橋涵水文課程教學方法研究

楊虹　+李麗芬　莫紫嶼

摘要：橋涵水文課程是土木工程專業(yè)交通土建方向的一門重要專業(yè)課程，內(nèi)容涵蓋了橋梁初步設(shè)計的主要內(nèi)容及步驟，如何在教學過程中抓住主要問題引導學生更好地理解基本的橋梁方案設(shè)計方法值得思考和研究。對此，文章結(jié)合CDIO工程教學模式進行了探討。

關(guān)鍵詞：橋涵水文；CDIO；教學研究；學習模式；設(shè)計流量

中圖分類號：V442-3；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0103-04

橋涵水文課程是一門內(nèi)容豐富、有著重要應(yīng)用價值的課程，是土木工程專業(yè)交通土建方向必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。橋涵水文是研究河流和海洋水文環(huán)境對橋梁設(shè)計的影響的一門學科。20世紀50年代中國就開展了系統(tǒng)性的橋位設(shè)計的科研活動，隨著交通建設(shè)的進一步推進，中國的橋梁水力、水文學從過去比較依賴國外水文計算公式和結(jié)果的狀況，已逐漸發(fā)展形成了中國的橋位設(shè)計體系。到21世紀，橋位設(shè)計更是發(fā)展到了一個新的水平，橋梁與環(huán)境的關(guān)系也有了較寬泛的內(nèi)容。所以，在教學過程中，要掌握現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展與教學基本需求之間的關(guān)系，把基本知識技能的培養(yǎng)與知識技能的拓寬結(jié)合起來，達到培養(yǎng)、提高學生工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力的目的。

一、教學模式

河流、湖泊、海洋是地球上最基本的自然形態(tài)，它們時刻影響著人類的生活和生產(chǎn)。橋梁和涵洞作為跨越河流、山澗峽谷、海域等的結(jié)構(gòu)物，除了方便車輛通行外，重要的是能夠順利地排泄洪水，因此，橋梁、涵洞是與自然環(huán)境相互依存、相互制約的統(tǒng)一體。根據(jù)河流和海洋水文環(huán)境各項因素進行橋梁、涵洞設(shè)計是橋位環(huán)境設(shè)計的重要內(nèi)容，充分考慮橋梁與周圍自然環(huán)境的相互影響，通過橋涵水文計算，推算設(shè)計流量、選定橋位、擬定橋長、橋型、布設(shè)孔徑、計算橋面高度、墩臺沖刷深度，這是橋梁工程專業(yè)學生畢業(yè)設(shè)計需要解決的問題，其中橋涵水文設(shè)計計算尤為重要。

學習橋涵水文課程需要較廣的知識面和較豐富的專業(yè)經(jīng)驗。該課程一般在第五學期開課，此時，許多專業(yè)課還沒有結(jié)束，有的甚至還沒有開設(shè)，課程學時又較少，在這種情況下，要想獲得較好的教學效果，需要從教學層面等方面下功夫。

從教學層面講，任何課程的理論教學都是圍繞基本概念、基本理論的講授進行的，一般都比較乏味，但是卻又是所有設(shè)計計算的根本和基礎(chǔ)。橋涵水文研

究的水文現(xiàn)象既是一種物理現(xiàn)象，又是一種在自然界中受各種因素影響的具有偶然性的現(xiàn)象，往往無法用嚴格的數(shù)理方法得到確定的結(jié)果，只能通過對隨機事件的了解，

從歷史發(fā)展過程推測其變化過程，即所謂“科學就是用理性的方法整理感性的材料”。所以，學習橋涵水文知識學生需要轉(zhuǎn)換思維方式，教師可利用工程教育（CDIO）模式進行授課，將有助于學生理解、掌握整個課程內(nèi)容。講課過程中，將CDIO模式的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）理念融入課程教學中，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程，培養(yǎng)學生學習基礎(chǔ)知識的能力、個人動手的能力以及團隊合作的能力。

合理設(shè)計課堂問題，就是構(gòu)思（Conceive）和設(shè)計（Design）的過程。橋涵水文研究的是橋梁工程與水流環(huán)境的關(guān)系，橋梁的修建應(yīng)以不阻礙洪水，不引起河道產(chǎn)生不利變形，與周圍環(huán)境和諧共存，減少橋梁受到自然災害侵襲為宗旨，而這一理念應(yīng)貫穿在整個課程的教學中。教學過程中，一是要避免教師的一味講授，在很多關(guān)鍵內(nèi)容的講授中應(yīng)留有空白，引導學生自己主動學習思考，將所學知識與后續(xù)課程內(nèi)容有機串聯(lián)；二是嘗試將某些問題拋給學生，要求全班學生分組，通過查資料、相互討論，提出自己的思考和答案，并做成PP進行講解，對此，學生的積極性很高，效果也比較好。

將比較乏味的理論教學通過精心安排，使理論教學更具研究性、工程性，也密切了理論與實際工程的聯(lián)系。這種方式既激發(fā)了學生的求知欲，又達到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

