潘家錚的創(chuàng)新理念與設計思想（上）

中國電力建設股份有限公司 周建平 杜效鵠

潘家錚的創(chuàng)新理念與設計思想（上）

中國電力建設股份有限公司 周建平 杜效鵠

2012年7月13日，一代大師、水電泰斗、三峽之子潘家錚院士（下文尊稱“潘總”）離我們而去。在潘總逝世3周年之際，筆者謹以此文表達懷念與追慕。潘總一生勤奮筆耕，著作等身。作品中既有水電專業(yè)的巨著，也有文學、詩詞、政論和反對封建迷信偽科學的報刊雜文，還有關于國家戰(zhàn)略研究和體制改革的政見，甚至有哲學、科普、科幻和青少年教育的短文和系列小說。潘總一生勤于研究，精于思考，躬于踐行；論述著作科學嚴謹、求新務實、充滿智慧。潘總的創(chuàng)新理念和設計思想，不僅包含了豐富、深厚的學術思想，還有樸實、廣博的哲學思考，更體現(xiàn)他真實、激情和富于哲理的人文情懷。

本文僅從潘總眾多的思想中，總結了他的創(chuàng)新理念、辯證思維與設計思想，供水利水電工程師在實踐中參考。

一、中國需要水電

自工業(yè)革命以來，人類在開發(fā)利用自然資源、發(fā)展經濟方面取得了史無前例的成就，也帶來了重大的社會環(huán)境問題。常規(guī)化石能源終有枯竭的一天，到時，不僅經濟社會發(fā)展難以為繼，而且終將毀滅人類自身賴以生存的基礎。經濟社會發(fā)展對自然資源的耗用，要逐漸歸于“零增長”或“負增長”，最終實現(xiàn)“循環(huán)經濟”，否則前景堪憂，這一道理為愈來愈多的人所接受。潘總在《可再生能源——研發(fā)與示范》中這樣闡釋[1]國際能源機構（IEA）.可再生能源：研發(fā)與示范.成都：四川科學技術出版社， 2007.9.。

就中國的發(fā)展而言，認識這個道理尤為重要。因為，一是中國人口多達13.7億（據估計，人口高峰將達15億），自然資源總量豐富，但人均擁有量較低，是資源嚴重短缺的國家；二是中國低效、高耗、粗放型的生產方式仍占主導地位，自然資源的供應形勢嚴峻，不容樂觀；三是中國的能源結構中煤炭占比極高，電力結構中煤電一直居高不下。據最新統(tǒng)計，2014年中國煤炭占總消費量的68%，而世界平均水平為30%，美國煤炭占比僅為19.7%[2]Petroleum, British, Statistical Review of World Energy, 64th edition,June 2015.。然而，中國水能資源列世界之冠，理論蘊藏量6.94億kW（按8760運行小時計），年電量6.1萬億kW·h，其中，技術可開發(fā)裝機容量5.42億kW，年發(fā)電量2.5萬億kW·h。因此，中國需要水電，大力開發(fā)水電是中國持續(xù)發(fā)展的必由之路。

水電的突出特點就是可再生與清潔。有些人士反對這一提法，潘總曾有趣地辯言：“只要太陽不滅，大氣環(huán)流運動不止，水能就能年年重生，永續(xù)利用。水電不排放廢氣、廢渣、廢水，不排放二氧化碳。這一點得到了絕大多數(shù)國際組織的認同?！盵3]潘家錚.水電與中國.水力發(fā)電，2004，30（12）：17-21.盡管水電只占電力的20%，占比并不突出，但不可忘記水電的再生性。潘總形象地算過一筆賬：如果技術可開發(fā)的2.5萬億kW·h的水能全部被利用，相當于每年可替代12.4億t原煤，或6.2億t原油。利用100年就是1240億t原煤或620億t原油，利用200年就是2480億t原煤或1240億t原油，遠遠超過我國目前已精確查明的剩余可開采煤炭資源。何況水電還有提高電能質量、安全和大量的綜合利用效益。也有人提出，反正還得燒煤，水電利用并不能徹底解決二氧化碳問題。其實，二氧化碳排放量只要控制在一定數(shù)量下，是可以接受的。今后燃煤量不可能無限制增長，用水電及其他清潔能源替代一部分燃煤后，就能實現(xiàn)這一目標。如今，中國水電首屈一指，2014年占世界水電總量的27.4%，居世界首位，但在中國的能源結構中，水電僅占一次能源消費的8.1%，距挪威的66.2%相差甚遠。因此，對中國來說，潘總提出：開發(fā)水電是不以人們主觀意志為轉移的必然選擇。

