攔河蓄水堰壩的設(shè)計(jì)與施工

攔河蓄水堰壩的設(shè)計(jì)與施工(一)古代攔水堰壩規(guī)模

世界歷史上最早的堰壩出現(xiàn)在埃及和敘利亞。據(jù)說(shuō)，早在公元前2900年前，埃及就在考賽施(Kosheish)的尼羅河上修建高約15米，長(zhǎng)約450米的重力砌石壩，其目的是為了保護(hù)位于下游20千米處的埃及第一王朝首都孟菲斯城的安全。最早的堆石壩是在公元前1319年～前1304年建造于敘利亞霍姆斯城附近阿西河(Asl)上的水壩。壩高6米，長(zhǎng)2000米，一直到現(xiàn)在還在使用。最早的砌石拱壩建于公元前2650年，位于開(kāi)羅以南30千米的杰賴維干河(WadiGarawi)上，名叫異教徒壩(Sadd-el-Ka{ara)，該壩1臨水面和背水面各有一道底寬24米的砌石，中間填充一道36米厚的土質(zhì)心墻，壩高12米，壩長(zhǎng)108米，此后毀于洪水，至今還殘存有一段壩體①。

我國(guó)最早的堰壩起源于何時(shí)，未見(jiàn)明確記載。《國(guó)語(yǔ)?周語(yǔ)下》說(shuō)，禹和四岳治水時(shí)，即采用“陂障九澤”的措施。陂障即堰壩，可見(jiàn)起源也較早。古代第一本詞書(shū)《爾雅?釋水》中對(duì)水中洲渚解釋說(shuō)：“水中可居者曰洲。小洲曰渚。小渚曰沚。小沚曰坻。人所為為潏?！奔慈斯そㄔ斓乃薪ㄖ锝凶鳚垺?。漢人劉熙在《釋名》一書(shū)中，有進(jìn)一步解釋：“小泜曰汦(同坻)。泜，遲也，能遏水使流遲。人所為之曰潏。潏，術(shù)也，堰使水郁術(shù)也。魚(yú)梁水碓之謂也?！奔热皇亲鳛轸~(yú)梁和水碓的附屬水工建筑物，潏當(dāng)是專指束窄河道的堰，而非攔斷河流的壩。這是最早著錄的堰、壩名詞。

古代早期大型堰壩遺存當(dāng)屬今安徽省壽縣的芍陂。芍陂是利用天然洼地的地形，在其低處筑壩，形成可灌田萬(wàn)頃的大型蓄水水庫(kù)。芍陂建成于春秋末年的公元前597～前591年間，為楚令尹孫叔敖所為。后代芍陂改名安豐塘，塘堤周長(zhǎng)24.3千米，仍是當(dāng)?shù)氐拇笮凸喔人畮?kù)。1959年維修安豐塘?xí)r，曾出土漢代草土混合樁壩。芍陂近似平原水庫(kù)，堰壩高度較低。戰(zhàn)國(guó)前期，公元前453年晉智伯水攻趙襄子于晉陽(yáng)(今太原市南)，曾在晉水上“防山以水之，城不沒(méi)者三版”②，這座建在山谷的堰壩當(dāng)有較大的壩高。唐代開(kāi)元二十七年(739)前數(shù)年，“玄宗患谷、洛(水)歲暴，耗徭力，詔(李)適之以禁錢作三大防，曰上陽(yáng)、積翠、月陂，自是水不能患”③。這是三座以防洪為主要功能的水庫(kù)，壩高未見(jiàn)記載，至少也應(yīng)有一二十米之多。在未引進(jìn)新型水泥建筑材料之前，古代蓄水堰壩規(guī)模大致如此。

(二)古代攔水堰壩的類型

堰壩的形式隨其功用、規(guī)模和興建時(shí)代的不同而有變化。海塘形制和施工有其特點(diǎn)，另有專節(jié)記述。

1．透水堆石堰壩

①蔣超編譯，筑壩工程簡(jiǎn)史，水利史研究室五十周年學(xué)術(shù)論文集，中國(guó)水利電力出版社，1986年，第322頁(yè)。

②北魏?酈道元：《水經(jīng)注》卷6，晉水注，巴蜀書(shū)社王氏合校本，1985年，第161頁(yè)。

③《新唐書(shū)?李適之傳》卷131，中華書(shū)局二十四史本，第4503頁(yè)。

在農(nóng)田引水灌溉渠首處，為抬高引水高程，以使下游渠系自流灌溉，往往筑壩伸入河中，擁高水位，在壩上游開(kāi)渠引水。在捕魚(yú)和利用水力驅(qū)動(dòng)的提水和加工機(jī)械處，為增加河水流速，也常使用，稱作魚(yú)梁?！对?shī)?谷風(fēng)》中有：“毋逝我梁，毋發(fā)我笱”①句。其中笱是捕魚(yú)的竹籠。梁是建于河岸一側(cè)，伸入河心的堤壩，以縮小過(guò)水?dāng)嗝?，提高放置竹笱一?cè)的水流速度。由于此壩的主要功用在于擁高水位或提高流速，而不在于蓄水，因而，往往用透水的竹籠卵石構(gòu)筑。

