0.   引言

为贯彻落实党中央、国务院防灾减灾救灾工作重大部署，提升国家防灾减灾救灾能力，保障人民生命财产安全和国家社会经济安全可持续发展，“十三五”期间，科技部会同相关部门和地方，设计了国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项。2018年11月，“堰塞坝险情处置与开发利用保障技术与装备研发”经公示立项，对应指南“重大水旱灾害监测预警与防范”方向，项目由南京水利科学研究院牵头，中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司、河海大学、中国水利水电科学研究院、清华大学、中国水电基础局有限公司、武汉大学、四川大学、长江勘测规划设计研究有限责任公司、中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司共10家单位共同参与。项目围绕堰塞坝险情处置与开发利用安全保障需要，通过三年时间联合攻关，解决了基于堰塞坝形成机理和探测技术的堰塞坝病险情分析理论、堰塞坝长期工作性态演变机理、堰塞坝开发利用评价和设计及堰塞坝安全评价理论等关键科学问题，研发了堰塞坝病险情探测识别、堰塞坝险情空天地一体化监测、堰塞坝原位检测以及堰塞坝料试验、堰塞坝综合整治等创新性技术成果与装备，形成了堰塞坝整治技术安全评价与运行管理系统，构建了堰塞坝开发利用安全保障成套技术支撑体系，为堰塞坝险情处置和开发利用工程建设及其长效安全运行提供了有力的科学依据和技术支撑。本文就项目研究背景、关键科学技术问题、主要研究内容、主要创新成果和成果应用示范情况等进展情况作简要介绍。

1.   项目研究背景

堰塞坝常常伴随着地质灾害而产生，在世界各地山区广泛分布，如2008年“5·12”汶川地震形成以唐家山为代表的大小堰塞坝30余座。2018年10月11日7时10分许，西藏自治区江达县波罗乡境内发生山体滑坡，造成金沙江断流并形成堰塞湖。完成堰塞坝应急抢险后，对堰塞坝进行病险情处置、加固处理及开发利用，使之成为调蓄水库和绿色电站，具有良好的社会经济效益。

20世纪80年代以来，国内外专家已经对堰塞坝形成条件和机制、失稳溃决特性及稳定分析方法、应急除险技术等开展了相关研究。汶川地震发生后，有关单位相继开展了“震损水库及堰塞湖风险评估与处置关键技术研究”等多个堰塞坝相关的国家和行业科研项目研究，中国在堰塞坝应急处置技术方面的研究得到快速发展（图 1）。2009年，水利部颁布实施了《堰塞湖应急处置技术导则：SL 451—2009》等行业技术标准，在甘肃舟曲特大山洪泥石流堵江等堰塞湖应急处置中发挥了重要作用。目前，虽然中国在堰塞坝应急处置方面的技术发展迅速，但是在堰塞坝开发利用评价理论、病险情处置、勘察设计、加固处理与安全保障等技术方面存在明显不足，在险情处置、开发利用及长效安全运行工作方面面临重大科技挑战，在堰塞坝险情处置和开发利用工程建设及堰塞坝长效安全运行相应理论和技术缺乏系统研究^[1-2]。

图  1  近年中国典型堰塞坝及险情处置实例（白格、米林、唐家山、红石岩）

Figure  1.  Examples of typical barrier dams and dangerous situation disposal in China in recent years

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问题挑战1：堰塞坝形成诱因、形成机理和特征有所不同，有待开展基于堰塞坝形成机理基础上的堰塞坝体病险情隐患探测和识别技术研究，针对性地进行加固处理和开发利用；为满足堰塞坝应急抢险需要，目前基于遥感观测等技术对堰塞坝及高边坡形态进行监测的技术逐步得到应用，但仅限于单项技术的应用，为满足堰塞坝加固处理和开发利用需要，识别和评价堰塞坝空间结构和物性参数（密实性、级配、均匀性和结构特性）的监测和原位检测技术有待深化研究；堰塞坝料的室内试验研究以往多参照土石坝有关规范进行，但两者间存在显著差别，亟需研究适用于超宽级配堰塞坝料的室内试验方法并开发相应试验设备。

问题挑战2：堰塞坝应力变形和渗流特性及稳定性分析大多按照土石坝的理论方法，但与常规土石坝不同，滑坡形成的堰塞坝体与基础、库岸边坡存在着天然的复杂联系，堰塞坝复杂体系工作性态和安全性的演化，是现有的分析理论方法难以合理考虑的，涉及土与结构相互作用、多过程耦合分析、多尺度理论等非线性力学和岩土工程等领域的交叉创新，亟需深入研究堰塞坝多体多过程相互作用特性及长期工作性态演变机理，发展出复杂条件下堰塞坝变形、渗流与稳定性的大规模一体化计算方法。

问题挑战3：国内外针对堰塞坝的研究工作主要集中于堰塞湖应急抢险方面，关于堰塞坝开发利用的相关研究少见报道。目前国内外直接利用堰塞坝或堰塞湖的工程案例很少，缺乏相应的开发利用评价方法、设计技术、综合治理技术、加固处理技术、安全监测和安全保障技术成果，亟需开展深化研究，为堰塞坝开发利用提供理论与技术支撑。国内正在进行综合开发利用的仅有中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司负责设计的牛栏江红石岩堰塞坝整治工程^[3]。通过对多个典型堰塞坝应用示范工程开展深入研究，形成堰塞坝安全评价与运行管理系统，构建堰塞坝开发利用安全保障技术成套支撑体系，可为指导堰塞坝险情处置及开发利用奠定良好基础。

