水利科学史之对土料工程特性的认识

    土料是古代水利工程中应用最多的材料。由于土料有孔隙，在工程建筑中容易透水和变形，因此，必须解决地基及土体渗透、变形、沉降和稳定等问题。

   我国古代很早就积累了有关土的性质的丰富的感性认识。在《尚书?禹贡》、《管子?地员》、《周礼?职方氏》等古代文献中，都对土的物理性质有所描述。例如《管子?度地》中记载，由于降雨的关系，秋季土壤含水量较大，“土弱难成”，“不宜筑堤”。冬季冻土含水量不均匀，取土困难而又难于捣实，因而“土刚不立”，“不利作土功之事”。而春天则“天地干燥”，“土乃益刚”③，是修堤的好季节。  

    在大量水利工程实践基础上，我们的先人对土的工程性质的认识日益丰富。宋代人把水利施工中选择适宜土的重要性用如下一段话来表述：“夫治水者必知地理形势之便，川源通塞之曲，功徒多少之限，土壤疏厚之性，然后可以言水事矣。”④把土的性质和地形水道形势、程量大小等并列，作为兴修水利工程必须掌握的客观情况，可见其重视程度。在同一文献中，还把黄河下游的土分作：胶土、花淤、牛头、沫淤、柴土、捏塑胶、减(应作碱)土、带沙青、带沙紫、带沙黄、带沙白、带沙黑、沙土、活沙、流沙、走沙、黄沙、死沙、细沙等种类。大致是按土的颗粒由细到粗排列，并且特别注明其工程特性，活沙、流沙、走沙三种“活动走流，(筑堤)难以成功”。而对胶土的工程物理性质则有较好的评价，指出“杂草荣茂，多生芦茭，其下必有胶土”。
    ①《汉书?沟洫志》，二十五史河渠志注释本，第34页。
    ②《管子?霸形》，诸子集成本，中华书局，1986年，第140页。
    ③《管子?度地》，诸子集成本，中华书局，1986年，第305页。
    ④元?沙克什：《河防通议》，水利珍本丛书本，第14页。

    明清以后，对土的物理性质认识更加细致。《中国河工辞源》主要是依据清代河工著作写成的辞书。在土质一节中，将土按其工程性质大致分为淤土、沙土和黄土等几类。在各大类土壤中，按土性的不同，又有细致的划分。如淤土分成13种之多。其中新淤土“性极燥烈。滩面结二三分厚之土皮，张裂缝道，而成土块。此项土料用以筑堤，须防走漏；用以压埽，虑有腰眼之病”。而老淤土则“远年老坎被淤之胶土也。性颇柔软，筑成堤坎等工异常坚实，无新淤土各种弊患”。另有硬淤土，即坚硬如石的胶土。如用此土筑堤，虽经夯实，仍难免从此集中渗漏。但是，如果在其中掺水，趁半干半湿时夯实，则干燥以后不亚于三合土。而含水量较大的胶泥，由于它能和其他材料较好地融合，因而，用以筑堤坝和作为草埽的填充物都很理想。对于沙土堤来说，如果能用胶泥封顶，还有明显的防止风雨侵蚀的作用。

    沙土类又分为20种之多。各种沙土性质也相差甚远。例如流沙虽有干湿之分，但由于其颗粒很细，无黏着力，因而极易流失，不适于筑堤，开挖河道遇到此沙更为困难。即便勉强用以筑堤，既怕风吹，又怕雨淋。还有一种淖沙，又称陷沙，沙性轻浮，含水较多，表面似已硬结，但人踏即陷，非躺倒滚翻难以摆脱。挖河遇此沙，犹难施工。还有名为翻沙者，表面有形状如乳头的沙堆，当中有小眼冒水，这种沙土“此挖彼长，朝挖暮起”，最难对付。而含有较多壤土之沙土，虽不耐风雨剥蚀，但较其余沙土好，还是可以使用的。

各类土的名称也因地而宜。例如徐光启在《农政全书》中列举了常熟县地势较低地区有三种土难于施工，即所谓之乌山土、灰萝土和竖门土。①其中乌山土适于作物生长，但“凑理疏而透水。以之筑岸易高，以之障水不密”，透水性强，工程性质不佳。灰萝土不仅不能筑堤挡水，即使用力夯筑也不会坚固。而竖门土纵向渗透严重，田中难以存水。水利建筑中遇到这种土，必须先在岸脚挖沟，沟深三尺。沟内采用潮泥或外地白土填实，做成防渗层，尔后再用本地土在其上筑堤，方才可以成功。由于施工困难，在这类地区修建水利工程，要额外增加工款才行。

    由于单独一种土往往有某种缺陷，实践中常以两种或三种土掺合。用以筑堤，有较好的效果。最常使用的是三合土，即由石灰、沙和黄土混合而成的土料。沙是石灰浆中的骨料，有沙骨料支撑，灰浆易于接触空气而迅速凝聚，同时也可减轻灰浆凝聚，体积收缩时出现裂缝。石灰浆则起到胶结作用。这是由于石灰浆(氧化钙)接触空气后，吸收二氧化碳，而凝固为碳酸钙，从而增强灰浆凝结后的力学强度。

