灵渠是秦始皇为了统一岭南地区而开凿的。秦始皇帝二十六年（公元前221年），秦国灭齐国，统一全国，建三十六郡，“又利越之犀角、象齿、翡翠、珠玑，乃使尉屠睢发卒五十万为五军：一军塞镡城之岭，一军守九嶷之塞，一军处番禺之都，一军守南野之界，一军结余干之水，三年不解甲弛弩。使监禄无以转饷，又以卒凿渠而通粮道，以与越人战，杀西呕君译吁宋”[1]。秦始皇帝三十三年（公元前214年），“略取陆梁地，为桂林、象郡、南海，以适遣戍”[2]。秦出兵岭南，应当在秦始皇帝二十六年统一六国之后，灵渠的开凿当在此后；又秦始皇帝三十三年“略取陆梁地”建三郡，则开凿灵渠又应在此前。因此，关于“灵渠在三十三年（公元前214年）开凿”的传统说法有误。又据西汉刘安《淮南子·人间训》记载的“三年不解甲弛弩。使监禄无以转饷，又以卒凿渠而通粮道，以与越人战”来看，开始凿渠当在出兵的三年后，即秦始皇帝二十九年（公元前218年）后，于秦始皇帝三十三年（公元前214年）前应该已经建成。可见，灵渠是为国家统一运送军饷所作。
此后，西汉时也曾将它用于军事运输。汉武帝元鼎五年（公元前112年）秋，南越王相吕嘉反叛汉朝，汉武帝派伏波将军路博德等平南越，平越大军中，“故归义越侯二人为戈船、下厉将军，出零陵，或下离水（编者注：指离开湘江的一支水——灵渠），或抵苍梧”[3]。
东汉建武十八年（42年），交趾雒将之女征侧、征贰姐妹率众叛汉，攻陷岭南六十余城，光武帝拜马援为伏波将军平定叛乱。“光武乃诏长沙、合浦、交阯具车船，修道桥，通障溪，储粮谷。十八年，遣伏波将军马援、楼船将军段志，发长沙、桂阳、零陵、苍梧兵万余人讨之。”[4]马援运兵运粮路经灵渠时，对其进行过修治。灵渠在创建时和最初运行年代究竟是什么形态，在文献上未见记载，但从它所在的自然条件和已经能够通航并大批运输的情况来看，起码有下述工程必须完成。
第一，修建拦断湘江的大坝，即后来的大天平、小天平。因为湘江分水处低于连接渠道另一端的始安水入口，如果不筑坝拦水，就不可能引水入渠，也就无法沟通湘江、漓江。灵渠是中国最早的有坝取水工程之一，并且一直保留到现在。至于那时的坝是不是现在的样子，有无铧嘴做辅助，因未见明确记载，只能留待以后继续探讨。
第二，打开了飞来石附近的岩梗阻隔。湘江水位被拦河坝壅高，距离南渠入水口约400米处的飞来石附近有一道岩梗，像大屏风一样地拦住引水口门。欲引向漓江，必须打通岩梗才能通渠。这一道岩梗为石灰岩，部分岩石还比较坚硬，现在的飞来石应为开凿后右岸的残留部分，渠底依然可见突起的岩石。滔滔渠水已流淌了两千多年，至今这些岩石仍旧棱角突出。遥远的古代，在工具简陋、没有炸药等现代材料的情况下，能完成这一项工程是十分不易的。
第三，开凿城台岭及始安岭的山脚成渠，筑秦堤约2500米长至今大湾陡处，形成渠道。这段开山工程虽不如开飞来石和开太史庙山那样艰巨、工程量那样集中，但战线很长，左面是山，右面还要修堤，在技术上有相当严格的要求。秦堤长3100米，是渠水的依托，如有溃漏，必将导致全工程的败亡。特别是在南陡至粟家桥一段，堤较高，所受外力大且复杂，稳定性和牢固性都要得到保证。
第四，打开湘江、漓江二水的分水岭越城峤的太史庙山。越城峤又称始安峤、临源岭，是横亘在湘江、漓江二水之间的分水岭，其大湾陡附近部分俗称太史庙山。这是全渠开凿工程量最集中的一处，起自大湾陡，至始安水口止。其中，大湾陡至祖湾陡以下要开山，开山部分约长400米，祖湾陡下到始安水口要平地掘沟，开挖深度在15米以上，断面呈“V”形，石质虽不如飞来石处的坚硬，但工程量相当大。(www.xing528.com)
