发布时间：2023-07-23 09:24:26
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的水利工程地质论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
GPS越来越广泛地应用于水利水电工程地质勘察测量及定位控制,它在高程控制方面能较好地解决跨河、跨沟水准难以传递的问题,以及在勘察区控制点较少,或在山区、林区等通视条件较差、观测条件受限的区域进行工程地质勘察时,运用GPS可大大减少作业时间,提高测量精度。
二、遥感技术的应用
遥感技术按照遥感平台的高度不同,一般分为航天遥感、航空遥感和地面遥感共3大类。遥感技术由于视域广阔、信息丰富、具立体感、卫星影像成周期性重现以及获取资料快速等特点,被广泛应用于水利水电工程中有关重大工程地质问题及相关的环境等问题的调查与研究。
(一)区域构造稳定性研究。由于遥感图像能提供大量宏观的线性构造信息,较好地反映区域地质特征、水系分布特征和地貌形态,所以对研究区域构造格架,确定断裂体系及活动性以及评价工程及其周缘地区的构造稳定性有重大作用。因此遥感技术的应用也成为研究此问题必用的手段。
(二)水库区塌、滑坡、泥石流调查。在大型水利水电工程库区岸坡的滑坡、崩塌、泥石流以及某些松散堆积体的调查中,有一些工程应用遥感技术利用航卫片或彩红外片进行地质解译,结合野外现场观察、复查和检查查明了许多久拖不决的影响库岸稳定性评价的大型或较大型、塌滑体的数量,分布及其稳定状态。
(三)岩溶调查。利遥感影像,特别是彩红外影像进行岩溶及岩溶水文地质调查有其特殊的优势,像片解译不仅能很好地判读各种岩溶地貌现象,而且还可以充分利用和其它介质红外光谱的差异,判断地下水的分布和泉水分布等。清江招来河、高坝洲,黄河万家寨等工程曾利用彩红外航片解译来研究岩溶及岩溶渗漏问题,都取到了良好的效果。
(四)中小比例尺地质测绘填图。推广遥感技术,在保持必须的野外工作量和成图现场校核工作的前提下,中小比例尺地质图以遥感成图取代常规地质测绘;建筑物及其它重要地区大比例尺工程地质图优先考虑遥感成图。这是十年前在全国水利水电勘测工作会议上由水利水电规划总院提出的“勘测技术发展目标”文件所确定的。
(五)岩土工程开挖面地质编录。为适应大型水利水电工程施工中进行反馈设计、安全预报和存档备查的需在人工开挖高边坡、大型地下建筑物和大坝基坑的开挖中采用地面遥感技术,进行地质编录,并为有关的稳定分析和现场预报提供翔实的地质资料和数据是很必要的。为此长江勘测技术研究所在“七五”、“八五”和“九五”科技攻关中开发和完善了“高边坡快速地质编录系统”,并成功地应用于长江三峡永久船闸、澜沧江小湾、清江水布垭等工程的岩质高边坡开挖中的地质编录。该项技术采用的是数码像机摄影,微机现场采集及预处理,自主开发的软件处理可随时提供岩质高边坡的连续彩色影像图和地质所需的将边坡开挖面置于任意方位的线划图。
(六)水土保持、防洪与移民安置容量研究。如1994年,长江勘测技术研究所承担的长江上游水土保持重点治理区滑坡、泥石流发育程度与稳态区域研究项目,该项目在研究中利用TM卫片对陇南、金沙江下游、三峡库区3大片进行解译与发育程度的划分(滑坡分四级,泥石流分五级)作出了区划图,提出了防治意见和预警系统建立的基本设想。1990年地矿部航空物探中心与长江委规划处、综勘局一道,开展长江中游干流防洪工程现状遥感调查,用TM卫片和1∶3万～1∶5万彩红外航片进行解译和编写报告,提交的成果获得了较好的成效。移民安置容量研究,航卫片,尤其是彩红外航片,以其对土地利用类型的可判读性和现实性,为移民安置容量分析确定提供了新手段。
三、地理信息系统(GIS)
GIS技术可自动制作平面图、柱状图、剖面图和等值线图等工程地质图件,还能处理图形、图像、空间数据及相应的属性数据的数据库管理、空间分析等问题,将GIS技术应用于工程地质信息管理和制图输出是近几年工程地质勘察行业的热点和发展趋势。目前,国内应用较多且比较成熟的专业软件是由中国地质大学开发研制的MAPGIS,是一种专业的地理信息系统软件。
四、工程物探技术
在我国工程物探虽然起步较晚,但在水利水电工程勘测设计单位从20世纪80年代初至90年代初逐渐引进和装备了一些必要的仪器,如信号增强式地震仪、综合测井仪、电法仪、透视仪、声波仪、管线仪、地质雷达和钻孔彩色电视系统等,使物探仪器得到了全面的更新,其中有些是当时或至今都是世界水平的新仪器,大大地提高了数据采集精度和野外工作效率,促进了物探的发展。
(一)地球物理层析成像技术(CT)。CT技术是利用已有的平洞或钻孔,通过对采用一定发射和一定接收方式产生的透射波的采集与处理,反演孔洞间岩体的波速值,并对区间岩体进行判断、评价的一种技术方法。当前在勘探孔洞间了解岩体情况尚没有一个经济的、有效的技术措施做进一步工作的情况下,CT技术不失为是一个查明孔洞间岩体总体完整性程度的好方法。做得好,不仅能节约一定的勘探工作量而且还会对岩体物理力学性的整评价质量的提高有所促进。所以“七五”国家重点科技攻关以来,包括“八五”和“九五”攻关几个涉及水电建设的项目,涉及水利水电工程地质勘探的课题和专题中大多数都涉及CT技术攻关的内容,并获得许多很有成效的成果。
(二)钻孔彩色电视系统。a53mm的钻孔彩电是为适应水利水电工程勘察的大多数钻孔都是a56mm的金刚石钻孔而设计制造的;50mm的钻孔彩色电视是在电子技术发展的基础上为适应水平风钻孔观察而设计制造的,并首次将CCD光电偶合器件应用于钻孔电视。该产品的特点是电路设计合理,集成度高,性能稳定,与传统的摄像管探头相比,具有彩色图像重现性好、几何失真小、寿命长、耐冲击、体积小、重量轻、功耗低等特点,是一个更新换代产品。当前,随着数字技术的发展,钻孔彩电又在开发的图像处理系统基础上研制出多功能钻孔彩色电视系统,系统采用工控级主机,形成控制器、监视器、录相机三合为一的一体化主机。主机可配接多种不同口径的钻孔电视探头,实现图像数字化实时采集压缩存储,成果可刻录成VCD光盘,还可进行后期图像处理及制作。
参考文献:
[1]杨连生,水利水电工程地质[M].武汉:武汉大学出版社,2004.
[2]王妙月,勘探地球物理学[M].北京:地震出版社,2003.
[3]封云亚、沈春勇,喀斯特地区水利水电工程勘测与处理新技术[J].水利水电技术,2005,36(9):70～73.
