实验简介

（1）必要性及实用性

全国共有30余个港航专业办学点，是我国水利工程，特别是水运工程行业高层次应用型人才的培养基地。实验教学是港航工程专业人才培养过程中非常重要的组成部分，是培养学生的动手能力以及创新精神的重要教学环节。

重力式码头是我国港口工程中广泛采用的结构型式。特别是近年来，码头向大型化发展迅速，重力式结构因其造价适中，耐久性好，承载能力较高的优点，成为超大型散货码头首选的类型。而大型沉箱结构是重力式码头最常用的码头结构形式，也是专业核心课程《港口水工建筑物》、《水运工程施工》的主要教学内容之一，也是教学难点。教学中对于高桩码头施工技术的内容往往只局限于课本，而施工现场实习由于时间有限也很难了解施工的整个过程。

模型实验无法完整呈现物理性能和力学特性，且易受实验硬件、内容以及时空的限制；无法满足学生工程应用能力和创新精神的培养。构建虚实结合,实为基础,虚为补充的多层次,多平台的实验教学体系,建设多学科交叉融合,受益面广,内容丰富的虚拟仿真教学资源,可为高素质应用型人才培养提供了重要支撑。

（2）教学设计的合理性

基于虚拟现实技术的新型教学模式突破了传统实验教学的时空和内容限制，既节约了实验（实践）时间，提高学习效率，又扩展了实验教学范畴，降低了材料、设备的耗损。教学效果方面，虚拟仿真教学项目的应用，不仅有利于提升学生的学习兴趣，同时也有利于学生对知识的正确理解、快速掌握和长期记忆。

应用先进的虚拟现实技术对港口航道与海岸工程专业传统教学过程进行改造，突破原有“理论教学+实验教学”授课方式的局限性，打造适应新时代港航人才培养特点、虚实结合、全天候、线上线下一体化的学习环境。

（3）实验系统的先进性

基于虚拟现实技术的新型教学模式突破了传统实验教学的时空和内容限制，既节约了实验（实践）时间，提高学习效率，又扩展了实验教学范畴，降低了材料、设备的耗损。教学效果方面，虚拟仿真教学项目的应用，不仅有利于提升学生的学习兴趣，同时也有利于学生对知识的正确理解、快速掌握和长期记忆。

应用先进的虚拟现实技术对港口航道与海岸工程专业传统教学过程进行改造，突破原有“理论教学+实验教学”授课方式的局限性，打造适应新时代港航人才培养特点、虚实结合、全天候、线上线下一体化的学习环境。

实验教学目标

（1）知识目标

①学生通过虚拟仿真技术真实还原重力式码头，特别是沉箱各组成部分及其细部构造，掌握重力式码头及沉箱的结构特点、结构体系及组成构造；

②通过人机交互式操作，学生能理解不同工况、条件对沉箱稳定性影响的要素；

③通过虚拟仿真技术真实还原高桩梁板式码头施工现场，使学生在虚拟现场中进行漫游、观察，掌握重力式沉箱码头施工的现场整体布置、施工材料及施工机械；

④通过人机交互式操作，实现对重力式沉箱码头施工过程的三维虚拟仿真，使学生掌握重力式沉箱码头的施工工艺、施工方法及施工控制等内容。

（2）能力目标

①学生通过人机交互式操作，能实现对沉箱设计的稳定性验算，得出正确结论，具备选用数学模型进行分析判断的能力；

②学生通过人机交互式操作，对沉箱出运方案进行比选，获得复杂条件下解决工程问题的训练，具备对工程方案进行分析的能力；

③在仿真实验中，结合环境、社会可持续发展方面的知识，理解它们对重力式沉箱码头工程的约束，能够基于科学原理并采用科学方法设计或优化施工工艺流程；

④将工程管理学与经济学知识，应用于对重力式沉箱码头工程相关实践活动中，具备港口航道与海岸工程项目实施及工程管理能力。

实验课时

（1）实验所属课程课时：48学时

（2）该实验所占课时：4学时

实验原理

（1）实验原理

重力式码头是靠结构本身及其上填料的重量来抵抗建筑物的滑动和倾覆的，与此同时，结构自重及以上的填料重量和各种荷载又对地基产生压力，要求地基具有一定的强度。墙身结构的形式主要有方块结构、沉箱结构、扶壁结构、空心方块等。沉箱是一种具有巨型舱格的薄壁钢筋混凝土空箱体（单个沉箱重达几百吨，有的几千吨），一般采用矩形，也有采用圆形和其他形状。沉箱一般需在专门预制厂预制，在滑道上用台车溜放下水或气囊拖送下水，有的用浮船坞下水，也有的工程在已有的岸壁上预制，用浮吊下水。沉箱通常通过浮运至码头位置安放，然后向箱体内填充砂、卵石或块石。沉箱码头整体性好，地基应力小，水上安装工作量少，施工速度快；在海港建设中得到广泛应用。结合上述要点，实验原理如下：

