新工科背景下地下水科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)平臺升級研究

柴輝嬋，劉啟蒙，吳海波，陳孝楊，時元玲

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001）

地下水科學(xué)與工程專業(yè)（以下簡稱“地下水專業(yè)”）屬于地質(zhì)類專業(yè)，主要解決地下水賦存運(yùn)移、地下水資源管理、地下水污染與控制等相關(guān)問題，具有專業(yè)問題復(fù)雜、多學(xué)科交叉、專業(yè)實踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。與20世紀(jì)50年代國家開始創(chuàng)辦的“水文地質(zhì)”專業(yè)有一定的傳承關(guān)系。但是隨著21世紀(jì)地下水資源開發(fā)逐漸暴露的環(huán)境地質(zhì)問題逐漸增多，如地下水超采、地面沉降、地下水污染、海水入侵、淺海隧道工程的防滲等問題日益突出，新工科背景下對地下水專業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。教育部于2006年首次批準(zhǔn)中國地質(zhì)大學(xué)（北京）設(shè)立地下水科學(xué)與工程專業(yè)[1]，之后全國各高等院校陸續(xù)開辦了地下水專業(yè)，該專業(yè)的辦學(xué)歷史僅有10余年，從辦學(xué)歷史上屬于新興專業(yè)。故地下水專業(yè)既有繼承“水文地質(zhì)”傳統(tǒng)專業(yè)的特征又有新工科背景下新興專業(yè)的特點(diǎn)，安徽理工大學(xué)依托地質(zhì)類專業(yè)的特色專業(yè)于2017年開辦了地下水科學(xué)與工程專業(yè)，其專業(yè)又兼具該校地質(zhì)類特色專業(yè)的特點(diǎn)。

高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位。為了更好地推動我國卓越工程人才的培養(yǎng)，2017年2月和4月教育部分別在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，正式吹響了我國高?！靶鹿た啤苯逃母锏奶柦?，它明確地提出了我國工科教育改革的目標(biāo)[2-5]?！靶鹿た啤睂た苿?chuàng)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，它強(qiáng)調(diào)的是學(xué)科的交叉與滲透，即多學(xué)科的融合與創(chuàng)新。

特別對于地下水專業(yè)來說，“新工科”的要求是要解決21世紀(jì)以來日益突出的環(huán)境地質(zhì)問題，涉及實驗平臺即具體表現(xiàn)為要求實驗平臺升級改造，能夠以傳統(tǒng)教學(xué)為契機(jī)，不斷深入對教學(xué)知識的拓展和延伸。該文以地下水動力學(xué)中的Darcy實驗為出發(fā)點(diǎn)，利用傳統(tǒng)實驗裝置，對實驗裝置進(jìn)行升級改造。在升級后的平臺結(jié)合實踐工程條件探討Darcy實驗的適用條件，拓展了Darcy實驗的適用范圍，拓寬了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對Darcy實驗的認(rèn)識。

1 Darcy實驗的重要性

地下水動力學(xué)屬于地下水科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程既注重理論又注重應(yīng)用，是研究地下水在多孔介質(zhì)中運(yùn)動規(guī)律的一門課程[7]。并且該課程的理論邏輯性較強(qiáng)，需要配合該課程的實驗來加深課程的理論知識學(xué)習(xí)，實驗課在這門課的教學(xué)之中占有非常大的比例[8]，與該課程配合的實驗有Darcy實驗、壩基滲流實驗、河渠間地下水滲流實驗、潛水完整井穩(wěn)定（非穩(wěn)定）流實驗、承壓水完整井穩(wěn)定（非穩(wěn)定）流實驗、一維彌散實驗。其中Darcy實驗所揭示的定律是揭示地下水滲流基本規(guī)律的基本定律，在地下水中具有奠基石作用，具有普遍意義。是推導(dǎo)地下水后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，如推導(dǎo)井流方程、運(yùn)動方程，另外，Darcy定律不僅在滲流，在裂隙流領(lǐng)域，乃至石油領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用[9-10]。

