我國安全大壩建設(shè)的挑戰(zhàn)與科技創(chuàng)新需求

Challenges and technological innovation requirements for building safe dams in China

汪小剛2，鄭璀瑩

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與水安全全國重點實驗室，100038，北京；2.中國大壩工程學(xué)會，100038，北京）

摘要：我國水庫大壩數(shù)量多，其安全是國家水安全戰(zhàn)略的重要組成部分。在全球氣候變化導(dǎo)致極端水文事件頻發(fā)，大壩面臨的環(huán)境條件更加復(fù)雜，以及有效防控風(fēng)險、提升發(fā)展質(zhì)量要求更加迫切的背景下，水利部部長李國英在國際大壩委員會第28屆大會上提出“構(gòu)建安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩”的倡議。為進一步深化對“安全大壩”的認(rèn)識，在概述我國水庫大壩建設(shè)情況和大壩安全總體狀況基礎(chǔ)上，對比傳統(tǒng)意義的大壩安全，結(jié)合新時代高質(zhì)量發(fā)展要求，辨析了構(gòu)建安全大壩的內(nèi)涵，分析了當(dāng)今大壩安全面臨的主要挑戰(zhàn)，包括氣候變化帶來的中低土石壩安全風(fēng)險、復(fù)雜建設(shè)條件帶來的高壩安全風(fēng)險以及梯級開發(fā)產(chǎn)生的流域系統(tǒng)安全風(fēng)險，提出建設(shè)安全大壩需要依靠科技創(chuàng)新，對中小型水庫大壩本質(zhì)安全提升、特高壩安全保障等技術(shù)以及智能大壩建設(shè)已取得的創(chuàng)新技術(shù)進展進行了闡述，并提出了相關(guān)領(lǐng)域進一步進行科技創(chuàng)新和推進技術(shù)發(fā)展的需求，以期為服務(wù)安全大壩建設(shè)、構(gòu)建全面完善的大壩安全保障體系提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：安全大壩；全生命周期安全；本質(zhì)安全；科技創(chuàng)新；理論和技術(shù)突破；智能大壩；安全風(fēng)險

作者簡介：汪小剛，流域水循環(huán)與水安全全國重點實驗室副主任，正高級工程師，主要從事水工巖土工程和大壩安全評估咨詢方面研究。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.20.00

引言

安全是大壩事業(yè)發(fā)展的生命線。全球氣候變化影響加劇導(dǎo)致的不確定、不穩(wěn)定因素日益增多，大壩面臨的環(huán)境條件更加復(fù)雜、更趨極端，有效防控風(fēng)險、提升發(fā)展質(zhì)量的要求更加迫切、更為凸顯。習(xí)近平總書記指出：現(xiàn)有水庫，要堅持安全第一，加強隱患排查預(yù)警和清除，確保安然無恙；要全力保障人員安全，保證大中型水庫運行安全；要確保重要堤防水庫和基礎(chǔ)設(shè)施安全，堅決避免大江大河堤防決口、大型和重點中型水庫垮壩。我國政府高度重視大壩安全，把確保大壩安全作為第一要求，貫穿于大壩建設(shè)運行管理全生命周期，致力于系統(tǒng)構(gòu)建大壩安全保障體系。在四川成都召開的國際大壩委員會第28屆大會開幕式上，水利部部長李國英作主旨報告時明確指出我國壩工事業(yè)發(fā)展的方向和目標(biāo)是安全、生態(tài)、智能，提出了“攜手構(gòu)建安全大壩、生態(tài)大壩、智能大壩，共同推動壩工事業(yè)邁向現(xiàn)代化美好未來”的倡議，獲得國際社會廣泛響應(yīng)?；谖覈畮齑髩伟踩F(xiàn)狀，需要進一步研究探索提升安全大壩建設(shè)水平的策略，以高水平安全保障壩工事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。這是水利工作者面臨的共同任務(wù)。

