灵渠：世界最古老运河之一的科技成就

灵渠作为世界上最古老的运河之一，集中了古代先进的航运技术和水利技术，充分显示了古代中国人的高超智慧。

1.科学的选址

灵渠是中国乃至世界上越岭运河的代表作，是连接两个不同水系的优秀实践案例。在地势平坦的中原地区和湖泊众多的江南，早在春秋战国时期就开凿了连接黄河与济水、汝水、淮水、泗水的鸿沟和连接长江与淮水的邗沟，这些工程为灵渠的修建积累了经验。灵渠所面临的自然环境更为复杂，首先，从工程量上来考虑，灵渠的选址需要找到长江水系和珠江水系各支流中距离较短的位置进行连接；其次，从地形上来考虑，岭南地区属于丘陵地貌，起伏的地势给平衡运河的高差和流速带来了挑战；最后，合理水源的选择也是开渠的重要条件之一。

作为一条越岭运河，灵渠工程设计的关键在于，在分水岭处选择在两个水系等高线相差较小的位置开凿运河进行连接。兴安县城位于南岭山脉的低洼处，即长江水系支流的湘江与珠江水系支流的漓江之间分水岭的河谷平原，其东部地区，湘江自东南海洋山区发源往东北流向湖南方向；其西部地区，漓江自西北越城岭山区发源往西南流向桂林方向。由此看来，兴安县域是最理想的运河开凿区域。湘江上源的海洋河与漓江支流的始安水之间的最短距离为1600米，显然，从工程量上来考虑，选择最短的距离会比较理想。

然而，始安水流量太小，需要以海洋河为源水，而海洋河与之距离最近处的高程要比始安水水位低很多。如果在此处直接挖渠，显然渠水不能自流，而如果拦河筑坝以抬高水位，那么坝体高度需要在6米以上，在古代科学技术、资金和人力受限的情况下，这显然不是最佳方案。沿海洋河上溯2300米，即现在南渠渠首（南陡村）的位置，此处海洋河水位仅高于始安水水位1.5米。因此，只需在此修筑一处较低矮的拦河坝，就可以将海洋河水位适当抬高而顺利地引湘水入漓江。

2.精确的分水系统

在灵渠工程设施中，铧嘴、大天平、小天平与南渠、北渠相配合，合理地分配分水塘至南渠和北渠的进水量。尤其是北渠渠道过水断面与坡降的精确设计和施工，对实现合理分水起了至关重要的作用。南渠进口处流量一般为5～6米3/秒，北渠进口处流量为11～12米3/秒。上游来水量在特定的水流条件下大致为三七分水，以保证南渠、北渠有相应的通航水量；另外，由于大天平、小天平的坝身全部为溢流段，当来水量超过上述流量时，则在天平坝顶面自行溢流入湘江故道，以确保南渠、北渠渠道的安全。此外，在南渠口、北渠口各设一陡，作为南渠和北渠的进水节制闸。当来水量能满足两渠需要时，南渠、北陡同时敞开；当来水量较小时，则关闭北陡以蓄水，增加水深以满足灵渠（南渠）通航。在枯水季节，南陡、北陡交替开闭，可以保证灵渠的正常通航，必要时还可用来调节灌溉用水或阻水清淤。南渠渠首、北渠渠首部分的精确分水和泄水功能能满足渠道航运的需要。

3.巧妙的弯道代闸技术

弯道代闸是通过人工弯道对航道水面坡降做出调整，降低流速而利于航行，不建一闸而实现航道水力特性调整的技术。弯道代闸是中国古代运河工程中的一个杰出创造，这一技术在灵渠的航道设计上得到充分的体现。以北渠为例，由于大天平、小天平拦截湘江之水，已经把水位抬高2米左右，虽然在高程上对漓江支流始安水取得了优势，但是与湘江故道也产生了一个较大的高差，如果把北渠与湘江故道用等长或者用最短的直线距离连接，则会因为坡度过大导致水流过快，这不仅不能满足航运的需求，而且会使得引入南渠的流量变小甚至断流。因此，古人在北渠渠线设计了两个180°的大弯，增加渠道长至3500米，而直线距离则不到三分之二，渠面宽13～15米，这样就可以有效地平缓坡降。据测算，北渠坡降约为3‰，水流速度大大减缓，非常有利于航行。同样，这一技术在南渠的许多区段也有使用（图8-10），如南渠的半人工河段（即从三里陡到星桥陡）及自然河段的黄龙堤等处都运用了弯道代闸技术。

