呂柏穎，黃耀英，田儀帥，朱趙輝

（1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌，443002；2.北京師范大學水科學研究院，北京，100875；3.中國水利水電科學研究院，北京，100038）

0 引言

迄今我國已修建9.8 萬多座水庫大壩，為我國國民經濟發(fā)展起到重要作用。隨著水利工作的重點逐漸轉移到“補短板、強監(jiān)管”上，對我國在役水庫大壩的健康診斷越來越重要和緊迫。大壩和人一樣存在“生老病死”的生命周期。為了保持身體健康，人們定期會進行健康檢查，以及時調理和治療。同樣的，為保證水庫大壩安全，主管部門要求每5～8年對其進行一次全面的安全鑒定，以發(fā)現(xiàn)在役水庫大壩存在的安全隱患，及時采取相應工程措施消除隱患，確保水庫大壩的安全。

截至目前，針對大壩健康診斷，國內外學者已開展了大量研究，如基于云模型的多層次綜合評價[1]、層次模糊綜合評價（FAHP）[2]、支持向量機（SVM）[3]、人工神經網絡（ANN）[4]、組合賦權-理想點[5]等大壩安全綜合評價模型的運用；大壩生命周期的健康診斷[6]、工程信息融合[7]、大壩長效服役狀態(tài)風險[8]等研究；“3S”技術[9]、BIM 技術[10]、人工智能引擎[11]、物聯(lián)網技術[12]、大數(shù)據云平臺[13]、巡檢無人機[14]、水下智能檢測機器人[15]等新型智慧硬件與軟件在大壩安全健康診斷的應用?？傮w來看，雖然目前針對大壩健康診斷的技術與方法呈現(xiàn)多樣化趨勢，逐漸形成了一套較為系統(tǒng)的健康診斷體系，然而隨著水庫大壩服役年限的延長，水庫大壩的健康診斷仍存在較多不確定性問題。因此，從新的視角深度挖掘這些問題，進一步完善現(xiàn)有的大壩健康診斷體系十分必要?？紤]到人體醫(yī)學已有數(shù)千年的發(fā)展歷史，尤其是近100 多年來科技迅猛發(fā)展，人體健康檢查逐漸形成了一套完善的體系。鑒于大壩健康診斷和人體健康檢查存在一定相似性，而在役混凝土壩和土石壩健康診斷存在差異性，因此基于人體醫(yī)學體檢的視角，以混凝土壩為分析對象，將現(xiàn)有的大壩健康診斷體系與人體健康檢查體系進行分析與對應，通過對兩者關系的完善與研究，探討大壩健康診斷模式。

1 人體健康檢查內容及特點

1.1 人體健康檢查項目

健康檢查是指通過醫(yī)學手段和方法對受檢者進行身體檢查，了解受檢者健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)疾病線索和健康隱患的診療行為。與醫(yī)療體檢不同，健康檢查的指導思想是“預防為主”和“治未病”，而醫(yī)療體檢的指導思想是“救死扶傷”和“治病救人”。從“患病求醫(yī)”向“健康管理”的轉變也已經成為21世紀世界醫(yī)療衛(wèi)生體系的重要思想。

人體健康檢查項目主要分為三類：第一類是人體體格檢查，一般包括外科、內科、五官科、婦科等?？茩z查，主要憑借醫(yī)生個人經驗通過觸診及物理檢查進行體檢；第二類是功能檢查，包含心電圖、彩色B超等影像學檢查項目，主要借助設備輔助檢測身體狀況；第三類是化驗檢查，包括血、尿、便三大常規(guī)化驗，以及血糖、血脂、肝功能、腫瘤標記物等生化檢查，需要做實驗得到檢測結論。

