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摘要：教师对数值模拟理实一体化教学实践，既是针对高等教育改革的一次十分难得的大规模探索，也是一次对教改方向进行观察、审视、反思、调整的机会，大家共同努力，推进物理实验在数值模拟教育中的创新和发展。更好地改进教学期间的工作理念、工作方法和近年来在实验教学改革上的一些措施和做法。本文借助耦合模型抓住了融雪土体水热力耦合的关键要素。具体包括增加考虑温度影响的黏弹性本构关系;考虑水体的可压缩性进而增加模型对融雪土体的适应性;考虑水分迁移引起的对流传热以及黏弹性耗散和热力耦合耗散等对能量方程的影响，最后通过典型室内试验验证模型的正确性。通过寻找较好的数值模拟方法解决问题，进一步拓展学习数数值模拟方法来尝试地解决问题。也是为了鼓励全校师生拓展思维不断进取，在未来的教学、学习和工作中取得更大的进步。
关键词：工科院校;数值模拟;岩土工程;理实一体化;教学研讨
引言
工科院校数值模拟计算方法课程理实一体化教学研究是目前解决很多不可重复试验，例如破坏性的地质灾害研究、病毒试验研究、无损检测研究等等的有效手段。数值模拟也是解决岩土工程问题的有效手段，它已越来越多地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中。为了获得岩土工程的设计参数或对岩体力学状态的评估， 比较有效的方法有类比法、解析法、现场测试法、物理模拟法和数值模拟法。类比法适用于有历史经验记录的类似现场，而对历史经验较少的现场，它得到的结论是不可靠的，甚至是错误的; 现场测试工作往往只能在一个很小的范围内进行，很难以小范围的测试代表复杂的大范围的工程岩土体;解析法只能在简化的前提下，给出一些最简单问题的解，它对复杂质、复杂边界或动态问题，常常无能为力。 因此，数值方法的出现和不断发展是一种必然。
一、岩土数值模拟现状
岩土体不同于一般固体力学研究的对象，有限单元法、边界单元法、有限差分法等均能成功地应用于均质 （或较均质）、物理力学性质清楚的材料（如金属）的力学分析，也能够较成功地分析较均质的岩土体的应力应变问题。数值方法甚至通过方法本身的发展，如引入节理单元、增强非线性分析能力等手段，可分析含不连续界面和多介质的较复杂的岩土体的力学行为。但随着岩土力学学科的发展和人们对岩土体科学认识的进一步深化，仅依靠固体力学中常用的数值分析方法已不能满足岩土力学数值分析的要求。显然，岩土力学的数值模拟问题比其它工程力学问题复杂得多，迫切需要建立更加简洁有效的新的数值方法。
正因为上述原因，岩土力学数值方法的研究一直是岩土力学学科中被关注的热点，近年来相继出现了一系列新的数值方法，如有限元中的节理单元法 （ joint element， JE）、离散单元法（ discrete element method， DEM）、块体理论 （ block theory， BT）、不连续变形分析（ discontinuous deformation analysis，DDA）、 快速拉格朗日法FLAC3D、静力同步松弛离散单元法（或叫块体弹簧元法，BSM ）、无网络伽辽金法 （ element free Galerkin metho d， EFGM ）以及数值流形法 （ manifold method， M M ）。 这些方法对解决岩土工程问题十分有效，它们的提出和发展是力学学科和计算机学科在岩土力学领域中交叉结合的产物。
二、渗流数值模拟分析
从渗流分析角度出发，研究极端气象灾害条件下，大气降水入渗时岸坡土体内渗流场的变化大气降水入渗过程包括两个阶段： 自由入渗与压力入渗。入渗初期表层土壤比较干燥，大气降水过程主要发生自由入渗，入渗率大于大气降水强度，雨水全部入渗到土中，这个阶段称为自由入渗阶段。
