《礦山工程力學》案例教學探索

摘要： 大型工程為《礦山工程力學》教學提供了大量實踐素材，實踐-理論-再實踐是工科專業最基本的研究方法，教學中需要重視學生工程實踐能力的培養，本文以“卡蘭尤卡爾”為例探討大型工程中的力學問題。傳統授課未充分認識實踐對力學理論建立的重要性。在學習中，學生未注意理論問題與實際問題的差別和他們之間內在的聯系，造成學生運用力學理論解決工程實際問題的實踐能力差。本文闡述了引入大型工程實例的《礦山工程力學》教學方法，即教學內容體系系統化、強化工程概念、重視教學方法改革，上述教學改革探索具有可行性，取得了較好的教學效果。

Abstract： Large engineering provides a large number of practical materials for Mine Engineering Mechanics. Practice-theory-repractice is the basic research method for engineering specialties. It is important to cultivate students' engineering practice ability in teaching. This paper takes "Karan Jo Karl" as an example to explore the mechanical problems in large-scale projects. Traditional teaching doesnt fully realize the importance of practice for establishing mechanics theory. In the study， students dont pay attention to the differences between theoretical problems and practical problems and their internal relations， which makes the practical ability of students to solve practical engineering problems by using mechanics theory is poor. This paper expounds the teaching method of Mine Engineering Mechanics which is introduced into large engineering examples. The teaching methods include systematization of teaching content system， strengthen of engineering concept， importance of teaching method reform. The above teaching reform exploration is feasible， and achieves good teaching effect.

關鍵詞： 教學改革；工科專業；教學方法；礦山工程力學

Key words： teaching reform；engineering specialty；teaching method；Mine Engineering Mechanics

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0141-03

0 引言

中國礦業大學（北京）《礦山工程力學》課程依托“煤炭資源與安全開采”、“深部巖土力學與地下工程”兩個國家重點實驗室和“工程力學”國家重點學科良好的科研環境，讓學生認識到礦山工程力學突出基礎、兼顧礦業學科特色的特點。提高學生對礦山工程力學的學習興趣與效率，使學生了解礦業背景的工程力學知識及工程科學發展史，激發學生的專業自豪感。通過介紹礦山工程力學在大型工程的應用，展現礦山工程力學專業教學內容在地下安全開采工程、結構支護工程、巖土邊坡的穩定工程領域的應用前景，引導學生理解礦山工程力學的特點、研究方法，取得了較好的教學效果。

《礦山工程力學》課程分五個專題開展課程教學，內容涉及①礦山工程力學概論；②典型大壩、隧道工程案例；③深部開采面臨的難題、巷道支護案例；④超級破碎機的力學機理及在選礦工程中的應用；⑤超級鉆探平臺的力學機理及在石油天然氣鉆探工程中的應用；⑥綜放長臂法采煤涉及的力學問題，井巷工程，硐室工程及其支護。要求學生通過本課程的學習，樹立正確的專業意識，激發強烈的求知欲和濃厚的學習興趣，并對礦山工程力學有全面和系統的了解。本文以冰島“卡蘭尤卡爾”水力發電站工程為例，分析其大壩、引水隧道結構，闡述其涉及的典型礦山工程力學問題。

1 “卡蘭尤卡爾”工程概述

利用冰島巨大的冰源河開發水電的設想已經有50多年，并且早在30多年前，就首次提出了在冰島引進高耗電型產業的建議。現在，卡蘭尤卡爾工程即將使這些設想變為現實?！翱ㄌm尤卡爾”水力發電站是歐洲一個大型水電工程，預計投資約14億美元，位于冰島東部的一個偏遠地區。工程主要包括一座大壩和長約73km的隧洞，并修建被認為是世界上最深的鋼板襯砌豎井和地下廠房，廠房內安裝6臺115MW混流式水輪機。

該工程最初的計劃是兩個獨立的開發方案，分別利用弗廖茨達爾冰源河和達爾冰源河。這兩條河皆發源于瓦特納冰原，流經約屈爾和弗廖茨河谷，在海岸形成常見的河口灣。如果實施這些計劃，則要建兩座獨立的電站，一座位于東部的埃亞巴卡爾濕地，另一座位于西部的豪爾斯地區。而目前在建的工程只需要建一座電站，同時將兩條河流連接起來[1-2]。地底發電廠建在水壩東北方25英里處一座小山的內部，水壩蓄水后將水通過隧道引至山頂，然后順著發電廠的設計，沿著壓力管急轉直下，到達山底發電廠機組時將機械能轉為電能。

2 “卡蘭尤卡爾”水力發電計劃

2.1 大壩

為了發電，在弗雷姆里卡蘭尤卡爾山附近建3座壩攔蓄達爾冰河的水。其中最大的一座是卡蘭尤卡爾大壩，位于哈夫拉瓦馬峽谷最南端，壩高193m，壩頂長約730m。大壩為混凝土面板堆石壩，建成后將是歐洲同類壩中最高的，也是世界高壩之一。建造所用堆石是從庫區緊挨壩的上游開采的，石料用卡車運送到工地填筑。另外，還將安裝皮帶輸送機為大壩輸送經破碎和篩分的石料。

