三峡库区大型松散堆积土滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验系统

  • 本项目秉持“科教融合-虚实结合-仿真模拟”的实践教学理念,依托河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心进行大型松散堆积土滑坡滑面监测虚拟仿真实验。
项目成员

实验教学项目负责人情况

姓名 边亚东 性别 出生年月 1975.02
学历 研究生 学位 工学博士 专业技术职务 教授
行政职务 院长 院系 建筑工程学院 邮编 451191
地址 郑州市新郑双湖经济开发区淮河路1号
教学研究情况 主持的教学研究课题(含课题名称、来源、年限,不超过5项);作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文(含题目、刊物名称、时间,不超过10项);获得的教学表彰/奖励(不超过5项)。
面向学生要求
  • 专业与年级要求

  • (1)土木工程专业、工程管理专业、城市地下空间工程大三及以上本科生和土木工程学术型、建筑与土木工程专业学位研究生。
  • 基本知识和能力要求

  • (1)需对基础力学、岩土力学相关知识进行了解;
  • (2)需掌握光纤应变传感工作原理相关知识;
  • (3)需要具备初步的计算机语言编程能力和数据分析能力。
实验仪器设备(装置或软件等)

实验系统由、应变监测系统、力—光转换系统组成。

(1) 应变监测系统:该系统由FBG传感器、FBG波长解调仪和信号传输光缆组成(图 2)。

(2) 力-光转换系统:力—光转换系统由FBG-PVC监测装置和滑坡体组成(图 1)。滑坡体以三峡库区长江沿岸某大型深层滑坡为研究对象, 如图 1(a)所示。数据远程传输模块如图 1(b)所示,FBG-PVC监测装置如图 1 (c)所示。现场监测系统布设示意图如图 3所示。

图 1 力-光转换系统((a)滑坡实物图;(b)数据远程传输模块;(c)FBG-PVC监测装置)
图 2 应变监测系统((a)实验用光纤光栅解调仪 (b)FBG传感器)
图 3 实验装置示意图
实验教学方法
  • 图 4 实验架构及教学方法实施图
  • 本虚拟仿真实验采用三阶段的设计思路,如图 4所示。第一阶段为实验背景阶段。该阶段要求学生熟悉实验目的和相关知识点,观看实际滑坡发生视频资料,并要求学生完成线上考核。第二阶段为虚拟仿真实验的主体部分。该阶段建立“体验-工程实践-科研思维-自主探究”四层次递进式虚拟仿真模块。第三阶段为实验报告及讨论阶段。该阶段要求学生完成实验报告,并提出实验改进建议。教师在线批改实验报告,与学生互动问答。通过三阶段的实验设计,使学生在虚拟实验环境中快速掌握三峡库区大型堆积土滑坡地质勘察、监测技术、工程防治措施,总结相关规律,为从事地质灾害防治领域施工及科研工作打下基础。为实现教学目标,让学生充分掌握相关知识,采用自主学习式、问题探究式、互动式教学方法实现上述功能,体现以学生为中心的实验教学理念。
  • 1、自主学习式教学方法

  • (1)使用目的
  • 自主式学习教学法目的是培养学生的自主探究能力和科研思维。相对于教材上的专业知识本身,该教学方法更加注重启发学生自主探索未知知识。
  • (2)实施过程
  • 该教学方法贯穿整个实验流程,首先在实验背景环节让学生了解滑坡的分布、并感受滑坡发生的危害。然后,在现场踏勘环节让学生了解滑坡的地貌特征及对植被的影响;在探究模块中允许学生自主设计防治方案,自主调整设计参数。在此基础上,学生可熟悉大型堆积土滑坡监测及工程防治的整个流程。
  • (3)实施效果
  • 本项目设计由易到难,知识水平逐层提升,符合学生自主学习的认知规律,充分发挥了学生的自主性。
  • 2、问题探究式教学方法

  • (1)使用目的
  • 问题探究式教学方法的目的是引导学生自主、开放性提出滑坡治理方案 设计的方法和要求。
  • (2)实施过程
  • 该教学方法主要体现在滑坡防治工程设计环节。在设计中,给定学生结构的设计目标,学生对抗滑桩、排水设施等防治措施进行设计,让学生在设计过程中在满足滑坡工程防治要求的基础上得到成本最优的优化设计,选择错误的参数组合,可能导致抗滑桩失效,从而判断设计效果。
  • (3)实施效果
  • 本教学方法允许学生对同一治理方案进行反复多次设计,进而不断优化设计方案,让学生掌握滑坡防治工程设计方法,体现了本项目的创造性、挑战性和高阶性。通过上述虚拟仿真实验教学,可供学生深刻掌握滑坡监测与治理的基本概念和原理,熟悉相关设计过程和设计参数,激发学生对自然灾害防灾减灾前沿研究领域的兴趣,培养其创新意识和专业知识应用实践能力。
  • 3、互动式教学方法

  • (1)使用目的
  • 互动式教学方法的教学目的是通过学生亲自进行防治工程设计,了解不同参数对治理结果的影响。让学生从设计过程中研究不同参数对结构的影响,加深学生对不同参数的了解和认识,改变传统教学中“重理论讲授、轻过程分析”的不足。
  • (2)实施过程
  • 在抗滑桩设计中,学生可以输入不同的设计参数,从而得到不同的抗滑桩设计结果。在护坡工程设计中,学生可选择不同的护坡形式,得到不同的护坡工程结果。实验过程中添加预习考核和测试等互动环节,学生需要完成考核才能进行下一步实验。在实验报告阶段允许学生多次提交实验改进建议,教师通过批改学生实验报告、在线提问及回答学生问题实现互动。
  • (3)实施效果
  • 本项目能够训练学生深刻了解大型松散堆积土滑坡防治措施设计方法,有效帮助学生提升专业综合思考能力。该教学方法通过各个阶段的互动考核,能够保证学生能够真正掌握相关知识。
实验材料(或预设参数等)
  • (1)PVC管:实验用PVC管几何尺寸和物理性能如表1。

