水科学与工程专业实验教学

发布时间：2022-10-05 10:02 热度：

　　为了提高地下水科学与工程专业学生的创新能力和实践能力，以适应新工科背景下提出的具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的需求，对该校Darcy定律的传统实验平台进行了升级改造，改变了传统平台只能测定均质介质的限制。升级后的平台可紧密结合我国东部地区风氧化带的工程背景，可测定非均质介质的渗透特性。引导学生逐步探讨Darcy定律的适用范围，为地下水动力学的学习打下良好的基础。根据升级后平台的实践效果说明，学生利用该平台可以自行设计进行创新实践，与传统平台培养相比，新工科背景下升级的实验平台更有利于培养学生的实践能力、动手能力与创新能力。

　　关键词：地下水动力学；平台升级；地下水科学与工程

　　发逐渐暴露的环境地质问题逐渐增多，如地下水超采、地面沉降、地下水污染、海水入侵、浅海隧道工程的防渗等问题日益突出，新工科背景下对地下水专业提出了新的挑战。教育部于2006年首次批准中国地质大学（北京）设立地下水科学与工程专业[1]，之后全国各高等院校陆续开办了地下水专业，该专业的办学历史仅有10余年，从办学历史上属于新兴专业。故地下水专业既有继承“水文地质”传统专业的特征又有新工科背景下新兴专业的特点，安徽理工大学依托地质类专业的特色专业于2017年开办了地下水科学与工程专业，其专业又兼具该校地质类特色专业的特点。高等工程教育在我国高等教育中占有重要的地位。为了更好地推动我国卓越工程人才的培养，2017年2月和4月教育部分别在复旦大学和天津大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，正式吹响了我国高校“新工科”教育改革的号角，它明确地提出了我国工科教育改革的目标[2-5]。“新工科”对工科创新型人才有了更高的要求[6]，是工程人才教育的新理念、新模式，它强调的是学科的交叉与渗透，即多学科的融合与创新。特别对于地下水专业来说，“新工科”的要求是要解决21世纪以来日益突出的环境地质问题，涉及实验平台即具体表现为要求实验平台升级改造，能够以传统教学为契机，不断深入对教学知识的拓展和延伸。该文以地下水动力学中的Darcy实验为出发点，利用传统实验装置，对实验装置进行升级改造。在升级后的平台结合实践工程条件探讨Darcy实验的适用条件，拓展了Darcy实验的适用范围，拓宽了学生的视野，加深了学生对Darcy实验的认识。

　　1Darcy实验的重要性

　　地下水动力学属于地下水科学与工程专业的基础课程，该课程既注重理论又注重应用，是研究地下水在多孔介质中运动规律的一门课程[7]。并且该课程的理论逻辑性较强，需要配合该课程的实验来加深课程的理论知识学习，实验课在这门课的教学之中占有非常大的比例[8]，与该课程配合的实验有Darcy实验、坝基渗流实验、河渠间地下水渗流实验、潜水完整井稳定（非稳定）流实验、承压水完整井稳定（非稳定）流实验、一维弥散实验。其中Darcy实验所揭示的定律是揭示地下水渗流基本规律的基本定律，在地下水中具有奠基石作用，具有普遍意义。是推导地下水后续内容的基础，如推导井流方程、运动方程，另外，Darcy定律不仅在渗流，在裂隙流领域，乃至石油领域也有非常重要的应用[9-10]。

　　2升级平台的必要性

　　安徽理工大学地下水动力学实验室现有稳定流Darcy实验装置，其实验条件为常压、稳定水头、定流量、均质介质并且是一维流的实验条件。即水头在测压管内需保持恒定，并且与大气连通，通过砂体给出的流量是恒定的，并且渗透介质所选用的也是标准砂，水体的流动方向也是一维的。这是最经典的Darcy实验的实验条件，但是随着工程实践的发展，对Darcy定律的适用条件也提出了挑战。最常见的适用条件的疑问，就是在非均质介质当中，Darcy定律是否还适用呢？如在基岩风化壳地区多孔介质往往为非均质，是“土”和“石”的混合体，这种混合体的渗透规律是否符合Darcy定律，需要进一步探讨；而这种风化壳在近几年积极开展的城市地铁建设当中较为常见，在矿山工程当中这种风化壳也较为常见。该文主要探讨的正是非均质介质是否符合Darcy定律，故有必要对Darcy实验的平台进行升级改造，以满足对Darcy定律适用条件的探索。

