_沁河广利渠古代水工建筑物初探

1984年12月水利学报SH{丁ILIX〔了EBAO第12期沁河广‘利渠古代水工建筑物初探’张汝翼(黄河水利委员会)广利渠是沁河下游的一个古老的灌溉工程.相传创修于秦代(前221一前206年),渠首引水工程称“仿口堰”,是用仿木建引水门,引水口称仿口(今五龙口).225年三国魏司马孚易木为石,改建引水口,称为石门.元初1261年王允中等修广济渠,建有坝取水枢纽.至1600一1700年逐渐形成七个引水口,七条输水渠的渠系布置,这七条渠叫广济、利丰、永利、广惠、甘霖、大利、小利渠.至195。年成立广利渠管理局,统一管理七条渠道.本文就古灌区的渠首工程、渠道工程和渠系建筑物等三方面作初步的探讨。一、渠首工程除元代以外,广利渠首工程基本土属无坝引水,这是我国古代常用的方法.举世闻名的都江堰、郑国渠等均属无坝引水.这里分三个方面叙述.(一)引水口位置的选择引水口从秦渠的杭口、石门、石斗门、利丰洞至今总干渠首,其位置基本相近.其它引水口(除广惠)也都在古称杭口,今称五龙口的地方.五龙口有优越的自然条件,位于沁河出山口,冲淤比较平衡,河床比较稳定,引水口岸地质条件较好,广济、永利、利丰、甘霖洞口都位于被沁河切割的石灰岩陡崖.五龙口又位于沁河冲积扇顶部,引水顺利.更重要的是引水口位置的选择,符合弯道环流的原图1!’一利渠引水日布咒理.七个引水口都选择在河道坚固的凹岸稍偏下游的位置.(见图l)我们的祖先,在二千年以前,就已经初步认识了弯道水流运动的特性,并巧妙地在工程实践中加以运用.那么,七个引水口中那一个引水条件最好呢?根据弯道环流原理,取水口宜设在弯道顶点以下,水流最深,单宽流量大,环流较强的地方.取水口的最优位置不仅与弯道半径和河道宽度有关,而且还牵涉到环流理论,推移质运动规律及侧面分水理论等.具体在五龙口还牵涉 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 的工程一量问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,牵涉到引水渠的退水泄洪、冲刷渠道淤积问题,牵涉到理论和实践的统一问题.(二)渠首布置1.无坝取水渠首布置形式广利各渠均为*本文系研究生毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 第三章缩写。导师:姚汉源。水利学报1984年一首制,布局各不相同,大致可以分为三种形式:敞开式:古杭口堰(杨木门)、石门、大利、小利河;隧洞式:广济洞、永利洞、甘霖洞、利丰洞;涵洞式:广惠引水涵洞,洪水时淹没于沁河水中.(1)敞开式敞开式为一般无坝取水布置形式,杭口堰布置在沁河凹岸下游出山口,河床逐渐开阔,引水条件不如上游涵洞,但工程简单,便于施工,它与古代技术水平相适应.无坝引水,只能引取沁河部分水量.当沁水枯小,不够引灌时,常在引水口下游修筑临时土堰.奎高水位,引取全部枯水流量.洪水来临便自动冲毁.敞开式无坝引水,用闸门调水与防洪,由于沁河水位变幅较大,一旦浊洪漫顶,容易冲毁渠首,淤废水道,淹没农田.司马孚改建拱型石门后,便增强了抵御洪水的能力.(2)隧洞式明末渠口上移,修建隧洞式引水渠首,引水水位较高,水流较深,环流较强,渠首闸室坚固,能抵御特大洪水的侵袭,但造价昂贵,施工困难,技术要求高.明广济洞(1600一1602年建)布置较好,为了引取沁河枯水,广济洞引水口设得很低,较今河底最深处仅高出8分米,引水闸后有70米长的石洞,洞后是37.6米长的深挖方石渠,这107.6米长的引水渠纵坡为千分之一,它与沁河主流的夹角大约为47“(据灌区1959年实测地形图).