混凝土堤防工程健康诊断探讨

　　编者按：1998年洪水后，堤防安全问题日益引起社会各界的关注。2007年1月，水利部专门成立了堤防安全与病害防治工程技术研究中心。该研究中心在借鉴其他工程领域健康诊断研究的基础上，提出了堤防工程健康诊断思想，并积极开展了堤防工程健康诊断理论和方法研究。本文针对堤防工程健康诊断思想进行一些探讨，希望能起到抛砖引玉的效果，引起国内外研究学者的共同关注。

　　堤防工程健康诊断是利用原型诊断、实体模型和数值模型诊断来获取堤防或单位堤段的基础诊断资料，通过对各种定性或定量基础诊断资料的分析处理，研究建立健康诊断多层次指标评价体系，以此来综合诊断单位堤段中已有的或潜在的危险及其严重程度，并以既定指数、等级或概率值等来定量和定性描述堤防工程的健康状况，为堤防工程管理和防汛抢险动态决策提供科学依据，其内容主要包括堤防工程健康专项诊断技术、堤防病害分析诊断和堤防健康综合诊断理论与方法三大方面。

堤防工程健康专项诊断技术

　　1．原型诊断

　　目前，堤防工程健康专项诊断技术多以堤防安全监测、堤防隐患探测及堤防安全检测等技术手段为主，另外还包括人工巡视检查法等。

　　有关堤防监测、探测和检测方面的技术和方法研究现在国内开展得比较多。在堤防监测方面，重点监测项目主要包括地下水位监测、堤基渗透压力和渗漏量监测、堤身浸润线和沉降监测、穿堤建筑物与基础及堤身接触面的渗漏渗压监测、建筑物与堤身结合部位的不均匀沉降监测、建筑物变形监测等；在堤防隐患探测方面，许多比较先进的隐患探测新技术被应用到工程实践中，包括ZDT－I型智能堤坝隐患探测仪、SD－1瞬变电磁仪、MIR－IC直流数字电测仪、分布式高密度电阻率探测系统、分布式光纤传感技术、聚束直流电阻率法以及地质雷达等；而堤防安全检测主要是通过检测堤防工程在特殊气候、异常水情或运行状况严重异常时可能存在的缺陷、隐患和险情，来判断堤防工程的短期健康状况，为堤防维护、维修与管理决策提供依据和指导。堤防安全检测主要是采用探地雷达、电阻率成像仪、电磁剖面仪、多波束声纳以及水下钻孔电视摄像系统等仪器设备来进行渗流场、温度场以及位移场的安全检测。

　　2．实体模型诊断

　　在堤防工程施工、正常运行以及防汛等时期，原型诊断技术在提防工程健康诊断中积累的大量资料是对堤防工程健康状况的真实反映。但实际上，目前积累的大量健康诊断图谱资料因受科学技术发展水平的限制以及测点数量及空间分布的制约，只能反映一定条件下堤防健康状况的变化，缺乏诊断图谱资料与堤防实际状况的对比研究，因此，在实际运用过程中，降低了图谱资料的可信度和实用性。实体模型正好弥补了原型诊断的不足，通过对堤防原型的模拟试验，可以为堤防健康诊断提供大量详细的模拟观测资料和对比资料。

　　3．数值模型诊断

　　通过实体模型获取的堤防观测资料虽然在一定程度上弥补了原型诊断的不足，但由于受模型试验手段、比尺关系、复杂地质条件模拟以及试验经费等方面的制约，实体模型仅能为一些典型堤防段提供重要诊断依据。因此，开展堤防数值模型分析十分必要。数值模型分析是堤防健康诊断的前提，其模型的正确性和准确性直接影响着健康诊断结果。

堤防病害分析诊断

　　堤防病害是堤防工程本身存在的隐患和汛期堤防发生险情的统称。其中隐患病害主要指埋藏于堤身及堤基内的动物洞穴、腐朽树洞、决口的老口门以及堤身裂缝等；险情病害主要指堤防遭遇洪水期间出现的渗水、管涌、漏洞、崩岸、漫溢等。

