。

⑸目前的受納場普遍存在不同類型余泥渣土的隨意堆放現(xiàn)象，且渣土內(nèi)雜志較多、含水量大小不一、差異明顯等問題。這些問題如果不能妥善處置將造成堆填體的密度、含水率與種類不均勻，對于渣土的碾壓效率有較大影響，不僅會降低填埋容量，影響經(jīng)濟效益，甚至?xí)鹁植吭翉姸鹊耐蝗粏适?，?dǎo)致堆填體失穩(wěn)。另一方面，若沒有充分了解余泥渣土堆填體的工程分類和力學(xué)性能，會使后期堆填體安全性監(jiān)測和穩(wěn)定性分析存在一定難度，也不利于封庫后坡體安全隱患的修復(fù)與渣土資源化的進(jìn)行。

可見，研究并探索出一套科學(xué)、完善、可行的監(jiān)測體系方法，建立建筑余泥渣土受納場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)受納場全生命周期的實時、動態(tài)多維感知與安全監(jiān)控至關(guān)重要。

2 受納場多維感知監(jiān)測技術(shù)與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1 監(jiān)測項目工程概況

深圳市某建筑余泥渣土受納場現(xiàn)狀為山谷丘陵山地和水域（見圖1），總用地面積為37萬m3，余泥渣土設(shè)計庫容量453 萬m3，對受納的余泥渣土逐層堆填后進(jìn)行碾壓，受納場封場受納標(biāo)高為44～79 m，余泥渣土最大受納高度為35 m。工程主要包括場地清淤工程、擋土壩工程、場區(qū)作業(yè)及道路工程、給排水工程、封場及復(fù)綠工程等。依據(jù)《建筑余泥渣土受納場建設(shè)技術(shù)規(guī)范：DBJ∕T 15-118—2016》，該受納場安全等級為二級。

圖1 受納場區(qū)域紅線Fig.1 Red Line of Receiving Field Area

受納場共設(shè)置2座擋土壩，壩高分別為5 m和6 m，總長度為343 m，采用樁板式擋土墻；對坡腳外側(cè)地面線低于坡腳處時，第一級邊坡的防護采用人字形骨架護坡，護坡面積7 412 m2，對低洼積水處采用C20 片石混凝土護坡，護坡面積1 931 m2。

2.2 受納場多維感知監(jiān)測技術(shù)與預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)內(nèi)容

本項目將聯(lián)合高校、高新技術(shù)企業(yè)及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政府管理部門，依托于深圳市某建筑余泥渣土受納場工程，擬對受納場的建設(shè)、運營、封場全生命周期，開展多維度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容如下：

⑴將已有的邊坡安全與環(huán)境等相關(guān)自動化監(jiān)測技術(shù)手段應(yīng)用于該受納場安全監(jiān)測中，如受納場庫區(qū)沉降、降雨量（見圖2）、周邊環(huán)境、擋土壩和堆填邊坡的水平與豎向位移、孔隙水壓力、深層土體水平位移及地下水位監(jiān)測（見圖2）等主要監(jiān)測項目，并結(jié)合監(jiān)控攝像頭與計算機視覺技術(shù)，運用物聯(lián)網(wǎng)及無線通訊技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)信息實時上傳到互聯(lián)網(wǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。通過與傳統(tǒng)測量方法及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，檢驗各自動化監(jiān)測技術(shù)的科學(xué)性、適用性、互補性和數(shù)據(jù)精度，通過對“點-線-面”多維感知監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，檢驗整個受納場及周邊區(qū)域安全監(jiān)測的實時性、全面性和有效性。

