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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇水利水電工程導論，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：水利水電工程；圍巖分類；模糊綜合評價
中圖分類號：
TB
文獻標識碼：A
文章編號：1672-3198（2013）20-0196-03
1 引言
圍巖穩定性是決定水利水電工程地下工程施工中開挖和支護施工措施的關鍵。在工程實踐中，人們習慣于根據穩定性情況將圍巖分成若干類。在工程施工過程中，先將擬開挖的工程進行圍巖分類，然后根據所屬類別確定開挖和支護的措施和施工參數。
對圍巖進行穩定性分類，依據的是描述圍巖狀況的各種地質力學參數。在水利水電工程領域，曾將地下工程圍巖分類作為“六五”期間的攻關課題，最終的成果確定了圍巖分類的相關因素和不同穩定性狀態所對應的指標范圍，詳見表1。
在實際應用上述成果時，存在兩方面的問題：一是該表沒有反映不同因素及不同指標在決定圍巖穩定性狀態時的權重。顯然，不同的因素間、不同的指標間對圍巖穩定性的影響程度是不一樣的。二是沿用了精確數學的思路，在表達邏輯上存在缺陷。舉例說，對于單軸飽和抗壓強度而言，如果其取值為101MPa，對應的是圍巖的穩定狀態；如果取99MPa，則屬于基本穩定狀態。雖然兩個取值僅差2MPa，卻分屬兩類圍巖狀態，顯然是不合理的。
經過研究，對于前一個問題，可以結合具體工程的地質力學條件，集中有關設計者、施工人員和專家的意見，用層次分析法確定不同因素間和不同指標間的權重關系。對于后者可以利用模糊數學建立指標范圍與穩定性狀態的隸書度函數關系，從而更客觀地表達出指標取值對應的穩定性狀態。在這兩方面工作的基礎上，按系統工程的思路進行綜合評價，即可得出更加符合實際的結論。
2 圍巖穩定性狀態評價因素及指標的權重分析
2.1 建立評價因素集
根據成果表，評價圍巖穩定性狀態的因素共有六個，用集合表示為：
U={u1，u2，u3，u4，u5，u6} （1）
其中，u1-巖石強度；u2-巖體完整性；u3-結構面狀態；u4-地下水；u5-結構面方位；u6-地應力方位。
2.2 構造判斷矩陣
結合工程實際地質力學條件，可征求設計者、施工人員和專家意見，對上述因素進行兩兩之間的相對重要程度比較，根據比較的結果可以構造一個判斷矩陣。兩因素間比較相對的重要性程度意義和對應數值具體由層次分析法規定，見表2。
4 算例
在確定了相應的評價指標權重并建立了指標評判隸屬度函數后，下面結合工程實例說明模糊綜合評價模型的應用。某水電工程開挖隧洞引水發電，經地質勘探獲取軸線方向若干區段的地勘資料。現根據勘探數據，對相應區段圍巖穩定性進行綜合評判。本文取其中三組數據列于表3。
參考文獻
[1]王琦.實用模糊數學[M].北京：科技文獻出版社，1992.
[2]馮保成.模糊數學實用集粹[M].北京：中國建筑工業出版社，1991.
[3]崔政權.系統工程地質導論[M].北京：水利電力出版社，1992.
