大型水工模型在本科實驗教學中的應用

姚 燁，陳廣思，練繼建，馬 斌

（天津大學建筑工程學院，天津 300072）

0 引言

水工模型試驗是水利行業中極其重要且普遍應用的研究方法。我國現行規范指出：對于重要的水利工程，必須經過水工模型試驗的驗證方可開工建設，以確保工程安全［1-2］。因此，大型水工模型試驗（一般認為幾何比尺在1∶100以上，模型直觀尺寸較大、基礎固定不可移動）在實驗室中較為常見，但多應用于研究生階段的科研工作，以往少見應用于本科教學的先例。其主要原因在于大型水工模型針對的研究問題一般較為復雜，不能和任何一門理論課程完全呼應，且以往本科生的實驗能力培養較為基礎，不能滿足大型水工模型試驗的技能要求。然而，隨著我國水利工程建設水平不斷上升為世界領跑水準，新時代的水利行業呼喚的是全方位發展的創新型人才［3］；因此本科人才培養目標和要求也在不斷提升，教學思路和方法也應與時俱進、打破傳統，讓學生全面學習和了解行業最前沿的科學問題和最先進的技術手段［4-6］。而針對水利專業的實驗教學，盡管部分教育學者提出綜合型與創新型實驗教學改革的思路［7-8］，或嘗試將科研模型應用于本科教學［9-12］，但到目前為止本科實驗教學并沒有迎來本質上的變革，各大水利實驗室中常見的大型水工模型仍然與本科教學脫節，造成了隱形優質教學資源的浪費。

面對新時代和新工科的發展要求，我校堅持“育人為本、質量第一”的教育教學理念，致力于培養具有家國情懷、全球視野、創新精神和實踐能力的卓越人才［13］。而創新教育的真正目標就是在實踐的基礎上，提出新思想、新理論，設計新實驗，探索新觀點，并最終形成新理論、獲得新技術［14］。因此，水利水電工程專業于2016年啟動了實驗教學改革，以水工建筑物實驗教學課程為例，首次嘗試將大型水工模型試驗應用到本科實驗教學中，目前已成功應用3年，取得了十分良好的教學效果。

1 水工建筑物實驗課程培養目標分析

1.1 水利水電工程本科培養目標

水利水電工程專業本科培養目標為：培養適應國家社會經濟發展需要，德智體美全面發展，掌握水利工程學科的基本理論、基礎知識和專業技能，具有良好社會責任感和職業道德，以及具有家國情懷、全球視野、創新精神和實踐能力的高級專門人才。畢業生在水利水電工程及相關領域具有就業競爭力，或有能力進入研究生階段學習。畢業后能在水利、能源、建筑等行業從事規劃、勘察、設計、施工、科研與管理等方面的工作。

1.2 水工建筑物課程培養目標

水工建筑物作為水利水電工程專業的主干專業課，課程培養目標要求學生能夠對水利樞紐中典型建筑物的工作原理及工作條件有較深入的理解；能夠從安全、經濟、實用及方便施工的原則出發，基本掌握水利樞紐工程布置、水工建筑物型式選擇、結構設計、水力計算及穩定性校核等；并能考慮到建筑物在社會、健康、安全、法律、文化以及環境等方面影響；能夠掌握和了解水工建筑物安全監測原理與方法等。

1.3 水工建筑物實驗課程教學目標及分析

實驗課程教學的目標是指導學生掌握水工模型實驗的基本方法和測試手段，深化理論知識，增強感性認識，綜合培養學生動手能力、設計能力和創新能力。水工建筑物是一門理論與實踐緊密結合的課程，涉及的基礎知識多且繁雜，綜合性極強。研究對象是重力壩、拱壩、土石壩、水閘、岸邊溢洪道、水工隧洞、渠系等一系列特殊的大型建筑物，這些對象體型較大、設計復雜，平時生活不常見。想要在課堂上僅通過書本讓學生掌握全部知識，是極為困難的。實踐表明，在理論課學習期間，適時配合必要的現場觀摩和實驗手段能夠起到事半功倍的效果。而如何通過有限的實驗學時達到最好的學習效果，一直是教師們思考、追求和實踐的目標。