2.   研究目标与内容

2.1   项目研究目标

作为“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项支撑重大水旱灾害监测预警与防范任务方向，“堰塞坝险情处置与开发利用保障技术与装备研发”项目立足于整体提升中国堰塞坝险情处置与开发利用安全保障的科技水平，有效保障人民生命和财产安全提供科技支撑，重点解决堰塞坝病险情分析理论、堰塞坝长期工作性态演变机理、堰塞坝开发利用评价和设计及其安全评价理论等3大关键科学问题，突破堰塞坝病险情探测识别与评价技术、堰塞坝原位检测及其坝料试验技术、堰塞坝长期工作性态一体化计算技术、堰塞坝病险情处置和加固技术、堰塞坝开发利用评估和设计技术、堰塞坝一体化监测和预警技术等关键技术并研发8套技术装备，构建基于BIM技术的堰塞坝综合治理安全保障技术平台，在3个以上不同类型堰塞坝工程开展示范应用。

2.2   主要研究内容

项目设置了六大任务目标，即6个课题开展研究工作，课题设置、承担单位及负责人如表 1，各课题间逻辑关系如图 2。

表  1  课题设置情况表

Table  1.  Arrangement of tasks

序号	名称	承担单位	负责人
1	堰塞坝病险情辨别与探测技术	河海大学	王环玲
2	堰塞坝空间结构识别及材料参数空间变异特性与试验技术	中国水利水电科学研究院	赵春
3	堰塞坝长期工作性态演变机理与一体化分析方法	清华大学	张嘎
4	堰塞坝改良加固专用技术与装备研发	中国水电基础局有限公司	肖恩尚
5	堰塞坝开发利用理论与安全评价体系	南京水利科学研究院	何宁
6	堰塞坝综合整治技术及工程应用示范	中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司	张宗亮

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图  2  课题间逻辑关系图

Figure  2.  Logical relationship among tasks

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3.   关键科学技术问题

围绕任务目标，“堰塞坝险情处置与开发利用保障技术与装备研发”项目着重解决3个关键科学问题。

（1）基于堰塞坝形成机理和探测技术的堰塞坝病险情分析理论。研究地震动力高边坡失稳破坏形成堰塞坝险情过程与演化机制，揭示地震滑坡灾变的时空响应机制和演化规律，建立堆积颗粒土体的动态本构模型和分析方法。

（2）堰塞坝长期工作性态演变机理。研发堰塞坝材料物理力学特性声波等原位检测技术和装备；研究准确描述高边坡及堰塞坝几何特征的新方法；研究堰塞坝材料室内试验技术和方法，研究堰塞坝材料长期变形特性；研究堰塞坝材料参数空间变异性，建立堰塞坝材料物理力学参数数据库；针对堰塞坝坝体、基础及库岸构成的多体多尺度相互作用系统，着重考虑材料强非线性、界面强非连续、多过程耦合效应等复杂条件，从机理入手着力于研究一体化的大规模、精细化数值计算方法，准确分析高边坡、堰塞坝结构一体化的变形、渗流与稳定性状，揭示堰塞坝长期工作性态演变机理。

（3）堰塞坝开发利用评价和设计及其安全评价理论。多层次多因素决策的堰塞坝开发目标论证数学模型和堰塞坝开发利用必要性和合理性的决策方法，堰塞坝开发利用评价方法与设计技术；堆积颗粒土体的动态本构模型和分析方法，考虑空间变异性的堰塞坝材料参数确定方法；复杂条件下高边坡、堰塞坝一体化的大规模、精细化数值计算方法；堰塞坝安全评价理论和方法等。

本项目重点解决的关键技术问题包括：①堰塞坝病险情探测识别技术与装备；②堰塞坝病险情风险分析评价和处置技术；③堰塞坝险情空天地一体化监测技术；④堰塞坝原位检测以及堰塞坝料试验技术与装备；⑤堰塞坝病险情处置和加固技术与装备；⑥高边坡、堰塞坝一体化监测技术与装备；⑦堰塞坝开发利用综合整治技术。

4.   主要创新性成果

4.1   堰塞体病险情识别、探测与试验技术

（1）提出了地震动力高边坡失稳形成堰塞坝演化过程非连续细观颗粒材料动态本构模型及数值模拟方法（图 3），结合岩体宏细观力学参数，有效反映岩体的拉、压变形与强度特性，得到宏细观参数随应变率演化规律；基于数字图像细观介质识别与重构，利用颗粒材料软弱矿物协同，建立了反映裂隙岩体细观尺度非均质性的元胞自动机细观数值模拟方法^[4]。提出了细观数值模拟地震动力施加方法与模型边界控制方法，有效模拟地震波在岩体中传播过程；基于数值模拟与现场监测，揭示地震动力作用下岩质边坡失稳形成堰塞坝的运动特征与堆积演化，揭示了堰塞体险情形成过程与演化机理。

