陈重华   2016年8月

张有天先生是我国著名水利工程专家。2006年9月30日先生永远离开我们，至今已将近十周年了。

先生长我11岁，1956年师从张光斗先生。1978年我考取清华研究生，导师也是张光斗先生，从这方面论，先生是我的大师兄。读研究生前，我一直是在水电站搞施工，1981年毕业后我有幸跟随他工作。在入行搞科研的过程中，先生给了我极大帮助，是我成为科研工作者的第一领路人。

后来我被派出国留学，直至1990年归国后才重新回到先生指导的研究室。我虽然还承担了研究所分派的其它工作，但一直都和先生的研究领域密切相关，只不过我的工作更侧重计算机技术在水工结构分析中的应用。

无论是在国内还是国外，每当工作涉及到他的研究领域时，我总会想到先生是怎么说的、怎么想的、怎么做的，深感受益匪浅。近日又重温了先生的部分遗著，每每想到先生的立身治学之路，感触良多。回想数十年来追随先生学习和工作，怀念之情油然而生。

先生是一个有远大抱负的人。新中国成立之初，在苏联的建设，特别是大型水电站建设的宏伟前景鼓舞下，先生选择了“水电站及河川结构”这一热门专业，下定决心投入到造福人类的水利事业中，结下为祖国的水利事业奉献自己的一生的水利情。一个人发宏愿易、坚持难、能为之付出一生，更是难上加难，先生为此付出了毕生的精力。

先生大学期间是全校知名的才子、优等生。1956年顺利考取中国科学院副博士研究生，前景一片光明。谁知世事无常，年仅24岁的他却在57年因言获罪被错划为右派，开始了长达20余年坎坷艰辛的人生磨难。在20年的逆境中，先生的水利梦并未远走，先生的水利情依旧灼热。尽管受到许多不公正的，甚至是侮辱人格的待遇，先生还是置个人荣辱生死于不顾，投入到了吉林省水利工地诸多高风险的工作中，发挥了自己的聪明才智，培养了自己的工程经验和判断能力。这期间的执着和努力奠定了先生成为一个卓越的科研工作者的基础。同时也获得了是非分明、心底光明的领导的支持和关怀以及善良的同事和工人师傅的照顾和保护。当然其中更有妻子的不舍不弃。他真诚感谢支持和关怀他的领导、感谢帮助过他的同志们，对逆境中的坎坷一笑而过。先生之德令人敬仰。

回忆这段既坎坷又充实的人生经历，记得先生说：“充分利用社会所可能给我的客观条件，安排自己的生活和工作，发挥主观能动性。不抱脱离实际的幻想，因而就能战胜悲观情绪，在工作中为社会贡献力量，并从中得到满足和快乐。”人生不如意事常八九，先生的事迹真切的告诉了我们什么是自强不息，什么是满足和快乐。

1978年底,先生回到了阔别20年的水科院。蹉跎岁月消磨了人的宝贵时间和青春的精力。面对重新开展科研工作起步较迟和科研本身难度大的困难.他抱着背水一战的决心，坚决推辞掉院领导有关行政职位的安排，专心致力于科学研究工作。                                                          

那时国内工程界正开展边界元方法及岩体渗流学（先生认为更准确地应称为岩石水力学）两个新的领域研究。先生选择岩石力学和数值方法作为主攻方向，深入开展了对岩石力学、岩石水力学和有限元、边界元等数值方法的研究及其在水工结构学科的应用。

理论和应用基础研究项目是以岩石力学和岩石水力学及水工结构等学科为主，并依托地下结构渗流荷载和外水压力、水电站大型地下洞室开挖围岩稳定和支护、裂隙岩体中水的运动与水工建筑物相互作用及岩石高边坡等前沿课题；有限元和边界元等数值计算方法研究及应用等项目的研究。内容包括岩体初始渗流场和初始地应力场、水工结构渗控措施、岩体工程缺陷及加固措施的数值模拟；以及大坝和基岩及地下结构和围岩，从施工至运行期的渗流、应力及稳定的全过程，其内容还包括有限元仿真分析方法以及专用程序的研制。