我國水庫大壩安全現(xiàn)狀與安全大壩的內(nèi)涵

1.我國水庫大壩工程概況

我國降雨和水資源時空分布十分不均，同時人口眾多、經(jīng)濟規(guī)模大、發(fā)展速度快，人口、城鎮(zhèn)、工業(yè)主要分布在江河中下游，對防洪、供水、灌溉、能源的保障要求很高?？陀^條件決定了我國必須擁有強大的江河調(diào)蓄能力，依靠水庫大壩保障我國的防洪安全、供水安全、糧食安全和能源安全。我國現(xiàn)有各類水庫約9.5萬座，是世界上水庫大壩最多的國家。從大壩工程技術(shù)發(fā)展水平來看，1949年以前，我國高于15m的大壩僅有21座。相比之下，美國、法國、加拿大、西班牙、瑞士等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建設(shè)了一批100m以上的水庫大壩，其中1936年建成的美國胡佛大壩壩高221m，總庫容373億，總裝機容量2080MW，凸顯出當(dāng)時發(fā)達(dá)國家先進的筑壩技術(shù)水平。新中國成立以來，我國的壩工事業(yè)快速發(fā)展，迅速擺脫了落后局面。20世紀(jì)60年代初，以壩高105m的新安江水電站為標(biāo)志，我國筑壩技術(shù)達(dá)到能夠建設(shè)100m以上高壩的水平；20世紀(jì)90年代初，以壩高240m的二灘水電站為標(biāo)志，我國已能夠建設(shè)200m以上的高壩；21世紀(jì)初，以壩高294.5m的小灣水電站為標(biāo)志，我國已能夠建設(shè)300m級的高壩；三峽、小浪底等代表性工程以及錦屏一級（305m）、兩河口（303m）、烏東德（270m）、白鶴灘（289m）等一批高壩工程的建設(shè)，標(biāo)志著我國已立于世界筑壩技術(shù)之巔。目前，我國大壩類型、大壩數(shù)量、高壩數(shù)量、水力發(fā)電裝機規(guī)模均位居世界第一。

2.我國水庫大壩的安全現(xiàn)狀

大壩安全事關(guān)公共安全，一直以來廣受關(guān)注，黨和各級政府高度重視。20世紀(jì)80年代以來，隨著筑壩技術(shù)不斷提高、管理不斷規(guī)范和大規(guī)模實施病險水庫除險加固，我國水庫潰壩數(shù)量和潰壩率快速降低，未發(fā)生過大型水庫大壩潰決；2000年以來年均潰壩率為0.042‰，已進入世界低潰壩率國家行列。2012年，水利部、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家能源局聯(lián)合組織全國大型水庫水電站大壩安全調(diào)研，對大型水庫水電站大壩安全的總體狀況進行評價。總的來看，我國大型水庫水電站建設(shè)、運行和監(jiān)管比較規(guī)范，各項管理制度執(zhí)行良好，工程運行性態(tài)基本正常，在設(shè)計運用工況下安全狀況總體良好。

黨的十八大以來，安全責(zé)任進一步壓實，國家健全了法規(guī)制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，水利部構(gòu)建現(xiàn)代化水庫運行管理矩陣，實施水庫全覆蓋、全要素、全天候、全周期管理，完善水庫管理體制、機制、法治、責(zé)任制管理體系，強化預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案措施，加強除險、體檢、維護、安全管理工作；同時全面整治安全風(fēng)險，近5年實施了約1.8萬座水庫除險加固、5.1萬座小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)和5.7萬座小型水庫雨水情測報設(shè)施建設(shè)，我國水庫大壩的安全狀況得到進一步提升。

