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都江堰水利工程原理讲解

发布于:2021-08-09 来自:水利工程/水利工程设计 0 25 [复制转发]


都江堰水利工程不仅在四川在全国甚至整个水利历史地位中到占有举足轻重的位置,它的整个设计遵从的是道家因势利导的哲学思想,采用科学的方法按照河流动力学的基本原理发挥着防洪灌溉的作用,成就了成都的天府之国的美誉。《南水北调与水利科技》的小编特地从网上搜罗来了资料,给大家实力科普一波!若有机会身临其境,想必会更好的感受到老祖宗们的智慧!  


工程修建背景


岷江发源于四川北部的岷山,是汇入长江的重要支流之一。岷江口是长江中上游的分界点,岷江水流量大、流速湍急。每当春夏山洪暴发的时候,江水奔腾而下,从灌县进入成都平原,由于河道狭窄,古时常常引发洪灾,洪水一退,又是沙石千里。而灌县岷江东岸的玉垒山又阻碍江水东流,造成东旱西涝。  


 

公元前316年,秦惠文王采纳了大将司马错“得蜀则得楚,楚亡则天下定矣”的军事主张,举兵灭掉了蜀国。  


 

公元前280年的秋天,秦灭蜀30年后,大将司马错在蜀国的首府成都齐集10万人马,以一万艘战船的浩荡之势从岷江上游出发,顺水进入长江,南下东攻楚国,然而在夺取了楚国的商於,也就是今天的重庆涪陵之后,军队却因为粮草和兵马不能及时补充,在商於陷入了瘫痪,无法继续深入楚国,这次战争的失败暴露了秦国利用蜀国作为攻楚跳板的缺陷。因为当时训练士兵,打造兵器,征集军需物资,主要是在蜀国的中心成都,可是造船和起运却要在岷江上游的汶山进行,兵马从成都到岷江运输码头至少要经过50多公里的陆路行进,粮草从成都出发也需要数以百万计的劳工经过沿途装卸的艰难才能到达码头,这样一来就很难在作战中及时的补充兵员和物资。  


 

公元前272年,30岁的秦国人李冰奉秦昭王之命,一路艰险来到蜀郡担任郡守,按照秦国的耕战文化和司马错的军事思想,这位青年郡守要把自己的属地建成秦国统一天下的战略基地,而当时秦楚两国也已形成了剑拔弩张的对立局面,所以把岷江改道,引水经过成都,使其真正成为一条战争补给线的计划实施,最终历史性地落在了他的肩上。  

主体工程      


     


(一)第一期工程:宝瓶口


注:修建宝瓶口的目的主要是想将岷江江水分流部分进入成都平原,防洪减旱。



     
工程:        

以烧石开山为主的传统办法, 把石头烧破裂以后, 将碎石推入江中, 形成水道, 因而建成了宝瓶口。玉垒山向西伸进岷江的这一块山尾巴,用人工开凿岩石,给拦腰截断,形成一个向东的分水口,也就是都江堰工程的第一部分宝瓶口,留在江心的那一块山体,就叫做“离堆”,有了宝瓶口,岷江一分为二,可以分一部分江水向东,灌溉成都平原了。  


 

分析:
       
  1. 热胀冷缩原理” ——宝瓶口修建时由于那时还未发明炸药,必须采用人工开山的办法,而当时的人们能想出用火烧石,利用热胀冷缩的原理加快工程进度,是一个很了不起的科学方法。

  2. 弯曲河道的水流运动及河床演变 ——弯道水流的动力轴线,主要特点: 在弯道进口段或上游过渡段,偏靠凹岸;随水位流量变化,主流线低水傍岸,高水居中。所以在枯水期水流傍向凹岸宝瓶口水量不足。


(二)第二期工程:鱼嘴        

       

注:在宝瓶口修建之后,虽然起到了一定程度上的分流和灌溉的作用,成都平原干旱得到一定缓解,但是由于东都地势较西部高江水难以流入宝瓶口,因此开始进行二期工程鱼嘴。  


     
工程:        

