拦河蓄水堰坝的设计与施工

拦河蓄水堰坝的设计与施工(一)古代拦水堰坝规模

世界历史上最早的堰坝出现在埃及和叙利亚。据说，早在公元前2900年前，埃及就在考赛施(Kosheish)的尼罗河上修建高约15米，长约450米的重力砌石坝，其目的是为了保护位于下游20千米处的埃及第一王朝首都孟菲斯城的安全。最早的堆石坝是在公元前1319年～前1304年建造于叙利亚霍姆斯城附近阿西河(Asl)上的水坝。坝高6米，长2000米，一直到现在还在使用。最早的砌石拱坝建于公元前2650年，位于开罗以南30千米的杰赖维干河(WadiGarawi)上，名叫异教徒坝(Sadd-el-Ka{ara)，该坝1临水面和背水面各有一道底宽24米的砌石，中间填充一道36米厚的土质心墙，坝高12米，坝长108米，此后毁于洪水，至今还残存有一段坝体①。

我国最早的堰坝起源于何时，未见明确记载。《国语•周语下》说，禹和四岳治水时，即采用“陂障九泽”的措施。陂障即堰坝，可见起源也较早。古代第一本词书《尔雅•释水》中对水中洲渚解释说：“水中可居者曰洲。小洲曰渚。小渚曰沚。小沚曰坻。人所为为潏。”即人工建造的水中建筑物叫作潏“。汉人刘熙在《释名》一书中，有进一步解释：“小泜曰汦(同坻)。泜，迟也，能遏水使流迟。人所为之曰潏。潏，术也，堰使水郁术也。鱼梁水碓之谓也。”既然是作为鱼梁和水碓的附属水工建筑物，潏当是专指束窄河道的堰，而非拦断河流的坝。这是最早著录的堰、坝名词。

古代早期大型堰坝遗存当属今安徽省寿县的芍陂。芍陂是利用天然洼地的地形，在其低处筑坝，形成可灌田万顷的大型蓄水水库。芍陂建成于春秋末年的公元前597～前591年间，为楚令尹孙叔敖所为。后代芍陂改名安丰塘，塘堤周长24.3千米，仍是当地的大型灌溉水库。1959年维修安丰塘时，曾出土汉代草土混合桩坝。芍陂近似平原水库，堰坝高度较低。战国前期，公元前453年晋智伯水攻赵襄子于晋阳(今太原市南)，曾在晋水上“防山以水之，城不没者三版”②，这座建在山谷的堰坝当有较大的坝高。唐代开元二十七年(739)前数年，“玄宗患谷、洛(水)岁暴，耗徭力，诏(李)适之以禁钱作三大防，曰上阳、积翠、月陂，自是水不能患”③。这是三座以防洪为主要功能的水库，坝高未见记载，至少也应有一二十米之多。在未引进新型水泥建筑材料之前，古代蓄水堰坝规模大致如此。

(二)古代拦水堰坝的类型

堰坝的形式随其功用、规模和兴建时代的不同而有变化。海塘形制和施工有其特点，另有专节记述。

1．透水堆石堰坝

①蒋超编译，筑坝工程简史，水利史研究室五十周年学术论文集，中国水利电力出版社，1986年，第322页。

②北魏•郦道元：《水经注》卷6，晋水注，巴蜀书社王氏合校本，1985年，第161页。

③《新唐书•李适之传》卷131，中华书局二十四史本，第4503页。

在农田引水灌溉渠首处，为抬高引水高程，以使下游渠系自流灌溉，往往筑坝伸入河中，拥高水位，在坝上游开渠引水。在捕鱼和利用水力驱动的提水和加工机械处，为增加河水流速，也常使用，称作鱼梁。《诗•谷风》中有：“毋逝我梁，毋发我笱”①句。其中笱是捕鱼的竹笼。梁是建于河岸一侧，伸入河心的堤坝，以缩小过水断面，提高放置竹笱一侧的水流速度。由于此坝的主要功用在于拥高水位或提高流速，而不在于蓄水，因而，往往用透水的竹笼卵石构筑。

农田引水灌溉渠首的堰坝，在元代也称作水栅。王祯在其所著《农书》中罗列了两种水栅形制，其中小型者：“当流列植树桩，桩上枕以伏牛(竹笼卵石的别称)，擗以拉木。仍用块石高垒，众楗斜撑，以邀水势，此栅之小者②。”大型水栅则改用木柜装卵石构件代替较小型的竹笼卵石，以增加稳定性。其制“乃深植桩木，列置石囤，长或百步，高可寻丈，以横截中流”③。见图4—20。这种农田灌溉的有坝引水形式至今仍在农村广泛应用。

