勤奋务实锐意创新<br/>——从一个大学肄业生成长为水电界科技成果最多的院士之经历与体会

勤奋务实锐意创新
——从一个大学肄业生成长为水电界科技成果最多的院士之经历与体会

2016-11-29朱伯芳

中国水利 2016年17期

勤奋务实锐意创新
——从一个大学肄业生成长为水电界科技成果最多的院士之经历与体会

编者按：新中国成立以来，我国水利水电建设取得了举世瞩目的巨大成就。在建成一大批规模宏伟、影响深远的水利水电工程的同时，也涌现出一批高水平坝工专家，朱伯芳院士正是其中一位极其出色的水利工程科学家。从提出大坝混凝土标号分区，并在世界范围广泛使用，到提出双向变厚度支墩坝应力的理论解，大大提高工作效率，再到建立大体积混凝土温度应力理论体系、拱坝优化理论方法与软件、混凝土坝仿真分析方法以及数字监控理念等四个新学科，结束“无坝不裂”的历史等，这位创造了诸多世界“第一”的中国水利科学家，对其65年连续工作的回忆梳理，某种意义上就是一部浓缩的我国水利水电工程科技发展史。本期《见证》栏目走近这位对我国水利事业作出杰出贡献的水利科学家朱伯芳院士，听他讲述经历与体会，感知分享时代脉搏。

朱伯芳，中国工程院院士，中国水利水电科学研究院教授级高级工程师，第8届、第9届全国政协委员。

笔者1948年9月以总分第一名成绩考入国立交通大学（现为上海交通大学）土木工程系，该系下设铁道、公路、结构、市政工程等四个专业，1950年三年级分组时选择了市政工程组，准备毕业后从事都市建设工作。1951年9月以上海交通大学四年级学生身份到淮河实习，分配到佛子岭水库技术室设计组，原计划实习一年后回学校再念一年书才正式毕业，但次年大学本科改为三年，淮委通知我们已提前毕业，并留在淮委继续原来的工作。因此，1952年9月正式参加工作，放弃了原来搞都市建设的梦想，改行搞了一辈子的水利水电工程。迄今已连续工作65年，本文做一回顾。

参与设计了我国第一批三座混凝土高坝，从零开始，为我国掌握现代混凝土高坝设计技术作出贡献，在世界上首创大坝混凝土标号区分技术

佛子岭是我国自行设计建设的第一座混凝土坝（主坝为连拱坝，西端接平板坝和重力坝），梅山是当时全世界最高的连拱坝，响洪甸是我国第一座混凝土拱坝。曹楚生、裘允执、薛兆炜、周允明与笔者是坝工设计主力，万事开头难，白手起家一无经验，二无资料，但我们边干边学，许多设计方法和计算公式都是我们自己研究出来的，短短数年，完成了这三座高坝的设计，至今已60多年了，佛子岭、梅山、响洪甸这三座高坝仍正常运行，说明当时的设计是成功的。

这其中有几点体会：一是勇于创新。当年全世界的混凝土坝都是全坝采用一种混凝土标号，笔者首次提出大坝混凝土标号分区，节省了大量水泥，迅速在全世界广泛应用；首次提出双向变厚度支墩坝应力的理论解，过去用差分法计算，两人平行计算，20多天才能算出结果，现在用理论解，几分钟就能算出结果。二是工作缜密。梅山坝前有一大冲沟，坝基岩石暴露于冲沟中，当时笔者建议用混凝土包住暴露岩石，防止漏水，但因施工进度紧张未被采纳，蓄水后高压水侵入岩体，引起大变位，被迫放空水库修理。如当初采用笔者设计方案，就可避免事故。三是视野广阔。笔者早年参加工作不久，只是一名技术员，但工作勤奋，关心的不仅是自己的工作，而是放眼世界，谋划水工结构学科的发展。比如1955年，建议水利部组团赴西欧考察坝工技术，被采纳，10年后，美国也组团赴西欧考察坝工技术；建

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获奖情况介绍

早期获奖：

1953年，在安徽佛子岭水库指挥部被评为“治淮功臣”。

1954年，在佛子岭水库被评为“安徽省治淮优秀青年团员”。

1956年，在治淮委员会被评为“安徽省先进生产者”。

五项大奖：

1982年，“水工混凝土温度应力研究”获国家自然科学三等奖。

1984年，被人事部授予首批“国家级有突出贡献中青年科技专家”称号。

1988年，“拱坝优化方法、程序与应用”获国家科技进步二等奖。

2001年，“混凝土坝仿真与数字监控”获国家科技进步二等奖。

2007年，获国际大坝会议终身成就奖与荣誉会员称号。

此外，先后获水利部和电力部科技进步奖8项。

重要经历、成果及著作介绍

1.参与了我国水利水电建设的全过程，参加了我国第一批三座混凝土高坝设计，为我国掌握现代高坝设计技术作出了贡献，并在世界上首创大坝混凝土标号分区技术，可节省大量水泥。

