混凝土坝健康诊断与人体健康检查关系探讨

吕柏颖，黄耀英，田仪帅，朱赵辉

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌，443002；2.北京师范大学水科学研究院，北京，100875；3.中国水利水电科学研究院，北京，100038）

0 引言

迄今我国已修建9.8 万多座水库大坝，为我国国民经济发展起到重要作用。随着水利工作的重点逐渐转移到“补短板、强监管”上，对我国在役水库大坝的健康诊断越来越重要和紧迫。大坝和人一样存在“生老病死”的生命周期。为了保持身体健康，人们定期会进行健康检查，以及时调理和治疗。同样的，为保证水库大坝安全，主管部门要求每5～8年对其进行一次全面的安全鉴定，以发现在役水库大坝存在的安全隐患，及时采取相应工程措施消除隐患，确保水库大坝的安全。

截至目前，针对大坝健康诊断，国内外学者已开展了大量研究，如基于云模型的多层次综合评价[1]、层次模糊综合评价（FAHP）[2]、支持向量机（SVM）[3]、人工神经网络（ANN）[4]、组合赋权-理想点[5]等大坝安全综合评价模型的运用；大坝生命周期的健康诊断[6]、工程信息融合[7]、大坝长效服役状态风险[8]等研究；“3S”技术[9]、BIM 技术[10]、人工智能引擎[11]、物联网技术[12]、大数据云平台[13]、巡检无人机[14]、水下智能检测机器人[15]等新型智慧硬件与软件在大坝安全健康诊断的应用。总体来看，虽然目前针对大坝健康诊断的技术与方法呈现多样化趋势，逐渐形成了一套较为系统的健康诊断体系，然而随着水库大坝服役年限的延长，水库大坝的健康诊断仍存在较多不确定性问题。因此，从新的视角深度挖掘这些问题，进一步完善现有的大坝健康诊断体系十分必要。考虑到人体医学已有数千年的发展历史，尤其是近100 多年来科技迅猛发展，人体健康检查逐渐形成了一套完善的体系。鉴于大坝健康诊断和人体健康检查存在一定相似性，而在役混凝土坝和土石坝健康诊断存在差异性，因此基于人体医学体检的视角，以混凝土坝为分析对象，将现有的大坝健康诊断体系与人体健康检查体系进行分析与对应，通过对两者关系的完善与研究，探讨大坝健康诊断模式。

1 人体健康检查内容及特点

1.1 人体健康检查项目

健康检查是指通过医学手段和方法对受检者进行身体检查，了解受检者健康状况，及时发现疾病线索和健康隐患的诊疗行为。与医疗体检不同，健康检查的指导思想是“预防为主”和“治未病”，而医疗体检的指导思想是“救死扶伤”和“治病救人”。从“患病求医”向“健康管理”的转变也已经成为21世纪世界医疗卫生体系的重要思想。

人体健康检查项目主要分为三类：第一类是人体体格检查，一般包括外科、内科、五官科、妇科等专科检查，主要凭借医生个人经验通过触诊及物理检查进行体检；第二类是功能检查，包含心电图、彩色B超等影像学检查项目，主要借助设备辅助检测身体状况；第三类是化验检查，包括血、尿、便三大常规化验，以及血糖、血脂、肝功能、肿瘤标记物等生化检查，需要做实验得到检测结论。

1.2 健康检查的医学思维

人体健康检查存在某种内在的医学思维，即检查项目之间存在由表层到深层的递进关系，诊断逐步数字化，症状具像化，以及现象本质化。具体来说，人体体格检查像一种“海选”式的病患线索搜集工程，是全面、浅层的，主攻人体异常现象和疾病征兆；功能检查专注于疾病的早期筛查，是一种过滤式检查，对于检测中发现的重大健康风险，可以通过医学影像学仪器等辅助检测，进行局部、深层次的确认；化验检查偏重人体生化指标的数据挖掘，相比之下更加定量化，对身体异常指标的排查更加深入。以心脏健康体检为例（如图1所示），由三个维度的体检项目综合诊断：在人体体格检查中，依靠心脏听诊大致判断心率是否正常；在功能检查中，心电图是心脏在每个运动周期的生物电变化过程，对心脏往复活动的检测更为精确、直观，用于辅助诊断心律失常、心脏扩大、肥厚和心肌缺血等症状，X 光检查也可辅助检查心室肥大等疾病；在化验检查中，可以从血、尿常规及生化化验结果中找出与心脏异常有关的生化异常指标数据，从而完成由表及里、由粗糙到精确、从病症到数据定量的健康体检。

