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黄文熙——新中国水利水电科研事业的开拓者

[日期:2006-09-05] 来源:中国水资讯网:  作者:李锦坤 [字体: ]
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  黄文熙,水工结构、岩土工程和土力学专家,毕生致力于水工建设的结构力学和岩土力学的科学研究及教学工作,培养了大批人才,对土力学学科建设和拱坝结构分析作出了重要贡献。是新中国水利水电科研事业的开拓者。

  黄文熙,1909年1月3日出生于上海一个乡绅家庭,祖籍江苏省吴江县。少年时,父亲经商屡遭失败,因而家境日趋困难。为了日后能有稳定的职业,他进入了培养邮政和海关业务人才的上海民立中学。毕业后,先在暨南大学学习商科,后改学理工科,又先后在大同大学理预科、河海工科大学学习。1929年毕业于中央大学土木工程系,获工科学士学位。留校任教一年半后到上海慎昌洋行建筑部任结构设计员,参加了几座高层建筑物的结构设计。在设计一座17层钢架结构时,创造了“框架力矩直接分配法”,完满地完成了设计任务,深得当时建筑部主任的赞赏,称誉他“具有解决困难任务的特殊能力”。

  1933年,黄文熙考取清华大学第一届留美公费生,主修河工专业。学校指定中国河工专业的创始人李仪祉和沈百先为导师,先安排在国内参观实习一年,1934年秋入美国依阿华大学,1935年春转至密歇根大学,师从S.铁摩辛柯(Timoshenko)及H.W.金(King)两位教授,学习力学和水工建筑,在取得硕士学位时因成绩优秀被授予斐加斐荣誉奖章,并破格免试攻读博士学位。他只用了一年半时间就完成了博士论文《格栅法在拱坝、壳体和平板分析中的应用》,受到导师和答辩委员们的称赞,并被授予西格玛赛荣誉奖章,当时,《底特律日报》和《密歇根日报》都有专文称赞他是“密歇根大学多年来才华最出众的学生,在结构和水利工程两个领域内取得了杰出的成就”。

  在美学习期间,他还受到土力学奠基人K.太沙基(Terzaghi)的深刻影响,对当时尚属新兴学科的土力学给予高度注视。1937年初取得博士学位后,他又到美国垦务局实习半年,参观、考察了十几个正在建设的大坝工地。

  1937年夏抗日战争前夕,黄文熙接受中央大学的邀聘,毅然回国。由于中央大学已内迁,他先后在杭州浙江水利局和西安东北大学短暂工作,1937年冬几经辗转到达重庆。此后他在中央大学水利系担任教授、系主任,并兼任水利部水利讲座、中央水利实验处特约研究员、土工实验室主任等职。

  中华人民共和国成立后,黄文熙先后在南京大学、南京工学院、华东水利学院等校任教,同时担任水利部南京水利实验处处长。

  1956年起,黄文熙调任清华大学教授并兼任水利部水利科学研究院副院长。1958年水利科学研究院改组为水利部、电力部所属的水利水电科学研究院,他在清华大学执教的同时,仍兼任该院副院长,负责全院的学术领导工作。

  自70年代后期,黄文熙以古稀之年倾注于清华大学土力学教研组,同时兼任水利水电科学研究院和南京水利科学研究院顾问。他亲自为年轻教师和研究生讲授高等土力学课程,选派教师、研究生出国学习、进修,筹划试验室的现代化建设,确定科研方向和课题,并给以具体指导。他带出了一支有良好学风的教学、科研队伍,培养了一批高质量的硕士和博士生,取得许多优秀的科研成果。