图4-20水栅与大水栅

（选自王祯《农书》）

①《诗经•谷风》，十三经注疏本，中华书局，1979年，第304页。

②，③

元•王祯：《农书》卷18，万有文库本，第352页。

《农书》记载的水栅是农田小型灌溉工程上的通常做法。在大型工程上也有类似的形制，并且堰坝是拦河修建的。曹魏嘉平二年(250)征北将军刘靖驻守蓟城(今北京城区西南)，曾在今北京石景山筑戾陵堰，引永定河灌溉。见图4-21。《水经•鲍丘水注》对其工程布置有所介绍。戾陵堰修有一道拦河坝，在坝上游建有一座砌石引水闸门，引永定河水入车箱渠，下灌今北京至通州农田2000顷。拦河堰采用石笼结构：“长岸峻固，直截中流，积石笼以为主遏，高一丈，东西长三十丈，南北广七十余步”①。石笼是木笼或竹笼装石。累砌石笼做成堰体。水小时引水直入车箱渠。水大时则漫坝溢流。不过，由于木笼或竹笼均易腐朽，维修起来不像小型工程那样便当。

图4-21戾陵堰布置及坝体尺寸示意图

以上所说水栅和石笼都是坝体允许透水的建筑物，而在蓄水工程上，坝体则不能透水。以下几种堰坝形制，都是不透水的堰坝。

2．土质堰坝及防冲设计

考古发现多处原始公社的村落遗址附近建有蓄水陂塘。《周礼•稻人》作为国家法典规定：“稻人掌稼下地，以潴蓄水，以防止水，以沟荡水……”②其中潴即水塘。防即堤坝。太湖地区塘堤，因塘浦较宽，又有船只航行，为抵御水浪冲激，堤塘往往由三部分组成：堤身一般底宽八尺，面宽四尺，高度一般在平均水位以上一尺。堤身之内(背水面)另有宽丈许的抵水，以巩固堤身和减少塘水向耕地的绕渗。抵水之上可以栽种桑麻，顶高也较堤身稍低。堤身临水面为抵御风浪冲激，可以栽种茭芦，也可以用石块包砌，称作挡浪。更有在堤身之外一二丈处另修木栅防护(称作外护)，则益臻巩固③。

临湖的土堤也有防浪问题。洪泽湖东面的高家堰是明清间实行“蓄清刷黄”治黄方略的关键工程之一，堰身除有石堤3000丈外，其余均为土堤。湖面宽广，风浪冲刷是对土堤的重大威胁。明代万历年间在临水土堤实行“帮护之法”，其措施是：“于冬春间桩内帖席二层。紧捆草牛，挨席密护，毋使些须漏缝。然后实土坚夯。则是以桩席护草牛，以草牛护土，浪窝何从得来。”④即临水面打一排木桩。木桩之后紧帖两层席片。席片之后则是以柴草捆扎的草牛。再里层则接土堤。有木桩、席片和草牛抵御风浪对土堤的冲刷，“浪窝何从得来”?不过，席片、草牛易朽，维护不易。

清康熙年间靳辅对土堤防浪主要依靠在迎水面修建坦坡。他认为：“水，柔物也，惟激之则怒，苟顺之自平。顺之之法，莫如坦坡。”⑤他所设计的消浪坦坡坡度为1:8。而且，为防止风浪对坦坡的淘刷，每年都要向其上填土。他还设想：“离堤百丈内必渐垫而高，因丛植柳、芦、茭、草之属，俟其根株交结，茂盛漫延，则虽狂风动地，雪浪排空，不能越百余丈茂林深草而溃堤矣。”①

①北魏•郦道元：《水经注》，卷14，鲍丘水注，巴蜀书社王氏合校本，第266页。

②《周礼•稻人》，十三经注疏本，中华书局，1979年，第746页。

③

明•顾炎武：《天下郡国利病书》卷17，江南五，志载堤水岸式。

④

明•潘季驯：《河防一览》卷3，水利珍本丛书本，第81页。

⑤清•靳辅：《治河方略》卷2，水利珍本丛书本，第70～71页。

3．草土堰坝

公元前6世纪末兴建的芍陂，在东汉初年曾进行过大规模修复工作②。1959年5月安徽文物工作队曾在安丰塘越水坝地方发掘出汉代兴建的工程遗址，其中有一座设在塘堤上的泄水堰坝。堰坝系草土结构。在泄水沟的生土面上是一层砂礓石。礓石层之上是层草层土逐层叠筑的堰身。堰身中竖直签插入一排排整齐有序的栗木桩，桩尖穿过礓石层深入生土层内。草层顺水流方向铺设，厚度基本相同。土层的泥质纯净，不含沙，灰黑色，黏性很大。堰坝本身高度约2米，虽未夯实，也很牢固③

黄河埽工构筑的是大型草土堰坝，其形制和施工方法都更为复杂。参见本书第五章第二节。

4．砌石堰坝

砌石堰坝是古代大型永久性堰坝的主要形式。其起源尚不清晰。《汉书•沟洫志》中谈到黄河自汴口以东有多段石堤，当时人以堤防坚固而称之为金堤④。但从《水经•河水注》中看，这些石堤似是堆石堰坝，例如汉安帝永初七年(113)“令谒者太山于岑于石门东积石八所，皆如小山，以捍冲波，谓之八激堤”⑤，此后“顺帝阳嘉中(132～135)又自汴口以东缘河积石为堰，通渠”⑥，都使用的是积石而非砌石的措词。此堰是挑水坝作用，古代一般也不使用复杂的砌石结构，而是以竹笼或木笼块石作为构件构筑的⑦。

