在我国近10万座水库中，土石坝占绝大多数。随着工程进入长期服役阶段，坝体内部结构劣化、渗漏通道发育及隐伏缺陷累积等问题逐渐显现。如何在不钻孔、不破坏结构、不影响运行的前提下“看清”坝体内部，一直是工程安全领域的技术难题。

2025年9月，兰州大学联合河南中原光电、南京水科院等科研团队在莽山水库副坝成功开展宇宙射线缪子成像现场试验。本场景试验利用天然宇宙射线粒子对坝体及周边山体进行了一次三维“CT透视”，实现复杂土石坝的密度成像，为大坝安全监测提供了全新的无损技术路径。

莽山水库实景图

破解“看不见”的内部隐患

传统大坝安全监测主要依赖钻孔取样、渗压计监测、变形观测以及电法、地震等地球物理方法。这些手段各有优势，但普遍存在空间覆盖有限、对坝体有扰动、受环境噪声影响大等局限。

天然缪子成像技术则提供了另一种思路——利用天然存在的高能缪子作为“安全探针”，因缪子穿透能力极强，可穿透上百米厚的岩土体，通过测量缪子穿过目标物前后的通量衰减情况，可以反演其内部密度分布，构建三维结构模型，类似为工程结构做一次“天然CT”。此前，国际上Oláh等学者在日本防沙坝开展过相关探索，验证了该技术在混凝土坝体中的可行性。但针对材料非均质性更强、结构更复杂的土石坝体系，仍缺乏系统工程验证。

多点布设、三维反演：土石坝体密度成功成像

本次试验选取莽山水库副坝作为研究对象。该坝体为沥青砼心墙土石坝，与周边花岗岩山体紧密耦合，地形复杂，是典型的坝体—山体组合系统。

科研团队在坝体周边布设3个实测点，采用国产化平板塑料闪烁体缪子探测器，于2025年9月至11月开展连续观测。通过对天然宇宙射线通量波动进行归一化修正，并构建坝体与山体分区物性模型，团队完成三维密度反演，实现对坝体及邻近山体的整体成像。

探测器布设图

总体来看，研究结果表明，缪子成像技术在复杂地形条件下对坝体及近坝山体内部密度变化具有一定敏感性，为进一步结合工程资料开展综合解释提供了参考依据。

密度异常分布图

为大坝安全监测开辟新路径

天然缪子成像技术可以在不影响工程运行的前提下，具备识别土石坝内部密度异常并实现空间定位的能力，可作为现有安全监测体系的重要补充。

与传统方法相比，该技术具有：非接触、无源探测；对结构零扰动；覆盖尺度大；适合长期连续观测。未来，若与渗流监测、变形监测及常规地球物理手段形成多源融合体系，有望在重大水利工程风险预警与隐患排查中发挥更大作用。