  1955年,黄文熙参加了中国共产党,曾当选为江苏省第一届人大代表,全国第三届人大代表,全国第二、三届政协委员,北京市第五、六届政协委员,1955年当选为中国科学院学部委员(现为中国科学院院士)。1956年他参加制定了我国第一个长期的科学技术发展规划,即《1956至1967年全国科学技术发展远景规划》的工作。先后担任过中国水利学会副理事长、名誉理事,岩土力学专业委员会主任,中国水力发电工程学会副理事长,中国土木工程学会荣誉会员,中国力学学会理事,中国土力学及基础工程学会理事长、名誉理事等。他还担任过《水利学报》、《岩土工程学报》编委会主任,《中国科学》、《清华大学学报》编委等职。他还积极参加国内外的学术活动,曾赴西欧、日本、美国进行学术考察,多次参加国际学术会议,发表学术论文,进行学术交流,是国际知名的专家。

水利、水电科研中心的创建者

  中华人民共和国成立初期,南京水利实验处建立,黄文熙出任水利实验处处长,在极其困难的条件下,他筹划、充实、发展了各项科研工作,特别是开创了泥沙、潮浪、结构材料等国家急需的新的研究领域,成为我国最早的水利科研机构。同时,该处还承担了治黄、治淮、华东地区水电工程等试验研究任务,解决了大量实践工程问题,使实验处的规模和水平均居全国之首。在黄文熙领导下,该处还开展了研制土质勘探设备及土工、水工试验仪器的工作,编写了《土工试验手册》、《水工试验手册》。开办了多期土工试验学习班和水工试验学习班,为全国水利水电系统普及土工和水工试验培养了人才。

  1956年,水利部、电力部、中国科学院所属的水利水电科研单位合并成立了水利水电科学研究院,黄文熙由南京调到北京任副院长,负责全院的学术领导工作。经过10年耕耘,到1966年,水利水电科学研究院已成为拥有9个研究室及完整技术后勤系统的科研中心,承担了国家重大科研课题,出了大量高质量的成果和人才,解决了大量工程建设中的疑难问题,使水科院在国内外都具有重要地位,推动了全国水利水电科研事业的发展。他本人也结合工程实践提出了许多带有创造性的研究成果。

始终站在学科前沿 有独创性 成果累累

 

  黄文熙一方面作为我国水利水电科研事业的开拓者、组织者,另一方面作为著名的学者和教授,毕生致力于有关水工建设的结构力学和岩土力学的科学研究,涉及领域十分广泛,都有所建树和创见,特别是土力学及拱坝研究方面的成就更为突出。1984年出版的黄文熙论文选集收集了他50年来发表的主要论文16篇,反映了他深湛的学术造诣和严谨的治学方法。这些论文在当时是有独创性的,而且对今天的国民经济建设仍有重要的应用和参考价值。仅以其中5篇为例。

  格栅法在拱坝、壳体和平板分析中的应用,开有限单元法之先河 这项研究工作始于1935年,于1962年发表,英文稿于1964年发表。文中针对拱坝结构分析提出用结构力学方法作板极壳数值分析,也可用于其他结构,加以适当引伸,可用于研究各向异性板壳和板壳的动力反应问题。此法将拱坝和壳体当作由许多水平拱段和垂直(或近于垂直)梁段所组成的格栅,这些拱段和梁段都刚性连接在格栅的结点上,假定每个分段都能抵抗挠曲、横向剪切、轴向压缩、扭转和切向剪切。在分析中也考虑了泊松比和横向剪切变形对挠曲的影响。建立结点平衡方程就可解出结点变位的5个分量,然后按形变方程或壳体理论中的微分方程来计算应力。此法首开以后广泛应用的有限单元法的先河,与三向弹性理论、薄壳理论、试荷载法等分析方法相比较,其特点是考虑了各种影响结构作用的主要因素,包括横向剪切变形、地基变形、泊松比、垂直位移等。代用格栅的分格不需过密就可以得到满意的结果。边界条件方程和结点平衡方程容易建立,并可以用电子计算机直接求解。通过一次完全的分析,就能确定各变位分量与结点外荷载的代数关系,将代表不同荷载情况的数值代人这些关系式就能迅速确定其相应变位及应力情况。

