水利科技史之飞沙堰——应用弯道环流侧向排沙理论的实例

    岷江是一条推移质泥沙含量大的河流。位于岷江出山口下游的都江堰能够成功地运转两千多年，重要的经验是历代遵循着“深淘滩，低作堰”的六字诀，其中“深淘滩”指的是每年春天要按照经验高程，疏浚鱼嘴前面凤楱窝一带的内江河床；而“低作堰”则是强调控制内江右岸鱼嘴下游飞沙堰的高程。近代的经验一般规定飞沙堰堰顶高程只需高出河床2米左右，以免影响飞沙堰的排沙效果。

    飞沙堰之所以能够飞沙，是由于利用了这段弯曲河床形成的弯道环流的缘故。岷江主流至都江堰鱼嘴处，水流被一分为二。左侧的水流进入内江，沿着凹曲的左岸运动，形成一个曲率半径约为800米的弯道。见图2-25。在弯道水流中，由于离心力的作用，河水在凹岸一边的水位高于凸岸一边的水位，因此在河床横断面上就形成了左右岸的水位差。同时，由于水流的纵向流速从水面向河底逐渐减小，因而不同水层的水体在作曲线运动时，所要求的向心力大小不一样，这又加强底部水流进一步向凸岸方向移动，由此造成了底层水流向凸岸，表层水流向凹岸的横向环流。横向环流与纵向水流叠加在一起，便构成了弯道中的螺旋流。螺旋流导致水流的横向流动和泥沙的横向搬运①。见图2-26。而都江堰的飞沙堰恰恰设置在这个弯道的下游凸岸，高程又较低，因此在大水期间，飞沙堰不仅可以侧向溢流，以保证内江宝瓶口进水不致于过多；而且利用弯道水流的横向输沙作用，还可以加大飞沙堰排沙量，减少进入宝瓶口的沙卵石，减轻灌区和风棲窝处的清淤负担，可谓一举两得。

    实测资料表明，飞沙堰的飞沙效果随着岷江流量的增大而增加。当岷江水量达到1600立方米每秒时，飞沙堰的分流比为40﹪，飞出的卵石占70﹪左右。当岷江流量超过2200立方米每秒时，飞出的卵石接近80﹪②。飞沙堰飞沙的能力惊人，1966年竟有一块重约2.8吨的混凝土块自飞沙堰飞向外江。可见飞沙堰对减少灌区淤积作用之大。

    飞沙堰的设置及管理经验的总结至少可上溯至1500年前。据明代曹学佺(1571～1664)《蜀中名胜记》所征引的《水经注》佚文：“江水又历都安县……李冰作大堰于此，立碑六字曰：深淘滩，浅包堰。堰者，于江作堋，堋有左右口，谓之湔堋堰。”③此堰即后代之飞沙堰。飞沙堰堰顶高程的控制是有经验数据的。北宋年间飞沙堰又称侍郎堰，堰顶高程的控制方法：“岁作侍郎堰，必以竹为绳，自北引而南，准水则第四，以为高下之度。”④至于淘滩的标准，在明正德年间规定，疏浚沙石至河底埋设的铁锭为准。
    ①钱宁、张仁、周至德，河床演变学，科学出版社，1987年，第129页。
    ②  都江堰管理局，都江堰，中国水利电力出版社，1986年，第98页。
    ③  明?曹学佺：《蜀中名胜记》，重庆出版社，1984年，第79页。其中“立碑六字曰：深淘滩，浅包堰。堰者”等十三字今本阙。陈桥驿认为，此为《水经注》佚文，参见《水经注研究》，天津古籍出版社，1985年，第495页。
    ④《宋史?河渠志五》，二十五史河渠志注释本，第168页。

    都江堰“深淘滩，低作堰”六字格言不仅在渠首飞沙堰处应用，历史上都江堰下游渠系各分水口，都是由不同规模的分水鱼嘴组成，同样利用河床弯道进行排沙，以减少引水口下游的淤积。