关键词：岩土工程；工程勘察；水文地质；工程施工
在岩土工程勘察活动中，最为重要且最易被人忽视的问题，就是水文地质问题。究其原因，是因为工程地质与水文地质之间的关系十分密切，两者之间是相互作用相互影响的关系。但是，地下水是岩土的重要组成部分，因此其对岩土的性质具有重大影响。同时，其对建筑物的稳定性与持久性具有决定性作用。在我国一些地质、水文情况十分复杂的地区，由于缺乏对水文地址的准确、深刻研究，致使设计人员在设计过程中忽视了对水文情况的考虑，时常发生因地下水原因引起的岩土工程事故。在这种情况下，要想切实提高建筑物的施工质量，是难以实现的。由此可见，在建设岩土工程时，进行严格、精准、全面的水文地质勘察是十分有必要的。
1地下水文对岩土工程产生的影响
地下水文与岩土工程有重要的关系，从以上的地下水文与岩土工程的作用中可以看出，地下水文会对岩土工程产生一些影响，这些影响主要有：
1.1对基础埋深产生的影响。在岩土工程施工中，在基础埋深时，需要的地下水文的条件、动态等情况进行详细的掌握，如果地下水存在时，基础埋深要在地下水以上，如果必须埋深到地下水以下，需要采取降水位措施。在基础埋深时还需要考虑到承压水的作用，以免在基坑开挖时基坑底土被承压水冲破。从基础工程施工现状进行分析，天然地的造价较低，而且施工方便，在工程施工中都会优先考虑，但是在基础沉降过大或者是地基稳定性无法满足设计要求时，就需要对地基进行处理，提高地基的承载力，提高基桩成桩号质量。除此之外，地下水文还会对基础开挖产生一定的影响，如果出现土体软化强度降低等，会影响基础开裂。
1.2对建筑工程产生的影响。地基是建筑工程安全的前提，也是建筑工程施工的基础，在地基受到地下水文影响后，必然会对地上的建筑物产生一定的影响。如果地下水位高，会对地下室等建筑物产生潮湿等影响，还会增加土壤的盐渍化，加强对建筑物自身的腐蚀，进而破坏建筑物。所以在建筑工程施工前，都会先对地下水文可能造成的灾害和产生的影响进行分析。
1.3对支护产生的影响。随着城市的发展，高层建筑成为城市的一个标志，越来越多的高层建筑建起，随着高层建筑不断增加，城市建筑施工，受到施工场地、施工工艺的影响，会采用垂直开挖的方式进行施工。在高层建筑施工的过程中，基坑的开挖，会采用抽水的方法将地下水位降低，减少土侧的压力影响。但是地下水位的突然下降，会对相邻建筑产生影响，引发变形或者是造成地面沉降等，所以在建筑工程施工前进行岩土勘察、水位地质勘测非常重要。
2水文地质勘察的主要内容
2.1详细、准确评价水文地质对建筑物及岩土的影响与作用，预测极易发生的岩土工程故障，并提早做好防范工作；
2.2在岩土工程勘察过程中，要紧密结合工程特点及建筑物实际需求，准确勘察工程地点的水文地质情况，积极提供建筑物建设所需要的水文地质详情；
2.3应准确勘察岩土工程周围的水文地质自然风貌，并评估其对工程的各种影响，应重点分析并预测在工程建设过程中地下水会发生怎样的变化，这些变化会对建筑物及岩土发生怎样的影响；
2.4从工程方面考虑，依照地下水对具体工程的影响与作用，详细提出各种情况下应重点评价的水文地质问题，例如：第一，水对深埋在地下水水位之下的建筑物地基中钢筋及混凝土的腐蚀程度。第二，对选择膨胀土、残积土、强风化岩、软质岩石等岩土当成基础里层的工程场地，应重点评价地下水文对各种岩石可能产生的胀缩、崩解、软化等作用。第三，当地基的压缩层中出现了饱和、松散的粪土、细砂时，应预防产生管涌、流砂、潜蚀等可能性。第四，当建筑物的地基下部包含有承压含水层的话，应注重对地基坑开挖之后地下水对地基底板产生强大冲击的可能性进行评价与估算。第五，当工程地基在地下水位以下时，应积极进行富水性和渗透性试验，特别是在山区，应精准勘察水文详情并积极评价因人工降水而引发的山体滑坡、泥石流等问题，尽量避免影响建筑物的持久性与安全性。
3岩土工程勘察的重点
3.1地下水位上升问题
因地下水水位上升引发的岩土工程问题，主要体现：1）具有一定坡度的岩土发生大规模滑坡、崩塌，或者出现泥石流等，这种情况主要出现在风化现象严重的山区、丘陵地带；2）崩解性强的岩土易被崩解或软化，进而破坏岩土结构，使其稳定性降低、压缩能力增强。这种情况主要发生在强风化及风化后存在积土的地区；3）造成粉土及粉细砂被水浸泡成松散、饱和状态，极易发生砂土液化、流砂等状况这种情况多出现在第四系湖积细砂、冲积细砂层中；4）可引起地下洞、地下室内严重充水甚至被淹没，导致建筑物地基上浮，最终造成建筑物失稳、倾斜等问题。这种情况在各个地区都可能发生。
3.2地下水位下降问题
地下水水位不均衡大幅下降的主要原因，通常是由人为因素引起的，比如，过量或过于集中地取用地下水，造成地下水的取用量远远大于补给量，造成地下水位不断大幅下降，形成漏斗区。另一方面，工程活动比如施工排水、降水工程、矿床疏干等，可可能引发地下水位局部大幅下降。这种情况下，引起的岩土工程危害主要表现在地裂、地面下沉、地面塌陷等，其严重破坏了岩土的稳定性，降低了建筑物的持久性。在有些地区，因为排水、供水引起的地下水位大幅度下降，引起地下水漏斗区过度扩大，可造成该地区水资源的枯竭，继而引发严重的地裂及地面坍塌事件。
4结论
水文地质问题在岩土工程的地质灾害防御、基础设计、持力层选择等方面都发挥着很大的积极作用，只有深刻认识水文地质队岩土工程的重要影响，才能从根本上重视其作用，并积极采取措施予以应对，最终减少危害的发生。
想要正确地评价岩土工程的水文地质情况，必须注意以下几点：1）精准评价地下水地工程产生的各种影响，预测可能会发生的危害情况，并积极最好应对措施；2）在具体勘察中，应依据具体的建筑地基情况，详细查找与该地基情况有关的水文地质问题，为未来的建筑施工准备详尽、准确的水文地质信息；3）详细测量工程所在地地下水的自然状态及变化特点，一边准确地分析并预测因人为原因对地下水位产生的影响，进而对岩土工程产生不利影响；4）针对高层建筑，假如水文地质情况对其抗震性、地基产生较大影响时，有必要邀请专业的水文地质企业对该工程所在地进行详细的、全面的勘察。
参考文献
[1] 杨峰.岩土工程勘察中关于水文地质问题的相关研究[J]. 城市地理. 2014（14）
[2] 曹豫湘.浅析岩土工程勘察中水文地质勘察与评价[J]. 中华民居（下旬刊）. 2013（08）
Abstract： From the study of the derivation process of the coefficient k0 of unit elastic resistance， this paper puts forward the elastoplastic formula for determining the coefficient k0 of unit elastic resistance， and the determination method of correction factor α in the formula. α can be determined by the ratio of transverse wave and longitudinal wave of the rock mass. Through the calculation of construction practice， the difference between coefficient f0 of unit elastic resistance determined by the elastic-plastic theory and the sturdiness of rock mass coefficient and the experience value provided by the rules or regulations is small， they are in accordance with engineering practice.
关键词： 单位弹性抗力系数；修正系数；坚固性系数；泊松比；变形模量；完整性系数；弹性模量
Key words： coefficient of unit elastic resistance；correction factor；firmness coefficient；Poisson's ratio；deformation modulus；integrity coefficient；elasticity modulus
中图分类号：TV223.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0124-02
1 绪言
岩体单位弹性抗力系数k0是地质工作者提供的岩土体物理力学参数之一，目前对于单位弹性抗力系数的确定，除试验方法外，还没有一种较合理的确定方法。在没有试验数据的情况下，一般是结合具体的工程实际根据相关规范或规程提供的经验数据取值，而经验数据区间较大，该如何取值，对于地质工作者来说很盲目，为了工程设计的安全，大多数地质工作者采用经验值的下限，但取值符合工程实际吗？值得研究、商榷。
2 各规范或规程关于单位弹性抗力系数经验取值比较
