尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學方案探索

張小波 姚池 武立功 楊建華 蔣水華

摘要：由于尾礦庫潰壩規模大、破壞性強，在實踐教學中開展物理模型實驗困難較大。虛擬仿真實驗教學作為一種創新型教學模式，在教育教學中得到了很好的應用并已取得良好的效果。以南昌大學尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學體系為基礎，提出“一平臺、二定位、三層次、四模塊”的虛擬仿真實驗教學方案，闡明尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學方案及其特色，總結了虛擬仿真教學方案在實施過程中存在的兩個主要問題，并提出了相應解決對策。

關鍵詞：尾礦庫潰壩;實驗教學;虛擬仿真

中圖分類號：G642 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：10052909（2021）05017708

尾礦庫是用來堆存尾礦的特殊工業建筑，是金屬礦山三大控制性工程之一，尾礦庫能否安全穩定運行，對于礦山生產管理有著至關重要的影響[1]。尾礦庫潰決后往往會導致重大災害，造成嚴重的生命財產損失。作為一種特殊的水工建筑物，尾礦庫的工程安全已成為礦山工程和水利工程研究的一個重要方向，但長期以來并沒有得到足夠的重視。在現有的尾礦庫實驗教學中，教學方式傳統、實驗方法落后、實驗效率低等問題日益突出，加之尾礦庫潰壩規模大，難以通過物理模型實驗進行演示，因此，無法向學生直觀展示尾礦庫潰壩災害的嚴重性。隨著計算機和信息技術的發展，基于虛擬仿真技術的實驗教學方案已被部分高校的本科教學所采用，也為尾礦庫工程安全的實驗教學提供了新思路。

開展虛擬仿真實驗教學是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[2]。虛擬仿真作為一種新興技術已經在水利工程和土木工程的相關實踐教學環節中到了應用[3-4]。在尾礦庫潰壩實驗教學模式改革中，應積極借鑒現有的虛擬仿真應用實例，基于虛擬仿真技術構建尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學體系，創新實驗教學方式，提高實驗教學效果，進而增強學生對科研實驗的興趣，提高創新探索能力，實現高校創新型人才培養的目標。南昌大學現有江西省尾礦庫工程安全重點實驗室，該實驗室是國內首個尾礦庫安全領域的省級科研平臺，通過與南昌大學建筑工程學院的水利工程虛擬仿真中心結合，筆者所在團隊開展了與尾礦庫工程相關的虛擬仿真本科教學方案探索。

一、 虛擬仿真應用于尾礦庫實驗教學的必要性

尾礦是由選礦廠排放的尾礦礦漿經自然脫水后所形成的固體礦業廢料，是固體工業廢料的主要組成部分。尾礦庫通過筑壩攔截谷口或圍地構成，用以貯存尾礦。在現有的尾礦庫中，安全投入不足，尾礦庫安全基礎薄弱，監察、設計、施工中“先天不足”的問題普遍存在。尾礦庫潰壩造成的重大災害時有發生。例如：2018年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦區980平硐尾礦庫發生特別重大潰壩事故，泄砂波及下游500米左右的范圍，造成了277人死亡和近1億元人民幣的直接經濟損失。2019年1月25日，巴西米納斯吉拉斯州一鐵尾礦壩決堤，潰壩后沖毀礦區辦公設施和附近居民社區，造成165人死亡、160人失蹤，被沖毀區域寬度約150米且綿延數公里。

在實際潰壩事故的分析中，大多只關注尾礦庫潰決后的破壞形態，而對尾礦庫潰決過程的特點和規律缺乏直觀認識。以巴西鐵尾礦庫潰壩為例，現有的資料僅能顯示潰壩后泥沙流的影響范圍和危害程度，而對于鐵尾礦庫潰決時壩體的潰決形態變化、潰決時泥沙流的演進過程及潰壩的原因則難以考究。尾礦庫工程地質條件和周邊地理環境對尾礦庫潰壩的影響很大，因此準確掌握尾礦庫周邊的地形地貌條件，明確尾礦庫周邊的居民點以及重大財產分布是進行尾礦庫潰壩分析的前提。然而，尾礦庫的地理位置一般較偏遠，多位于山區溝谷，其庫區往往存在揚沙、坡面失穩等眾多安全隱患，難以在尾礦庫區現場開展實驗教學。由于室內實驗室場地有限且開展尾礦庫潰壩的實驗成本高，因此利用物理模型進行本科教學演示不太現實。可見，傳統的實驗教學方式很難滿足尾礦庫潰壩實驗教學的全面開展。