    石灰在古代主要是由煅烧石灰岩、礓石和贝壳得到。考古发掘证明，石灰的制作至少已有五千多年的历史。古代文献的记录则较晚近。晋代张华(232—300)在其所撰《博物志》中最早记载了煅烧石灰石制取石灰：“烧白石，作石灰，既讫，积著地，经日都冷，遇雨及水浇，即更燃烟焰起。”而南方滨海地区，由于缺少石灰石，“烧蛎壳为灰”①。
    ①徐光启在此引用的是同时代人耿桔的著作《常熟水利全书》。石声汉在《农政全书校注》中，对当时当地的这：种土质的通用名有所考证。详见该书381页。

    石灰在建筑上的应用已有数千年的历史，石灰色白，多用来粉饰墙壁。②石灰还有隔潮作用，常用来铺垫居室地面，既隔潮，又结实和光滑。还有用在墓穴中作填充物的，《左传》成公二年(前635)八月“宋文公卒，始厚葬，用蜃、炭”③。炭是木炭，蜃是贝壳灰，都是用来防潮的。宋代也有怕墓室被盗发，将砖砌改作石灰夯筑的。④由于墓葬用料较多，《周礼》职官中还有“掌蜃”和“掌灰”官员的设置。西汉郑玄(127—200)注解在墓室中填充蜃灰的作用是，“将井椁先塞下，以蜃御湿也”⑤。

    三合土在水工建筑上也有广泛应用。明代末年宋应星在《天工开物》一书中介绍说：“用以襄墓及贮水池，则灰一分，入河沙、黄土二分，用糯粳米、羊桃、藤汁和匀，轻筑坚固，永不隳坏，名曰三合土。”此外“粘砌城墙、桥梁，调和桐油造舟，功皆相同”⑥。清代末年在永定河河工研究所的教学讲义中，归纳前代河工著作的有关记载，详细介绍了三合土在修建建筑物地基，制作灰浆以及用作石工建筑灌浆等方面的广泛应用。其中，用以构筑石堤、水闸、坝工、桥梁地基的称作灰步土。灰步土施工是堆敷三合土一尺，夯筑至七寸乃实。用石灰、沙土和糯米汁拌和所成之灰浆，用作砌石的黏合剂。此外，用石灰掺和黄土，做成灰浆，灌注石工缝隙，以提高其整体性，加强建筑物强度和抗渗性。之所以灌浆时要在石灰浆中掺加黄土，是因为“(黄土)粘连性质不亚于胶土，而柔软细腻与夫晾干速度，实有过之而无不及”⑦。

    在堤防修筑上，《修防琐志?堤工》说：“筑堤应用何样土最好?无如三合土最好。”但大型堤防只能就近取土，或用性质可以互补的两种土料掺混修筑。而当堤土渗透性较强时，也可用三合土在堤中修建一堵防渗体，在广东潮汕一带称作灰离。筑灰离是潮汕地区古建筑技术，用木板为模，以贝壳灰掺和一定比例的河沙，填筑其中夯实。有人曾对数百年前的灰离土进行土力学试验，其耐压强度达50千克每平方厘米。至今该地区还保留了许多有200多年历史的古筑灰离。⑧

    20世纪80年代考古工作者在甘肃秦安大地湾清理房屋遗址二百四十多座。时间跨越仰韶文化早、中、晚期，其中仰韶中期的居室地面是用夯土筑成，其上铺一层红烧土，表面再铺一层坚硬的烧石灰胶凝材料，而在仰韶晚期(距今五千多年)的居室中，先民们曾使用一种有良好防潮和保温性能的材料。这种材料是用料礓石煅烧而成的轻骨料。将其研磨成粉，掺入红黏土，形成为胶凝材料。用以修筑地面，既光滑又耐磨。实验证明，300个测点平均抗压强度为120千克每平方厘米，相当于100号水泥沙浆地面的强度。“胶结材料物理化学性能近似于现代水泥”①。
   ①  宋?方勺：《泊宅编》卷中，在记述福建泉州万安桥(又名洛阳桥)建设时提到以石灰为胶结材料建造石桥，“故用灰常若新，无纤毫罅隙”。
    ②胡继高，白灰面究竟是用什么做成的，文物参考资料，1955年，第7期，第120～121页。
    ③杨伯峻，春秋左传注，中华书局，1981年，第801页 。
    ④宋?江休复(1005～1054)，《江邻几杂志》，笔记小说大观本。
    ⑤汉?郑玄：《周礼郑氏注》卷4，丛书集成本，第108页  。
    ⑥  明?宋应星：《天工开物》卷中，万有文库本，第197～198页。
    ⑦章晋墀、王乔年，河工要义第二编，天津河务局刊本，第25，28页。
    ⑧  陈芳步、张志尧，潮州三利溪的沧桑，广东水利史志资料，]987年，第1期。

    西欧在古罗马时代也普遍应用三合土。在维特鲁威所著《建筑十书》中详细记述了石灰的制作和性质，以及石灰三合土在建筑中的应用。其中还提到维苏威火山灰的应用。将火山灰和“石灰、砾石拌在一起时，不仅可使其建筑物坚固，而且在海中筑堤时也可在水下硬化”，“无论波浪或水力都不能使其破坏”②，这和我国潮汕地区的灰离土以及甘肃秦安大地湾的煅烧礓石的胶凝材料似有异曲同工之妙。