3.安全大壩的內(nèi)涵

傳統(tǒng)意義上，大壩安全是指大壩在規(guī)定的使用期限內(nèi)，且在設(shè)計運用條件下，能夠維持其結(jié)構(gòu)完整，保證工程效益和周圍環(huán)境不受損害。由于大壩安全事關(guān)人民群眾生命財產(chǎn)安全，保障大壩安全的工作標(biāo)準(zhǔn)不能等同于大壩工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境等因素確定的一個有限值；而工作標(biāo)準(zhǔn)是即便發(fā)生超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水，也要確保人民群眾生命財產(chǎn)安全。近年來，錨定“水庫不垮壩”目標(biāo)，水利部在確保設(shè)計運用條件下的安全性基礎(chǔ)上，重點關(guān)注防范超標(biāo)準(zhǔn)洪水，提升水庫大壩工程的本質(zhì)安全。鑒于此，建設(shè)安全大壩，其內(nèi)涵是以保障人民生命財產(chǎn)安全為根本出發(fā)點，以設(shè)計工況下工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠、超標(biāo)準(zhǔn)情況下不發(fā)生瞬時潰壩給下游帶來重大次生災(zāi)害為基礎(chǔ)，以全生命周期安全為核心，深度融合數(shù)字化、智能化技術(shù)，構(gòu)建涵蓋工程安全、公共安全、生態(tài)安全等多維度的綜合性、現(xiàn)代化安全保障體系，以高標(biāo)準(zhǔn)的安全更好地服務(wù)于國家水安全、能源安全、糧食安全和生態(tài)安全

當(dāng)今大壩安全面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)過大規(guī)模病險水庫除險加固，我國已進入世界低潰壩率國家行列。然而從高質(zhì)量發(fā)展的要求來看，水庫大壩全生命周期的安全性仍然存在薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險，除了運行管理信息化、智能化水平不高，應(yīng)急管理水平與能力有待提升等管理方面的共性問題外，面臨的重大挑戰(zhàn)主要包括如下幾個方面。

1.氣候變化帶來的中低土石壩安全風(fēng)險

我國80%以上的水庫修建于20世紀(jì)50—70年代，病險水庫多、土石壩多，安全管理任務(wù)十分艱巨，同時存在高新技術(shù)應(yīng)用不足，數(shù)字化、智能化程度不高等問題。1954—2018年間，全國各類水庫發(fā)生潰壩事件3541起，絕大部分為中低土石壩，多數(shù)是由于特大洪水、設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)偏低和泄洪設(shè)備失靈導(dǎo)致洪水漫頂失事。目前，全球氣候變化對我國氣象水文狀況的影響已經(jīng)顯現(xiàn)，近30年水資源時空分布的差異性更加明顯，極端天氣事件更加頻繁，暴雨洪澇災(zāi)害呈現(xiàn)突發(fā)性、極端性和不可預(yù)見性。一些河流水文序列可能發(fā)生明顯變化，致使設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)狀需求，尤其對于我國中小河流上的水庫，由于設(shè)計年代已久，缺乏水文資料，原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在安全上的不確定性，在極端降雨情況下，大壩漫頂甚至潰壩的風(fēng)險增加。2013年四川特大暴雨中，涪江流域13座水庫發(fā)生漫壩險情，其中4座潰壩。2018年7月31日，因極端強降雨引發(fā)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致新疆哈密市射月溝水庫漫頂潰壩。2023年海河流域發(fā)生流域性特大洪水，22條河流發(fā)生超警以上洪水，6條河流發(fā)生超保洪水，8條河流發(fā)生有實測記錄以來最大洪水，131處水庫和堤防發(fā)生險情，通過科學(xué)精細(xì)調(diào)度流域防洪工程，整個海河流域155座大中型水庫全部投入運用，方才取得水庫無一垮壩的重大成果；其間，北京市門頭溝區(qū)齋堂水庫（黏土斜墻土壩）水位快速升至歷史新高461.56m，超汛限水位11.3m，給大壩安全帶來極大風(fēng)險挑戰(zhàn)。

