土坝防汛风险的应急检测技术与信息管理技术

(江苏省防汛防旱抢险中心， 江苏 南京 210000)

作为农业大国，我国水利筑坝的历史悠久，尤其在新中国成立之初的一段时期，水利筑坝有过多次高潮。截至2016年，我国已建成各类水库98460座，总库容高达8967亿m3。虽然这些兴建于新中国初期的土石坝型水库在水资源利用、改造自然环境等方面均发挥着重要作用，但也存在着不少病险隐患，尤其在土坝防汛风险的应急处理环节存在着众多薄弱环节，严重影响到下游民众的生命财产安全，给地区社会经济可持续发展带来了影响。总之，水库土坝防汛风险的应急处理问题是当前备受公众关注的公共安全热点问题。然而，我国土坝防汛风险的应急检测技术和信息管理技术应用还不成熟，应急检测技术上仍然存在局限性，在大多数情况下人为主观识别仍普遍应用，在土坝防汛信息管理技术上也仅仅处于初级阶段。

1 土坝防汛风险应急管理概述

土坝防汛风险应急管理是评估土坝防汛风险、隐患、险情及确保风险保持在一个可接受范围的持续过程，其管理宗旨在于对土坝潜在的防汛风险和风险不利影响进行行之有效的管理[1]。由于我国土坝多兴建于新中国初期，大坝大都为三类坝，渗漏、裂缝、坝内漏洞、滑坡等防汛风险问题严重。土坝风险大都属于内部隐患隐情，因此在土坝防汛风险应急管理中首先对土坝防汛的风险因子及风险成因进行了解，才有利于土坝防汛风险应急管理的有效执行。

1.1 土坝防汛的风险因子

土坝常见防汛风险主要包括渗漏、管涌、裂缝、滑坡等，这些风险形成的影响因子多种多样。

渗漏的影响因子主要有坝体填筑材料不良、施工碾压不密实、防渗体断裂、新老防渗体接触不密、排水棱体堵塞失效、沿白蚁洞穴漏、帷幕灌浆不合要求、坝岸接头防渗处理不彻、坝体与岸坡结合不良等。

管涌的影响因子主要有大坝渗漏、死树根、动物洞穴、边坡滑坡、冲刷坝址缩短渗径、河流冲积层残积、高水位持续时间较长等。

滑坡的影响因子主要有碾压不实、含水量不符、干容重设计不达标、新旧土体之间结合不良、持续大暴雨、土体抗剪强度降低等。

裂缝影响因子主要有坝体渗漏、黏性土水分蒸发、坝基压缩变形、施工碾压不密实等。

1.2 土坝防汛风险的成因

渗漏及渗透破坏是土坝防汛风险的主要成因，据统计，我国由渗漏或渗透破坏导致的防汛风险高达80%以上，除漫顶险情，几乎所有的土坝防汛风险均产生于渗漏或渗透破坏。

通常土坝渗漏或渗透破坏的成因主要有：筑坝材料含砂黏土过高，导致施工碾压不密实，造成土坝孔隙比较大，具有中等透水性，导致坝体渗漏隐患问题严重；坝基基础部位为黏土质砂(砾)或粗砂，导致坝基基础部位具有中等压缩性和透水性，从而导致坝基渗漏问题；排水棱体失效或未设置排水棱体，导致坝体局部沉陷、塌落；土坝多为土石结构，所用石块风化侵蚀严重，导致出现大面积散浸。

2 土坝防汛风险应急检测技术应用

当前，应急检测技术在土坝防汛风险应急管理中得到了重视和应用。土坝隐患应急检测技术中，无损性的、高分辨能力的检测技术是土坝防汛风险应急检测技术的发展前沿，这些技术均属于电法探测技术、电磁法探测技术、同位素示踪技术、弹性波探测技术的范畴，为我国防汛风险管理提供了技术保障。

2.1 电法探测技术

电法探测是一种在坝体上附加相应电场，应用仪器测试电场变化规律，对坝体结构完整性、隐患性质和隐患部位进行判断的方法[2]。电法探测可对土坝基础、坝体、坝肩、渠道等部位的渗漏、洞穴、溶洞等隐患进行有效探测，具有准确率高的优点。电法探测技术应用较广泛，方法主要包括高密度电阻率法、自然电场法、低频电磁法、激发极化法等。其中，高密度电阻率法可采用计算机信息技术控制电极系统，具有观测范围大、应用效率高、信息传输准确、隐患辨识率高、抗干扰能力强等优点，是当前我国防汛风险管理电法病患检测技术的主流。

2.2 电磁法探测技术

电磁法探测是一种利用岩石导电性和导磁性差异，采用电磁感应原理进行检测的技术。一般来说土坝的构成材料基本相同，不同位置土石材料可视为比较均匀，在此情况下可以认为电导率高的地方即为含水量较高的区域。因此，若土坝存在渗漏、洞穴、溶洞等隐患，其电磁感应仪器所表现出来的波形会出现大幅度波动，此时就可测出土坝是否存在渗漏、洞穴、溶洞防汛风险。电磁法探测技术主要包括瞬变电磁探测技术、频率域电磁探测技术、地质雷达探测技术等。电磁法探测技术应用的最大优点在于便捷，但其属于预测性质，导致其准确定位难度较大，在实践应用中并不广泛。