在枯水期,江水不爱往东而流,成都平原得不到灌溉。于是在江心的“离堆”向上游方向,修筑一个几百米长的大堤,这个大堤就叫做“金刚堤”,金刚堤迎着上游江水的头部,就叫做“鱼嘴”。从“鱼嘴”到“离堆”之间的金刚堤,就等于把岷江水进一步一分为二,西面的原有岷江河道,叫做“外江”;东面的河道,叫做“内江”。其中“内江”有人工导流渠的意思,每年到了枯水期,就组织人工,对“内江”进行掏挖,挖得比外江低,这样,就解决了枯水期江水不爱流入宝瓶口的问题。同时,内江在凹岸,外江在凸凹又刚好解决了泥沙淤积问题。  


       
分析:        
  1. 悬移质泥沙的紊动扩散理论 ——含沙量分布上稀下浓,分布不 均,重力使得下沉,淤积作用明显;扩散使其悬浮,冲刷增强;

  2. 弯曲河道的水流运动及河床演变 ——水流作曲线运动,由于离心力作用水面产生横比降形成封闭环流,表层水流流向凹岸,底层向凸,这一环流叠加在主流上,形成螺旋流; 所以内江在凹岸,江水的表层清水会抢进内江;而江水的底层浊水就会流入凸岸的外江。这就在很大程度上解决了泥沙淤塞内江的问题。


     
(三)第三期工程:飞沙堰        

注:鱼嘴工程修建之后解决了枯水期问题和丰水期部分泥沙问题,但是在丰水期可能给内江造成径流过大以及泥沙对内江的淤积,于是修建飞沙堰。堰和堤的共同点都是挡水,但其不同在于:堤,必须保证水流不得漫过;堰,就是又档水还又让水能漫过去。  


     
工程:        

飞沙堰实际上是在金刚堤最靠近离堆的地方,故意留出一段凹槽,宝瓶口很狭窄,在丰水的季节,内江的水位必然涨得很高,那么,高出来的水,就全都从飞沙堰漫过去,流回到原来的水道,也就是外江了,这就保证丰水季节大水不至于淹了成都平原;另一个妙用在于,宝瓶口上游内江东岸是“S型”的,大水冲到这里,直接撞到半挡着的玉垒山体岩壁,就会翻滚,下层泥沙翻上来,翻过飞沙堰,翻到外江里。这又解决了剩余泥沙的淤积问题。据说几吨重的大石头都会翻滚过去。  

分析:        
  1. 悬移质泥沙的紊动扩散理论:含沙量分布上稀下浓,分布不均,重力使得下沉,淤积作用明显;扩散使其悬浮,冲刷增强。

  2. 弯曲河道的水流运动及河床演变——顶冲点(主流开始逼近凹岸的位置)冲击凹岸形成漩涡,低水(含沙量大)上堰过飞沙堰,高水(清水)下挫流入宝瓶口,这又在很大程度上解决了泥沙淤积的问题,水量遇到排沙越明显。


     
河流机理总结            
(一)河流四六分水      

(枯水期内江六成,外江四成,进行灌溉;丰水期内江四成,外江六成,避免洪灾)


     