第五，掘深漓江上源的有关河道。灵渠自始安水口以下就是漓江水系的天然河道了。开渠之前，这些河道可以季节性通水或终年通水，但距离通航标准还有一定的差距。从现状来看，入渠前的始安水为宽约5米、流量微小的河道，欲使之通航，浚深扩宽的工程量很大。到清水河口后，天然流水量虽增大许多，但局部整修还是需要的。在这项工程中，以霞云陡上下最难，至今渠底石面仍凹凸不平，岩石完整且坚硬，可见当年的扩挖是何等艰巨。据历史记载，这段渠道的整治从未间断。
第六，开挖北渠。完成前述五项工程，南渠基本就绪，但没有与之相辅相成的北渠，不但不能通航，而且也不能通水。北渠虽没有南渠那样多的建筑物和工程量，但渠线的选择却是一项技术性很强的工作。创建之初，北渠不一定有后来那样的面貌，但没有与南渠相适应的形制也是不可能的。
第七，有相适应的测量技术。灵渠蜿蜒30多千米，要导江开山，使渠道能够通流并达到通船要求，如果没有相应的较高的测量技术显然是不行的，同时代的都江堰、郑国渠和关中漕渠等著名的大型工程的出现都证明了这一点，可惜古人没有留下具体资料。1974年，在大天平与小天平的交会点挖出带榫口的石柱1件，柱底面有磨脐形的构造与石制基座相连，可以转动。基石是一块加工过的岩石，人工箭头形尖角大致指向北方。据有关人士研究，这个石柱可能是水准测量支架，上面有缺口可放水准仪器，下面的穿透榫口为转动时穿杠杆所用，其具体功用尚待进一步研究，是一件十分珍贵的文物。
秦代开渠上述工程体现了当时高超的工程技术水平，反映了秦代的科学水平。现代所存天平和陡门是否是秦代就有，没有十足的论据，但它的最迟出现年代将另作论述。
西汉，灵渠在继续发挥作用，也应该进行过维修，但因年代久远，记载的遗漏或散失，不得而知。由于南越国曾经割据一方等原因，与中原地区的交往减少，灵渠时断时通。例如，汉武帝建元六年（公元前135年）欲攻打南越，了解当地情况的官员唐蒙上书说：“南越王黄屋左纛，地东西万余里，名为外臣，实一州主也。今以长沙（编者注：指今湖南一带）、豫章（编者注：指今江西一带）往，水道多绝，难行。窃闻夜郎所有精兵，可得十余万，浮船牂牁江，出其不意，此制越一奇也。”[5]但是从元鼎五年（公元前112年）戈船、下濑将军“出零陵，下离水”平南越的情况来看，灵渠尽管多年失修，还是可以使用，且在那次军事行动之前应该进行过整修。再如，东汉建武十八年（42年），光武帝拜马援为伏波将军平定叛乱，率楼船之士南平交趾时再次整修疏浚过灵渠。东汉建初八年（83年），郑宏上奏请求开零陵至桂阳的陆上峤道作为经常运输的道路[6]，为灵渠之外的陆路交通路线。后来，由于三国时期的战乱，灵渠可能存在失修的现象。唐代房玄龄等人合著的《晋书·杜预传》记载：“旧水道唯沔汉达江陵千数百里，北无通路……预乃开杨口，起夏水达巴陵千余里，内泻长江之险，外通零桂之漕。”所谓“零桂之漕”，应该是指零陵与桂林之间的漕运工程灵渠，这段文字说明在三国末年至西晋初年，中原到灵渠之间的水道曾经一度中断，西晋的镇南大将军杜预将其疏通。
南北朝后期，“湘漓同源，分为二水，南为漓水，北则湘川，东北流”，“漓水与湘水出一山而分原也。湘漓之间，陆地广百余步，谓之始安峤，峤即越城峤也。峤水自峤之阳南流注漓，名曰始安水”[7]。“湘漓同源”是人们的误解，而这两条记载却充分说明灵渠的分水作用在当时是明显存在的。
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