水工隧洞一般都有過水要求，加上其復雜的地質條件，因此正確的進行圍巖分類后采取相應的支護措施將對保證隧洞穩定性起決定性的作用。圍巖分類是一類非線性的綜合判定問題，用人工神經網絡方法來判別水工隧洞圍巖類別是一種新的嘗試和新的方法。
1．圍巖分類的判定依據
水工隧洞圍巖工程地質分類應以控制圍巖穩定的巖石強度、巖體完整程度、張開度、地下水力狀態和主要結構面產狀等五項因素綜合評分為依據，圍巖強度應力比為限定依據，見表1。
表1圍巖工程地質分類依據
指標名稱評價因素
巖石強度（A1）采用巖塊的單軸抗壓強度（MPa）
巖體完整程度（A2）采用完整性系數Kv
張開度（A3）考慮結構面的連續性、粗糙度和充填物
地下水狀態（A4）考慮地下水的發育程度，用單位洞長單位時間的涌水量
主要結構面產狀（A5）采用結構面走向與洞軸線的夾角
以上五個因素是控制圍巖穩定性的主要因素，圍巖的分類標準見表2。
表2圍巖工程地質分類標準
評價因素圍巖類別
Ⅰ（穩定）Ⅱ（基本穩定）Ⅲ（局部穩定性差）Ⅳ（不穩定）Ⅴ（極不穩定）
A1（MPa）>200100~20050~10025~50<25
A20.9~1.00.75~0.90.5~0.750.25~0.5<0.25
A3（mm）<0.50.5~11~33~5>5
A4(L/min·10m)<2525~5050~100100~125>125
A5(o)90~7575~6060~4545~30<30
2.水工隧洞圍巖分類的人工神經網絡模型
神經網絡系統是由大量的、簡單的處理單元廣泛的互相連接而形成的復雜的網絡系統。人工神經網絡模型最基本的有兩大類：一類是以Hopfield網絡模型為代表的反饋型模型，它具有非線性和動態性；另一類是以多層感知器為基礎的前饋模型。其中BP(BackPropagation)網絡是目前應用最廣泛的多層前饋神經網絡模型。本文采用BP網絡模型。
2．1BP神經網絡模型及其算法
BP神經網絡由輸入層、隱含層和輸出層三層感知器組成，每層由若干個神經元組成。輸入層接受信息，傳入到隱含層，經過作用函數后，再把隱結點的輸出信號傳到輸出層輸出結果。節點的作用函數選用Sigmoid函數，即：
（1）
BP神經網絡采用誤差逆傳播反學習算法。學習過程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過程中，輸入信號由輸入層經隱含層處理后傳向輸出層，每一層神經元的狀態只影響下一層神經元的狀態。如果在輸出層得不到一個期望的輸出，則轉向反傳播，將輸出信號的誤差按原來的連接通路返回，通過修改各層神經元的權值，使得誤差信號最小，得到合適的網絡連接權后，便可對新的樣本進行識別。BP網絡學習過程具體步驟如下：
（1）初始化，設置網絡結構，賦初始權值；
（2）為網絡提供一組學習樣本，包括M個樣本對（），輸入向量，輸出向量，n、m分別為輸入層和輸出層神經元個數，；
（3）對每個學習樣本P進行（4）~（8）；
（4）逐層正向計算網絡各節點的實際輸出：
(2)
其中，為神經元i、j之間的權值；為前層第i個神經元的實際輸出，為式（1）給出的函數；
（5）計算網絡輸出誤差：
第P個樣本的輸出誤差為(3)
其中，，分別為輸出層第j個神經元的期望輸出和實際輸出。
網絡總誤差為；(4)
（6）當E小于允許誤差或達到指定迭代次數時，學習過程結束，否則進行誤差逆向傳播，轉向（7）；
（7）逆向逐層計算網絡各節點誤差：
對于輸出層，(5)
對于隱含層，(6)
其中代表后層第個神經元。
（8）修正網絡連接權：，其中為學習次數，為學習因子，值越大，產生的振蕩越大。通常在權值修正公式中加入一個勢態項，變成：
(7)
其中，a稱為勢態因子，它決定上次學習的權值變化對本次權值更新的影響程度。
2．2圍巖分類的BP模型
在以表2中數據為基礎進行網絡訓練前，須對表中指標作如下處理：Ⅰ、Ⅴ類對應的指標取其界限值或平均值；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類對應的指標取其平均值。作上述處理后，可以得到網絡訓練模型的5個學習樣本，如表3。
表3圍巖類別識別模型的學習樣本
類別樣本類別A1A2A3A4A5
P1Ⅰ2000.950.52582.5
P2Ⅱ1500.8250.7537.567.5
P3Ⅲ750.62527552.5
P4Ⅳ37.50.3754112.537.5
