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灵渠弯道代闸技术应用略述

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-06-17 09:49 热度:

   弯道代闸是通过人工做弯延长流径、减缓坡降,满足通航要求的一项水利工程技术1。它通过人工弯道对河渠航道的水面坡降作出调整,以降低水流坡降、减缓水流速度而利于船舶航行,可以不建水闸而实现航道水力特性的调整,民间有“三弯抵一闸”之说。关于弯道代闸技术,最早见诸我国春秋时期的科技文献《周礼·考工记》:“凡沟逆、地阞(不平貌)谓之不行,水属不理孙(意顺),谓之不行。梢沟,三十里而广倍。凡行奠水,磬折以叁伍。”其中讲到,修建渠道时,要考虑水流速度、水面比降等问题。为了减低流速,应使水绕弯道而流,水道应该成“磬折”状,就好像磬(一种古代打击乐器,用石或玉制成,像曲尺。)弯曲的的两肢(形成钝角),形成151度的弯曲度,其比例为“叁伍”,即3∶5,即直行占30%的距离、弯道占50%的距离2。在船闸系统尚未发明之前,这一技术使得人工运河在高差较大的地区得以正常运转,在中国古代水运工程的代表作灵渠和大运河上都有典型的实例,体现了中国古人“以河治河”的运河建造思想。

灵渠弯道代闸技术应用略述

  对弯道代闸这一技术的应用,目前国内尚未发现系统的研究及专着和论文,2014年,清华大学遗产研究院在《灵渠申报世界文化遗产文件》中提出了灵渠对这一技术的使用,但未系统论述。为了进一步深化对灵渠这一世界古代水利建筑明珠科学价值的认识,普及灵渠文化知识,促进灵渠申报世界文化遗产,本文引经据典,运用水利科学专业知识,对灵渠应用弯道代闸技术具体情况、重要作用进行了分析研究,认为灵渠是世界上最早应用弯道代闸技术的人工运河,弯道代闸技术不仅利于灵渠通航,而且对灵渠的水量调节具有决定性作用。

  1 灵渠弯道代闸技术应用实例

  灵渠建于秦始皇三十三年(前214年),是世界上现存最古老的运河之一。它位于广西兴安县,由大小天平坝和南北二渠组成。弯道代闸是中国古代运河工程中的杰出创造,这一原理在灵渠的航道设计上得到充分体现。笔者经梳理后发现,灵渠南北二渠的航道上,有多处较为明显的弯道代闸技术应用实例。

  1.1 北渠的两个大“s”弯道

  灵渠北渠开凿于湘江北岸平坦的一级阶地上,全部为人工渠段,是典型的弯道代闸河段。渠首连接大天平坝和分水塘,渠尾连通湘江。因人字形拦河坝修成后,船只无法过坝,故以新水道连接海洋河与湘江,北渠也称为“湘江新道”。北渠全长3.25 km,其中北陡口渠底高程为211.8 m,渠尾与湘江汇合口的渠底高程为206.31 m,渠底高差5.14 m,水面落差达6.72 m,渠道平均坡降1.7‰。其进水口至渠尾直线距离仅1.9 km(根据卫星地图测量),如果按照直线距离开挖渠道,则平均坡降可达2.7‰。古人通过人工开挖了两个连续弯曲的“S”型渠段,第一个“S”型渠段是从观音阁到花桥村,第二个“S”型渠道是从花桥村到洲子上村附近(见图1)。全线共延长渠线超过1 300 m,成功地降低了渠道比降。

  1.2 南渠从始安水口到清水河注入灵渠处的航道

  这段航道是在始安水原有天然河道的基础上人工疏浚扩挖而成,因此被称为半人工运河段。此段渠道宽9~15 m不等,全段地势较为陡峻,坡降很大,因此河道多弯曲。其中,自距分水塘9.4~10 km一段,共长600 m,但其直线距离仅是一半,共有近似180°的反曲线七八处;自距分水塘10.03 km南至10.09 km的60 m渠道是一个大弯道,直线距离只有20 m;这两段是典型的弯道代闸渠道。

