水利科技史之对多沙河床中巨石运动规律的认识

    中国华北平原诸河多沙，黄河更以其高含沙量位居世界诸大河之冠。因此，河流泥沙运动力学起源于我国是顺理成章的。不过流传下来的文献资料却不多，尤其是有丰富实践经验的治河工人的理论总结不多，但在有关文献的零散记载中确有真知灼见者。清乾嘉时代的著名学者纪昀(1724～1805)在其《阅微草堂笔记》中记载了一篇极为精彩的故事，文字朴素，兹照录如下：

    沧州南一寺临河千，山门圮于河，二石兽并沉焉。阅十余岁，僧募金重修，求二石兽于水中，竟不可得。以为顺流下矣。棹数小舟，曳铁钯，寻十余里无迹。一讲学家设帐寺中，闻之笑曰：“尔辈不能究物理。是非木柿，岂能为暴涨携之去?乃石性坚重，沙性松浮，湮于沙上，渐沉渐深耳。沿河求之，不亦颠乎?”众服为确论。一老河兵闻之，又笑曰：“凡河中失石，当求之于上流。盖石性坚重，沙性松浮，水不能冲石，其反激之力，必于石下迎水处啮沙为坎穴。渐激渐深，至石之半，石必倒掷坎穴中。如是再啮，石又再转。转转不已，遂反溯流逆上矣。求之下流固颠，求之地中，不更颠乎?”如其言，果得于数里外。然则天下之事，但知其一，不知其二者多矣。可据理臆断欤!

    石兽沉于沙质河底，是向下游移动，向河底沉降，还是向上游滚动?前两种人“据理臆断”，结果背离石块运动的客观规律，只有长年累月在河道上观察，有丰富河工经验的老河兵，才能从理论到实践圆满地解决了这个问题，并顺利找到了沉落的石兽。其中老河兵分析石兽在沙质河床上的运动状态的文字尤为精彩和准确，并为现代泥沙运动模型试验研究所证实①。当试验石块(相当于原型，38厘米)沉于试验水槽的底沙之上，首先在石块上游底部产生回流，冲刷底沙，形成冲坑。冲出之底沙大半被水流带走，少部分堆积石块后部，起初形成沙唇，之后沙唇合并。当冲坑发展到足够大时，石块失去平衡，向前倾倒至冲坑中。

巨石在沙质河床上的运动规律还可从桥墩周围的水流结构分析中作进一步理解。实验证明，桥墩周围的水流结构包括墩前向下水流，墩前水面涌波和尺度较大的漩涡体系。漩涡体系为一复杂的综合水流结构，是由下降水流引起的、在墩前冲刷坑边缘形成的绕墩两侧流向下游的马蹄形漩涡，墩头两侧的加速流动及尾流漩涡综合作用的结果。墩前向下水流是冲刷的主要媒介，它的作用像一个竖直向下的喷嘴。向下水流折回向上，与马蹄形漩涡相结合，形成旋转运动，把泥沙挟带到下游。冲刷坑平衡冲刷深度的最大值，约为巨石直径的2.3倍。①
    
    ①南京水利实验处，研究试验报告汇编，抛石研究试验报告，1955年。