2 升級平臺的必要性

安徽理工大學(xué)地下水動力學(xué)實驗室現(xiàn)有穩(wěn)定流Darcy實驗裝置，其實驗條件為常壓、穩(wěn)定水頭、定流量、均質(zhì)介質(zhì)并且是一維流的實驗條件。即水頭在測壓管內(nèi)需保持恒定，并且與大氣連通，通過砂體給出的流量是恒定的，并且滲透介質(zhì)所選用的也是標(biāo)準(zhǔn)砂，水體的流動方向也是一維的。這是最經(jīng)典的Darcy實驗的實驗條件，但是隨著工程實踐的發(fā)展，對Darcy定律的適用條件也提出了挑戰(zhàn)。最常見的適用條件的疑問，就是在非均質(zhì)介質(zhì)當(dāng)中，Darcy定律是否還適用呢？如在基巖風(fēng)化殼地區(qū)多孔介質(zhì)往往為非均質(zhì)，是“土”和“石”的混合體，這種混合體的滲透規(guī)律是否符合Darcy定律，需要進(jìn)一步探討；而這種風(fēng)化殼在近幾年積極開展的城市地鐵建設(shè)當(dāng)中較為常見，在礦山工程當(dāng)中這種風(fēng)化殼也較為常見。該文主要探討的正是非均質(zhì)介質(zhì)是否符合Darcy定律，故有必要對Darcy實驗的平臺進(jìn)行升級改造，以滿足對Darcy定律適用條件的探索。

3 平臺升級過程

該次選用的實驗土石混合體樣品，其中“石”取自破碎的奧陶系灰?guī)r石塊，篩選粒徑組分為5～20 mm，根據(jù)土工試驗規(guī)程的規(guī)定，屬于中礫范圍?！巴痢比∽詩W灰風(fēng)化形成的紅土，篩選粒徑組分小于0.075 mm，根據(jù)土工試驗規(guī)程的規(guī)定，屬于粉粘土范圍。由于本學(xué)校Darcy滲透實驗所采用的滲透儀為70滲透儀，內(nèi)徑為100 mm，不滿足土工試驗規(guī)程中，滲透儀內(nèi)徑應(yīng)大于最大粒徑7～8倍的要求。故該次對實驗平臺首先升級了滲透裝置，與常規(guī)滲透儀相比，升級的滲透裝置有以下優(yōu)勢：（1）滲透儀內(nèi)徑擴(kuò)大至140 mm，按實驗巖樣，可以滿足滲透儀內(nèi)徑應(yīng)大于最大粒徑7～8倍的要求；（2）擴(kuò)大滲透以下部透水裝置內(nèi)徑，增加了金屬孔板，使該滲透儀更適用于“土”“石”混合樣；（3）增加了壓樣部位，該部位主要填充碎石，目的是為了在水頭提高時，壓住試樣，防止試樣由于水頭過大而沖刷破壞。（4）與傳統(tǒng)滲透儀上部的開放空間不同，升級后的滲透儀上部為螺絲密封，該密封是為了進(jìn)一步壓住試樣，防止試樣由于水頭過大而被沖刷破壞?？傊鲜?點(diǎn)的滲透升級改造，均進(jìn)一步擴(kuò)大了滲透儀的適用性。