先生以敏锐的洞察力发现用边界元求解有排水孔的渗流场问题比用有限元求解要简洁精确。在边界元的理论研究中，先生解决了间接法（又称虚荷载法）的刚体转动项修正问题，完善了虚荷载法理论；使用位错单元解决了重力坝的深层抗滑稳定等问题；他还研究了算法中如角点处理和锚杆模拟等问题。这项研究超越了国内外同行，对边界元的理论及工程应用做出了重要的开拓。以此为基础，研究组完成二维和三维边界元计算程序的编制，成果在工程中获得应用。

诚如我的同事陈平教授所说，在地下结构的外水荷载的研究上，先生是独树一帜的。由于地下结构围岩内的初始渗流场及其在施工运行期的变化很难确定，混凝土地下结构配筋计算按规范的方法得出的水荷载取值多偏于保守，导致钢筋用量过大，造成浪费和施工困难；而对输水钢管衬砌，如果外水荷载取值偏小，将导致钢管失稳，造成不可估量的损失。1980年，先生和张武功在《水利学报》上发表了《隧洞水荷载的静力计算》一文，率先启动了这项研究，提出“隧道水荷载静力计算的三条基本原则”，引起了业内的重视和讨论。

在研究中，先生不但率先提出了确定工程区初始渗流场和从施工到运行期水荷载变化历史的重要性，同时也开展了确定初始地应力场及其相应变化过程的研究，以深入了解衬砌与围岩的联合工作状态。

为解决这些问题，先生数十年坚持岩石力学和岩石水力学及水工结构基础理论和计算方法的研究。对于常规设计，先生提出用多项修正系数法以确定地下水作用于衬砌的外水压力；并主持研究出施工至运行期渗流、应力及稳定全过程有限元增量仿真分析方法及开发出系列程序。该程序使遵循上述三条基本原则，更科学地分析外水荷载和进行复杂结构分析成为可能。

随着研究的深入，先生关于地下结构外水荷载的理论和方法应用到了多个工程中。主要有：南水北调东线3孔倒虹吸、穿黄隧洞和引滦入津输水隧洞、东江水电站有压隧洞、天生桥二级电站引水隧洞等的计算咨询工作。万家寨引黄入晋南干线7#隧洞初始渗流场和衬砌外水压力研究；401工程引水隧洞围岩稳定及衬砌强度分析；压力钢管外压失稳主要原因和钢管贴壁式排水措施研究；十三陵抽水蓄能电站地下厂房区初始渗流场和地应力场及地下厂房开挖围岩稳定计算分析工作和后续板桥峪、琅琊山、呼和浩特等抽水蓄能电站的工作。此外，针对浙江天荒坪和广州高水头抽水蓄能电站采用钢筋混凝土衬砌的设计，先生从理论高度上对高压钢筋混凝土岔管的设计原则和方法进行了总结并提出了设计咨询意见。这些工作均取得了成功并发挥了良好的经济和社会效益。

先生总结吸收前人的成果和大量工程实践的经验，把地下结构的外水荷载研究提升到理论高度，其成果系统性强、全面、深入并超越了前人。先生有关隧洞外水荷载的成果虽尚未纳入常规设计的修改，但其理论和方法为今后更科学地制定规范内容具有很高的参考和借鉴价值。

在对混凝土大坝和地下洞室群结构进行整体数值模拟时，所确定的初始场是否贴近实际情况对计算成果可信度的影响是不可忽视的，如何估算水工建筑物基岩或围岩的初始渗流场和地应力场至今依然是个技术难题。在有限元等数值分析方法发展的初期，先生是首批开始重视研究初始渗流场和地应力场的人之一。当时由于没有反分析程序可用，对初始渗流场，先生提出了“正算试凑法”；对初始地应力场，则提出“地应力场的趋势分析”法。试算的成功基于先生对工程地质、水文地质、岩石力学和岩石水力学的深厚功底和不辞辛劳亲自去现场踏勘以及对所获资料的深入研究。初始渗流场和地应力场估算的成功为研究组进行各类大型复杂计算奠定了良好的基础。后来，我和同事们研制了初始渗流场和地应力场的反分析程序并翻阅了相关的文献。我体会到，真正提高反分析程序的自动化程度需要成熟的知识库的支持。而无论使用什么反分析方法，在选取计算域、设定边界条件、限定物理参数范围以及判断成果的可信性上，先生的作法和经验都具有重大的参考价值。