接着是40米长的浅挖方石渠,8翁米长的挖方土渠,引水渠总1_、,_,,.、___,_,,__、,_.⋯_‘1__‘长为8407米,纵坡为一浦子了.至许村东设退水河,长1300米,纵坡为二六二,¹用以宣‘、/7U’一’‘,、’毋、~/刁2500.~护”,J司、认~/J、’J’价-一丫z‘、’毋‘~/动140()’一产‘J仍一泄部分洪水,兼以冲刷引水渠的泥沙.(3)涵洞式广惠渠首(1568一1806年建)布置较特殊,引水口在沁北五龙口上游,凹岸稍下游,地名叫石梯的地方,渠首修成地堡式的引水闸室,引水渠自石梯至五龙口,依山傍水,由上而下,砌筑石涵洞“五百余丈”(今实测161。米),至下游沙河处设节制闸、泄水闸、退水河.灌溉时由涵洞输水;停灌时渠水由退水河泄入沁河,并借以冲刷引水涵洞中的泥沙.2.有坝取水渠首布置元代,沁河上修筑拦河奎水石坝,南岸建引水石斗门,北岸开减水河,形成有坝取水枢纽,这是沁河水利史上仅有的一次,其布置如图2.幽2元广济渠柔首有坝取水枢纽推测图第12期沁河广利渠古代水工建筑物初探(三)渠首枢纽工程1.有坝取水枢红元有坝取水枢纽有三个部分组成:石堰—拦河奎水石坝;石斗「1—引水石门;减水河—溢洪道.其中拦河奎水坝是枢纽的主体工程.(1)拦河奎水坝元代称作石堰的,相当拦河奎水坝,又为溢流坝,按建筑 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 分类,是砌石坝.据《元史·河渠志》记载,这个坝的规模较大,“石堰长100余步,阔三十余步,高一丈三尺.”折算成米制,约长200米,宽60米,高4.3米º.元人考虑大坝的稳定性,将坝修得较宽,此坝经受洪汛的考验,历二十余年.因此大坝的安全 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 是比较成功的.根据现代河床情况,利丰口沁河横断面中,河底最深处与岸边高程相差大约4米左右.则石堰顶,大概与当时的高滩面差不多.(2)渠首引水闸元称石斗门,闸上有桥,故称为石斗门桥.“石斗门桥高三二丈,长十步,阔六步.”折今分别约6.6米,20米,12米¿.石斗门桥的高度,大概是相对引水闸底而言.为引取沁河枯水,引水渠首段应是挖方.石斗门桥较长,近20米,引水闸似不止一个,推测可能有两个,以便节制引水.(3)溢洪道元减水河,相当今溢洪道,起到分泄水势的作用.据IF)59年实测,利丰口沁河宽约1”多米,沁河五龙口段,河床冲淤较均衡,假设河宽古今变化不大,则石堰的长度,大致与当时沁河宽差不多.因此减水河是在沁河北岸增开的,与《元史·河渠志》所载相符.拦河奎水坝建成后,沁河河道自然状态可能发生那些变化呢?由于沁河是多沙河流,五龙口又位于沁河出山口,每至汛期,洪水湍急,携沙带石,由于奎水坝的作用,沁河上游水位抬高,水深增大,流速减小,推移质泥沙砾石便淤积在坝前.元代有坝取水枢纽没有冲沙闸,引水口易淤积,且不能调节上游水位,遇到特大洪汛,“岸北虽有减水河道,不能吞伏.”以致“荡没田禾”,最后只得堵闭石门.以上缺陷是由于当时技术水平的限制,我们不能苛求古人.总之,元有坝取水工程的兴修,是引沁灌溉史上一大壮举,值得我们很好地总结,以便为今后的水利建设提供有益的历史借鉴».2.无固定坝的取水枢纽工程敞开式无固定坝引水,取水工程较简单,这里主要讨论隧洞式取水枢纽.