二、學習模式

表1顯示了橋涵水文課程的主要學習內(nèi)容，其中設(shè)計流量的推算及應(yīng)用貫穿課程教學的始終，橋梁、涵洞及道路排水、防護工程的基本尺寸取決于設(shè)計流量，教學過程應(yīng)圍繞這個概念進行一系列設(shè)計計算。由于教學內(nèi)容之間的有機聯(lián)系，應(yīng)改變單獨布置各章作業(yè)的方式，而以大作業(yè)的形式，將設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）作為理論聯(lián)系實際的有效手段，這也是一種“實踐、認識、再實踐、再認識”的過程。大作業(yè)并不是課程結(jié)束后布置的，而是根據(jù)講課的進度提出要求，不斷增加，要求學生在課程結(jié)束后即上交作業(yè)。從繪制河床斷面圖開始，了解水文現(xiàn)象的歷史和預測未來的過程，將表1中的每個章節(jié)設(shè)計計算的內(nèi)容連成整體，完成橋梁設(shè)計中最重要也是最基本的幾個技術(shù)設(shè)計指標——設(shè)計流量、橋梁跨徑、橋梁高度、橋梁基礎(chǔ)埋置深度。

中國是個地形、地貌復雜多樣的國家，東南沿海河網(wǎng)縱橫，從東到西有多種河段類型，不同類型的河段上橋孔的布設(shè)、橋梁高度的確定、橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度的確定都不同，這對于學生的學習極為有利。根據(jù)CDIO模式的學習方式，將全班分成若干小組，每個組按不同的題目進行設(shè)計計算，這種工程文化教育對學生設(shè)計能力的提高很有效，是工程實踐與理論知識結(jié)合得較好的方式之一。

（一）橋涵水文課程大作業(yè)內(nèi)容

1.構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）過程

（1）繪制給定類型河段的形態(tài)斷面。

（2）按照年最大流量系列資料或其他搜集到的流量資料確定統(tǒng)計參數(shù)，并推算設(shè)計流量，可采用適線法、形態(tài)法、推理公式法、經(jīng)驗公式法確定。幾種方法中必須選取2—3種，以相互印證。

（3）按照設(shè)計流量值確定橋孔長度，可采用沖刷系數(shù)法、經(jīng)驗公式確定。有興趣的小組還可以進行橋型確定和橋梁分孔。

（4）橋面最低高程確定。

（5）確定橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度，分別采用輸沙平衡原理建立的公式，根據(jù)沖止流速建立的公式、別列柳伯斯基假定建立的公式、64-2簡化公式等計算一般沖刷深度；采用65-2公式、65-2修正公式計算局部沖刷深度。

2.實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）過程

將上述計算結(jié)果通過分析確定最終的采用值，繪制在給定的橋位斷面上。有興趣且學有余力的學生可以選擇在橋位橫斷面上繪制橋孔布置圖。

（二）學生算例

1.設(shè)計資料及設(shè)計內(nèi)容

河谷大橋是連接甲縣城和乙村的主要橋梁，橋位位于山區(qū)非通航河段，采用設(shè)計洪水頻率P=1100的設(shè)計標準，洪水坡降i=4.3‰，粗糙系數(shù)：n=140，=65mm。

（1）按給定的23年最大流量資料推求形態(tài)斷面（給定河床斷面）設(shè)計流量、設(shè)計水位；

（2）橋梁孔徑計算；

（3）橋面最低高程計算；

（4）確定橋墩基礎(chǔ)最低沖刷線標高；

（5）墩臺基底最小埋深計算。

三、結(jié)語

上述教學方式要求教師重視，對課堂教學的設(shè)計及大作業(yè)過程的輔導、跟蹤，要求教師對講授內(nèi)容非常熟悉，一些重要概念的預留空白也要在課堂上留給學生，課程教學應(yīng)自始至終突出基本原理與工程實踐的關(guān)系。教師與學生的互動交流較多，課堂氣氛活躍，教學效果顯著。

由于各小組的作業(yè)題目是針對不同河段類型設(shè)計的，因此，提供給各小組獨立思考的空間較大，課外學生之間的討論也明顯增多。實踐中，大部分學生能夠跟上課程進度完成大作業(yè)，課程設(shè)計計算速度加快。學生相互抄襲作業(yè)的現(xiàn)象也大為減少。

能夠在大學第五學期完成設(shè)計計算方案，增強了學生的成就感和團隊合作精神，也提高了學生的學習積極性。

參考文獻：

[1]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）.

[2]高冬光，王亞玲.橋涵水文（第四版）[M].人民交通出版社，北京.

[3]中華人民共和國行業(yè)標準.公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范（JGC30-2002）

[4]高冬光，田偉平，王亞玲.橋位勘察設(shè)計[M].人民交通出版社，北京，2001.

[5]陸浩，高冬光.橋梁水力學[M]，人民交通出版社，北京，1991.