高坝技术是水工结构学科的一个重大攻关研究项目，其中大坝与地基联合作用是其中的一个极为重要的课题，也是先生一直希望深入研究的方向。先生基于渗流历史和裂隙岩体渗流的研究基础和出访德国的经验，开展了《水工结构与地基渗流荷载分析》和《龙滩、漫湾混凝土坝与地基联合作用仿真分析》的研究，这两个项目分别获得国家科技进步三等奖和能源部电力科技技术进步二等奖。据我所知，先生的工作真正是走在了世界的前列。

研究组还完成了拉西瓦水电站和小湾水电站高坝和地基联合作用研究。这里我仅想以首先进行的龙滩项目为例谈一谈对这方面的研究工作的认识和感悟。

针对龙滩坝型选择方案，研究组首先对法国Coyne et Bellier公司作出的龙滩拱坝计算进行了复核。先生指出，该公司计算未考虑对工程影响较大的断层F₁及F₄；未进行初始渗流场和蓄水后渗流场分析，造成地基F₂位错计算值过大，致使该公司提出的处理工程规模过大，使得拱坝方案完全失去了优越性。对此，我们采用非线性三维有限元增量法进行复核计算，网格在单元总数和复杂程度上均超过了原有的计算模型，这是当时国内外水电工程所进行的有限元分析中规模最大的一例。

复核分析结果表明：F₂相对最大错位仅为2.3mm，远小于原计算的15mm。因错位减小，F₂等处理工程量可大幅度减小，坝体应力分析结果也更接近实际。其后，对龙滩拱坝体型进行优化分析的三种方案表明，混凝土工程量比原方案减少52~75万方；对不同设计水位拱坝方案的比较均论证了采用拱坝方案的可行性。

以上的研究和计算体现了先生的理念：水荷载应用渗流场求解；初始渗流场和地应力场计算结果应尽可能贴合实际；应用增量法模拟岩体和结构的荷载与应力的历史变化过程，这样才能更真实地了解在施工和运行阶段大坝与地基在联合作用下的力学响应，做出更科学的决策。先生在整个计算中，从模型的建立、应用基础理论的运用、工程资料的把握到成果的可信度，在国内外是无出其右的，这对后来全过程仿真的发展起到了卓越的指导作用。

龙滩水电站最终采用碾压混凝土重力坝方案，坝高217m,是当时世界上最高的碾压混凝土重力坝，有一系列的重大技术问题亟待解决。先生亲自并指导博士生对碾压混凝土坝渗流问题作专门研究。进行了碾压混凝土层面扬压力和渗流场分析并论证

了减小层面的抗剪强度和降低大面积碾压施工难度的可能性。龙滩的工作前后持续了十几年，先生治学的执着精神实在是我们学习的榜样。

先生主持的“裂隙岩体中水的运动与水工建筑物相互作用”研究，是1989年国家基金委重大项目《岩土与水工建筑物相互作用研究》的第三子题。对这个研究领域我涉足不深，但项目的研究成果对理解裂隙水的运动提供了很大的帮助，对计算模型的建立和简化有重大的意义，对研究过程中改进和开发的程序也很实用。通过学习，我感到这是一项令人钦佩的跨学科的深层次研究，把混沌理论和分维几何学的思想和方法引进到岩石水力学中来，实在是构思奇妙，很富有科学灵感。研究组从基础实验出发，在多个岩体裂隙面试件，用云纹法测量裂隙面的粗糙度，利用可以数字化的分数维以及凸起度均方差来表示粗糙度，克服了经典Barton法的缺点。进而实现了裂隙面的数字化并完成了裂隙的渗流特性的数值分析，这是一项数字化时代应用基础研究上的高水平的理论创新工作。