  • 实验用PVC管几何尺寸和物理性能如表 1。
  • 表 1 PVC几何尺寸和物理性能
  • Table 1 Property of PVC pipe
  • 外径D/cm 内径d/cm 半径R/cm 长度L/cm 弹性模量E/GPa 惯性矩I/(10×mm4)
    6 3 3 200 5 59.65
  • (2) FBG应变传感器

  • FBG光栅长度1cm,在20oC的正常温度水平下,监测点 1-11的 FBG传感器的中心波长表 2。
  • 表 2 FBG传感器中心波长
  • Table 2 Center wavelength of the FBG sensors
  • 监测点 中心波长(nm) 监测点 中心波长(nm)
    1 1538.8667 7 1543.7796
    2 1544.0960 8 1544.6160
    3 1548.3137 9 1554.5768
    4 1537.4789 10 1548.5091
    5 1538.4560 11 1550.4340
    6 1553.3080
  • (4)光纤传感解调仪

  • 解调仪由葡萄牙Fiber Sensing 公司制造,尺寸155mm×125mm×275mm, 型号FS2200。如图所示,该解调仪具有四个同步监测通道,能够实时测量光栅温度传感器的波长。最大的波长监测范围为100nm(1500-1600 nm),分辨率5 pm,最大采样频率100 Hz。
实验目的
  • 教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》(教高〔2019〕8号)明确指出,虚拟仿真实验教学一流课程要着力解决“真实实验条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练”等问题。《工程地质学》是土木类专业的核心课程,该课程实践性较强,注重对工程实践能力和解决复杂工程问题能力的锻炼。现场实践教学是提高工程实践能力的直接手段。但是,该课程现场实践教学涉及大型野外地质工程,存在危险性高、经济成本大,实验周期过长的问题。室内滑坡模型试验受实验空间和成本制约,难以模拟和重现实际滑坡防治工程措施。这些问题导致《工程地质学》课程的实践教学难于实施和管理,实验教学质量不高。近年来,建筑工程学院科研教学团队参与的“三峡库区地质灾害监测预警关键技术”取得一系列成果,其中包括三峡库区大型松散堆积土滑坡的监测与工程防治技术。如何实现学科前沿科研成果反哺实验实践教学,将工程实践能力、自主探究能力的培养有效融入教学项目,既解决现场实验条件不具备或高危险、高成本等问题,又能有效培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级工程思维,是《工程地质学》课程实验教学改革的重要方向。

    为此,本项目依托河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心,开发了“三峡库区大型松散堆积土滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验”。该实验体现以学生为中心的教学理念,注重对学生社会责任感、探究能力、实践能力的综合培养。学生通过实验能感受到滑坡监测与防治工程的严格流程,激发对前沿领域的学习兴趣,调动学生参与实验教学的积极性和主动性,增强学生创新创造能力。学生通过实验,可以达到以下实验目的:

    • (1)掌握滑坡野外勘察、地质钻孔、岩芯取样等技术和操作要点,锻炼学生工程实践能力。
    • (2)掌握FBG光纤应变传感技术进行滑坡监测的原理和方法,培养学生科研思维。
    • (3)引导学生自主设计抗滑桩、自主设计排水设施、护坡工程等滑坡工程防治措施,锻炼学生自主探究能力和创新意识。
    • (4)掌握大型堆积土滑坡监测与工程治理整体流程,提高学生土木工程职业竞争力。
    • (5)加深对相关课程理论知识的理解深度,为从事地质灾害防治领域科研、设计和施工等工作打下基础。
实验方法与步骤要求
  • (学生操作步骤应不少于10步)
  • (1)实验方法描述:

  • 图 5 实验流程及实验方法
  • 本项目综合采用观察法、比较法、自主设计等实验方法,使学生熟悉三峡库区大型松散堆积土滑坡的监测和防治技术,理解不同防治措施对滑坡稳定性的影响规律。
  • 观察法主要应用在实验背景环节让学生具备足够的知识储备、扩展学生的视野、培养学生卓越工程师意识。
  • 渐进法主要用于工程实践模块和科研思维模块,将不同层次的相关知识点由易到难、系统的展示给学生。由于滑坡监测知识点复杂,学生很难直接掌握相关知识,为此学生可以先从现场勘查做起,依次进行地质钻孔,岩芯采取,传感器安装、预埋等过程,通过这一过程,学生可以系统的掌握滑坡监测相关知识点,符合学生的学习认知规律。
  • 自主设计法主要用于防治工程设计环节,提高学生学习的主动性和积极性,同时有助于培养学生的创新意识。学生通过对滑坡防治措施进行自主设计,能够深度参与大型松散堆积土滑坡治理方案设计过程,最终得到满足设计目标的设计方案。
  • (2)学生交互性操作步骤说明:

  • 一、体验模块——了解滑坡体典型地形特征,以及滑坡区变形对道路房屋、植被造成的影响。
  • 步骤1:现场踏勘,了解滑坡区变形对道路房屋造成的危害。
  • ①道路沉降裂缝:下滑力导致路基土体变形,道路出现不均匀沉降及裂缝。
  • ②房屋拉裂缝: 下滑力导致地基变形,房屋上部结构出现拉裂。
  • 图 6 滑坡对道路和房屋造成的危害((a):房屋裂缝;(b):道路裂缝)
  • 步骤2:了解滑坡典型地形特征及对植被的影响
  • ①滑坡前缘堆积体:滑坡体运动到开阔平缓地带停止后,形成的扇状堆积体(滑坡前缘堆积体)。
  • ②滑坡平台:滑体在下滑时,由于滑动距离有差异而导致在滑体表面形成的阶梯状错落平台(滑坡平台)。
  • ③滑坡后壁:滑坡发生后在后缘形成的坡度较大的陡壁(滑坡后壁)。
  • ④马刀树:滑坡体上的树木随土体变形而倾斜,在变形停止后树干的上部又转为直立状态的树木。它的存在是滑坡的明显标志(马刀树)。
  • (a) (b)
    (c) (d)
    图 7 滑坡地形特征((a) 滑坡后壁;(b)滑坡平台;(c):滑坡前缘堆积体;(d)马刀树)
  • 二、实践模块——地质钻孔与岩芯取样
  • 步骤3:按照《滑坡防治工程勘查规范》(GBT 32864-2016),沿滑坡轴线设置监测断面,按照每40-80m间距,利用手持GPS选定7个监测孔位(图 6(a)、(b))。
  • (a) (b)
    (c)
    图 8 GPS确定监测孔位((a):手持GPS; (b):监测孔位置;(c):监测点位平面图)
  • 步骤4:钻机和泥浆泵进场,建造泥浆池(图 7 (a)、(b))。
  • (a) (b)
    图 9 钻探装置进场((a):泥浆泵;(b):钻机)
  • 步骤5:认识XY-4型钻机基本组成。具体步骤为:
  • ①动力机:钻探用动力驱动装置,由电动机和柴油机组成(图 8(a)、(b))。
  • ②卷扬机:提升装置,用以提升钻具(图 9(a)、(b))。
  • (a) (b)
    图 10 动力机与卷扬机((a):动力机;(b):动力机)
  • ③立轴:回转器将动力传递给立轴, 带动钻具钻进,立轴在钻进中可起到导正和固定钻具方向的作用(图 10(a)、(b))。
  • ④回转器:传递动力,带动转具回转以钻取岩石。
  • (a) (b)
    图 11 立轴与回转器((a):立轴;(b): 回转器)
  • ⑤联通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。钻杆将压力和扭矩传递给钻头,实现连续钻进,且能为冲洗介质提供输送通道。
  • 步骤6:组装转柱。采用直径75mm金刚石空心钻头,依次连接钻杆-异径接头-双层岩芯管-扩孔器-金刚石钻头,形成转柱(图 11(a)、(b))。
  • (a) (b)
    图 12 组装转柱((a):钻杆;(b):组装钻柱)
  • 步骤7:启动钻机与泥浆泵,进行回转钻进。动力机带动钻柱,进行机械回转钻进(图13(a));钻进过程中,钻杆将扭矩传递给钻头,泥浆冲洗液经岩芯内外管间隙流向孔底,以达到维护孔壁,冷却转头的目的(图13 (b))。
  • 图13 钻机钻进
  • 步骤8:采取岩芯(图 14(a)、(b))。具体步骤为:
  • ①钻进过程中,利用取芯钻具采取岩芯,岩芯进入岩芯管后,通过卡簧将岩芯卡断。
  • ②关闭泥浆泵,操作卷扬机提升钻杆,将岩芯管提升至地表。
  • ③点击岩芯管,取出岩芯。
  • 图 14 岩芯取样
  • 步骤9:地质清孔,完成钻孔(图 15(a)、(b))。具体步骤为:
  • ①启动泥浆泵,采用正循环清孔工艺进行地质清孔:钻头在原位继续转动,泥浆冲洗液携带钻渣从钻杆和孔壁之间空隙排出。
  • ②清孔完毕后,利用卷扬机小心提升套管至地表,关闭泥浆泵和钻机电源。
  • 图 15 操纵卷扬机进行地质清孔
  • ③弹出考核题目,计算基岩RQD值,进行初步地质评价。(计算基岩RQD值,进行初步地质评价。)根据取得岩芯计算每个孔位所取岩芯的RQD值,进行基岩质量等级分类。
  • 图 16 计算基岩RQD值
  • 三、科研思维模块—FBG技术滑面监测
  • 步骤10:FBG传感器安装(图17(a)、(b))。
  • 根据每个孔位深度,确定每个孔位所需PVC管长度。对于每根PVC管,将FBG传感器按1m间距依次安装于PVC管外壁。传感器安装步骤如下:
  • ①将FBG裸栅用氰基丙烯酸酯胶粘剂(Cyanoacrylate Adhesive)贴于PVC管外壁,粘贴长度略大于光纤长度。(将FBG裸栅贴于PVC管外壁)
  • ②将直径3mm热缩管从中间剪开,罩到FBG上,形成保护套。保护套仅起到保护光纤的作用,并不参与应变传递。用速干胶密封周边缝隙,形成“光纤层—胶结层—PVC管”三层应变传递模型。(将热缩管从中间剪开,罩到FBG上,形成保护套)
  • 图 17 FBG粘贴完成图
  • 步骤11:灌注水泥浆和细沙,浇筑水泥墩台, 进行监测装置预埋(图 18)。
  • 将安装有FBG传感器的PVC管小心放入孔内,外壁灌水泥浆,水泥浆灌注至2m高度后停止。待水泥浆凝结后,即可将PVC管底部即固定于基岩。灌注细沙,以填充PVC管外壁与钻孔壁之间的空隙。填充完成后,等待一周,使PVC管附近土体完成钻孔开挖造成的应力重分布。浇筑完成后,PVC端头固定于水泥墩台内,避免雨水渗入土体与PVC管之间空隙,且避免附近居民触碰,造成实验数据扰动。
  • (a) (b)
    图 18 填充钻孔壁与PVC管外壁之间空隙((a):灌注水泥浆;(b):灌注细沙)