图  3  地震动力作用下颗粒材料动态本构模型

Figure  3.  Dynamic constitutive model for granular materials under seismic dynamic action

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（2）提出了基于模糊层次法和广义熵值法的堰塞体病险情识别和风险评估方法，辨识出地震滑坡形成堰塞坝病险情主要风险因子，建立了堰塞坝病险情综合评价指标体系，评估揭示了性态演化的多过程多体相互作用机理^[5]。开展基于COW算子赋权法的堰塞坝灰色聚类风险分析与评价，研发降低堰塞坝应急处置风险的现场专家打分快速风险评估系统；构建基于降低系统风险的堰塞坝病险情集成处置技术，建立了病险情应急风险处置技术体系（图 4）。

图  4  堰塞坝病险情应急风险处置技术体系

Figure  4.  Technical system for emergency risk disposal of diseases of barrier dams

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（3）集成研发了堰塞体外部形态和空间结构识别探测技术（图 5）。基于空天地一体化技术实现了堰塞体及高边坡的形变异常探测和预警，揭示了外部表观形态和空间变异趋势，利用地基合成孔径雷达干涉测量（GB-InSAR）并融合无人机探测获取目标对象的结构、形态和实时微小变形，对堰塞坝及高边坡的外部形态和空间变异趋势进行掌控，实现变形异常风险预警。应用于红石岩堰塞体右岸高边坡变形安全预警和高边坡分区域变形规律研究，开展了堰塞体外观岩体粒径识别技术研究，提升影像资料处理的智能化、自动化水平。

图  5  堰塞坝及高边坡的外部形态和空间变异识别探测

Figure  5.  Identification and detection of external shape and spatial variation of barrier dams and high slopes

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（4）改进研发综合勘察、原位检测和室内试验技术^[6]。通过开展孔内及地表原位检测方法研究（图 6），综合比对形成堰塞体多参数综合评价体系，揭示堰塞体物性特征和材料参数，通过波速、波幅、振动频率、频散特性等一系列堰塞坝材料物性研究，评价堰塞坝密实特性，为堰塞坝稳定性评价和施工处理提供依据。开展多项针对超宽级配堰塞坝料的室内试验（三轴对比试验、不同方法缩尺试验、击实试验、湿化试验等）并取得成果，为堰塞坝长期工作性态演变机理与评价分析奠定了基础^[7]。

图  6  堰塞坝空间结构和物性参数检测识别

Figure  6.  Detection and recognition of spatial structure and physical parameters of barrier dams

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4.2   堰塞坝长期工作性态演变机理与评价分析方法

（1）通过堰塞坝防渗结构接触特性研究，建立了土与结构界面三维弹塑性损伤本构模型和结构局部裂缝FEM（有限元）–PD（近场动力学）耦合多尺度模型（图 7）；提出了堰塞坝变形破损的跨尺度计算方法，建立了堰塞坝防渗墙破损的等效模型；基于CSUH模型框架，建立了考虑块体效应细观机制的堰塞料弹塑性本构模型，提出了复杂条件下防渗结构破损特性精细化分析方法，开发了堰塞坝防渗结构变形破损多尺度精细化数值计算软件，有效地模拟混凝土的复杂裂缝形态及其扩展过程^[8]。

图  7  FEM（有限元）–PD（近场动力学）耦合方法

Figure  7.  FEM (finite element)–Pd (near field dynamics) coupling method

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（2）建立了基于浸没边界法的LBM-DEM方法的流固耦合程序，模拟了水力作用下堰塞体颗粒侵蚀的初始化和扩散，渗流条件下颗粒体系经历了平衡—不平衡—准平衡的转换过程，颗粒的侵蚀区域与路径受到应力状态以及力链结构的影响，统计多座堰塞坝颗粒级配进特征，采用LBM-DEM方法计算分析代表性级配试样渗透特性，表明颗粒粒径分布显著影响试样内部孔隙通道的结构性，揭示了堰塞坝发生渗流侵蚀并最终破坏的细观触发机制和宏观响应（图 8）；基于混合流体简化思路将孔隙水和孔隙气视为一种可压缩的混合流体，通过建立混合流体和孔隙水的连续性方程，提出了基于流固耦合的渗透系数空间变异等复杂条件下堰塞坝-坝基-库岸系统渗流计算方法^[9]。

图  8  不同水位条件下的确定性分析结果（渗透系数保持常数）

Figure  8.  Deterministic analysis results under different water level conditions (permeability coefficient keeping constant)

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（3）通过试验观测堰塞料的宏观力学特性与细观组构响应，建立了堰塞料宏细观一体化本构模型，合理描述了堰塞料的非线性、压硬性、剪胀性等基本宏观力学特性；发展了堰塞坝料破碎演化方程和界面流变模型；通过自主研发的堰塞坝离心模型试验，揭示了堰塞体与防渗结构、堰塞体与基础边坡之间的相互作用机理，提出了堰塞坝与边坡一体化长期变形分析方法，开发了数值计算软件。依托红石岩堰塞坝工程开展堰塞坝一体化计算，分析得到堰塞坝空间变异性随机性特征，研究了架空结构及渗透空间变异性对堰塞坝应力变形与渗流特性的影响规律，揭示了堰塞坝工作性态变异规律（图 9）。阐明了从施工、蓄水到运行过程的堰塞坝变形、破损、渗流等工作性态，揭示了堰塞坝长期工作性态演变机理和空间变异规律^[10]。

