《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流知識的關(guān)系及“教與學(xué)”

李 強(qiáng) 張少雄 湯勁松

(石家莊鐵道大學(xué) 河北石家莊 050043)

《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流知識的關(guān)系及“教與學(xué)”

李 強(qiáng) 張少雄 湯勁松

(石家莊鐵道大學(xué) 河北石家莊 050043)

分別介紹《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中所講授的滲流相關(guān)內(nèi)容，并分析兩門課中滲流知識的異同點(diǎn)及相互關(guān)系，結(jié)果表明兩個課程中滲流內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不同，不可相互替代，最后對這兩門課中滲流部分內(nèi)容的教與學(xué)進(jìn)行探討，建議教學(xué)時引導(dǎo)學(xué)生將《水力學(xué)》和《土力學(xué)》兩門課相關(guān)知識結(jié)合起來，并建立滲流相關(guān)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)，到達(dá)真正理解和掌握滲流相關(guān)知識的目的。

滲流 教與學(xué) 水力學(xué) 土力學(xué)

在土木工程學(xué)科中，《水力學(xué)》和《土力學(xué)》作為專業(yè)基礎(chǔ)課，都為必修課，這兩門課程中都有講授滲流知識的章節(jié)，以齊清蘭教授主編的“十一五”國家規(guī)劃教材《水力學(xué)》為例[1]，該教材滲流部分內(nèi)容在“第九章 滲流”，以張力霆教授主編的“十一五”國家規(guī)劃教材《土力學(xué)與地基處理》（后簡稱《土力學(xué)》）教材為例[1]，其滲流部分內(nèi)容在“第二章 土的滲透性和滲流問題”。考慮到兩課程中都涉及到滲流部分內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)生或教師在講授時都會一定的疑問：“滲流”部分內(nèi)容為什么在兩個課程中都單獨(dú)講授？這部分內(nèi)容在兩個課程中關(guān)系如何？作為《水力學(xué)》或《土力學(xué)》教師應(yīng)該如何合理講解這部分內(nèi)容？作為學(xué)生應(yīng)該如何學(xué)習(xí)這兩個課程中的“滲流”相關(guān)知識？筆者同時講授了這兩門課程，根據(jù)教學(xué)中的體會對以上問題進(jìn)行探討。

1 《水力學(xué)》中滲流知識

《水力學(xué)》中的滲流部分內(nèi)容，主要講述水在巖石或土壤孔隙中的流動，即地下水的運(yùn)動，研究對象主要是地下水。其內(nèi)容主要包括以下幾方面：（1）地下水的狀態(tài)及巖土的滲透性質(zhì)；（2）滲流模型的提出，有了滲流模型，可以認(rèn)為滲流區(qū)域是全部被水充滿的連續(xù)區(qū)域，所以滲流模型中的滲流是一種連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動，為以后滲流研究奠定了基礎(chǔ)；（3）地下水能量與滲流流速的關(guān)系-達(dá)西定律，并講解了達(dá)西滲透定律及其適用條件。（4）地下水均勻流的基本概念；（5）地下水漸變流概念，結(jié)合能量方程和達(dá)西滲流定律，得出了地下水漸變流的基本微分方程，并由此引出浸潤面的概念，通過該微分方程，可以在已知地下水單寬流量的條件下，確定浸潤曲線的變化規(guī)律，同時在已知浸潤曲線的規(guī)律，確定地下水的滲流量。（6）介紹幾種基本的給水工程，如潛水井、承壓井和集水廊道，并講解了流量（滲水量）計(jì)算方法。

2 《土力學(xué)》中滲流知識

《土力學(xué)》中對滲流部分內(nèi)容的講解，主要講述土的滲透性及其滲透變形特性，研究對象主要是土體。主要內(nèi)容包括以下幾方面：（1）地下水水頭及水力坡降的概念，給出達(dá)西滲透試驗(yàn)和達(dá)西定律，并討論了達(dá)西定律適用的范圍；（2）土體滲透性、滲透系數(shù)及影響因素，介紹了滲透系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場測定方法和確定滲透系數(shù)的部分經(jīng)驗(yàn)公式，并講解了層狀地基等效滲透系數(shù)的求解方法。（3）講述了平面滲流的基本方程及流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用；（4）滲透力的概念，并給出了滲透力大小的計(jì)算公式。（5）土的滲透變形，包括流土、管涌、接觸流土和接觸沖刷四種，主要介紹了流土發(fā)生的條件，并給出了判別流土發(fā)生條件的臨界坡降計(jì)算公式，并討論了管涌可能發(fā)生的條件；講解了防止?jié)B透變形的措施。

