柴輝嬋，劉啟蒙，吳海波，陳孝楊，時(shí)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(jiǎn)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(wèn)題，具有專業(yè)問(wèn)題復(fù)雜、多學(xué)科交叉、專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。與20世紀(jì)50年代國(guó)家開(kāi)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(kāi)發(fā)逐漸暴露的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)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(wèn)題日益突出，新工科背景下對(duì)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(guó)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(guó)各高等院校陸續(xù)開(kāi)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(kāi)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(guó)高等教育中占有重要的地位。為了更好地推動(dòng)我國(guó)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(kāi)了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，正式吹響了我國(guó)高?！靶鹿た啤苯逃母锏奶?hào)角，它明確地提出了我國(guó)工科教育改革的目標(biāo)[2-5]。“新工科”對(duì)工科創(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(duì)于地下水專業(yè)來(lái)說(shuō)，“新工科”的要求是要解決21世紀(jì)以來(lái)日益突出的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，涉及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即具體表現(xiàn)為要求實(shí)驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)改造，能夠以傳統(tǒng)教學(xué)為契機(jī)，不斷深入對(duì)教學(xué)知識(shí)的拓展和延伸。該文以地下水動(dòng)力學(xué)中的Darcy實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行升級(jí)改造。在升級(jí)后的平臺(tái)結(jié)合實(shí)踐工程條件探討Darcy實(shí)驗(yàn)的適用條件，拓展了Darcy實(shí)驗(yàn)的適用范圍，拓寬了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對(duì)Darcy實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)。

1 Darcy實(shí)驗(yàn)的重要性

地下水動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)來(lái)加深課程的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)有Darcy實(shí)驗(yàn)、壩基滲流實(shí)驗(yàn)、河渠間地下水滲流實(shí)驗(yàn)、潛水完整井穩(wěn)定（非穩(wěn)定）流實(shí)驗(yàn)、承壓水完整井穩(wěn)定（非穩(wěn)定）流實(shí)驗(yàn)、一維彌散實(shí)驗(yàn)。其中Darcy實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jí)平臺(tái)的必要性

安徽理工大學(xué)地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有穩(wěn)定流Darcy實(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件。即水頭在測(cè)壓管內(nèi)需保持恒定，并且與大氣連通，通過(guò)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(dòng)方向也是一維的。這是最經(jīng)典的Darcy實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件，但是隨著工程實(shí)踐的發(fā)展，對(duì)Darcy定律的適用條件也提出了挑戰(zhàn)。最常見(jiàn)的適用條件的疑問(wèn)，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(kāi)展的城市地鐵建設(shè)當(dāng)中較為常見(jiàn)，在礦山工程當(dāng)中這種風(fēng)化殼也較為常見(jiàn)。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(duì)Darcy實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造，以滿足對(duì)Darcy定律適用條件的探索。

3 平臺(tái)升級(jí)過(guò)程

該次選用的實(shí)驗(yàn)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(yàn)規(guī)程的規(guī)定，屬于中礫范圍?！巴痢比∽?shī)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(yàn)規(guī)程的規(guī)定，屬于粉粘土范圍。由于本學(xué)校Darcy滲透實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首先升級(jí)了滲透裝置，與常規(guī)滲透儀相比，升級(jí)的滲透裝置有以下優(yōu)勢(shì)：（1）滲透儀內(nèi)徑擴(kuò)大至140 mm，按實(shí)驗(yàn)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(shí)，壓住試樣，防止試樣由于水頭過(guò)大而沖刷破壞。（4）與傳統(tǒng)滲透儀上部的開(kāi)放空間不同，升級(jí)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(guò)大而被沖刷破壞?？傊鲜?點(diǎn)的滲透升級(jí)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(cè)定不同水頭下試樣的滲透規(guī)律。為了測(cè)定不同水頭下，試樣的滲透規(guī)律，該次平臺(tái)也升級(jí)了水頭動(dòng)力裝置，與傳統(tǒng)定水頭加壓裝置不同，升級(jí)后的定水頭加壓裝置有以下優(yōu)勢(shì)：（1）采用滑輪裝置提升水頭，可以測(cè)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(wèn)題；（2）在測(cè)定“土”“石”混合體的滲透規(guī)律時(shí)，需要一定高度的水頭來(lái)預(yù)飽和試樣，并需要一定高度的水頭來(lái)實(shí)現(xiàn)“土”“石”混合體的滲流，也就是地下水動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)定“土”“石”混合體水頭不夠的問(wèn)題。

4 平臺(tái)升級(jí)后的效果

平臺(tái)升級(jí)后進(jìn)行了3次“土”“石”混合體的試驗(yàn)，每一次試驗(yàn)均使用的是該次加工的滲透裝置，每次試驗(yàn)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(shí)間。3次“土”“石”混合體中，碎石的含量分別為30%，40%，50%，試驗(yàn)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(guò)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(shuō)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?；谶@種升級(jí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)多種非均質(zhì)介質(zhì)，用升級(jí)后的平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證Darcy定律的適用范圍，以加深對(duì)Darcy定律的理解，為地下水動(dòng)力學(xué)后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，實(shí)踐證明利用升級(jí)后的平臺(tái)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(jí)1班學(xué)生應(yīng)用升級(jí)平臺(tái)進(jìn)行Darcy定律的適應(yīng)范圍的試驗(yàn)，該試驗(yàn)設(shè)置每5個(gè)人一小組進(jìn)行“土”“石”混合體的試驗(yàn)?！巴痢薄笆被旌象w的級(jí)配需要各小組根據(jù)基于工程實(shí)踐條件進(jìn)行自行配比，如礦山深部風(fēng)化殼開(kāi)采條件下、設(shè)定隧道開(kāi)挖遇到的破碎山體條件下、設(shè)定淺部地鐵開(kāi)挖遇到的破碎巖體條件下，即具體試驗(yàn)內(nèi)容需各小組自行設(shè)計(jì)，該部分內(nèi)容占據(jù)40%成績(jī)；應(yīng)用升級(jí)平臺(tái)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(xiàng)內(nèi)容占據(jù)40%成績(jī)；教師根據(jù)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作表現(xiàn)給定20%的成績(jī)。與傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)相比，新工科背景下升級(jí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)該學(xué)校Darcy定律的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)改造，改變了傳統(tǒng)平臺(tái)只能測(cè)定均質(zhì)介質(zhì)的限制，升級(jí)后的平臺(tái)可緊密結(jié)合我國(guó)東部地區(qū)風(fēng)氧化帶的工程背景，可測(cè)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(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，根據(jù)升級(jí)后平臺(tái)的實(shí)踐效果說(shuō)明，學(xué)生利用該平臺(tái)可以自行設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，與傳統(tǒng)平臺(tái)培養(yǎng)相比，新工科背景下升級(jí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。