《水力学》和《土力学》中渗流知识的关系及“教与学”

李 强 张少雄 汤劲松

(石家庄铁道大学 河北石家庄 050043)

《水力学》和《土力学》中渗流知识的关系及“教与学”

李 强 张少雄 汤劲松

(石家庄铁道大学 河北石家庄 050043)

分别介绍《水力学》和《土力学》中所讲授的渗流相关内容，并分析两门课中渗流知识的异同点及相互关系，结果表明两个课程中渗流内容侧重点不同，不可相互替代，最后对这两门课中渗流部分内容的教与学进行探讨，建议教学时引导学生将《水力学》和《土力学》两门课相关知识结合起来，并建立渗流相关内容的知识结构，到达真正理解和掌握渗流相关知识的目的。

渗流 教与学 水力学 土力学

在土木工程学科中，《水力学》和《土力学》作为专业基础课，都为必修课，这两门课程中都有讲授渗流知识的章节，以齐清兰教授主编的“十一五”国家规划教材《水力学》为例[1]，该教材渗流部分内容在“第九章 渗流”，以张力霆教授主编的“十一五”国家规划教材《土力学与地基处理》（后简称《土力学》）教材为例[1]，其渗流部分内容在“第二章 土的渗透性和渗流问题”。考虑到两课程中都涉及到渗流部分内容，学生在学生或教师在讲授时都会一定的疑问：“渗流”部分内容为什么在两个课程中都单独讲授？这部分内容在两个课程中关系如何？作为《水力学》或《土力学》教师应该如何合理讲解这部分内容？作为学生应该如何学习这两个课程中的“渗流”相关知识？笔者同时讲授了这两门课程，根据教学中的体会对以上问题进行探讨。

1 《水力学》中渗流知识

《水力学》中的渗流部分内容，主要讲述水在岩石或土壤孔隙中的流动，即地下水的运动，研究对象主要是地下水。其内容主要包括以下几方面：（1）地下水的状态及岩土的渗透性质；（2）渗流模型的提出，有了渗流模型，可以认为渗流区域是全部被水充满的连续区域，所以渗流模型中的渗流是一种连续介质运动，为以后渗流研究奠定了基础；（3）地下水能量与渗流流速的关系-达西定律，并讲解了达西渗透定律及其适用条件。（4）地下水均匀流的基本概念；（5）地下水渐变流概念，结合能量方程和达西渗流定律，得出了地下水渐变流的基本微分方程，并由此引出浸润面的概念，通过该微分方程，可以在已知地下水单宽流量的条件下，确定浸润曲线的变化规律，同时在已知浸润曲线的规律，确定地下水的渗流量。（6）介绍几种基本的给水工程，如潜水井、承压井和集水廊道，并讲解了流量（渗水量）计算方法。

2 《土力学》中渗流知识

《土力学》中对渗流部分内容的讲解，主要讲述土的渗透性及其渗透变形特性，研究对象主要是土体。主要内容包括以下几方面：（1）地下水水头及水力坡降的概念，给出达西渗透试验和达西定律，并讨论了达西定律适用的范围；（2）土体渗透性、渗透系数及影响因素，介绍了渗透系数的实验室或现场测定方法和确定渗透系数的部分经验公式，并讲解了层状地基等效渗透系数的求解方法。（3）讲述了平面渗流的基本方程及流网的绘制及应用；（4）渗透力的概念，并给出了渗透力大小的计算公式。（5）土的渗透变形，包括流土、管涌、接触流土和接触冲刷四种，主要介绍了流土发生的条件，并给出了判别流土发生条件的临界坡降计算公式，并讨论了管涌可能发生的条件；讲解了防止渗透变形的措施。

3 《水力学》和《土力学》中渗流知识关系

《水力学》中对渗流知识的讲解主要以地下水为研究对象，主要介绍地下水渗流的流量计算，地下水渗流的自由水面(浸润面)的计算，地下水渗流场的断面流速分布等特点。章节安排是首先提出渗流模型，将地下水渗流场认为是一个连续的流场，从而借助描述地表水运动的概念和理论进行研究，所以其研究基础为《水力学》中的能量方程，并结合达西渗透定律推导出了地下水运动的微分方程，在该微分方程的基础上，研究地下水的渗流量、地下水自由水面等。