图1 心脏健康体检Fig.1 Cardiac health examination

2 混凝土坝健康诊断的主要内容

根据现行SL 258-2017《水库大坝安全评价导则》[17]，大坝工程常将巡视检查、现场检测和安全监测相结合，以了解大坝安全运行状态，获取大坝隐患病害信息，并为安全评价提供依据。这三者之间存在检查项目的交叉，但各自侧重点不同。

2.1 混凝土坝巡视检查内容及特点

由于大坝工作条件十分复杂，出现异常部位可能没有监测设施，或局部异常尚未引起监测系统的反应。因此，巡视检查是及时发现异常部位的可靠方法[16]。目前巡视检查主要通过人工巡检，对大坝外观及运行状况、设备、管理设施等进行全面检查。现场巡视检查主要依靠目视、耳听、手摸、鼻嗅等直观方法，可以使用量尺、放大镜、望远镜、照相机等工器具辅助。根据SL 258-2017《水库大坝安全评价导则》[17]，大坝现场安全检查主要按照现场安全检查基本情况，对挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物和管理设施等进行检查并做好相应记录。以混凝土坝挡水建筑物现场检查内容为例[17]，包括坝顶、坝体、坝基、坝肩、下游河道和近坝库岸等部位的巡检（如表1所示），混凝土坝坝体的检查重点是坝体的变形、裂缝、破损及渗漏情况，而坝基检查的重点是变形、渗漏、冲刷等。

表1 混凝土坝挡水建筑物巡视检查项目Table 1 Inspection items for retaining structures of concrete dam

主要通过目视、耳听、手摸、鼻嗅等直观方法巡视检查挡水建筑物裂缝、渗漏、错动、破坏、排水浑浊度等物理指标，并按照建筑物的不同部位，逐一做好相关检查记录。因此，大坝巡视检查是一种较为全面、直观、经济可行但检查程度一般、功能要求较低的“大坝全身”常规检查。

2.2 混凝土坝现场检测内容及特点

混凝土坝的各种缺陷与病害大多从结构外表开始显露，通过人工巡检可以较容易地做出诊断，如裂缝、剥落、磨损、渗漏、钢筋锈蚀、结构变形等。但有些病害在结构内部且情况复杂，仅从结构表面无法诊断，此时需要借助专门的检测设备，进行现场检测并分析病害情况。通过现场对大坝建筑物进行检查和测量，获得短期的相对间断的数据，可以一定程度上弥补巡视检查和仪器量测的不足，尤其是可以检测获得没有监测仪器部位的当前性态。

根据有关研究资料[17-18]，混凝土坝现场检测包括坝基和库岸边坡的钻探试验和隐患探测，以及混凝土结构安全检测和金属结构安全检测。对不同病害可以分别采用不同的检测方法，例如对混凝土抗压强度的检测方法有取样抽查和无损检测法，对渗漏的检测方法有同位素示踪法、水质分析法等。具体的混凝土坝检测内容如表2所示。

表2 混凝土大坝挡水建筑物现场检测项目Table 2 Field detection items for retaining structures of concrete dam

分析现场检测的具体项目内容可以发现，安全检测一般利用专业仪器设备，对大坝安全隐患进行较为深入的检测，主要针对需要进一步检测部位的外观质量缺陷和混凝土耐久性物理指标。由于仪器、技术成本较高，一般在人工巡视检查的基础上，针对局部隐患进行安全检测。