2.復(fù)雜建設(shè)條件帶來的高壩安全風(fēng)險

根據(jù)國際大壩委員會和中國大壩工程學(xué)會2023年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國是世界上擁有200m級以上高壩最多的國家，目前世界建成的200m級以上高壩77座，我國有20座，占26%；在建的200m級以上高壩19座，我國有12座，占63%。對于部分特高壩，尤其是300m級超高壩，已經(jīng)超出現(xiàn)有工程經(jīng)驗，設(shè)計的理論基礎(chǔ)還有待完善，例如基于連續(xù)介質(zhì)的設(shè)計理論用于不連續(xù)的自然介質(zhì)，相關(guān)假定和經(jīng)驗都有一定的適用范圍，雖然設(shè)計方法中有基于安全系數(shù)或可靠度的安全冗余，但安全風(fēng)險仍然存在。

同時，建設(shè)條件越來越復(fù)雜。我國200m級以上的高壩主要集中在高海拔、高地震烈度、高邊坡、地質(zhì)條件極為復(fù)雜的西部地區(qū)，主要分布在黃河、金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等水量充沛、水能資源富集的大江大河，大型地下廠房、大流量泄洪、大機組發(fā)電、高速水流消能是工程普遍情況，強震的不可預(yù)測性、高邊坡處理技術(shù)的可靠性和耐久性、高寒高海拔地區(qū)建筑材料力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性、深厚覆蓋層基礎(chǔ)處理技術(shù)的先進性等，都給工程建設(shè)質(zhì)量和安全帶來挑戰(zhàn)，而且這種挑戰(zhàn)將伴隨水庫大壩的整個生命周期。部分高混凝土壩發(fā)生開裂、水力劈裂破壞，堆石壩發(fā)生壩頂裂縫、面板擠壓破壞等，給高庫大壩帶來了安全挑戰(zhàn)。

另外，高壩事故應(yīng)急處理能力仍存在短板。特高壩工程需要在100m甚至150m以上水深情況下進行檢測、修補和加固，我國現(xiàn)有技術(shù)和裝備僅能滿足60m以內(nèi)水深的水下檢修要求，主要依靠人工潛水作業(yè)，一旦在深水部位發(fā)生破損，無法及時予以檢測修復(fù)。

3.梯級開發(fā)產(chǎn)生的流域系統(tǒng)性安全風(fēng)險

我國梯級開發(fā)的江河眾多，在規(guī)劃階段大多沒有從流域安全角度充分考慮各級水庫大壩的壩型和庫容，工程設(shè)計上沒有充分考慮單個工程防洪標(biāo)準(zhǔn)和梯級水庫群防洪安全的系統(tǒng)協(xié)調(diào)，沒有充分考慮潰壩產(chǎn)生的流域安全風(fēng)險傳播和風(fēng)險阻斷，一旦一座水庫或水電站因超標(biāo)準(zhǔn)洪水、超設(shè)防地震或重大隱患造成潰決，梯級風(fēng)險的傳遞、疊加、放大效應(yīng)將導(dǎo)致重大公共災(zāi)難。

1954年至今我國水庫連潰事件共發(fā)生130余起，給下游帶來了嚴(yán)重后果。2021年7月，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市遭遇強降雨，導(dǎo)致永安水庫（小型）土壩發(fā)生潰決，引起下游新發(fā)水庫（中型）發(fā)生漫壩潰決。2018年11月，金沙江上游山體滑坡形成白格堰塞湖，對下游沿江區(qū)域人民生命財產(chǎn)和梯級水庫安全帶來巨大風(fēng)險；通過人工開挖泄洪槽，堰塞湖庫容（7.7億）減少了2億，同時拆除距離堰塞湖最近的在建工程蘇洼龍水電站土石圍堰，避免梯級連潰風(fēng)險，并利用梨園、阿海等下游梯級電站騰庫調(diào)蓄洪水，減輕下游防洪壓力，成功解除險情，最大限度降低了損失。梨園水電站為距離白格堰塞湖最近（約670m）的運行水電站，擋水建筑物為面板堆石壩，堰塞體開挖過流后，梨園水電站入庫流量峰值7200/s，洪水抵達(dá)梨園斷面后24h水位上漲23m，對面板堆石壩和岸坡巖體的穩(wěn)定性帶來嚴(yán)峻考驗。如果山體滑坡發(fā)生在偏遠(yuǎn)區(qū)域，無法進行人工干預(yù)排險、減少潰決洪峰流量，或者潰決不受控發(fā)生、下游水庫未能提前騰庫，或者下游水庫調(diào)蓄能力不夠、水位陡降陡升導(dǎo)致工程破壞，都可能導(dǎo)致漫壩、潰壩帶來流域系統(tǒng)性安全風(fēng)險。