當前大面積霧霾肆虐的嚴峻形勢，倒逼我們能源生產與消費加快轉型。全面建設節(jié)能社會、發(fā)展可再生和清潔能源成為當務之急，潘總呼吁大力開發(fā)水電，同時努力開發(fā)風能、太陽能、生物能和一切清潔能源，全民共建清潔、高效、節(jié)儉、文明的中國特色社會主義。重溫潘總當年的能源發(fā)展思想，他老人家的考慮是多么富有前瞻性。建設節(jié)能社會、發(fā)展綠色能源、資源利用零增長的發(fā)展思想，是值得我們當代人遵循的準則。

二、河流規(guī)劃思想

古人云：“凡事預則立，不預則廢?！痹谒娦袠I(yè)中，河流開發(fā)，規(guī)劃先行，道理亦是如此。潘總曾多次強調水電開發(fā)中，統(tǒng)籌全局規(guī)劃的重要性，其思想主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1. 統(tǒng)籌規(guī)劃，協(xié)調發(fā)展

潘總提出，將某一流域的開發(fā)規(guī)劃與國家、地方的綜合規(guī)劃相協(xié)調平衡，科學決策，就需要國家組織發(fā)改委、水利、環(huán)保、國土資源、交通、教育、文化等部門和地方政府共同統(tǒng)籌安排，搞總體發(fā)展規(guī)劃。這個規(guī)劃將根據科學發(fā)展觀全面解決土地、礦產、水資源的綜合開發(fā)和調配布局，地區(qū)的經濟發(fā)展和轉軌，生態(tài)環(huán)境的保護和優(yōu)化，人民的安居與致富。

潘總認為，要用辯證的觀點看待河流規(guī)劃。河流規(guī)劃是一項十分復雜的工作，需要根據河流資源稟賦條件、經濟社會發(fā)展狀況和需求，運用正確的理論和方法，結合國情民情、協(xié)調各方利益、因時因地制宜。規(guī)劃工作是集“軟”、“硬”學科為一體的綜合性工作，還容易受到政治、外交、經濟形勢、社會發(fā)展等大前提的影響。有一些當時認為合理的規(guī)劃方案，若干年后也需要根據新的形勢和要求進行修正調整，并不是一成不變和一蹴而就的[4]中國工程院.紅水河干流水電梯級開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響的調查研究報告，2012年2月.。

2. 量體裁衣，立足長遠

潘總將河流規(guī)劃形象地比喻為“量體裁衣”：如果不研究布料、合理劃線和裁剪，即使縫制精良，也制作不出好的得體衣服。河流規(guī)劃工作不妥，再好的工程師也建不成符合國家整體利益、能夠發(fā)揮最優(yōu)作用的水電站來[5]潘家錚.漫談水利水電建設觀念的更新.水力發(fā)電學報，2010，29（3）：1-6.。規(guī)劃的目的是興利除害和化弊為利，不幸的是，搞水利建設在興利的同時，往往會產生新的弊，有的是直接的弊，例如建水庫帶來的淹沒損失等；有的是間接的弊，例如建了水利工程，造成水資源的浪費耗竭。所以，規(guī)劃分析中理應“利弊并重”，“防弊為先”，最好做到“化弊為利”，尤應分析“弊之所在”[6]潘家錚.漫談水利水電建設觀念的更新.水力發(fā)電學報，2010， 29（3）：1-6.。有的工程能發(fā)揮近期效益，但從遠景看，弊端可能更大；有的從單一梯級看利莫大焉，但從流域梯級看則牽一發(fā)而動全身，下游影響上游，上游影響上游，地面牽涉地下，地下牽涉地面，跨流域影響更廣；有的從局部看效益顯著，但從總體分析則利弊并重，或弊大于利。例如大量開發(fā)水資源可為民造福，但一些工程也造成了生態(tài)環(huán)境的破壞，還助長了資源的浪費，得不償失。