農(nóng)田引水灌溉渠首的堰壩，在元代也稱作水柵。王禎在其所著《農(nóng)書(shū)》中羅列了兩種水柵形制，其中小型者：“當(dāng)流列植樹(shù)樁，樁上枕以伏牛(竹籠卵石的別稱)，擗以拉木。仍用塊石高壘，眾楗斜撐，以邀水勢(shì)，此柵之小者②?！贝笮退畺艅t改用木柜裝卵石構(gòu)件代替較小型的竹籠卵石，以增加穩(wěn)定性。其制“乃深植樁木，列置石囤，長(zhǎng)或百步，高可尋丈，以橫截中流”③。見(jiàn)圖4—20。這種農(nóng)田灌溉的有壩引水形式至今仍在農(nóng)村廣泛應(yīng)用。

圖4-20水柵與大水柵

（選自王禎《農(nóng)書(shū)》）

①《詩(shī)經(jīng)?谷風(fēng)》，十三經(jīng)注疏本，中華書(shū)局，1979年，第304頁(yè)。

②，③

元?王禎：《農(nóng)書(shū)》卷18，萬(wàn)有文庫(kù)本，第352頁(yè)。蹲

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以上所說(shuō)水柵和石籠都是壩體允許透水的建筑物，而在蓄水工程上，壩體則不能透水。以下幾種堰壩形制，都是不透水的堰壩。

2．土質(zhì)堰壩及防沖設(shè)計(jì)

考古發(fā)現(xiàn)多處原始公社的村落遺址附近建有蓄水陂塘?！吨芏Y?稻人》作為國(guó)家法典規(guī)定：“稻人掌稼下地，以潴蓄水，以防止水，以溝蕩水……”②抗其宿中憑潴就即抗水顯塘窄。林防哀即微堤予壩設(shè)。菌太淡湖蘆地襖區(qū)軌塘塞堤蠢，迷因禿塘布浦貓較保寬構(gòu)，還又占有杰船帥只巖航蓬行漁，手為充抵貨御罰水緞浪板沖傾激輸，答堤廚塘峰往應(yīng)往吳由劈三厚部殊分熱組座成潛：捷堤之身祝一隱般柴底還寬塊八偽尺慨，碼面貴寬托四考尺兆，陳高伙度舌一畫(huà)般鎖在問(wèn)平讓均樣水門位石以弓上剝一懂尺得。鬼堤舊身詳之筋內(nèi)婦(哪背歷水欠面媽)析另笛有牢寬比丈括許級(jí)的矮抵像水喉，飲以串鞏膝固眨堤宣身尸和備減憤少荒塘崖水示向梁耕甩地紐的剃繞利滲鉆。斤抵芹水購(gòu)之鍬上郊可誠(chéng)以岔栽席種檢桑果麻防，鄉(xiāng)頂結(jié)高診也舊較艇堤尼身繳稍儉低膨。永堤扣身烤臨產(chǎn)水掃面鑼為掙抵坦御慌風(fēng)互浪可沖矩激鳳，寸可泉以稿栽唱種摘茭伸蘆情，凳也框可容以容用捉石箱塊莖包傳砌受，校稱芝作念擋王浪勁。造更襖有興在滅堤慌身燙之后外找一孝二典丈女處搜另澡修痰木榮柵咸防淚護(hù)否(物稱姿作汪外售護(hù)被)滋，利則箭益恢臻秤鞏濁固戶③狐。

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3．草土堰壩

公元前6世紀(jì)末興建的芍陂，在東漢初年曾進(jìn)行過(guò)大規(guī)模修復(fù)工作②。1959年5月安徽文物工作隊(duì)曾在安豐塘越水壩地方發(fā)掘出漢代興建的工程遺址，其中有一座設(shè)在塘堤上的泄水堰壩。堰壩系草土結(jié)構(gòu)。在泄水溝的生土面上是一層砂礓石。礓石層之上是層草層土逐層疊筑的堰身。堰身中豎直簽插入一排排整齊有序的栗木樁，樁尖穿過(guò)礓石層深入生土層內(nèi)。草層順?biāo)鞣较蜾佋O(shè)，厚度基本相同。土層的泥質(zhì)純凈，不含沙，灰黑色，黏性很大。堰壩本身高度約2米，雖未夯實(shí)，也很牢固③

