堰塞体是一种会阻塞江河、雍水上游的完全或不完全堵水堆积体。随着近年的极端天气频发，由此诱发的滑坡堰塞险情不断出现。如2019年8月10日凌晨，受台风影响，浙江温岭一山体因特大暴雨引发山体滑坡形成堰塞体堵塞河流，然后突发决堤，造成30余人伤亡和失联。

（a）堰塞堵河 （b）冲毁房屋 （c）下游灾害

图2.1浙江永嘉堰塞体决堤灾害

科学合理的分析堰塞险情并及时处置是落实《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》“提升防灾减灾救灾能力”，“全面提高抵御气象、水旱、地震、地质、海洋等自然灾害综合防范能力”的要求。据此，项目团队前瞻性地设计虚拟仿真实验，详细目的如下：

（1）重现危险灾害，立足灾害预防，目标转灾为宝

堰塞体是岩土工程中常见的地质灾害，通常由斜坡或边坡上的岩土体因地震、降雨等原因引发山崩、滑坡，截断山谷形成。随着工程理论与技术的提高，基于国民经济发展的需求，是否可以利用堰塞体作为土石坝，是近年来全球的土木工程师一直关注的热点问题，在此方面，我国一直走在世界前列。九寨沟、天山天池等人文风景，红石岩水电站等工程利用都是堰塞体由废转宝的典型（见图2.2）。

（a）堰塞风景 （b）水电开发

图2.2 堰塞体开发利用

但是，堰塞体材料在时空分布上存在一定随机性，大多是非稳定的，现场实验测试存在诸多风险，已破坏或处置的堰塞体也无法再现。学生在校内学习和校外实习过程中无法经历堰塞体的形成、变形、裂隙发展与溃决全过程。因此，本项目将堰塞体工程测试分析与室内虚拟仿真操作相结合，通过“互联网+虚拟仿真+灾害预防”，使学生能够借助虚拟仿真手段去体验堰塞体的测试、分析过程，以便学生在后续的研究与工作中合理处置堰塞险情，减少次生灾害或者对堰塞体进行合理利用。

（2）突破传统教学，培养卓越的土木工程师人才

为培养优秀的堰塞体及重危滑坡稳定安全评估领域的相关土木工程从业者，需要安排其完成有关实践认知与操作，以对堰塞体的性质和稳定性测试与评估方法有充分了解。然而在以往的教学过程中，由于堰塞体工程环境的危险性和交通不便利性，多以课堂概念传授为主，很难如其他教学内容一样，辅以具有经验的从业者带领观摩、实践现场实体工程，从而使得教学相关培养过程存在如下较大不足：

局限性：传统教学、仅能在特定的室内课堂环境下进行理论学习或通过观看视频进行感官认知，而无法进行实验体验，对满足相关课程的重要实践属性需求具有明显局限。

片面性：课堂平面教学环境下，对堰塞坝安全评估受降雨量、堰塞库水位、堰塞体组成差异等动态变化的参数影响很难表达，仅靠课堂讲解甚至是固定环境的实景观摩，无法实现对现场复杂变化条件下相关工程问题测试和分析的有效理解和合理处置。

主观性：堰塞坝安全评估影响因素众多，如仅从文案教学视角，相关评估结论受相关从业者的主观因素影响较大，易造成受培训的学生所接受信息存在片面性。

本虚拟仿真实验，就是为克服上述传统教学不足，借助虚拟仿真技术，在保证学习者安全，且又具有较为真实环境下，让学习者充分感知不同地质环境、天气条件、时空演变的动态环境对山体滑坡形成堰塞体稳定性的影响，并通过开展相关虚拟仿真实验，引导其对堰塞体稳定性做出较为合理的监测与评价。