笔者就工程实践过程中经常使用的规范或规程对水工有压引水隧洞设计时地质工作者需要提供的岩体单位弹性抗力系数k0的发展和改进列于表1，从表中可以发现，对于Ⅴ类围岩，各规范或规程所提供的k0值未有变化，Ⅳ～Ⅰ类围岩改变较大，Ⅳ、Ⅲ类k0总体提高了，Ⅱ、Ⅰ类总体降低了，这些都是工程试验、实践检验后所做的修正或改进，随着工程试验、实践数据的丰富及岩体力学的发展，还会进一步修正或改进，这就是规范或规程每隔一定时间段需要修订，工程实践中应该以最新规范或规程为准的原因。
3 根据弹塑性理论确定单位弹性抗力系数
据吕有年根据弹塑性模型研究[1]圆形水工有压隧洞围岩弹性抗力系数K的通用公式为：
式中E为岩体的弹性模量（MPa）；μm为岩体的泊松比；rb为隧洞开挖半径（m）；R为裂隙区半径或开挖影响半径（m）；τs为岩体的极限抗剪强度（MPa）；Pb为洞壁所受径向压力（MPa）。
若不考虑塑性区时，Pbrb=Rτs，则式（1）变为：
式（3）即为著名的钱令希公式。若裂隙区接触边界上的作用力等于岩石的极限抗拉强度Rt，则根据力的平衡条件，Pωrb=RtR，则式（3）可转化为[4]：
式（5）即为喀列尔金公式，将rb=100，即为工程实践中经常用的单位弹性抗力系数K0的计算公式，从分析过程中可以发现，在相同开挖半径，同一岩体中，式（1）～式（5）所计算的抗力系数关系为：k （1）< k （2）< k （3）（k （4））
采用式（6）计算的单位弹性抗力系数k0关键是修正系数α和岩体变形模量Em的确定，修正系数α、岩体变形模量Em与岩体的强度、完整程度及各向异性有关。
①修正系数α的确定。根据波动理论，对于连续、均质各向同性介质，岩体的纵波速Vp和横波速Vs分别为[6]：
式中：Ed为动弹性模量；μd为动泊松比；ρ为介质密度。
通过工程实践检验，并参考相关规范、规程，当采用如下方法确定岩体的变形模量Em、岩体的泊松比μm、岩体的完整性系数kv时α=δ。
②岩体变形模量Em确定。岩体变形模量Em采用2006年，Hoek和Diederichs的修正式Hoek-Diederichs方程，如下式所示：
式中，Ei为完整岩石的弹性模量（MPa）。
根据胡卸文、钟沛林、任志日的研究1和郭强、葛修润、车爱兰的研究成果，并根据大量工程实践计算检验，并结合GBT 50218-2014 《工程岩体分级标准》（GBT 50218-2014）、《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》（DLT5415-2009）、《中小型水力发电工程地质勘察规范》（DLT 5410-2009）、《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）总结出如下公式确定岩块的弹性模量Ei：
用式（10）、式（11）确定的岩体变形模量Em值与规范规程所给的经验取值相当吻合。
4 根据岩体的坚固性系数确定单位弹性抗力系数
根据工程试验数据及工程实践检验，结合《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》（DLT5415-2009）表k.1各类围岩主要物理力学参数经验取值，总结出了岩体的单位弹性抗力系数K0与岩体的坚固性系数f有如下经验关系：k0=10.75f-4.25 R=0.99838（12）
f=7f′-2.3 R=0.989949（13）
式中f′为岩体的抗剪断摩系数，R相关性系数。
式中f为岩体的坚固性系数，α为修正系数，与岩体的强度、完整程度有关。对于修正系数α的取值，建议采用岩体的完整性系数kv进修修正，即α= kv。笔者将修正系数α采用α= kv，经计算检验，其抗力系数k0与《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》（DL/T5415―2009）提供的K0经验值基本吻合，其计算值与（13）式计算结果相比有些偏小。
5 两种确定单位弹性抗力系数方法的比较
弹塑性理论法是借鉴有限元计算模型rb=6R，采用修正系数α=δ进行修正，利用式（6）确定k0。而坚固性系数法是采用完整岩块的单轴饱和抗压强度σc/10，然后采用α= kv进行修正和根据工程试验数据及工程实践检验，结合《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》（DLT5415-2009）表k.1各类围岩主要物理力学参数经验取值，总结出了岩体的单位弹性抗力系数K0与岩体的坚固性系数f的经验关系式（12）确定K0。
6 结论
①无论是弹塑性理论方法还是坚固性系数法，均需要采用修正系数α进行修正。弹塑性理论法按本文确定弹性抗力系数方法，修正正系数α=δ，δ为岩体横波速与纵波速之比；本文提出的坚固性系数法，修正系数α主要体现在坚固性系数f的确定上，α=kv。②无论是弹塑性理论方法还是坚固性系数法所确定的单位弹性抗力系数f0，均与规范或规程提供的经验值悬殊不大，符合工程实际。
参考文献：
[1]吕有年.水工有压隧洞岩石抗力系数“K”的一个新公式[J].岩土工程学报，1981.
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[8]徐筠.开挖应力状态下隧道围岩损伤及渐进破坏规律研究[J].2008.
关键词:GIS技术;水利工程;信息化
1引 言
地理信息系统(GIS)是由计算机系统、地理数据和用户组成的,通过利用数据的空间属性,实现了图形与数据的结合。它通过可视化平台多维地显示数据,揭示数据之间的关联和隐藏在数据背后的信息。作为传统地图学与现代信息技术相融合的一门空间技术,GIS是水利信息采集、存储、管理、分析、表达的有力工具。水利信息量大繁杂,既有实时数据,又有历史数据;既有环境数据,又有经济数据;既有矢量数据,又有栅格数据,这些信息中80%以上与空间信息相关。实践证明:GIS可以胜任存储、管理这么庞杂的数据。水利信息化是国家以信息化改造和提升传统产业思路在水利行业的具体体现,是推动水利现代化的重要措施之一。近年来,GIS技术已深入到水利工程的各个方面,并发挥了巨大的作用。如国家防洪抗灾总指挥部开发的“区域性防洪减灾信息系统”,是基于GIS工具软件Mapinfo平台开发的。文献[1]利用了GIS技术,开发了三峡工程信息系统(TGPIS)及三峡工程测绘管理系统(SMMS)。据此,GIS已经运用到水利工程的各个方面。
2GIS支持下的水利工程勘察信息管理
传统水利工程勘察资料管理方法以纸质档案为主,借助档案管理软件和数据库系统实现管理,这些管理方法无法适应信息化管理的需求,存在诸多弊端,[2]信息利用率低、信息交换手段缺乏、信息表现形式单调等。水利工程勘察信息具有明显的与地理位置相关的空间特性传统的信息表达手段对空间特性[3]的描述是非常困难的,而GIS空间数据处理和管理为勘察信息管理提供了技术支持。GIS能够管理并描述地表及其附着物的空间信息与属性信息,具有强大的图形、图像及属性数据处理能力,能够对地理信息及其相关信息提供采集、处理、管理、制图等功能。其次,现有水利工程勘察数据可以方便的与GIS数据进行融合。已有水利勘察资料包括岩层、构造、水文、岩土体的物理力学性质等,大多直接与钻孔资料相关,这些信息可以通过关系数据库进行管理,GIS可以通过一定技术与关系数据库关联。
基于GIS勘察信息管理系统设计与开发,目前并不成熟。[4]系统开发思路是通过背景图层的加载建立空间数据库,运用GIS统一管理,通过钻孔信息的收集录入建立勘察资料属性数据库,运用关系数据库(DBMS)进行管理。
3基于GIS的CAD地形图管理
在水利工程,特别是大型水利工程(如跨流域调水工程)中,工程选址是一个人机交会、反复修改优化、集设计和决策于一体的过程,往往涉及范围广泛,内容复杂。应用传统的选址方法往往需要大量的野外实地踏勘工作,这不仅耗费巨大的人力、物力和财力,而且给施工的进度造成了影响。目前,水利勘察信息管理中,GIS应用并不广泛。勘测设计部门对计算机的应用还处于CAD的机助制图阶段,还没有引入GIS进行数据管理和分析,如何充分发挥计算机在数据管理和辅助设计中的作用,是面临的主要问题。
应用GIS为水利工程服务,建立空间数据库是基础,空间分析是核心。数字地形信息是GIS的重组成部分,是地理空间数据的基本信息之一。地形图为各种勘察、规划、设计的地理信息载体,地形图数据要同时满足测绘制图、GIS数据交换及分发的需要。因此,建立GIS的第一步是设计并建立数字地图数据库。已有的AutoCAD数字地形图只是GIS数据库建立的数字化形式的基础数据源,将已有的 AutoCAD数字地形图数据转换为满足GIS要求的数据格式,已为技术所需。空间数据信息包括3方面:空间定位信息(实体的坐标)、空间关系及属性数据。实际应用中,CAD/GIS数据转换可分为直接转换和间接转换两种方法[5]。而地图生产中矢量数据格式的转换有两种方法,即自行编程转换法和商品软件工具转换法[6]。自行编程转换是使用计算机程序语言(如VB、VC、DEPH I等)自行编制程序,并通过运行程序来实现。软件工具转换,则是通过某一制图系统软件的转入、转出的功能菜单选项来实现,例如ArcGIS软件工具。
