堤身隐患灾害机理与数字孪生感知防治方案

一、典型灾害与致灾机理概述

堤身是堤防挡水、防渗的核心主体，其隐患的本质是堤体结构完整性与防渗能力下降，易引发堤身失稳、渗漏破坏、局部塌陷等灾害，直接威胁堤防整体安全。核心致灾机理包括：

1.土体压实不足或不均匀沉降 → 堤身土体抗剪强度降低，在水压力、自重等荷载作用下易引发变形、隆起、塌陷等结构失稳问题；

2.裂缝、孔洞、侵蚀带形成 → 堤身防渗体系被破坏，形成渗透通道，为水流渗流提供路径；

3.渗流携砂 → 水流在渗透通道内流动时携带细小土颗粒，引发管涌、流土等渗透破坏，进一步扩大渗透通道，加剧结构破坏。

致灾链条可概括为：结构缺陷 → 渗流集中 → 土体软化/流失 → 变形 → 塌陷/失稳

这一致灾过程与《SL-T 832-2024 堤防抢险技术导则》中堤身隐患巡查内容高度契合，裂缝、孔洞、渗漏、变形等显性特征，均是灾害机理演化不同阶段的外在表现，其演化过程并非孤立发生，而是与堤基条件、水文工况等因素耦合叠加，最终威胁堤防整体安全。

二、对应的数字孪生感知与解决方案

结合“立体巡查 + 智慧监测”全流程防控体系，针对堤身隐患致灾机理的关键环节，构建四层级数字孪生感知防治方案，实现从隐患根源识别到演化预警的全周期管控：

（一）根源识别层（地下结构感知）

技术手段：全航空瞬变电磁（ATEM）

核心作用：探测堤身及堤基内部低阻异常区

对应灾害机理：精准识别堤身隐伏裂缝、孔洞、侵蚀带，以及堤基软弱夹层、渗透集中带等根源型隐患，直接定位致灾链条的起始环节——结构缺陷的空间分布与形态特征。

数字孪生角色：基于 ATEM 探测数据，构建堤身三维电性结构“初始孪生模型”，将地下不可见的结构缺陷、渗透通道转化为可视化数字模型，明确隐患的位置、规模、连通性等关键参数，为后续机理演化分析提供基础数据支撑。

（二）表征识别层（地表快速巡查）

技术手段：无人机三光系统（可见光 + 热红外 + 激光雷达）

核心作用：识别堤顶沉陷、裂缝、湿润带、异常温度区等显性表征

对应灾害机理：捕捉渗透通道外显的渗漏点（湿润带、渗水线）、结构缺陷放大的变形特征（沉陷、隆起），通过地表表征反演地下渗流集中、土体软化的演化状态，验证地下结构模型的准确性。

数字孪生角色：将无人机巡查获取的地表形变、温度异常等数据，与地下三维电性结构模型进行融合校准，为地下模型提供精准的边界条件与验证信息，修正孪生模型中结构缺陷与渗流通道的参数误差，提升模型对灾害机理的表征精度。

（三）演化监测层（时序感知）

技术手段：地面拖曳瞬变电磁 / 电阻率监测 + 渗压计 + 位移传感器

核心作用：持续监测土体饱和度、渗透压力与变形速率

对应灾害机理：实时捕捉致灾链条从“孕育期”到“加速期”的临界转折点——当土体饱和度升高、渗透压力突破阈值时，标志着渗流集中加剧，土体开始软化流失；当变形速率突增时，预示着结构即将进入失稳阶段。

数字孪生角色：将时序监测数据实时输入孪生模型，驱动模型进行动态更新，模拟渗流—结构耦合作用下的灾害演化过程，量化不同阶段的机理演化速率，为风险分级提供量化指标。

（四）决策支撑层（孪生推演）

技术手段：多源数据同化 → 渗流—结构耦合模型

核心作用：实现从“发现险情”到“预测失稳时间窗”的转变

对应灾害机理：基于同化后的地下结构、地表表征、时序监测数据，构建渗流—结构耦合数值模型，模拟不同水文工况下渗透通道扩展、土体强度衰减、结构变形发展的全过程，预判塌陷、失稳等灾害发生的时间节点与影响范围。

数字孪生角色：依托耦合模型开展虚拟仿真推演，针对不同处置措施（如灌浆封堵渗透通道、加固堤身土体）进行效果模拟，优选最优干预方案，指导现场精准处置，从根本上阻断致灾链条的演化进程。

三、本类隐患的数字孪生价值总结

通过以全航空瞬变电磁（ATEM）为核心的地下感知、无人机三光系统为支撑的地表验证、多维传感器为基础的时序监测，以及渗流—结构耦合模型为核心的推演决策，堤身隐患首次从“不可见”变为“可建模、可演化、可预警”。该数字孪生方案精准锚定堤身隐患致灾机理的关键环节，将《SL-T 832-2024 堤防抢险技术导则》中的巡查内容转化为数字化监测指标，与“立体巡查 + 智慧监测”的系统技术路线深度融合，不仅是堤防数字孪生的基础单元模型，更是实现堤防风险“早发现、早研判、早处置”的核心技术支撑，为从被动抢险转向主动防控提供了科学可行的技术路径。