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，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108米，此后毀于洪水，至今還殘存有一段壩體①。

我國最早的堰壩起源于何時(shí)，未見明確記載?！秶Z?周語下》說，禹和四岳治水時(shí)，即采用“陂障九澤”的措施。陂障即堰壩，可見起源也較早。古代第一本詞書《爾雅?釋水》中對水中洲渚解釋說：“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。魚梁水碓之謂也。”既然是作為魚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，形成可灌田萬頃的大型蓄水水庫。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24.3千米，仍是當(dāng)?shù)氐拇笮凸喔人畮臁?959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，堰壩高度較低。戰(zhàn)國前期，公元前453年晉智伯水攻趙襄子于晉陽(今太原市南)，曾在晉水上“防山以水之，城不沒者三版”②，這座建在山谷的堰壩當(dāng)有較大的壩高。唐代開元二十七年(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、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，壩高未見記載，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，筑壩工程簡史，水利史研究室五十周年學(xué)術(shù)論文集，中國水利電力出版社，1986年，第322頁。

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

③《新唐書?李適之傳》卷131，中華書局二十四史本，第4503頁。

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，在壩上游開渠引水。在捕魚和利用水力驅(qū)動(dòng)的提水和加工機(jī)械處，為增加河水流速，也常使用，稱作魚梁?！对?谷風(fēng)》中有：“毋逝我梁，毋發(fā)我笱”①句。其中笱是捕魚的竹籠。梁是建于河岸一側(cè)，伸入河心的堤壩，以縮小過水?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》中羅列了兩種水柵形制，其中小型者：“當(dāng)流列植樹樁，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，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，長或百步，高可尋丈，以橫截中流”③。見圖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》）

①《詩經(jīng)?谷風(fēng)》，十三經(jīng)注疏本，中華書局，1979年，第304頁。

②，③

元?王禎：《農(nóng)書》卷18，萬有文庫本，第352頁。

《農(nóng)書》記載的水柵是農(nóng)田小型灌溉工程上的通常做法。在大型工程上也有類似的形制，并且堰壩是攔河修建的。曹魏嘉平二年(250)征北將軍劉靖駐守薊城(今北京城區(qū)西南)，曾在今北京石景山筑戾陵堰，引永定河灌溉。見圖4-21?！端?jīng)?鮑丘水注》對其工程布置有所介紹。戾陵堰修有一道攔河壩，在壩上游建有一座砌石引水閘門，引永定河水入車箱渠，下灌今北京至通州農(nóng)田2000頃。攔河堰采用石籠結(jié)構(gòu)：“長岸峻固，直截中流，積石籠以為主遏，高一丈，東西長三十丈，南北廣七十余步”①。石籠是木籠或竹籠裝石。累砌石籠做成堰體。水小時(shí)引水直入車箱渠。水大時(shí)則漫壩溢流。不過，由于木籠或竹籠均易腐朽，維修起來不像小型工程那樣便當(dāng)。

圖4-21戾陵堰布置及壩體尺寸示意圖

以上所說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其中潴即水塘。防即堤壩。太湖地區(qū)塘堤，因塘浦較寬，又有船只航行，為抵御水浪沖激，堤塘往往由三部分組成：堤身一般底寬八尺，面寬四尺，高度一般在平均水位以上一尺。堤身之內(nèi)(背水面)另有寬丈許的抵水，以鞏固堤身和減少塘水向耕地的繞滲。抵水之上可以栽種桑麻，頂高也較堤身稍低。堤身臨水面為抵御風(fēng)浪沖激，可以栽種茭蘆，也可以用石塊包砌，稱作擋浪。更有在堤身之外一二丈處另修木柵防護(hù)(稱作外護(hù))，則益臻鞏固③。