3 《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流知識關(guān)系

《水力學(xué)》中對滲流知識的講解主要以地下水為研究對象，主要介紹地下水滲流的流量計(jì)算，地下水滲流的自由水面(浸潤面)的計(jì)算，地下水滲流場的斷面流速分布等特點(diǎn)。章節(jié)安排是首先提出滲流模型，將地下水滲流場認(rèn)為是一個連續(xù)的流場，從而借助描述地表水運(yùn)動的概念和理論進(jìn)行研究，所以其研究基礎(chǔ)為《水力學(xué)》中的能量方程，并結(jié)合達(dá)西滲透定律推導(dǎo)出了地下水運(yùn)動的微分方程，在該微分方程的基礎(chǔ)上，研究地下水的滲流量、地下水自由水面等。

而《土力學(xué)》中對滲流知識內(nèi)容的講解主要以土體為研究對象，主要介紹滲流量計(jì)算、土體的滲透性、土體的滲透變形及控制措施方法等。詳細(xì)討論了土體滲透性，如滲透系數(shù)的測定方法、影響滲透系數(shù)的因素、層狀土體等效滲透系數(shù)的計(jì)算方法等。引入了達(dá)西滲透定律，建立了平面流場微分方程；同時講授了滲透變形問題，引入了滲透力的概念和計(jì)算方法，并介紹了兩種重要的滲透變形：流土和管涌，并給出了其判斷方法。在《土力學(xué)》中，重點(diǎn)內(nèi)容是達(dá)西滲透定律、土的滲透性及滲透變形(破壞)的種類及判斷方法等相關(guān)內(nèi)容。

從以上可以看出，《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不同，《水力學(xué)》中側(cè)重于滲透水的運(yùn)動規(guī)律，主要確定地下水的流量、地下水的流速和地下水自由液面(浸潤線)埋深規(guī)律?！锻亮W(xué)》中側(cè)重于土的滲透性和滲透破壞問題，研究土在地下水滲透力作用下的穩(wěn)定和變形問題；同時兩門課又有重合的部分，就是達(dá)西滲透定律部分的內(nèi)容。

4 《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流內(nèi)容的教與學(xué)

根據(jù)以上的分析可知，《水力學(xué)》中的滲流內(nèi)容和《土力學(xué)》中的滲流部分內(nèi)容不是簡單的重復(fù)，兩種各有側(cè)重，所以這兩門課中該部分內(nèi)容在講授和學(xué)習(xí)過程中應(yīng)注意以下一些問題：

（1）兩門課講授的前后關(guān)系，應(yīng)將《水力學(xué)》放到《土力學(xué)》前講授。這是因?yàn)椤端W(xué)》中講授滲流時，詳細(xì)地介紹了滲流模型，學(xué)生只有理解了滲流模型，才能理解滲流中地下水水流速、流量、動能、勢能、水力坡降等基本物理量的意義，而這些物理量在《水力學(xué)》中以前的章節(jié)中得到了系統(tǒng)的介紹，學(xué)生更容易接受，所以滲流模型應(yīng)是《水力學(xué)》滲流章節(jié)中非常重要的內(nèi)容，而該內(nèi)容不適合放到《土力學(xué)》中講授。

（2）講授《水力學(xué)》滲流時，應(yīng)向?qū)W生明確《水力學(xué)》中滲流以地下水為主要對象的，不考慮土體的變形和破壞問題，重點(diǎn)講授滲流模型、表征地下水運(yùn)動的各個物理量（該部分內(nèi)容為以后《土力學(xué)》滲流內(nèi)容講解打下基礎(chǔ)），及由能量方程和達(dá)西定律推導(dǎo)出的地下水運(yùn)動的微分方程，并有該方程確定地下水流量和自由水面曲線的計(jì)算方法。