P5Ⅴ250.25512530
以上表中5個類別樣本作為神經網絡的學習樣本，在輸入層和隱含層各設置一個特殊單元作為閾值單元，其值設為1。模型結構如下圖1所示。
圖1圍巖類別分類的BP網絡模型
設圍巖類別為P1、P2、P3、P4、P5這5個類別樣本的預期輸出矢量，各分量定義為
網絡訓練時，當所有樣本在網絡輸出節點的實際輸出與網絡期望輸出之間的最大誤差小于預先給定的常數，即時學習結束。
網絡經過15000次訓練，每個樣本的網絡輸出與期望輸出最大誤差為0.2，絕大部分在0.1之內。應用訓練后的BP模型劃分新的圍巖類別樣本，等判定圍巖類別樣本W經網絡變換后輸出O與各期望輸出比較，設，。
如果，則，，即隧洞圍巖類別樣本屬于級。
3．沙灣隧洞的圍巖分類應用實例
東深供水改造工程沙灣隧洞位于深圳市北東面內15公理處，區域地勢東高西低。工程區域周圍沉積巖、巖漿巖和變質巖三大巖類均有出露。隧洞線路地帶分布的地層，除洞口溝谷部位為第四系松散堆積層外，其余均為侏羅系中統塘夏群碎屑巖，基本為單斜構造，但末端因受深圳斷裂帶影響，巖層產狀較為紊亂，地質條件復雜多變。
隧洞開挖后，測得三種圍巖地段的力學性質和環境條件，取三個樣本為a、b、c。用BP人工神經網絡判定該工程隧洞圍巖類別。
根據水利水電工程地質勘察規范，隧洞圍巖類別分為5級：Ⅰ（穩定）、Ⅱ（基本穩定）、Ⅲ（局部穩定性差）、Ⅳ（不穩定）、Ⅴ（極不穩定）。對照學習樣本各特征變量，用訓練好的BP模型對a、b、c三個樣本進行判定，其結果見表4。
表4沙灣隧洞三組樣本實測指標與圍巖類別判定結果
指標名稱實測指標值
abc
巖石強度（A1）2845100
巖體完整程度（A2）0.220.50.55
張開度（A3）341
地下水狀態（A4）1208025
主要結構面產狀（A5）305060
圍巖類別判定結果ⅤⅣⅢ
4．結論
水工隧洞圍巖類別判定，不僅影響因素多，而且具有很大的模糊性和不確定性。人工神經網絡是一門新興的交叉學科，它具有聯想、記憶功能和判別識別的模糊性等優點，用它來進行圍巖類別分類，不需對輸入輸出指標的關系作任何假設，這種關系是神經網絡從實例中自適應學習而獲得的，大大減少了人為因素的影響，省去了事后的經驗判斷。實踐證明，它在理論和應用上都是可行的和有實際意義的。
參考文獻
(一)教育目標
工程教育應當以培養工程師為己任。教育目標應該體現培養什么樣的工程人才，今后能夠從事的職業或崗位等內容。教育目標是對人才培養使命或教育目的的分類型、分層次的規定。6所研究型大學的人才培養使命大多用“高素質”“拔尖創新”“高級專門”以及“高層次”“創新型”“復合型”等詞匯來修飾;但C大學的學校人才培養使命相對具體。關于專業教育目標，6所大學主要關注知識基礎和畢業后能夠從事的職業和崗位類型，較少關注其他方面的內容。這實質上是將人才培養的重點放在知識和做事的層面。
(二)預期學習結果
教育目標和預期學習結果是課程改革的“指南針”。預期學習結果是對教育目標的細化，使之達到可操作、可實施的程度。預期學習結果反映了學生在畢業時期望的和所能達到的學習水準，它常常與學生掌握的知識、具備的技能和態度有關。6所大學工程教育的預期學習結果在知識、技能和態度這3個維度設置上大體一致。但不同學校設計的預期學習結果內涵也有差異。例如，A大學和E大學在知識要求中將經濟管理知識單列;C大學特別強調工具性知識和社會發展及相關領域知識。我國大學對工程專業中“知識”要求的趨同性，說明自然科學知識的基礎性得到了重視，但技術知識的分化、交叉與快速變化的特性沒有受重視，工程科學知識沒有很好地被重視。究其原因，可能是我國高校對工程的本質和工程實踐的時代特性沒有精準地把握。又如，關于學習結果的技能要求，C大學獨樹一幟，將終身學習能力、工程實踐能力、解決問題能力、創新能力以及交流、協調、合作與競爭能力納入其中。關于態度要求，6所大學的表述非常泛化，還停留在精神、思想、素養、意識層面。可見，我國大學對工程專業中“技能”和“態度”的要求，還需更關注21世紀工程師職業新形象和工程實踐新特征對培養學生能力和素質的影響。
(三)課程結構