  提出框架力矩直接分配法,取代克洛司迭代法 这是他早期的研究成果,其目的在于取代当时通用的克洛司迭代法。论文载于1934年10月1日出版的《工程》杂志第9卷第5号,比林同炎就同一课题发表的论文早2个月。这项研究工作说明了有效刚度的意义和它的确定;结点上不平衡力矩和它所引起的抗力矩在该结点各杆间的分布;传递系数的决定与框架分析的步骤;偏移改正;多层框架的分析等问题。其特点是各杆两端的有效刚度确定后,根据某一结点A处各杆A端的有效刚度,就可将该结点上的不平衡力矩按各杆的有效刚度在各杆间进行分配;各杆两端的传递系数确定后,通过AB杆由A端传递到B端的抗力矩也就可以直接确定;推荐了直接确定杆件有效刚度的公式,用这种方法进行力矩分配,框架的结构作用表现得非常清楚,计算工作量也比克洛司迭代法为少。

  水工建筑物土壤地基的沉降量与地基中应力分布的计算成为应力路径法的先驱 这项研究工作最早发表于1942年的《工程》杂志第15卷第5期,1957年及1959年又先后发表中、英文论文修正稿。一般用分层总合法计算地基沉降量时,都假定地基土在建筑物荷载下不发生侧向变形,这是与实际情况不符的。有的计算公式虽然考虑了侧向变形但需要计算 σx和σy两个水平法向应力值,σx和σy的计算相当繁杂,并且都是泊松比μ的函数,编制计算图表也有困难,因而很少应用。黄文熙建议用计算3个法向应力之和来代替σx和σy的计算,可大为减少计算工作量,而且(1十μ)这一比率不是μ的函数,简化了编制应力表工作。利用论文中建议的公式和制备的应力表,使考虑侧向变形的地基沉降计算成为实际可行。论文论证了表征土壤压缩性的弹性系数E和泊松比μ都是土体三个轴向压力绝对值及其比例关系的函数,并建议用三轴压缩仪测定这个函数关系。这是近代土力学中应力路径法的先驱。

  砂基和砂坡的液化研究成果被国内外同行采纳 饱和松砂在地震、爆炸和其他动力作用下引起的液化现象对工程建筑危害极大,其机理、鉴定方法和防治措施是许多学者致力研究的课题。在50年代中期,一般仍习惯于用圆筒装砂在振动台上做试验,量测其液化度作为判别标准。这种方法在理论上有很大缺陷,实用上也不能据以进行动力分析。黄文熙首先提出用有效应力原理阐述液化机理,建议用振动三轴仪进行砂土的动力特性试验,测定不同应力状态(大主应力σy,小主应力σ3及其比值σ1/σ3)时,由不同振动强度引起的Δσ1和Δσ3作用下,不同密度试样的最大孔隙水压力u的变化规律和绝对数值,利用这样的试验成果就能找出一定动力荷载下砂基或砂坡中任何一点处可能产生的最大孔隙水压力,并据此可用有效应力法进行动力稳定分析,定量地研究砂基砂坡的动力稳定性,并对防止液化危害的措施进行选择。这一研究成果1959年首先在国内发表,1961年在第五届国际土力学和基础工程会议上提出论文,受到国际同行专家的重视。他所创议并在水利水电科学研究院研制成功的振动三轴仪及其试验方法已为国内外同行采纳,并已成为常规动力试验的手段。

  对土的弹塑性本构关系的研究有所突破 在60年代以前,人们通常只做一些三轴或直剪试验去测定土的抗剪强度指标来分析地基的稳定性或估算挡土墙土压力,另外就是用单向固结仪去测定土的变形模量作为估算地基沉降的依据。在计算理论方面,稳定分析和土压力计算用的是纯粹塑性材料建立的经典塑性理论,沉降分析用的是纯粹弹性材料建立的经典弹性理论。这种完全漠视土的本构关系的弹塑性特点而将它高度简单化,并且在不同场合,分别把土当作简单的塑性体或简单的弹性体来处理是不能令人满意的。