为使理论实用化，研究组进行了大量的裂隙网络的渗流数值分析工作，明确了对体型巨大的水电工程，岩体一般可以采用等效连续介质模型来代替裂隙网络模型，使建模和计算工作量大为减小。在先生的指导下，在国内外首次采用初流量法实现了有自由面的三维裂隙网络渗流分析并完成了渗流与应力耦合分析实用程序的编制，其中考虑了裂隙变形的非线性特征，以裂隙平均隙宽为计算参数对立方定理作了合理修正。程序应用在龙口水电站、八盘峡水电站、十三陵抽水蓄能电站和天生桥一级水电站等工程。在理论联系实际方面先生为我们做出了表率。

1991～1994年，先生担任国家“八五“攻关项目《高坝关键技术研究》领导小组成员，并主持其中“高边坡稳定及处理技术研究”课题。

《三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究》是1993～1997年国家自然科学基金及长江三峡工程开发总公司联合资助的重大项目。先生和周维垣教授被委任主持第自然科学基金三子题“三峡船闸高边坡若干基础理论研究”。该子题是八个专题项目中资助强度最大、参加研究的高端单位最多的课题，研究成果代表了我国最先进的科研水平。这两个课题的顺利完成体现了先生在国家重大科研项目的领导、协调水平和能力。

先生在边坡工程方面解决了包括三峡工程船闸、漫湾和小湾水电站边坡变形与稳定有关的重大工程问题。降雨在边坡内引起的暂态水荷载对三峡船闸边坡稳定是十分关键的。通过应用基础研究,指导研究人员对船闸南北坡作了降雨非恒定渗流分析；并对船闸混凝土衬砌最不利外水压力做了评估，得出了雨季边坡的暂态孔隙压力对船闸边坡稳定性影响不大，衬砌最不利外水压力分布小于设计采用值的结论。

在应用基础和数值计算的应用方面，2004年完成的水利部重点项目《小浪底水利枢纽关键技术》中的一个重大课题，“水库蓄水后左岸水文地质条件变化对工程的影响及对策”是个很好的例子。这个课题是由先生建议、担任顾问并全程指导的。

小浪底工程是黄河一个大型水利枢纽工程，大坝为斜心墙土石坝，最大坝高150m，枢纽工程的左岸单薄山体是拦河土石主坝的延伸。左岸山体的岩层共分六大层，并有多条陡倾角断层穿过，地质条件非常复杂。水库蓄水后山体帷幕线上游的地下水位将升高近140m，在帷幕线两侧形成很大的水力梯度，山体水文地质条件将发生巨大变化。这种变化对工程渗漏和安全的影响是一个重大的工程问题。

为此，对山体曾进行过大量工程地质及水文地质勘查研究、布置了监测设施、也开展了多项渗流和结构数值分析工作。然而，由于其水文地质条件复杂，未经蓄水也没有类似的工程经验可借鉴，所以对许多问题很难有较全面较准确的认识。以往渗流分析报告与蓄水后、特别是地下厂房的渗漏情况相差很大。从结构安全考虑，蓄水后帷幕线上游山岩将由非饱和状态转变为饱和状态，岩体将产生软化。由此而产生的山体变形及岩石力学性质的恶化将可能对地下洞室、进口边坡和进口塔架的安全产生重大影响。因而，课题内容主要有两项：（1）水库蓄水后山体渗流场分析；（2）水库蓄水后山体变形及有关建筑物安全运行的影响。

计算采用有限元法分两期完成。第一期为渗流初步计算；按甲方及有关专家的意见和建议，又作了第二期的正式计算分析。第一项最终提出了从220m到275m不同水位下的左岸山体渗流场分析结果；对地下水位及渗漏量进行了预测并分析了各排水廊道的主要渗透途径。第二项计算了渗流荷载和考虑岩石力学性质的可能发生的恶化，通过位移和应力计算对山体、地下洞室、进口边坡和进口塔架的安全进行评价。据此提出了工程对策和建议，部分成果纳入安全监测系统。需要说明的是边坡稳定和结构分析的部分工作由我院岩土所耿克勤教授的研究小组完成的。