以科技創(chuàng)新支撐安全大壩建設(shè)

構(gòu)建安全大壩，需堅持安全第一，建立健全大壩全生命周期安全保障體系，多管齊下、綜合施策，全面管控致險、承險、防險要素，提升大壩本質(zhì)安全，核心需要在科技創(chuàng)新上下功夫。

1.通過技術(shù)創(chuàng)新提升中小型水庫大壩的本質(zhì)安全

針對氣候變化導(dǎo)致的中小型水庫大壩的安全風(fēng)險，需要從氣象水文預(yù)測、水庫調(diào)度運行、工程結(jié)構(gòu)改造與加固等方面，運用創(chuàng)新思維和新技術(shù)來確保安全。

小流域暴雨洪水準(zhǔn)確預(yù)報對于中低土石壩安全非常重要，針對水文站點有限、資料短缺的情況，充分利用遙感技術(shù)進行了基于高分辨率遙感影像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的水文要素提取，針對小流域微地形、地貌特征對資料短缺小流域洪水響應(yīng)機理的影響進行辨識，提出了資料短缺小流域的時空變源混合產(chǎn)流模型理論方法，揭示了短歷時降雨條件下小流域產(chǎn)流時空演變規(guī)律和產(chǎn)流非線性機理，小流域暴雨洪水預(yù)報精度提高30%以上。

鑒于中小型水庫大壩絕大部分為土石壩，土石材料是散粒體，遭遇洪水漫頂和滲透水流時，會發(fā)生侵蝕、沖刷導(dǎo)致塌陷而快速潰決，提出了膠結(jié)壩新壩型和已建土石壩的表層膠結(jié)加固結(jié)構(gòu)，即在當(dāng)?shù)夭牧现屑尤肷倭克?、粉煤灰等膠凝材料，形成具有一定抗剪強度、抗沖蝕能力的膠結(jié)材料，用于筑壩或?qū)σ呀ㄍ潦瘔蜗掠蚊孢M行保護，可以實現(xiàn)漫頂不潰，同時具有經(jīng)濟、施工快捷、環(huán)境友好等特點。在實驗室開展漫頂沖刷模型試驗，膠結(jié)壩和土壩表層膠結(jié)加固后，在最大流速4.7m/s的漫頂水流沖刷下50h不潰決。目前國內(nèi)外已建40多座膠結(jié)壩工程，多座工程經(jīng)歷了漫頂洪水的考驗，其中福建洪口水電站膠結(jié)砂礫石過洪44h，最大漫頂水頭8m，最大洪峰流量5500/s，未發(fā)生潰決；四川犍為膠結(jié)砂礫石防護堤成功防御了2021年超標(biāo)準(zhǔn)洪水，而其他堤段的面板堆石壩發(fā)生潰決。

研發(fā)了柔性溢洪道快速構(gòu)建技術(shù)，具有抗沖蝕與變形協(xié)調(diào)能力，經(jīng)多座試驗壩的極限測試，最大承受100cm漫溢水頭和6.9m/s流速，持續(xù)72h未損壞，糙面消能率高達(dá)80%。通過研發(fā)經(jīng)濟實用、漫頂不潰壩的新型筑壩技術(shù)和筑壩材料，提升了土石壩工程抗漫頂洪水的本質(zhì)安全。