2 水工建筑物實驗課程舊體系及存在問題

2.1 舊體系的水工建筑物實驗課程設置

以往舊體系的實驗課程主要針對泄流建筑物開展小比尺模型觀測，實驗模型為有機玻璃水槽內的溢流壩，幾何比尺為1∶200，壩面采用曲線型實用堰，模型長30.8 cm，寬40 cm，高25.2 cm（見圖1）。具體實驗任務為：①觀察挑流消能的水力現象，測量水舌挑射距離，測量沖刷坑的深度；②觀察底流消能的水力現象，測量水躍的特征值，并計算水躍的消能率。

圖1 原水工建筑物實驗課程1∶200模型

2.2 存在問題

舊體系實驗課程存在問題及分析如下：

（1）模型展示內容偏少。模型僅向學生展示了簡單溢流堰挑流和底流兩種消能方式，應用超過20年，設計陳舊，缺乏特色；學生在一年級的認識實習以及二、三年級的多門課程中已對上述水工建筑物有了比較多的認識和理解；而學生真正需要了解的，關于我國高壩大庫建設中應用的新型水工結構在實驗中并沒有體現。

（2）實驗測量內容單一。測量內容主要集中在水位、流速、流量和壩面時均壓強這些傳統指標上，測量內容偏少，相關指標測量在水力學實驗課程中也有設置，有一定的重復性，測試內容安排欠妥。

（3）測量手段落后。測量手段主要是水位測針、旋槳流速儀、測壓管等傳統設備，當前水工監測領域應用的先進設備儀器，均沒有納入實驗中，測試手段較為落后。

（4）知識拓展無模型依托。實驗課堂安排局限于以上水工模型，授課教師在做課外知識拓展的時候，沒有可依托的展示模型，因此也無法有更高階的延伸。

3 水工建筑物實驗課程改革新體系及效果評價

3.1 新體系水工建筑物實驗課程設置

（1）實驗模型介紹。新體系的水工建筑物主要應用烏東德大型水工模型（見圖2）開展觀測實驗。烏東德模型幾何比尺為1∶100，模擬范圍包含拱壩壩身、水墊塘、二道壩和地基；擋水建筑物為雙曲拱壩，模型壩高2.7 m；地基范圍為壩肩左右90 cm，壩踵向上游110 cm，壩趾向下游350 cm，地基深度190 cm；壩身布置5個表孔、6個中孔；模型從壩肩兩側邊界向壩身方向削角25°，呈倒梯形；壩下游為護坡不護底的天然水墊塘，距離壩趾350 cm處設置有二道壩；為保證模型的水力學條件和結構動力學相似，采用加重橡膠模型材料來模擬原型材料。實驗時，分別針對壩身泄流表孔單獨泄流、中孔單獨泄流、表中孔聯合泄流3種工況開展觀測。

圖2 烏東德大型水工模型全景

（2）核心實驗內容。主要包括：①流態觀察及描述。分別對3種泄流工況下水舌在空中的空間位置及狀態進行描述，并觀察描述水墊塘內水面波動及水流旋滾狀態。測量并畫出3種工況下的水舌落點。②水位、流量測量。測量水庫上下游水位，利用下游薄壁堰流測量水庫泄流流量。③時均壓強測量。用測壓管測量大壩下游水墊塘不同位置（距離大壩不同距離、不同高程）的時均壓強值。④脈動壓強測量。測量水墊塘邊坡上某點的脈動壓強，數據分析計算均值、標準差、偏度系數和峰度系數，并畫出時程曲線。⑤壩頂振動加速度測量。利用壓電式加速度傳感器（磁吸座式）和高性能動靜態應變儀，測試拱壩頂部在常規泄流和人為制造振動條件下的振動加速度數據并加以處理分析。

（3）擴展實驗內容。可擴展的教學內容包括：①我國水利水電工程建設現狀和國際地位；②我國高水頭、大流量、窄河谷建設環境下的水利水電工程建設技術難點和解決措施；③水利水電工程建設流程和建設運行管理過程中的典型問題，以最新調研和最前沿科學問題為導向，例如黃河上游水電站事故閘門難以啟閉問題，向家壩泄洪引起下游水富縣城振動的問題等；④大型水工模型試驗開展的必要性和基本流程；⑤水工模型試驗的難點和注意事項，重點介紹：（a）解釋模型試驗相似比尺的重要性和當前研究進展，以及加重橡膠等實驗材料在結構相似方面發揮的重要作用；（b）介紹以往解決上述泄洪引起場地振動學科等問題時常用的巧妙實驗辦法；⑥依托實驗室中在研項目的其他大型水工模型，結合理論課內容，拓展講述多種水工建筑物的構成、特點和工作原理，例如結合黃河古賢大型水利樞紐模型講述排沙底孔的設計和作用，結合大石峽排沙洞講述有壓隧洞和無壓渠道的典型結構形式和水力銜接等；⑦融合水利水電工程在國民經濟發展中發揮的重要作用，黨和國家對水利發展的重視程度，以及當前水利行業“補短板、強監管”背景下的發展趨勢；講述重大水利工程建設管理中發生的趣事，和本校校友從業過程中攻堅克難的故事等。

