企业设计的借鉴经典：都江堰工程

(张西振 肖永健)

俯瞰都江堰，给人的第一感觉就是四个字——平淡无奇。几乎看不出是一个“工程”，更谈不上“雄伟”。所谓“堰”，看上去只是一个随处可见的“江心洲”，“宝瓶口”也不过在江边山上凿了一个口子。
但是，都江堰确实是一个伟大的工程！
它历经2260年沧桑仍然保持着青春活力。它在秦始皇下令修长城之前几十年就已建成，至今仍然发挥着分水、导水、引水、排沙、泄洪的功能，文人盛赞它“千古奇功”、“永久性地灌溉了中华民族”。而现在的长城不过是一个历史遗迹。

李冰建设都江堰的方法可以追朔到大禹治水的思想：顺着水的自然流势无为而治。
都江堰不过是在岷江中顺着水流建了一个分水堤，将江水分成内江和外江。内江的水经过宝瓶口流入了成都平原，外江的水顺流而下。
都江堰朝向上游的端头称为鱼嘴，它将岷江水劈成两部分，在内江与外江之间进行了第一次分水。

在都江堰的尾端是飞沙堰，依赖于它适中的高度进行第二次分水，在洪水季节，水流将从飞沙堰之上泄到外江。

都江堰工程由鱼嘴(分水堤)、飞沙堰(溢洪道)、宝瓶口(引水口)三大工程构成。它们有机的组合，联合发挥了引水灌溉、排洪、排沙和减灾的巨大作用。鱼嘴与金刚堤连在一起，位于江心，它们的建造和作用与弯曲河床形态有密切关系。金刚堤实质是岷江河床上的江心洲，鱼嘴位于金刚堤的顶端，形如鲸鱼之嘴巴，故名为鱼嘴。鱼嘴与金刚堤的共同作用是使岷江河床分汊，即分为内江和外江，所以鱼嘴与金刚堤是一个非常关键的工程。从分水堤与金刚堤位于河床中心位置分析，这个堤的建造，主要是李冰利用了河流的弯道环流的原理形成的。如现在的分水堤东侧是岷江凹岸，也正是内江流经的部位，西侧是岷江的凸岸，也正是外江流经的部位。这里的弯道环流的表流流入凹岸，把凹岸被侵蚀的和过境的大量泥沙，由环流的底流再搬运到凸岸堆积成迂回扇，其中一部分泥沙在江心堆积形成规模宏大的江心洲(金刚堤)，泥沙在洲头不断堆积、延伸，加之人工不断对它们修筑、加固和保护，形成今日之“天然-人工”金刚堤和鱼嘴。金刚堤和鱼嘴的存在，使岷江主流在此成为分汊型河床。尤其鱼嘴的存在意义，在于发挥分汊河流的分水分沙作用，如冬、春枯水季节，岷江水位较低，河流主流线多靠近河谷凹岸流去，分水堤将约十分之六的江水流入内江，十分之四的江水流入外江，保证了灌区的用水量，简称“四六分水”；夏、秋洪水季节，岷江水位相对升高，河流主流线相对变直，大部分江水流向凸岸，故分水堤又将十分之六的江水排入外江，十分之四的江水注入内江。显然，这是李冰掌握了分汊口即江心洲(金刚堤)和洲头(鱼嘴)的分水分沙特点，又利用了内江具有平面弯道环流泄水特性，创造的科学分水方法。

