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1. 靈渠的歷史作用 出乎秦始皇所料，南征百越的50萬(wàn)大軍，并沒(méi)有迅速壓垮當(dāng)?shù)卦饺说姆纯?。在越人的襲擾下，屠惟率領(lǐng)的秦軍遇到了過(guò)去未曾遇到的危機(jī)。盡管秦軍訓(xùn)練有素，但是在百越人利用復(fù)雜地形和廣大地域所展開(kāi)的游擊戰(zhàn)面前，這支正規(guī)軍，一開(kāi)始難免吃虧。秦軍屢遭襲擊，處境艱難，難于速勝。既然不能速勝，秦軍的給養(yǎng)就成了迫在眉睫的問(wèn)題。從中原到嶺南，要越過(guò)五道山嶺，給養(yǎng)輸運(yùn)十分困難。不保證給養(yǎng)，這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)無(wú)法維持。針對(duì)這一問(wèn)題，負(fù)責(zé)后勤供給的史祿奉秦始皇命令，主持修建了一條跨越漓江源頭和湘江分水嶺上的運(yùn)河——靈渠。靈渠鑿?fù)ㄖ?，大量的?jīng)長(zhǎng)江與湘江間的水道抵達(dá)長(zhǎng)沙的秦軍人員和物質(zhì)，溯湘江南下，能夠經(jīng)靈渠通達(dá)漓江，再經(jīng)漓江進(jìn)珠江，東南可達(dá)廣州，入南海（圖1）；由珠江支流東江可進(jìn)入福建，由北江可進(jìn)入湖南南部；往西可溯珠江而上，經(jīng)左右江和紅水河進(jìn)入滇、黔地區(qū)。由于秦軍有了便捷的物資供應(yīng)運(yùn)輸線和軍事行動(dòng)交通線，很快取得了戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)，再加上對(duì)百越人民的安撫，在靈渠竣工的當(dāng)年——公元前224年，平定嶺南的戰(zhàn)爭(zhēng)即告結(jié)束。秦帝國(guó)向嶺南的進(jìn)軍，特別是靈渠這一浩大的水利工程的修建和竣工，在無(wú)意中，向嶺南的土著居民展示和傳播了當(dāng)時(shí)屬世界一流的先進(jìn)的中原文明[1],[2],[3],[4]。 2. 靈渠的選址 漓江和湘江之間的分水嶺是南嶺山脈（越城嶺和海洋山）的高山大嶺，興安縣位于南嶺山脈的最低處，在興安縣城附近，分水嶺降低為一條近南北向的古稱越城嶠（太史廟嶺）的土嶺。湘江上游的海陽(yáng)河與漓江上游的始安水的最近距離只有1．7km，相隔的就是這列寬三百余米，高三十余米的土嶺。只要把這座嶺挖穿，就可以使海陽(yáng)河與始安水接通，實(shí)現(xiàn)湘江與漓江的連接（圖2）。雖然始安水的地勢(shì)較高，可是始安水流量甚微，不能作為運(yùn)河的水源，須以湘江上源海陽(yáng)河作為水源，水量才充足夠用。但是海陽(yáng)河要比始安水低得多，水不能自流，需要攔河筑壩抬高水位。經(jīng)海陽(yáng)河與始安水的最近距離修建渠道，攔河壩要高出河岸7m，開(kāi)渠的地形條件也不好。從該位置出發(fā)，沿海陽(yáng)河上溯2．3 km（即是現(xiàn)在的渠首位置），以此處作為渠首位置，雖然增加了鑿渠長(zhǎng)度，但是渠首高度增加，只需筑高出河岸1.1m的攔河壩，就可將水位抬得足夠高，使海陽(yáng)河水經(jīng)過(guò)渠道注入始安水，再注入漓江（圖2，圖3）。[1]，[2]，[4]，[5]以上所談是靈渠選址的理由。
1-縣城；2-地點(diǎn)；3-渠道；4-溶洞；5-關(guān)隘；6-山峰；7-河流；8-公路

3. 靈渠工程的基本結(jié)構(gòu)及基本功能