3. 前車之覆，后車之鑒

總結新中國成立后河流規(guī)劃歷史，既有成功的經驗，也有深刻的教訓。計劃經濟時代，水電規(guī)劃著眼于資源，由國家決策、政府投資、行政計劃執(zhí)行，不考慮市場機制，忽視移民安置工作和環(huán)境生態(tài)影響。在市場經濟建立過程中，如果河流規(guī)劃完全成為市場行為，離開國家導向和政策約束，也將導致一片散沙，無序開發(fā)，資源浪費，嚴重影響下游產業(yè)。對于已經規(guī)劃的大江大河，需要在總結經驗教訓的基礎上重新認識，加以修正完善；對即將規(guī)劃的河流，要用前瞻的、全局的和發(fā)展的眼光分析問題和解決問題。

潘總提出，河流規(guī)劃切忌爭一時一地之利而貽長遠全局之患，建議河流規(guī)劃和建設，必須認真吸取過去正、反兩方面的經驗教訓，做到全面規(guī)劃、統(tǒng)籌兼顧、標本兼治；做到興利除害結合，開源節(jié)流并重，防洪抗旱并舉，合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置、資源節(jié)約、生態(tài)友好、綜合整治。既要遵循自然規(guī)律，又要遵循價值規(guī)律，以求更好地解決我國旱澇災害、水資源不足、水土流失、水環(huán)境污染和能源電力供應短缺等問題。

三、工程地質思想

工程地質條件是水利水電工程選址的重要影響因素之一。河谷寬度適當、壩基巖石堅硬、巖體完整、岸坡穩(wěn)定是大庫高壩最理想的選址。然而，這樣的壩址很少，幾乎沒有。高壩選址要避開活動斷層，避開大型滑坡體和堆積體，避開影響大壩整體穩(wěn)定安全的軟弱巖體和結構面。對于既定的壩址，工程地質條件是客觀存在的，設計工作者應全面了解對壩體影響范圍內的地質條件特性。潘總曾說過，對于一座100m級、200m級高壩而言，建基面之下的100m、200m就是高壩工程設計地質工作的研究范圍，設計者必須十分清楚地基范圍內和壩址區(qū)的地質條件。

潘總十分重視對高壩工程地質條件的分析，他雖有自己的系統(tǒng)思考、邏輯分析和評判方法，但仍認為，只有執(zhí)行相關的法律規(guī)章和技術規(guī)程，通過分階段由現(xiàn)象到本質、從定性評價到定量評價地系統(tǒng)的地質勘查、咨詢評審和質量監(jiān)督等程序，才能從根本上避免發(fā)生勘察設計的重大失誤。在經驗判斷仍占主要地位的壩工技術領域內，重大技術決定一定要科學論證，民主決策，留有余地；一時不能取得共識的，不妨放一放，再做深入論證。

潘總為《巖體工程學科性質透視》作序寫道，在工程設計中，我們要面臨和處理眾多不同的材料，從金屬、混凝土，到沙、土、堆石和流體，但最不可捉摸的還是巖體。巖體似連續(xù)又不連續(xù)，像固體又不是真正的固體，即使表面完整的巖體，內部也隱含著十分復雜、變化多端的因素，不論做多少勘探工作，都難以完全查清，即使查得清，也不好處理。因此，巖體工程學科是在摸索中前進與發(fā)展的，迄今還難令人滿意，至少還不能滿足實踐提出的各種要求，經驗和類比還起著重要作用。潘總認為，大型計算機程序算出的巖體工程應力應變的“精確”結果，某種程度上都是建立在沙灘上的。因為巖體工程中，應該說并不存在所謂的“確定性的東西”。

在任何情況下，承載大壩的地基與壩體都具有同等的重要性，要向對待壩體一樣，對待壩下地基，萬不可忽視。一方面，要采取一切合適的手段和方法，查明與壩高相當深度范圍內的地質條件，通過分析明確基本工程地質條件和主要工程地質問題，特別是針對壩基地質缺陷，應進行更加深入的分析，提出適當?shù)牡鼗幚韺Σ叽胧Ａ硪环矫?，不管如何詳盡的地質勘查均無法避免一些不確定性因素，也就是說，任何地質勘查工作均無法真實地揭示全面的工程地質信息。如果在此種地基上的結構物的失事將導致重大生命財產的損失，則設計者在所依據的地基地質信息中，必須研究不確定性因素及其影響，留有余地地考慮相應的對策措施，以確保結構物安全。