而《土力学》中对渗流知识内容的讲解主要以土体为研究对象，主要介绍渗流量计算、土体的渗透性、土体的渗透变形及控制措施方法等。详细讨论了土体渗透性，如渗透系数的测定方法、影响渗透系数的因素、层状土体等效渗透系数的计算方法等。引入了达西渗透定律，建立了平面流场微分方程；同时讲授了渗透变形问题，引入了渗透力的概念和计算方法，并介绍了两种重要的渗透变形：流土和管涌，并给出了其判断方法。在《土力学》中，重点内容是达西渗透定律、土的渗透性及渗透变形(破坏)的种类及判断方法等相关内容。

从以上可以看出，《水力学》和《土力学》中渗流内容侧重点不同，《水力学》中侧重于渗透水的运动规律，主要确定地下水的流量、地下水的流速和地下水自由液面(浸润线)埋深规律。《土力学》中侧重于土的渗透性和渗透破坏问题，研究土在地下水渗透力作用下的稳定和变形问题；同时两门课又有重合的部分，就是达西渗透定律部分的内容。

4 《水力学》和《土力学》中渗流内容的教与学

根据以上的分析可知，《水力学》中的渗流内容和《土力学》中的渗流部分内容不是简单的重复，两种各有侧重，所以这两门课中该部分内容在讲授和学习过程中应注意以下一些问题：

（1）两门课讲授的前后关系，应将《水力学》放到《土力学》前讲授。这是因为《水力学》中讲授渗流时，详细地介绍了渗流模型，学生只有理解了渗流模型，才能理解渗流中地下水水流速、流量、动能、势能、水力坡降等基本物理量的意义，而这些物理量在《水力学》中以前的章节中得到了系统的介绍，学生更容易接受，所以渗流模型应是《水力学》渗流章节中非常重要的内容，而该内容不适合放到《土力学》中讲授。

（2）讲授《水力学》渗流时，应向学生明确《水力学》中渗流以地下水为主要对象的，不考虑土体的变形和破坏问题，重点讲授渗流模型、表征地下水运动的各个物理量（该部分内容为以后《土力学》渗流内容讲解打下基础），及由能量方程和达西定律推导出的地下水运动的微分方程，并有该方程确定地下水流量和自由水面曲线的计算方法。

（3）讲授《土力学》渗流时，要明确《土力学》中渗流以土体为主要对象的，并引导学生回忆《水力学》渗流的相关知识，让学生理解《土力学》中渗流知识和《水力学》渗流知识的不同，并能帮学生将两部分知识结合起来学习，使得学生对渗流相关知识能融会贯通。同时在《土力学》中应该重点讲授土的渗透特性、渗透系数的测定及影响因素、土体的渗透破坏等知识。

（4）《水力学》和《土力学》中存在部分知识的重复，如在《水力学》中讲授了土体的渗透系数及影响因素，考虑到该部分内容在《土力学》中讲授的更为详细，《水力学》中该部分内容可以重点讲授渗透系数的概念，对影响因素和测定方法可以告诉学生以后《土力学》中继续深入学习，同时让对该方面知识感兴趣的同学课外查阅《土力学》相关教材学习；《水力学》和《土力学》中都有关于达西渗透定律内容知识，由于达西定律主要描述地下水的能量损失与流速的关系，该部分内容在《水力学》中讲授概念更情况、更容易理解，所以该部分内容在《水力学》中建议重点讲授，在《土力学》中可根据学生掌握的情况适当减少学时讲授。同时在讲授《土力学》时，应让学生理解《水力学》和《土力学》中渗流部分内容的差别，引导学生将两门课结合，建立渗流相关内容的知识结构，到达真正理解和掌握渗流相关知识的目的。

5 结论

《水力学》和《土力学》都有讲授渗流方面的章节，其中《水力学》渗流以地下水为主要对象展开讲授，重点内容包括渗流模型、地下水的运动规律；《土力学》渗流以土体为主要对象展开讲授，重点内容包括土的渗透性及影响因素、渗流作用下土体的渗透变形(破坏)问题；两个课程中渗流内容侧重点不同，不可相互替代，在讲授时，《水力学》应安排在《土力学》前进行讲授，对两门课各自侧重的内容应重点讲解，重复的内容应根据两门课的特点进行合理安排，同时引导学生将《水力学》和《土力学》两门课相关知识结合起来，并建立渗流相关内容的知识结构，到达真正理解和掌握渗流相关知识的目的。

[1]齐清兰.水力学[M].中国铁道出版社,北京,2008

[2]张力霆.土力学与地基基础[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

李强（1979-），男，汉，河南安阳人，博士，副教授，研究方向为岩土工程。

基金支持：河北省高等学校教育科学规划项目（项目编号：GH122055）；《水力学》河北省省精品课建设成果；石家庄铁道大学“十二五”教育规划课题（项目编号：110427）。