堤防背水侧隐患灾害机理与数字孪生防控方案

一、灾害机理要点

堤防背水侧附近区域是堤身渗漏的主要排泄区，该区域隐患的本质是堤身/堤基渗漏的“结果区”，核心机理为渗透通道贯通后引发的连锁反应，易诱发渗透变形、地面沉陷等次生灾害，加剧堤防安全风险。具体机理链条如下：

1.渗透通道贯通 → 堤身或堤基内的水流沿通道向背水侧渗透排泄；

2.水流携砂 → 渗透水流在水力梯度作用下携带细小土颗粒逸出，引发管涌、流土；

3.地下空穴形成 → 长期渗流携砂导致地下土体颗粒流失，形成地下空穴，进而引发地面沉陷。

致灾链条可概括为：渗流通道 → 细颗粒流失 → 地下空化 → 管涌/沉陷其中，水塘、水井、沟渠、减压井等区域的水位异常、水质浑浊等现象，均是渗流通道贯通、细颗粒流失的外在表征，可作为灾害机理演化的判断依据。

二、对应数字孪生防控解决方案拆解

针对背水侧隐患“结果显性、根源隐蔽”的特征，结合数字孪生技术构建“反向溯源-表征识别-临界预警”三级防控体系，精准匹配致灾机理各环节：

（一）通道溯源（反向感知）

技术手段：全航空瞬变电磁（ATEM）+ 地面瞬变电磁（地面 TEM）核心作用：由背水侧异常现象反向追踪渗透通道源头，明确渗流通道的连通路径、分布范围及与堤身/堤基隐患的关联关系。数字孪生作用：基于探测数据建立“堤身—堤基—背水侧”一体化渗流连通模型，将分散的隐患点串联为完整的渗流路径，实现对致灾链条起始环节的精准定位与可视化表征。

（二）表征识别

技术手段：无人机热红外成像 + 光学影像核心作用：无人机热红外成像精准识别背水侧异常湿区（渗漏水流与周边土体的温度差异）；光学影像清晰捕捉沉陷洼地、冒水孔、水塘/沟渠水位异常等显性表征，直观反映细颗粒流失、地下空化的演化状态。数字孪生作用：将地表表征数据与渗流连通模型融合，验证模型的准确性，为模型参数校准提供实测依据，提升孪生模型对灾害机理演化状态的表征精度。

（三）临界预警

技术手段：渗压计 + 沉降速率监测传感器 + 智能分析模型核心作用：实时监测渗透压力、地面沉降速率等关键参数，基于“颗粒起动临界条件”建立联合判据，当参数接近临界阈值时自动发出预警，捕捉管涌、流土、大规模沉陷的前兆信号。数字孪生作用：将时序监测数据输入渗流-土体变形耦合孪生模型，动态推演地下空穴扩展、渗流强度变化对地面沉降的影响，预测灾害发生的时间窗与影响范围，为精准处置提供量化支撑。

三、孪生模型作用总结

背水侧隐患是渗流孪生模型有效性的直接检验区——其显性表征可直观验证模型对渗流通道、细颗粒流失等机理演化的模拟精度；同时，该区域是灾害预警最具工程价值的区域，通过孪生模型的动态推演与预警，可在灾害发展至临界状态前及时干预，有效阻断“渗流集中-管涌显现-塌坑”的致灾链条，降低堤防溃决风险。