  1.3 南渠黄龙堤至大陡之间的人工渠道

  黄龙堤位于南渠自然河段靠近古严关处(见图2),是一处横亘在南渠自然河道段的砌石溢流坝;由大条石砌成,顶宽3.5 m,内为直岸,外坡宽约4.7~5.3 m,共长87.6 m,坝两端连筑石堤岸,下端堤长25.5 m,上端堤长48.8 m。黄龙堤在宋代就存在了,庆历四年(1044年),桂林衙前秦晟等人曾经监修灵渠及其黄龙堤,清道光二十六年(1846年)兴安知县李天钰重修,并题刻“黄龙堤”三字石碑。黄龙堤溢水道原为灵河故道,在未开新渠前,水流直接经黄龙堤溢水道向西而去,但是因为这段河道坡度较大,水浅流急,不利船舶航行。因此,古人筑黄龙堤把灵河故道堵住,拦截河水从新开的渠道翻转一个大的弯道汇入原渠道,新开渠道长度大致为原始河道的5倍多,大幅减缓了坡降,平稳了水流,航行条件得到显着改善。

  2 弯道代闸技术在灵渠中所发挥的作用

  渠道坡降指渠道上、下游两个断面之间渠底沿水流方向下降或上升的高差与该渠段水平长度的比值,也称渠道比降。弯道代闸技术在灵渠工程中的应用,大大降低了渠道的坡降,其作用除了利于船舶航行之外,还有三个重要的功能,分别是合理分图2黄龙堤示意水、增加灌溉面积和保护渠道,这是之前人们关注不多的。

  2.1 利于行舟

  根据水利水运工程原理,内河船舶的航行阻力主要由水流阻力与坡降阻力构成3。水力坡降,又称比降,水力学专有名词,指河流或渠道水面单位距离的落差,常用百分比、千分比或万分比表示。

  W为船舶(队)总排水质量(kg);J为船舶(队)长度范围内平均水面坡降;a为考虑船舶上滩时水面比降局部增大的修正系数,一般取a=1.1~1.24。由此可知,坡降越大,对船舶航行的阻力越大。因此,古人在灵渠上使用将渠道延长降低坡降的弯道代闸技术,对于船舶航行具有十分重要的作用。清康熙年间兴安知县陈关调,曾亲自参与灵渠的整修和管理,他的《陡河曲》一诗也认识到了灵渠使用弯道代闸这一技术的意义和作用:“水理不宜直,人心不宜曲。人曲无生气,水直难接续。古者开成手,凿河诚意笃。源引海洋波,迂回势满足。

  2.2 合理分水

  长期以来,流传着这样一种看似合理实则错误的观点:小天平和大天平的长度“三七开”(3∶7的比例,即小天平3、大天平7),决定了南北二渠的水量也是“三七开”,即所谓“三七分水”。事实上,根据水力学原理,“对于长距离输水工程,其过流能力与断面形状、面积、衬砌表面粗糙程度和渠道坡降等因素有关”6,因此南北二渠水量,决定于南北二渠的过水能力。只有南渠与北渠的输水能力在一定比例时,才会出现“三七分水”的情况。其中,由于南渠“地势高而流缓”,长达33.15 km,平均坡降仅0.9‰;北渠“地势低而流驶”,直线距离仅1.9 km,如果不延长渠线,坡降将高达2.7‰,水流将会十分疾速。因此,在北渠应用弯道代闸技术,对调节分配南北二渠的水量,就具有十分重要的决定性作用。而且利用北渠的设计来调节水量,工程量相对南渠要小得多,且更容易操作和调整。

  如果把北渠与湘江故道等长或取直线,则渠道坡度将会更大,不但难以满足航行要求,还会因为北渠的流速加大而破坏铧嘴的分水效果,入南渠的流量将会变得十分微小,甚至断流,灵渠的作用将荡然无存。如果南北二渠没有适当的过水断面与流速,仅靠铧嘴的位置设置及小、大天平的长度的“三七比”,绝对无法达到”三七分水”的目的。