渠道工程與渠首工程是靈渠水利工程的兩大部分。以攔水壩——大小天平為界，大小天平、鏵嘴以及分水塘組成了靈渠的渠首工程（圖4，圖5）。 大小天平是鏵犁形的攔水壩，壩頂可以溢流，這避免了大小天平受到過(guò)大的壓力，具有保護(hù)大壩作用。鏵嘴是與大小天平鄰近的位于海陽(yáng)河內(nèi)的分水堰，其現(xiàn)在的形狀如同一塊遠(yuǎn)古時(shí)代的玉圭。由于大小天平對(duì)海陽(yáng)河水具有阻擋、抬高作用，于是在壩前形成了一個(gè)蓄水池塘——分水塘。分水塘具有穩(wěn)定流出大小天平水量的作用（圖3，圖4）。 靈渠的渠道工程包括：南渠、北渠、秦堤、湘江故道、陡門以及泄水天平（圖3，圖5）。南渠與漓江溝通，秦堤修筑于南渠與湘江故道之間，使南渠與湘江故道隔離。為了修筑大小太平以及鏵嘴的需要，北渠是一個(gè)前期工程，它取代了被大小天平截?cái)嗟南娼实?，將海?yáng)河的水引入湘江，從而使大小太平以及鏵嘴的施工能夠順利進(jìn)行。工程結(jié)束后，北渠順理成章地起到了通航作用。由于北渠連接湘江，南渠連接漓江，所以，湘江與漓江通過(guò)南、北二渠，被連接起來(lái)（圖3，圖5）。被截?cái)嗟南娼实酪踩匀挥杏?，具有蓄水、泄洪作用。在漲水期，來(lái)自海陽(yáng)河的水漫過(guò)大小天平，經(jīng)過(guò)湘江故道，流入湘江，保障了秦堤的安全。泄水天平是設(shè)置于南、北渠的溢流設(shè)施，起排洪作用（圖6）。南、北渠共有泄水天平5處。位于南渠秦堤上的一座泄水天平長(zhǎng)達(dá)42 m，其功能是起著第二溢洪道的作用。當(dāng)海陽(yáng)河水暴漲，大小天平的泄洪能力不足時(shí)，洪水勢(shì)必涌進(jìn)南、北渠，當(dāng)南、北渠水位超過(guò)泄水天平的壩頂時(shí)，就再次分洪，泄入湘江故道，這就保護(hù)了秦堤，保護(hù)了南、北渠，使興安縣城免受洪災(zāi)（圖3，圖5）。我們看到，大小天平前后的兩個(gè)蓄水區(qū)域分水塘和湘江故道是靈渠運(yùn)行的重要一環(huán)，這兩個(gè)蓄水區(qū)起到了緩解水勢(shì)變化、容納多余水量和泄洪的作用。這給我們了一個(gè)深刻而具體的啟示：河灘、湖泊等濕地對(duì)于每一個(gè)水系來(lái)說(shuō)是不可或缺的。濕地具有緩解水勢(shì)變化、容納多余水量和泄洪等作用，沒(méi)有濕地，河流就容易處于兩個(gè)極端狀態(tài)，或者水多的發(fā)生洪災(zāi)，或者水缺的發(fā)生旱災(zāi)。靈渠分水塘和湘江故道的作用，足以告誡我們：要保留濕地，切切不可與河爭(zhēng)地、與湖爭(zhēng)地。在物流、人流的運(yùn)行中，我們不僅修建了道路，也設(shè)置了中轉(zhuǎn)站和倉(cāng)庫(kù)，而濕地在水系中，就是水流的“中轉(zhuǎn)站和倉(cāng)庫(kù)”。海陽(yáng)河每年有四個(gè)月的枯水期，在此期間，靈渠不能自然通航。故此靈渠設(shè)有陡門，陡門是古老的中國(guó)船閘的稱謂。歷史上有據(jù)可查的陡門，南渠有30座，北渠有4座。陡門的作用是攔阻水流、抬高水位、蓄水通舟。上游的船來(lái)到時(shí)，用竹杠塞陡，用席子靠在杠上堵水，等到水位升高到一定位置，將陡杠抽去，船就可過(guò)陡門（圖7）。根據(jù)有籍可查的資料，世界上最早的船閘裝置——陡門是唐朝李渤設(shè)計(jì)的，它比巴拿馬運(yùn)河上的船閘早1000多年，堪稱世界船閘的鼻祖。[1]，[2][4][5]
從圖中可以明顯看出，湘江與漓江通過(guò)南、北二渠連接起來(lái)
