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滑坡堰塞体渗流稳定测试与评价虚拟仿真实验

滑坡堰塞体渗流稳定测试与评价虚拟仿真实验

实验简介近年来极端天气频发,滑坡堰塞险情不断出现。科学地分析堰塞险情是我国《十三五规划纲要》“提升防灾减灾救灾能力”的要求。基于实际工程数据,设计虚拟仿真实验,突破传统教学局限性,通过重现堰塞灾害,依托虚拟场景与仿真的实验过程,学习相关知识、掌握堰塞体失稳机理、稳定要素、实验方法、稳定计算与分析,利用“双主式”教学,夯实学生专业基础,鼓励创新与挑战,从而强化学生社会责任感,培养卓越的土木创新人才。设计原则借助虚拟实验技术,将晦涩的专业名词定义用学生更易接受

河海大学

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实验简介


近年来极端天气频发,滑坡堰塞险情不断出现。科学地分析堰塞险情是我国《十三五规划纲要》“提升防灾减灾救灾能力”的要求。基于实际工程数据,设计虚拟仿真实验,突破传统教学局限性,通过重现堰塞灾害,依托虚拟场景与仿真的实验过程,学习相关知识、掌握堰塞体失稳机理、稳定要素、实验方法、稳定计算与分析,利用“双主式”教学,夯实学生专业基础,鼓励创新与挑战,从而强化学生社会责任感,培养卓越的土木创新人才。



设计原则


借助虚拟实验技术,将晦涩的专业名词定义用学生更易接受的形式(图片、动画等)生动的展现给他们,通过虚拟世界对堰塞体的探索、测试、分析,形成自己对堰塞体稳定性判断结论,加深学生对课程相关知识的理解;此外,本项目可保证500人在线开展全过程的虚拟实验操作,能最大程度为学生创造动手参与的机会。同时,设置学生在线讨论模块,供学生以设计者、科研工作者及施工方等不同角色进行研讨。

教学方法采用教师主导、学生主体的“双主式”教学,采用理论结合案例的教学方式,在学生主体的环节教师进行引导与评判,让学生自主学习、自主探索、自主创新,引导学生进行生生互动、研讨、相互评判,同时教师也对于学生的疑问实时反馈、解答,做到师生间的互通有无;在教师引导之余,指导学生进行深入思考、拓展创新,利用教师丰富的经验拓展学生的知识广度与创新深度;设置评教环节,引导学生进行深度思考与科研探讨,引导学生提前进入创新科研思维,参与到设计中来,增强学生学习的自主性。

(1)依托优势学科平台构建堰塞体分析与评价相关知识产权体系。河海大学土木学科为国家学科评估A类学科,其下的二级学科岩土工程学科是我国最早的国家重点学科。依托“岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室”,共建共享的水利工程国家级教学实验示范中心和力学国家级虚拟仿真实验示范中心等河海大学优势学科平台资源,科教融合,在前期准备和建设开发过程中,取得发明专利、软件著作权等多项自主知识产权和多项国家科技进步奖。

(2)基于虚拟仿真技术开展堰塞体稳定测试与评价虚拟仿真实验。借助虚拟仿真技术,通过较为真实的实地场景还原,综合因素耦合设计,使学生全过程了解堰塞体的介质特点、稳定性控制因素、渗流与变形测试技术,在此基础上形成对堰塞体稳定性的判断,帮助学生全面学习,令学生一条龙熟悉堰塞体的工程分析与安全评估技术,加深岩土工程专业知识的掌握深度,加强了学生在工程实践经验学习的拓展。

(3)促进土木学科专业交叉融合,培养新工科背景下的学生创新意识和综合素质。本实验对土力学、水力学、测量学等课程的综合应用实现了岩土工程、地质工程及水利工程等学科的交叉融合,培养学生“土木+”、“水利+”等综合素质。能够让学生尽快适应新一轮的科技革命和产业变革以及新经济的蓬勃发展对土建水利类工程师提出的新要求和挑战。



实验目的


(1)重现危险灾害,立足灾害预防,目标转灾为宝

堰塞体是岩土工程中常见的地质灾害,通常由斜坡或边坡上的岩土体因地震、降雨等原因引发山崩、滑坡,截断山谷形成。随着工程理论与技术的提高,基于国民经济发展的需求,是否可以利用堰塞体作为土石坝,是近年来全球的土木工程师一直关注的热点问题,在此方面,我国一直走在世界前列。九寨沟、天山天池等人文风景,红石岩水电站等工程利用都是堰塞体由废转宝的典型。但是,堰塞体材料在时空分布上存在一定随机性,大多是非稳定的,现场实验测试存在诸多风险,已破坏或处置的堰塞体也无法再现。学生在校内学习和校外实习过程中无法经历堰塞体的形成、变形、裂隙发展与溃决全过程。因此,本项目将堰塞体工程测试分析与室内虚拟仿真操作相结合,通过“互联网+虚拟仿真+灾害预防”,使学生能够借助虚拟仿真手段去体验堰塞体的测试、分析过程,以便学生在后续的研究与工作中合理处置堰塞险情,减少次生灾害或者对堰塞体进行合理利用。