(l)隧洞式渠首工程隧洞式渠首工程由两个部分组成:引水隧洞和渠首闸门工程.广济渠渠首闸门工程,明人袁应泰写道:“广济洞渠石闸一座,两空,每空流水高四尺,阔五尺六寸.闸北面宽三丈二尺,高三丈,望水门二座,东西角门二座,上栏杆十·空,闸板、铁索、滑车俱全,闸夫看守¼.”广济洞有两个引水口,两个启闭IfoJ,这样有利于维修,有利于调节水量.闸北迎水面垒石砌筑“高三丈”(实测10米),“宽三丈二尺”(实测10.67米),籍以抵御洪水.砌石选用方正料石,关键处,如引水口压顶的雕刻龙头的巨石、引水闸顶盖板石和栏杆下砌石,都是一立米左右的巨石.望水门两侧有石猴,门内是启闭闸门的工作室,东西侧有角门.室顶铺平台以望远,迎水面砌栏杆.平台靠山坡,有一小石洞,即袁公祠,天启二年(1622年)建½.广济洞有两个对称的引水闸室,启闭闸室分三层:底层是引水孔;中层停放提升的闸板;上层是工作室,层间有阶梯,见图3,图示闸室尺寸为实测数.工作台面为现混水利学报1984气凝土地面,较原木板层为高.引水闸孔淤塞,其尺寸据碑记.闸板是由两条铁扁担串联的活动木板,铁扁担长2.22米,宽6.5厘米,厚2.5厘米,一头有2厘米直径的圆孔,用以连结铁索.所谓滑车,就是能自由转动的一根坚实的圆木(多用桑木),圆木支撑在石墩上,中间有钻孔,以便承插启动滑车的铁棍.依靠滑车的正反转动,卷紧或放松铁索,升启或降落闸板.广济渠的榆水隧洞,袁应泰仅说:“石洞长二十一丈,底阔一丈二尺,高一丈.”经考察,石洞断面,宽窄不一,近河50余米为坚石,断面狭窄;出山口20余米,石质疏松,断面扩大,洞尾10米左右,有一通天孔,用以清除石渣.洞内上窄下宽,下部又似嘴唇形,据说这是让广济洞充分吮吸沁水.70米隧洞并非笔直凿通,明显有两次小的弯曲,这可能是古人测量误差造成的,或是故意修成弯曲形.例如广济等引水渠,都修成曲折蛇形.隧洞顶壁除滴水造成的圆洞外,都密布凿石留下的痕之口.。口夏丈00玫夕0只一一~1一—石工丈一自、止上一一石板}!一乙四健健健健健健健健lllll且且且咨咨了了了了了了了了了了了了了了工工作台台台}______________山岩岩止,了SSSSSSS}}}「-.rrrrrrr仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr干干干干干开开开开二二二二二」」」」尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸B},。,入气气剖两}A乃一B六!}面图3广济洞一个闸室剖面示意迹,在宽窄断面过渡的顶壁,尚有陷留在石缝中的凿子数把,至今难以摇动.广济洞工程中凝聚着我国古代劳动人民的智慧、毅力和希望.不仅有符合现代水工科学原理的布置,而且有雕刻艺术水平很高的龙头石刻,据灌区老同志介绍,当年启闸引水,水面形成收缩,好似巨龙吸水,不但有形,而且有声,沁水入洞经收缩,发出咕咕的响声.其它隧洞式渠首结构与广济相仿,永利洞较短,闸室稍小.左侧为总干渠渠首,原利丰洞址.甘霖洞最长,工程最艰巨,200米隧洞全靠人工穿凿.穿山凿洞,不仅施工艰巨,而且需要解决许多技术难题.当时参与修凿广济洞的牛存喜¾,采用“量山探水法”、“穿地寻龙法”、“机法”等古代测施方法,解决了高程测量、凿洞定位、搬移巨石等关键性技术难题.可惜原记载简略,细节不详.(2)人工暗洞广惠渠首工程,闸室简陋阴暗,外表似地堡,大多用卵石白灰砌筑,没有望水门,引水设单孔闸,由于闸室低矮,至今仍保留着滑车、铁索启闭设施.