力學在水利水電工程專業課程中的融會貫通

劉遠　韋未　姜俊紅

摘? 要：力學課程是水利水電工程專業的基礎課程，在整個專業培養教育中起著承上啟下的重要作用。以水工建筑物課程為例，總結了材料力學、水力學、土力學等多門力學知識在專業課程中的具體應用；指出力學課程與專業課程的教學應緊密結合，即力學課程的教學應結合專業背景，從傳統的“理論模式”向“工程模式”轉變，專業課程的教學應從基本的力學原理出發，加深學生對工程問題的理解。

關鍵詞：力學；水利水電工程；水工建筑物；工程問題；工程模式

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2024）07-0110-04

Abstract： Mechanics courses are the basic courses for the major of water conservancy and hydropower engineering. They are important links in the cultivating talents. Application of Mechanics， such as mechanics of material， hydraulics， soil mechanics， in"Hydraulic Structures"， which is one of the professional courses of water conservancy and hydropower engineering， was summarized. As a result， the teaching of mechanics courses and professional courses must be closely linked. On the one hand， the teaching of Mechanics courses should combine with the specialty. It is necessary to change the teaching from the traditional "theoretical model" to the "engineering model". On the other hand， the teaching of professional courses should trace back to the basic mechanics principles， which can help students to understand engineering problems better.

Keywords： Mechanics; water conservancy and hydropower engineering; Hydraulic Structures; engineering problems; engineering model

水利水電工程是水利工程一級學科下設的5個二級學科中的1個，是傳統的工科類專業，旨在培養能在水利、水電、土木、交通等行業從事勘測、規劃、設計、施工、科研和管理等方面工作的高級工程技術人才和管理人才，該專業學生主要學習水利水電工程建設所必需的數學、力學和建筑結構等方面的基本理論和基本知識，在工程設計方法、施工管理方法和科學研究方法等方面得到基本訓練。力學課程是水利類專業的基礎課程，它上承高等數學、大學物理等基礎課程，下啟鋼筋混凝土結構、水工建筑物等專業課程，在整個專業培養教育中起著承上啟下的重要作用。水利水電工程專業開設的力學課程可分為兩大類，即基礎力學和專業力學。其中，基礎力學主要包括理論力學和材料力學，專業力學包括水力學、土力學、結構力學和彈性力學。力學是研究各類工程結構中普遍存在的受力和變形現象的學科，力學源于工程，也要服務于工程，學習力學課程的目的是為了進行工程計算[1]。力學在工程中應用首先要提取出相應的工程計算模型，然后根據其計算模型采用相應的力學知識進行求解。力學課程的學習就是培養學生的工程概念和解決工程實際問題的能力。

水工建筑物是水利水電工程專業核心課程之一，課程內容涉及各門力學知識和其他眾多的專業基礎課程，是一門知識范圍很廣，理論性、實踐性和綜合性都很強的課程，對學生職業能力和職業素養的培養發揮重要的作用。學生在學習該課程時，需要將已經學習的各門力學知識融會貫通，用于解決各類水工建筑物設計中的實際工程問題。下面以材料力學、水力學和土力學為例，講述如何應用這些基本的力學知識解決水工建筑物的實際問題。

一? 材料力學的應用

材料力學方法在水工建筑物的應力分析的主要方法之一。如在進行重力壩應力分析時（如圖1所示），首先需計算壩體的豎向邊緣正應力（y）。假定壩體水平截面上的？滓y按直線分布，按偏心受壓公式計算上、下游邊緣應力

三? 土力學的應用

土力學在水工建筑物課程中同樣起著重要的作用，如土石壩穩定分析，土石壩的沉降分析，水閘岸墻、上下游翼墻的設計，以及水閘的土基處理等等，都需要用到相應的土力學知識。下面以土石壩壩坡穩定分析為例，講解瑞典圓弧法[6]在土石壩設計中的應用。如圖5所示，假定失穩破壞面為一圓弧形面，將可能滑動面以上的土體劃分成若干鉛直土條，略去土條間的相互作用力，假定各土條底部滑動面上的安全系數均等于整個滑動面的安全系數，則土坡的穩定安全系數Kc為

