西安理工大学水利水电工程专业起源于1937年成立的西北工学院水利系，2002年获首批“陕西省名牌专业”，2007年获首批国家级特色专业建设点，2010年获首批教育部实施“卓越工程师教育培养计划”专业，2013年和2019年先后两次通过工程教育专业认证，2013年获批为教育部首批普通高等学校本科“专业综合改革试点”专业，2017年获批陕西省一流专业建设点，2019年入选国家一流本科专业建设点。

本专业所在学科水利工程于1959年首次招收研究生，1981年获得国务院首批博士、硕士学位授予权，2007年获批国家一级重点学科（西北地区唯一的水利工程国家重点一级学科），2017年第四轮学科评估结果为B+（并列全国第5），2018年获批陕西省“国内一流大学建设高校”的建设学科。

本专业依托学院建有西北旱区生态水利国家重点实验室、水利水电国家级教学示范中心、省部共建西部生态环境协同创新中心、西北旱区生态水利学科创新(111)引智基地等4个国家级教学科研平台，以及陕西省水利水电虚拟仿真实验教学中心等14个省部级教学科研平台，为虚拟仿真实验课程的实施提供了有力支撑。

本专业的核心专业课《水工建筑物》是陕西省精品资源共享课程，主要介绍各类优势坝型和水工建筑物的设计方法。土石坝作为数量最多的坝型（我国现有近10万座大坝，土石坝占到95%以上，大多建于上世纪50-70年代），普遍存在标准低、设施老化等问题，坝体渗水现象时有发生。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要，明确提出要“加快病险水库除险加固”。因此，掌握土石坝渗流演进过程，了解渗透破坏应急处理措施，成为该门课程教学内容的重点，对学生从事土石坝工程设计、施工、管理至关重要。

本实验的基本原理是：一方面，以实际工程为原型，利用仿真计算软件构建模拟均质土坝、溢洪道、导流泄洪洞、发电引水洞、坝后电站等建筑物三维虚拟模型，并进行多类型、多参数）以及多工况实验条件下土石坝渗流过程的仿真模拟计算，采用实际土石坝现场监测数据和有限元数值计算结果对比，存储于数据服务器。另一方面，与虚拟仿真环境进行交互，通过可视化模拟坝体材料参数与上游水位综合作用下渗透破坏的发生、发展过程，结合3D虚拟漫游向学生呈现多维度渗透破坏的全过程变化，让学生真切掌握土石坝渗流原理，并利用Web服务器实现基于B/S结构实现远程教学。

本实验课程属于知识性、技术性和研究性兼顾的实验项目，同时包含水力学、土力学、结构力学和材料力学等多门课程原理、方法和技术融汇贯通到实验系统模块。具体实验原理如下：

土石坝中的渗流特性与渗透介质紧密相关，依据土石坝工程主要填筑材料揭示孔隙介质渗透特性、破坏形式，从而提出判别标准是土石坝渗透分析的热点和难点问题。假定多孔介质之间孔隙相互连通，当任意两点存在水头差时，水就在孔隙中从能量高的点向能量低的点流动，见图1所示。

多孔介质中某一点的物理量是不连续的，例如某一点的孔隙度只能是1（固体骨架上）或0（孔隙中）。为了降低分析难度，引入表征单元体（REV），使得REV与研究区域孔隙度接近。而孔隙介质REV足够小，可认为孔隙介质具有连续性，见图3所示。水流在孔隙介质中的实际渗透路径蜿蜒曲折，基于孔隙介质的连续性，假定水流充满整个区域；并且水流在任意多孔介质体积内所受阻力与实际水流所有阻力相等；通过任一断面流量及任一点水头均与实际水流相等，这种假想水流即渗流。

坝体和河岸中的渗流均为无压渗流，有浸润面存在，大多数情况下可看做稳定渗流。但库水位急升或急降时，则产生非稳定渗流，需要考虑渗流浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。

根据达西定律和连续条件:

水力学法、流网法（见图3）和数值解法（见图4）比较简单常用于渗流分析。

知识点：共 9 个

1.掌握土石坝枢纽布置特征；

2.掌握土石坝渗流分析主要内容；

3.了解各类土石坝稳定渗流场分布规律；

4.熟悉基于流网法的坝体渗流场计算方法；

5.探究上游库水位不同蓄水速度对土石坝渗流场的影响；

6.探究上游库水位不同降落速度对土石坝渗流场的影响；

7.掌握渗透破坏发生的判别条件；

8.理解渗透破坏渗透发生的过程；

9.拓展险情处理的基本步骤及常用工程措施。

实验系统借助多手段虚实教学，设计集知识性、技术性和研究性于一体的仿真实验项目，真实还原实际工程环境，以国内某土石坝枢纽工程为原型，对挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、电站厂房等进行三维建模，营造了土石坝全枢纽建筑物场景，使学生如身临其境置身于工程实景进行参观学习。

实验将团队多年来从事的水工渗流分析理论与防渗研究成果转化为实验资源，综合考虑土石坝工程实际运行工况：水库蓄水（蓄）、稳定渗流（稳）、库水位降落（稳）工况，渗透破坏及险情处理模块凝聚了团队多年工程实践经验，构建了一套完整的土石坝工程“蓄—稳—降—破坏—除险”的全过程仿真实验教学体系。

实验将土石坝坝体和坝基发生漏洞破坏发生动态过程进行虚拟动画演示，以及土石坝发生渗透破坏进行应急处理演练，开展漏洞险情处理基本方法的虚拟操作，使学生能够熟练掌握土石坝渗流原理、渗流计算方法以及险情处理措施控制要点，以达到培养了学生工程实践能力和创新思维能力，拓展传统教学内容的广度和深度的教学目的。

本实验系统属于知识性、技术性和研究性兼顾的实验项目，紧密围绕实际土石坝工程常见工况下渗流问题开展多工况多因素全过程虚拟仿真模拟。实验系统借助虚拟技术仿真技术，以真实还原实际工程环境为基础，营造了土石坝全枢纽建筑物场景；渗流基本理论知识与测试为学生开展渗流实验夯实基础；高土石坝稳定/非稳定渗流演进过程提升学生知识能力，同时开设探究式实验项目增强实验挑战性；渗透破坏及险情处理实践应用激发学生爱国情怀。实验整体设计如图5。