潘總的設計思想和工程實踐經驗告訴我們：

第一，凡重大工程，涉及公共安全，若存在重大工程地質問題的疑慮和爭議，要加深地質勘查和分析論證工作，以澄清所有疑點。

第二，壩址和庫區(qū)的地質調查，除需要了解和把握地質現(xiàn)狀之外，還要充分了解過去地質活動的背景和未來水庫蓄水、水位變動情況對地質環(huán)境的影響。

第三，工程選址、壩型選擇和重大工程地質問題的技術決策要基于充分的研究論證，不能只依賴個別專家學者權威的意見，而應由專業(yè)機構的專家團隊和有實力的咨詢機構幫助把關。

第四，物理模型試驗和數(shù)值分析的結果，是在人為的假定條件下求得的，不能盲目地信以為真而在設計中直接采用，必要的情況下，要通過對比研究、敏感性分析，結合實踐經驗綜合分析判斷。

潘總經常提醒水電界的同仁：在時間緊、任務重的情況下，我們一定要堅定地把工程安全質量放在第一位，這是歷史的責任。搞勘測的，要認認真真搞好地質勘查；搞設計的，前期論證一定要扎實再扎實；搞施工的，一定要按圖施工，精心施工，滿足設計要求。歷史的機遇，使我們大有作為，但是我們不要成為歷史的罪人，不要愧對于祖國和人民。

四、工程設計思想

潘總雖然是一位水利工程師，但他的工程設計思想無不閃爍著哲學的光輝。他主張工程師多讀一點哲學的書籍，不必讀大部頭的經典巨著，讀一些啟蒙、入門性的小書。潘總在2002年應臺灣中興科技研究發(fā)展基金會邀請撰寫了《水利建設中的哲學思考》[7]潘家錚.水利建設中的哲學思考. 中國水利水電科學研究院學報,2003, 1(1): 1-8.，潘總的設計思想對廣大工程技術人員來說頗有裨益。

照鏡子的哲學——正反均看

潘總對我國五十多年來水利工程建設所取得的成績給予了充分肯定，但在成績面前，也提醒人們必須看到一些出乎預料、引人深思的問題。他首先將工程建設形象地比喻為《紅樓夢》中的“照鏡子”，亦即老子的“福兮禍所伏”。一些工程出于地方、本位和近期政績需要，總是在“可行性研究報告”中反復論述效益，對副作用特別是長期、深遠的問題避重就輕。人們習慣正面“照鏡子”，不妨照照反面，建設水利工程必須考慮一下水害學。在清華大學水利系建系50周年的慶典上，潘總建議“在水利這個大學科下，新增一門水害學”。若開設這門課程，建議“各省市領導、特別是水利廳、局長做第一期學員。政府首腦也不妨聽聽”。全面、總體和長期的問題，需要國家、政府和超脫的科學團體認真考慮，在總結國內外工程建設經驗和教訓的基礎上，查清過去的失誤，從思想上、行動上、政策上有所改進，真正做到興利除害、趨利避害、為民造福。

坐飛機的哲學——風險必在

潘總主張對建筑物設計不僅要采用“確定論”，也要考慮“風險論”。他將“確定論”和“風險論”之間的權衡，形象地比喻為“坐飛機”。如果有兩架飛機，一架機齡很短，一架已超期服役，不久前還出過事故，您選擇乘哪一架？即使對舊飛機作了專家評診，認為符合安全標準，相信大家還是選擇新飛機。

壩工設計，無法完全掌握壩基和材料的特性，也無法完全預知建成后遭遇多大的洪水、多強的地震，一定程度上依賴于過去的經驗和工程師的判斷?；诂F(xiàn)代分析理論，通過現(xiàn)代試驗手段，設計出滿足規(guī)程規(guī)范要求的水壩是否是絕對安全的？重力壩抗滑穩(wěn)定計算分析得出安全系數(shù)大于3是否就皆大歡喜、小于3是否就寢食不安？潘總認為，基于風險設計，任何設計師都無權宣布他的設計“完美無缺”、“沒有風險”，只是風險大小而已。潘總對“不附加條件地肯定能夠建壩的回答簡單了些”，“甚至可以建多少米多少米的高壩”更是草率，他提出“不存在沒有風險的設計或工程，只是風險高低，失事后果大小而已”。這就要求決策者作全面衡量。