2.3 混凝土坝安全监测内容及特点

大坝安全监测是一项长期性、周期性数据采集工作，可以获得长期连续系列的资料，能发现大坝结构在不同荷载条件下的微小变化趋势，定量评估大坝安全运行性态与发展趋势。为了监测大坝的工作性态，在大坝上埋设了大量的变形、渗流、应力应变和温度等监测仪器，测量外界因素和内在因素引起的大坝响应。根据SL 601-2013《混凝土坝安全监测技术规范》[19]，不同等级混凝土坝的监测项目不同，但主要监测项目包含环境量监测、渗流监测、变形监测、应力应变和温度监测等，具体项目如表3所示。

表3 混凝土坝安全监测项目Table 3 Safety monitoring items of concrete dam

大坝安全监测具有专业性强、定量测量、固定且分散的特点，利用埋设或安装在坝体和基础中的仪器设备，监测效应量及环境的变化情况，进而通过正、反分析和反馈分析，对大坝安全性态进行评价和监控。为了获得有效的大坝安全状态评价，仪器设备埋设或安装之后，需要通过长期监测及计算分析，才能合理评判大坝安全性态。

3 大坝安全检查与人体健康检查的对应关系探讨

3.1 大坝巡检与人体体格检查对应关系

（1）从检查方法比较，二者均采用“望、闻、问、切”的检查方式，以达到发现异常现象的目的。大坝巡视检查主要依靠目视、耳听、手摸、鼻嗅等直观方法，按照不同水工建筑物的不同部位进行外观、简单功能的巡检。使用仪器大多是望远镜、手电筒、卷尺、游标卡尺等较为基本的测量工具，例如使用游标卡尺和放大镜等工具检查得到裂缝位置、长度、宽度、形态和数量。类似的，人体体格检查是从视触叩听的物理检查中，发现异常体征，例如在人体外科检查中，身高、体重可以通过身高体重测试仪得到；医生使用听诊器，根据临床经验判断人的肺部杂音、心脏心率是否正常。

（2）从检查范围比较，二者均进行较全面的“地毯式”常规检查。混凝土坝巡检按照不同建筑物及不同部位的检查顺序，对大坝进行全身检查和记录。例如，混凝土坝挡水建筑物巡检按照坝基、坝体、坝顶、坝肩、下游河道、近坝库岸等部位的顺序，对裂缝、错动、渗漏、析钙、膨胀、溶蚀等病害进行检查；泄水建筑物按照闸门、启闭设施、控制段、进水段、出口段等部位的顺序，对冲刷磨损、露筋、剥落、渗水、消能设施空蚀等病害进行检查。这与人体检查时按照五官、四肢骨骼、内脏器官的人体结构顺序，从头到脚逐一进行检查类似，有助于大坝巡视检查范围的全面性覆盖。

（3）从检查的功能性和专业性比较，二者均进行必要的普通检查。大坝巡视检查侧重各个部位是否满足设计的工程要求，及时发现病害。例如对于坝基渗流，巡视检查主要查看渗流量和浑浊度，一旦需要进一步考虑坝基渗流溶蚀及渗流水质时，需借助同位素跟踪法等检测方法进行深入检测。人体体格检查可以让大多数身体健康的人及慢性病患者了解身体状态，发现一些心脏、免疫、血液类的疾病前兆，但同样无法满足病症深入检测的要求。

3.2 大坝现场检测与人体健康检查对应关系

3.2.1 大坝现场检测与人体功能检查对应关系

在大坝现场巡检的基础上，大坝检测需借助专业仪器设备，对具有安全隐患的部位重点排查和分析。这与人体体检需借助X光、B型超声波、心电图等影像学仪器设备进行功能检查一样，都是对检测对象进行更深入和专业性能更强的检查。

混凝土坝检测常使用超声检测仪、弹性波等仪器进行无损检测[20]。混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波,常用频率为20～500 kHz。采取超声波法测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度、首波幅度和接受信号的主频率等声学参数，并根据这些参数及其对应变化，判定混凝土中的缺陷情况，辅助巡视检查，深入了解病害情况。另外，弹性波具有能量大而集中的特点，可对大体积混凝土结构内部缺陷进行快速、全面检测[21]。在坝体表面安装水声传感器，接收激振装置在固体表面击打产生的弹性波，进而对混凝土内部缺陷做出质量评价。