1.2 健康檢查的醫(yī)學思維

人體健康檢查存在某種內在的醫(yī)學思維，即檢查項目之間存在由表層到深層的遞進關系，診斷逐步數(shù)字化，癥狀具像化，以及現(xiàn)象本質化。具體來說，人體體格檢查像一種“海選”式的病患線索搜集工程，是全面、淺層的，主攻人體異?，F(xiàn)象和疾病征兆；功能檢查專注于疾病的早期篩查，是一種過濾式檢查，對于檢測中發(fā)現(xiàn)的重大健康風險，可以通過醫(yī)學影像學儀器等輔助檢測，進行局部、深層次的確認；化驗檢查偏重人體生化指標的數(shù)據挖掘，相比之下更加定量化，對身體異常指標的排查更加深入。以心臟健康體檢為例（如圖1所示），由三個維度的體檢項目綜合診斷：在人體體格檢查中，依靠心臟聽診大致判斷心率是否正常；在功能檢查中，心電圖是心臟在每個運動周期的生物電變化過程，對心臟往復活動的檢測更為精確、直觀，用于輔助診斷心律失常、心臟擴大、肥厚和心肌缺血等癥狀，X 光檢查也可輔助檢查心室肥大等疾?。辉诨灆z查中，可以從血、尿常規(guī)及生化化驗結果中找出與心臟異常有關的生化異常指標數(shù)據，從而完成由表及里、由粗糙到精確、從病癥到數(shù)據定量的健康體檢。

圖1 心臟健康體檢Fig.1 Cardiac health examination

2 混凝土壩健康診斷的主要內容

根據現(xiàn)行SL 258-2017《水庫大壩安全評價導則》[17]，大壩工程常將巡視檢查、現(xiàn)場檢測和安全監(jiān)測相結合，以了解大壩安全運行狀態(tài)，獲取大壩隱患病害信息，并為安全評價提供依據。這三者之間存在檢查項目的交叉，但各自側重點不同。

2.1 混凝土壩巡視檢查內容及特點

由于大壩工作條件十分復雜，出現(xiàn)異常部位可能沒有監(jiān)測設施，或局部異常尚未引起監(jiān)測系統(tǒng)的反應。因此，巡視檢查是及時發(fā)現(xiàn)異常部位的可靠方法[16]。目前巡視檢查主要通過人工巡檢，對大壩外觀及運行狀況、設備、管理設施等進行全面檢查?，F(xiàn)場巡視檢查主要依靠目視、耳聽、手摸、鼻嗅等直觀方法，可以使用量尺、放大鏡、望遠鏡、照相機等工器具輔助。根據SL 258-2017《水庫大壩安全評價導則》[17]，大壩現(xiàn)場安全檢查主要按照現(xiàn)場安全檢查基本情況，對擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物和管理設施等進行檢查并做好相應記錄。以混凝土壩擋水建筑物現(xiàn)場檢查內容為例[17]，包括壩頂、壩體、壩基、壩肩、下游河道和近壩庫岸等部位的巡檢（如表1所示），混凝土壩壩體的檢查重點是壩體的變形、裂縫、破損及滲漏情況，而壩基檢查的重點是變形、滲漏、沖刷等。

表1 混凝土壩擋水建筑物巡視檢查項目Table 1 Inspection items for retaining structures of concrete dam

主要通過目視、耳聽、手摸、鼻嗅等直觀方法巡視檢查擋水建筑物裂縫、滲漏、錯動、破壞、排水渾濁度等物理指標，并按照建筑物的不同部位，逐一做好相關檢查記錄。因此，大壩巡視檢查是一種較為全面、直觀、經濟可行但檢查程度一般、功能要求較低的“大壩全身”常規(guī)檢查。

2.2 混凝土壩現(xiàn)場檢測內容及特點

混凝土壩的各種缺陷與病害大多從結構外表開始顯露，通過人工巡檢可以較容易地做出診斷，如裂縫、剝落、磨損、滲漏、鋼筋銹蝕、結構變形等。但有些病害在結構內部且情況復雜，僅從結構表面無法診斷，此時需要借助專門的檢測設備，進行現(xiàn)場檢測并分析病害情況。通過現(xiàn)場對大壩建筑物進行檢查和測量，獲得短期的相對間斷的數(shù)據，可以一定程度上彌補巡視檢查和儀器量測的不足，尤其是可以檢測獲得沒有監(jiān)測儀器部位的當前性態(tài)。