图  9  红石岩堰塞坝工程蓄水运行期典型纵剖面应力变形分布

Figure  9.  Distribution of stress and deformation of typical longitudinal section of Hongshiyan dam project during water storage and operation

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4.3   堰塞坝开发利用理论与综合整治技术体系

（1）堰塞坝开发利用分析方法和综合评价体系与模型。根据堰塞坝开发利用分析要求，通过全面获取堰塞坝开发利用评估基础数据，提出了包括防洪减灾要求分析、供水灌溉要求分析以及发电要求分析在内的堰塞坝整治开发综合利用分析理论与方法，结合区域经济发展和社会需要，分析评估了堰塞坝开发利用的经济社会效益；根据环境影响、社会效益和经济效益等方面评价要求，构建了堰塞坝开发利用综合评价指标体系（图 10），应用多目标综合决策指标体系、多层次多目标决策建立了开发利用评价数学模型和综合评价方法，得到国内多座典型堰塞坝开发利用综合评价结果，其中红石岩堰塞坝、唐家山堰塞坝开发利用综合效益较高，舟曲泥石流堰塞坝、白格堰塞坝综合效益较低，为堰塞坝开发利用经济社会效益分析评估和综合评价提供理论和实践依据，解决了堰塞坝开发利用分析和量化综合评价的关键技术问题。

图  10  堰塞坝开发利用综合评价程序软件界面

Figure  10.  Software interface of comprehensive evaluation program for development and utilization of barrier dams

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（2）堰塞坝开发利用综合勘察设计技术体系（图 11）。应用无人机、倾斜摄影技术等先进技术，开展堰塞湖核心及相关区域地形测量，获取相关地形及灾害数据，提出了适合堰塞坝的三维地形模型构建技术^[11]。针对堰塞堆积体地形起伏较大，大孤石、块石多，架空现象严重，堆积深厚，且物质组成不均匀、无明显层状结构，绝大多数物探方法不具备作业条件的难题，采用被动源面波法、瞬变电磁法、水上折射波法、高密度电法、综合测井等相结合的综合物探方法，创新了水上地震折射数据采集方法、开发了滑坡体综合物探方法解释软件，并参考地质测绘、重型勘察成果进行综合解释，可有效提高勘探精度，实现了堰塞坝物质不均性、相对密实情况、空间分布及底界面深度的准确探测。用地质测绘、地形数据、综合物探数据、重型勘探（含大竖井）数据等，基于自主研发的三维地质系统，构建了堰塞湖核心区的三维地质模型（图 12），为综合整治设计提供了可靠的数据依据，可全面准确展现各阶段工程地质条件，实现了地质模型与建筑物模型的融合、地质与设计的三维无缝对接和CAD/CAE集成应用。

图  11  堰塞坝综合勘察技术体系

Figure  11.  Comprehensive investigation technology system of barrier dams

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图  12  红石岩堰塞坝核心区三维地质模型

Figure  12.  Three-dimensional geological model for core area of Hongshiyan barrier dam

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以红石岩堰塞坝整治开发利用典型工程为例，研究提出了堰塞坝整治工程泄水建筑物、高陡边坡稳定加固和堰塞坝及其基础防渗加固等关键技术与设计优化方法。通过堰塞坝高陡边坡岩体力学参数反演，开展基于FLAC^3D的边坡破坏模式、基于非连续变形分析（DDA）的破坏过程数值模拟，确定高陡边坡主要受控因素，对高陡边坡不同分区采用不同的加固治理设计方案；对比混凝土防渗墙和自流控制灌浆防渗两种方案，综合提出堰塞体采用防渗墙+防渗帷幕、两岸通过灌浆洞帷幕灌浆的坝体及其基础防渗加固设计方案，形成了堰塞坝开发利用工程关键部位优化设计技术体系（图 13）；通过堰塞坝各阶段结构整体性及其他部位衔接设计计算，构建了堰塞体与周边山体衔接加固和堰塞体与水工建筑物衔接加固设计技术。

图  13  红石岩堰塞开发利用设计技术体系

Figure  13.  Development and utilization design technology system for Hongshiyan barrier dam

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（3）研发了堰塞坝开发利用改良加固专用技术。通过研发堰塞料强夯模型试验装置，开展唐家山、易贡、舟曲宽级配堰塞料进行强夯、振冲和冲击碾压试验，建立了堰塞料强夯数值计算模型并得到其密实效果，从宏微观角度分析堰塞料密实机理；研发松散堰塞料动力密实装置及采集系统，通过应力发展、变形累计、颗粒破碎及颗粒运动特征，揭示其动力密实机理并分析其和加固效果；研究提出了强夯、振冲、冲击碾压3种松散堰塞料的动力密实技术。