4基于GIS的水利工程施工可视化管理
大型水利水电工程施工是一项复杂而又艰巨的工作,利用计算机进行辅助管理是人们一直所追求的目标。因此,把GIS技术应用于水利水电工程施工管理领域,来辅助工程施工管理、模拟仿真施工过程,以及进行地形地质的数字化与可视化,是一种新的发展方向。以信息的数字化、直观化、可视化为出发点,GIS可将复杂的工程施工过程以可视化的形式表达出来,为全面、准确、快速地分析掌握工程施工全过程提供有力地分析工具,实现工程施工信息的高效应用和科学管理。GIS的应用,将推动水利水电工程施工的数字化、可视化、智能化的发展。
系统仿真技术是随着计算机科学与技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。现代仿真技术已成为分析、研究、评价和管理复杂系统不可缺少的重要手段,为大型水利工程施工管理提供了有效的途径。集面向对象图形建模技术、动态仿真技术、可视化技术、动画技术及数据库技术于一体的可视化仿真技术正是当前先进仿真技术与应用研究的核心。目前,GIS与可视化仿真结合的方式主要包括:①融合式。这种集成方式数据传递方便高效,操作简便,但开发费用高,开发周期长;②扩展式。通过建立扩展模块来实现数据相互交换和信息共享,此方式开发简便、费用低廉,两者具有相对独立性及可扩展性,便于系统的维护及进一步开发。涉及虚拟地形的实时可视化技术,及基于分形理论的实时可视化的动态扩展技术等,目前是研究的热点。
5结 论
水利是国民经济的基础设施,是经济社会发展的制约因素。目前,水利信息化的研究与发展,成为提升传统行业的研究核心,水利行业与GIS的融合正如火如荼的展开。从水利工程地质勘察,到工程选址,到运用GIS对地形图管理以辅助设计,再到整个水利工程施工的可视化管理,GIS与水利工程的兼容,贯穿了整个水利工程建设过程。GIS将为水利工程的实施,提供一个科学有效、便捷直观的设计、分析及管理手段。
参考文献
1 敖 麟、甘维义.三峡工程信息系统(TGPIS)总体设计的基本思想和初步实践[A].98’水利水电系统计算机研讨会论文集[C],1998:48~64
岩石力学是一门研究岩石在外界因素，如荷载、水流、温度、化学、生物过程变化等作用下的应力、应变、稳定性及工程加固的学科。清华大学水利系副教授刘晓丽通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的途径，针对岩土力学与岩土工程问题，特别是地下工程的开挖，开展了深入细致的研究，取得了创新性研究成果。
从“地上水库”到“地下水库”
坐在记者面前的刘晓丽前一天刚出差回来，“跑现场”对于他来说是家常便饭，但身体上的疲惫从来不会影响他投入工作的热情。
位于内蒙古省的鄂尔多斯是个干旱缺水的地区，据刘晓丽调查，在当地每使用1立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水资源对鄂尔多斯来说是极其宝贵的。然而，缺水的鄂尔多斯却拥有着丰富的煤矿资源，开采业的繁荣支撑了代代人在这里繁衍生息。
但不容忽视的问题是，在煤矿开采过程中会破坏煤层及上下岩樱贮存于其间的地下水系统便会遭到破坏，水资源不断渗流到开采空间，轻则影响开采过程，重则发生重大突水事故，威胁煤矿工人安全。传统做法是用水泵把地下水从工作面排到地表，自然蒸发而散。鄂尔多斯所在的西北地区水蒸发量是降水量的6倍以上，上述做法无疑是对宝贵的地下水资源极大的浪费，水资源的短缺不但威胁着人的生活，也严重影响了地区的生态环境。
为了保水，传统的办法是把开采的厚度大大减少，尽量防止煤层上下层岩石的破坏，这样便可把水继续保存在地下，但这样做是以大量煤炭资源为代价。一方面是作为国家重要经济支柱之一的煤炭资源；一方面是关系国计民生的水资源。二者如何协调开采成为一大难题。
在水利工程方面经验丰富的刘晓丽及其研究团队见状后决定逆其道而行之。“大禹治水，疏而导之”，刘晓丽规划保持原有的开采厚度，“这样做水必定会大量涌进采空区，但如果在地下建立大坝和水库，就可以把水截住并存留在地下”。想法刚一提出，刘晓丽便遭到了老专家和施工方的强烈反对，他们大多认为，水是煤矿的重大威胁，以前的做法都是“排水治灾”，现在却要“储水致灾”。
大胆创新，但不是无稽之谈。刘晓丽及其团队用数据一步一步反复推导，尝试无数次实验，最终将想法变成现实。建大坝把水截留在地下后，再建数个水库，将他们一一连通，通过水库间的调水，保证了煤炭开采的安全。并且“流水不腐”，水会随着自身在水库间的流动得到净化，在水库中经过多次循环流动后的地下水甚至可以直接饮用，既充分开采了煤炭资源又保护了水资源。这是世界首座示范工程，和神华集团合作建成，2014年开始运行。目前，还有十多个煤矿、岩盐矿等待刘晓丽及其团队去实践这项技术和工程。在这项工程设计、建设和运行过程中，刘晓丽及其团队研究分析了采动影响下渗流场演化、水岩耦合岩体破坏机理、分布式水库储水机理、地下挡水建筑稳定性、物理模型试验研究等关键科学问题。
美国工程院院士、宾夕法尼亚州立大学教授Derek Elsworth这样评论煤矿地下水库技术：“创新地将大量稀缺水资源储存于煤矿地下水库的技术，真正实现了煤炭资源和水资源的协调、安全和高效开发，为煤炭工业可持续发展提供了很好的范例。”
近8年来，刘晓丽及其团队在“废弃矿山再利用”和“煤矿地下水处置及高效利用”方面一直在不断创新和突破，上述煤矿地下水库工程只是其工程研究中的一部分。2010？2011年，他们依托辽宁阜新露天煤矿设计了国内首座废弃煤矿抽水蓄能工程；2013？2014年，他们设计并搭建了国内外首个库水岩耦合大型三维物理模型试验平台（长8米，宽2米，高4米）。自2015年起，他们提出了“煤矿地下水原位净化及分质储用技术”，既在煤矿地下水库建设技术的基础上，对于水质差的煤矿地下水，研发小型模块化净水装备，在地下实现水质净化，并供给生产和生活应用。目前这项技术也正在示范工程实践过程中。
从独辟蹊径的设想到切实可行的实践，刘晓丽及其团队用科技创新解决了生活中的大问题。
“上天容易入地难”
20年前，还在读高中的刘晓丽就对与力学、结构有关的物体有浓厚的兴趣，因为老师的一句话――“世界上一切东西都和力学相关”更坚定了他与力学的缘分。从那以后，刘晓丽对物理和力学的痴迷便一发不可收拾。
1997年，刘晓丽被辽宁工程技术大学理论与应用力学专业录取。“力学本身偏理论，必须和具体的学科结合，时任中国空间技术研究院副院长的马兴瑞（现为广东省委副书记，省长）学长是我们学习的楷模，受他的影响，我立志也要搞航空航天。”
人生就像巧克力，你永远不知道下一颗是什么味道。刚刚立志的刘晓丽就突然决定放弃航空，转做地下工程。这次，同样因为老师的一句话。“上天容易，入地难”，一位在流体力学领域非常著名的老教授对他说。距飞机诞生那天已经过去了100多年，人类早已揭开了外太空的神秘面纱，“再做研究就是在此基础上修改”，但要想进入地下似乎就没那么简单了。地下的地质情况异常复杂，受其固体状态的影响更加阻碍了人类的探索。这一切对于刘晓丽来说却更具吸引，也更具挑战。“后来我就对地下的东西感兴趣，和地质相关，做地下工程”。
2001年，刘晓丽考取辽宁工程技术大学工程力学研究生，研究方向就此转向土木和地下工程。“力学理论性很强，推导公式、研究数学，一旦和工程结合，就落地了，需要把工程做出来。”最典型的例子就是三峡工程。
3年后，刘晓丽又以优异成绩考入清华大学土木水利学院，师从工程地质界德高望重的王思敬院士开始攻读水利工程博士学位。求学过程中，王院士告诫刘晓丽做工程以外还要兼顾一些基础研究，因为工程以技术为主，在技术中碰到的很多问题是无法解释的，这时候就需要发展新的理论。刘晓丽便开始在工程现场和实验室间两头跑，虽然辛苦，但收获颇多。
随后，在导师的建议下刘晓丽又出国深造，远赴瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）从事隧道及地下工程研究。在瑞士，刘晓丽接触了机械破岩的相关研究。他的导师Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破岩领域的国际知名专家。TBM即隧道掘进机是利用机械刀具开挖岩石进行掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危险，而且集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，因此得到广泛应用，现在很多地铁及隧道工程都使用TBM来开挖。对TBM高效破岩方面的学习对刘晓丽的水利工程工作无疑是锦上添花。
1年后，刘晓丽回清华大学进行博士答辩。随后，他得到了两个工作机会：中石油勘探开发研究院和清华大学水利系。去哪儿？他面临抉择。中石油勘探开发研究院，“既要挖地下工程，还要把油气资源拿上来，是和我专业特别相关”，一直在高校接受理论化知识的刘晓丽深感自己真正接触工程的经验少之又少。他想脚踏实地做点实际的事情，但企业始终有它的局限性――需要服从领导分配，没有自。再三考虑，刘晓丽最终选择研究氛围好，同样有机会做工程的清华大学，成为了一名讲师。