考古勘探的大型砌石水工建筑物最早的兴建于唐代。位于浙江省鄞县境内鄞江上的它山堰始建于唐代太和七年(833)，其拦河大坝是早期砌石水工建筑之一。它山堰主体工程是一座长42丈的拦河溢流坝。溪水被坝壅高后，从坝上游的干渠自流进入灌区。洪水期间，则漫坝向下游溢流。参见图4—22。这种溢流坝对坝体抗冲刷性能要求高，因此常常选择砌石坝的形式。

宋代魏岘对它山堰堰体结构有如下描述：“堰脊横阔四十有二丈，覆以石板，为片八十有半，左右石级各三十六，岁久沙淤，其东仅见八九，西则皆隐于沙。堰身中定(空)，擎以巨木，形如屋宇，每遇溪涨湍急，则有沙随实其中，俗谓护堤沙。水平沙去，其空如初。土人以杖试之，信然。堰低昂适其广狭中度，精致牢密，功侔鬼神，与其他堰埭杂用土石竹木砖藤，稍久辄坏者不同”⑧。在宋代维修时，砌石之间的固结采用“冶铁而固之”⑨的方法，使成整体。1995年维修它山堰时，对堰体使用数字地震仪进行物理勘探，其结果与记载不尽相符。

①清•靳辅：《治河方略》卷2，水利珍本丛书本，第70～71页。

②《后汉书•王景传》卷76，中华书局二十四史校注本，第2466页。

③殷涤非，安徽省寿县安丰塘发现汉代闸坝工程遗址，文物，1960年1期。

④《汉书•沟洫志》卷29，二十五史河渠志注释本，第30～31页。

⑤北魏•郦道元：《水经注》。

⑥北魏•郦道元：《水经注》卷5，巴蜀书社王氏合校本，第122页。

⑦在大河中水流速度大，散石易被冲走，必须由较大重量的构件来构筑。南北朝时，后赵建武年间(335～348)石勒欲在今河南延津县架设过黄河的浮桥。“采石为中济，石无大小，下辄流去，用工百万，经年不就”(《水经注》卷5)，就是用散石修筑桥墩失败的例证。

⑧宋•魏岘：《四明它山水利备览》卷上，丛书集成本，第2页。

⑨宋•魏岘：《四明它山水利备览》卷上，丛书集成本，第8页。

图4-22它山堰平面布置图

图4-23它山堰典型剖而（单位：米）

物探结果表明，堰体中部最大高度仅为3.85米，靠近两岸变薄至2.0米。条石砌体之下为黏土夹碎石层和砂砾层，共厚3.7～6.4米，此下则为砾岩。石堰修建有四点富有创造性的进展：①石堰底部向上游倾斜，倾角约为5度。据分析，因此可提高抗滑稳定性能一倍以上；②砌石体下的黏土夹卵石层向上游延伸10～15米，可能是利用黏土透水性小的性能所铺设的上游防渗铺盖；③黏土中夹有卵石，增加了土的抗剪强度；④堰体消能采用多级护坦方式，与近代水力学的分散消能原理相吻合①。见图4-23。

木兰陂是北宋建造的著名大型石砌引水灌溉工程，位于福建省莆田县，由于木兰溪源短流急，加之台风暴雨频繁，洪水凶猛，建堰难度极大，先后经三次方才完成。第三次施工也历时八年(熙宁八年，1075一元丰六年，1083)。该工程引木兰溪水灌田万顷。渠首枢纽由拦河坝和输水渠组成。

拦河坝在县城西南4千米的陂头村，全长232米，高7.25米。其中靠南部分为适应洪枯水量相差悬殊的特点(实测最大流量3620立方米每秒，最小流量不足1立方米每秒)，采用低堰闸坝形式，长113米，堰闸计28孔(始建时为32孔)，孔宽1.85～3.1米。其上设叠梁式闸门，洪水时开闸放水，可以增加泄量400立方米每秒，可降低上游淹没损失。靠北部分为重力式拦河坝，长119米。拦河坝上游设置南北进水口，两侧引水。北岸单孔进水闸，在坝上游180米，闸宽2.6米。南岸双孔进水闸，在坝右侧，闸宽分别为2.35米和3.35米。

木兰陂上游河道宽130米，一出峡口河面扩展，到陂前达210米左右，河宽水缓，极易淤沙。针对这个情况，在北岸建导流堤长150米，从上游到下游逐渐收缩；在陂的南端进水口附近则设置冲刷闸，以制止进水口的淤积。工程运用几百年来，陂前基本没有淤积。

木兰陂工程结构坚固，陂体由花岗岩条石砌筑，每块条石重量都在