人体B超体检的原理是用超声波穿透人体，当声波遇到人体组织时会产生反射波，通过计算反射波成像。借助B 超对人体的腹部、妇科脏器、泌尿系统、胸腔等进行超声穿透检查，更加清晰地显示病灶情况。图2为人体胸腔B超检测和大坝弹性波检测。

图2 人体胸腔B超检测与大坝弹性波检测Fig.2 Human chest B-scan and dam elastic wave detection

各种外伤是否伤及骨头会优先选择X光片，检查快速方便。骨折利用X光片进行检测，类似于大坝混凝土开裂、钢筋屈服，借助钢筋扫描仪、锚杆拉拔仪等仪器进行检测。但是从检测经济性来看，二者的经济成本相对巡检和人体体格检查较高，因此其使用范围较小，仅在局部可能存在隐患部位进行检测与探测。

3.2.2 大坝现场检测与人体化验检查对应关系

当大坝混凝土长期被渗水侵蚀时，混凝土中的Ca（OH）2会不断溶出，使混凝土孔隙率增加，强度和耐久性降低，产生溶蚀现象。对于大坝混凝土抗渗耐久性方面的检测方法[19]，可采集坝体或坝基渗水，进行pH值、CO2、碱度、硬度、钙镁离子等化学物质的检测，以分析评价坝体或坝基发生渗流溶蚀的可能性。这与人体化验检查利用血红蛋白、胆红素、尿素氮、尿胆原等化学物质以分析人体血液、尿液、血生化指标是否正常类似，需要借助实验得到化学指标以进行健康诊断。因此，大坝水质检测与人体化验检查具有检查方式、功能上的相似性。

另一方面，混凝土大坝安全检测的内容中含有混凝土抗压强度、抗渗性、碳化深度、钢筋保护层厚度等混凝土耐久性相关指标，可以采取钻芯取样法[22]，使用钻机设备，从混凝土结构中钻取一段芯样，通过观测、实验室分析等方式，判断混凝土强度和耐久性。钻芯取样检测属于微破损检测方法，可以在保证检测准确性的基础上降低对建筑结构本身的不良影响，这与人体穿刺取样类似。

3.3 大坝安全监测与人体健康检查对应关系

大坝安全监测具有长期性和周期性的特征，而目前传统的人体体检模式不具有长期性和周期性的特征。具体来说，对于大坝，由于其并非生命活动体，必须借助仪器设备等“耳目”来测量表征大坝变形、渗流、应力应变和温度等效应量；而对于人体，由于正常人的日常生命活动体征较为稳定，当人体受到外界激励或内在病变时，能通过语言交流反映，因此进行定期全方位体检就可以满足健康检查需求。此外，由于传统医疗设备体积庞大、造价成本高，如果安装在人体上，必然影响到人体日常活动，因此，一般只针对住院病人进行临床在线监测。

目前，随着科技的进步及人们对健康要求的逐渐提高，已经发展出了智能手环等可穿戴式人体健康监测产品。与大坝监测实现原理类似，可穿戴式设备的各种监测功能主要利用传感器实现。主流健康手环已具有运动心率、血压、心电图、睡眠质量等监测功能。心率监测通过PPG 光电接收管测量运动心率[23]，对心脏疾病患者具有一定的日常监测作用，可以对用户身体状况进行全天候监测并及时报警、及时预防。随着传感材料逐渐由半导体材料向纳米、纳米硅材料过渡，可穿戴式设备逐渐向植入式发展，可以实现个性化的精准治疗。例如植入式连续血糖监测系统通过手术将血糖监测装置植入到体内，以无线通信的方式传输数据至体外接收设备[24]，实现了对血糖的连续监测，提高了患者监测血糖、控制血糖的便捷性。

3.4 大坝安全检查与人体健康检查内在关系对应

在人体体检中，化验检查与功能检查都是对人体体格检查的一种辅助性检查，分别侧重于生化化验和放射性物理检查，将较为模糊的体格检查症状逐渐具体化、数字化、图像化。同时体格检查的触诊及物理检查可以较全面地发现身体异常现象。