收获岩土力学的科研硕果
4年后，在岗位上兢兢业业的刘晓丽升为副教授，博士生导师，他教师从业的职业生涯又迈上了一个台阶。期间，获包括国家科技进步奖二等奖（第8）等奖项4项；发表学术论文80余篇，其中国际期刊论文20余篇，应邀出版专著1部。2015年，刘晓丽还得到国家优秀青年科学基金项目――“岩土力学与岩土工程”。在他看来，优青项目是一次“对前期工作的总结，对日后工作的展望”。
日前，我国国家战略提出需建立支撑可持续发展的能源资源环境技术体系，加强南水北调、三峡等重大水利工程建设与安全保障技术研发，这些重大工程则需要工程安全控制及评价技术、非常规水资源利用关键技术、煤矿地下水库技术等的发展。基于此，刘晓丽及其团队提炼出“水岩作用及其多尺度效应的研究”这一方向，他认为开展这项基础理论研究十分必要，也十分紧要。
针对岩石材料的连续和非连续状态、多尺度特性，现有的理论并不完善，计算分析误差也很大，刘晓丽希望围绕“复杂条件下多尺度水岩系统模型”和“水岩系统的过程演化与耦合机制”这两个关键科学问题，提出“水岩作用系统”概念。在此基础上，他已开展了三个层面的研究-多尺度水岩耦合系统的过程演化研究、开挖扰动条件水岩耦合作用机制研究和水岩耦合作用岩土介质破坏过程研究。
据统计，90%以上的岩体边坡破坏、60%矿井事故、30%？40%的水利水电工程大坝失事都与水岩耦合作用有关，即地质体系统（应力场）与地下流体系统（渗流场）相互联系、相互作用。刘晓丽自2001年攻读硕士学位以来就开始了水岩耦合机理及分析方法的研究工作，但由于地下岩土中各种过程的任意性和不确定性，使得水岩耦合问题的研究得复杂和极具挑战性。通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合等途径，他针对岩土介质的非均质和各向异性等特点，围绕水岩耦合及其多尺度特性开展了深入而细致的研究，并取得了一系列创新性研究成果。
在多尺度水岩耦合系统的过程演化研究中，他提出“多尺度岩体结构数字化描述方法”，解决了地质体结构多尺度间的内在联系（即尺度关联）难题，发表相关论文被SCI检索收录5篇，EI检索8篇，获1项软件著作权、岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖和水力学会大禹奖，并多次收到学术大会的特邀报告邀请；他提出的“数字岩体模型构建方法及数值模拟技术”，解决了数据不完备的地质系统与理论严密的精细力学模型和数值计算方法之间的相互脱节问题。其次，他发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价方法，基于数字岩体模型，他首次提出了水岩作用分析的表征单元体概念，并应用水岩作用模型，采用水岩表征单元体分析了大坝上抬现象。此外，他建立的多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型完善了有效应力原理，使物理意义更明晰，耦合机制更全面。
在开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究中，他根据围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系建立了大型水岩耦合试验平台。美国宾夕法尼亚州立立大学教授、美国工程院院士Derek Elsworth访问清华期间参观了这个试验平台，交流中他说：“这简直是一项不可能完成的任务，新平台、新材料、新工艺、新开挖方式，我期待它表现卓越”。另外，刘晓丽还发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征，围绕此研究发表的论文被SCI检索收录6篇，EI检索5篇，申请专利4项，软件著作权1项，并获国家科技进步奖二等奖；不仅如此，他还揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制，实验结果证明水岩系统具有自愈合能力，这一点对于理解开挖扰动引起的损伤发展具有重要意义。
在水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究中，他提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式，获中国地质学会工程地质专业委员会谷德振青年科技奖；此外，他建立了水力劈裂过程的连续-非连续数值模型，提出的MCZM（Multiscal Conhesive Zone Model）和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解决了强渗压作用下强固结和弱固结介质水力破坏过程难以表征的难题。
目前，刘晓丽的研究成果已在多个重大水利工程中得到应用，为水库蓄水过程大坝工程及库区边坡稳定性分析提供了理论依据和技术支撑。
未来，他计划围绕“动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制”和“水力多尺度裂纹扩展和多流态渗流评价与控制原理”这两个岩土力学与岩土工程中的关键科学问题开展研究。
刘晓丽的研究涉及到水利水电工程建设、资源和能源的开采与开发、核废料地质处置的环境风险评价等方面，一直以来也都是国际岩石力学领域研究的热点和难点。在传统水岩耦合问题研究中，通常考虑静力作用或拟静力作用下应力与渗流的相互作用，但在实际工程中，静力载荷（岩石赋存环境，如地应力等）和动力载荷（外部扰动载荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究动静组合载荷作用下水岩耦合作用机制才能真实反映实际工程中水岩耦合系统的工程行为。但是，相关研究工作还很匮乏。
刘晓丽希望，从动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应、超孔隙水压力致裂机制研究、动静组合载荷下水力致裂控制理论3个方面开展动静组合载荷作用下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制研究。他致力于揭示动静组合载荷下岩体超孔隙水压力的产生机制，建立动静组合载荷下渗流流态识别和水力致裂分析方法，形成一套动静组合载荷下工程水岩耦合稳定性分析测试手段和安全控制技术，拓展和丰富水岩作用过程演化的理论和内容。这无疑对于丰富水岩多物理场理论、研发新型水岩系统试验平台和设备、评价水岩系统相关的岩石或岩土工程稳定性产生重要科学意义和工程应用价值。
寻求科研的世致用
采访过程中，不断有人敲响刘晓丽办公室的门，他的确很忙。采访之际，正值台湾成功大学来京与清华大学开展学术交流，刘晓丽十分看重类似的交流机会，“只有通过学术交流才能知道别人在做什么，与别人的差距”。
交流总能碰撞出新的火花。在一次莫纳什大学教授来华交流会上，与会的20位专家被分为4组进行小组讨论，讨论的问题是“岩石力学未来研究方向”，刘晓丽也在其中。会议结束时，大家达成了共识――深部地下工程、地热、核废料处置3个问题将是岩石力学未来研究的主流问题，也是日后共同合作的方向。这个经历只是刘晓丽众多交流中的一次，他热衷于与同行们分享交流，已和澳大利亚莫纳什大学、西澳大学、香港理工大学、美国宾夕法尼亚大学等高校建立了长期合作关系。
身为老师，刘晓丽常常鼓励学生创新，“奇思妙想，不是天方夜谭”。他从不会给学生规定题目，而是让他们自己想，他所做的就是评估方案的可行性和尽可能地为他们提供平台和经费。
如今建树颇多的刘晓丽在工作中游刃有余，殊不知，在刚入行的时候他也曾打过退堂鼓。地下的很多东西对于人类来说都是未知的，即使能探测但也受深度和精度的限制，“千里之提，溃于蚁穴”，即使是个很小的蚂蚁洞，如果探测不到，就很有可能对工程造成巨大影响。他说：“很多东西提前很难知道，很随机，这次成功不能保证下一次也成功，可能这次恰巧没有不良地质体，可能下次就会遇到”，这或许是每个刚入行人的无奈。
西北农林科技大学农业水利工程专业已有近80年的历史，目前已培养3500余名本科毕业生，为我国农业和水利事业发展做出了突出贡献，在国内外享有较高声誉，2003年被评为陕西省第一批名牌专业。本专业以我国第一个农业水土工程国家级重点学科、国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心、旱区农业水土工程教育部重点实验室等为依托，形成了具有明显特色的人才培养模式，是我国农业水利工程专业人才培养的重要基地。
一、主动适应社会需求，转变人才培养理念