另外，依托大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，不斷研發(fā)適用于面廣量大的中小型水庫大壩安全運行智能化監(jiān)控新技術(shù)，針對中小型水庫大壩出險概率大的病害，研發(fā)水庫大壩病險快速檢測識別和快速加固處置新結(jié)構(gòu)、新材料和新技術(shù)。這些技術(shù)創(chuàng)新為有效提升中小型水庫大壩的安全性提供了支撐，但還需要在實踐的基礎(chǔ)上持續(xù)創(chuàng)新，進一步提升大壩本質(zhì)安全。

2.聚焦理論和技術(shù)突破，提升特高壩的安全性

我國壩高200m以上特高壩的大規(guī)模建設(shè)始于21世紀(jì)初，如此密集地建設(shè)一批特高壩，且壩高不斷突破紀(jì)錄，這在世界筑壩史上前所未有，許多特高壩勘測、設(shè)計、建設(shè)中的技術(shù)難題可能是第一次遇到。面對前人從未遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，除了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、深入細(xì)致的論證，還必須要有創(chuàng)新意識，敢于突破既有經(jīng)驗，在筑壩理論和技術(shù)方面不斷追求科技進步。

伴隨技術(shù)發(fā)展，充分利用現(xiàn)代強大的實驗技術(shù)和云計算平臺、并行計算、百萬自由度等計算手段，創(chuàng)建了集壩址地震動輸入、壩體混凝土動態(tài)性能、大壩地震損傷破壞機理、抗震安全定量評價準(zhǔn)則于一體的高壩抗震安全評價理論和處置關(guān)鍵技術(shù)體系；提出了大體積混凝土智能溫控方法和架構(gòu)，建立了智能溫控模型系統(tǒng)，并研制了配套設(shè)備；發(fā)展了高土石壩壩料特性實驗設(shè)備和大壩性態(tài)分析方法，構(gòu)建了室內(nèi)實驗、現(xiàn)場測試相結(jié)合確定土體動靜力特性參數(shù)的方法和反映非線性、壓硬性、滯變性、累積性與顆粒破碎等影響的土體本構(gòu)模型；研發(fā)了具有防滲、抗沖磨、抗凍融、抗冰拔防護功能的新型聚脲基復(fù)合防滲防護體系，防護混凝土在3MPa水壓作用下開裂不漏水；研發(fā)了適用于高壩和大泄量的寬尾墩、窄縫新型消能工（消能率提高60%），以及高內(nèi)水、高外水、高地應(yīng)力、高地溫“四高”復(fù)雜環(huán)境隧洞自適應(yīng)新型襯砌結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)。通過系列理論研究、理論突破，不斷提升高壩設(shè)計的理論基礎(chǔ)，同時通過新方法、新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)，解決復(fù)雜和惡劣建設(shè)環(huán)境下特高壩安全建設(shè)中的各種挑戰(zhàn)性問題，支撐了世界上同類壩型中最高的錦屏一級拱壩、兩河口心墻堆石壩、水布埡混凝土面板堆石壩、黃登碾壓混凝土壩等工程成功建成投運。

同時關(guān)注工程的安全運行，圍繞系統(tǒng)性的大壩監(jiān)測觀測、精細(xì)化的預(yù)警預(yù)報、科學(xué)合理的實時調(diào)度，開展了眾多研發(fā)工作，依托無人機、聲吶、攝影測量、水下機器人等尖端技術(shù)，研究大壩的智能檢測技術(shù)及裝備。開發(fā)了基于三位激光掃描、實時動態(tài)定位（GNSS RTK）和數(shù)字圖像處理的表面缺陷定量評估技術(shù)；基于彈性波CT技術(shù)、最大測試深度達(dá)50m的混凝土內(nèi)部缺陷定位和定量分析技術(shù)、全景微結(jié)構(gòu)定量分析的混凝土健康診斷技術(shù)以及水下聲吶滲漏檢測技術(shù)等，推動了深水大粒徑清淤和水下加固修復(fù)等核心技術(shù)突破。