     
(二)弯道环流,清水流向凹岸,浊水流向凸岸            


弯道处横断面形状


弯道处横断面水流状态


形成弯道环流


弯道环流造成泥沙的运动1


弯道环流造成泥沙的运动2


弯道环流造成泥沙的运动3


最后形成清水向凹岸流,浊水向凸岸流


     
历史发展过程            
(一)创建期        

有关都江堰的创建,最早见于西汉司马迁的《史记·河渠书》,“于蜀,蜀守冰凿离碓,辟沫水之害,穿二江成都之中。此渠皆可行舟;有余则用概浸,百姓飨其利。至于所过,往往引其水益用概田畴之渠,以万亿计,然莫足数也。”'此后,班固的《汉书·沟洫志》、应劭的《风俗通义》、常璩的《华阳国志》都有详细记述。所谓“凿离碓”,指的应是开凿都江堰的宝瓶口这一工程。“壅江作堋”,根据一些学者的研究,即指的是类似分水鱼嘴的工程。可见都江堰在创建之初,可能只有两个工程一一分水鱼嘴和宝瓶口,重要的溢洪工程一一飞沙堰在创建时期还未出现。并且,李冰在主持修建都江堰的时候,他考虑这项工程所要发挥效益依次是防洪、航运和灌溉。创建期的都江堰,主要是分水鱼嘴(也称“堰”)和引水的宝瓶口,还没有形成一个完善的互相影响的水利系统,但此时的都江堰因分水鱼嘴与宝瓶口组合在一起仍可发挥综合性效益,这一点在文献[9]中也有说明。
 


 

(二)逐步完善期(汉代至唐代)        

西汉文帝时期,文翁任蜀守,史载他“穿湔江口,溉灌繁田千七百顷” 。“穿湔江口”的工程不仅使得都江堰的灌概面积扩大,保证了成都平原西北部的灌概水源,而且也使得都江堰的内江水系与论江相联,都江堰的作用由此进一步提升。东汉时,都水掾的设置,显示出国家直接参与都江堪工程的管理,都江堰及灌区的维持与发展得到保证。三国时期的蜀,由于要大力发展经济,统治者对水利的重视尤其体现在加强对都江堰的管理上,不仅在都江堰置堰官,而且还派军队驻守,以保证对都江堰的有效控制。西晋时,在蜀郡同样设置有专门负责灌概用水调度的官职,如蜀渠都水行事、蜀渠平水、水部都督等,可见中央政府十分重视都江堰的的重要作用。晋代左思在《蜀都赋》中写道:“指渠口以为云门”,同时代的刘逵注说:“李冰于岷山下造大堋以壅江水,分散其流,概灌平地,故曰‘指渠口以为云门’也。”成书于北魏时期的《水经注》在引用以上史料的同时还补充:“李冰作大堰于此,壅江作堋,堋有左右口,谓之湔堋,入郫江、检江,以行舟” 。从这些记载来看,魏晋南北朝时期的都江堰,其渠首工程应包括堋(相当于鱼嘴)、渠口(宝瓶口)、内江引水渠以及内江各干渠的进水口,同时,由时人对都江堰的认识也可以看出,这时期的都江堰渠首各工程之间的关系更加紧密,都江堪工程本身也日趋成为一个系统工程。至唐代时,有关都江堰的记载更加详细,《元和郡县志》卷三十一《剑南道上》彭州导江县(今都江堰市)条:“楗尾堰,在县西南二十五里。李冰作之,以防江决。破竹为笼,圆径三尺,长十丈,以石实中,累而壅水。”'《新唐书·地理志》也记载说:导江“有侍郎堰,其东百丈堰,引江水以溉彭、益田,龙朔中筑。又有小堰,长安初筑。” 唐代的都江堰渠首工程有楗尾堰(相当于鱼嘴)、侍郎堰、百丈堰,不过这里的侍郎堰、百丈堰不一定就是指的今日的飞沙堰和鱼嘴之上游的百丈堰,但组合在一起应是发挥壅水、引水的重要作用。唐代都江堰的灌区也有很大的发展,灌区不仅继续延伸至成都平原南部甚至岷江中游,而且灌区的管理组织体系和管理制度得到进一步完善,从渠首到灌区己形成了较严格的岁修制度,保证了都江堰永续不断地发挥作用。  


(三)成熟期(宋元明清)        