3.1靈渠渠首工程及其工作原理 在由大小天平、鏵嘴以及分水塘組成的渠首工程中（圖4），大小天平是渠首工程乃至整個(gè)靈渠工程的首要工程。大小天平是橫斷湘江的攔河壩，其作用是抬高水位．合理分水和溢洪。壩高3．9m，其中河床以下部分高2m．呈夾角為108o的人字形布置。斜向南渠一側(cè)的叫小天平，長(zhǎng)127．0m，寬18．1m：斜向北渠一側(cè)的叫大天平，長(zhǎng)343．3m，寬21．1m（圖8）。 傳統(tǒng)的說(shuō)法是：“三分入漓，七分歸湘”，亦即三分水進(jìn)入南渠，七分水進(jìn)入北渠，可見(jiàn)大小天平具有分水作用[1]，[2]，[4]，[5]。大小天平的位置可以使南渠入水口與北渠入水口有不同的橫斷面積，大小天平的方向可以使大、小天平擋水表面對(duì)于干流流向分別有不同的偏離角度(圖8)，在均勻流動(dòng)的情況下，大小天平自身控制進(jìn)入南、北渠水流量的方式就是這兩種。這兩種因素對(duì)南、北渠水流量的影響，可以簡(jiǎn)略地計(jì)算如下：
考慮到水流的連續(xù)性，應(yīng)該有 I₀=I_s+I_n （1） 在式（1）中， 三項(xiàng)分別為干流、南渠以及北渠的水流量。 設(shè)干流、南渠以及北渠的水流的流速分別為 ，干流、南渠入水口以及北渠入水口處的橫截面積分別為 ，有

（2）
根據(jù)式（1）、（2），有u₀A₀=u_sA_s+u_nA_n
考慮到，在大小天平處分開(kāi)的，在單位時(shí)間內(nèi)，分別進(jìn)入南渠、北渠入水口的水流，沿與干流垂直的Y方向，總動(dòng)量應(yīng)該為零(圖8)。
以上公式表明，利用南渠入水口與北渠入水口的橫斷面積以及大、小天平擋水表面對(duì)于干流流向偏離的角度可以分配進(jìn)入南、北渠水流量，可以影響南、北渠水流的速度。 大小天平的二個(gè)迎水面分別與水的流向成一斜角，是非?？茖W(xué)的，除了分水功能，也可以減小、緩和水流對(duì)大壩的沖擊；還能夠增強(qiáng)壩體抗傾覆的能力，“V”字形壩體，實(shí)際上相當(dāng)于以節(jié)省材料、減少勞動(dòng)量的方式，增加了壩體的厚度（圖5,圖8）。 大小天平的迎水面及壩頂均用大塊石灰?guī)r砌成，在兩石相接處，以鐵碼子聯(lián)結(jié)（圖9）。朝湘江故道方向平緩傾斜的滾水外坡，采用頁(yè)巖片石豎直砌筑，鱗比排列，通稱“魚鱗石”（圖10,圖11）。豐水期，河水漠過(guò)壩頂（圖12），豎直砌筑的“魚鱗石”不易在下泄水的沖刷下掀起，由河水帶來(lái)的泥沙充填石縫，還對(duì)魚鱗石有擠緊作用?！棒~鱗石”陣的表面如同搓衣板，能減緩經(jīng)壩頂漫出的水流速度，削弱下溢洪水的沖擊力。[1]，[2]，[4]，[5] 中國(guó)古人認(rèn)為“水浸松木千年在”，大小天平的地基的建造方法是在松散的沙石里打下縱橫交錯(cuò)的松木樁，在木樁間充填砂礫和卵石，平鋪l層木板，再砌上石塊。實(shí)踐表明，大小天平的地基建造得相當(dāng)牢靠(圖10) [1]，[2]，[4]，[5]。