极端降水灾害对滑坡体以局部影响为主，表现出对原有地质灾害的继承性，且绝大部分的局部变形又出现在滑坡体上覆的松散堆积体上，物质组成为残积或崩坡积成因的碎石土、古滑坡堆积成因的黏土和粉质黏土以及岸坡表层的强风化层。
基于水势的大气降水入渗模型推导 本文利用半解析半迭代的方法，推导一维大气降水非饱和垂直入渗模型。其基本思路： 第 i 次迭代的结果zi （ h，t），对 其 求 导 得 到，积 分 一 次 求 得，再积分一次求得 i + 1 次迭代结果 zi + 1 （ h，t） 。连续进行迭代，直到前后两次迭代所得的 z（ h，t） 之间小于容许迭代误差。根据上述方程得到：
对上式 由 h0 到 h 积分，且假定初始毛细压力水头h0 较大，渗透系数趋于0，于是 K（ h0 ） ≈0。整理得到：
积分限由地表（ z = 0） 、相应负压水头由 h 至 h0 （ 地表初始压力水头） 。为了避免积分限混淆第一次积分的变量符号变 h为α，第二次积分将变量符号改为β，整理得到已知i次迭代的结果Zi （ h，t）求得第i + 1次迭代结果Zi + 1（ h，t） 的一般表达式。应用半解析半迭代的方法，从水势（ 负压） 的角度推导了大气降水自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型，开发相应的数值计算程序，并实现了两个阶段模型的联立求解; 从理论上推导出自由入渗阶段表层土壤负压和压力入渗階段表层土壤入渗率两个特征参数随时间的变化规律。
三、结论
（一）本文可以用于检验我国高等工科院校物理实验教学改革的成果，加强交流，总结经验，推动物理实验教学模式、教学内容、教学方法的改革，探索培养创新型物理学人才的思路、途径和方法。
（二）进一步要求师生在正常的教学学习工作中更全面的分析问题，培养学生学习的主观能动性。
（三）通过定性定量分析方法、非确定性分析方法、物理模拟方法以及现场监测法分析多场耦合（渗流场、位移场、应力场、温度场等）作用下，分析大气降水工况库岸边坡变形机理。进一步培养师生的发散思维和多角度分析问题的能力
参考文献：
[1]沈玉昌，龚国元. 河流地貌学概论[M]. 科学出版社，1986.
[2]徐建华. 现代地理学中的数学方法[M]. 高等教育出版社，2002.
[3]艾志雄，罗先启，刘波等. FLAC基本原理及其在边坡稳定性分析中的应用[J]. 灾害与防治工程，2006，000（001）：19-24.
作者单位：三峡电力职业学院
关键词：工科院校;数值模拟;岩土工程;理实一体化;教学研讨
引言
工科院校数值模拟计算方法课程理实一体化教学研究是目前解决很多不可重复试验，例如破坏性的地质灾害研究、病毒试验研究、无损检测研究等等的有效手段。数值模拟也是解决岩土工程问题的有效手段，它已越来越多地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中。为了获得岩土工程的设计参数或对岩体力学状态的评估， 比较有效的方法有类比法、解析法、现场测试法、物理模拟法和数值模拟法。类比法适用于有历史经验记录的类似现场，而对历史经验较少的现场，它得到的结论是不可靠的，甚至是错误的; 现场测试工作往往只能在一个很小的范围内进行，很难以小范围的测试代表复杂的大范围的工程岩土体;解析法只能在简化的前提下，给出一些最简单问题的解，它对复杂质、复杂边界或动态问题，常常无能为力。 因此，数值方法的出现和不断发展是一种必然。
一、岩土数值模拟现状
岩土体不同于一般固体力学研究的对象，有限单元法、边界单元法、有限差分法等均能成功地应用于均质 （或较均质）、物理力学性质清楚的材料（如金属）的力学分析，也能够较成功地分析较均质的岩土体的应力应变问题。数值方法甚至通过方法本身的发展，如引入节理单元、增强非线性分析能力等手段，可分析含不连续界面和多介质的较复杂的岩土体的力学行为。但随着岩土力学学科的发展和人们对岩土体科学认识的进一步深化，仅依靠固体力学中常用的数值分析方法已不能满足岩土力学数值分析的要求。显然，岩土力学的数值模拟问题比其它工程力学问题复杂得多，迫切需要建立更加简洁有效的新的数值方法。