（3）立德树人，强化社会责任感、使命感

通过本虚拟仿真实验的操作与使用，让学生在安全且具有一定感知性的环境下了解滑坡堰塞体形成的原因、发展历程与可能造成的重大灾害，固化学习者的工程责任和伦理认知。

（4）夯实专业基础，适当拔高，鼓励创新与挑战

通过本虚拟仿真实验，融合土力学、岩石力学、土力学实验、岩土工程测试、测量学、工程地质等的系列专业综合知识，依托新工科对数值建模能力的培养，强化学生对相关岩土工程专业知识的理解；学会对理论、参数、现象关联性的探究，提高对岩土工程特别是堰塞体工程安全问题的分析能力，训练学生对重大工程问题合理处置的能力。

通过本虚拟仿真实验，加强学生的自主学习、自主设计、自主分析能力，巩固提升学生的创新思维，为终身学习提供平台。

知识点：共 8 类

实验基于岩土力学专业知识，选用岩土工程实验中的专业仪器，应用于滑坡形成堰塞体安全性的监测与安全分析中。

实验过程依据《土石坝安全监测技术规范》(SL551—2012) 、《堰塞湖风险等级划分标准》（SL450—009）、《堰塞湖应急处置技术导则》（SL451—009）等要求，利用真实数据与专业理论，对主要实验过程进行仿真。

（1）堰塞体溃决机理

堰塞体是在一定的地质地貌条件下，由于岸坡的动力地质作用或冰川、火山等活动，在河谷迅速产生诸如崩塌、滑坡、泥石流等灾害，产生的滑坡堆积物、火山喷发物等形成天然堤坝从而具有一定挡水能力的堆积体成为堰塞体。

实验设计通过对堰塞体溃决过程进行时空剖析，通过对变形过程中表观现象的动态展示，加深学习者对于堰塞体溃决过程及危害的理解。

（2）堰塞体稳定要素

堰塞体并非固定不变，它们也会受冲刷、侵蚀、溶解、崩塌。一旦堰塞体堵塞物被破坏，湖水便漫溢而出，倾泻而下，形成洪灾，极其危险。因此，影响堰塞体稳定性的外因，首先是水力条件（上游水位），其次是自然形成的边坡形态。在一定的外因条件下，影响堆积体自身抵抗渗透变形的因素主要可以归结为抗剪强度、渗透特性。

实验设计通过对影响堰塞体稳定关键内外因进行敏感性分析及展示，针对关键控制性因素，基于学习者主动输入参数(如：上游水位、坡形、强度指标、渗透性)，动态展示出该系列参数下的堰塞体安全稳定响应，帮助学习者加深对影响堰塞体稳定关键因素的理解。

（3）边坡病害现象

堰塞体边坡病害现象通过堰塞体裂纹扩展、滑坡体大小及下游渗透出溢处现象进行展示。实验设计中，通过不同的关键控制性参数输入，后台针对堰塞体安全稳定状况进行分级，针对不同的稳定状况和等级以裂纹扩展程度、滑坡体大小、出溢点现象组合型式进行仿真展示。

（4）堰塞体边坡稳定

在外因及内因均确定的基础上，堰塞体边坡稳定通过坝体表面变形、深部测斜、渗透流速等监测数据及表观裂纹条数及扩展程度、渗透出溢处颗粒流失程度及坝体滑坡等现象进行综合展示。

（5）堰塞体渗流与渗流稳定

堰塞体渗流通过布设于坝体内部的测管辅以流速仪进行监控，通过监控可以绘制出各流速孔中的水位面以下，不同深度的渗透流速分布图，并可通过下游出溢处边坡潮湿情况、有无冒泉水、出溢水流浑浊度等现象进行渗透稳定性评估。

（6）堰塞体表面变形测试

堰塞体表面变形通过布设于坝体表面监控点的竖向及水平位移进行响应，具体表面变形通过位移云图方式进行展示。

（7）堰塞体深层水平位移测试

堰塞体深层水平位移通过布设于坝体内部的测斜管辅以测斜设备进行监控，按照0.5m间隔绘制出随深度的位移变化曲线，依据不同的时间序列，绘制时程变化曲线。

（8）堰塞体安全评价与处置建议

借鉴土石坝相关规范与规程，针对堰塞体实测的位移情况与渗流数值以及随日期变动的速率，判定是否达到变形与渗流的临界预警数值。根据现有数值与预警数值等级情况，给出预警。同时，通过数据分析，做出堰塞体处置的合理建议。