臨湖的土堤也有防浪問題。洪澤湖東面的高家堰是明清間實(shí)行“蓄清刷黃”治黃方略的關(guān)鍵工程之一，堰身除有石堤3000丈外，其余均為土堤。湖面寬廣，風(fēng)浪沖刷是對土堤的重大威脅。明代萬歷年間在臨水土堤實(shí)行“幫護(hù)之法”，其措施是：“于冬春間樁內(nèi)帖席二層。緊捆草牛，挨席密護(hù)，毋使些須漏縫。然后實(shí)土堅(jiān)夯。則是以樁席護(hù)草牛，以草牛護(hù)土，浪窩何從得來?！雹芗磁R水面打一排木樁。木樁之后緊帖兩層席片。席片之后則是以柴草捆扎的草牛。再里層則接土堤。有木樁、席片和草牛抵御風(fēng)浪對土堤的沖刷，“浪窩何從得來”?不過，席片、草牛易朽，維護(hù)不易。

清康熙年間靳輔對土堤防浪主要依靠在迎水面修建坦坡。他認(rèn)為：“水，柔物也，惟激之則怒，茍順之自平。順之之法，莫如坦坡?！雹菟O(shè)計(jì)的消浪坦坡坡度為1:8。而且，為防止風(fēng)浪對坦坡的淘刷，每年都要向其上填土。他還設(shè)想：“離堤百丈內(nèi)必漸墊而高，因叢植柳、蘆、茭、草之屬，俟其根株交結(jié)，茂盛漫延，則雖狂風(fēng)動(dòng)地，雪浪排空，不能越百余丈茂林深草而潰堤矣。”①

①北魏?酈道元：《水經(jīng)注》，卷14，鮑丘水注，巴蜀書社王氏合校本，第266頁。

②《周禮?稻人》，十三經(jīng)注疏本，中華書局，1979年，第746頁。

③

明?顧炎武：《天下郡國利病書》卷17，江南五，志載堤水岸式。

④

明?潘季馴：《河防一覽》卷3，水利珍本叢書本，第81頁。

⑤清?靳輔：《治河方略》卷2，水利珍本叢書本，第70～71頁。

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。參見本書第五章第二節(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。《漢書?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。參見圖4—22。這種溢流壩對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，左右石級各三十六，歲久沙淤，其東僅見八九，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，水利珍本叢書本，第70～71頁。

②《后漢書?王景傳》卷76，中華書局二十四史校注本，第2466頁。

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?溝洫志》卷29，二十五史河渠志注釋本，第30～31頁。

⑤北魏?酈道元：《水經(jīng)注》。

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

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)過黃河的浮橋?！安墒癁橹袧?jì)，石無大小，下輒流去，用工百萬，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，叢書集成本，第2頁。

⑨宋?魏峴：《四明它山水利備覽》卷上，叢書集成本，第8頁。

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堰體消能采用多級護(hù)坦方式，與近代水力學(xué)的分散消能原理相吻合①。見圖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232米，高7.25米。其中靠南部分為適應(yīng)洪枯水量相差懸殊的特點(diǎn)(實(shí)測最大流量3620立方米每秒，最小流量不足1立方米每秒)，采用低堰閘壩形式，長113米，堰閘計(jì)28孔(始建時(shí)為32孔)，孔寬1.85～3.1米。其上設(shè)疊梁式閘門，洪水時(shí)開閘放水，可以增加泄量400立方米每秒，可降低上游淹沒損失。靠北部分為重力式攔河壩，長119米。攔河壩上游設(shè)置南北進(jìn)水口，兩側(cè)引水。北岸單孔進(jìn)水閘，在壩上游180米，閘寬2.6米。南岸雙孔進(jìn)水閘，在壩右側(cè)，閘寬分別為2.35米和3.35米。

木蘭陂上游河道寬130米，一出峽口河面擴(kuò)展，到陂前達(dá)210米左右，河寬水緩，極易淤沙。針對這個(gè)情況，在北岸建導(dǎo)流堤長150米，從上游到下游逐漸收縮；在陂的南端進(jìn)水口附近則設(shè)置沖刷閘，以制止進(jìn)水口的淤積。工程運(yùn)用幾百年來，陂前基本沒有淤積。

木蘭陂工程結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，陂體由花崗巖條石砌筑，每塊條石重量都在