（4）研发了复杂地质条件百米级松散堰塞坝防渗体系施工关键技术与装备。开展堰塞坝混凝土防渗墙加固技术和装备研发，提出了成墙钻孔过程中的预爆破方法（图 14），形成优化气浆混合堵漏的成槽堵漏技术；优化灌浆方式及灌浆工艺参数，研发新型灌浆材料并进行室内及现场试验；设计优化自动拔管机结构，现场试验验证装备效果，研发低净空液压跟管钻机。开发了堰塞体跟管钻进造孔技术并研发了配套施工装备，解决了百米级堰塞坝防渗墙施工及其基础帷幕灌浆加固技术难题。

图  14  全液压跟管钻机预灌预爆孔

Figure  14.  Pre-filling and pre-blasting hole of full hydraulic pipe following drill

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（5）堰塞坝动态安全监测、安全评价与预警技术体系。开展了堰塞体内部水平位移分布式传感测量监测技术、基于并联式大量程位移计的堰塞体内部沉降及其基础变形自动化监测技术等研发与实际应用；研发了从感知层、网络层到运用层的安全监测智能采集成套装备，提出了基于现代物联网技术的库岸边坡施工期智能安全监测方案，构建了堰塞坝-高边坡全生命周期一体化监测技术体系^[12]，用于堰塞坝整治开发及长期利用过程安全监测，验证了技术方法用于滑坡和堰塞坝开发利用中安全监测的可行性及可靠性。

基于多源信息融合理论构建了堰塞坝的安全诊断模型；建立了能够反映堰塞坝堰塞模式、处置方式、河谷形态等基本结构特征的概化模型，计算揭示了不同类型堰塞坝的应力变形特征；提出了用于待反演参数及测点位置联合优选的“参数-测点优选度”方法，实现了不考虑参数空间变异情况下的堰塞坝材料力学参数实时反演、多材料“解耦”反演以及材料空间变异参数随机反演；基于广义熵值法、神经网络法和模糊层次分析法，建立了堰塞坝的安全预警模型和安全评价指标体系，分析了报警指标、预警权重和预警阈值等确定方法，解决了堰塞坝安全评价与预警技术等关键技术问题，为堰塞坝整治工程安全保障提供技术支撑。

4.4   仪器装备与材料研发

（1）堰塞体原位堆积材料钻孔内弹性波检测仪

为满足堰塞坝等松散体中检测的需求，从震源、接收器和数据采集器等方面改进研发了堰塞体原位堆积材料钻孔内弹性波检测仪（图 15），制造了初代设备。通过设计研发新型电火花探头震源，在探头内部预埋光纤，解决了由于电火花激发时产生的高电压、大电流的干扰，能精准的获取震源激发的时刻；数据采集器技术指标从传统的最小采样间隔100 μs，动态范围大于110 dB，提高到最小采样间隔5 μs，动态范围大于125 dB。经过与现有设备进行对比测试，显著改进其触发时间准确性，大幅提高采集信噪比和精度。

图  15  松散堆积材料钻孔内弹性波检测系统

Figure  15.  Elastic wave detection system in borehole of loosely accumulated materials

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（2）堰塞体结构隐患探测设备与数据采集装置

基于多源面波法及弹性波CT技术，研发堰塞坝堆积体结构特征隐患探测辨识技术装备，揭示地震滑坡形成堰塞坝的堆积体内在结构特征^[13]。对红石岩堰塞坝和白格堰塞体开展查勘和现场试验，测试成果显示出了滑坡体的厚度及边界（图 16），为滑坡稳定性计算分析及危险性评价提供有效证据。面波法有效探测深度为30~60 m，速度结构特征分布明显；可根据速度有效区分岩体结构分布；探测出滑坡体厚度与边界，探测深度可达到180 m。

图  16  红石岩堰塞体面波波速剖面

Figure  16.  Wave velocity profile on surface of Hongshiyan barrier dam

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（3）堰塞体渗漏通道隐患探测设备

提出了堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法，设计研发了新型渗漏检测技术，将伪随机辩识技术应用于磁电勘探技术中，提高其精度及抗干扰能力；结合磁通门磁传感器与传统的伪随机激电仪器，使用伪随机电流代替传统交变电流，利用相关辨识原理进行磁场的降噪处理，研发了适用于堰塞坝渗漏通道磁电勘探设备；通过电流环路试验、水槽渗漏通道探测试验、土石坝模型渗漏通道探测试验及红石岩堰塞坝现场试验等验证了工作性能^[14]。测量系统简单便携，对地形适应性强，可满足各种复杂地质条件要求，在检测渗漏通道等良导地质体上具有技术优势，揭示了堰塞坝堆积体渗透结构和渗流通道特征（图 17），形成了堰塞坝堆积体渗透结构和渗漏路径辨识技术。

图  17  典型渗流通道模型磁场平面分布图

Figure  17.  Plane distribution of magnetic field in typical seepage channel model