  • 步骤12:连接解调仪与PC端,设置采样参数。具体步骤如下:
  • ①清洁解调仪接口。将洁净棉签蘸满医用酒精消毒液,插入通道接口,并缓慢沿同一方向旋转擦拭。
  • ②连接FBG光纤传感器接头小心插入解调仪连接孔,并接通解调仪电源线,指示灯亮起(红)。
  • ③匹配解调仪与电脑IP地址。为了保证电脑的IP与解调仪在同一域,必须设置电脑的IP地址。设置方法是:在电脑“本地连接”中点击“属性”,双击Internet协议(TCP/IP),设置IP地址为:10.0.0.10。设置子网掩码为:255.0.0.0,其它保持缺省值,点击确定。
  • ④打开数据采集软件,此时解调仪进入采集数据状态。
  • (a) (b)
    (c)
    图 19连接解调仪与PC端((a)清洁解调仪;(b)连接解调仪与PC端;(c)设置采样参数)
  • 步骤13:原始数据采集与编程处理。具体步骤如下:
  • ①对于监测孔位2-7,依次按照步骤2)-15)进行钻孔、传感器安装等步骤,钻孔1-7中FBG-PVC管传感器全部封装完毕,且光纤接入现场监测室的解调仪之后,即可利用应变解调仪自动实时采集原始数据,并保存于实验用笔记本中。
  • ②调用Visual Studio和Intel Visual Fortran将实验采集原始波长数据处理为应变数据,如下图所示(图 23)。
  • 图 20 基于Visual Studio平台利用Fortran语言处理原始数据
  • 步骤14:绘制滑面位置监测曲线。
  • 首先调用Origin绘制每根FBG-PVC管监测装置应变时程曲线和应变分布曲线,根据每根FBG-PVC管应变分布曲线中应变符号突变之处识别滑面位置。连接每根FBG-PVC管所识别的滑面位置,即可绘制完整的滑面位置曲线。
  • 四、自主探究模块——自主设计工程防治措施
  • 步骤15:自主设计悬臂式抗滑桩。
  • ①学生选择合适地形,自主确定抗滑桩群位置。若地形选择不当,则弹出错误提醒。
  • (a) (b)
    图 21 学生自主选择抗滑桩位置((a):学生自主选择合适地形;(b):地形选择不当弹出提醒)
  • ②抗滑桩群位置确定后,弹出考核题目。
  • ③弹出抗滑桩参数对话框,学生根据《T/CAGHP-003-2018抗滑桩治理工程设计规范(试行)》,结合地质勘查数据,自主选择抗滑桩数目、桩长、桩间距、截面尺寸等设计参数。
  • (a) (b)
    图 22 学生自主设计抗滑桩参数((a):抗滑桩测试题目;(b):填写抗滑桩参数)
  • ④按照由两侧到中间的顺序施工,采用间隔开挖方式,每次间隔1个孔。
  • (a) (b)
    图 23 抗滑桩施工((a):间隔施工提醒;(b):抗滑桩施工)
  • ⑤若抗滑桩设置参数不合理,此时将弹出警示“治理工程失效,滑坡即将发生”,然后载入滑坡发生场景。
  • (a) (b)
    (c)
    图 24 抗滑桩失效导致滑坡发生((a):抗滑桩设置失效提醒;(b):滑坡掩埋房屋;(c):滑坡堵塞航道)
  • 步骤16:自主设计地表和地下排水设施。
  • ①地下设置土工布排水渗沟。首先,学生根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范(dzt0219-2006)》,选择地下渗沟布设位置(地形凹陷的区域,呈条带状布设)。进行沟槽开挖,人工找平。第二,沟壁和沟底均铺设渗水土工布,作为反滤层。第三,在垫层上铺设有孔透水波纹管,坑内空间填筑直径3-6cm的洁净碎石。最后,进行压实平整,并在顶部铺设一层土工布,即完成地下排水渗沟制作。
  • (a) (b)
    图 25 学生自主选择地下渗沟布设位置((a)自主选择渗沟位置;(b):考核题目)
    (a) (b)
    (c) (d)
    图 26 土工布排水渗沟((a):地下渗沟开挖 (b):铺设土工布;(c):铺设波纹管;(d):铺设碎石)
  • ②地表设置环形截水沟。学生(应设置在滑坡体后缘,远离裂缝5m之外的稳定坡面上)。截水沟断面为矩形,沟壁和沟底采用浆砌片石或水泥砌成,施工时先砌筑沟壁,后砌筑沟底。迎水面设置泄水孔,泄水孔直径100-300mm。
  • (a) (b)
    图 27 地表排水设施((a)截水沟开挖;(b)截水沟砌筑)
  • 步骤17:自主设计土工布岸坡防护方案
  • 视角转向江边,学生选择以下两种护坡方式:
  • ①采用混凝土板护坡结构型式,施工方法为:首先,清理坡面,先铺置3~5 cm厚的砂层,然后再铺设土工布;土工布上面铺一层2cm厚的砂层,砂层上面现浇10 cm厚的混凝土。
  • ②干砌块石护坡结构型式,施工方法为:首先,清理坡面,先铺置3~5 cm厚的砂层,然后再铺设土工布;土工布上面铺一层2cm厚的砂层,砂层上面铺设干砌块石。
  • 图 28 自主设计土工布岸坡防护措施((a)学生自主选择护坡形式(b)混凝土板护坡(c)浆砌块石护坡)
  • 步骤18:自主给出未来风险防控建议
  • ①建议居民进行搬迁避让,提前做好相应的滑坡撤离、堵江等应急预案。
  • ②加强野外巡查工作,及时发现土体裂缝变化情况。
  • ③路边设置滑坡警示牌(展示警示牌),提高当地群众地质灾害防治意识。
  • (a) (b)
    图 29 自主给出未来风险防控建议((a)野外巡查;(b)设置警示牌)
考核要求
  • (1)对虚拟仿真实验系统是否能熟练操作;
  • (2)是否能够正确完成滑坡滑面监测的操作过程,并完成实验报告;
  • (3)成绩评定分为:线上测试(20%)+虚拟仿真实验操作(50%)+实验报告(30%);
相关知识点
  • 知识点1:野外地质勘察技术