（3）講授《土力學(xué)》滲流時，要明確《土力學(xué)》中滲流以土體為主要對象的，并引導(dǎo)學(xué)生回憶《水力學(xué)》滲流的相關(guān)知識，讓學(xué)生理解《土力學(xué)》中滲流知識和《水力學(xué)》滲流知識的不同，并能幫學(xué)生將兩部分知識結(jié)合起來學(xué)習(xí)，使得學(xué)生對滲流相關(guān)知識能融會貫通。同時在《土力學(xué)》中應(yīng)該重點(diǎn)講授土的滲透特性、滲透系數(shù)的測定及影響因素、土體的滲透破壞等知識。

（4）《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中存在部分知識的重復(fù)，如在《水力學(xué)》中講授了土體的滲透系數(shù)及影響因素，考慮到該部分內(nèi)容在《土力學(xué)》中講授的更為詳細(xì)，《水力學(xué)》中該部分內(nèi)容可以重點(diǎn)講授滲透系數(shù)的概念，對影響因素和測定方法可以告訴學(xué)生以后《土力學(xué)》中繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，同時讓對該方面知識感興趣的同學(xué)課外查閱《土力學(xué)》相關(guān)教材學(xué)習(xí)；《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中都有關(guān)于達(dá)西滲透定律內(nèi)容知識，由于達(dá)西定律主要描述地下水的能量損失與流速的關(guān)系，該部分內(nèi)容在《水力學(xué)》中講授概念更情況、更容易理解，所以該部分內(nèi)容在《水力學(xué)》中建議重點(diǎn)講授，在《土力學(xué)》中可根據(jù)學(xué)生掌握的情況適當(dāng)減少學(xué)時講授。同時在講授《土力學(xué)》時，應(yīng)讓學(xué)生理解《水力學(xué)》和《土力學(xué)》中滲流部分內(nèi)容的差別，引導(dǎo)學(xué)生將兩門課結(jié)合，建立滲流相關(guān)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)，到達(dá)真正理解和掌握滲流相關(guān)知識的目的。

5 結(jié)論

《水力學(xué)》和《土力學(xué)》都有講授滲流方面的章節(jié)，其中《水力學(xué)》滲流以地下水為主要對象展開講授，重點(diǎn)內(nèi)容包括滲流模型、地下水的運(yùn)動規(guī)律；《土力學(xué)》滲流以土體為主要對象展開講授，重點(diǎn)內(nèi)容包括土的滲透性及影響因素、滲流作用下土體的滲透變形(破壞)問題；兩個課程中滲流內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不同，不可相互替代，在講授時，《水力學(xué)》應(yīng)安排在《土力學(xué)》前進(jìn)行講授，對兩門課各自側(cè)重的內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)講解，重復(fù)的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)兩門課的特點(diǎn)進(jìn)行合理安排，同時引導(dǎo)學(xué)生將《水力學(xué)》和《土力學(xué)》兩門課相關(guān)知識結(jié)合起來，并建立滲流相關(guān)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)，到達(dá)真正理解和掌握滲流相關(guān)知識的目的。

[1]齊清蘭.水力學(xué)[M].中國鐵道出版社,北京,2008

[2]張力霆.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,北京,2007

Teaching and Learning of the Knowledge about the Seepage in Soil Mechanics and Hydraulics

LI Qiang ZHANG Shao-xiong TANG Jin-song
(Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang Hebei 050043 China)

In the paper, the knowledge about the seepage in soil mechanics and hydraulics is introduced, and similarities and differences of the knowledge between the two curriculums are analysed. The results show that the emphasis points of the curriculums are different, and cannot replace each other. Then the teaching and learning of the knowledge about the seepage in the two curriculums is discussed, and it is suggested that the students should set up the knowledge structure by the combination of the two curriculums under the guidance of teacher in order to understand and acquire the seepage knowledge in the two curriculums.

seepage teaching and learning hydraulics soil mechanics

C912.4

A

1673-1816(2014)01-0112-03

2013-11-14

李強(qiáng)（1979-），男，漢，河南安陽人，博士，副教授，研究方向?yàn)閹r土工程。

基金支持：河北省高等學(xué)校教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：GH122055）；《水力學(xué)》河北省省精品課建設(shè)成果；石家莊鐵道大學(xué)“十二五”教育規(guī)劃課題（項(xiàng)目編號：110427）。