①重力式沉箱码头的结构组成：重力式码头仿真拆解（由基床、沉箱结构、箱内回填砂石料、盖板、胸墙、抛石棱体、倒滤层、回填土、码头地面、护舷、系船柱等部分组成）。沉箱结构包括底板、前墙、后墙、侧墙、隔墙以及各衔接处的加强角。

②重力式沉箱码头的抗滑稳定性：通过选择合理的工况（设计高水位、设计低水位等），选取合适的荷载（自重力、土压力、码头面堆载、后方堆载、船舶撞击力、船舶挤靠力、船舶系缆力、剩余水压力），确定沉箱码头抗滑稳定性。

③重力式沉箱码头的抗倾稳定性：通过选择合理的工况（设计高水位、设计低水位等），选取合适的荷载（自重力、土压力、码头面堆载、后方堆载、船舶撞击力、船舶挤靠力、船舶系缆力、剩余水压力），确定沉箱码头抗倾稳定性。

④基床承载力验算：对工程案例，选用合理的基底应力计算图式，计算重力式码头基床顶面最大与最小应力标准值，判断是否符合规范要求。

⑤整体稳定性验算：根据规范公式，计算整体稳定性抗力系数，确定最危险滑弧面，判断是否满足设计要求。

⑥重力式沉箱的浮游稳定性：通过计算重心、定倾中心、浮心位置，判断箱浮游稳定性是否满足设计要求。

⑦沉箱出运作业方案比选：根据沉箱主尺度、预制厂条件等因素，合理选择出坞方案；根据预制场与工程位置的距离、海况、施工期、经济性等因素，合理选用沉箱运送方案。

⑧重力式码头沉箱安装：沉箱运到码头施工场地后，选择施工机械及场景，模拟沉箱沉放施工的场景及施工。

⑨重力式沉箱码头施工：根据规范要求，安排正确的施工步骤（胸墙施工、墙后回填、码头面层施工、附属设施安装）。

（2）知识点：

1. 重力式码头整体结构及其优缺点；

2. 沉箱结构；

3. 重力式沉箱码头的抗滑稳定性；

4. 重力式沉箱码头的抗倾稳定性；

5. 重力式沉箱码头的整体稳定性；

6. 重力式沉箱码头的基床承载力；

7. 沉箱出运作业方案；

8. 沉箱安装施工原理；

9. 重力式码头上部结构施工原理；

10. 重力式码头附属设施施工原理。

（3）核心要素仿真设计

①沉箱结构稳定性验算仿真操作：包括不同设计水位时的滑移稳定性验算、倾覆稳定性验算、地基承载力验算、整体稳定性计算、浮游稳定性验算。通过给定尺度的沉箱以及荷载、土体力学参数等，计算自重力、土压力、波浪力，得出沉箱稳定性验算结果，使学生掌握沉箱稳定性验算的内容和方法。

②沉箱出运作业方案比选仿真模拟操作：该模块是本实验项目的核心，沉箱出运包括将沉箱从预制场地搬运至码头施工现场的一个运输过程，属于重大件海上运输组织，同时，沉箱出运及安装会受沉箱尺度、风、浪、潮等气候水文条件以及运距等因素的影响，须使用多种设备配合，对施工人员的专业要求较高。通过虚拟仿真技术，使学生通过交互式操作真实体验沉箱尺度对于其出坞方式、沉箱海上运输作业形式的经济合理性，分析评判各出运作业方案的优劣。

③沉箱安放及重力式沉箱码头施工过程仿真：沉箱码头施工现场包括沉箱制作场地和沉箱安装场地；涉及的施工机械有龙门吊、千斤顶、船台小车、半潜驳、拖船、浮吊、定位方驳、混凝土搅拌船、各类运输船舶等。通过虚拟仿真技术真实还原重力式沉箱码头施工现场及施工机械，掌握沉箱制作方法、施工现场的布置原则及施工机械的功能。

实验教学过程与实验方法

（1）实验教学过程

实验教学运用“讲解提示+交互操作+在线测试+总结反馈”四位一体的教学方法；学生操作为主，教师指导为辅，线上与线下结合，理论与实操并行，知识与能力培养并重。实验教学期间，三位老师开展在线教学服务，两位老师提供技术支持，条件保障到位。主要教学过程如下：

