土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)與信息管理技術(shù)

(江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心， 江蘇 南京 210000)

作為農(nóng)業(yè)大國，我國水利筑壩的歷史悠久，尤其在新中國成立之初的一段時(shí)期，水利筑壩有過多次高潮。截至2016年，我國已建成各類水庫98460座，總庫容高達(dá)8967億m3。雖然這些興建于新中國初期的土石壩型水庫在水資源利用、改造自然環(huán)境等方面均發(fā)揮著重要作用，但也存在著不少病險(xiǎn)隱患，尤其在土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急處理環(huán)節(jié)存在著眾多薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響到下游民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，給地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來了影響?？傊?，水庫土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急處理問題是當(dāng)前備受公眾關(guān)注的公共安全熱點(diǎn)問題。然而，我國土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)和信息管理技術(shù)應(yīng)用還不成熟，應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)上仍然存在局限性，在大多數(shù)情況下人為主觀識(shí)別仍普遍應(yīng)用，在土壩防汛信息管理技術(shù)上也僅僅處于初級(jí)階段。

1 土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理概述

土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理是評(píng)估土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)、隱患、險(xiǎn)情及確保風(fēng)險(xiǎn)保持在一個(gè)可接受范圍的持續(xù)過程，其管理宗旨在于對(duì)土壩潛在的防汛風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)不利影響進(jìn)行行之有效的管理[1]。由于我國土壩多興建于新中國初期，大壩大都為三類壩，滲漏、裂縫、壩內(nèi)漏洞、滑坡等防汛風(fēng)險(xiǎn)問題嚴(yán)重。土壩風(fēng)險(xiǎn)大都屬于內(nèi)部隱患隱情，因此在土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理中首先對(duì)土壩防汛的風(fēng)險(xiǎn)因子及風(fēng)險(xiǎn)成因進(jìn)行了解，才有利于土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理的有效執(zhí)行。

1.1 土壩防汛的風(fēng)險(xiǎn)因子

土壩常見防汛風(fēng)險(xiǎn)主要包括滲漏、管涌、裂縫、滑坡等，這些風(fēng)險(xiǎn)形成的影響因子多種多樣。

滲漏的影響因子主要有壩體填筑材料不良、施工碾壓不密實(shí)、防滲體斷裂、新老防滲體接觸不密、排水棱體堵塞失效、沿白蟻洞穴漏、帷幕灌漿不合要求、壩岸接頭防滲處理不徹、壩體與岸坡結(jié)合不良等。

管涌的影響因子主要有大壩滲漏、死樹根、動(dòng)物洞穴、邊坡滑坡、沖刷壩址縮短滲徑、河流沖積層殘積、高水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)等。

滑坡的影響因子主要有碾壓不實(shí)、含水量不符、干容重設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)、新舊土體之間結(jié)合不良、持續(xù)大暴雨、土體抗剪強(qiáng)度降低等。

裂縫影響因子主要有壩體滲漏、黏性土水分蒸發(fā)、壩基壓縮變形、施工碾壓不密實(shí)等。

1.2 土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的成因

滲漏及滲透破壞是土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的主要成因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國由滲漏或滲透破壞導(dǎo)致的防汛風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)80%以上，除漫頂險(xiǎn)情，幾乎所有的土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)均產(chǎn)生于滲漏或滲透破壞。

通常土壩滲漏或滲透破壞的成因主要有：筑壩材料含砂黏土過高，導(dǎo)致施工碾壓不密實(shí)，造成土壩孔隙比較大，具有中等透水性，導(dǎo)致壩體滲漏隱患問題嚴(yán)重；壩基基礎(chǔ)部位為黏土質(zhì)砂(礫)或粗砂，導(dǎo)致壩基基礎(chǔ)部位具有中等壓縮性和透水性，從而導(dǎo)致壩基滲漏問題；排水棱體失效或未設(shè)置排水棱體，導(dǎo)致壩體局部沉陷、塌落；土壩多為土石結(jié)構(gòu)，所用石塊風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積散浸。

2 土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前，應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)在土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理中得到了重視和應(yīng)用。土壩隱患應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)中，無損性的、高分辨能力的檢測(cè)技術(shù)是土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展前沿，這些技術(shù)均屬于電法探測(cè)技術(shù)、電磁法探測(cè)技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)、彈性波探測(cè)技術(shù)的范疇，為我國防汛風(fēng)險(xiǎn)管理提供了技術(shù)保障。

