刘远　韦未　姜俊红

摘  要：力学课程是水利水电工程专业的基础课程，在整个专业培养教育中起着承上启下的重要作用。以水工建筑物课程为例，总结了材料力学、水力学、土力学等多门力学知识在专业课程中的具体应用；指出力学课程与专业课程的教学应紧密结合，即力学课程的教学应结合专业背景，从传统的“理论模式”向“工程模式”转变，专业课程的教学应从基本的力学原理出发，加深学生对工程问题的理解。

关键词：力学；水利水电工程；水工建筑物；工程问题；工程模式

中图分类号：G642.3 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2024）07-0110-04

Abstract： Mechanics courses are the basic courses for the major of water conservancy and hydropower engineering. They are important links in the cultivating talents. Application of Mechanics， such as mechanics of material， hydraulics， soil mechanics， in"Hydraulic Structures"， which is one of the professional courses of water conservancy and hydropower engineering， was summarized. As a result， the teaching of mechanics courses and professional courses must be closely linked. On the one hand， the teaching of Mechanics courses should combine with the specialty. It is necessary to change the teaching from the traditional "theoretical model" to the "engineering model". On the other hand， the teaching of professional courses should trace back to the basic mechanics principles， which can help students to understand engineering problems better.

Keywords： Mechanics; water conservancy and hydropower engineering; Hydraulic Structures; engineering problems; engineering model

水利水電工程是水利工程一级学科下设的5个二级学科中的1个，是传统的工科类专业，旨在培养能在水利、水电、土木、交通等行业从事勘测、规划、设计、施工、科研和管理等方面工作的高级工程技术人才和管理人才，该专业学生主要学习水利水电工程建设所必需的数学、力学和建筑结构等方面的基本理论和基本知识，在工程设计方法、施工管理方法和科学研究方法等方面得到基本训练。力学课程是水利类专业的基础课程，它上承高等数学、大学物理等基础课程，下启钢筋混凝土结构、水工建筑物等专业课程，在整个专业培养教育中起着承上启下的重要作用。水利水电工程专业开设的力学课程可分为两大类，即基础力学和专业力学。其中，基础力学主要包括理论力学和材料力学，专业力学包括水力学、土力学、结构力学和弹性力学。力学是研究各类工程结构中普遍存在的受力和变形现象的学科，力学源于工程，也要服务于工程，学习力学课程的目的是为了进行工程计算[1]。力学在工程中应用首先要提取出相应的工程计算模型，然后根据其计算模型采用相应的力学知识进行求解。力学课程的学习就是培养学生的工程概念和解决工程实际问题的能力。

水工建筑物是水利水电工程专业核心课程之一，课程内容涉及各门力学知识和其他众多的专业基础课程，是一门知识范围很广，理论性、实践性和综合性都很强的课程，对学生职业能力和职业素养的培养发挥重要的作用。学生在学习该课程时，需要将已经学习的各门力学知识融会贯通，用于解决各类水工建筑物设计中的实际工程问题。下面以材料力学、水力学和土力学为例，讲述如何应用这些基本的力学知识解决水工建筑物的实际问题。

一  材料力学的应用

材料力学方法在水工建筑物的应力分析的主要方法之一。如在进行重力坝应力分析时（如图1所示），首先需计算坝体的竖向边缘正应力（y）。假定坝体水平截面上的？滓y按直线分布，按偏心受压公式计算上、下游边缘应力

三  土力学的应用

土力学在水工建筑物课程中同样起着重要的作用，如土石坝稳定分析，土石坝的沉降分析，水闸岸墙、上下游翼墙的设计，以及水闸的土基处理等等，都需要用到相应的土力学知识。下面以土石坝坝坡稳定分析为例，讲解瑞典圆弧法[6]在土石坝设计中的应用。如图5所示，假定失稳破坏面为一圆弧形面，将可能滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，略去土条间的相互作用力，假定各土条底部滑动面上的安全系数均等于整个滑动面的安全系数，则土坡的稳定安全系数Kc为

在实际应用中，土的抗剪强度计算方法（总应力法或有效应立法）和抗剪强度指标的选择是一个十分重要的问题。土坡在许多情况下土体内都存在孔隙水压力，可以是由渗流所引起的渗透压力或者是由填土所引起的超孔隙水压力。孔隙水压力的大小在有些情况下容易确定，如稳定渗流期引起的渗透压力，有些情况下则较难确定，如施工期、水位骤降或地震时的孔隙水压力，有些情况目前还没有办法确定，如土坡在滑动过程中的孔隙水压力变化。因此，在土坡稳定计算时，土体的抗剪强度是用总应力表示还是用有效应力表示，应根据不同的工况确定。土体抗剪强度指标同样是影响土坡稳定性的重要因素，土坡稳定分析的可靠性很大程度上取决于土的抗剪强度指标的选择。不同的剪切试验方法可以得到不同的抗剪强度指标，在实际应用中应合理选用。土石坝稳定分析，除了要求学生掌握稳定分析方法，还需要使学生理解如何根据土石坝不同工况的特点，选择合适的抗剪强度计算方法和抗剪强度指标。如对于施工期和竣工时，土中孔隙水压力不易消散，这时宜采用快剪或三轴不排水剪试验指标，用总应力法分析；如通过实测或分析对施工过程中坝体中的孔隙水压力和固结的发展情况进行估算，也可应用固结不排水剪或者固结排水剪的指标，用有效应力法分析。对于稳定渗流期，由于孔隙水压力可以根据渗流分析比较准确地确定，所以，采用排水剪或固结排水剪指标，用有效应力法分析。

四  结束语

除此之外，结构力学和弹性力学知识同样在水工建筑物课程中应用甚广，如结构力学方法是进行水工建筑物结构内力和位移计算的基本方法，拱坝的应力分析、水工隧洞的衬砌计算等都采用结构力学方法；弹性力学知识则在水工隧洞围岩稳定分析、衬砌计算等得到充分的应用。在讲述这些问题时，同样需要结合工程的实际，灵活应用已经学习的基本力学知识，限于篇幅，不再一一赘述。

近年来，随着工程教育专业认证工作的开展，使得工程教育类专业掀起了一轮新的教学改革热潮。本科工程教育的基本定位是培养学生解决“复杂工程问题”的能力，而力学正是解决“复杂工程问题”的最基本工具。让力学教学回归工程实践，让“复杂工程问题”回归力学本质，是提高学生的工程素养和解决工程实际问题能力的有效途径。因此，力学课程的教学应结合专业背景，从传统的“理论模式”向“工程模式”转变；同时，专业课程的教学应从基本的力学原理出发，加深学生对工程问题的理解。

参考文献：

[1] 马崇武，秦怀泉.土木工程专业力学课程教学体系的研究[J].东莞理工学院学报，2014，21（1）：91-94.

[2] 饶光媛，李波.材料力学[M].北京：中国水利水电出版社，2013：163-164.

[3] 林继镛，张社荣.水工建筑物[M].6版.北京：中国水利水电出版社，2013：103.

[4] 吴持恭.水力学（上册）[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：78-83.

[5] 吴持恭.水力学（下册）[M].4版.北京：高等教育出版社，2008：216-218.

[6] 刘松玉.土力学[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2019：263-266.

基金项目：省级一流本科专业建设点“水利水电工程”（教高厅函〔2019〕46号）；省一流本科课程“水力学”（粤教高函〔2022〕10号）

第一作者简介：刘远（1979-），男，汉族，广东中山人，博士，副教授。研究方向为水利水电工程本科专业教学和科研。