虛擬仿真實驗教學技術由于其智能、便捷和高體驗性已經在教育教學中廣泛使用，多所高校也已經開始將虛擬仿真實驗教學體系在土木工程和水利工程等工科中應用，并且取得了良好的教學效果[5-9]。傳統的模型試驗和實踐教學方式已經難以滿足尾礦庫潰壩相關的教學需求，在我國尾礦庫眾多，質量良莠不齊的現狀下，創新教學研究方式，緊跟時代步伐，將虛擬仿真技術應用于尾礦庫潰壩的實驗教學中，形成一套創新、高效、實用、準確的虛擬仿真實驗教學方案成為時下的迫切需求。

二、 虛擬仿真實驗教學方案的建立

為克服傳統方式下尾礦庫潰壩實驗教學的不足，緩解教學模式落后和創新人才培養之間的矛盾，南昌大學水利工程虛擬仿真中心聯合江西省尾礦庫工程安全重點實驗室提出“頂層設計、以虛促實、開放共享”的建設理念，以江西省尾礦庫工程安全重點實驗室為基礎，結合實驗室現有設備資源，搭設尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學平臺。圖1給出了“一平臺、二定位、三層次、四模塊”的虛擬仿真實驗教學方案。

（一）一平臺

“一平臺”是指依托江西省尾礦庫工程安全重點實驗室和南昌大學水利工程虛擬仿真中心建立的尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學平臺。

（二）二定位

“二定位”是指尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學平臺既可以實現以教學為主的知識導向型輸入功能，又可以實現以研究為輔的能力培養型輸出功能。一方面可以通過虛擬仿真實驗教學，向學生展示尾礦庫潰壩過程、破壞形態、影響范圍等直觀的仿真效果，讓學生獲取有關尾礦庫潰壩的基礎知識;另一方面還可以讓學生自己設計不同的虛擬仿真方案，使用對比分析等方法考察尾礦庫潰壩的發生機制，并嘗試性地提出災害預警對策，培養學生的實踐創新能力并開發其研究性思維。

（三）三層次

“三層次”是指將尾礦庫虛擬仿真實驗教學劃分為基礎認知層次、專業模擬層次和創新探索層次。基礎認知層次指尾礦庫運行及潰壩相關的基礎知識學習和基礎實驗操作，通過虛擬仿真技術，建立尾礦庫的虛擬仿真三維模型。學生可通過電腦終端隨時查看尾礦庫結構、地理環境和地形條件等信息，獲得沉浸式的學習體驗。通過虛擬實驗室進行潰壩基礎實驗，讓學生獲得基本實驗技能，突破傳統課堂學習和實驗的限制。專業模擬層次指以工程實例為依托，對尾礦庫潰壩事故的原因、過程、后果等進行模擬再現，進而對潰壩的原因進行探究，并對潰壩泥砂流的影響范圍進行預測。在此基礎上總結工程經驗，實現尾礦庫的潰前災害預測以及潰后災害影響分析。創新探索層次指利用現有的實驗設備和實驗經驗，設計創新型科研實驗課題，例如對發生潰壩的可能機理開展探索性試驗，嘗試提出潰壩防災的具體措施和方案。通過三個層次的尾礦庫潰壩虛擬仿真訓練，逐步提高學生的學習興趣和科研能力。

（四）四模塊

“四模塊”包括無人機低空攝影測量模塊、大型數值仿真分析模塊、實際效果模擬演示模塊、庫區潰壩災害預警模塊。這四個模塊實現了尾礦庫潰壩的建模、分析和教學研究的全過程虛擬仿真，是尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學平臺的基本組成部分。

1.無人機低空攝影測量模塊

獲取尾礦庫庫區的地形地貌信息是建立尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗的基礎，只有基于實景信息的仿真模型進行教學演示才能達到實驗教學的目的。無人機航空攝影測量因其具有成本低、周期短、效率高等優點，為地理信息的獲取、環境監測、應急指揮等提供了一條新的技術途徑，具有廣闊的發展和應用前景[10]。無人機航空攝影測量以攝取得到的地表照片為基礎，根據幾何特征和物理特征進行量測和分析，從而確定地面上物體的形狀、大小、空間位置及相互關系。無人機低空攝影測量工作可分為外業（數據獲取）及內業（數據處理）兩大流程。外業的主要任務是通過無人機攜帶專業航測相機獲取航測影像，使用無人機的定位系統與地面控制站組成的實時差分系統獲取影像的POS數據，最后通過傳統測量模式獲取控制點數據。內業的主要任務是通過對外業獲取的航測數據進行處理，獲取所需要的航測4D產品，使用APS系列軟件獲取相片的像素單元，以單位像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，從而確定地面所有點的空間位置信息，最后根據需求通過處理輸出DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型）、DSM（數字表面模型）、DLG（數字線畫圖）[11]。采用Context-Capture Center進行數據處理可獲取航測地區的三維實景模型，圖2為無人機航測獲得的江西省鉛山縣永平尾礦庫的三維實景模型。由圖可知，實景模型可真實反映尾礦庫周邊的地形、地貌及建（構）筑物等地理環境信息。通過在電腦上實時查看和分析三維實景模型，學生可以準確把握尾礦庫整體情況及地理環境，加深對工程現場的認識和理解，打破傳統學習的時間和空間限制，同時也可以避免現場實踐的潛在危險。