根據有關研究資料[17-18]，混凝土壩現(xiàn)場檢測包括壩基和庫岸邊坡的鉆探試驗和隱患探測，以及混凝土結構安全檢測和金屬結構安全檢測。對不同病害可以分別采用不同的檢測方法，例如對混凝土抗壓強度的檢測方法有取樣抽查和無損檢測法，對滲漏的檢測方法有同位素示蹤法、水質分析法等。具體的混凝土壩檢測內容如表2所示。

表2 混凝土大壩擋水建筑物現(xiàn)場檢測項目Table 2 Field detection items for retaining structures of concrete dam

分析現(xiàn)場檢測的具體項目內容可以發(fā)現(xiàn)，安全檢測一般利用專業(yè)儀器設備，對大壩安全隱患進行較為深入的檢測，主要針對需要進一步檢測部位的外觀質量缺陷和混凝土耐久性物理指標。由于儀器、技術成本較高，一般在人工巡視檢查的基礎上，針對局部隱患進行安全檢測。

2.3 混凝土壩安全監(jiān)測內容及特點

大壩安全監(jiān)測是一項長期性、周期性數(shù)據采集工作，可以獲得長期連續(xù)系列的資料，能發(fā)現(xiàn)大壩結構在不同荷載條件下的微小變化趨勢，定量評估大壩安全運行性態(tài)與發(fā)展趨勢。為了監(jiān)測大壩的工作性態(tài)，在大壩上埋設了大量的變形、滲流、應力應變和溫度等監(jiān)測儀器，測量外界因素和內在因素引起的大壩響應。根據SL 601-2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》[19]，不同等級混凝土壩的監(jiān)測項目不同，但主要監(jiān)測項目包含環(huán)境量監(jiān)測、滲流監(jiān)測、變形監(jiān)測、應力應變和溫度監(jiān)測等，具體項目如表3所示。

表3 混凝土壩安全監(jiān)測項目Table 3 Safety monitoring items of concrete dam

大壩安全監(jiān)測具有專業(yè)性強、定量測量、固定且分散的特點，利用埋設或安裝在壩體和基礎中的儀器設備，監(jiān)測效應量及環(huán)境的變化情況，進而通過正、反分析和反饋分析，對大壩安全性態(tài)進行評價和監(jiān)控。為了獲得有效的大壩安全狀態(tài)評價，儀器設備埋設或安裝之后，需要通過長期監(jiān)測及計算分析，才能合理評判大壩安全性態(tài)。

3 大壩安全檢查與人體健康檢查的對應關系探討

3.1 大壩巡檢與人體體格檢查對應關系

（1）從檢查方法比較，二者均采用“望、聞、問、切”的檢查方式，以達到發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象的目的。大壩巡視檢查主要依靠目視、耳聽、手摸、鼻嗅等直觀方法，按照不同水工建筑物的不同部位進行外觀、簡單功能的巡檢。使用儀器大多是望遠鏡、手電筒、卷尺、游標卡尺等較為基本的測量工具，例如使用游標卡尺和放大鏡等工具檢查得到裂縫位置、長度、寬度、形態(tài)和數(shù)量。類似的，人體體格檢查是從視觸叩聽的物理檢查中，發(fā)現(xiàn)異常體征，例如在人體外科檢查中，身高、體重可以通過身高體重測試儀得到；醫(yī)生使用聽診器，根據臨床經驗判斷人的肺部雜音、心臟心率是否正常。

