力學(xué)在水利水電工程專業(yè)課程中的融會(huì)貫通

劉遠(yuǎn)　韋未　姜俊紅

摘? 要：力學(xué)課程是水利水電工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)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(jié)了材料力學(xué)、水力學(xué)、土力學(xué)等多門力學(xué)知識(shí)在專業(yè)課程中的具體應(yīng)用；指出力學(xué)課程與專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)緊密結(jié)合，即力學(xué)課程的教學(xué)應(yīng)結(jié)合專業(yè)背景，從傳統(tǒng)的“理論模式”向“工程模式”轉(zhuǎn)變，專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)從基本的力學(xué)原理出發(fā)，加深學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的理解。

關(guān)鍵詞：力學(xué)；水利水電工程；水工建筑物；工程問(wèn)題；工程模式

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jí)學(xué)科下設(shè)的5個(gè)二級(jí)學(xué)科中的1個(gè)，是傳統(tǒng)的工科類專業(yè)，旨在培養(yǎng)能在水利、水電、土木、交通等行業(yè)從事勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、科研和管理等方面工作的高級(jí)工程技術(shù)人才和管理人才，該專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)水利水電工程建設(shè)所必需的數(shù)學(xué)、力學(xué)和建筑結(jié)構(gòu)等方面的基本理論和基本知識(shí)，在工程設(shè)計(jì)方法、施工管理方法和科學(xué)研究方法等方面得到基本訓(xùn)練。力學(xué)課程是水利類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它上承高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程，下啟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、水工建筑物等專業(yè)課程，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)教育中起著承上啟下的重要作用。水利水電工程專業(yè)開設(shè)的力學(xué)課程可分為兩大類，即基礎(chǔ)力學(xué)和專業(yè)力學(xué)。其中，基礎(chǔ)力學(xué)主要包括理論力學(xué)和材料力學(xué)，專業(yè)力學(xué)包括水力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)。力學(xué)是研究各類工程結(jié)構(gòu)中普遍存在的受力和變形現(xiàn)象的學(xué)科，力學(xué)源于工程，也要服務(wù)于工程，學(xué)習(xí)力學(xué)課程的目的是為了進(jìn)行工程計(jì)算[1]。力學(xué)在工程中應(yīng)用首先要提取出相應(yīng)的工程計(jì)算模型，然后根據(jù)其計(jì)算模型采用相應(yīng)的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行求解。力學(xué)課程的學(xué)習(xí)就是培養(yǎng)學(xué)生的工程概念和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

水工建筑物是水利水電工程專業(yè)核心課程之一，課程內(nèi)容涉及各門力學(xué)知識(shí)和其他眾多的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門知識(shí)范圍很廣，理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的課程，對(duì)學(xué)生職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)發(fā)揮重要的作用。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，需要將已經(jīng)學(xué)習(xí)的各門力學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，用于解決各類水工建筑物設(shè)計(jì)中的實(shí)際工程問(wèn)題。下面以材料力學(xué)、水力學(xué)和土力學(xué)為例，講述如何應(yīng)用這些基本的力學(xué)知識(shí)解決水工建筑物的實(shí)際問(wèn)題。

一? 材料力學(xué)的應(yīng)用

材料力學(xué)方法在水工建筑物的應(yīng)力分析的主要方法之一。如在進(jìn)行重力壩應(yīng)力分析時(shí)（如圖1所示），首先需計(jì)算壩體的豎向邊緣正應(yīng)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(jì)算上、下游邊緣應(yīng)力

三? 土力學(xué)的應(yīng)用

土力學(xué)在水工建筑物課程中同樣起著重要的作用，如土石壩穩(wěn)定分析，土石壩的沉降分析，水閘岸墻、上下游翼墻的設(shè)計(jì)，以及水閘的土基處理等等，都需要用到相應(yīng)的土力學(xué)知識(shí)。下面以土石壩壩坡穩(wěn)定分析為例，講解瑞典圓弧法[6]在土石壩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。如圖5所示，假定失穩(wěn)破壞面為一圓弧形面，將可能滑動(dòng)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(dòng)面上的安全系數(shù)均等于整個(gè)滑動(dòng)面的安全系數(shù)，則土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為

在實(shí)際應(yīng)用中，土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法（總應(yīng)力法或有效應(yīng)立法）和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。土坡在許多情況下土體內(nèi)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?？紫端畨毫Φ拇笮≡谟行┣闆r下容易確定，如穩(wěn)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(shí)的孔隙水壓力，有些情況目前還沒(méi)有辦法確定，如土坡在滑動(dòng)過(guò)程中的孔隙水壓力變化。因此，在土坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度是用總應(yīng)力表示還是用有效應(yīng)力表示，應(yīng)根據(jù)不同的工況確定。土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)同樣是影響土坡穩(wěn)定性的重要因素，土坡穩(wěn)定分析的可靠性很大程度上取決于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇。不同的剪切試驗(yàn)方法可以得到不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)合理選用。土石壩穩(wěn)定分析，除了要求學(xué)生掌握穩(wěn)定分析方法，還需要使學(xué)生理解如何根據(jù)土石壩不同工況的特點(diǎn)，選擇合適的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。如對(duì)于施工期和竣工時(shí)，土中孔隙水壓力不易消散，這時(shí)宜采用快剪或三軸不排水剪試驗(yàn)指標(biāo)，用總應(yīng)力法分析；如通過(guò)實(shí)測(cè)或分析對(duì)施工過(guò)程中壩體中的孔隙水壓力和固結(jié)的發(fā)展情況進(jìn)行估算，也可應(yīng)用固結(jié)不排水剪或者固結(jié)排水剪的指標(biāo)，用有效應(yīng)力法分析。對(duì)于穩(wěn)定滲流期，由于孔隙水壓力可以根據(jù)滲流分析比較準(zhǔn)確地確定，所以，采用排水剪或固結(jié)排水剪指標(biāo)，用有效應(yīng)力法分析。

四? 結(jié)束語(yǔ)

除此之外，結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)知識(shí)同樣在水工建筑物課程中應(yīng)用甚廣，如結(jié)構(gòu)力學(xué)方法是進(jìn)行水工建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算的基本方法，拱壩的應(yīng)力分析、水工隧洞的襯砌計(jì)算等都采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法；彈性力學(xué)知識(shí)則在水工隧洞圍巖穩(wěn)定分析、襯砌計(jì)算等得到充分的應(yīng)用。在講述這些問(wèn)題時(shí)，同樣需要結(jié)合工程的實(shí)際，靈活應(yīng)用已經(jīng)學(xué)習(xí)的基本力學(xué)知識(shí)，限于篇幅，不再一一贅述。

近年來(lái)，隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的開展，使得工程教育類專業(yè)掀起了一輪新的教學(xué)改革熱潮。本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力，而力學(xué)正是解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的最基本工具。讓力學(xué)教學(xué)回歸工程實(shí)踐，讓“復(fù)雜工程問(wèn)題”回歸力學(xué)本質(zhì)，是提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的有效途徑。因此，力學(xué)課程的教學(xué)應(yīng)結(jié)合專業(yè)背景，從傳統(tǒng)的“理論模式”向“工程模式”轉(zhuǎn)變；同時(shí)，專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)從基本的力學(xué)原理出發(fā)，加深學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的理解。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)“水利水電工程”（教高廳函〔2019〕46號(hào)）；省一流本科課程“水力學(xué)”（粵教高函〔2022〕10號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：劉遠(yuǎn)（1979-），男，漢族，廣東中山人，博士，副教授。研究方向?yàn)樗姽こ瘫究茖I(yè)教學(xué)和科研。