背景：

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，坝体渗水现象严重。党的十九届五中全会通过的制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议，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，便成了该门课程教学内容的重点，对学生将来从事土石坝工程设计、施工、管理至关重要。

主要解决问题：

1）土石坝原型和大尺度渗透破坏实验条件不具备

土石坝工程原型实验平台，枢纽建筑物承担挡水、泄水、发电任务，一旦产生渗透破坏，将对坝体、下游生命财产的安全产生巨大威胁，因此工程现场不具备实验条件。同时，高校传统实验室也不具备开设大尺度的渗透破坏实验条件。

2）土石坝小尺度渗透破坏实验成本高、周期长

按照一定比尺搭建的土石坝渗透破坏实验平台，可以让学生了解实验产生的一些工程灾害结果，但一套完整小型的实体水槽和土石坝模型造价预算大约为9500元/套，由于此实验属于破坏性实验，不可重复，按组开展该实验，3-5人为一组，一个班约30人需实体模型6-10套，成本极高，且需要较大的实验场地，同时需多次反复填筑，工序繁琐且耗时长，实验结果难以保证。综上，土石坝渗流破坏模型实验对实验条件受限的高校来说，往往存在实际困难。

3）土石坝渗流现象隐蔽，不易被直接观测

渗流问题发生在土石体材料内部，工程现场和室内实验均无法直接观测渗流的演进过程，这给学生理解、掌握渗流现象的本质带来了极大的挑战，一直无法在教学实验中得到实践，制约着教学目标的达成度。

4）土石坝渗流演进全过程涉及因素繁多，单一实验无法实现

实际的土石坝枢纽工程往往存在多种工况条件，如工程建成水库蓄水工况、工程正常运行正常蓄水位工况以及汛期前放空水库库水位降落工况等，学生无法通过课堂教学、模型实验和现场参观等直观学习到全部工况下土石坝渗流场的分布；同时不同实验工况下土石坝渗流演进过程涉及土石坝类型、土石料参数、级配、上下游水位，以及地形地质、基础岩性等多因素综合作用，单一实验无法实现多因素耦合效应。

主要功能：

1）“隐蔽”变“可视”，提升直接观测效果

高土石坝渗流演进及渗漏破坏过程虚拟仿真实验系统，采用线上虚拟实验，通过提前导入有限元渗流计算结果，可以任意切换代表性断面，直观的了解掌握渗流演进过程，填补学生感性认知的空白。

2）“不可逆”变“自主设计”，节约场地和成本

高土石坝渗流演进及渗漏破坏过程虚拟仿真实验系统，学生可在线上根据自己意愿设计不同坝型、不同尺寸、不同参数下的渗流/非稳定工况，分析渗流场的演进规律，节约传统物理实验所需的场地和高额的实验成本。

3）“单一”变“进阶”，增强实验挑战性

高土石坝渗流演进及渗漏破坏过程虚拟仿真实验系统，学生可依据自己对知识点掌握程度开展逐步深入的实验项目解锁高阶实验模块，在渗流理论掌握的前提下通过测试解锁渗流演进过程实验，分析渗流场分布影响因素，进一步解锁渗透破坏及险情处理实验项目，满足学生对知识多层次进阶性挑战。

4）真实还原实际工程环境，确保实验环境的合理性

借助先进的网络信息技术，以国内土石坝枢纽工程为原型，开展土石坝、电站厂房、溢洪道、泄洪洞等主要建筑物三维建模，真实还原了土石坝枢纽工程的主要建筑物，学生可通过第一、第三人称漫游其中，了解土石坝枢纽工程全貌，营造水利枢纽三维虚拟仿真实验环境。 

5）模拟实际工程运行工况，确保实验条件的合理性

系统中土石坝稳定/非稳定渗流演进实验项目，包含的水库蓄水工程、正常蓄水位工况以及库水位降落工程均来源于土石坝实际运行工程，通过凝练实际土石坝枢纽工程客观存在的多工况运行环境，通过学习学生可真实地了解土石坝运行过程，同时掌握不同工况下水位变化对渗流影响规律的学习。

6）现场监测数据和有限元数值计算结果对比，确保实验结果的合理性

系统中核心模块将“水工渗流与防渗”科研团队（西北旱区生态水利国家重点实验室优先支持团队，陕西省科技创新团队）近30年的科研成果反哺教学，预设的多工况多参数渗流实验结果来源于实际工程现场实测数据和三维有限元数值计算，保证了实验数据的真实性和可靠性。

7）“蓄—稳—降—破坏—除险”实验体系，全过程知识贯通

本实验系统属于知识性、技术性和研究性兼顾的实验项目。该系统借助先进的网络信息技术，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真实再现；土石坝稳定/非稳定渗流演进实验项目凝练实际土石坝枢纽工程客观存在的多工况运行环境，实验过程中融合土石坝渗流分析教学的难点和重点内容；土石坝渗透破坏及险情处理实验项目凝聚团队多年科研和工程经验，对标国家对创新型人才培养的需求和行业对应用型人才的需求；实验系统实现了土石坝工程模型在“蓄-稳-降”实验条件下渗流发生、发展、演进乃至破坏、处理全过程知识贯通。