2.参加了新安江、刘家峡、三峡、小湾等一系列混凝土高坝的科学研究、设计审查和工程咨询。

3.在世界上首次建立四个新的学科：

（1）首次建立了混凝土温度应力理论体系，解决了大坝裂缝问题；

（2）首次建立了拱坝优化理论，可节省10%～30%坝体混凝土，已应用于100多个实际工程，节省投资20余亿元；

（3）首次建立了混凝土坝仿真分析方法，使混凝土应力分析水平显著提高；

（4）首次建立了混凝土坝数值监控理论和方法，使大坝安全监控由过去的定性监控上升为现在的定量监控，大坝安全监控水平大幅度提高。

4.著书10本，发表论文246篇，是我国水利水电界科技成果最多的一位学者。其中专著《有限单元法原理与应用》和《大体积混凝土温度应力与温度控制》分别被评为我国水利行业和建筑行业被引用最多十书之一；2014年《Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete》由Elsevier集团在美国纽约出版。议我国进行第一个拱坝结构模型试验，被采纳；在全世界首次进行混凝土坝温度应力研究，获成功，解决了长期困扰人们的大坝裂缝问题。1974年，在全世界首创混凝土坝仿真计算，获成功。1976年，在全世界首次开展拱坝优化研究，获成功，节省投资20余亿元。1990年，在全世界首创混凝土坝数字监控，获成功。

参与我国一系列大型水电站的科学研究、设计审查与工程咨询，提出了许多重要建议，并被采纳

由于汪胡桢院士的推荐，笔者于1957年年底调到中国水利水电科学研究院工作，该院人才济济，笔者所在的结构研究所就拥有11位海外留学回来的专家，其中2位留美的，1位留日的，8位留苏的。笔者只读了三年大学，学历很低，但因为参与过三个高坝设计，在当时就算经验比较多的，而且通过刻苦自学，笔者的理论涵养也较好，因此，水电总局（现为水电水利规划设计总院）、各设计院和工程局对笔者比较重视，经常邀请笔者参与重要工程问题的研究，委托给笔者的科研任务也较多，因而十分忙碌，每天工作11～12小时。

笔者经常深入水利水电工程施工现场，研究解决工程问题，比如古田、新安江、刘家峡、丹江口、桓仁、三门峡、小湾、拉西瓦、溪洛渡、三峡等不少工地去过多次，认真研究，积极提出建议，解决工程中存在的问题，但有时难免得罪一些权威人士。例如，当年一位老院士提出报告，建议东北葠窝水库修建腹拱坝，水电总局召开专门会议进行研究，老院士介绍，根据光弹性试验结果，在坝踵和拱顶虽有拉应力，但数值不太大，勉强可以过关。笔者看过研究报告后，发现只考虑了自重和水压力两种荷载，没有考虑温度应力，但葠窝水库地处东北，气候寒冷，单独由温度引起的拉应力就超过40 kg/cm2，远远超过了混凝土的抗拉强度，而且受拉范围很大，葠窝水库不宜修建腹拱坝。当时有些犹豫，如果不提意见，葠窝兴建腹拱坝，产生大量裂缝，国家将遭受损失；如果提出意见，否定老院士的方案，难免得罪于他。反复斟酌之后，决定以国家利益为重，提出自己的意见，最后水电总局采纳了笔者的建议。

十分重视科学技术创新，在解决大量实际工程问题的同时，在世界上首次建立四个新的学科

1.建立大体积混凝土温度应力理论体系，在世界上首次解决了大坝裂缝问题

混凝土坝裂缝是一个长期困扰人们的老问题。20世纪50年代，美国垦务局出版《混凝土坝冷却》一书，介绍了一些简单的一维温度场计算方法；前苏联全苏水电科学院提出了一维温度应力计算方法。但混凝土温度应力实际上是二维和三维的问题，当时基本是空白状态，笔者与王同生、宋敬廷等合作，建立了混凝土坝温度应力的完整理论体系。

一是建立了混凝土坝温度徐变应力分析的精细计算方法和软件，可以考虑气候条件、施工进度、温控措施等因素，计算混凝土坝的温度应力，如发现拉应力过大，可采取措施，从而避免裂缝；二是建立了各种水工混凝土结构温度应力计算方法；三是纠正了过去只重视早期保温的错误，提出“全面温控，长期保温”的重要准则；四是提出了各种不同条件下的正确温控措施。目前我国已建成数座无裂缝的混凝土坝，结束了全世界“无坝不裂”的历史。笔者撰写的《大体积混凝土温度应力与温度控制》一书，被评为我国建筑行业被引用最多的十书之一。

2.建立了拱坝优化理论、方法与软件，节省坝体混凝土10%～30%，节省资金20余亿元

笔者与贾金生、饶斌、厉易生等合作，在世界上首次建立了拱坝优化理论、方法与软件，可节省坝体混凝土10%～30%，工作效率提高10倍以上，已成功应用于100多座拱坝，节省资金20余亿元。