（2）從檢查范圍比較，二者均進行較全面的“地毯式”常規(guī)檢查?；炷翂窝矙z按照不同建筑物及不同部位的檢查順序，對大壩進行全身檢查和記錄。例如，混凝土壩擋水建筑物巡檢按照壩基、壩體、壩頂、壩肩、下游河道、近壩庫岸等部位的順序，對裂縫、錯動、滲漏、析鈣、膨脹、溶蝕等病害進行檢查；泄水建筑物按照閘門、啟閉設施、控制段、進水段、出口段等部位的順序，對沖刷磨損、露筋、剝落、滲水、消能設施空蝕等病害進行檢查。這與人體檢查時按照五官、四肢骨骼、內臟器官的人體結構順序，從頭到腳逐一進行檢查類似，有助于大壩巡視檢查范圍的全面性覆蓋。

（3）從檢查的功能性和專業(yè)性比較，二者均進行必要的普通檢查。大壩巡視檢查側重各個部位是否滿足設計的工程要求，及時發(fā)現(xiàn)病害。例如對于壩基滲流，巡視檢查主要查看滲流量和渾濁度，一旦需要進一步考慮壩基滲流溶蝕及滲流水質時，需借助同位素跟蹤法等檢測方法進行深入檢測。人體體格檢查可以讓大多數(shù)身體健康的人及慢性病患者了解身體狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一些心臟、免疫、血液類的疾病前兆，但同樣無法滿足病癥深入檢測的要求。

3.2 大壩現(xiàn)場檢測與人體健康檢查對應關系

3.2.1 大壩現(xiàn)場檢測與人體功能檢查對應關系

在大壩現(xiàn)場巡檢的基礎上，大壩檢測需借助專業(yè)儀器設備，對具有安全隱患的部位重點排查和分析。這與人體體檢需借助X光、B型超聲波、心電圖等影像學儀器設備進行功能檢查一樣，都是對檢測對象進行更深入和專業(yè)性能更強的檢查。

混凝土壩檢測常使用超聲檢測儀、彈性波等儀器進行無損檢測[20]?；炷恋确墙饘俨牧系某暀z測應選用較低頻率的超聲波,常用頻率為20～500 kHz。采取超聲波法測量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度、首波幅度和接受信號的主頻率等聲學參數(shù)，并根據這些參數(shù)及其對應變化，判定混凝土中的缺陷情況，輔助巡視檢查，深入了解病害情況。另外，彈性波具有能量大而集中的特點，可對大體積混凝土結構內部缺陷進行快速、全面檢測[21]。在壩體表面安裝水聲傳感器，接收激振裝置在固體表面擊打產生的彈性波，進而對混凝土內部缺陷做出質量評價。

人體B超體檢的原理是用超聲波穿透人體，當聲波遇到人體組織時會產生反射波，通過計算反射波成像。借助B 超對人體的腹部、婦科臟器、泌尿系統(tǒng)、胸腔等進行超聲穿透檢查，更加清晰地顯示病灶情況。圖2為人體胸腔B超檢測和大壩彈性波檢測。

圖2 人體胸腔B超檢測與大壩彈性波檢測Fig.2 Human chest B-scan and dam elastic wave detection

各種外傷是否傷及骨頭會優(yōu)先選擇X光片，檢查快速方便。骨折利用X光片進行檢測，類似于大壩混凝土開裂、鋼筋屈服，借助鋼筋掃描儀、錨桿拉拔儀等儀器進行檢測。但是從檢測經濟性來看，二者的經濟成本相對巡檢和人體體格檢查較高，因此其使用范圍較小，僅在局部可能存在隱患部位進行檢測與探測。

3.2.2 大壩現(xiàn)場檢測與人體化驗檢查對應關系

當大壩混凝土長期被滲水侵蝕時，混凝土中的Ca（OH）2會不斷溶出，使混凝土孔隙率增加，強度和耐久性降低，產生溶蝕現(xiàn)象。對于大壩混凝土抗?jié)B耐久性方面的檢測方法[19]，可采集壩體或壩基滲水，進行pH值、CO2、堿度、硬度、鈣鎂離子等化學物質的檢測，以分析評價壩體或壩基發(fā)生滲流溶蝕的可能性。這與人體化驗檢查利用血紅蛋白、膽紅素、尿素氮、尿膽原等化學物質以分析人體血液、尿液、血生化指標是否正常類似，需要借助實驗得到化學指標以進行健康診斷。因此，大壩水質檢測與人體化驗檢查具有檢查方式、功能上的相似性。