2.1 電法探測(cè)技術(shù)

電法探測(cè)是一種在壩體上附加相應(yīng)電場(chǎng)，應(yīng)用儀器測(cè)試電場(chǎng)變化規(guī)律，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)完整性、隱患性質(zhì)和隱患部位進(jìn)行判斷的方法[2]。電法探測(cè)可對(duì)土壩基礎(chǔ)、壩體、壩肩、渠道等部位的滲漏、洞穴、溶洞等隱患進(jìn)行有效探測(cè)，具有準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。電法探測(cè)技術(shù)應(yīng)用較廣泛，方法主要包括高密度電阻率法、自然電場(chǎng)法、低頻電磁法、激發(fā)極化法等。其中，高密度電阻率法可采用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)控制電極系統(tǒng)，具有觀測(cè)范圍大、應(yīng)用效率高、信息傳輸準(zhǔn)確、隱患辨識(shí)率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前我國防汛風(fēng)險(xiǎn)管理電法病患檢測(cè)技術(shù)的主流。

2.2 電磁法探測(cè)技術(shù)

電磁法探測(cè)是一種利用巖石導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異，采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。一般來說土壩的構(gòu)成材料基本相同，不同位置土石材料可視為比較均勻，在此情況下可以認(rèn)為電導(dǎo)率高的地方即為含水量較高的區(qū)域。因此，若土壩存在滲漏、洞穴、溶洞等隱患，其電磁感應(yīng)儀器所表現(xiàn)出來的波形會(huì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，此時(shí)就可測(cè)出土壩是否存在滲漏、洞穴、溶洞防汛風(fēng)險(xiǎn)。電磁法探測(cè)技術(shù)主要包括瞬變電磁探測(cè)技術(shù)、頻率域電磁探測(cè)技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)等。電磁法探測(cè)技術(shù)應(yīng)用的最大優(yōu)點(diǎn)在于便捷，但其屬于預(yù)測(cè)性質(zhì)，導(dǎo)致其準(zhǔn)確定位難度較大，在實(shí)踐應(yīng)用中并不廣泛。

2.3 同位素示蹤技術(shù)

同位素示蹤是一種將同位素示蹤劑釋放于土壩上游，通過檢測(cè)土壩中同位素示蹤劑濃度變化而進(jìn)行隱患辨別的方法[3]。同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用于管涌、裂縫等防汛風(fēng)險(xiǎn)隱患檢測(cè)的效果最為良好。自上世紀(jì)60年代應(yīng)用以來，此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大中型重點(diǎn)病險(xiǎn)土壩的防汛風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)中。實(shí)踐證明，同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用于土壩防汛隱患檢測(cè)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但同位素示蹤技術(shù)需要高精密度檢測(cè)儀器，故推廣較為困難。近年來，我國已開發(fā)出的FD3019同位素多路示蹤儀，可實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集，并能連續(xù)自動(dòng)記錄各種土壩的病害風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 彈性波探測(cè)技術(shù)

彈性波探測(cè)是針對(duì)土壩物理力學(xué)特性而開發(fā)出來的一種檢測(cè)技術(shù)。彈性波探測(cè)技術(shù)的主要原理是：通過監(jiān)測(cè)壩體隱患與土壩背景的波速及波阻抗的差異，分析土壩的防汛風(fēng)險(xiǎn)，主要包括地震反射波法和折射波法兩大類。彈性波探測(cè)技術(shù)能有效檢測(cè)出土壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)能對(duì)土壩的物理力學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確估算，因此，其不僅僅是一種土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)，也是土壩應(yīng)用性能檢測(cè)的一種有效技術(shù)。故彈性波探測(cè)技術(shù)不僅具有觀測(cè)范圍大、應(yīng)用效率高、信息傳輸準(zhǔn)確、隱患辨識(shí)率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也是一種多用途的土壩應(yīng)用技術(shù)，是當(dāng)前世界各國土壩防汛技術(shù)應(yīng)用的前沿。

3 土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息管理技術(shù)應(yīng)用

信息化已是當(dāng)今世界發(fā)展的大趨勢(shì)，水利信息化是水利現(xiàn)代化管理的重要標(biāo)志。構(gòu)建土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握土壩防汛現(xiàn)狀，做好防汛的基礎(chǔ)工作，為防汛風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)排除提供依據(jù)。但當(dāng)前由于我國土壩信息以流域形式分散管理，共享與更新均未能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致當(dāng)前所應(yīng)用的土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的信息管理技術(shù)存在內(nèi)容少、功能不強(qiáng)等問題。因此，土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息管理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于擴(kuò)展應(yīng)用功能、優(yōu)化組織方案和突破關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 信息管理技術(shù)應(yīng)用功能的發(fā)展