(2)突破传统教学,培养卓越的土木工程师人才

为培养优秀的堰塞体及重危滑坡稳定安全评估领域的相关土木工程从业者,需要安排其完成有关实践认知与操作,以对堰塞体的性质和稳定性测试与评估方法有充分了解。然而在以往的教学过程中,由于堰塞体工程环境的危险性和交通不便利性,多以课堂概念传授为主,很难如其他教学内容一样,辅以具有经验的从业者带领观摩、实践现场实体工程。从而使得教学相关培养过程存在如下较大不足:

局限性:传统教学、仅能在特定的室内课堂环境下进行理论学习或通过观看视频进行感官认知,而无法进行实验体验,对满足相关课程的重要实践属性需求具有明显局限。

片面性:课堂平面教学环境下,对堰塞坝安全评估受降雨量、堰塞库水位、堰塞体组成差异等动态变化的参数影响很难表达,仅靠课堂讲解甚至是固定环境的实景观摩,无法实现对现场复杂变化条件下相关工程问题测试和分析的有效理解和合理处置。

主观性:堰塞坝安全评估影响因素众多,如仅从文案教学视角,相关评估结论受相关从业者的主观因素影响较大,易造成受培训的学生所接受信息存在片面性。

本虚拟仿真实验,就是为克服上述传统教学不足,借助虚拟仿真技术,在保证学习者安全,且又具有较为真实环境下,让学习者充分感知不同地质环境、天气条件、时空演变的动态环境对山体滑坡形成堰塞体稳定性的影响,并通过开展相关虚拟仿真实验,引导其对堰塞体稳定性做出较为合理的监测与评价。

(3)育教融合,立德树人,强化社会责任感、使命感

为了更好实现“专业课程”向“课程思政”教育模式的转变,在教学软件中特别设置了知识角模块,模块提供了丰富的滑坡堰塞案例,如舟曲堰塞湖应急救灾、永嘉堰塞湖溃决成功抢险等,能够显著提高学生防灾减灾意识,增强当代工程师厚重的使命感。本虚拟仿真实验的教学能够让学生在安全且具有一定感知性的环境下,全面地了解滑坡堰塞体成因、发展历程以及可能造成的重大灾害,在对岩土参数有更加直观的理解的同时,提高学生操作相关现场仪器、量测数据的熟练度,加强突发情况临场处置判断能力,固化学习者的工程责任意识和伦理认知,促进学习者形成正确的工程观。

(4)夯实专业基础,适当拔高,鼓励创新与挑战

通过本虚拟仿真实验,融合土力学、岩石力学、土力学实验、岩土工程测试、测量学、工程地质等的系列专业综合知识,依托新工科对数值建模能力的培养,强化学生对相关岩土工程专业知识的理解;学会对理论、参数、现象关联性的探究,提高对岩土工程特别是堰塞体工程安全问题的分析能力,训练学生对重大工程问题合理处置的能力,深化人才培养的高阶性。

通过本虚拟仿真实验,加强学生的自主学习、自主设计、自主分析能力,巩固提升学生的创新思维,为终身学习提供平台。



实验要求


(1)专业与年级要求

土木工程、水利水电工程、地质工程、隧道工程等相关专业三年级以上学生。

(2)基本知识和能力要求

要求预先掌握《土力学》、《土力学实验》、《测量学》、《工程地质》等相关理论知识,学会自我查找资料、学会创新思维,具有一定的专业分析能力。

需要掌握的基础知识包括:

土木工程基本常识、水利工程基本常识、地质工程基本常识、测量学基本常识、不良地质现象的判别及其防治、什么叫堰塞体、堰塞体形成机理、堰塞体次生灾害、堰塞体稳定性常识、土石坝常识、泥石流形成与危害、洪水灾害、地质灾害、防灾与灾害处置。

需要掌握的专业知识包括:

土力学基本知识(如土的基本物理性质、土体变形特性、土的强度特性、土的渗透性质与达西定律、土的渗透变形特性与临界水力梯度、边坡稳定分析方法等)地质工程基本知识(地形地貌、水文条件等基础环境的判别,地基、斜坡等地质条件的稳定性分析等)、测量学基本知识(如全站仪等测量仪器的熟练使用、测量数据误差分析等)。

需要掌握的实验知识包括:

土的颗粒级配、土的含水率实验、土的击实实验、土的压缩实验、土的抗剪强度实验、土的相对密实度实验、变形测量、沉降测量。


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