3.2 水工建筑物實驗課程改革效果評估

改革后的水工建筑物實驗課實現了以下幾點課堂效果：①大型水工模型泄洪有較強的視覺沖擊效果，學生在實驗室第一次見識到真正的大型模型試驗，往往感到震撼而印象深刻，極大地加深了感性認識，也增強了行業榮耀感和專業喜愛度；②學生能夠完整地了解到模型試驗的全部組成部分和基本流程，同時應用傳統水力學測量手段和先進的測試儀器完成了動手測試環節，從基本設計能力，到實驗操作能力，再到數據處理和解決分析問題的能力等，都有較好的提升；③學生通過大型水工模型更加直觀全面地認識水利工程的設計、施工過程，以及建設管理過程中的常見問題和處置方式，通過典型事例了解當今行業前沿科學問題和關鍵科學技術；④有模型依托的知識擴展更直觀形象、支撐力度更強，能夠激發學生更高的學習興趣和激情，學生往往在實驗過程中能提出更多更深的專業問題，也讓授課教師有更多的機會融入思政教育內容，有助于學生家國情懷的培養。

實驗課程改革3年多來，教學效果提升十分顯著，課程受到廣大學生一致好評和喜愛，常常有學生主動申請留堂繼續實驗或向老師提問，甚至跟其他班級同學重復上課，課堂照片也常常出現在同學們微信朋友圈中。為了進一步提升實驗課程教學質量，更廣泛深入地了解學生對實驗課程的需求，面向往屆畢業生和在讀水利工程本科生做了一次關于實驗課程需求和課程改革效果的問卷調查，問卷共發出289份，全部認同實驗課程改革效果，95%認為改革效果顯著。而在進一步調查影響實驗課程的重要因素［15］時，得到如下排序：教學內容安排、實驗模型選擇、教師教學水平、動手環節設置、實驗儀器設備先進性、實驗室環境以及輔助教學設備（見圖3）。其中，教學內容安排和實驗模型選擇幾乎并列排在第一位，說明學生對于實驗課程本身的理解和認知是建立在實驗模型和教學內容安排上；因此，未來面向實驗課程全面改革，以上結果將作為重要依據，指導學科在重要方面加大投入，獲得事半功倍的教學效果。

圖3 實驗課程重要影響因素評價

4 結語

大型水工模型在水工建筑物實驗課程中的應用，是一個良好的開端和啟示。實驗室中每年依托橫縱向課題建造的大型水工試驗模型數量較多、形式豐富。水利工程實驗室中納子峽泄洪霧化水工模型、南水北調工程京石段渠道模型、黃河古賢水利樞紐溢洪道模型、大石峽排沙洞模型、錦屏泄洪洞模型等，可以在水力學、工程制圖、工程測量、水電站（含水力機械）、水利施工技術與管理等專業課程中，找到相應的理論課程部分，無論是發揮重要的實驗教學作用，或者輔助理論課程的學習和理解，這些大型模型都是非常珍貴的本科教學資源。面向水利工程專業的本科教學，應當多挖掘、多投入、緊跟新時代水利發展新步伐，將實驗室中的科研資源和科研思路更多地共享于本科教學，培養出更具時代特色、更適應新時代水利行業發展的卓越人才。

具有強烈的愛國情懷，是對我國科技人員第一位的要求?？茖W沒有國界，科學家有祖國。廣大科技人員要牢固樹立創新科技、服務國家、造福人民的思想，把科技成果應用在實現國家現代化的偉大事業中，把人生理想融入為實現中華民族偉大復興的中國夢的奮斗中。

——2013年7月17日，習近平在中國科學院考察時講話