另一方面，混凝土大壩安全檢測的內容中含有混凝土抗壓強度、抗?jié)B性、碳化深度、鋼筋保護層厚度等混凝土耐久性相關指標，可以采取鉆芯取樣法[22]，使用鉆機設備，從混凝土結構中鉆取一段芯樣，通過觀測、實驗室分析等方式，判斷混凝土強度和耐久性。鉆芯取樣檢測屬于微破損檢測方法，可以在保證檢測準確性的基礎上降低對建筑結構本身的不良影響，這與人體穿刺取樣類似。

3.3 大壩安全監(jiān)測與人體健康檢查對應關系

大壩安全監(jiān)測具有長期性和周期性的特征，而目前傳統(tǒng)的人體體檢模式不具有長期性和周期性的特征。具體來說，對于大壩，由于其并非生命活動體，必須借助儀器設備等“耳目”來測量表征大壩變形、滲流、應力應變和溫度等效應量；而對于人體，由于正常人的日常生命活動體征較為穩(wěn)定，當人體受到外界激勵或內在病變時，能通過語言交流反映，因此進行定期全方位體檢就可以滿足健康檢查需求。此外，由于傳統(tǒng)醫(yī)療設備體積龐大、造價成本高，如果安裝在人體上，必然影響到人體日?；顒?，因此，一般只針對住院病人進行臨床在線監(jiān)測。

目前，隨著科技的進步及人們對健康要求的逐漸提高，已經發(fā)展出了智能手環(huán)等可穿戴式人體健康監(jiān)測產品。與大壩監(jiān)測實現(xiàn)原理類似，可穿戴式設備的各種監(jiān)測功能主要利用傳感器實現(xiàn)。主流健康手環(huán)已具有運動心率、血壓、心電圖、睡眠質量等監(jiān)測功能。心率監(jiān)測通過PPG 光電接收管測量運動心率[23]，對心臟疾病患者具有一定的日常監(jiān)測作用，可以對用戶身體狀況進行全天候監(jiān)測并及時報警、及時預防。隨著傳感材料逐漸由半導體材料向納米、納米硅材料過渡，可穿戴式設備逐漸向植入式發(fā)展，可以實現(xiàn)個性化的精準治療。例如植入式連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)通過手術將血糖監(jiān)測裝置植入到體內，以無線通信的方式傳輸數(shù)據至體外接收設備[24]，實現(xiàn)了對血糖的連續(xù)監(jiān)測，提高了患者監(jiān)測血糖、控制血糖的便捷性。

3.4 大壩安全檢查與人體健康檢查內在關系對應

在人體體檢中，化驗檢查與功能檢查都是對人體體格檢查的一種輔助性檢查，分別側重于生化化驗和放射性物理檢查，將較為模糊的體格檢查癥狀逐漸具體化、數(shù)字化、圖像化。同時體格檢查的觸診及物理檢查可以較全面地發(fā)現(xiàn)身體異?，F(xiàn)象。

在大壩安全檢查中，大壩巡檢和檢測之間存在重疊與遞進的關系。對于外觀質量檢查的部分檢查項目，具有同一病害不同維度的檢查結果。巡視檢查的儀器可以滿足“望、聞、問、切”的基本要求，但在需要深入獲取病害信息時，一般需借助超聲波探測儀、鋼筋掃描儀、錨桿拉拔儀等專業(yè)儀器輔助檢測。同時，巡視檢查由于其高覆蓋率，可以彌補檢測高成本的不足，做到經濟安全。另外，大壩安全監(jiān)測與巡檢、檢測相比較，監(jiān)測點固定，可以做到長期性、周期性監(jiān)測，并提供更為精確的數(shù)字化檢查結果。然而，經驗表明水工建筑物問題往往不是首先被儀器設備發(fā)現(xiàn)，而多在巡視檢查時發(fā)現(xiàn)。

