桥渡设计20：都江堰水利工程的工作原理

 

中国历史上最激动人心的工程不是长城，而是都江堰 

——余秋雨

都江堰水利工程位于成都西北的都江堰市，坐落于岷江之畔，背靠青藏高原，面朝成都平原，处在岷江出山口处（图1）。都江堰上游属于典型的山区河流，岷江流经川西高原的山地，地形陡峭，河床坡度较大，水流湍急，挟带泥沙多，流量变化剧烈。都江堰下游属于山前河流，地形相对平缓而开阔，河床坡度减小，洪水极易泛滥成灾，常常导致“蜀人几为鱼”的水涝生存状态。

图1   都江堰地理位置

公元前256年，李冰父子巧妙地利用了大自然先天地形条件及水流泥沙的运动规律，开创性地建造了都江堰水利工程，一直运行至今，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。世界遗产委员会评价：都江堰水利工程是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。其主体工程主要由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三个功能区构成（图2），其工作原理和特点可总结为：自适应分洪、自平衡排沙、自稳定引流、自坚强抗冲。

图2   都江堰水利工程示意

1 自适应分洪

鱼嘴是在宝瓶口上游岷江江心修筑的分水堰，因为堰的顶部形如鱼嘴而得名。鱼嘴将岷江一分为二（图3），内江引流进入成都平原用于灌溉，外江排泄多余的水流和泥沙。

图3   鱼嘴分流示意

鱼嘴的位置处在水流中泓线（最大流速处）左右偏转的临界点附近，再加上内江河床低且河道窄（图4），形成了“大水走直（外江），小水走弯（内江）”的特性，根据上游洪水流量大小自适应地进行“四六分水”。在枯水期，外江和内江的分水比例分别为总水量的40％和60％，保证内江灌溉用水，而在丰水期，分水比例为外江60％，内江40％，减小汛期洪水影响。

洪水期由于宝瓶口较窄，流量受限，宝瓶口前方会雍高水位，内江水流类似于宽顶堰淹没式出流形态，下游雍水会影响上游内江中洪水的自由流动，从而导致内江流速慢，流量小，相反外江水流更接近于自由式出流形态，流速大，水流更顺畅，这是导致丰水期分水比例与枯水期相反的原因（图5）。1974年建成的外江电动节制闸，使分洪调水更加自如。

图4   鱼嘴处河流横断面

图5   鱼嘴“四六分水”示意

2 自平衡排沙

对于大洪水，由于鱼嘴的分洪作用，约60%的水流和泥沙排入了外江。此外，泥沙沿水深的分布是不均匀的，上层水流中悬移质含量少，且颗粒小，而下层水流中悬移质和推移质含量多，且颗粒更大，鱼嘴处于弯曲河道处，受惯性影响，上层水流更多地流向内江，下层水流更多地流向了外江，这将导致更多的泥沙排入了外江，从而在更大程度上实现二八分沙的效果（80%泥沙排到外江）。

内江水流到达宝瓶口时流速减小，挟沙能力降低，泥沙易淤积。整个内江是个外凸内凹的河道，水流中存在弯道螺旋流（图6），弯道螺旋流会将内江河底淤积的泥沙带到凸岸侧较低的飞沙堰上，进一步冲到外江，从而实现了“正面走水，侧面走沙”。

 此外，每年枯水季岁修要进行“深掏滩”，清理河滩上的泥沙到指定深度，避免淤积。

图6   弯道螺旋流示意图

3 自稳定引流

宝瓶口为内江进入成都平原的咽喉，入口狭窄，洪水期间宝瓶口前形成雍水，水位上升，而飞沙堰较低，高约2米，当水位较高时，过量的水流漫溢飞沙堰（图7）堰顶流入外江，从而实现宝瓶口稳定引流。“低作堰”就是降低飞沙堰的高度，更利于泄洪，避免过多的洪水进入宝瓶口。

枯水季时，鱼嘴的分流作用使更多水流入内江，保障宝瓶口的来流水源。此外，每年“深掏滩”避免宝瓶口附近的淤积，使宝瓶口引流更顺畅。

图7   飞沙堰航拍

4 自坚强抗冲

汹涌的岷江从高山峡谷间奔腾而下，水流湍急，工程自身的坚固程度，特别是鱼嘴的抗冲能力，是都江堰运行2200余年的重要保障，历朝历代倍受重视。鱼嘴工程早期采用土石堆积、竹笼、杩槎（图8）及羊圈等，后改为条石圬工砌及铸铁治堰，近代采用混凝土或钢筋混凝土工程技术等，时毁时修，不断优化和提升工程的抗冲能力，以求永固。此外，为保护鱼嘴，还采用了防冲的主动和被动防护措施，主动防护措施包括鱼嘴采用流线形，使分流更顺畅，并曾在上游设置交错排列的木桩滉柱区，扰乱鱼嘴正面来流，减缓局部洪水流速，被动防护措施包括在鱼嘴周边用竹笼、羊圈砌“副鱼嘴” ， 防止激流冲刷淘底，提高抗冲刷能力。2008年5.12汶川八级特大地震灾害中都江堰主体工程处之泰然，少量裂缝维修后完好运行至今。

图8   古法杩槎

强化实践教学是面向新工科、新土木的课程改革和建设的重要方向之一，都江堰水利工程完美诠释了河道水流及泥沙运动规律，认识和理解都江堰水利工程的工作原理对《桥渡设计》课程的学习有积极的促进作用，在教学过程中组织学生到都江堰工程进行现场教学和参观（图9），将深化学生对课堂知识的记忆，提高学生运用所学知识分析现实问题的能力，实现理论学习与工程实践的结合。

都江堰不仅是泽润四方、造福千秋、永世不朽的水利工程，更是中华文明弥足珍贵的精神财富，是世界文化宝贵的“活”态遗产，有助于提升学生们的历史自豪感和民族自信心。

图9   都江堰水利工程现场教学

本文参考了诸多相关文献资料，部分图片及视频来自网络，特此致谢，恕不一一列出。