正因为上述原因，岩土力学数值方法的研究一直是岩土力学学科中被关注的热点，近年来相继出现了一系列新的数值方法，如有限元中的节理单元法 （ joint element， JE）、离散单元法（ discrete element method， DEM）、块体理论 （ block theory， BT）、不连续变形分析（ discontinuous deformation analysis，DDA）、 快速拉格朗日法FLAC3D、静力同步松弛离散单元法（或叫块体弹簧元法，BSM ）、无网络伽辽金法 （ element free Galerkin metho d， EFGM ）以及数值流形法 （ manifold method， M M ）。 这些方法对解决岩土工程问题十分有效，它们的提出和发展是力学学科和计算机学科在岩土力学领域中交叉结合的产物。
二、渗流数值模拟分析
从渗流分析角度出发，研究极端气象灾害条件下，大气降水入渗时岸坡土体内渗流场的变化大气降水入渗过程包括两个阶段： 自由入渗与压力入渗。入渗初期表层土壤比较干燥，大气降水过程主要发生自由入渗，入渗率大于大气降水强度，雨水全部入渗到土中，这个阶段称为自由入渗阶段。
极端降水灾害对滑坡体以局部影响为主，表现出对原有地质灾害的继承性，且绝大部分的局部变形又出现在滑坡体上覆的松散堆积体上，物质组成为残积或崩坡积成因的碎石土、古滑坡堆积成因的黏土和粉质黏土以及岸坡表层的强风化层。
基于水势的大气降水入渗模型推导 本文利用半解析半迭代的方法，推导一维大气降水非饱和垂直入渗模型。其基本思路： 第 i 次迭代的结果zi （ h，t），对 其 求 导 得 到，积 分 一 次 求 得，再积分一次求得 i + 1 次迭代结果 zi + 1 （ h，t） 。连续进行迭代，直到前后两次迭代所得的 z（ h，t） 之间小于容许迭代误差。根据上述方程得到：
对上式 由 h0 到 h 积分，且假定初始毛细压力水头h0 较大，渗透系数趋于0，于是 K（ h0 ） ≈0。整理得到：
积分限由地表（ z = 0） 、相应负压水头由 h 至 h0 （ 地表初始压力水头） 。为了避免积分限混淆第一次积分的变量符号变 h为α，第二次积分将变量符号改为β，整理得到已知i次迭代的结果Zi （ h，t）求得第i + 1次迭代结果Zi + 1（ h，t） 的一般表达式。应用半解析半迭代的方法，从水势（ 负压） 的角度推导了大气降水自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型，开发相应的数值计算程序，并实现了两个阶段模型的联立求解; 从理论上推导出自由入渗阶段表层土壤负压和压力入渗階段表层土壤入渗率两个特征参数随时间的变化规律。
三、结论
（一）本文可以用于检验我国高等工科院校物理实验教学改革的成果，加强交流，总结经验，推动物理实验教学模式、教学内容、教学方法的改革，探索培养创新型物理学人才的思路、途径和方法。
（二）进一步要求师生在正常的教学学习工作中更全面的分析问题，培养学生学习的主观能动性。
（三）通过定性定量分析方法、非确定性分析方法、物理模拟方法以及现场监测法分析多场耦合（渗流场、位移场、应力场、温度场等）作用下，分析大气降水工况库岸边坡变形机理。进一步培养师生的发散思维和多角度分析问题的能力
参考文献：
[1]沈玉昌，龚国元. 河流地貌学概论[M]. 科学出版社，1986.
[2]徐建华. 现代地理学中的数学方法[M]. 高等教育出版社，2002.
[3]艾志雄，罗先启，刘波等. FLAC基本原理及其在边坡稳定性分析中的应用[J]. 灾害与防治工程，2006，000（001）：19-24.
作者单位：三峡电力职业学院