土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息管理是一個(gè)系統(tǒng)性的管理過程，主要包括防洪工程監(jiān)測(cè)、土壩安全評(píng)估、土壩維護(hù)管理、土壩維護(hù)管理等內(nèi)容。信息管理系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)以以下內(nèi)容為主：?充分利用電子信息技術(shù)強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)功能，錄入土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息內(nèi)容，包括各主要堤壩水情、汛情、病害等，在此基礎(chǔ)上應(yīng)開發(fā)出上述信息的查詢和顯示功能；?信息管理系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)建安全評(píng)價(jià)模型、實(shí)時(shí)資料分析模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型等，實(shí)現(xiàn)土壩安全評(píng)估分析、搶險(xiǎn)決策技術(shù)支持、土壩風(fēng)險(xiǎn)分析、土壩災(zāi)損評(píng)估等功能。但當(dāng)前信息管理技術(shù)應(yīng)用功能不甚完善，因此，開發(fā)功能完善的信息管理系統(tǒng)是當(dāng)前土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息管理技術(shù)應(yīng)用的根本。

3.2 信息管理技術(shù)組織實(shí)施的優(yōu)化

我國土壩防汛應(yīng)急信息管理涉及面廣且復(fù)雜，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的土壩病害具有地區(qū)性特征，在土壩防汛應(yīng)急信息管理的組織實(shí)施中需要區(qū)別對(duì)待，因此，組織實(shí)施的優(yōu)化是信息管理技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵?？砂春恿?、湖泊、水庫分類開發(fā)，也可按照堤防級(jí)別開發(fā)，還可以行政區(qū)域劃分開發(fā)，這些分類方法能使應(yīng)急信息管理系統(tǒng)條理清楚，具有操作性和科學(xué)性。土壩防汛應(yīng)急信息管理應(yīng)基于防洪規(guī)劃、搶險(xiǎn)組織、救災(zāi)物資分布、堤壩工程維護(hù)管理等問題展開，應(yīng)以堤防為核心，匯集水系分布、行政區(qū)劃、控制樞紐閘、雨量測(cè)站分布，并以專題管理和查詢方式實(shí)現(xiàn)土壩病害分布圖、防汛救災(zāi)組織、應(yīng)急管理等信息的查詢、管理和維護(hù)。

3.3 信息管理關(guān)鍵技術(shù)的突破

不同地區(qū)土壩均有其不同特征，土壩防汛應(yīng)急信息管理要實(shí)現(xiàn)集成為一體、進(jìn)行終端集中防汛風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，需要解決信息區(qū)域共享和信息傳輸效率這兩個(gè)關(guān)鍵問題[4]。針對(duì)我國河流、湖泊、水庫土壩的堤線較長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)斷面需求較多等特點(diǎn)，土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)盡量應(yīng)用技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用方便、經(jīng)濟(jì)適用、精確可靠、耐久性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備。但是，當(dāng)前我國水利工程多采用點(diǎn)式傳感器，只能測(cè)取某一點(diǎn)或某一段土壩病害的工程參數(shù)，并不適用于大江、大河、湖泊等大范圍監(jiān)測(cè)。鑒于分布式光纖傳感器能在數(shù)百米至數(shù)十公里內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能的動(dòng)、靜態(tài)多參數(shù)的監(jiān)測(cè)，因此，可采用光纖傳感器來真正實(shí)現(xiàn)大范圍土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)問題。

4 結(jié) 語

土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急處理問題已經(jīng)是各級(jí)水利管理部門和公眾所關(guān)注的公共熱點(diǎn)問題。土壩防汛的風(fēng)險(xiǎn)因子及風(fēng)險(xiǎn)成因大都與土壩的滲漏或滲透破壞有關(guān)，對(duì)滲透及破壞進(jìn)行檢測(cè)是土壩防汛的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而我國土壩多興建于新中國初期，大壩病險(xiǎn)嚴(yán)重，且大都屬于內(nèi)部隱患隱情，因此土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理需要無損性的、高分辨能力的檢測(cè)技術(shù)，而且需要加快土壩防汛風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)的研制與開發(fā)，為我國防汛風(fēng)險(xiǎn)管理提供技術(shù)保障。

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