 

  70年代初,黄文熙敏锐地看到有限单元法及电子计算机的应用将使土力学发生一个飞跃,他率先对土的本构关系进行了研究,并于1978年初发表了《土的弹塑应力应变模型理论》一文,着重说明如何根据有限的试验资料,运用增量弹塑性理论去建立代表弹塑性应力应变关系的数学模型。在他的主持下,在清华大学和水利水电科学院进行了大量试验和理论工作,提出了除一般塑性理论公设外,不作任何补充假定,直接从试验资料求取塑性势线或塑性势函数g,选取合适的硬化参数H使屈服规迹f和从试验确定的塑性势线重合,即f=g,以保证解的唯一性和满足正交定律。并在此理论指导下,建立了清华弹塑性模型。这项研究成果获得了国家自然科学奖。

  在他80岁生日的时候,又提出了《土坝弹塑性应力分析简捷法》的论文,指出可把大于最优含水量的压实非饱和土当作饱和土,并把此饱和土体当作水和土骨架构成的复合材料,即土的体积模量为水的体积模量,土的剪切模量为土骨架的剪切模量,计算土坝在外荷载作用下的起始总应力。并建议用弹塑性总应力与孔隙压力理论计算式求得孔隙压力。这样就可以计算出土坝或地基的总应力和有效应力分布,以及正确的瞬时沉降和固结沉降。此项研究正确、全面地反映了实际情况,也提高了人们对有效应力原理的认识。

  黄文熙的学术活动有两个重要的特点。一是根据国家经济建设的需要积极引进和推广国外先进技术,支持国内开发的新技术。如50年代在他倡导下引进并有发展地用补偿基础原理设计水闸基础以代替桩基;用砂井预压法处理软土地基;用反滤层和减压井控制渗流和防止渗透破坏;用就地浇筑混凝土防渗墙进行砂砾地基的防渗处理等技术,对以后的水利水电及其他岩土工程建设都有着深远的影响。对国内开发的土坝劈裂灌浆、定向高压喷射注浆等新技术,他都给予热情鼓励和关怀。二是能敏锐地把握国内外的学术动向,提出属于学科前沿的课题和设想,以正确的学术思想和技术途径进行具体指导。他以土力学中的有效应力原理为主线,指导土的工程性质和土力学分析计算的研究,包括砂土液化、粘性土固结、土的水力劈裂等,都有卓越的贡献。近年他还大力推动土工离心机和渗水力土工模型试验的设备建置和试验研究工作,支持土工合成材料的研究和应用。这些成果使我国的土力学研究工作步入国际先进行列。

辛勤耕耘 为祖国培养了大批专业人才

  黄文熙少年时代,家境困难,对升学深造并不存更高的抱负。但在大同大学理预科学习时,得到两位数学教授的赏识和鼓励。他开始自学解析几何和微分学,做好投考河海工科大学正科插班生的准备。从这时起,养成了自学的习惯。在以后的一生中,他常常忘我地每天集中精力学习和工作14小时以上,仍然感到兴趣盎然而不觉劳苦。他在赴美学习期间每年寄回清华大学的成绩报告单都是全优。取得硕士学位后,他只用了一年半时间完成了别人需要4~5年才能完成的博士论文。他的渊博知识和解决困难问题的能力是用辛勤的汗水换来的。40年代在抗战的艰苦条件下,他不顾身患肺结核病,用顽强的意志战胜疾病坚持教学和科研工作。发表了《挡土墙土压力研究》、《水工建筑物土壤地基的沉降量与地基中应力分布》等论文。在中央大学任教时,他讲授过土力学、材料力学、结构设计、水力学、水工结构、海港工程、铁道建筑、流体力学等多门课程,每讲一门新课,他都要花很多精力备课,不论寒冬酷暑,他总是昼夜辛勤地工作。1939年,他在国内大学中首先开设土力学课程,建立了第一个土力学试验室。