飞沙堰和宝瓶口的工程建设，科学地利用了河流动力均衡原理。飞沙堰位于金刚堤南端成一低矮的人工沙堤(实为一潜坝)，为什么飞沙堰要修在金刚堤南端？这是因为内江流水遇到虎头岩的撞击后自然形成涡流，这股涡流径直向西南方向(现在的飞沙堰位置)流去，多余洪流和泥沙也随之泄入外江，可见这位置正是保证内江洪流和泥沙排泄的最佳方向和位置，因此，决定在金刚堤南端修建飞沙堰。飞沙堰的作用一是起排洪排沙作用，二是起挡水作用，保证内江水位始终保持在一定的高度上，以保证成都平原灌溉有足够的水量，如无此坝，内江水会大部分泄入外江，所以后人总结为正面引水，侧面排沙，但必须要求飞沙堰坝面要低。李冰根据河流动力均衡原理岁修内江的经验是“低作堰”。所谓低作堰，是指每年维修飞沙堰时，要保证飞沙堰始终保持在一定高度上，堰顶不能加固过高，即堰顶宜低不宜高。因为堰顶高了，造成排洪排沙不畅，使内江泥沙沉积加剧，洪涝频繁，而堰顶低了，减少障碍，有利于排洪排沙。究竟堰顶低到什么标准合适，要根据宝瓶口的“水则”与灌区需水量的多少而定。现在的堰顶平于水则十五划(每划一市尺)是堰顶最合适的高度标准(现在飞沙堰的相对高度实为2m)。如果内江水位高出水则十五划，堰顶也高出水则十五划，对内江排洪不利，灌区就要闹水灾；相反，内江水位低于水则十五划，堰顶也低于十五划，内江大部分水流就会流入外江，灌区就缺水，影响灌溉农田，只有堰顶平于水则十五划，恰到好处，灌区不涝不旱。

内江引水的咽喉工程——宝瓶口，它与飞沙堰二者有机的组合，共同承担了排洪减灾，保障灌区用水功能，其原理也是利用了河流动力的均衡原理。如宝瓶口西边凸出而高大的离堆山崖起到了阻挡内江洪流的作用，宝瓶口起到增加泄水的作用。如洪峰期间，一部分洪流遵照宝瓶口明文规定的“水则”，规规矩矩地从宝瓶口流出，保证成都平原灌溉用水，其余的洪流被迫通过飞沙堰，人字堤流向外江，起到了排洪减灾作用。由此可见，飞沙堰和宝瓶口排洪、输水功能，完全是李冰利用了河流动力均衡原理而巧妙设计的水利工程。

李冰为避免内江河床泥沙淤积，除采取侧面排沙方法外，还总结出“深淘滩、低作堰”的方法，对内江河床淤积的泥沙每年进行一次淘挖，称为岁修。所谓“深淘滩”，就是对内江河床淤积的泥沙必须清除淘挖到一定的深度。究竟淘挖到什么深度合适?据传，李冰为了找到这个合适深度，曾多次观测、实验，他终于找到了一个深度，在这个深度的位置河床底下，曾埋了一个石马作为标记(现代改为三个卧铁)，要求以后每年岁修，淘见石马淘沙就终止，即淘沙达到了标准深度。由此可见，石马所埋深度是一个非常关键的问题，也是衡量岁修工程质量的标准。这个深度为什么是一个非常关键的问题?回答这个问题，只有用河床平衡剖面理论来解释为妥。因为李冰深淘滩的目的就是要保持内江来沙输沙处于年内平衡状态，即一年内河床冲淤平衡，这就要求河床纵剖面必须达到平衡剖面状态，深淘滩的最终目标就是内江河床相对处于平衡剖面状态，河床不淤积，为了使河床达到此状态，必须借助人为的疏浚淘沙措施，方能实现，所以每年岁修淘沙，必须淘挖到石马埋深处(河床平衡剖面位置)。假若淘挖深度浅于石马埋藏深度，河床仍继续淤积抬高，对排沙不利，而且影响外江和内江的流量分配；若淘挖超过此深度，等于人为的相对降低了河床临时侵蚀基准面，河流的活力复活，侵蚀作用反而加强，泥沙增多，加重了排沙的负担，会使输沙、来沙失去平衡。所以，李冰深淘滩确定的石马埋藏深度是一个非常重要的科学理论问题，是河床平衡剖面理论应用于水利工程上的伟大创举。