黃河埽工構(gòu)筑的是大型草土堰壩，其形制和施工方法都更為復(fù)雜。參見(jiàn)本書(shū)第五章第二節(jié)。

4．砌石堰壩

砌石堰壩是古代大型永久性堰壩的主要形式。其起源尚不清晰?！稘h書(shū)?溝洫志》中談到黃河自汴口以東有多段石堤，當(dāng)時(shí)人以堤防堅(jiān)固而稱之為金堤④。但從《水經(jīng)?河水注》中看，這些石堤似是堆石堰壩，例如漢安帝永初七年(113)“令謁者太山于岑于石門東積石八所，皆如小山，以捍沖波，謂之八激堤”⑤，此后“順帝陽(yáng)嘉中(132～135)又自汴口以東緣河積石為堰，通渠”⑥，都使用的是積石而非砌石的措詞。此堰是挑水壩作用，古代一般也不使用復(fù)雜的砌石結(jié)構(gòu)，而是以竹籠或木籠塊石作為構(gòu)件構(gòu)筑的⑦。

考古勘探的大型砌石水工建筑物最早的興建于唐代。位于浙江省鄞縣境內(nèi)鄞江上的它山堰始建于唐代太和七年(833)，其攔河大壩是早期砌石水工建筑之一。它山堰主體工程是一座長(zhǎng)42丈的攔河溢流壩。溪水被壩壅高后，從壩上游的干渠自流進(jìn)入灌區(qū)。洪水期間，則漫壩向下游溢流。參見(jiàn)圖4—22。這種溢流壩對(duì)壩體抗沖刷性能要求高，因此常常選擇砌石壩的形式。

宋代魏峴對(duì)它山堰堰體結(jié)構(gòu)有如下描述：“堰脊橫闊四十有二丈，覆以石板，為片八十有半，左右石級(jí)各三十六，歲久沙淤，其東僅見(jiàn)八九，西則皆隱于沙。堰身中定(空)，擎以巨木，形如屋宇，每遇溪漲湍急，則有沙隨實(shí)其中，俗謂護(hù)堤沙。水平沙去，其空如初。土人以杖試之，信然。堰低昂適其廣狹中度，精致牢密，功侔鬼神，與其他堰埭雜用土石竹木磚藤，稍久輒壞者不同”⑧。在宋代維修時(shí)，砌石之間的固結(jié)采用“冶鐵而固之”⑨的方法，使成整體。1995年維修它山堰時(shí)，對(duì)堰體使用數(shù)字地震儀進(jìn)行物理勘探，其結(jié)果與記載不盡相符。

①清?靳輔：《治河方略》卷2，水利珍本叢書(shū)本，第70～71頁(yè)。

②《后漢書(shū)?王景傳》卷76，中華書(shū)局二十四史校注本，第2466頁(yè)。

③殷滌非，安徽省壽縣安豐塘發(fā)現(xiàn)漢代閘壩工程遺址，文物，1960年1期。

④《漢書(shū)?溝洫志》卷29，二十五史河渠志注釋本，第30～31頁(yè)。

⑤北魏?酈道元：《水經(jīng)注》。

⑥北魏?酈道元：《水經(jīng)注》卷5，巴蜀書(shū)社王氏合校本，第122頁(yè)。

⑦在大河中水流速度大，散石易被沖走，必須由較大重量的構(gòu)件來(lái)構(gòu)筑。南北朝時(shí)，后趙建武年間(335～348)石勒欲在今河南延津縣架設(shè)過(guò)黃河的浮橋?！安墒癁橹袧?jì)，石無(wú)大小，下輒流去，用工百萬(wàn)，經(jīng)年不就”(《水經(jīng)注》卷5)，就是用散石修筑橋墩失敗的例證。

⑧宋?魏峴：《四明它山水利備覽》卷上，叢書(shū)集成本，第2頁(yè)。

⑨宋?魏峴：《四明它山水利備覽》卷上，叢書(shū)集成本，第8頁(yè)。

圖4-22它山堰平面布置圖

圖4-23它山堰典型剖而（單位：米）

物探結(jié)果表明，堰體中部最大高度僅為3.85米，靠近兩岸變薄至2.0米。條石砌體之下為黏土夾碎石層和砂礫層，共厚3.7～6.4米，此下則為礫巖。石堰修建有四點(diǎn)富有創(chuàng)造性的進(jìn)展：①石堰底部向上游傾斜，傾角約為5度。據(jù)分析，因此可提高抗滑穩(wěn)定性能一倍以上；②砌石體下的黏土夾卵石層向上游延伸10～15米，可能是利用黏土透水性小的性能所鋪設(shè)的上游防滲鋪蓋；③黏土中夾有卵石，增加了土的抗剪強(qiáng)度；④堰體消能采用多級(jí)護(hù)坦方式，與近代水力學(xué)的分散消能原理相吻合①。見(jiàn)圖4-23。

木蘭陂是北宋建造的著名大型石砌引水灌溉工程，位于福建省莆田縣，由于木蘭溪源短流急，加之臺(tái)風(fēng)暴雨頻繁，洪水兇猛，建堰難度極大，先后經(jīng)三次方才完成。第三次施工也歷時(shí)八年(熙寧八年，1075一元豐六年，1083)。該工程引木蘭溪水灌田萬(wàn)頃。渠首樞紐由攔河壩和輸水渠組成。

攔河壩在縣城西南4千米的陂頭村，全長(zhǎng)232米，高7.