图8-10　南渠——弯道代闸技术应用的实例

在船闸系统尚未发明之前，使用长距离的弯道来降低流速的设计构思使得人工运河在高差较大的山区正常运转成为可能，而灵渠则成为世界上运用这一设计构思全方位实践的最早实例和古代至今仍保存完好的孤例。

4.先进的泄洪系统

灵渠的溢流工程系统自成体系，在渠道的各个重点区段都有分布，其中最典型的设置就是溢流坝与泄水道的结合。在洪水期，当水位高于坝顶时，则溢流坝自动发挥功能，将多余水量排入泄水道中。灵渠中重要的泄水装置有大天平、小天平、泄水天平、马嘶桥溢流堰（均泄水入湘江故道），黄龙堤、竹枝堰、回龙堤、海阳堤等均设有泄水道。以上泄水装置分布在重要的排洪点上，解决了洪水期水量过大的问题，确保主汛期灵渠的航运和灌溉的正常进行。(www.xing528.com)

5.古老的船闸技术

灵渠陡门的发明最早可追溯到秦汉时期，至少在中唐时期已经有明确的记载，其功能与现在的船闸类似，不过在构造上更加简单实用。灵渠有的渠段两陡之间距离仅150米，这样一组近距离的陡门构成一座单级船闸；有时在一段短河道中有连续多个陡门（如太平陡、铁炉陡、禾尚陡、三里陡、印陡）之间的距离都在150～200米，构成了一座多级船闸的雏形，这在世界船闸工程上是一项变革性的创举。陡门式单闸和多级船闸的出现使得河道蓄水能力大大提高，在非枯水季节不仅能够充分地供应航运用水，同时也可为周边的农田灌溉提供更多水源。

灵渠的工程技术体系与周边人文景观的形成，见证了中国古代航运技术和水利技术自身演进的重要历史。灵渠现存的所有航运设施和水利设施并不产生于同一个历史时期，而是在近两千多年的运用过程中，随着自然地理环境的变化以及社会经济的发展而逐渐地演进和发展完善的。它体现了中国运河技术和水利技术体系源远流长并持续有机地进化的基本特点。

6.精当的施工技术

灵渠大天平、小天平采用重力式砌石溢流坝，其施工技术十分精当，体现了中国先民高超的水利施工技术。

第一，大坝基础的处理巧妙。由于灵渠大坝所处的位置底层是砂卵石，需要对软地基进行处理，使其沉降变得足够坚固，提高软地基的固结度和稳定性至关重要。为了确保坝体稳固，古代灵渠的建设者在最底层用长2.0～2.5米、直径20～25厘米的松木桩密排，并在此基础上，再砌筑条石，从而确保了大坝基础的稳定性。

第二，在大坝前方面对上游来水的迎水面和坝后的跌水面浆砌平整的巨型条石，每两块浆砌条石的连接处，都凿有燕尾形石槽（称为燕尾槽）（图8-11），然后用铁锭嵌牢，使整座大坝的巨石连成一体，坚不可摧。迎水面条石砌成阶梯状，砌石高1.70～2.24米，跌水面砌石高仅为0.6～1.0米，使大坝形成一个前高后低的坡面。由于降低了跌水面的高度，大大减轻了漫过坝面的水流对坝基的冲击，避免了坝基被水流掏空的危险。

图8-11　连接条石的燕尾槽

第三，迎水面与跌水面之间的坝体坡面则以长条石竖直嵌砌，块块相叠，形似鱼鳞，因而叫作“鱼鳞石”（图8-12）。鱼鳞石构成的坡面，增加了下游溢流面的糙度，类似多级跌水，起到一定的消能作用，减轻溢过坝体的水流对坝体构成的威胁。洪水带来的泥沙沉积于石缝之间，反而可以起到加固大坝的作用。

精当的施工，确保了灵渠大坝千百年来整体安然无恙，鲜有大修的记载，在世界同类水利遗产中极为罕见。

图8-12　鱼鳞石