2.大型數值仿真分析模塊

為了實現尾礦庫潰壩的全過程演示，需建立合理的數值仿真模型來模擬潰壩后庫區水和尾砂等介質的運動形態。尾礦砂有別于普通流體，在礦砂的模擬分析中涉及彈性力學、流體力學、流體動力學、巖土力學以及砂粒和水之間的多物理場耦合等相關知識。正確分析尾砂粒子之間錯綜復雜的力學關系尤為困難，當庫區面積較大，尾砂量巨大的情況下更是難上加難。傳統的實驗設備和實驗方式很難實現真實狀態下砂流行為的再現。基于有限元、有限差分、光滑粒子流體等原理的大型巖土水利計算軟件如Ansys、Fluent、Flow-3D、Mike、PFC等組成了強大的數值計算分析模塊，將無人機測量得到的數據進行整理分析并建立計算網格，再利用計算機集群進行計算加速。以江西省永平尾礦庫的虛擬仿真模擬為例，將航測得到的數據進行整理，并導入Civil-3D軟件中進行三維建模，然后將模型導入基于有限差分法的Flow-3D軟件進行網格劃分、邊界條件設置以及計算時長和時間步距的設置，利用Flow-3D進行模擬計算可以得到砂流的流速、壓強以及任意時刻壩體的潰敗特征。此外，還可將模型導入其他的計算程序進行計算，將計算結果進行對比，實現了潰壩過程仿真中的多角度分析、多方法比較、多理論驗證，力求數值仿真分析過程的快速和高效。

3.實際效果模擬演示模塊

尾礦庫潰壩后的大致過程如下：尾礦壩發生漫頂后，潰壩水流開始沖刷下游壩體，泥沙被不斷的夾帶和沖刷;壩體坡面下游形成初始沖槽，在水流的持續沖刷下，壩體表面的沖槽逐漸加深變寬;隨著潰口流量的加大和流速的加快，沖槽逐漸向壩體上游推進，沖槽邊坡出現失穩坍塌，壩體隨之潰敗[12-13]。在數值仿真基礎上，運用3DS-Max、Flow-3D以及RealFlow等軟件進行實例建模，并對潰壩砂流進行動態演示。以潰壩過程中壩體的破壞形態，潰壩砂流的流動特征及對下游的淹沒區域為對象進行仿真再現。如圖3為發生漫頂潰壩時潰壩水流對壩體的侵蝕過程，在軟件中輸入相應的壩體物理參數及邊界條件進行仿真可以直觀地觀察沖槽的形成和發展過程。學生只需要根據實際的工程背景，改變壩體尺寸、材料的參數及流體的相關性質，即可進行壩體潰敗過程的模擬仿真。運用Arcgis等軟件，導入之前無人機測繪得到的數據并進行三維建模，可以完整呈現庫區周邊的地理環境及庫區的地形特征（如圖4所示）。在此基礎上，軟件可實現下泄尾砂量和尾砂覆蓋面積的計算，為尾礦庫潰決后災害影響范圍的精確測量和控制提供方便。同時，流體的流速、壓力、深度、流量等信息也可以方便讀取（如圖5所示）。相比傳統的物理實驗，虛擬仿真技術在條件設置、流量控制、結果讀取、數據處理等方面為教學和科研提供了便利，也極大地激發了學生的學習和科研興趣。

4.庫區潰壩災害預警模塊

辨識并獲取尾礦庫潰壩前兆信息，實現對潰壩險情的早期預警，是確保尾礦庫安全運行的關鍵，也是當前潰壩災害領域的熱點關注問題，因此庫區潰壩災害預警是尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學中的重要環節。