从1999年合并以来，我校的总体发展定位为“突出产学研紧密结合办学特色，创建世界一流的农业大学”。由此，农业水利工程专业的人才培养必须紧紧围绕产学研的办学特色，以国家社会经济发展对人才需求为导向，以农业水土工程国家重点学科为依托，充分利用具有农业工程和水利工程两个一级学科的交叉和产学研结合的优势，按照“知识、能力与素质”协调发展的目标，加强外语、数理知识和计算机应用能力培养，注重实践教学，突出专业特色，培养学生创新能力和精神。为此，开展国内外农业水利工程专业教育比较研究，详细分析本专业国内外教育现状与发展趋势，利用问卷与座谈会形式向不同层次用人单位进行广泛调研，了解新形势下社会对本专业知识结构、能力与素质要求的变化，明确国家建设对人才的需要。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》(2010－2020年)指出了人才培养模式的核心与精髓是，创新人才培养模式要注重“学思结合”、“知行统一”、“因材施教”［4］。依据其核心和精髓，深刻理解创新人才的内涵，研究创新人才的培养规律，改变传统的教育理念。随着大学招生规模的扩大，大学教育已由精英教育转向大众化教育，社会对人才也提出了新的要求。创新是我国科技实力提升的基本国策，创新人才培养既是新时期经济社会发展和科技发展对高等学校人才培养的新要求［5］，也是一种教育理念，不是说本科生就成为创新人才，而是应该为学生今后成为创新人才奠定相应的知识、素质和能力基础。按照此理念设计培养方案，培养学生创新思维和创新意识，训练学生的创新能力。按照“知识、能力、素质”协调发展的目标，创新精神的培养为理念架构人才培养模式，不仅仅体现在教学的每一个环节，而且涉及到教育的全过程，包括学校的人文环境等方方面面。在人文环境方面，学校定期组织文化名人、政府要员、著名企业家、创业成功人士开展讲座，以提高学生文化综合素质。
二、不断优化培养方案，更新教学内容
(一)培养方案
按照“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、富有求实与创新精神，实践技能强的高级专门人才”的培养目标，优化知识结构和课程体系，控制总学分，强化专业基础，增加选修课，减少必修课，加强和统筹规划实践教学，优化实践教学体系。该专业已3次对培养方案进行了调整，已初步形成“基础教育、实践教育、创新教育”三大模块。坚持课堂讲授与实习实验、社会实践、科研训练相结合，构建完整的产学研紧密结合人才培养过程和教学管理运行机制，促进学生实践创新能力和综合素质的提高。新的培养方案突出四个特点:一是学分总量控制，强化专业基础。控制总学分在175学分，其中学科通识类40%左右，学科大类基础和专业课40%左右，综合实践20%左右。二是突出实践教学，增加综合性、设计性实验，使其占实验项目数的80%以上，增加工程训练实习，实践教学安排6个月以上。三是将课外科技创新、实践活动纳入培养方案，规定完成创新与技能训练8学分。四是，加强英语、计算机、高等数学等公共基础课程的比重。五是开设包括人文科学、社会科学、自然科学、工程技术等门类通识课程及反映本专业领域特点的专题讲座，强化学科交叉，培养综合素质。
(二)构建经济社会发展需要的课程体系，抓好课程建设，打造精品课程
认真分析人才市场需求，根据产学研紧密结合的人才培养模式和教改、课改成果，合理调整课程体系结构，进行课程的重组和整合，提高课程的综合化程度，构建学科群内的专业基础课程平台;以主干课为核心组成专业课程框架和实践教学体系;在充分体现理论教学、实践教学和科学研究相结合的同时，突出创新能力培养，形成科学合理的课程体系。农业水利工程专业根据课程性质建设形成了4个主要课程群组和1个实践教学体系。以工程测量学为龙头带动和建立集工程制图、地质、测量、工程水文等专业基础主干课为学科基础课程群组平台;以理论力学、材料力学、结构力学、水力学、土力学、建筑材料、钢筋混凝土结构等课程构建力学结构课程群组;以灌溉排水工程学为龙头带动和建立集土壤农作、农业节水、农业水利工程管理等课程的农业用水课程平台;以水工建筑物为龙头构建水泵与泵站、水利工程施工、水工概论等课程群组。同时，构建完整的实践教学体系，目前，已获批国家级农业水工程实验教学示范中心，着力建设各课程组平台的实践教学环节、创新教学实验平台、网络教学平台。在构建课程体系的同时，极力打造精品课程等项目的课程建设，目前该专业已建成国家级、省级精品课程1门，校级精品课程9门、网络课程8门、双语教学课程3门。2008－2009年获校教改项目7项，课程教学中70%课程采用多媒体教学。
(三)加强教材建设，规范教材选用
加强专业教材建设与管理，保证选用教材的质量。以培养高质量人才为目标，以教学内容和教学方法改革为核心，充分利用现代化教育技术，按照编著与选用并重的原则，抓好教材规划，实施精品战略;健全和完善教材选用、引进、编写机制，加大资金投入，构筑本专业系列教材体系。实行课组集体论证，院系两级审核的教材选用制度，保证教材质量。必修课优先选用国家规划教材或新教材，适当引进国外优秀教材。结合学科前沿及时更新和编写辅助教材。2008－2010年正式出版教材19部，其中国家级规划教材12部。同时，配合双语教学，引进国外原版教材3部，探索性运用到教学中，收到了较好的教学效果。
(四)构建与优化实践教学体系，强化实践教学
改革实践教学内容，构建以课程综合实验为基础，以课程设计、实习和毕业设计(论文)为主线，以社会实践、科学训练和工程训练等为拓展的实践教学体系，推进人才培养与工程实践和科学研究的结合。目前，该体系总体已构成，形成基础综合实习和专业综合实习两大子体系。基础实习将专业认识实习、工程地质实习和测量实习有机结合，校外实习与校内实习有机衔接，该方案在2010年和2011年的暑期实践教学中已实施，目前还处于探索阶段。完善实验室管理体制和运行机制，按课程群设置综合实验室，组建集教学、科研、生产服务功能于一体的综合实验室，搭建学生进行创新性、综合性、设计性实验的平台，实行开放运行管理新体制。加强实践教学基地建设，利用学校与水利工程设计及施工单位和西北各大灌区在科研和社会服务中建立的长期合作关系，建设产学研相结合、反映区域特点和专业特色的校外实践教学基地，让学生充分接触生产一线，为学生提供实践场所和就业渠道，使学生的实践能力和创新训练落到实处。建立学生到教学基地开展实践教学的长效机制，保证实践教学时间达到6个月以上。目前，已建立校外实践教学基地17个、校内4个。#p#分页标题#e#
(五)采取各种措施，提高学生的创新创业能力
鼓励和支持教师与学生建立“一对一”或“一对多”的联系，结合学生在“三下乡”和暑期社会实践活动中发现的问题，申请国家及学校的各类大学生科技创新基金、科技创新实验计划等项目，积极引导和组织学生参加“挑战杯”等各类竞赛，使学生参加科学研究，培养学生创新创业能力。2008－2010年本专业大学生获批国家创新项目14项、校级重点项目16项，一般项目43项。学院组织学生参加了陕西省力学竞赛、全国大学生力学竞赛(周培源力学竞赛)，在师生的共同努力下，学院先后获得了全国大学生水利创新设计竞赛奖、全国力学竟赛奖及全国智能机器人大赛奖项等。实行“2+2”培养模式，即在大学教育阶段的后2年，给该专业的每一位学生配备指导教师。不仅进行专业课学习、人生规划、攻读研究生、就业等全方位指导，更重要的是学生参与导师的纵、横向科研任务，在具体的科研中深化提升理论知识，锻炼实践技能，培养创新能力。
三、师资队伍建设
以建设教学团队和支持高层次创造性人才为重点，以留住并加快培养专业技术骨干和青年后备人才为基础，以引进高层次优秀人才为补充，加强师资队伍建设”的人才强校战略。充分利用学校的青年教师出国研修项目和国家留学基金委西部计划项目，选派教师到国外高水平大学进修、学习与合作研究，努力建设一支素质优良、结构合理、充满创新活力的高水平师资队伍。目前农业水利工程专业教学团队已获批为省级教学团队，近年来本专业师资队伍中已有12名教师出国进修和进行合作研究，有校教学名师3人，省级教学名师1人。注重对青年教师培养，2008－2010年在学校青年教师讲课比赛中获一等奖3人，二等奖1人，三等奖3人;参加全国水利专业青年教师讲课比赛中获特等奖1人，一等奖3人，二等奖2人。同时充分利用学院拥有的各种设计、咨询及检测资质，鼓励专业教师参加各种生产和服务项目。建立新进专业教师到工程建设、管理单位实习，以及专业教师到生产实习基地交流学习等制度，全方位增强教师实践能力。坚持教学与科研并重，在完成教学任务的同时，鼓励教师开展科学研究，促进学术水平的提高，形成一支结构合理、教学科研实践经验丰富、热爱教学事业的高水平专兼结合的教师队伍。
四、教学监控与教学质量保证
在严格执行学校的各项教学质量标准的同时，结合专业特点制订各个教学环节的质量标准，完善教师授课资格制、青年教师导师制、开课试讲制等制度。通过实施学生评教、校院两级督导组督导、院领导听课和定期教学检查等措施，了解教学动态，加强教学质量监控。结合学生培养警示制和家长联系制，做好学生教育工作，建立学校、学生、家庭三者良性互动的培养机制，提高教学质量，同时，建立毕业生教学质量反馈体系，及时了解社会对学生的要求，同时也是单位对我们教育、教学质量的综合评价。
关键词：平面换能器对测法；穿透声波法；围岩分类；波速测试；动弹性参数
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
长期以来，在工程地质勘探中，多采用钻探和电法等物探方法 [1]。这些方法很难与岩体的物理力学性质建立关系。近些年来,在水工隧洞领域研究采用一种新的探测方法：声波探测技术。该法既是工程地质的物探手段，又是岩体力学的测试手段，具有重大的实用价值和意义。在国内外隧洞岩体探测方面得到广泛研究应用。