我國還有大量高壩工程在建、擬建，工程地質(zhì)條件更加復(fù)雜，同時眾多特高壩工程的安全運行維護需求逐步凸顯，這些都需要科技工作者不斷追求科技進步，聚焦理論和技術(shù)突破，提升高壩安全性。

3.建設(shè)智能大壩，保障大壩全生命周期安全和流域安全

隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動通信技術(shù)的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷突破和成熟，信息獲取、存儲、傳輸和處理變得前所未有的高效和便捷，這不僅推動了信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進了其他產(chǎn)業(yè)包括水利行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和向數(shù)字智能時代轉(zhuǎn)變。通過全面透徹感知、全面互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)廣泛共享、信息深度整合、智慧普遍應(yīng)用，實現(xiàn)了科學(xué)決策、精細(xì)管理、協(xié)同調(diào)度、快速響應(yīng)，且更高效、更集約、更智能。

目前壩工行業(yè)在智慧化建設(shè)方面也進行了大量探索，尤其是高壩建設(shè)和梯級調(diào)度方面，如糯扎渡、溪洛渡、兩河口、白鶴灘、烏東德等工程。我國新建的一大批特高壩工程運用智能碾壓、智能溫控等技術(shù)，對施工質(zhì)量進行全過程控制，大渡河、金沙江等流域梯級水電站群開展智能調(diào)度、智能運維等建設(shè)，三峽、小浪底、大藤峽等工程開展數(shù)字孿生工程建設(shè)。但總體上看，壩工行業(yè)在新一代信息技術(shù)應(yīng)用方面還處于初級階段，突出表現(xiàn)在對當(dāng)前我國約9.5萬座水庫大壩的全面感知能力明顯不足，絕大多數(shù)中小型水庫缺少監(jiān)測數(shù)據(jù)，更談不上互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。水庫大壩具有很長的生命周期，從勘測設(shè)計、工程建設(shè)到運行管理，始終面臨著對自然對象認(rèn)知不足的風(fēng)險，工程建設(shè)中質(zhì)量隱患的風(fēng)險，工程運行中地震、氣象等自然災(zāi)害的風(fēng)險，工程調(diào)度中人為失誤的風(fēng)險等。消除或降低這些風(fēng)險，不僅要通過新技術(shù)、新工藝、新方法解決各類工程難題，還要通過數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)全面感知筑壩質(zhì)量和大壩運行情況，通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)系統(tǒng)分析大壩可能存在的氣象水文安全隱患、質(zhì)量安全隱患、抗震安全隱患、運行調(diào)度安全隱患等。

面對發(fā)展的需求，研發(fā)了集成人工智能圖像識別和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的水庫壩前水位非接觸式視頻測流裝備及系統(tǒng)，對壩前水位進行全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，水位誤差范圍在±2cm以內(nèi)，已在全國9個省份部署600余套。針對極端洪水，尤其是超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水，提出了強干擾條件下多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化的復(fù)雜工程群互饋優(yōu)化洪水調(diào)度技術(shù)，構(gòu)建了水工程防洪聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度智能算法集，實現(xiàn)多調(diào)度方案智能優(yōu)選，形成了超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報調(diào)度一體化技術(shù)體系，為降低流域安全風(fēng)險提供了技術(shù)支撐，已在浙江珊溪水庫、河北西大洋水庫等全國169座大中型水庫及漳衛(wèi)河、大清河等多個流域水工程群中成功應(yīng)用。以廣東省三大暴雨中心之一的永漢河流域為對象，開展智能大壩關(guān)鍵技術(shù)的集成應(yīng)用，匯集流域內(nèi)9類產(chǎn)匯流特征自然數(shù)據(jù)，流域社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星、水庫雨水情和大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了完整的數(shù)據(jù)底板，集成了時空變源分布式水文模型、大壩安全風(fēng)險智能診斷模型等，并研發(fā)了安全矩陣管理平臺。構(gòu)建了“天空地水工”全域立體變形監(jiān)測技術(shù)，以天（Insar+單北斗）+空（無人機）+地（視頻）+工（磁柵、MEMS）技術(shù)融合，解決時空多尺度融合、精度平衡等技術(shù)難題，大壩全域?qū)崿F(xiàn)變形毫米級實時監(jiān)測；研發(fā)了大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)高保真模型，實現(xiàn)大規(guī)模、高效率、高置信度的大壩形變分析和分鐘級響應(yīng)。