该项目虽然很复杂且难度很大，但完成得很顺利也很圆满，这是与先生提纲挈领的技术路线和切中要害的具体指导密切相关的。先生多年一直关注我国大型水电站建设中的关键技术问题，多次前往小浪底等工程踏勘、调研和咨询，对大型地下洞室群、岩石渗流和山体稳定等方面的工程经验和资料积累雄厚；工程地质、水文地质、岩石力学、岩石水力学和等数值方法的理论基础功底深厚、运用自如；所制定的计算原则和具体方法得到过实际验证，这是完成研究任务的保证。在先生精心指导下，我们逐一解决了工作的难点。其中包括：如何把握及合理使用工程地质、水文地质和结构设计资料；如何评价和借鉴以前的研究成果；如何选用计算方法和确定分析类型及计算步骤；建立计算模型时如何抓住地质构造和缺陷的特征和如何合理地简化混凝土结构的体型；如何确定计算域的范围和如何建立边界条件；如何进行材料分区和选择合适的物理模型并确定参数值；如何制作超复杂的大型有限元计算网格；如何进行尽可能少的有效试算以及如何对比已有的观测资料、评价成果的可信度。就这样，我们按部就班地成功的完成了工作。

作为业内的知名专家，先生为国内外水电技术学术交流做出了很大贡献。1984年，先生在西德亚琛科技大学土木系作访问学者期间，参加了关于Malpasset拱坝事故原因的分析研究和其他工程咨询工作；1992年先生带团去澳大利亚及香港考察边坡工程；1993年出席在埃及举行的国际大坝委员会61届年会并考察阿斯旺高坝，所写的有关文章被供中央领导阅读的内刊转载；1997-1998年，两次应台湾中兴工程顾问公司邀请到该公司及台湾大学作学术演讲及隧道工程的考察和咨询工作。这些活动拓展了先生的视野、增长了先生的工程经验，同时也展现了中国大陆水利工程的崭新面貌和研究水平。

先生虽然迟至45岁才重返科研工作岗位，但他的学术成就令人瞩目。除1987年获水电部科学技术进步一等奖；1988年获国家科技进步二等奖；1989年获能源部电力科技进步二等奖；1991年获能源部电力科技进步二等奖及国家科技进步三等奖；1994年获能源部电力科技进步一等奖；1995年获能源部电力科技进步二等奖；1996年获国家科技进步三等奖；1999年获国家电力公司科学技术进步三等奖及2003年、2006年先后获大禹水利科技进步二等奖外，还留下许多供我们借鉴的宝贵的文献。特别是他为之付出毕生精力的《岩石水力学与工程》一书，被同行誉为经典、传世之作。

但先生也有遗憾，天不假年，他未能完成他计划中的第三本《隧道科学与技术》；还有许多想要做的事未能完成：如地下结构特别是水工隧洞配筋问题，目前仍按地面结构的配筋，每年要浪费成千上万吨钢筋。

在先生身边工作多年，我深深感到先生研究方向具有创新性和前瞻性且面向应用，无论在应用基础还是在数值计算方面，理论和方法的积累日趋深入系统完整。在先生的指导帮助下研究组成员通过自身的努力，科研水平都有了长足的进步，专业系列软件也逐步完善并且更加实用。我也深深体会到，有了好的计算软件不等于就能取得好的计算成果。成功的计算必须要把握住计算中的每一个细节，每一步决定都需要理论、计算方法和经验的支持，否则都需要再做研究和试算。先生科学审慎、精益求精的传统是一定要继承的。

在科研工作中，先生不忘育人。不论是先生的还是我的硕士、博士生和博士后，无一不曾接受过他老人家细致耐心且平易近人的教导，研究室其他同事都多年得到过先生在学术上的指导和关怀。先生的言传身教、润物无声，使我们受益终生。

在本单位和外单位的很多同行的眼中，先生是一个真正做学问的人，也是一个切实做出了学问的人。在水利水电技术方面熟稔设计、工程经验丰富、研究精深，是没有院士头衔而具有院士水平的人。

在我们的心目中，先生还是一个学问渊博而又宽厚和蔼的亲人。

安息吧！尊敬的张有天先生！我们将永远怀念你。

我们怀念你不畏艰难坎坷的水利情结：怀念你立身为人的一代学者风范；怀念你

为祖国水利事业做出的杰出贡献。

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作者简介：陈重华（1944-），博士（加拿大阿尔伯特大学），教授级高级工程师，中国水利水电科学研究院结构材料所原总工。