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（4）高精度分级加载超大型高压水平渗透试验设备

针对目前堆石料渗透系数试验一般采用直径为30 cm的大型渗透试验仪、最大试验粒径为6 cm的现状，与堰塞坝材料近10 m的最大粒径相比，缩尺效应非常明显；现有大型渗透试验水流方向自下而上，与堰塞坝建成之后的水平渗透实际不符，仅能开展单层料渗透试验。为准确测量并掌握不良超宽级配堰塞坝料的渗透性能，研发了长为1 m，宽为1 m，渗径长达1.5 m且可变渗径的大型高压水平渗透试验箱；通过对加压系统升级改造，将原有一级水压加载系统改造为分级加载，并将水流流量调节为0.0018^-6 m³/h，实现了水头压力的高中低顺利切换与准确测试，实现了不同水头作用下堰塞坝料渗透稳定性的准确测试^[15]。

（5）基于分布式光纤传感技术的堰塞坝内部水平位移智能监测设备

开展了基于分布式光纤传感测量的堰塞坝防渗墙及坝体内部水平位移变形与受力智能监测技术与设备研发与应用，基于研发设备的工程应用分析讨论了蓄水初期红石岩堰塞坝混凝土防渗墙及坝体内部变形与受力规律^[16]。分布式光纤传感测量监测技术能够满足混凝土防渗墙及坝体内部变形和受力监测需要和精度要求。测得蓄水初期红石岩堰塞坝防渗墙墙体变形量较小，墙体混凝土总体受压，墙体变形与受力规律受蓄水过程影响明显，沿深度方向整体向下游位移；墙体混凝土受力总体小于墙体C35混凝土材料强度指标，防渗墙保有良好的安全余量，满足工程安全需要，堰塞坝堆石体对防渗墙混凝土具有良好支撑作用；堆石体对防渗墙的支撑力存在较多的应力集中，堆石体材料呈明显不均匀性。

（6）钻孔安装的基于大量程位移计的并联式堰塞坝内部沉降监测技术与设备

提出了钻孔安装的基于大量程位移计的并联式堰塞坝内部沉降及其基础变形自动化监测技术与设备，位移传感器为高精度、大量程（可达1000 mm）电感式大量程位移传感器，各位移监测单元的位移传感器并联连接，测量所得各个不同深度的位移相互无影响，测量监测精度能够实现毫米级；通过钻孔安装的方式，将测量各土层压缩变形的大量程位移传感器及其位移板牢固准确定位于被测土层，可提升堰塞坝内部沉降及其基础变形测量的准确性；各安装组件均设计为装配式，便于现场快速组装和安装，适合堰塞坝现场快速埋设实施，并可实现远程自动化实时测量。

（7）百米级松散堰塞坝防渗墙施工装备——全自动智能拔管机

针对百米级松散堰塞坝防渗墙施工要求，研发了施工装备新型全自动智能拔管机，采取抱、卡结合方式，由电脑判断起拔时间并自动起拔，压力异常自动报警，降低了人为失误，提高了防渗墙施工的拔管成功率。设备液压系统设计工作压力25 MPa，设计垂直起拔力约3800 kN（卡键式，油缸顶升），设计抱紧力约2400 kN；拔管机机械形式采用抱紧式，为兼顾卡键式拔管的需要，设计选配使用浮置式顶升架；接头管型式采用圆柱开槽式，兼顾抱紧式及顶升式拔管使用，连接方式采用插销式，直径采用900 mm；导管下设起拔、接头管下设、混凝土浇筑数据及其性能参数录入电脑，控制系统根据槽孔内混凝土浇筑及导管起拔情况及混凝土性能等数据，自主起动、完成一定回次的接头管起拔并自主停止拔管；设备操作模式兼容纯液压手动、电气手动、电气自动3种操控模式。

（8）松散堰塞坝帷幕灌浆施工装备——低净空液压跟管钻机。

根据红石岩堰塞坝两岸防渗设计通过灌浆洞进行帷幕灌浆防渗加固要求，特别针对廊道低矮空间作业的结构设计研发了松散堰塞坝帷幕灌浆施工装备——FEC12-00型低净空液压跟管钻机（图 18），解决了洞内低矮空间钻孔的技术难题，提高了钻孔效率。动力源采用电机驱动，噪音低、无废气排放，改善了作业环境，扭矩大、运行平稳、可实现转速调节，适应复杂地质条件下跟管钻孔；液压系统设计采用了负载敏感系统，减少了动力无谓消耗，节能环保，降低了施工成本；可远离钻孔点进行无线遥控钻孔操作，降低了操作者的劳动强度；采用履带行走和臂架结构，在廊道内可灵活施工，凿孔时可对凿孔位置进行微调，保证凿孔施工精度要求，性能稳定，复杂孤石层中的凿孔速度达到5 min/m，复杂地层中钻孔达到50 m/d。

图  18  松散堰塞坝帷幕灌浆施工装备——低净空液压跟管钻机

Figure  18.  Curtain grouting construction equipments for loose barrier dam—low clearance hydraulic pipe following drill

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（9）针对松散堰塞体材料改良加固的改性砂浆和改性混凝土材料。

a）受现有自流灌浆材料性能限制，自流控制浆液无法实现对毫米级以下的缝隙形成有效的填充，分层度、保水性等浆液稳定性指标差，抗水流稀释能力差，固结体力学强度不高。通过大量室内试验分析比选合适的体积水粉比、体积砂率、复合外加剂的掺量，优选出四组改性砂浆配合比，定量分析超高、高、中等不同流动性的改性砂浆基本性能（图 19），各配比砂浆固结体渗透压力为0.6 MPa，渗透系数均在10^-9 m/s量级，灌浆技术对于砂砾石地层一般达到的工程效果，渗透系数取为5×10^-7 m/s，该系列配比改性砂浆流动性能良好、稳定性优良、抗水流稀释能力强、固结体力学强度高，抗渗性能好，满足堰塞坝改良加固工程不同工况的需求。