　　堤防病害诊断是研究堤身、堤基、穿堤建筑物、水闸工程及护岸工程病害的发生及发展变化规律的一门技术。其主要任务是运用专项诊断技术研究堤防病害的成因、机理及形态、特征和动态变化，并研究各种病害的鉴别方法，从而为从根本上防治堤防病害、保障堤防运行和管理安全提供理论基础。

堤防工程健康综合诊断理论和方法

　　堤防工程健康综合诊断系统是一个多项目、多层次的递阶分析系统，其内容包括综合诊断结构体系、健康评价标准设计、诊断指标度量方法和综合诊断方法四个方面。

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　　1．健康综合诊断结构体系

　　堤防工程健康综合诊断结构体系，其诊断指标包括底层诊断指标和多层中间诊断指标。堤防工程的整体健康状况由堤身、堤基、穿堤建筑物、水闸工程及护岸工程的健康状况来综合反映，而各部分的健康状况又可利用健康专项诊断技术中的几种或全部进行诊断，因此诊断指标的拟定主要是从堤防病害分析诊断以及堤防安全监测、检测和探测项目的拟定角度来综合考虑的。可设置堤防健康综合诊断结构层次如下图所示。

　　2．健康评价标准

　　诊断指标是堤防工程健康综合诊断递阶分析系统的基石，要对堤防工程的健康状况进行诊断，还必须对所拟定的诊断指标特性的优劣状况做出适当评价。亦即将堤防工程健康状况划分为若干个可度量的健康等级，并确定各健康等级的含义。目前，许多研究学者倾向于将各层诊断项目的健康状况划分为四个等级，即健康、亚健康、病变、危情四级。健康指堤防工程的实际工况和各种功能达到了现行规程、规范、标准和设计的要求，只需正常的维修养护即可保证其安全运行；亚健康指各项监测数据及其变化规律处于正常状态，在设计洪水位下，按照常规的运行方式和维护条件可以保证堤防工程安全；病变指堤防工程的功能和实际工况不能完全满足现行的规程、规范、标准和设计的要求，可能影响堤防工程的正常使用，在汛期险情数量较多，需要进行安全巡查，确定对策；危情则指按现行规程、规范、标准和设计要求，堤防工程存在危及安全的严重缺陷，汛期运行中出现重大险情的数量多。

　　对堤防健康进行综合诊断，其相应等级的健康评价标准除了定性描述外，还需进行定量描述，研究拟利用某些相关集合理论和函数，给出堤防健康状况的级别和各指标对健康状况影响程度的量化描述，即建立定性和定量指标相结合的健康评价标准。

　　3．健康综合诊断指标度量方法

　　指标的度量方法和赋权方法有很多，比较常用的度量方法包括数值计算、模糊统计法、专家调查法和区间平均法等，赋权方法则包括层次分析法、主成分分析法、乘积标度法等。吴中如院士在混凝土坝健康综合诊断结构体系指标的度量方法研究方面开展了大量的科研工作，值得借鉴。

　　4．健康综合诊断方法

　　堤防工程健康综合诊断的难点在于如何运用递归运算方法将多个诊断指标的健康值综合为能反映研究对象的健康状况的健康值。在混凝土坝的健康综合诊断方法研究中，吴中如院士主要利用物元变换和可拓集合理论，进行逐层量化递归运算，给出混凝土坝整体健康的类别归属和性能值，从而对大坝健康进行分析诊断。但对堤防的健康综合诊断方法研究还有待进一步探讨。

　　堤防工程健康诊断涉及的因素众多，问题复杂，目前还处于初级探索阶段，有许多研究开发工作要做。今后，堤防安全与病害防治工程技术研究中心将持续深入地开展相关方面的研究和探讨，为中国堤防事业的健康发展做出应有的贡献。