本文结合工程实例，通过声波探测技术中各种方法的对比，选取了适合该工程区的探测方法：平面换能器对测法和穿透声波法[2]，对该工程区的岩体地质情况进行了分类，从而为设计和施工提供依据。
2 工作原理
从工程地质勘探看，超声波探测法是小型轻便的地球物理勘探方法，其工作原理是用人工的方法在岩石介质和结构中激发一定频率的弹性波[3]。由一声源讯号发生器(发射机),向压电材料制成的发射换能器发射一电脉冲,激励晶片振动,产生声波向岩石发射,作为声波探测的声源。声波在岩石中传播,经由接收换能器接收,把声能换成微弱的电讯号送至接收机,经放大后由示波管在屏幕上显示出波形图。本次探测主要使用NM-4A型非金属超声检测分析仪，引水隧洞围岩级别判定采用带信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，用黄油耦合，声时测量精度为±0.1us，通过超声波在岩体发射和接受换能器之间岩体的距离F和声波通过岩体距离所需传播时间T来计算波速，从而根据声波传播速度V来判别岩石和岩质情况，对岩体进行围岩分类。
（1）
3 探测方法的对比
3.1 平面换能器对测法
平面换能器对测法是将发射和接收换能器放在相距一定距离F的岩体表面，用黄油耦合，通过发射换能器发射一定频率的声波，穿过发射和接收换能器之间岩体，在相距F的接收换能器得到接收波，接收波起点时标读数即为声波通过距离为F的岩体所需传播时间，见图1。
本方法适用于岩体围岩地质情况和岩体分类，而工程区大多数开挖段由于岩体岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，为防止围岩塌落等而进行了混凝土喷锚，故该方法只能反映一部分岩体的地质情况，并不能真实反映整个开挖段岩体地质。
3.2穿透声波法
穿透声波法是为了克服上述的不足，根据铁路隧道探测两钻井之间的工程地质情况原理，使用声波仪一发单收换能器，在两个测试孔内同时放入换能器进行测试，其中一个为发
射换能器，另一个为接收换能器。孔内灌满水，作为换能器与孔壁岩体的耦合剂。这种方法可以真实反映该工程区岩体情况并进行围岩分类，见图2。
图1 平面换能器对测法图2 跨孔测试方法示意图
4工程应用
建设中的迭部沟洁寺水电站引水隧洞，隧洞全长约5km，洞径约为3.6m，横穿过达拉河右岸岩体上。对引水隧洞有影响的冲沟有3条，分别为引1#冲沟；2#冲沟及3#冲沟，尤以3#冲沟最大。冲沟走向基本垂直河流，坡降较大，呈“V”，相对高差100～300m，沟内覆盖第四系冲洪积物，厚度10～30m。沿途洞室围岩岩性为变质砂岩夹板岩、板岩夹少量砂岩呈互层状。变质砂岩岩性致密坚硬，板岩岩质较软，板理发育，局部呈片理化带。岩体中断裂发育，层间挤压带和层面裂隙地带多，故在设计施工阶段，探测岩体地质状况，并判断岩性级别非常重要，为设计施工提供主要依据，并对岩体稳定性进行定量评价。
4.1 测孔布置及数据采集
按设计要求，隧洞围岩级别测试共划分为3个测区，分别为引水隧洞、厂房和坝址处，每个测区随机选取3～6个测点进行测试，采样间距0.5～1m，采用接收信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，以得到较清晰的波形，见图3。
a. 隧洞平面换能器测试波形 b. 穿透声波法孔1和孔2跨孔测试波型
图3隧洞测试波形
一般岩性坚硬，风化微弱，结构面不发育，岩体完整性好则波速高、振幅大；反之，当岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，岩体破碎则波速低，吸收衰减厉害，振幅小。应力增大，波速增高；反之，则降低。
4.2引水隧洞围岩分类
引水隧洞根据已有的勘察资料和设计资料，利用地质推断和作图等方法初步推测了一些定性指标及围岩的变化情况，引水发电洞围岩除进水口和沿线的主要冲沟段岩体属Ⅲ～Ⅳ类围岩外，其它地段洞室埋深较大，厚度在100～400m之间，隧洞均处于微风化～新鲜岩体中，属Ⅱ～Ⅲ类围岩，板岩由于岩体软弱，围岩变形较大，因此围岩分类时将微～新鲜岩体划分到Ⅲ类围岩中。围岩分类及岩体力学参数建议值见表1[4]，国外按比值和动泊松比协值对岩体分类情况见表2。
表1 围岩分类及岩体力学参数建议值
围岩
类别 岩体结构类型 纵波速度VP 岩石抗压强度Rb 岩体完整性系数
KV 变形
模量 抗剪断 弹性抗力系数K0 坚固
系数
f
f c
m/s MPa GPa Mpa MPa/cm
Ⅱ 完整层状 >4100 >80 >0.55
10
∫
15 1.1
∫
1.2 0.8
∫
0.9 70
∫
90 6
∫
8
Ⅲ 中厚层状 3000
∫
4000 40
∫
80 0.55
∫
0.30 5
∫
8 0.8
∫
0.9 0.0.6
∫
0.80 40
∫
50 3
∫
5
Ⅳ 层状
∫
碎裂 2000
∫
3000 >25 0.3
∫
0.17 2
∫
3 0.50
∫
0.60 0.30
∫
0.40 15
∫
20 ＜2
表2国外按Vp/Vs比值和动泊桑比岩体分类
动态参数比 比值范围 岩石质量好坏 围岩
类别
纵横波速比Vp/Vs 1.7～1.6 质量好 I、II
2.0～3.0 岩石质量变坏 III、IV
3.0～3.5 岩石质量较破碎 IV
3.5以上 岩石非常破碎 V
动泊松比 0.25～0.30 质量好 I、II
0.30～0.36 岩石质量变坏 III、IV
0.36～0,40 岩石相当坏 IV
0.40～0.43 岩石破碎并充水 V
4.3 资料的分析与处理
根据声波探测法的测试原理，对引水隧洞的4条引水支洞开挖段的所有岩层和厂房、坝址的岩体进行探测，对其中一部分探测资料进行整理分析[5]，并判断其岩性情况，整理结果见表3.
根据弹性波的传播速度（纵波和横波），还可以利用下列资料计算一些动态弹性参数反映岩体地质情况[6]，整理结果见表4.
动弹性模量：（2）
动泊松比：（3）
动剪切模量：（4）
式中：为岩体密度（g・cm-3）；为纵波波速（m/s）；为横波波速（m/s）
表3沟洁寺水电站引水隧洞围岩分类情况
里程范围 纵波波速/（m/s） 泊松比 岩性类别 T/（us） A/（m） F/（m）
引0+023 2205.3 0.34 Ⅳ类围岩 263.0 23.52 0.58
引0+630 2249.1 0.36 Ⅳ类围岩 231.2 26.44 0.52
引1+240 4252.6 0.27 Ⅱ类围岩 155.2 25.11 0.66
引1+760 3006.3 0.30 Ⅲ类围岩 252.8 26.44 0.76
引2+200 2690.8 0.35 Ⅳ类围岩 204.4 58.75 0.55
引3+270 2665.4 0.34 Ⅳ类围岩 217.6 25.11 0.58
引3+800 2508.7 0.34 Ⅳ类围岩 231.2 27.23 0.58
引3+850 3042.0 0.31 Ⅲ类围岩 233.4 26.85 0.71
引4+090 2006.8 0.33 Ⅳ类围岩 264.1 25.58 0.53
引4+390 2272.7 0.34 Ⅳ类围岩 246.4 38.16 0.56
引4+800 2444.8 0.33 Ⅳ类围岩 212.7 23.52 0.52
管0+032 2051.1 0.37 Ⅳ类围岩 297.4 22.92 0.61
管0+120 2217.1 0.35 Ⅳ类围岩 261.6 26.02 0.58
厂右0+019 2358.5 0.34 Ⅳ类围岩 275.6 25.11 0.65
坝0+000-坝右0+017 2717.4 0.33 Ⅳ类围岩 202.4 23.52 0.55
坝下0+005-坝右0+018 2207.1 0.34 Ⅳ类围岩 235.6 25.58 0.52
表4勾洁寺水电站引水隧洞动弹性参数计算表
里程范围 纵波波速/(km/s) 横波波速/(km/s) 纵横波速比Vp/Vs 泊松比 动弹性模量
/(Gpa) 动剪切模量
/(Gpa)
引0+023 2.205 1.086 2.03 0.34 8.47 3.16
引0+630 2.249 1.052 2.14 0.36 8.07 2.97
引1+240 4.252 2.386 1.78 0.27 39.48 15.54
引1+760 3.006 1.607 1.87 0.30 18.00 6.92
引2+200 2.691 1.293 2.08 0.35 12.09 4.48
引3+270 2.665 1.312 2.03 0.34 12.36 4.61
引3+800 2.509 1.235 2.03 0.34 10.95 4.09
引3+850 3.042 1.596 1.91 0.31 18.02 6.88
引4+090 2.007 1.011 1.99 0.33 7.29 2.74
引4+390 2.273 1.119 2.03 0.34 8.99 3.36
引4+800 2.445 1.232 1.98 0.33 10.82 4.07