依賴于經驗和判斷的壩工學，本質上是一門“技藝”，談不上嚴格的“技術”，因此，采用確定性設計時，也需要更多地考慮風險設計。潘總的“坐飛機”哲學觀點派生出了“確定論”和“風險論”決策，水電水利規(guī)劃設計主管部門已經組織開展風險設計理論的基礎研究，并啟動了相關的規(guī)范編制工作。

管孩子的哲學——控而有度

對于規(guī)范的編制和采用，潘總形象地比喻為“管孩子”。水工建筑物特點，使它的失事不僅意味著工程本身的破壞，更多地表現(xiàn)為社會影響和生命財產的損失，帶來次生災害，危及公共安全?；诖?，壩工規(guī)范編制趨于保守、偏于安全似乎無可厚非。潘總在任水利電力部總工程師期間，十分重視各類規(guī)程、規(guī)范和標準的制修訂工作，給予了很多支持，甚至親自督戰(zhàn)。在潘總主持組織下，對已頒布的規(guī)范進行清理、修訂，對缺門的制定規(guī)劃，全面啟動編制，希望能做到巨細無憾。正面作用是設計、鑒定、驗收有依據，負面作用是有礙了創(chuàng)新，給科技人員套上了枷鎖。猶如沒有規(guī)矩不成方圓，規(guī)矩太多，無所適從。對孩子放任不管，很容易走上邪路，管之過嚴，又容易產生逆反心理。按規(guī)范設計似乎工程太平，即使出事也是按規(guī)設計，成了一種保護傘。對規(guī)范編制和采用，潘總晚年提出“規(guī)范宜少宜粗，手冊可多可細”。必要的規(guī)范、標準還是要有，做到“中間偏先（進）”的位置。具體的指標、參數(shù)、方法和公式，以手冊形式匯集，供設計人員參考取舍。正如“管孩子”，既要使他富有朝氣，不斷創(chuàng)新，又不能讓他脫韁野馬般亂闖瞎撞，這是門藝術。有關的政府官員、科技管理者和技術帶頭人應當學會這門藝術。

吃螃蟹的哲學——敢于創(chuàng)新

目前，中國水電裝機居世界首位，水利水電工程數(shù)量位居世界前列，已成為名副其實的水電大國。水電工程的特點決定了必須保證安全可靠，但一味地保守設計、按規(guī)設計，不僅浪費，更大地阻礙了技術的發(fā)展，難以成為水電強國。所以，“求實”與“創(chuàng)新”二者不可偏廢，“經驗積累”和“技術進步”不可或缺。

潘總將創(chuàng)新比喻為“第一次吃螃蟹”的哲學。他提倡積極采用新技術，包括新思路、新理論、新結構、新材料、新工藝、新管理方法等等。冠以新名，付諸實踐，必定存在風險。既要安全，又需創(chuàng)新，對于這一矛盾，潘總提出方針上要“慎重”與“積極”并舉，策略上強調“實事求是，區(qū)別對待”。根據新事物從構思、萌芽到成熟、推廣，一般要經過“理論研究和實驗室試驗”、“中間試驗或工業(yè)性試驗”和“全面推廣、形成生產力”三個階段，采用先小后大、先慢后快、循序推進的原則，根據不同情況采用不同的做法和進度。

潘總的設計思想，是矛盾論、實踐論和方法論的綜合體現(xiàn)。尤其晚年哲學的設計思想，是對年輕時代單純的工程設計思想進行的深入思考和反省，對工程領域設計具有廣泛、深遠的影響和指導意義。