課程結構是課程設計的重要內容，它是連接教育目標和最終學習結果的橋梁。課程結構包含課程類別、內容、學分比例、選課性質等要素。由于我國大學課程模塊劃分沒有統一標準，為規范統計口徑，本研究將課程類別分為以下7類:(1)通識通選課程，包括政治、軍事理論課，外語、體育和計算機工具類課程以及學校單獨設置的通識教育課程模塊;(2)自然科學課程，指數學、物理、化學類課程;(3)學科技術基礎課程，指大類學科基礎課、學科平臺課、技術基礎知識課或專業基礎課;(4)專業課程，是指直接針對本專業的專業主干課、專業核心課;(5)專業方向課，是指單獨劃專業分類的課程，包括分組方向選修、分模塊選修、分課程群選修等;(6)集中實踐環節，是指對立于課堂教學的一類課程，不包括具體課程涵蓋的實驗、研討和課外自學，但包括一門課程結束之后的課程設計;(7)單獨設置的跨學科選修課。數據分析表明，6所學校課程學分總數從160～208不等;通識通選課總學分數超過40的學校有5所;自然科學課程學分平均為26;學科技術基礎課學分從21.5～54，集中實踐環節學分從14～45不等，這兩類課程學分配置差異較大，說明課程學分設置被學校認識的重要程度有差異。各類課程占總學分的比例有所不同。如果按某類課程的學分數占本專業總學分的比例超過20%這一標準來衡量，6所學校的通識通選課比例全部超過該標準，學科技術基礎課比例有5所學校超過該標準，集中實踐環節有3所學校超過該標準。自然科學課程和專業課程的學分比例均低于總學分的20%。關于專業方向課和跨學科選修課，分別有3所和2所大學單獨設置了該類型。自然科學類課程所占總學分比例變化不大，全距R=6.2;學科技術課程占總學分比例有波動，全距R=16.8，上異常值為30.2%，下異常值為13.4%;集中實踐環節的下異常值為B大學的8.8%。上述數據表明，不同學校對不同類型課程的重要性程度認識不同。數據統計分析結果還說明了專業課程(學科技術基礎、專業課、專業方向和跨學科課程)中必修與選修的學分配置情況。從選修課程學分占總學分比例來看，比例最高的是B大學，選修學分高達32;比例最小的是C大學，選修學分低至7;這說明這兩所大學對選修課程的功能和學生學習選擇的靈活性，有著不同的理解和做法。其余4所大學選修課程比例大體相同。如果單從選修門數的絕對值來圖2專業課程選修與必修門數看，A大學高居榜首，其值為51;C大學最少，其值為8;選修課提供門數有下異常值，為C大學的8。絕對值只表明量的多少，要說明學生選課的自由度，還要考察可選門數與應選學分的比值。該比值越高，表明單位學分可選門數越多。從表3可以看出，D大學和A大學提供的選修門數與學分之比較高，可以推論，其學生的選課自由度可能較高。B大學和E大學提供的選修門數與學分之比較低，其學生的選課自由度可能較低。
(四)實踐環節
工程專業的課程計劃中，實踐環節的設計對工程教育尤為重要。從6所大學課程計劃的集中實踐環節設置看，集中實踐環節的學分數占總學分的比例有一定的差距，最低8.7%，最高24.4%。集中實踐環節的類別按出現的頻率由高到低依次是:認知實踐、畢業設計論文、軍訓、課程設計、各類實習、綜合項目設計。值得指出的是，“綜合項目設計”本應是工程教育實踐環節的重要內容。但遺憾的是，無論從學分設置(4～5學分)還是采用學校(3所)來看，均沒有凸顯該類實踐環節應有的地位。富有個性化的是，A大學設置了大學生科研項目訓練(2學分)，旨在為學生提供課外科學研究、接觸教授的機會。C大學設置了創新拓展項目(2學分)，旨在鼓勵學生積極參加校內實驗室、教學基地、創新實踐的學習活動。C大學還要求參加“卓越工程師教育培養計劃”的工程專業必須建立學校與企業培養聯合體。這代表著工程教育課程改革在實踐環節方面的創新。
(五)學習經驗與評價
關于學習經驗，我國高校的課程計劃大多沒有專門規定。在課程計劃中反映的學習經驗，主要體現在不同類型課程與教學的要求中，個別大學還規定了課程內部各教學環節的學時要求。例如，A大學的課程計劃規定，每個專業必須有2門雙語教學的課程和2門研究型教學的課程(Seminar);每門課程的學時由5部分組成:授課、實驗、討論、上機和課外學時，各門課程可根據具體情況有側重地設計相應環節。又如，C大學人才培養方案規定，為了實現人才培養的知識、能力與人格標準的要求，采用小班化教學、分小組學習、項目作業以及討論式、案例式和做中學的學習方法。再如，F大學水利水電工程專業開設了“Project課程”，即項目課程，旨在為學生提供項目設計經驗，培養工程設計能力;學生還可參加學校組織的“大學生科研訓練”項目，獲取科學研究的學習經驗。上述教學要求為學生學習工程提供了一定的經驗。學習評價在課程計劃中反映的程度總體不高。