[6]鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路橋涵設(shè)計手冊（橋渡水文）.中國鐵道出版社，1993.

（編輯 王 宣）

（5）確定橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度，分別采用輸沙平衡原理建立的公式，根據(jù)沖止流速建立的公式、別列柳伯斯基假定建立的公式、64-2簡化公式等計算一般沖刷深度；采用65-2公式、65-2修正公式計算局部沖刷深度。

2.實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）過程

將上述計算結(jié)果通過分析確定最終的采用值，繪制在給定的橋位斷面上。有興趣且學有余力的學生可以選擇在橋位橫斷面上繪制橋孔布置圖。

（二）學生算例

1.設(shè)計資料及設(shè)計內(nèi)容

河谷大橋是連接甲縣城和乙村的主要橋梁，橋位位于山區(qū)非通航河段，采用設(shè)計洪水頻率P=1100的設(shè)計標準，洪水坡降i=4.3‰，粗糙系數(shù)：n=140，=65mm。

（1）按給定的23年最大流量資料推求形態(tài)斷面（給定河床斷面）設(shè)計流量、設(shè)計水位；

（2）橋梁孔徑計算；

（3）橋面最低高程計算；

（4）確定橋墩基礎(chǔ)最低沖刷線標高；

（5）墩臺基底最小埋深計算。

三、結(jié)語

上述教學方式要求教師重視，對課堂教學的設(shè)計及大作業(yè)過程的輔導、跟蹤，要求教師對講授內(nèi)容非常熟悉，一些重要概念的預留空白也要在課堂上留給學生，課程教學應(yīng)自始至終突出基本原理與工程實踐的關(guān)系。教師與學生的互動交流較多，課堂氣氛活躍，教學效果顯著。

由于各小組的作業(yè)題目是針對不同河段類型設(shè)計的，因此，提供給各小組獨立思考的空間較大，課外學生之間的討論也明顯增多。實踐中，大部分學生能夠跟上課程進度完成大作業(yè)，課程設(shè)計計算速度加快。學生相互抄襲作業(yè)的現(xiàn)象也大為減少。

能夠在大學第五學期完成設(shè)計計算方案，增強了學生的成就感和團隊合作精神，也提高了學生的學習積極性。

參考文獻：

[1]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）.

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[5]陸浩，高冬光.橋梁水力學[M]，人民交通出版社，北京，1991.

[6]鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路橋涵設(shè)計手冊（橋渡水文）.中國鐵道出版社，1993.

（編輯 王 宣）

（5）確定橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度，分別采用輸沙平衡原理建立的公式，根據(jù)沖止流速建立的公式、別列柳伯斯基假定建立的公式、64-2簡化公式等計算一般沖刷深度；采用65-2公式、65-2修正公式計算局部沖刷深度。

2.實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）過程

將上述計算結(jié)果通過分析確定最終的采用值，繪制在給定的橋位斷面上。有興趣且學有余力的學生可以選擇在橋位橫斷面上繪制橋孔布置圖。

（二）學生算例

1.設(shè)計資料及設(shè)計內(nèi)容

河谷大橋是連接甲縣城和乙村的主要橋梁，橋位位于山區(qū)非通航河段，采用設(shè)計洪水頻率P=1100的設(shè)計標準，洪水坡降i=4.3‰，粗糙系數(shù)：n=140，=65mm。

（1）按給定的23年最大流量資料推求形態(tài)斷面（給定河床斷面）設(shè)計流量、設(shè)計水位；

（2）橋梁孔徑計算；

（3）橋面最低高程計算；

（4）確定橋墩基礎(chǔ)最低沖刷線標高；

（5）墩臺基底最小埋深計算。

三、結(jié)語

上述教學方式要求教師重視，對課堂教學的設(shè)計及大作業(yè)過程的輔導、跟蹤，要求教師對講授內(nèi)容非常熟悉，一些重要概念的預留空白也要在課堂上留給學生，課程教學應(yīng)自始至終突出基本原理與工程實踐的關(guān)系。教師與學生的互動交流較多，課堂氣氛活躍，教學效果顯著。

由于各小組的作業(yè)題目是針對不同河段類型設(shè)計的，因此，提供給各小組獨立思考的空間較大，課外學生之間的討論也明顯增多。實踐中，大部分學生能夠跟上課程進度完成大作業(yè)，課程設(shè)計計算速度加快。學生相互抄襲作業(yè)的現(xiàn)象也大為減少。

能夠在大學第五學期完成設(shè)計計算方案，增強了學生的成就感和團隊合作精神，也提高了學生的學習積極性。

參考文獻：

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[4]高冬光，田偉平，王亞玲.橋位勘察設(shè)計[M].人民交通出版社，北京，2001.

[5]陸浩，高冬光.橋梁水力學[M]，人民交通出版社，北京，1991.

[6]鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路橋涵設(shè)計手冊（橋渡水文）.中國鐵道出版社，1993.

（編輯 王 宣）