  • 常见的勘察技术有钻探、坑探、地球物理勘探等方法。其中钻探用于鉴别划分地层,坑探用于获取岩土层天然地质结构;地球物理探勘适用于大面积探测,通过观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性和地质构造。地质钻孔技术包括钻前准备、钻进过程、终孔三个步骤。钻前准备主要包括平整场地,安装转机和附属设施。岩芯钻探钻进时,由动力机带动钻机回转,由钻杆、岩芯管、钻头组成钻柱,并由钻机提供一定的扭矩和轴向压力,从而使钻头切削岩土体,不断往深层钻进。终孔是指钻孔停止钻进到设备拆卸完成为止所进行的全部工作。
  • 知识点 2:FBG光纤应变传感监测技术

  • 与传统的电阻式应变片相比,光纤布拉格光栅(Fiber Bragger Grouting,FBG)应变传感器具有防腐蚀,防水,抗电磁干扰,精度高,体积小等优点。FBG应变传感器可以通过串联或并联等连接方式,建立分布式或准分布式的测量网络,实现大面积或长距离的监测,避免传统的传感器仅能进行点式监测的缺陷。FBG传感器是利用光栅对环境变化的敏感性原理设计而成的波长调制型光纤传感器。 会随着温度和应变的变化而变化,其波长漂移量 与应变增量∆ε及温度增量 ∆T 的关系如下式:
  • 上式中:Kε和KT为应变灵敏系数( )和温度灵敏系数(nm/°C)。波长漂移量∆λB同时对应变和温度敏感。由于实验在常温下进行,且采集数据的时间较为短暂,因此本实验假定FBG光纤的中心波长不受温度波动的影响,故上式中的波长漂移量仅与应变有关。
  • 知识点3: 岩芯采取方法

  • 岩芯采取方法分为卡料卡取法、卡簧卡取法、干钻卡取法、沉淀卡取法、楔断器卡取法等。所用工具有单层岩心管钻具、双层岩心管钻具、绳索取芯钻具等。
  • 知识点4: 常用的护壁堵漏方法

  • 常用的护壁堵漏方法有泥浆护壁堵漏、水泥护壁堵漏、化学浆液护壁堵漏、惰性材料护壁堵漏、套管护壁堵漏五种。
  • 知识点5:岩芯RQD值计算与质量等级评定方法

  • RQD值为长度在10cm以上的岩芯累计长度占钻孔总长度的百分比,称为岩石质量指标,按下式计算:
    根据RQD值大小可将岩石质量等级分为5类。
  • 知识点 6:松散堆积土滑坡滑面形成原理

  • 松散堆积土滑坡的演化开始于滑面处下滑力和抗滑力失去平衡,即下滑力开始超过抗滑力。当下滑力超过了坡体内某部分土体的抗剪强度,该部分土颗粒重新排列,出现塑性剪切应变。随着下滑力的增加,塑性应变不断累积扩展,发展为宏观可见的变形。随着塑性应变区不断扩展,最终在坡体内部形成一条或数条贯通的剪切带,土体将沿着这些剪切带滑动,即为滑面。土与基岩交界面、地层中的软弱夹层都可能成为潜在滑面。
  • 知识点 7:滑面位置监测的意义

  • 滑面位置的监测具有重要意义。首先,滑面位置监测对滑带土强度和滑坡规模的确定具有重要作用,并能为滑坡形成机理的揭示提供更丰富的信息。滑面位置的准确监测关系到治理方案选取的准确性与有效性,例如滑面位置判断过浅会导致治理工程处于实际滑面以上而失效,滑面位置判断过深则会大大增加治理预算投入。除此之外,还可根据滑面位置推算滑体厚度和滑体体积,为滑坡的预警报提供服务。
  • 知识点 8:悬臂梁在横向均布荷载下的应变分析

  • 如图 1所示, PVC管下端固定,在土体推力作用下其受力模式可简化为悬臂梁受横向均布荷载作用。根据欧拉-伯努利梁理论,PVC管总应变包括轴向荷载引起的轴向应变和横向荷载引起的弯曲应变:
  • 上式中: 为轴向荷载 在y方向引起的轴向应变; 为横向荷载在x方向引起的应变; 为横向荷载在x方向引起的弯矩;R为PVC管横截面积;E,A,Ix 分别为杨氏模量,横截面积和x方向的惯性矩。
  • 知识点 9:滑面位置监测的意义

  • 滑面监测实验原理简述为: PVC管下端固定于基岩,在下滑力作用下其受力模式可视为悬臂梁受横向均布荷载作用。滑面以上靠近土体推力一侧的PVC管处于受压区,应变主要为压应变。下滑力有使PVC管从土中拔出的趋势,但受到基岩约束。因此滑面以下的PVC管靠近主滑方向一侧处于受拉区,应变主要为拉应变。因此滑面附近的监测点应变符号将发生突变,即可根据监测数据中应变符号出现突变的位置识别滑面位置。
  • 知识点 10:光纤光栅解调仪工作原理