图  19  松散堰塞体材料改良加固改性砂浆

Figure  19.  Loose barrier dam material-improved reinforcement modified mortar

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b）通过在改性砂浆中掺加粗骨料的方式研发了松散堰塞体复杂地质条件灌浆的改性混凝土，结合自密实混凝土相关规范要求及研究成果，确定粗骨料的最大粒径、级配及形态以及与流动性能优异的砂浆进行混合时的体积比例，按照配比配制自密实混凝土，测试其流动性、稳定性、抗水流稀释及固结体力学性能，鉴于改性砂浆良好的抗渗性能，自密实混凝土固结体具有优良的力学强度，其固结体防渗性能满足工程应用需求。改性混凝土具有良好的抗水流稀释能力，静水环境对于混凝土稳定性及力学性能影响较小，水下试模质量损失率最大为5.7%，固结体抗压强度最大损失率约为7.4%。该系列配比改性混凝土具有良好扩展度、填充性及稳定性，抗水流稀释能力强、固结体力学强度高，能够满足堰塞坝改良加固工程松散堰塞体复杂地质条件不同灌浆工况的应用需求。

5.   成果应用示范

5.1   红石岩堰塞坝综合整治工程集成应用示范

（1）应急抢险数据采集与处理

提出了基于分布式水文模型的乏资料地区水文泥沙计算方案，利用无人机、遥感卫星、InSAR和三维激光扫描仪快速获取地形资料，快速制作满足应急抢险需求的地形图、数字高程模型、地形三维模型，进行变形监测分析。

（2）堰塞湖风险识别及评估

识别和评估了水文气象、地形地质、堰塞体危险性和溃决损失等4个方面的灾害风险，红石岩堰塞湖作为大型堰塞湖，堰塞体溃决损失严重性为严重，应急处置期洪水标准为5 a一遇（P=20%）。

（3）应急处置

根据堰塞体多种工况下渗流及坝坡稳定性分析^[17]，堰塞体在最高水位1222 m及以下水位挡水时，渗透稳定、变形稳定、坝坡稳定均满足要求，红石岩堰塞体是安全的。红石岩堰塞湖上游有已建小岩头电站和德泽水库，下游天花板混凝土拱坝和黄角树混凝土面板堆石坝；应急处置采取开挖泄流槽的措施，泄流槽开挖至1208 m，底宽不小于5 m，开挖后泄流槽具有较强的应急泄洪能力，可快速降低湖前水位，避免对上游电站和水库的影响；同时开挖深泄流槽措施后，红石岩堰塞湖遭遇上游洪水时最大可减小溃堰库容约1亿m³，降低溃堰洪峰流量，有效降低对下游天花板和黄角树水库大坝和电站整体安全影响。

（4）综合整治与开发利用

通过对红石堰堰塞坝开发利用分析与综合评价，应用综合勘察设计技术体系，首次将综合物探技术和重型勘察技术集成应用于复杂条件下的堰塞坝勘察，查明了堰塞坝物质不均匀性、相对密实情况、空间分布及底界面深度^[18-19]，工程设计采用堰塞体、坝基及两岸岸坡进行防渗加固及堰坡部分整治，堰塞体防渗处理采用防渗墙及帷幕灌浆相结合的方案。通过堰塞坝综合勘察设计技术体系、长期工作性态演变与一体化计算分析方法、加固技术与装备、动态安全监测、安全评价与预警技术体系等成果的集成应用（图 20），保证了红石岩堰塞坝综合整治和开发利用的顺利实施，保障了工程安全。

图  20  堰塞坝应急处置全专业协同设计与全生命周期智能安全运行平台

Figure  20.  Full discipline collaborative design and full life cycle intelligent safe operation platform for emergency disposal of barrier dams

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作为世界首例“应急抢险—后续处置—整治利用”一体化的水利枢纽工程（图 21），2020年6月22日，红石岩堰塞坝整治工程首台机组并网发电，运行后堰塞坝渗流量微小、变形稳定，工程运行安全，实现了消除地震可能引发洪水等次生灾害、工程防洪标准提高到2000 a一遇等防洪减灾功效，可为8.08万人供水，满足6.62万亩农田灌溉，形成水库总库容1.85亿m³，能够提供装机容量20.1万kW、年发电量8亿千瓦时的清洁电力，经济社会与生态环境效益极为显著。

图  21  整治后的红石岩堰塞坝工程

Figure  21.  Hongshiyan barrier dam project after regulation

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5.2   唐家山堰塞坝整治工程勘察评价应用示范

对唐家山堰塞坝进行现场调研，采用无人机对唐家山堰塞坝及周边进行航拍，建立了唐家山堰塞坝三维数字模型，研究了唐家山堰塞坝现今形态与规模。基于试验成果，开展了综合稳定性宏观判断与定性分析，唐家山堰塞坝经历近12 a的河流下切、降雨、整治等地表改造，主要经历了“2010-08-19”和“2013-07-09”两次洪水自然灾害的影响，残余的堰塞体依然整体稳定；唐家山滑坡体高陡的后壁在各种工况下基本稳定，发生较大规模的滑坡可能性较小，唐家山滑坡后缘山体整体基本稳定，主要表现为坡面的小规模崩塌。