1）进入虚拟仿真程序，初次使用需先注册账号。账号可由管理方一次性导入并告知密码，也可通过手机app等进行注册设置后登录。

进入登录界面，输入账号密码信息，点击登录按钮，程序自动从平台下载课件信息，该过程速度与网络带宽、电脑配置有关，需耐心等待1-2分钟。

课件下载完毕后，首先会进入“播放滑坡堰塞体动画”。该播放过程自动进行，表明由于地震、降雨等外力作用导致滑坡，堰塞体形成。

2）动画播放完毕后（可跳过动画过程）进入大厅界面，显示欢迎界面，用户可选择是否需要引导，点击需要引导则会出现提示文案（程序不断提醒点击的模块与操作，适用于新手用户熟悉程序）。点击不需要引导(适用于对程序有一定了解的用户)则关闭当前页面，停留在大厅界面，等待下一步操作。

3)为方便软件的操作，在大厅右上侧设置了6个快捷键，其功能如下：

4)知识角按钮，左键点击知识角按钮即可跳转知识点，新闻资讯界面，该界面提供的是与堰塞体相关的一些基本知识，当前新闻咨询(其由后台管理人员不断更新、发布)。

若发现该按钮无法跳转，可检查网页上方是否有被阻止弹出界面(电脑杀毒软件阻止)提示，若有则点击允许即可正常显示。

5）了解实验背景、实验目标，熟悉实验的步骤：点击实验简介按钮，弹出实验简介界面，界面包括实验简介按钮，实验目的按钮和确定按钮，用户需根据教学需求，点击相应按钮，对模拟实验进行整体认知，使用户了解实验背景，实验目标，熟悉实验步骤。用户也可以通过知视角学习相关学科理论知识。

6）学习堰塞体分析、稳定判断等安全相关的知识点；点击堰塞体失稳过程解析模块按钮，进入第一模块学习，进入第一模块后。界面左侧有实验步骤项目栏，学生可根据实验步骤提示完成实验过程。

7）点击任务目标按钮，弹出任务目标界面，了解本模块学习任务与目的，然后点击关闭按钮，关闭任务目标界面，之后点击模拟可观看滑坡堰塞体失稳解析视频，对堰塞体失稳过程进行详细解析。

8）点击界面右侧快速定位按钮，可以第一视角观测坝体具体特征，用户可通过A-S-D-W键或上下左右键（键盘上箭头键）控制视角的向左、后退、向右、前进及视角远近，长按鼠标右键可拖动视角上下左右变动。用户可通过鼠标与对应按键进行操作以进入场景，仔细观察不能阶段堰塞体失稳的现象特征与发展过程，该过程中，右侧中部方框中会出现现场可能发生的破坏现象图像。

9）解析视频分6个时间段，用户可拖动进度条跳转视频界面。6个时间段分别为堰塞体形成，上游水位上升及其造成的影响，堰塞体内渗流变化，堰塞体土壤参数的定性影响，裂缝出现及扩张，溃坝特征。如下图为堰塞体出现渗流涌水现象的界面。

10）观看完视频后，点击学习记录按钮，自动记录该模块的学习过程，可看到该环节学习以及成绩记录。

11）点击堰塞体稳定要因分析按钮，进入第二实验模块，进入试验后，界面左侧出现实验步骤项目栏，用户可根据实验步骤提示完成相关实验的操作与练习。

12）点击任务目标按钮，弹出任务目标界面，浏览相关文字说明后，点击关闭，则关闭任务目标界面。

13）点击参数设置，弹出参数调控界面，此时可设置堰塞体基本参数。堰塞体固定坝顶宽度50m，用户可调整坝体高度、上游坡角、下游坡角，土体强度参数，渗透系数等参数。

注:①上游水位不可大于坝体高度，一旦出现上游水位大于坝体高度值，则提示参数设置错误；②在每一种参数组合下，会计算可能出现的破坏形式。③通过固定其它参数，只改变单一参数，可研究该因素下的破坏临界值；也可改变多个参数，看组合参数的影响。