  中华人民共和国建立前,黄文熙对南京国民政府的腐败深恶痛绝,同情和支持学生的爱国民主运动。1955年他参加了中国共产党。他对党的信念虽处逆境而不消减,“文化大革命”时期,他受到种种迫害,但他襟怀坦荡,在环境略有好转时,就潜心致志地开始土的本构关系的研究。

  黄文熙研究工作的特点是以实际工程中遇到的迫切问题为研究对象,重视试验研究和理论与实践的结合,创造性地解决工程问题。如治淮工程中遇到的混凝土连拱坝的抗横向地震问题和软土地基上建造大型水闸的问题等。对华北地区水中倒土坝和水坠坝的特征也进行了研究,指出研究孔隙压力成长与消散的重要性,并提出了控制施工进度、防止发生滑坡事故的指标。为了防止渗流破坏,对许多堤坝下游提出了设置减压井设备,从而确保了安全。再如格栅法拱坝分析、砂土液化、土的弹塑性本构关系等研究成果都是实际工程中的关键问题。

  黄文熙从事教育和科研工作50余年,培养了大量科技人才,他十分重视青年教师和科技人员的培养,善于发现人才,不遗余力地提携后人。他早年的学生中有的已是中国科学院院士和知名的教授、专家。

  (作者:李锦坤)

简历

  1909年1月3日 出生于上海市。

  1925—1927 年大同大学理预科,河海工科大学学习。

  1927—1929 年中央大学土木工程系学习,获工学士学位。

  1929—1931 年中央大学土木系任教。

  1931—1933年 上海慎昌洋行建筑部任结构设计员。

  1933—1937年 考取清华大学第一届留美工费生,在美国依阿华大学学习,美国密歇根大学学习获博士学位。

 

  1937—1949年 任中央大学水利系教授、系主任,兼任水利部水利讲座、中央水利实验处特约研究员。

  1949—1956年 任南京大学、南京工学院、华东水利学院教授,水利部南京水利实验处处长。

  1955年 当选为中国科学院学部委员(现改称院士)。

  1956—1971年 任清华大学教授,兼水利水电科学研究院副院长。

  1971年— 任清华大学教授,兼南京水利科学院顾问,水利水电科学研究院顾问。

主要论著

  1 黄文熙.框架用骈坚量解析法.工程,1934,9(5).

  2 黄文熙.水工建筑物土壤地基的沉降量与地基中的应力分布.工程,1942,(15)5.

  3 H u ang Wenxi.Investigation on stability of sandfoundation and S1opeag ainst liquefaction.Paris France:ProC of 5thInternational Coference on Soil Mechanics and FoundationEngineering.1961,Ⅱ,629~631.

  4 Huang Wenxi.Deformation equations of circular arChes and their

  application to arch dam analysis.北京:科学出版社,Scientia Sinica,1962,11(3).

  5 Huang Wenxi.The influence of hardening law on the formulation ofthe elasto—p1astic model of soils.Proc.of International Symposiumon Soils under Cyclic and Transient Loading,1980,277~283.

  6 Huang Wenxi,Pu Jia liu and Chen Yu Jiong.Hardening rule andYield function for soils Proc of Xth international Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering StoCkholm Sweden:1981,631~634.

  7 黄文熙主编.土的工程性质.北京:水利电力出版社,1983.

  8 黄文熙.拱坝、壳体及平板的结构分析.水利学报,北京:水利出版社,1962,5(5).

  9 黄文熙.水工建设中的结构力学与岩石力学问题.黄文熙论文选集,北京:水利电力出版社,1984.

  10 黄文熙.土坝弹塑性应力分析简捷法.岩土工程学报,1989,11(6):1~8.
 

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