上述都是智能大壩建設(shè)的組成部分，通過構(gòu)建透徹監(jiān)測感知體系、智能分析預(yù)測體系和前瞻決策支持體系，深化對水庫大壩性態(tài)全要素和運行管理全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，達(dá)到歷史數(shù)據(jù)積累分析、實時數(shù)據(jù)同步交互、未來數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)演，實現(xiàn)大壩建設(shè)運行管理全生命周期和流域系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以全面提升大壩全生命周期安全性及全流域安全應(yīng)急管理水平。

結(jié)語

大壩安全是國家水安全戰(zhàn)略的重要組成部分，安全大壩建設(shè)是高質(zhì)量發(fā)展對水庫大壩安全提出的新要求。通過面對挑戰(zhàn)逐步認(rèn)識規(guī)律、探索規(guī)律并勇于創(chuàng)新實踐這一過程，我國取得了舉世矚目的筑壩成就，成為世界低潰壩率國家之一。隨著經(jīng)濟社會對水安全需求的不斷提升，面臨氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，建設(shè)安全大壩是壩工領(lǐng)域的共同關(guān)切和追求。從設(shè)計運用條件下的大壩安全，到超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下確保大壩安全，安全大壩建設(shè)已經(jīng)取得了初步成效。然而，我國面廣量大的中小型水庫工程本質(zhì)安全提升、特高壩建設(shè)和梯級流域開發(fā)的系統(tǒng)性風(fēng)險控制仍然面臨巨大挑戰(zhàn)，需要在大壩安全管理理念的基礎(chǔ)上，進一步深化對建設(shè)安全大壩內(nèi)涵的認(rèn)識，深入融合數(shù)字化、智能化技術(shù)并促進產(chǎn)業(yè)技術(shù)迭代升級，構(gòu)建全面完善的大壩安全保障體系。

Abstract: China has a large number of reservoir dams, and their safety constitutes an important component of the national water security strategy. In the context of frequent extreme hydrological events induced by global climate change, increasingly complex environmental conditions faced by dams, and the growing demand for effective risk prevention and quality development, Minister of Water Resources Li Guoying proposed the initiative of “building safe dams, ecological dams and smart dams” at the 28th ICOLD Congress. To further deepen the understanding of “safe dams”, this paper outlines the current status of dam construction and overall dam safety in China. By comparing the traditional concept of dam safety with the requirements of high-quality development in the new era, it clarifies the connotation of constructing safe dams and analyzes the main challenges currently faced, including the safety risks of medium and low-earth-rockfill dams under climate change, the safety risks of high dams under complex construction conditions, and the basin system safety risks arising from cascade development. The paper emphasizes that building safe dams depends on technological innovation, elaborates on technological progress achieved in enhancing the intrinsic safety of small and medium-sized reservoir dams, ensuring the safety of ultra-high dams, and constructing smart dams, and proposes further needs for scientific and technological innovation and technical advancement in related fields. These efforts aim to support the construction of safe dams and the establishment of a comprehensive dam safety assurance system.

Keywordssafe dam; full lifecycle safety; intrinsic safety; technological innovation; theoretical and technical breakthrough; smart dam; safety risk

本文引用格式：

汪小剛，鄭璀瑩.我國安全大壩建設(shè)的挑戰(zhàn)與科技創(chuàng)新需求[J].中國水利，2025（20）：17-22.

封面供圖水利部長江水利委員會

責(zé)編劉磊寧

校對董林玥

審核王慧

監(jiān)制楊軼

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