3.提出混凝土坝仿真分析方法，大幅度提高了坝体应力分析水平

混凝土坝采用分层施工，施工时间历经数年，应力状态十分复杂，过去无法计算。笔者提出了一系列计算方法，包括分区异步长算法、水管冷却等效热传导方程，混凝土徐变应力隐式解法等，使三维有限元混凝土坝仿真计算变得切实可行，计算结果符合实际，大幅度提高了混凝土坝应力分析水平。

4.提出混凝土坝数字监控新理念，建立大坝安全监控新平台

仪器观测只能给出测点的应力，不能给出全坝的应力和安全系数。笔者在世界上首次提出混凝土坝数字监控新理念，建立了大坝安全监控新平台，大幅度提高了大坝安全监控的水平，使大坝安全监控面貌一新，从过去的定性监控发展为现在的定量监控。

首创一系列世界先进的水工结构新方法新技术

除了建立上述四个新学科和发展徐变理论之外，笔者还在世界上首创大坝混凝土标号分区技术、有限元等效应力、拱坝温度荷载、地下结构山岩压力等一系列新技术和新方法，纳入我国重力、拱坝、水工结构等设计规范的有14项之多。

①首次提出大坝混凝土标号分区，节省大量水泥。

②提出有限元等效应力及控制标准，使有限元可用于拱坝设计。

③提出渗流场分析夹层代孔列法，可在大坝稳定分析中考虑排水孔影响。

④提出混凝土坝反分析与反馈设计的概念与方法。

⑤提出混凝土坝水管冷却新方法——小温差、早冷却、缓慢冷却，可大幅度减小温度应力。

⑥提出混凝土徐变应力隐式解法。

⑦提出地下结构山岩压力计算方法。

⑧提出混凝土的半熟龄期，适当改变半熟龄期，可大幅度减小温度应力。

⑨提出混凝土徐变的两个定理，阐明了徐变对结构应力与应变的影响。

⑩提出库水温度计算方法。

⑪提出拱坝温度荷载计算方法。

⑫提出重力坝加高的新方法，避免新老坝块接缝被拉开。

⑬提出船坞和水闸温度应力计算方法。

献身水电60年：勇于进取，兢兢业业，不断创新，成果丰硕

笔者只读了三年大学就参加工作，学历偏低，平时忙于工作，未曾进修，之所以能完成大量科技工作，并当选院士，建立四个新学科，成为我国水利水电系统中影响较大、科技成果最多的学者，得益于有幸参与我国水利水电建设的伟大历程，在实际工程中得到锻炼，关键是“勤奋、务实、创新”六个字，以及“工程经验，理论涵养，创新精神”三者兼备。

一是勤奋。坚持三勤：勤于工作，勤于学习，勤于思考。70岁以前，每天工作11～12小时；目前88岁，每天工作6～7小时，最近5年，发表论文达50篇，根据中国科学院信息中心发布的统计资料，仍是全国水利水电系统中每年出成果最多的一人。二是务实。科技工作做到三条：来自生产，科研课题来自生产实践，不是来自文献；用于生产，科研成果用于生产实践；高于生产，科研成果水平高于当时国内外实际生产水平。不满足于发表论文，要求科研成果形成新的生产力。三是创新。在世界上首创四个新学科：混凝土坝温度应力，解决了大坝裂缝问题；拱坝优化，可节省坝体混凝土10%～30%，工效提高10倍以上；混凝土坝仿真分析，计算结果符合实际；混凝土坝数字监控，形成大坝安全监控新平台，大幅度提高了混凝土坝安全监控的水平。此外，还首创了一系列新方法新技术，提出的计算方法和公式获得广泛应用。

三者兼备：一是丰富的工程经验，70岁以前每年有一半时间在外出差，研究工程问题，因而熟悉水电工程；二是精湛的理论涵养，通过刻苦自学，建立了坚实的理论基础，1961年找来北大数学力学系课程表，发现除了微分几何外，笔者全学过，而且学得比他们更多。三是强烈的创新精神，毕生追求技术上和学术上的创新。不断地探索，不断地创新，不断地开辟新领域，不断地获得新成果。

1969年水科院被撤销，笔者下放三门峡市郊大安村，住在荒废多年的土坯工棚中，第一年在浇筑队劳动锻炼，第二、三年研究三门峡改建问题，后来无事可干，大好年华付之东流，决心自己找事干，把国外刚兴起的有限元方法引入国内，与宋敬廷合作编写了五个有限元程序，获广泛应用，又专著《有限单元法原理与应用》一书，出版后广受欢迎，被许多高校用作教材，被评为我国水电专业被引用最多的十书之一。

回顾过往，下放三门峡10年，70岁后十几年，这两个阶段，如思想稍微松懈，可能一事无成，但笔者仍辛勤工作，成果丰厚。