從6所學校人才培養方案中捕捉到的關于學習評價方式，大致可歸結為2類。第一類是“簡化”模式，以E大學為典型。在課程計劃中有一項“考核分配”的要求，規定了所列課程是“考試”或“考察”，僅此而已。第二類是“對應”模式，以C大學為典型。C大學除了在課程計劃中表明考核方式外，還對成績評價方法進行了限定，要求評價方法與專業培養目標中的“知識、能力與人格”要求相對應。例如，對“數學或邏輯學的基礎知識”，其評價方法是“數理知識通過課程期中、期末考試并考慮平時成績、實驗報告等綜合評價”;對“與人合作共事的能力”，評價方法為“若干專業課實行小班化、討論式、案例式、做中學、大作業以及通過面試和筆試等方式綜合評價學生成績”。C大學的學習評價模式緊扣學習預期結果，其改革的先進性和政策力度值得借鑒。
二、討論
上述研究結果呈現了案例大學工程教育課程現狀的教育目標、預期學習結果、課程結構、實踐環節、學習經驗與評價等關鍵要素。從靜態的課程設計角度進一步考察課程現狀與工程實踐的契合度，深入探討這些現狀背后隱藏的問題并揭示其潛在成因，是本研究關注的另一重要問題。
(一)課程現狀與工程實踐的契合度
從課程設計的角度分析課程現狀與工程實踐的契合度，可以看出我國高等工程教育課程與工程實踐的關聯度不高，具體表現在以下方面。其一，從教育目標來看，無論是學校人才培養使命還是專業教育目標，大多沒有體現面向實踐的工程教育愿景。案例大學均是具有良好工程教育聲譽的研究型大學，理應肩負培養國家新型工業化戰略所需工程師的使命。但其教育目標的表述，并沒有突出培養工程人才這一重點。其二，從學習結果來看，知識、技能和態度之間是分離關系，沒有體現工程實踐的整合能力觀。雖然知識要求面較廣，但沒有與工程實踐相聯系;技能要求還只是一般本科生所應達到的通用標準，沒有體現“工程師”的能力特質;態度要求更是泛泛而談，不易操作和評價。其三，從課程結構來看，總學分數和學分比例設置不合理。首先，總學分數偏高，這意味著課內學時太多，限制了學生自主學習時間，可能會遏制學生工程創新能力的培養;其次，各類課程學分比例設置不合理，理論課程過多，實踐課程偏少，實踐內涵不夠豐富。這些現狀與工程教育的實踐特性這一本質屬性的要求相差甚遠。其四，從學習經驗和評價來看，教學方法還是以講授為主，學習經驗的設計僅停留在研討課、雙語課等形式層面，遠沒有觸及工程實踐的本質。學習評價仍以“考試”或“考察”為主，從現行課程計劃中幾乎看不出改革與前進的步伐。唯一例外的是C大學提出采取不同的形式、與能力標準相對應進行學習評價，但這只是一個嘗試，實施效果要拭目以待。
(二)課程現狀隱含的問題及成因
我國工程教育課程偏離工程實踐、與工程實踐的契合度不高，這一現象背后隱含的問題頗多。若從靜態的課程設計視角審視問題，我國高等工程教育課程的主要矛盾表現在課程目標和課程結構兩個方面。一方面，課程目標脫離工業需求。本研究所揭示的我國本科工程教育課程目標呈現趨同化特點，各校之間“相互借鑒”表述空泛，針對性和個性化不強。同時，課程目標還呈現智性化特點，過分重視學科知識的掌握，忽視解決工程問題能力的培養，斷失了工業界需求這一“活水源頭”。工程教育課程目標的制定應當緊緊圍繞工程師在企業環境中工作所需的知識、技能和態度。我國工程教育課程目標的內涵沒有很好地吸納工業界對工程師特質的訴求，課程目標的制定過程也沒有充分考慮工業界企業雇主的參與，似乎只在學校內部“閉門造車”，脫離工業企業和工程實踐的需求。另一方面，課程結構分離工程能力。研究表明，我國工程教育課程結構存在明顯的學科壁壘，仍以學科知識為導向劃分課程結構。按照嚴謹的知識體系劃分課程結構的弊端是，在獲得知識體系完備性的同時，犧牲了學科交叉的機會，而跨學科思維是工程師解決問題的重要思維。可見，課程結構的分離表現在兩個層面:一是學科知識和實踐能力的分離，兩者缺乏必要的聯結;二是學科課程之間的分離，各類知識缺乏滲透和有機聯系。上述工程教育課程問題應當引起人們的反思。我國從20世紀80年代開始，一直在探索工程教育課程改革的新路，為何改革從未間斷但問題仍很嚴重?究其根源，筆者認為這與我國高校工程教育課程改革缺乏工程觀、人才觀和課程觀的指導有關。工程教育若不皈依工程本質、面向當代工程實踐，如何談及培養未來的工程師?過度科學化的課程割裂了工程實踐的整體特性，而建立在“大工程觀”基礎上的“整體工程觀”是指導工程教育課程改革的哲學思想。
三、結論與建議