管0+032 2.051 0.932 2.20 0.37 6.39 2.38
管0+120 2.217 1.065 2.08 0.35 8.21 3.04
厂右0+019 2.359 1.161 2.03 0.34 9.68 3.61
坝0+000-坝右0+017 2.717 1.369 1.98 0.33 13.36 5.02
坝下0+005-坝右0+018 2.207 1.087 2.03 0.34 8.49 3.17
5 结论
采用声波探测技术探测沟洁寺水电站引水隧洞围岩地质情况，结合超声波波速（纵波和横波）所得出的动弹性系数，得出以下结论：
（1）.穿透声波法能真实反映水工隧洞围岩的地质情况，岩体完整性及某些岩体动态弹性参数，能够克服混凝土对围岩地质情况的影响；
（2）.探测段岩体的密度越大、空隙越小，则波速越大；岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，岩体破碎则波速小；
（3）.岩体结构面对波速有明显影响，如平行层理波速要高一些，垂直层理波速则低一些；
（4）.声波探测对岩体的了解较为细致,且具有简便、快速、经济、便于重复测试，对测试的岩体(岩石)无破坏作用等优点；
（5）.利用声速、声幅及超声电视测井的资料划分钻井剖面岩性,进行地层对比,查明裂隙、溶洞及套管的裂隙等（不做介绍）；
（6）.根据波速随岩体裂隙发育而降低及随应力状态的变化而改变等规律,圈定开挖造成的围岩松弛带,为确定合理的衬砌厚度和锚杆长度提供依据（不做介绍）；
（7）.用声波探测法判断出的岩体地质情况与岩石类别，跟设计院在设计阶段用其他方法以及该工程区以往经验资料基本吻合，准确率高。
参考文献：
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[4]张承娟.水电工程声波围岩分类指标的探讨[J].全国第三次工程地质大会论文选集,2005
1土石坝溃坝的危害
1.1土石坝的兴建情况
土石坝是最普遍采用的一种坝型，其具有就地取材、节省建筑材料及减少建坝过程远途运输等优点，土石坝的结构设计简单，便于维修和加高、扩建，且由于土石坝的坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，在施工方面的工序较少。因此，不论是在全世界，还是在中国，与其它的坝型相比较，土石坝都占有绝对的优势，与世界土石坝占大坝总数的82.9%，在中国土石坝数量占到大坝总数的93%。
1.2土石坝溃坝的危害
大坝是水利工程中的挡水建筑物，水库的兴利和除害效益主要是通过大坝存蓄一定库容的水来进行调配发挥的。水库溃坝，不仅使工程本身遭受损失，更严重的给下游人民生命财产和经济建设造成灾害，有的造成毁灭性的灾害。淹没下游农田，破坏公共设施，导致建筑物破坏、停水停电等严重影响人民正常生活，严重破坏生态环境，甚至夺走下游群众生命，造成不可估量的损失。重新修建大坝也必将耗费巨额资金。
1.3研究课题的提出
我国的土石坝众多，质量也参差不齐，设计施工标准不一。一旦发生溃坝将对河流下游的人民群众的生命安全产生极大的威胁，溃坝使水库、水电站的防洪、蓄水灌溉、供水、发电等一系列产生的效益毁于一旦，严重影响了国民经济和国家建设。因此，切实搞好水利工程管理工作，杜绝事故发生，避免不必要的经济损失和对社会生产生活的严重影响，更好地发挥经济和社会效益，确保水库大坝安全意义十分重大，同时，由于溃坝因素的复杂性，更使这项研究成为水库建设和管理的核心问题。
2土石坝溃坝的基本原因
造成土石坝溃坝的原因较多，涉及土石坝设计建设、管理和运行等多个方面。而且已建成的土石坝安全情况是不断变化的，洪水、地震及大坝本身存在的各种病害都会直接或间接地影响大坝安全。
2.1土石坝的渗漏
2.1.1土石坝渗漏的原因
土石坝渗漏按渗漏的部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏和绕坝渗漏等，各类渗漏在设计、施工、运行管理等方面都有较多的因素影响土石坝的渗漏。
（1）坝体渗漏
渗漏的逸出点在背水面坡或坡脚。
1）坝体结构设计问题。试验资料不足或未经试验，特别是坝体土石料性质的试验数据；坝身尺寸设计单薄，尤其是防渗设施厚度单薄，由于厚度不够致使渗流水力坡降大于其临界坡降时，或者在反滤不符合要求等情况下，使防渗墙体土料流失，最后使斜墙或心墙被击穿，形成渗漏通道；反滤设计存在问题，未按反滤原理进行铺设或未设反滤层，形成心墙等的破坏，形成渗漏。
2）坝体施工质量差。清基不彻底，坝料填筑混杂，不符合坝料设计要求；施工碾压不密实，使坝身水平向透水性远大于垂直向透水性；缺少特殊季节防护措施，防渗体选在雨季施工而使大坝本身防渗质量降低，或冬季施工而出现冻土等，导致渗漏。
3）管理不到位。坝体出现的渗漏、管涌等情况，未及时研究其产生原因和处理办法，行历时长，产生老化问题。
（2）坝基渗漏
渗水通过坝基的透水层，从坝脚或坝脚以外覆盖层的薄弱部位逸出。水库蓄水后，在水压力作用下，坝基是主要的渗流途径之一。坝基发生渗漏主要原因有：
1）勘测设计不当，由于坝址处的工程地质条件不良，地质勘探工作不够详细；未能有效的避开裂隙较多的岩层，未能采用有效的坝基防渗措施或坝基防渗设施尺寸不够；
2）施工地基处理质量差，灌浆浆液浓度或者灌浆压力等控制不好，未能将裂隙充满，防渗帷幕等质量控制不严，未起到较好的防渗作用等；
3）运用管理不当，库水位降落太低，部分粘土铺盖曝晒裂缝而失去防渗作用；因导渗沟、减压井养护不良，淤塞失效。
（3）接触渗漏：渗水经坝体、坝基、岸坡的接触面或坝体与刚性建筑物的接触面在坝后相应逸出。主要是由于设计施工过程中考虑不周全或施工质量存在问题等存在的接触渗漏。
（4）绕坝渗漏
水库的蓄水后，水流通过土坝两端的岸坡从下游岸坡面逸出，这种渗漏现象称为绕坝渗漏。绕坝渗漏可使坝端部分坝体内的浸润线抬高，岸坡背后出现阴湿、或出现水色较清的小量渗流。较严重的将使岸坡软化，形成集中渗漏通道，甚至引起岸坡塌陷和滑坡，影响土坝体安全。产生绕坝基渗漏的主要原因如下：
1）勘察设计不到位，坝端两岸地质条件过差，透水性过大，或有断层通过，而又未提出妥善处理方案。
2）因施工取土或水库蓄水后由于风浪淘刷，破坏了上游岸坡的天然铺盖。
3）坝头与岸坡接防渗处理不当或施工质量不符合要求，坝岸接合质量不好，形成渗漏通道。
4）管理和监测不到位。水库蓄水后，应加强对水库渗流压力等监测，提前获知，以便采取相应的措施，并改进管理方法。
3溃坝防治措施和技术
通过上述溃坝形式及原因的分析，研究土石坝溃坝的防治措施和相关技术，可适当加入溃坝分析计算的方法。溃坝的防治措施可从多个角度阐述。如：坝体自身结构、防洪抗震减灾、科学管理等多个方面，并注意与第四章的紧密结合。
3.1土石坝渗漏的防治措施
3.1.1防渗漏措施之粘土截水槽法
粘土截水槽常用于透水性很强、抗管涌能力差、隔水层埋藏较浅的砂卵石坝基。其结构视土石坝的结构而定(图3.1)。截水槽一定要作到下伏的隔水层中，形成一个封闭系统。必须注意隔水层的完整性和渗透性。
图3.1截水槽示意图
a－心墙坝；b－均质斜墙坝
3.1.2防渗漏措施之水平铺盖法
当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺盖，其渗透系数比透水地基小2－3个量级，并与坝体的防渗斜墙搭接(图3.2)。这种措施只是加长渗径而减小水力梯度，并不能完全截断渗流。
图3.2防渗铺盖示意图
铺盖的长度l一般为坝上下游水头差的5－10倍；其厚度t在上游末端为0.5-1m，与防渗斜墙搭接处应适当加厚。
当坝前河谷中表层有分布稳定且厚度较大的粘性上覆盖时，则可利用它作天然的防渗铺盖。施工时一定要严格禁止破坏该覆盖层。
3.2科学管理防治溃坝措施
土石坝修建后，要防止溃坝事故的发生，就必须加强其运行管理。科学、安全的运行管理方式，既是充分发挥大坝综合效益的要求，也是保障大坝持久稳定运行的必要。
首先，必须严格依照国家法律法规及工程安全标准进行管理。这是保证土石坝安全的前提。
其次，对大坝和附属建筑物 以及大坝安全所必需的相关设备应经常维修，包括安全监测仪器设备，使其处于安全和完整的工作状态，对设备还应定期检查和测试 确保其安全和可靠的运行。
再次，要对土石坝大坝进行安全监测，监测项目、观测布置、观测设施及安装埋设、观测方法及要求、观测频次等应按规范SL60-94《土石坝安全监测技术规范》执行[12]。
最后，要对土石坝进行大坝运行管理综合评价。评价内容包括：
（1）水库是否按审定的调度规程（或计划）合理调度运用水文测报及通信设施是否完备各项规章制度或计划（或文件）是否齐全落实；
（2）大坝是否得到完好的维修并处于完整的可运行状态；
（3）大坝安全监测设施是否完备大坝安全监测是否按规范执行并由监测资料整编分析初步结果审查大坝的变形渗流及稳定总体上是否处于正常状态；
（4）综合上面3项的分析对大坝运行管理进行综合评价：3项都做得好的，评为好；大部分做得好的，评为较好；大部分未做到的，评为差。
参考文献
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