利用大比例尺地质测绘、无人机测绘、数值分析等技术手段，充分利用唐家山堰塞坝相关勘探试验、研究成果，对唐家山堰塞坝综合整治与评价开展示范研究^[20]。开展了唐家山高速地震滑坡堰塞坝形成机理、堆积形成过程及空间结构和材料参数的分析研究；通过研究泄流后堰塞坝整体与局部稳定性，唐家山堰塞坝右岸高边坡稳定性、泄流后形成的天然泄流槽行洪能力复核、相关影响对象调查等内容，系统地对唐家山堰塞坝安全性进行研究；在安全评价结果的基础上，提出堰塞坝综合整治与利用方案。

5.3   舟曲泥石流堰塞坝开发利用综合评价应用示范

针对舟曲泥石流堰塞坝淤积体来源特点，开展堰塞坝病险情辨别应用研究，识别堰塞坝淤积体空间结构，开展其材料参数的空间变异特性实验应用研究，分析舟曲泥石流堰塞坝安全性态演变，开展舟曲泥石流堰塞坝开发利用综合评价。

综合考虑堰塞体材料组成特性、过流特征及相关堰塞湖处置经验，舟曲泥石流堰塞坝可能发生的溃决方式为下游堰塞体冲刷失稳溃决模式，计算得舟曲泥石流堰塞坝溃决洪峰流量低于白龙江20 a一遇的防洪标准，堰塞坝溃决不会对下游城镇和居民带来较大风险；泥石流堰塞坝灾害损失主要是堰塞湖壅水淹没大量房屋和道路，应以尽快清除堰塞体、降低堰塞湖水位、恢复县城居民正常的生活工作条件为应急抢险措施（图 22）。

图  22  舟曲县三眼峪泥石流沟口综合整治现状

Figure  22.  Present situations of comprehensive treatment of debris flow gully in Sanyanyu, Zhouqu

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根据各影响因素指标评价结果，舟曲泥石流堰塞坝安全性指标得分较高，其他影响因素可以归结为开发收益性因素，整体评分低，治理开发可行性评分较低，开发利用综合效益评分较低，熵值计算得分区间属于效益较低与效益低之间，开发利用综合效果较差，不适宜进行后期治理开发，应以治理清除为目标，不进行开发收益。

5.4   白格堰塞坝堆积体结构隐患探测技术应用

基于高密度电法及多源面波法，研发磁测电阻率探测及面波法设备，应用于白格堰塞坝堆积体结构特征探测。有效区分大块石、破碎岩体、土体、河床砂层、左岸岩体等不同物质组成及其结构形态，堆积体为解体后的碎块状岩体，且形成时间较短，压实度不高，导致结构体速度较低。探测结果显示出了滑坡体的厚度及边界，可以为滑坡稳定性计算分析及危险性评价提供有效证据，面波法在白格堰塞坝堆积体结构隐患探测深度达到180 m。

6.   结语

为保障人民生命财产安全和国家社会经济安全可持续发展，充分利用各类自然资源，应对各种自然灾害时趋利避害，在减少灾害损失的同时最大程度利用自然界的无穷力量为人民造福。项目围绕堰塞坝险情处置与开发利用保障工作实际，从机理揭示和基础理论及应用基础研究、应用技术与装备研发、技术集成与应用示范多层次开展研究工作，在堰塞坝险情演化、长期工作性态演变、开发利用理论与综合整治等方面形成了具有新时期行业特色的创新成果体系，能够推动相关领域的科技进步。

目前国内外直接利用堰塞坝或堰塞湖的综合开发工程案例较少，堰塞坝开发利用评价理论、病险情处置、勘察设计、加固处理与安全保障技术等明显缺乏，险情处置和开发利用及长效安全运行保障工作面临重大科技挑战。项目研究成果将为堰塞坝险情处置、开发利用和长期安全运行提供先进的理论依据和技术保障，能够确保堰塞坝开发利用工程充分发挥消除堰塞湖上下游防洪灾害隐患、改善当地供水与灌溉条件、除害兴利等作用功效，社会经济效益显著。

在各参加单位和项目团队的共同努力下，项目研发各项工作进展顺利，研究指标全面完成（部分超出），研究成果达到了预定目标。截止至2022年1月，本项目发表论文142篇（其中SCI/EI收录73篇）；出版专著3部；申请国家发明专利46项、获批26项，获得软件著作权28项。研究过程中培养中国工程院院士1名，项目团队1人次入选国家级人才称号、4人次入选省部级人才称号；相关项目成果荣获省部级一等奖4项。相关技术依托红石岩堰塞坝整治工程等取得了良好的应用，为堰塞坝险情处置和开发利用工程建设提供了有力的科学依据，有效保障了工程长效安全运行，研究成果具有良好的应用前景。