圖2 受納場自動化監(jiān)測設(shè)備Fig.2 Automatic Monitoring Equipment for Receiving Field

⑵基于移動端研發(fā)一款針對建筑余泥渣土受納場安全巡視檢查的智能APP，并配合廣東省建筑科學(xué)研究院自主研發(fā)的5G 智能監(jiān)測車及車載檢測模塊，開展受納場安全運營及現(xiàn)場儀器設(shè)備運維的智能人工巡檢，實現(xiàn)全域數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。采用無人機攝影測量（見圖3）、三維激光掃描（見圖4）、高清度數(shù)字圖像變形監(jiān)測、二維地探雷達(dá)等新技術(shù)，定期對受納場庫區(qū)及周邊區(qū)域開展地形勘測、大面積區(qū)域沉降監(jiān)測、邊坡表面形變檢測、庫容量變化監(jiān)控等應(yīng)用測試，構(gòu)建受納場三維模型，最后分析智能巡檢與各非接觸表面探測技術(shù)的應(yīng)用效果，探索建筑余泥渣土受納場高效的智慧安全運維新方法。

圖3 無人機傾斜攝影測量與三維實景建模Fig.3 Uav Tilt Photogrammetry and 3D Real Scene Modeling

圖4 無人機三維激光掃描點云成果Fig.4 Point Cloud Data Achievement of UAV 3D Laser Scanning Technology

⑶將以受納場和余泥渣土作為研究對象，通過原位試驗、鉆孔取樣、室內(nèi)試驗等分析不同堆填方式下余泥渣土的構(gòu)成和工程特性（見圖5），結(jié)合數(shù)值仿真分析研究渣土、周圍巖土體力學(xué)性能及受納場內(nèi)水域處理方式對受納場及其庫容量的影響規(guī)律，揭示堆填過程中渣土受納場容量的變化特點，建立復(fù)雜環(huán)境下受納場的安全評價機制。

圖5 受納場現(xiàn)場余泥渣土堆填情況Fig.5 Filling Situation of Construction Residual Soil at the Receiving Field

同時，收集建筑余泥渣土受納場工程地質(zhì)勘測、檢測資料、試驗數(shù)據(jù)以及海量異構(gòu)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析，不僅可反饋至設(shè)計方進(jìn)行校核，檢驗受納場、堆填體、邊坡、擋土壩等工程設(shè)計是否滿足當(dāng)初的要求；還可以基于三維建模手段，結(jié)合表面檢測、自動化監(jiān)測、渣土試驗，能更直觀地“由表及里”全面了解堆填體及擋土邊坡的構(gòu)成與變化（見圖6），將對受納場庫區(qū)及邊坡整體穩(wěn)定性與安全性的綜合評估起關(guān)鍵作用。

圖6 三維地質(zhì)模型Fig.6 3D Geological Modeling

⑷基于云平臺及TEAM［14］三維模型為底圖開發(fā)的智能監(jiān)測預(yù)警云系統(tǒng)，建立城市建筑余泥渣土受納場建設(shè)與運維全過程的可視化監(jiān)管平臺（見圖7）。用戶可以通過云平臺客戶端遠(yuǎn)程實時了解受納場的安全運營情況，實現(xiàn)受納場監(jiān)測、巡檢與檢測的云上管理（見圖8），監(jiān)測數(shù)據(jù)與安全評估的云上分析，成果報告的一鍵生成等功能。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場出現(xiàn)異?；蛭ｋU時，云平臺能將預(yù)警信息及時推送至相關(guān)人員。

圖7 建筑余泥渣土受納場智能監(jiān)測預(yù)警云Fig.7 Intelligent Monitoring and Early Warning Cloud Platform for Construction Residual Mud Receiving Field

圖8 受納場現(xiàn)場多維感知智能巡檢體系Fig.8 Multi-dimensional Perception Intelligent Inspection System of Receiving Field

⑸基于受納場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的完善與優(yōu)化，研究并整理出一套完整的、有針對性的監(jiān)測預(yù)警實施體系（見圖9），通過多樣化的監(jiān)測方法與豐富的歷史數(shù)據(jù)，不僅能幫助業(yè)主更有效地對受納場進(jìn)行安全監(jiān)控與實際經(jīng)濟效益分析，還可以協(xié)助政府有關(guān)管理部門更好開展城市建筑余泥渣土處置與安全監(jiān)管工作，緩解市民對建筑余泥渣土受納場安全問題的擔(dān)憂，給社會帶來積極的影響。