两宋时期,有关都江堰的文字记载较前代大有增加,由这些丰富的记载可知都江堰的主体工程包括象鼻、离堆、侍郎堰、支水和摄水等,其中“象鼻”指的就是具有分水引水功能的鱼嘴,“离堆”即进水的宝瓶口,“侍郎堰”在此时的功能相当于泄洪和排沙的飞沙堰,“支水”和“摄水”等辅助设施大致相当于导流堤、拦河低堰等。至此,拥有分水、导流、引水和溢洪排沙综合功能的工程体系的形成,标志着都江堰作为一项综合性的水利工程己经进入了成熟期。成熟期的都江堰内江灌区共分出4条干渠,灌溉着成都府,蜀、彭、绵、汉、邛5州,灌概面积超过200万亩。都江堰的管理也更加完善,不仅形成了稽查、水政和工程三个互相制约的管理体系,而且都江堰还成为国家水利工程,朝廷派出御史领提举官,到灌区巡视,代表中央政府监督岁修工程质量和经费使用情况,地方上则设置各级官员共同负责灌区的水政和都江堰工程的管理及岁修活动。宋代以降,由于战争的破坏,导致都江堰连年失修而废弃,除了宝瓶口被保留之外,都江堰的其他工程设施几乎都因受到破坏而荡然无存。当战争结束后,都江堰又得到重建,并迅速恢复原有灌区的规模。必须要提到的是,重建后的都江堰各工程设施都是原来的工程型式,进一步说明了都江堰经过近千年的演变和发展己经足够成熟,并且其所采用的工程型式和设置也被证明是符合历史发展需要的。元代时,“都江堰”一词第一次出现在文献记载中,不过特指渠首的鱼嘴,“宝瓶口 ”一词则最早出现于明代文献记载。到清乾隆时期,虽然仍需岁修,但是鱼嘴的位置稳定在今安澜索桥处,飞沙堰、百丈堰等工程设施也相应形成了固定的建筑型制。清嘉庆年间,都江堰的鱼嘴、飞沙堰、人字堤等工程名称都可见于文献记载,这些名称一直沿用至今。由于岁修工程浩大,并且需要很大的人力、财力和物力,从元代开始,有主持者尝试用砌石来取代竹笼以筑堤堰,并企图以永久性的工程结构省去浩大的岁修工程,但由于都江堰所处的河段水流流速过大,以砌石为代表的刚性工程材料易被水流冲毁,因此竹笼材料仍占主导地位。不过,这种以永久性工程结构代替竹笼工程的尝试却为后来都江堰工程的技术变革提供了前提。  


       
(四)承前启后期(20世纪30-80年代)        

这里的承前启后期是就都江堰的工程技术而言的,这一时期大致是从20世纪30年代开始,到80年代结束。1935年,都江堪的鱼嘴首先改用混凝土浇筑,鱼嘴由此成为都江堰水利工程中第一个传统工程结构与现代水工结构的结合物,此后,飞沙堰、鱼尾、金刚堤等工程设施陆续釆用混凝土浇筑,意味着现代水利技术、建筑材料与古老的水利工程型式在都江堰这一水利工程上达成了调和,并且使都江堰重新焕发生机。与此同时,都江堰灌区的管理也出现新变化,以县为单位的用水户组织参与到灌区水政和工程管理中,各种水利会、堰工讨论会等的成立,显示出都江堰及灌区己经开始了现代水利管理的模式。1974年,随着外江节制间的建成,以杩槎作为栏水工程设施的传统工程结构彻底地退出历史舞台,都江堰成为一处古老与现代、多种技术集于一身的持续发展的水利工程。最后回答题主的问题,工程背景和目的以上交代了。至于其超乎寻常之处,对于学水利的:科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题,针对岷江与成都平原的悬江特点与矛盾,充分发挥水体自调、避高就下、弯道环流特性,“乘势利导、因时制宜”,正确处理悬江岷江与成都平原的矛盾,使其统一在一大工程体系中,变水害为水利。而非水利的:成都平原得益于此,人民从灾祸中解救出来,过上了富饶、巴适的生活。  


感谢知乎上黄修杰有关【为什么说都江堰水利工程"是一个伟大的奇迹"】的回答以及百度文库《都江堰水利工程》

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