傳統(tǒng)的Darcy滲透裝置設(shè)置的水頭為固定水頭，不能測定不同水頭下試樣的滲透規(guī)律。為了測定不同水頭下，試樣的滲透規(guī)律，該次平臺也升級了水頭動力裝置，與傳統(tǒng)定水頭加壓裝置不同，升級后的定水頭加壓裝置有以下優(yōu)勢：（1）采用滑輪裝置提升水頭，可以測定不同水頭下試樣的滲透規(guī)律，解決了傳統(tǒng)水頭固定的問題；（2）在測定“土”“石”混合體的滲透規(guī)律時，需要一定高度的水頭來預(yù)飽和試樣，并需要一定高度的水頭來實現(xiàn)“土”“石”混合體的滲流，也就是地下水動力學(xué)提到的起始水力梯度，該水頭高度一般比較高，在該次實驗條件下，大于1.5 m，該裝置水頭可以最高升至3 m，解決了測定“土”“石”混合體水頭不夠的問題。

4 平臺升級后的效果

平臺升級后進(jìn)行了3次“土”“石”混合體的試驗，每一次試驗均使用的是該次加工的滲透裝置，每次試驗前均使用真空飽和儀進(jìn)行了預(yù)先飽和，以縮短“土”“石”混合體的飽和時間。3次“土”“石”混合體中，碎石的含量分別為30%，40%，50%，試驗結(jié)果可知，“土”“石”混合體的滲流速度和水力梯度呈現(xiàn)線性關(guān)系，即滿足公式（1）

公式（1）是Darcy定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，其所包含的含義是地下水過流介質(zhì)的滲流速度和水力梯度呈現(xiàn)線性關(guān)系，其斜率定義為K，稱之為滲透系數(shù)。這可以說明“土”“石”混合體非均質(zhì)介質(zhì)的滲流規(guī)律也符合Darcy定律，擴(kuò)大了Darcy定律的適用范圍。基于這種升級的實驗平臺，學(xué)生自行設(shè)計多種非均質(zhì)介質(zhì)，用升級后的平臺來驗證Darcy定律的適用范圍，以加深對Darcy定律的理解，為地下水動力學(xué)后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，實踐證明利用升級后的平臺教學(xué)效果取得了良好的效果。

5 學(xué)生考核

選取了安徽理工大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)2017級1班學(xué)生應(yīng)用升級平臺進(jìn)行Darcy定律的適應(yīng)范圍的試驗，該試驗設(shè)置每5個人一小組進(jìn)行“土”“石”混合體的試驗?！巴痢薄笆被旌象w的級配需要各小組根據(jù)基于工程實踐條件進(jìn)行自行配比，如礦山深部風(fēng)化殼開采條件下、設(shè)定隧道開挖遇到的破碎山體條件下、設(shè)定淺部地鐵開挖遇到的破碎巖體條件下，即具體試驗內(nèi)容需各小組自行設(shè)計，該部分內(nèi)容占據(jù)40%成績；應(yīng)用升級平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后采用origin軟件進(jìn)行成圖繪制，以探討Darcy定律的適用范圍，若滲流速度和水力梯度呈現(xiàn)線性關(guān)系，則依據(jù)的工程背景滿足Darcy滲透定律，反之，則依據(jù)的工程背景不滿足Darcy滲透定律。該項內(nèi)容占據(jù)40%成績；教師根據(jù)學(xué)生團(tuán)隊合作表現(xiàn)給定20%的成績。與傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)相比，新工科背景下升級的實驗平臺更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、動手能力與創(chuàng)新能力。

6 結(jié)語

對該學(xué)校Darcy定律的傳統(tǒng)實驗平臺進(jìn)行了升級改造，改變了傳統(tǒng)平臺只能測定均質(zhì)介質(zhì)的限制，升級后的平臺可緊密結(jié)合我國東部地區(qū)風(fēng)氧化帶的工程背景，可測定非均質(zhì)介質(zhì)的滲透特性，引導(dǎo)學(xué)生逐步探討Darcy定律的適用范圍，為地下水動力學(xué)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，根據(jù)升級后平臺的實踐效果說明，學(xué)生利用該平臺可以自行設(shè)計進(jìn)行創(chuàng)新實踐，與傳統(tǒng)平臺培養(yǎng)相比，新工科背景下升級的實驗平臺更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、動手能力與創(chuàng)新能力。