圖9 受納場多維感知監(jiān)測預(yù)警體系研究路線Fig.9 Research Route of Multidimensional Perception Monitoring and Early Warning System of Receiving Field

工程實踐與多維度監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累將有助于推動城市建筑余泥渣土受納處理相關(guān)領(lǐng)域的研究與發(fā)展，逐步實現(xiàn)余泥渣土受納場相關(guān)安全監(jiān)控體系的建立，監(jiān)測規(guī)范的編寫或修編，安全預(yù)警、應(yīng)急機制的制定，政府智慧監(jiān)管體系的搭建，以及渣土變成再生材料的各項研究。

3 項目研究的預(yù)期效果及展望

⑴本項目研究立足于實用創(chuàng)新應(yīng)用的角度，對城市建筑余泥渣土受納場區(qū)實現(xiàn)地面和地層三維模型建立，并進(jìn)行渣土感知、環(huán)境感知、形變感知、應(yīng)力感知、危險源感知等多維度實時監(jiān)測，同時結(jié)合現(xiàn)場智能巡檢與渣土試驗，基于云計算開發(fā)以三維模型為底圖的可視化智能監(jiān)測云系統(tǒng)，可隨時隨地在移動端實時掌握現(xiàn)場情況，滿足海量異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端查詢、多數(shù)據(jù)融合處理與存儲，實現(xiàn)受納場安全自動化監(jiān)測、巡檢、分析、評估、報告和報警的云上統(tǒng)一管理及數(shù)據(jù)信息三維可視化展示。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是綜合了自動化監(jiān)測、人工巡檢、定期檢測檢驗的協(xié)同監(jiān)控新模式的載體，具有重要的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景，其建立將利于填補受納場安全監(jiān)控相關(guān)行業(yè)監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的缺失，助力政府逐步搭建起城市建筑余泥渣土受納場安全監(jiān)管體系，以點帶面解決城市“渣土吃人”的隱疾。

⑵從建筑余泥渣土受納場的坡體土性質(zhì)和力學(xué)強度的分布特性出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外人工堆填體的失穩(wěn)案例分析，找出堆填體破壞形式以及影響穩(wěn)定性的主要因素。通過數(shù)值分析方法，對造成堆填體失穩(wěn)的主要影響因素進(jìn)行評價，進(jìn)而總結(jié)出重點監(jiān)測參數(shù)和堆填體關(guān)鍵特征點，并對重要監(jiān)測參數(shù)與監(jiān)測斷面選擇、測點布設(shè)、數(shù)據(jù)分析計算等方法進(jìn)行優(yōu)化，再結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)受納場堆填體與邊坡的穩(wěn)定性實時評估標(biāo)準(zhǔn)，以及安全預(yù)警、應(yīng)急機制的建立。

⑶研究項目聯(lián)合了建筑余泥管理單位、高等教育機構(gòu)等共同開展，力求建立一個教育示范基地，形成為相關(guān)從業(yè)人員與科研人員的實訓(xùn)實踐試驗田，擬打造建筑余泥渣土管理、運營監(jiān)控等系列流程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，同時結(jié)合高校教育資源，將項目融合于教學(xué)，起到技術(shù)培訓(xùn)和安全教育的作用。

⑷將帶來巨大的經(jīng)濟與社會效益，如通過總結(jié)不同堆填方式對渣土工程特性的影響，結(jié)合成本和穩(wěn)定性優(yōu)化堆填管理方案；基于無人機與監(jiān)測數(shù)據(jù)找出受納場庫容量實時評估方法；呼應(yīng)國家十四五倡導(dǎo)的碳中和排放與可持續(xù)的新發(fā)展理念，在充分認(rèn)識渣土工程分類和性能的基礎(chǔ)上，開展建筑余泥渣土資源化的系統(tǒng)工程研究。