2.3 同位素示踪技术

同位素示踪是一种将同位素示踪剂释放于土坝上游，通过检测土坝中同位素示踪剂浓度变化而进行隐患辨别的方法[3]。同位素示踪技术应用于管涌、裂缝等防汛风险隐患检测的效果最为良好。自上世纪60年代应用以来，此项技术主要应用于大中型重点病险土坝的防汛风险检测中。实践证明，同位素示踪技术应用于土坝防汛隐患检测具有设备简单、检测范围广、检测灵敏度高等优点，但同位素示踪技术需要高精密度检测仪器，故推广较为困难。近年来，我国已开发出的FD3019同位素多路示踪仪，可实现8路数据采集，并能连续自动记录各种土坝的病害风险。

2.4 弹性波探测技术

弹性波探测是针对土坝物理力学特性而开发出来的一种检测技术。弹性波探测技术的主要原理是：通过监测坝体隐患与土坝背景的波速及波阻抗的差异，分析土坝的防汛风险，主要包括地震反射波法和折射波法两大类。弹性波探测技术能有效检测出土坝内部结构，同时能对土坝的物理力学特性进行准确估算，因此，其不仅仅是一种土坝防汛风险的应急检测技术，也是土坝应用性能检测的一种有效技术。故弹性波探测技术不仅具有观测范围大、应用效率高、信息传输准确、隐患辨识率高、抗干扰能力强等优点，也是一种多用途的土坝应用技术，是当前世界各国土坝防汛技术应用的前沿。

3 土坝防汛风险信息管理技术应用

信息化已是当今世界发展的大趋势，水利信息化是水利现代化管理的重要标志。构建土坝防汛风险信息系统，可实时掌握土坝防汛现状，做好防汛的基础工作，为防汛风险点排除提供依据。但当前由于我国土坝信息以流域形式分散管理，共享与更新均未能实现，导致当前所应用的土坝防汛风险的信息管理技术存在内容少、功能不强等问题。因此，土坝防汛风险信息管理技术发展的关键在于扩展应用功能、优化组织方案和突破关键技术。

3.1 信息管理技术应用功能的发展

土坝防汛风险信息管理是一个系统性的管理过程，主要包括防洪工程监测、土坝安全评估、土坝维护管理、土坝维护管理等内容。信息管理系统开发应以以下内容为主：ⓐ充分利用电子信息技术强大的信息存储功能，录入土坝防汛风险信息内容，包括各主要堤坝水情、汛情、病害等，在此基础上应开发出上述信息的查询和显示功能；ⓑ信息管理系统应构建安全评价模型、实时资料分析模型、数理统计模型等，实现土坝安全评估分析、抢险决策技术支持、土坝风险分析、土坝灾损评估等功能。但当前信息管理技术应用功能不甚完善，因此，开发功能完善的信息管理系统是当前土坝防汛风险信息管理技术应用的根本。

3.2 信息管理技术组织实施的优化

我国土坝防汛应急信息管理涉及面广且复杂，各个区域内的土坝病害具有地区性特征，在土坝防汛应急信息管理的组织实施中需要区别对待，因此，组织实施的优化是信息管理技术应用的关键。可按河流、湖泊、水库分类开发，也可按照堤防级别开发，还可以行政区域划分开发，这些分类方法能使应急信息管理系统条理清楚，具有操作性和科学性。土坝防汛应急信息管理应基于防洪规划、抢险组织、救灾物资分布、堤坝工程维护管理等问题展开，应以堤防为核心，汇集水系分布、行政区划、控制枢纽闸、雨量测站分布，并以专题管理和查询方式实现土坝病害分布图、防汛救灾组织、应急管理等信息的查询、管理和维护。

3.3 信息管理关键技术的突破

不同地区土坝均有其不同特征，土坝防汛应急信息管理要实现集成为一体、进行终端集中防汛风险监测，需要解决信息区域共享和信息传输效率这两个关键问题[4]。针对我国河流、湖泊、水库土坝的堤线较长、生态环境恶劣、监测断面需求较多等特点，土坝防汛风险监测应尽量应用技术先进、应用方便、经济适用、精确可靠、耐久性强的监测仪器和设备。但是，当前我国水利工程多采用点式传感器，只能测取某一点或某一段土坝病害的工程参数，并不适用于大江、大河、湖泊等大范围监测。鉴于分布式光纤传感器能在数百米至数十公里内实现多功能的动、静态多参数的监测，因此，可采用光纤传感器来真正实现大范围土坝防汛风险的监测问题。

4 结 语

土坝防汛风险的应急处理问题已经是各级水利管理部门和公众所关注的公共热点问题。土坝防汛的风险因子及风险成因大都与土坝的渗漏或渗透破坏有关，对渗透及破坏进行检测是土坝防汛的关键环节。然而我国土坝多兴建于新中国初期，大坝病险严重，且大都属于内部隐患隐情，因此土坝防汛风险应急管理需要无损性的、高分辨能力的检测技术，而且需要加快土坝防汛风险信息系统的研制与开发，为我国防汛风险管理提供技术保障。

[1] 徐竹青，张桂荣，郑军.我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述[J].水利与建筑工程学报，2016，8(3):50-52.

[2] 山东省水利科学研究所.电法探测堤坝隐患技术[M].北京：中国水利水电出版社，2016:184-185.

[3] 陈建生，杜国平，郭伯强.同位素示踪技术在枫树坪水库渗漏探测的应用研究[J].广东水电技术，2016，11(8):319-322.

[4] 姜振波，盛金保，李雷，等.水库突发事件应急预案研究现状与关键技术初探[J].大坝与安全，2015，13(3)：118-123.

[5] 陈志远，庄作义，郝夕明.浅谈岸堤水库引水上延工程质量控制要点[J].中国水能及电气化，2017(5)：15-18.