旧式启闭,全靠人力,汛期常因关闭困难,浊水入渠,淤塞渠道,冲毁工程.二、灌溉渠道工程引沁古渠自沁河冲积扇顶五龙口引水,西北东南向,随地形高下,遍布沁河冲积扇.其布置,有四个明显的特点:(l)水渠规划,有引有退,有输有配,有灌有排,灌排两用,以利泄洪退水,以利冲刷引水渠和输水渠的泥沙;(2)渠道大多根据地形而曲折,达到纵坡通顺和减少工程量,渠系分水,分水角度较小,以求水流平顺;(3)就整个灌区来说,多口引水,多渠输水,各渠灌溉不同高程、不同范围的区域,灌溉时可减少用节制闸来抬高渠水,以防淤塞.以上特点适应沁河含沙量大、地形复杂的情第12期沁河广利渠古代水工建筑物初探况,多渠引水,还有利于解决不同政区争水的矛盾.(4)利用古代废弃的天然河道或旧渠,稍加整修,用作灌排渠道,以节省工程量.此外,灌区的排水是靠区域内的天然河道,如古济水、醋龙河等,局部积储,低洼涝碱历代都有.三、渠系建筑物古灌区地形复杂,渠网密布,水道交叉,渠系工程配套完善,下面主要讨论河渠立交建筑物、水闸、分水石等工程.(一)河渠立交建筑物明清时共有十一处:渠道间交叉有四,渠道跨天然水道,采用砌石涵洞架石渡槽的有六;修石涵洞穿天然河道的有一1.架桥与阴洞现存志书中记载较早的是丰捻跨广济的立交工程,高渠上工程称架桥,今称渡槽,低渠上的称阴洞,即今涵洞.其结构如图4.原工程已拆除,据碑文¼所载绘制,文载阴洞四孔,每孔“中高五尺一寸,阔四尺三寸,两头各高七尺五寸.”阴洞长二丈五尺.图中尺寸按一尺二0.32米计,其他尺寸参考1950年改建资料.图中甲一甲剖面,涵洞两头扩大,这是因为广济与丰捻两渠高差较小,所以涵洞较矮,过水承压,为了使水流平顺,阴洞进出口断面逐渐加大,现存利仁渠与广济减水河上立交建筑物也是这一收缩形式.据改建者回忆,古工程异常坚固,长方形青石,质地坚硬,凿纹细密,上下契合,并用白灰等浆砌,胶合紧密,改建中凿不开石缝,只得破石拆除.洲洲l1lIlil}脚沟石‘脚明明口口‘滩二二}}}}}⋯⋯;---甲一甘‘官叼l句{{{{{{{{{{{11一11}lll{{{{{{{{{{{{{{{一一一一叮叮叮叮{’川甲’.’’44444444444⋯一一一一一r-——,一一一:’’{{{{{{{{一一.一一iiiiiiiii!!!_________上上l___}}}}}}}}}:)呷11111!!!!!!!!!l,一一护位:众一⋯别‘⋯图4广济、丰捻涵洞和渡槽立交示意图阴洞很窄,一般修成数孔,土称“夹驴缝”,顶盖条石板,石料承压性能好,抗弯性能差,因此阴洞狭窄,过水能力差.另外渠水进洞,断面骤缩,阻力加大,水流塑阻;出洞则断面骤扩.水流发生漩涡,两侧受淘刷易损坏,解放初改建时加修了八字翼墙.广惠渠穿白润河涵洞工程,由于白涧河高广惠渠低,采用河底修砌涵洞的形式,稍有水利学报198峨年承压水头.创修时涵洞顶盖“平辅石板约五十丈”¿,每隔50米左右设一天井,以备检修用,进出口各修八字墙两座.广济、永利、丰稳过赌龙河立交工程,漪龙河为天然排水河道,高程较低,渠道过河采用下砌石涵洞,上架石渡槽的形式.(二)节制闸、泄水闸明人称节制闸为大河拦水闸,称泄水闸为减水闸,用以调节灌溉与泄洪水量,如广济渠在大许村有“大河拦水闸二空”,启闭设施大致类同渠首闸,安设滑车铁索启闭闸门,旧建筑物现已改建.(三)分水石、天平闸至分水闸明清广济等干渠与大支堰为续灌,多数时间为常流水,用分水石分水一下面介绍广济渠七里屯分水石的分水.袁应泰《广济河渠水利碑记》载:“广济河南万盈等十一堰口阔七尺三寸,北河永济等四堰口À阔五尺七寸,底帮各长十一丈,深四尺五寸,”见图5,本图据碑记并参考1950年整修图改画.