首先，通過尾礦庫潰壩全過程的虛擬仿真再現，讓學生對壩體潰決的動態演化和最終結果有了初步的認識。然后，結合庫區工程地質條件、周邊地形地貌特征，以及壩體和尾砂的物理力學性質等影響因素進行分析，指導學生考察潰壩的發生原因，并根據影響程度對不同因素進行分類分級，初步建立潰壩災害誘因的模塊化分析方法。最后，指導學生通過系統分析各類因素在不同水平下對潰壩路徑及災害演化過程的影響，建立潰壩預警指標體系，并嘗試性地提出尾礦庫潰壩的綜合預警方法。在這一實驗教學過程中，通過指導學生分析尾礦庫潰壩災害的誘因及其影響水平，培養學生利用專業知識分析具體問題的能力，通過建立尾礦庫災害預警模塊，提升學生的實踐創新能力。

三、虛擬仿真實驗教學體系建立的目標

（一）構建多層次教學培養方案，培養學生的科研熱情及創新能力

依照學校“培養新時代創新型水利人才”的培養目標，立足實際工程項目，從基礎性認知到創新型探索，以循序漸進的教學研究方式從知識導向過渡到科研訓練，逐步培養學生的科研興趣及熱情。將科研探索建立在實際工程上，將虛擬仿真技術應用于實際工程中，將研究成果應用于指導生產實踐。人才培養立足社會實際需求，從獲取專業知識到培養創新能力，再到指導生產實踐，實現人才培養中產學研的相互融合和相互促進，為創新型人才的培養提供平臺和有效方案。

（二）創新校企合作模式，創建創新型尾礦庫虛擬仿真平臺

在當前尾礦庫安全隱患突出的情況下，學校加強與安監部門、設計單位、生產單位和高水平信息技術公司合作，以實現信息交流、人才交流和技術交流。通過選派學生到生產單位實習，一方面可以及時獲取尾礦庫的最新資料，及時更新和優化虛擬仿真實驗的教學素材;另一方面還可以帶動尾礦庫生產單位的校企合作，實現科研成果和技術的及時轉化，推動虛擬仿真實驗教學平臺向先進化、專業化和多維化發展。

四、尾礦庫潰壩虛擬仿真實際應用存在的困難及解決策略

（一）仿真設備成本高，維護費用高

無人機航測系統包括無人機、RTK、相機以及APS等后處理軟件，每一部分的設備造價都很昂貴。除了設備的購置外，在日常使用中的維護費用也是一筆不小的開支。設備長期使用導致的損壞和老化大大影響航測精度和準確性，為保證教學研究效果不受影響，必須及時維修和更換;因此，主管部門應加大相關經費投入，以維持虛擬仿真實驗教學的正常運轉。同時，通過開展校企合作模式，可將虛擬仿真實驗教學成果提供給生產單位以便指導尾礦庫安全運營和管理，作為回報，生產單位可為虛擬仿真實驗室設備更換和維修、日常運行和管理提供必要的經費支持。

（二） 技術及設備更新較快

隨著設備及技術的不斷迭代更新，新型科技產品和技術手段的出現也推動著實驗教學的發展。高仿真、多感知、高自主性的VR（Virtual Reality）技術已經開始應用于安全工程教學[14]，立體化感知型課堂設計大大提高了教學效果。基于AI（Artificial Intelligence）技術的計算機輔助教學系統開始應用于學生個性化自適應學習方法培養，真正做到因材施教，幫助學生建立更適合個體特征的學習環境和訓練策略，極大地提高了教育教學的“智能化”水平[15]。更多的新技術還在不斷涌現，及時創新教學模式和實驗方式是虛擬仿真實驗教學體系建設的難點，也是尾礦庫潰壩實驗教學體系長遠規劃和持續發展的必經之路;因此，應及時將前沿科技與尾礦庫潰壩實驗教學相結合，及時更新和完善教學方案，以進一步提升學生的學習興趣，提高實驗教學的效果。

五、 結語

實驗教學方式的改革對提高尾礦庫潰壩教學研究水平至關重要。南昌大學尾礦庫潰壩虛擬仿真實驗教學方案的提出與實踐為學生提供了自主實驗學習平臺，幫助學生學以致用，培養了學生的工程實踐能力和創新意識，有效解決了學校創新型人才培養與實驗資源不足之間的矛盾，為虛擬仿真技術與工程學科教學的結合提供了新思路。為此，學院將繼續加大虛擬仿真實驗體系的投入，加快虛擬仿真實驗教學技術操作管理人員的培訓，不斷更新技術和設備，最大化地發揮虛擬仿真實驗教學的優勢，全面提高學校教學育人和科學研究水平。

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