在大坝安全检查中，大坝巡检和检测之间存在重叠与递进的关系。对于外观质量检查的部分检查项目，具有同一病害不同维度的检查结果。巡视检查的仪器可以满足“望、闻、问、切”的基本要求，但在需要深入获取病害信息时，一般需借助超声波探测仪、钢筋扫描仪、锚杆拉拔仪等专业仪器辅助检测。同时，巡视检查由于其高覆盖率，可以弥补检测高成本的不足，做到经济安全。另外，大坝安全监测与巡检、检测相比较，监测点固定，可以做到长期性、周期性监测，并提供更为精确的数字化检查结果。然而，经验表明水工建筑物问题往往不是首先被仪器设备发现，而多在巡视检查时发现。

根据上述分析，可以得到大坝安全检查与人体体检内在关系的对应如图3所示。

图3 大坝安全检查与人体健康检查内在对应关系Fig.3 Intrinsic relationships of dam safety inspection and human health examination

4 大坝体检模式的完善

根据上述大坝安全检查与人体体检之间的对应关系探讨，发现二者具有多方面的共通点，因此认为人体体检思路能够用于大坝体检。借鉴人体体检的医学思维及完备流程，提出大坝体检体系再完善的建议，期望通过“巡检监”一体化及安全多源信息融合，减少大坝检查信息间的孤岛效应。具体完善思路如图4所示。

图4 大坝体检模式完善思路Fig.4 Improvement of dam health diagnosis mode

（1）首先借助大坝巡视检查、安全检测和安全监测，从不同维度获取大坝健康的动态信息。利用大坝监测和巡检迅速全面发现异常现象，进而对局部较严重的缺陷或异常部位，借助检测仪器进行病害深入检测，从而提高大坝安全检查的效率，减少大坝监测盲区，合理利用不同维度的大坝健康信息。

（2）基于巡检与大坝安全监测数据，开发大坝安全在线监控平台，构建大坝健康诊断信息数据库，方便管理人员了解大坝整体运行状态，通过深层次挖掘数据库信息，为大坝健康诊断提供依据。

（3）借鉴医院体检中心管理系统自动化、信息化、数字化及高效率的管理特点，研发有关大坝智能监测和检查信息可视化的平台，融合仿真计算、健康诊断、风险分析等模块，提高大坝安全信息管理水平。

（4）将医院挂号基本信息填写、体检诊断结果智能化、科室检查合理安排等应用到大坝安全检查中。根据历年定检报告和大坝过往病史，更好地安排大坝体检“科室”，使大坝健康检查更有针对性，减少重复性工作。此外，还可利用人们熟知的人体健康检查来形象化解释大坝安全检查，便于工程人员的理解和记忆。

5 结语

混凝土坝健康诊断一般可分为体检、诊断与治疗三个阶段。针对混凝土坝健康诊断体检环节，基于人体医学体检的视角，将现有大坝健康诊断体系与人体健康检查体系进行分析与对应，发现混凝土坝巡检与人体体格检查都是通过“望、闻、问、切”的检查方法进行异常症状的筛查，具有成本低、检查覆盖范围广等优点；人体功能检查与人体化验检查分别对应混凝土坝外观检测和混凝土耐久性检验，借助专门的仪器或实验深入检测病害指标；大坝监测与智能手环等可穿戴式人体健康监测产品类似，具有长期性和周期性的特点。

基于混凝土坝巡检、安全检测、安全监测之间的对应关系，借鉴人体体检的医学思维及完备流程，提出大坝体检体系再完善的建议。期望通过“巡检监”一体化及安全多源信息融合的大坝健康诊断模式，减少大坝检查信息间的孤岛效应，便于管理人员了解大坝整体运行状态。充分发挥大坝巡检、安全检测、安全监测各自的优势与效果，更好地建立和完善混凝土坝全生命周期服务理论与方法，也可将该理论推广应用于土石坝、拱坝等不同坝型安全管理中。■