  • 虚拟仿真实验用光纤光栅解调仪采用可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波解调技术进行光信号解调。可调谐F-P滤波解调技术基于F-P滤波器谐振原理,宽带光源产生入射光,光谱经耦合器传入FBG传感器,满足条件的光谱被FBG反射回,反射光再次经过耦合器传输至可调谐F-P滤波器中。通过驱动电压使F-P腔长发生变化,当反射光谱波长和F-P腔透射波长匹配时,根据此时F-P滤波器电压大小可求出FBG传感器所监测的物理量。
  • 知识点 11:计算机编程处理原始应变监测数据

  • 由于实验原始数据为波长数据,需按照波长-应变关系转换为应变数据。且实验数据较多,因此需要利用计算机语言批量处理。本实验在Visual Studio2012和Intel Visual Fortran 2013运行环境下,利用Fortran语言编程,将FBG传感器输出的波长数据批量处理为应变数据。
  • 知识点 12:抗滑桩在滑坡防治工程中的作用

  • 抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱,用以支挡滑体的滑动力,起稳定边坡的作用,适用于浅层和中厚层的滑坡,是一种抗滑处理的主要措施。抗滑桩对滑坡体的作用是利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力(锚固力)平衡滑动体的推力,增加其稳定性。
  • 知识点 13:土工织物在滑坡防治工程中的作用

  • 土工织物在土木、水力、交通、铁道和环境工程中得到广泛应用,起到排水反滤、防渗、加筋、隔离、防护和减载等作用。这些作用是以不同形式的产品来实现的,例如,土工织物用于滤层、隔离和防护;土工网和三维植被网垫用于排水和坡面的稳定;土工膜用于防渗等。土工合成材料具有较高的拉伸强度、延伸性和整体性; 有良好的水力特性,能起到较好的加筋、过滤、排水、隔离、防渗、防护作用。
  • 知识点:共 13 个

  • (1)野外地质勘察技术
  • (2)FBG光纤应变传感监测技术
  • (3)岩芯采取方法
  • (4)常用的护壁堵漏方法
  • (5)岩芯RQD值计算与质量等级评定方法
  • (6)松散堆积土滑坡滑面形成原理
  • (7)滑面位置监测的意义
  • (8)悬臂梁在横向均布荷载下的应变分析
  • (9)滑面位置监测的意义
  • (10)光纤光栅解调仪工作原理
  • (11)计算机编程处理原始应变监测数据
  • (12)抗滑桩在滑坡防治工程中的作用
  • (13)土工织物在滑坡防治工程中的作用
实验原理
  • 图 1 实验原理
  • 三峡库区滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验项目立足于岩土工程学科前沿与实际工程,通过研究大型深层堆积土滑坡滑面监测技术与工程防治措施,旨在提高学生工程实践能力和解决复杂工程问题的能力。利用虚拟仿真技术模拟实际地质钻孔、回转钻进、岩芯采取、监测装置安装,锻炼学生工程实践能力;融入学科前沿的FBG光纤应变传感监测技术,拓展学生学科视野,培养学生科研思维。根据监测结果自主设计抗滑桩、自主设计地下和地表排水设施、自主设计护坡方案,锻炼学生自主探究能力。学生通过对每个实验模块的操作,直观参与到滑坡勘察、监测、工程防治的整个流程,使学生的职业素养和工程实践能力得到有效提升。通过虚拟仿真实验,使学生在虚拟实验环境中快速掌握三峡库区大型堆积土滑坡地质勘察、监测技术、工程防治措施,总结相关规律,为从事地质灾害防治领域施工及科研工作打下基础。
实验项目应用情况
  • (1)本校上线时间 :全天
  • (2)已服务过的学生人数:1000人
  • (3)是否纳入到教学计划:
  • (4)是否面向社会提供服务:
  • (5)社会开放时间 :全天,已服务人数: 2000
实验结果与结论要求
  • (1)是否记录每步实验结果:否
  • (2)实验结论与要求:实验报告
  • (3)其他描述:除了完成正常的实验步骤的记录与实验结果报告的生产,还需学生处理实验原始数据,并根据欧拉-伯努利梁理论将监测应变数据与理论应变数据对比分析,评价实验效果。最后根据实验数据,绘制应变时程图和不同加载时刻的应变分布图。
网络条件要求
  • 说明客户端到服务器的带宽要求

  • (1)基于公有云服务器部署的系统,5M-10M带宽
  • (2)基于局域网服务器部署的系统,10M-50M带宽
  • 说明能够提供的并发响应数量

  • 支持200个学生同时在线并发访问和请求,如果单个实验被占用,则提示后面进行在线等待,等待前面一个预约实验结束后,进入下一个预约队列。
用户操作系统要求
  • (1)计算机操作系统和版本要求:客户端操作系统: Windows7(64位)及以上
  • (2)其它计算终端操作系统和版本要求:无
  • (3)支持移动端:否
用户非操作系统软件配置要求
  • (1)需要特定插件:是
  • 插件名称插件容量:Unity web player、FireFox浏览器