在實際應用中，土的抗剪強度計算方法（總應力法或有效應立法）和抗剪強度指標的選擇是一個十分重要的問題。土坡在許多情況下土體內都存在孔隙水壓力，可以是由滲流所引起的滲透壓力或者是由填土所引起的超孔隙水壓力。孔隙水壓力的大小在有些情況下容易確定，如穩定滲流期引起的滲透壓力，有些情況下則較難確定，如施工期、水位驟降或地震時的孔隙水壓力，有些情況目前還沒有辦法確定，如土坡在滑動過程中的孔隙水壓力變化。因此，在土坡穩定計算時，土體的抗剪強度是用總應力表示還是用有效應力表示，應根據不同的工況確定。土體抗剪強度指標同樣是影響土坡穩定性的重要因素，土坡穩定分析的可靠性很大程度上取決于土的抗剪強度指標的選擇。不同的剪切試驗方法可以得到不同的抗剪強度指標，在實際應用中應合理選用。土石壩穩定分析，除了要求學生掌握穩定分析方法，還需要使學生理解如何根據土石壩不同工況的特點，選擇合適的抗剪強度計算方法和抗剪強度指標。如對于施工期和竣工時，土中孔隙水壓力不易消散，這時宜采用快剪或三軸不排水剪試驗指標，用總應力法分析；如通過實測或分析對施工過程中壩體中的孔隙水壓力和固結的發展情況進行估算，也可應用固結不排水剪或者固結排水剪的指標，用有效應力法分析。對于穩定滲流期，由于孔隙水壓力可以根據滲流分析比較準確地確定，所以，采用排水剪或固結排水剪指標，用有效應力法分析。

四? 結束語

除此之外，結構力學和彈性力學知識同樣在水工建筑物課程中應用甚廣，如結構力學方法是進行水工建筑物結構內力和位移計算的基本方法，拱壩的應力分析、水工隧洞的襯砌計算等都采用結構力學方法；彈性力學知識則在水工隧洞圍巖穩定分析、襯砌計算等得到充分的應用。在講述這些問題時，同樣需要結合工程的實際，靈活應用已經學習的基本力學知識，限于篇幅，不再一一贅述。

近年來，隨著工程教育專業認證工作的開展，使得工程教育類專業掀起了一輪新的教學改革熱潮。本科工程教育的基本定位是培養學生解決“復雜工程問題”的能力，而力學正是解決“復雜工程問題”的最基本工具。讓力學教學回歸工程實踐，讓“復雜工程問題”回歸力學本質，是提高學生的工程素養和解決工程實際問題能力的有效途徑。因此，力學課程的教學應結合專業背景，從傳統的“理論模式”向“工程模式”轉變；同時，專業課程的教學應從基本的力學原理出發，加深學生對工程問題的理解。

參考文獻：

[1] 馬崇武，秦懷泉.土木工程專業力學課程教學體系的研究[J].東莞理工學院學報，2014，21（1）：91-94.

[2] 饒光媛，李波.材料力學[M].北京：中國水利水電出版社，2013：163-164.

[3] 林繼鏞，張社榮.水工建筑物[M].6版.北京：中國水利水電出版社，2013：103.

[4] 吳持恭.水力學（上冊）[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：78-83.

[5] 吳持恭.水力學（下冊）[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：216-218.

[6] 劉松玉.土力學[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2019：263-266.

基金項目：省級一流本科專業建設點“水利水電工程”（教高廳函〔2019〕46號）；省一流本科課程“水力學”（粵教高函〔2022〕10號）

第一作者簡介：劉遠（1979-），男，漢族，廣東中山人，博士，副教授。研究方向為水利水電工程本科專業教學和科研。