分水石的设置是由堰口底石(也称水平石)的高低和堰口宽度不同,来确定分水比例.分水石的安置是通过地方官员、河渠公直(袁应泰修渠时,有功的乡民)后代,各堰堰长,会同勘定,分水基石的位置与高程,一经确定,便不能随便更改一古渠分水交角较小,以利水流平顺,分水均匀,对建筑物损害也小.—牙三侧IJ户JIJI年向田单位,尺C明制水图5明厂济渠七里屯分水石分水复原图干支渠用分水石分水,又逐渐加设闸门控制的,称“太公闸”,或“天平闸”,意谓分水公平.大概是用迭梁式闸门,同时加减闸板,仍能保持一定分水比例,所以称为“天平”.由于增设了闸门,再加砌上游段闸墙,不但能调节上游水位,而且能按不同比例为下游配水,从上可知,分水闸是由分水石演变而成,用以分配支干渠流量.现代所称分水闸,是指支渠进水闸.(四)堰头、阴洞—支、斗渠进水闸明清时,各堰“均修有堰头”,堰头即今支渠上的进水闸,各堰分出的支渠,大约一百步砌筑一个阴洞,阴洞相当今斗渠引水门.阴洞由石料砌筑,用木塞或小插板启闭洞口,据袁氏碑文:各洞有门,门上有锁.综上所述,明代有多种形式的河渠立交建筑物、各种水闸、科学而又简便的引水、退水、分水、配水工程.明以前的渠道建筑物缺乏记载,但从古灌区规模之大,得益之第12期沁河广利渠古代水工建筑物初探巨来推测,必然也是有的,如元代引沁灌溉到达孟县,则必然有跨济水的渡槽,北魏及其以前的朱沟水系,分支多而流程长,也必然有了分水配水工程.古代农田水利工程,还有待于进一步研究考证.引沁古代灌概工程,不仅功在当时,而且泽及后世,并随社会的发展而不断发展.今天,为实现四个现代化,温顾广利渠工程的演变,可供借鉴的工程技术有:1.成功的渠首工程引水口位置选择得比较合理,引水条件比较优越,明后期发展成多口引水,广济、永利等渠首,采用隧洞式引水,凿巨石建成坚固的引水闸室,以免洪水冲淹.广惠渠采用涵洞式引水渠首,汛前关闭引水闸门,汛期被淹没在沁河洪水之中.这种隧洞式与涵洞式渠首引水,在我国古代无坝取水中也别具特色.2.冲沙水道古渠的渠首布置,大多修有减水河,以便泄退漫溢的洪水,同时冲刷渠道中淤积的泥沙,加大渠水的流速来冲淤,这就有利于引浑水灌溉渠道的长期稳定.3.配水渠的分水工程一一分水石配水渠道之间的分水工程,巧妙地利用了分水石分水,修砌比较稳定的引水渠道,固定分水口渠底高程,采用合理的分水堰口断面尺一寸以及分水支渠之间的角度.这是符合水力学原理的简便易行的分水方法,减少了争水矛盾.4.施工技术值得提到的是明代杰出的水工牛存喜,他采用多种古代施工技术,解决了凿洞穿渠中有关高程测量、凿洞定位、搬移巨石等关键性技术问题.附注¹据195。年平原省水利局实测资料.明人袁应泰记:“石洞长二十一丈”,今测为70米;“石河长二十三丈”,今测两段石渠为77。6米;看来古今测数基本吻合,且袁氏所用明尺接近今尺。º元代尺度折算以一尺二0.329米,一步二6尺=1.98米,一里二144丈二475米.考证详见姚汉源:北京古城垣周长及其所用尺度考,水利水电科学研究院,1982年.»1962年新乡地区水利局曾设计《沁河五龙口滚水坝工程》,后来没有实施.¼袁应泰《广济河渠水利碑记》和《广挤渠申详条款碑记》载乾隆《怀庆府志》.½明杨之璋《袁公祠记》载乾隆《怀庆府志》卷兰十。¾乾隆《怀庆府志》卷二十三,人物·牛存喜传.¿萧应植《重开广惠河记》载乾隆《济源县志》。À广济渠七里屯分水,向北供广有、永济二堰,因永济旧分三堰,因此又称“北河永济等四堰口’。