    下载地址:https://unity3d.com/cn/webplayer

    下载地址:http://www.firefox.com.cn/

  • (2)其他计算终端非操作系统软件配置要求:无
用户硬件配置要求
  • (1)计算机硬件配置要求

  • 序号 硬件名称 配置要求
    1 CPU Intel-I3 5系及以上
    2 操作系统 Win7/8/10简体中文版
    3 显存容量 2GB及以上
    4 内存容量 8G+
    5 硬盘容量 1T
    6 显示器分辨率 1920×1080
    7 输入设备 鼠标、键盘
  • (2)其它计算终端硬件配置要求:无
用户特殊外置硬件要求
  • (1) 计算机特殊外置硬件要求:无
  • (2) 其它计算终端特殊外置硬件要求:无
系统架构图及简要说明
  • 图 22 系统总体架构图
  • 如图 22所示,支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层,每一层都为其上层提供服务,直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。
  • (1)数据层

  • 三峡库区大型松散堆积土滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验涉及到多种类型虚拟实验组件及数据,这里分别设置虚拟实验的典型实验库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。
  • (2)支撑层

  • 支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架,是实验项目正常开放运行的基础,负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统:数据管理、资源管理与监控等。
  • (3)通用服务层

  • 通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台,为虚拟实验教学环境提供一些通用的支持组件,以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括:实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、实验报告管理、教学效果评估、项目开放与共享等功能。
  • (4)仿真层

  • 仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器,最终为上层提供实验结果数据的格式化输出。
  • (5)应用层

  • 基于底层的服务,最终用于滑坡滑面监测虚拟仿真实验教学的开放与共享。该框架的应用层具有良好的扩展性,实验教师可根据教学的需要,利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应器材模型,设计各种典型实验实例,最终面向学校开展实验教学应用。
实验教学项目
  • 开发技术
  • 3D仿真技术、动画技术、.Net技术、WebGl技术
  • 开发工具
  • Unity3d、VisualStudio2017、3Dmax、Maya、PhotoShop、Substance Painter
  • 项目品质
  • 场景模型总面数:1,251,253面
  • 贴图分辨率:1024 x 1024
  • 每帧渲染次数:90
  • 动作反馈时间:及时反馈
管理平台
  • 开发语言
  • 开发语言:JAVA
  • 开发工具
  • 开发工具:Eclipse、VisualStudio
  • 采用的数据库
  • 采用的数据库:Mysql
(1)必要性
  • 重大地质灾害监测及防治代表了岩土工程领域的前沿,三峡库区黄金水道两岸分布的大量松散堆积土滑坡因其威胁长江航道和库区群众生命财产安全而在国际上备受关注。进行滑坡的监测与工程治理研究,对于确保滑坡区航运和人民群众的生命财产安全具有重大意义。但由于滑坡规模巨大(体积上亿m3),且滑坡发生时土体滑动速度极快,极易造成人员伤亡,开展现场监测和治理实验具有危险性大、难于管理、人力物力成本高、试验周期长等不利因素。
  • 依托中原工学院土木工程学科在中原地区的学科优势(河南省重点学科、学科评估优秀,河南省一流本科专业),以及建筑工程学院“河南省虚拟仿真实验教学中心”等教学平台,融入科研团队承担或参与的三峡库区地质灾害监测预警关键技术,团队开发了本虚拟仿真实验项目。
(2)先进性:
  • 1)以学生为中心,构建“体验-工程实践-科研思维-自主探究”四层次递进式虚拟仿真模块
  • 本实验项目注重对学生的社会责任感、创新精神、实践能力、终身学习能力的综合培养,注重“知识传授-能力培养-素质提高“的协同实施。
  • 针对大型松散堆积土滑坡发生的影响因素、滑坡监测、防治的一系列核心问题,经过精心设计,凝练整合出适合大学生操作实践的若干子任务(实验模块),构建出“三层次”的虚拟仿真实验项目,遵循“从简单到复杂”的认知规律,巧妙构思了“体验-工程实践-科研思维-自主探究”递进式的实验模块。按照学生知识、能力的训练要求由浅入深,循序渐进。首先通过学生自主现场踏勘,了解堆积体滑坡的典型地形特征,滑坡区对道路和房屋造成的危害及对植被环境的影响。然后通过对监测点位选择、钻机组装、地质钻孔、监测设备安装预埋层层递进研究,最后通过对松散堆积土滑坡进行工程治理,让学生掌握大型松散堆积土滑坡监测与防治的方法,不仅为学生学习专业基本知识的掌握提供有效工具,而且能够支持学生自主进行变参数的设计优化,自主选择不同治理措施,并通过虚拟仿真进行可视化表达。尤其通过改变参数,可以实现防治工程设计不合理时滑坡发生过程,对于学生创新能力的提升提供了很好的手段和工具。
  • 2)课程思政,立德树人融入教学全过程
  • 结合滑坡防治工程中出现的重大安全事故,实验中设计了因防治工程不合理导致的滑坡发生环节,通过理论与实验实践融合的教育教学活动,成功地将社会责任、职业道德、工程伦理等德育要素植入实验教学项目。
  • 3)科教协同,学科前沿成果反哺实验教学
  • 通过项目团队承担的科研项目,累积了大量滑坡工程实践数据和素材。让学生接触三峡库区大型松散土滑坡监测与防治工程、FBG光纤应变传感技术、下滑力监测技术等学科前沿与最新成果,丰富了实验教学内容,提升了学生工程实践能力,实现了前沿科研成果反哺实验实践教学的目的。通过研究型、创新型实践教学,调动了学生参与实验项目的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣和潜能,增强了学生创新创造能力。
(3)教学方法创新:
  • 针对现场滑坡监测与防治实验危险性大、周期长且不可重复等特点,项目在实验教学过程中,采用自主学习式、问题探究式和互动式教学方法,体现了以学生为中心的实验教学理念,促使学生理论联系实际,提高学生的科研思维和设计工程方案的能力。学生通过自主式学习和问题探究式教学方法,让学生亲身参与大型滑坡监测与治理工程设计实验,改变传统实验教学仅能锻炼学生基本实验技能的不足。采用问题探究式教学方法允许学生对治理方案进行反复多次设计,进而不断优化设计方案,最终使学生通过虚拟仿真实验掌握“大型堆积土滑坡监测技术与工程治理”两个相互递进的知识层次。
大型滑坡数值模拟
    图 1 地质剖面 图 2 剪切塑性区
    图 3 剪应变 图 4 抗滑桩放大
    图 5 模型 图 6 水平位移
滑坡现场监测照片
    1 2
    3 4
    5 6
    7 8
    9 10
    11 12
    13
真实滑坡发生视频
(3)评价体系创新:
  • 我院已经将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业的培养方案和教学课程,制订了建立教学督导检查、教师行为测评和学生满意度评价相结合的评价体系。 由校院教学督导人员定期检查实验教学质量,每学期进行小结。由学校教务处、督导组、实验室等部门组织对实验过程、学生实验报告等抽样检查。开展学生满意度调查,对教师教学效果测评,评价教师的教学质量。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。具体评价内容涉及教学目标、教学内容、教师行为、学生表现等方面开展学生满意度调查,对教师教学效果测评,评价教师的教学质量。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。具体评价内容涉及教学目标、教学内容、教师行为、学生表现等方面:
  • (1)教学目标评价