根據上述分析，可以得到大壩安全檢查與人體體檢內在關系的對應如圖3所示。

圖3 大壩安全檢查與人體健康檢查內在對應關系Fig.3 Intrinsic relationships of dam safety inspection and human health examination

4 大壩體檢模式的完善

根據上述大壩安全檢查與人體體檢之間的對應關系探討，發(fā)現(xiàn)二者具有多方面的共通點，因此認為人體體檢思路能夠用于大壩體檢。借鑒人體體檢的醫(yī)學思維及完備流程，提出大壩體檢體系再完善的建議，期望通過“巡檢監(jiān)”一體化及安全多源信息融合，減少大壩檢查信息間的孤島效應。具體完善思路如圖4所示。

圖4 大壩體檢模式完善思路Fig.4 Improvement of dam health diagnosis mode

（1）首先借助大壩巡視檢查、安全檢測和安全監(jiān)測，從不同維度獲取大壩健康的動態(tài)信息。利用大壩監(jiān)測和巡檢迅速全面發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，進而對局部較嚴重的缺陷或異常部位，借助檢測儀器進行病害深入檢測，從而提高大壩安全檢查的效率，減少大壩監(jiān)測盲區(qū)，合理利用不同維度的大壩健康信息。

（2）基于巡檢與大壩安全監(jiān)測數(shù)據，開發(fā)大壩安全在線監(jiān)控平臺，構建大壩健康診斷信息數(shù)據庫，方便管理人員了解大壩整體運行狀態(tài)，通過深層次挖掘數(shù)據庫信息，為大壩健康診斷提供依據。

（3）借鑒醫(yī)院體檢中心管理系統(tǒng)自動化、信息化、數(shù)字化及高效率的管理特點，研發(fā)有關大壩智能監(jiān)測和檢查信息可視化的平臺，融合仿真計算、健康診斷、風險分析等模塊，提高大壩安全信息管理水平。

（4）將醫(yī)院掛號基本信息填寫、體檢診斷結果智能化、科室檢查合理安排等應用到大壩安全檢查中。根據歷年定檢報告和大壩過往病史，更好地安排大壩體檢“科室”，使大壩健康檢查更有針對性，減少重復性工作。此外，還可利用人們熟知的人體健康檢查來形象化解釋大壩安全檢查，便于工程人員的理解和記憶。

5 結語

混凝土壩健康診斷一般可分為體檢、診斷與治療三個階段。針對混凝土壩健康診斷體檢環(huán)節(jié)，基于人體醫(yī)學體檢的視角，將現(xiàn)有大壩健康診斷體系與人體健康檢查體系進行分析與對應，發(fā)現(xiàn)混凝土壩巡檢與人體體格檢查都是通過“望、聞、問、切”的檢查方法進行異常癥狀的篩查，具有成本低、檢查覆蓋范圍廣等優(yōu)點；人體功能檢查與人體化驗檢查分別對應混凝土壩外觀檢測和混凝土耐久性檢驗，借助專門的儀器或實驗深入檢測病害指標；大壩監(jiān)測與智能手環(huán)等可穿戴式人體健康監(jiān)測產品類似，具有長期性和周期性的特點。

基于混凝土壩巡檢、安全檢測、安全監(jiān)測之間的對應關系，借鑒人體體檢的醫(yī)學思維及完備流程，提出大壩體檢體系再完善的建議。期望通過“巡檢監(jiān)”一體化及安全多源信息融合的大壩健康診斷模式，減少大壩檢查信息間的孤島效應，便于管理人員了解大壩整體運行狀態(tài)。充分發(fā)揮大壩巡檢、安全檢測、安全監(jiān)測各自的優(yōu)勢與效果，更好地建立和完善混凝土壩全生命周期服務理論與方法，也可將該理論推廣應用于土石壩、拱壩等不同壩型安全管理中。■