鏵嘴是一座70m長(zhǎng)的分水堰（圖8）。鏵嘴的作用有三點(diǎn)：[1]，[2]，[4]，[5] （1） 減緩水流對(duì)大小天平的沖擊； （2） 導(dǎo)引水流平緩進(jìn)入南、北渠； （3） 初步分配進(jìn)入南、北渠的水量； 作用（1）產(chǎn)生是因?yàn)殓f嘴在大小天平之前，對(duì)于來(lái)自海陽(yáng)河的水流，鏵嘴“首當(dāng)其沖”。作用（2）的產(chǎn)生是因?yàn)殓f嘴兩側(cè)分別通向南、北渠的水道相當(dāng)于漏斗，具有導(dǎo)引水流進(jìn)入水渠入口的作用，（圖4），致使進(jìn)入水渠入口水流的雷諾數(shù)降低，從而使水流平緩[10]。由于鏵嘴對(duì)于大小天平相鄰而不相接，所以產(chǎn)生作用（3），如果鏵嘴與大小天平相接或者過(guò)于長(zhǎng)，會(huì)使大小天平不能發(fā)揮出本身的向南渠、北渠分水的功能。 在臨近渠道入水口處的水中修堰，靈渠的鏵嘴不是孤例。都江堰水利工程也采用了這種辦法。在臨近都江堰進(jìn)水渠道的入水口——寶瓶口，有兩條堰，分別是魚嘴和飛沙堰，這兩條堰具有引流、分水和排沙的作用[6],[7]。觀察靈渠與都江堰的堰，都存在“相鄰而不相接”的規(guī)則，具體來(lái)說(shuō)，堰與堰或者堰與入水口之間應(yīng)該相鄰而不相接。對(duì)于都江堰與靈渠這兩大水利工程，秦人根據(jù)不同的工程目的以及不同的河流狀況，設(shè)置了不同形制的堰，十分有效地實(shí)現(xiàn)了各自工程目的[8],[9]。由此可見(jiàn)在臨近渠道入水口處修堰，是秦人興建水利工程的一種特點(diǎn)，并且深諳此道。都江堰與靈渠的實(shí)踐表明，這種方法十分有效。堰的作用是有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值的課題。 3.2靈渠渠道工程及其工作原理 靈渠南渠是一條由人工河段、半人工河段以及天然河段構(gòu)成的運(yùn)河，長(zhǎng)33.25千米。人工河段自南陡起，鑿山、開(kāi)河、筑堤、穿越分水嶺至漓江最東的小支流始安水；半人工河段自始安水口以下至與清水河匯流處，原為始安水河道，在天然小河上人工擴(kuò)寬至通航標(biāo)準(zhǔn)；自清水河口至入漓江處為天然河道，局部水淺，多礁石，這些阻礙航行處，經(jīng)過(guò)人工整治（圖2，圖3）[1]，[2]，[4]，[5]。在南渠與湘江故道之間，筑有秦堤（圖13），長(zhǎng)3.7千米，用青石砌筑。秦堤防止南渠水回流到湘江，也可攔阻湘江故道洪水沖進(jìn)南渠。距南陡500米，在興安靈渠的秦堤之上，有一塊巨石——飛來(lái)石，高4米，周長(zhǎng)20米，近正方形，在飛來(lái)石附近，秦堤以這塊巨石為依靠，穩(wěn)固性得到增強(qiáng)（圖13）。在秦堤兩側(cè)，靈渠水位比湘江水位高出約4米，對(duì)秦堤形成很大水壓，再加之組成堤的土層均具有一定的透水性，這會(huì)使得秦堤很容易發(fā)生管涌。而事實(shí)并非如此，在這里，我們可以進(jìn)一步體會(huì)到，湘江故道的妙處，湘江故道的存在使得秦堤所受到的水的滲透壓不是單側(cè)的而是雙側(cè)的，兩側(cè)的滲透壓相抗衡，從而不易發(fā)生管涌事故。對(duì)于秦堤這一靈渠的最薄弱環(huán)節(jié)（險(xiǎn)工段）[11]（圖13），秦國(guó)工程師在設(shè)計(jì)和修建靈渠時(shí)，采用了一系列手段，以防范秦堤潰堤，南渠泄水天平的設(shè)置方式，南、北渠“三、七分水”的設(shè)計(jì)，以及大小天平高度的確定，都包含此目的。 北渠取代了被大小天平截?cái)嗟南娼实?，將海?yáng)河的水引入湘江。沿直線，渠道長(zhǎng)度只有4千米，可是水位落差大。為了不至于水流流速過(guò)快，難于行船，北渠繞了三個(gè)“S”形大彎，渠水迂回地流入湘江，這使北渠水位能夠比較緩慢地降落，從而減緩了水速，方便了行船。這種方法，與盤山公路同出一轍（圖13）[1]，[2]，[4]，[5]。