①实验条件准备。实验前两周，负责人和条件保障人员进行实验条件准备，包括：系统调试、收集本期实验学生信息并导入系统、分配账号密码；学生登录试测。

②课前预习与线下指导。实验前一周，线下辅导老师将《实验指导书》发给学生，学生进行实验前的预习和准备工作。主讲老师通过线下方式集中讲解实验要求、平台特点、操作要领并进行演示，告知成绩评定要求。

③学生实操。学生在指定的实验时间，进行线上实操。期间主讲老师在线指导，辅导老师跟踪辅导。

④学生总结与实验成果整理。学生对实验过程中遇到的问题进行分析、对知识与能力进行自我总结、对实验进行评价，形成个人总结报告，在系统中提交。学生实验成果在线上提交，并生成成绩报告单。

⑤老师总结与反馈。主讲老师从系统中导出学生总结和评价意见、成绩报告单，据此分析实验教学目标达成情况，找出问题，向教学系报备，并在教学中持续改进。

（2）实验方法

（1）选择“沉箱码头结构仿真学习”模块，点选“拆解学习”、“组合”等菜单，来展示、学习沉箱码头结构和组成；

（2）完成沉箱码头结构知识点的在线测试；

（3）选择“沉箱稳定性验算仿真”模块，点选“抗滑稳定性验算仿真”、“抗倾稳定验算仿真”、“基床承载力验算仿真”、“整体稳定性验算仿真”、“浮游稳定性验算仿真”等菜单，学习沉箱稳定性验算的知识和方法。

（4）点选“抗滑稳定性验算仿真”或“抗倾稳定验算仿真”菜单，展示沉箱码头断面图，分别在设计高水位、设计低水位下，选择最不利工况下的荷载组合的，可选荷载包括自重力、土压力、码头面堆载、后方堆载、船舶撞击力、船舶挤靠力、船舶系缆力、剩余水压力，选中荷载后，在断面图中显示荷载图式。提交完成后，将给出选择正确或错误原因提示。

（5）点选“基床承载力验算仿真”菜单，展示沉箱码头断面图和荷载形式，根据条件选择基床承载力验算公式，提交完成后，将给出选择正确或错误原因提示。

（6）点选“整体稳定性验算仿真”菜单，展示沉箱码头结构断面图，自基床顶面以下，划分若干土层，每隔1米及土层分割线处给出一个抗力系数，根据抗力系数，选择整体稳定性最危险的滑弧面，测试码头整体稳定性验算的方法。

（7）根据给定的抗力系数，确定验算值，来判断码头整体稳定性是否满足要求。

（8）点选“浮游稳定性验算仿真”菜单，展示沉箱断面图，通过选择重心、浮心和定倾中心在沉箱上的位置，来确定沉箱浮游稳定性。

（9）点选“沉箱出坞方案比选”菜单，系统对沉箱出坞的“气囊出运”和“台车出运”进行展示学习。

（10）沉箱出坞的“气囊出运”和“台车出运”方式学习完成后，系统将随机给出沉箱预制厂现场条件及码头前沿水深等影响的不同情形环境，请学生选择沉箱下水的方案，针对不同的选择，系统将给沉箱出坞方案的优劣进行评分；

（11）点选“沉箱出运方案比选”菜单，系统对沉箱出运的“半潜驳干运法”和“浮运夸拖法”、“浮运曳拖法”、“浮运混合拖带法”进行展示学习。

（12）沉箱出运的“半潜驳干运法”和“浮运夸拖法”、“浮运曳拖法”、“浮运混合拖带法”学习完成后，系统将随机给出沉箱出运的运距及海况等不同的情形环境参数，请学生选择合适的“沉箱出运”的方案，针对不同的选择，系统将给沉箱出运方案的优劣进行评分；

（13）点选“沉箱安放施工”菜单，以半潜驳干运法将沉箱运到码头施工场地，请实验者选择选择沉箱安放施工所需要的施工机械，选择正确后，将模拟沉箱沉放施工的场景及施工过程，系统将判断、评价并自动记录实验者对沉箱安放施工的掌握程度；

（14）完成沉箱出运与安放施工知识点的在线测试。

（15）选择“码头施工仿真”菜单，在沉箱安放施工结束后的场景中，系统将随机给出重力式码头施工打乱的施工流程小图标，选择正确施工顺序后，将模拟重力式沉箱码头施工场景和施工过程，系统将判断、评价并自动记录实验者对重力式沉箱码头施工工艺的掌握程度；

（16）完成码头施工知识点的在线测试。

（17）实验完成提交后，系统将提示填写实验心得，并要求对本实验进行评价。

步骤要求

实验结果结论

面向学生要求

实验应用共享