五、最大最小原理

在建筑物、邊坡和基礎的各種抗滑穩(wěn)定分析方法，都是建立極限平衡方程，根據靜力平衡條件確定安全系數(shù)。由于事先不知道滑裂面的確切位置，在所有的可能滑裂面中從假定的滑裂面開始搜索，重復試算，找出最小的安全系數(shù)及相應的滑裂面。不穩(wěn)定體中某一滑裂面，采用極限平衡理論體系確定安全系數(shù)，本質上是一個靜不定的力學問題，需要引入必要的假定，使問題變得靜定可解。潘總詳細分析抗滑穩(wěn)定的各種方法后，提出最大最小原理，以彌補極限平衡分析方法在理論上的缺陷。最大最小原理表述為：“①滑坡如能沿許多滑裂面滑動，則失穩(wěn)時，它將沿抵抗力最小的一個滑面破壞，即為最小值原理；②滑坡體的滑面確定時，則滑面上的反力以及滑坡內的內力能自行調整，以發(fā)揮最大的抗滑能力，即為最大值原理”。

潘氏最大最小原理，是對各種分析方法的概括性總結，同時彌補了各種分析方法在理論上的不足。最早的潘氏最大最小原理，出現(xiàn)在1980年水利出版社出版的《建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析》專著中。當時潘總53歲，而形成潘氏原理是在其青年時代。年輕的潘總在工地現(xiàn)場從事設代工作，看到邊坡在傾盆大雨下片片滑落，不由地浮想聯(lián)翩。為什么有的邊坡會這樣失穩(wěn)，而有的邊坡會那樣滑動？對照各種分析理論和方法，各有各的局限和不足。由此推斷，邊坡失穩(wěn)一定有內在機制，而本質不外乎是抗滑力和滑動力這兩種因素在此消彼長起作用?？够突瑒拥南嗷プ饔?，體現(xiàn)在滑裂面上。如果起始滑裂，一定是從最薄弱面開始；如果薄弱面演化為滑裂面引起滑動，薄弱面上的各種力學參數(shù)一定要調整，發(fā)揮最大抵抗能力。起始滑動，或者確定滑裂面，遵循最小原理；而確定滑裂面上的安全系數(shù)，從最大原理可得到真解。從“最大最小”原理的表述中可以發(fā)現(xiàn)，潘總思考來源于實踐，分析了各種方法后上升到哲學角度討論這一命題。

潘氏最大最小哲學原理的提出，激發(fā)了當時和以后一大批學者深入研究邊坡的穩(wěn)定問題。典型代表是孫君實和陳祖煜。孫君實[8]孫君實. 條分法的數(shù)值分析. 巖土工程學報，1984，6（2）：1-12.依據潘氏原理于1983年提出了“極大中的極小”概念，在垂直條分法體系中設計“模糊約束條件”，徹底實現(xiàn)了上、下限值解決思路。陳祖煜[9]陳祖煜. 建筑物抗滑穩(wěn)定分析中“潘家錚最大最小原理”的證明.清華大學學報：自然科學版，1998（1）：1-4.繼續(xù)對極限平衡分析方法進行改進，用塑性力學的基本原理證明了潘氏原理的正確性，為邊坡穩(wěn)定分析、計算方法改進、規(guī)范程序編制做出了重要貢獻。

深入研讀潘氏最大最小原理，雖然初衷是針對土質邊坡穩(wěn)定而提出，但同樣適用于建筑物和基礎，也適用于其他類型的材料。例如混凝土類結構，其開裂破壞是一個動態(tài)過程。起裂也遵循最小原理，擴展采用強度理論或者斷裂準則計算裂縫的擴展路徑，最后得到結構的破壞模式和承載能力。至于金屬材料，起始破壞和破壞過程同樣遵循最大最小原理，只是采用相應的屈服或破壞準則。

潘氏最大最小原理的哲學觀點，是實踐論與方法論的完美結合。工程師也需要哲學，一個人的思想言行自覺不自覺地受認識論和世界觀的支配與洗禮。

（未完待續(xù)）

[編者按 潘家錚院士是我國當代水利水電建設的奠基人，在我國水電事業(yè)從小到大、從弱到強的發(fā)展過程中，潘院士不僅是見證者、踐行者，更是偉大的引領者。他的創(chuàng)新理念和設計思想，不僅有著珍貴的史料價值，對目前我國的水利水電建設新形勢，仍然具有重大的借鑒價值。中國電力建設集團股份有限公司總工程師周建平和潘院士的學生杜效鵠共同撰寫了《潘家錚的創(chuàng)新理念和設計思想》，從十個方面對潘院士的創(chuàng)新理念和設計思想進行了總結，本期刊登文章的前半部分，未完部分將于下期刊登。]