該工程將修建2座副壩，分別位于東面和西面，2座壩均為粘土心墻堆石壩。水庫蓄水面積57km2，滿庫容時，水位將達到海拔625m，水庫庫岸將延伸至布魯阿冰川的邊緣。

2.2 水庫

這3座壩將形成豪爾斯隆水庫。正常蓄水位為625m。據估計，在大多數年份，水庫都將在夏末蓄滿。當水量過剩時，多余的水將通過卡蘭尤卡爾壩的溢洪道陡槽泄放至哈夫拉瓦馬峽谷的邊緣，再經90m高的瀑布泄至谷底。

弗廖茨達爾冰源河在埃亞巴卡爾濕地北側的埃亞巴卡福斯瀑布下游2km處被筑壩攔斷，在該冰河東側的3條支流上也建了壩，形成名為烏薩爾隆的水庫。

2.3 隧洞

引水隧洞全長53km，埋深100～200m。豪爾斯隆水庫的水經隧洞穿過弗廖茨達爾沼澤后，與經隧洞來自烏薩爾隆水庫的水匯合，再經一條東北走向的混合引水隧洞流入進水口。2個鋼襯壓力豎井從進水口處引水至地下電站。每個豎井深420m，此處工程總水頭599m。水流通過電站后，由一條尾水隧洞和尾水渠將水輸送至海拔26m的弗廖茨達爾冰河。

3 “卡蘭尤卡爾”工程涉及的問題

如何在極度傾斜的坡面上鋪設大量混凝土成為第一個工程難題。如圖1所示，利用反重力混凝土機器，又稱為“大巨人”，機器寬度近50英尺，由壩頂固定的絞車以時速六英尺的穩定速度將其拉上墻面，工人可在混凝土機上進行混凝土修平作業。機器一旦啟動就不能停止，以免混凝土鋪設不均勻導致壩體出現裂縫。

在修建引水隧道時，需要挖掘的巖石是玄武巖，硬度極高。需要使用外號“啃食者”的大型盾構機（如圖2），盾構機重達620噸，全長122m，前端切削轉盤直徑約8m，覆蓋硬化鋼制成的削刀，轉盤后方是推動列車，液壓支柱和側面握爪能避免機器整體旋轉。

如圖3所示，三部鉆掘機的小組從不同的起點在同一條隧道中工作，但因為在地底，無法衛星定位，所以很難保證三部機器能完美打通一條隧道。測量員利用高端裝備以及復雜的計算，全程跟蹤和修正掘進的方向。方法是確認至少一點的位置，利用激光判定角度和距離，測定任一新點的確切位置，讓鉆掘機在水平面和垂直面都正確前進。

最后在地下發電站部分，采用外號“大個”的鉆探機（如圖4）在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石，在地下600英尺進行爆破作業，必須保證爆破的精準。

4 由工程問題到力學問題

在反重力混凝土機器中，主要涉及的力學問題包括：絞車對反重力混凝土機器的“牽引力”，反重力混凝土機器在大壩坡面上的摩擦力等等。壩頂固定的絞車以時速六英尺的穩定速度將反重力混凝土機器拉上墻面，可以得出反重力混凝土機器在坡面上是處于受力平衡的狀態，絞車對反重力混凝土機器的“牽引力”也就可以利用力學知識求出數值；在大型盾構機中，主要包括削刀與玄武巖之間的摩擦力，后方的推動列車對切削轉盤向前的力保證了削刀與巖石之間一直存在摩擦力只有削刀硬度足夠，才可以依靠它們之間的摩擦力來切割巖石，進而開挖隧道；在進行爆破作業時，必須考慮地應力的因素，地下結構極其復雜，要想安全有效地在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石，必須在力學的基礎上通過計算機模擬地下場景。由此可見，任何大型工程的實施，都離不開力學的理論支持。

5 “卡蘭尤卡爾”工程小結

每一項偉大的工程都離不開人們的奇思妙想，都離不開克服重重的困難。工程施工的整個過程中，需要多個專業的知識融合，比如這個工程中，地質學家進行地質勘測工作；測量員的記錄水位與掘進機鉆掘過程中引水隧道的方位，以便成功實現對接；巖土工程師確定大壩混凝土的合理澆筑工序以及確定隧道爆破孔眼布設；同時，在水壩修建之后，那一個區域的生態改變對生物的影響，這就需要生態學家的工作。因此，一個偉大的工程需要多個學科的科技人員共同努力，各司所長，才能克服遇到的重重困難，創造工程的奇跡。

6 認識小結

隨著經濟建設和科學技術的飛速發展，培養適合我國社會發展所需要的高質量的科技人才已成為高等教育研究的一項重要課題。在高等學校各學科的教學過程中，除了要教給學生必要的基礎理論和基本知識外，還應更加重視對學生能力的培養[3-4]?！兜V山工程力學》教學過程中注重理論和工程實際緊密結合，課堂上筆者盡可能地介紹理論在實際工程中的應用情況，豐富理論的內涵，突出力學理論的應用價值。當今社會，知識發展日新月異，新知識、新技術層出不窮，大型工程實例為課程教學提供了素材，同時綜合案例分析為鍛煉和培養青年學生的綜合技能是非常重要和必要的[5-8]。在課堂教學中采用實例教學，利用視頻、掛圖、力學模型等多種媒體增加學生的感知能力，加深對基本理論的理解和掌握[9-10]。在課堂講授通常以工程實例引入，容易激發學生的學習興趣。對具體定理、推論的數學推導過程注重講思路、講方法、講要點。采用課題提問，讀書報告，大作業等方法，加強學生理解知識，應用知識，特別是綜合性、創造性地應用知識能力的培養。

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