　　3平台升级过程

　　该次选用的实验土石混合体样品，其中“石”取自破碎的奥陶系灰岩石块，筛选粒径组分为5~20mm，根据土工试验规程的规定，属于中砾范围。“土”取自奥灰风化形成的红土，筛选粒径组分小于0.075mm，根据土工试验规程的规定，属于粉粘土范围。由于本学校Darcy渗透实验所采用的渗透仪为70渗透仪，内径为100mm，不满足土工试验规程中，渗透仪内径应大于最大粒径7~8倍的要求。故该次对实验平台首先升级了渗透装置，与常规渗透仪相比，升级的渗透装置有以下优势：（1）渗透仪内径扩大至140mm，按实验岩样，可以满足渗透仪内径应大于最大粒径7~8倍的要求；（2）扩大渗透以下部透水装置内径，增加了金属孔板，使该渗透仪更适用于“土”“石”混合样；（3）增加了压样部位，该部位主要填充碎石，目的是为了在水头提高时，压住试样，防止试样由于水头过大而冲刷破坏。（4）与传统渗透仪上部的开放空间不同，升级后的渗透仪上部为螺丝密封，该密封是为了进一步压住试样，防止试样由于水头过大而被冲刷破坏。总之上述4点的渗透升级改造，均进一步扩大了渗透仪的适用性。传统的Darcy渗透装置设置的水头为固定水头，不能测定不同水头下试样的渗透规律。为了测定不同水头下，试样的渗透规律，该次平台也升级了水头动力装置，与传统定水头加压装置不同，升级后的定水头加压装置有以下优势：（1）采用滑轮装置提升水头，可以测定不同水头下试样的渗透规律，解决了传统水头固定的问题；（2）在测定“土”“石”混合体的渗透规律时，需要一定高度的水头来预饱和试样，并需要一定高度的水头来实现“土”“石”混合体的渗流，也就是地下水动力学提到的起始水力梯度，该水头高度一般比较高，在该次实验条件下，大于1.5m，该装置水头可以最高升至3m，解决了测定“土”“石”混合体水头不够的问题。

　　4平台升级后的效果

　　平台升级后进行了3次“土”“石”混合体的试验，每一次试验均使用的是该次加工的渗透装置，每次试验前均使用真空饱和仪进行了预先饱和，以缩短“土”“石”混合体的饱和时间。3次“土”“石”混合体中，碎石的含量分别为30%，40%，50%，试验结果可知，“土”“石”混合体的渗流速度和水力梯度呈现线性关系，即满足公式（1）V=K×J（1）公式（1）是Darcy定律的数学表达，其所包含的含义是地下水过流介质的渗流速度和水力梯度呈现线性关系，其斜率定义为K，称之为渗透系数。这可以说明“土”“石”混合体非均质介质的渗流规律也符合Darcy定律，扩大了Darcy定律的适用范围。基于这种升级的实验平台，学生自行设计多种非均质介质，用升级后的平台来验证Darcy定律的适用范围，以加深对Darcy定律的理解，为地下水动力学后续学习打下良好的基础，实践证明利用升级后的平台教学效果取得了良好的效果。

　　5学生考核

　　选取了安徽理工大学地下水科学与工程专业2017级1班学生应用升级平台进行Darcy定律的适应范围的试验，该试验设置每5个人一小组进行“土”“石”混合体的试验。“土”“石”混合体的级配需要各小组根据基于工程实践条件进行自行配比，如矿山深部风化壳开采条件下、设定隧道开挖遇到的破碎山体条件下、设定浅部地铁开挖遇到的破碎岩体条件下，即具体试验内容需各小组自行设计，该部分内容占据40%成绩；应用升级平台进行数据采集后采用origin软件进行成图绘制，以探讨Darcy定律的适用范围，若渗流速度和水力梯度呈现线性关系，则依据的工程背景满足Darcy渗透定律，反之，则依据的工程背景不满足Darcy渗透定律。该项内容占据40%成绩；教师根据学生团队合作表现给定20%的成绩。与传统工科人才培养相比，新工科背景下升级的实验平台更有利于培养学生的实践能力、动手能力与创新能力。

　　6结语

　　对该学校Darcy定律的传统实验平台进行了升级改造，改变了传统平台只能测定均质介质的限制，升级后的平台可紧密结合我国东部地区风氧化带的工程背景，可测定非均质介质的渗透特性，引导学生逐步探讨Darcy定律的适用范围，为地下水动力学的学习打下良好的基础，根据升级后平台的实践效果说明，学生利用该平台可以自行设计进行创新实践，与传统平台培养相比，新工科背景下升级的实验平台更有利于培养学生的实践能力、动手能力与创新能力。

　　作者：柴辉婵 刘启蒙 吴海波 陈孝杨 时元玲