  因此,北渠渠道的定线设计具有很高的科学水平,体现了中国古人治水智慧之高超,也是灵渠科学价值的重要体现。

  2.3 增加灌溉面积

  早在春秋时期,着名政治家管子就提出了“迂其道而远之”7的技术,也就是使水迂回流到更远的地方,使渠道控制尽可能大的灌溉面积。根据现代水力学原理,合理选择渠道坡降,不仅关系到渠道输水能力的大小和渠道的稳定性,而且也影响灌溉面积的大小。有了适宜的坡降,水流就会沿着渠道顺着地形地势绕道远去,并通过支渠、农渠等下一级渠道,把灌溉用水按需要分配到田间。到2017年底止,灵渠灌溉面积达到6.5万亩,应该与古人使用了弯道代闸技术令渠道蜿蜒曲折有关。

  2.4 保护渠道

  春秋时期管子曾经指出:“夫水之性,以高走下则疾,至于漂石;”8意思是水的性质,如从高处往下流就快,以至于把石头冲走;如果坡降大了,水流速度过快,就会冲坏渠道。根据现代水力学原理,输水渠道设计应该选择一个合理的坡降,坡降过大过小均不合适。因此,灵渠能够延续使用2 200多年而经久不衰,与使用弯道代闸技术降低了坡降、让水流迂回向缓有较大关系。

  3 灵渠是最早应用弯道代闸技术的人工运河

  关于弯道代闸技术,虽然早在我国春秋时期就有人提出了,但这一原理最先仅是使用在灌溉技术上9。“凡行奠水,磬折以叁伍;欲为渊,则句于矩”全句可释读为:凡需修筑从水库中引水的水渠,在平地上的曲折度一般应相当于“磬折”那样的角度,亦即如同参宿两侧的角度,这样水流才能畅通,才不会形成回流涡(即郑玄注:“行停水,沟形当如,磬直行三,折行五,以引水者疾焉。”)如果想让水渠的水流在转弯的地方形成一处相对不流动的静止水区,那就应该把水渠转弯时的角度修成矩形(90度),这样在转弯的外角处就会形成一处静水区。形成一处静水区有什么用处呢?主要是便于从这里引出一条支渠,用于灌溉主干渠附近的农田10。此一技术在运河中的应用,在中国古代早期运河中,无论是春秋时期的陈蔡运河还是邗沟,均未发现相关记载。目前,中国古代水利水运工程当中,除了灵渠以外,应用弯道代闸技术较为着名的水利工程有:已经成功申报世界文化遗产的京杭大运河山东省德州段运河和河北省东光段运河,其中德州段形成了“九曲十八弯”的龙形走势,河北省境内东光段运河在连镇镇南北两端各有两处弯道代闸技术使用实例。但是,他们的建造年代,均为13世纪末元朝定都北京后,至元(元世祖忽必烈年号)十八年(公元1281年)到至元三十年(公元1293年)之间,迄今仅700余年。而建于2 200多年前的灵渠,当之无愧的是世界上最早应用弯道代闸技术的杰出范例。

  历史上最早在宋代周去非的《岭外代答》中就记载了灵渠南渠沿着山边曲线环绕的形态:“遂凿渠绕山曲,凡行六十里,乃至融江而俱南”11。

  4 结论

  总体而言,“弯道代闸”的航道设计能够很好地配合灵渠周围的地貌,解决水流的落差和流速等航运问题,并起到增加灌溉面积和保护渠道的作用,“这一理念在世界运河航道设计的实践中体现了极强的中国水利技术原创性,是中国航道工程的杰出代表12。”因此,灵渠符合世界文化遗产的标准(ⅳ):“可作为一种建筑或建筑群或景观的杰出范例,展示出人类历史上一个(或几个)重要阶段。”

  弯道代闸技术是灵渠最早应用于航道设计上的原创技术,在降低坡降、利于通航、合理分水、增加灌溉面积、保护渠道等方面均有重要作用,在世界水利史上具有独特的重要地位。

  参考文献

  [1] 兴安地方志编纂委员会.灵渠志[M].南宁:广西人民出版社,2010.

  [2] 郑连第.灵渠工程史述略[M].北京:水利电力出版社,1986.

  《灵渠弯道代闸技术应用略述》来源:《水利发展研究》,作者:刘建新

文章标题:灵渠弯道代闸技术应用略述

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