14）设定完毕后点击开始模拟按钮，则隐藏参数设置界面，显示动画模拟结果。动画播放时屏幕右侧显示浸润线变化图，渗透流速分布图，等数据图像，可通过对应按钮进行显示。

15）根据系统预测的破坏结果，自动动画播放破坏效果。完毕后点击设计参数报告按钮，可弹出设计参数报告。

16）参数设置可重复操作，以寻找堰塞体稳定临界值。

17）点击堰塞体稳定性测试与评价按钮，进入第三实验模块，界面左侧有实验步骤项目栏，可根据实验步骤提示开始相关实验。

18）点击任务目标按钮，弹出任务目标界面，点击关闭按钮后可关闭任务界面。

19）点击仪器库按钮，界面右侧显示仪器库选项框。

20）点击日历按钮，随机生成天气系统。

如下21-34步为虚拟测试实验操作步骤：

21）点击仪器库，可以激活仪器库界面，显示实验所需仪器图片与名称。用户可通过WASD键或上下左右键控制视角的前进后退及视角的远近，长按鼠标右键可拖动视角上下左右变动。用户可通过鼠标与对应按键进行操作以进入场景，巡视堰塞体，根据小地图，找到对应测点。

22）可通过将仪器拖出仪器库置于测点旁，将仪器拖放到正确的孔道上，仪器自动吸附，仪器可360及上下左右旋转，如仪器距离测点较远，则仪器无反应。

23）点击放置按钮即可开始实验

24）深层位移实验步骤：

将测斜仪从仪器库中拖出，放置在对应测孔旁通过调整水平绿色线条调整探头方向，调整正确后点击放置按钮即跳出操作及数据显示界面，此时即可开始实验。

25）在操作界面中，点击开机按钮激活实验仪器。

26）点击开始，则实验开始，点击记录按钮则记录当前数据，点击上、下、按钮可以调整探头的上升与下降，点击停止则此次实验结束，点击转向按钮调整探头方向。

27）点击日历可以选择实验日期，程序规定必须依次每天监测，否则会提示如下图(坝体垮塌)，针对堰塞体的虚拟测试失败。

28）点击关闭按钮，结束当前实验

29）堰塞体内水位测量，将仪器拖到水位管旁，根据箭头提示点击仪器，开始测量，按照实验要求进行测量，点击关闭按钮，结束当前实验

30）渗流测试：将仪器拖到渗流孔旁，自动吸附后即跳出操作及数据显示界面，此时即可开始实验。

屏幕右侧显示当前操作环境的基础数据，探头下降的实时动画。屏幕左侧显示实验步骤与实验原理。

31）点击开机按钮，激活操作平板界面，显示深度与浓度坐标系与上升、下降按钮，点击上升、下降按钮，控制探头上升与下降。再次点击开机按钮，关闭当前操作界面。

32）探头上升与下降时需点击归零按钮；点击探头开关按钮，激活探头上升与下降功能；点击投源开关，开始投放示踪剂；点击记录按钮，记录当前测试时间测试行为中示踪剂浓度与孔深的数据。

33）点击日历，可挑选实验日期，完成一天实验后可再次在日历中选择下一天再次开展实验。

34）按照实验要求进行实验操作，完成当前实验。

35)点击报警按钮，可根据实验结果判定堰塞体危险等级及选择处理措施。

36）根据判定结果界面自动出现警报提示(如判定结果为安全则不出现报警等，如判定结果为基本稳定，则出现黄色报警闪烁；如判定结果为危险，则出现橙色报警闪烁；如判定结果为极度危险，则出现红色报警闪烁!)

37）实验结束后，点击实验报告按钮弹出实验报告界面。

38）根据实验要求填写实验报告总结，最终的实验报告如下:

39）虚拟实验完毕后，关闭右上方的退出实验操作系统。