  • 评价教师能否针对该课程具体内容,制定明确且符合学生实际的教学目标。
  • (2)教学内容评价

  • 评价教师能否准确把握所教学科内容的重难点,教授内容正确;教学内容紧密工程实际,提高学生实验操作能力。
  • (3)教师行为评价

  • 评价教师能否能有效地组织学生试验,解决学生在试验过程中遇到的问题,并将理论知识很好的融入到试验教学当中,重视培养学生的自学能力、实践和创新能力。
  • (4)学生行为评价

  • 评价学生能否掌握有效的学习方法,积极主动参与实验过程,并在实验中锻炼了能力,且有积极的情感体验。
(5)对传统教学的延伸与拓展:
  • 将传统教学拓展到三峡库区黄金水道两岸大型堆积体滑坡的监测和工程防治体现了实验内容的延伸,将知识传授延伸到自主探究式教学体现了教学方法的拓展,将给定实验拓展到问题引导和规律探究体现了实验方法的拓展。土木工程专业具有工程实践性强的特点,因而相关专业基础课和专业课课程对实践教学要求较高。然而,野外滑坡监测与工程治理实验危险性大、实验周期长、成本高、且不具备重复性,无法通过在传统实体实验室中开展教学试验,使得学生的工程实践能力、科研探究能力、创新思维无法得到有效锻炼,从而降低了实践教学质量。本项目采用虚拟现实技术构建虚拟实验场景,进行三峡库区大型堆积土滑坡监测与工程防治虚拟仿真实践教学,符合当前土木工程学科实践教学的发展趋势。该试验项目可以为《工程地质学》、《岩土工程勘察》、《土力学》、《岩石力学》、《土木工程施工》等课程提供更为丰富的实验素材,全方位提高相关课程实践教学的水平。本项目来源于实际工程项目相结合,且与新型光纤传感技术结合,内容新颖,可以极大的提高学生的学习兴趣。同时,本项目突破了传统实验的时空限制、学生可以随时随地进行实验,且节省实验成本、满足教学学时要求。
传统教学的延伸与拓展
  • (体现虚拟仿真实验项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展等方面的特色情况介绍。)
  • (1)转变教学方式,实现滑坡监测实践教学向虚拟教学的延伸。

  • 传统的滑坡监测教学模式是教师讲,学生听,由于实验时间较长且实验过程中可能产生危险,学生学习效果不佳。本项目将滑坡监测实践教学向室内虚拟教学延伸,学生通过虚拟仿真实验快速掌握实验设备的使用和实验数据分析方法。虚拟环境教学对传统滑坡监测教学是很好的补充,且可避免在实验过程中不可预料的危害。
  • (2)提高学生参与度,优化实验教学环境

  • 该虚拟仿真实验教学项目具有利用率高、操作性强、易维护等特点,切实解决由于学生人数多,设备台套数少等客观原因导致的学生参与度低、效果差等问题,为实验课程提供全新的教学科研环境。
实验教学项目持续建设服务计划
  • (本实验教学项目今后5年继续向高校和社会开放服务计划,包括面向高校的教学应用计划、持续建设与更新、持续提供教学服务计划等。)
  • (1)项目持续建设与服务计划

  • 本项目全自主开发,承诺在今后5年内会持续向高校和社会进行开放服务。今后5年会定期优化实验设计,更新和完善实验具体方案,继续拓展实验深度,设计更为自主性和开放性的实验,确保学生的工程实践能力、自主探究能力、创新能力能够得到有效锻炼。研发能够进行交互实验的移动端软件,并继续开发新的虚拟仿真实验教学资源,扩大实验教学应用面。根据学科建设要求,学生和教师使用的反馈情况进行更新。
  • (2)面向高校的教学推广应用计划

  • 首先在校内相关专业之间进行共享,争取覆盖土木类相关专业的学生人数达1000人。在校内共享基础上,计划将该虚拟仿真实验项目在河南省内以及全国土木类高校实施开放,争取覆盖学生上万人。
  • (3)面向社会的推广应用计划

  • 与相关企业加强交流进行资源共享,互相学习和借鉴,在建设思路、新技术利用和仪器设备、软件开发等多方面进行交叉合作。建立企业培训基地、实习基地、就业基地等等,形成全方位的资源共享。
成绩单
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