良渚水利工程遺址“草裹泥”技術(shù)影響分析

戚高晟 沈瑜偉 管文凱 劉志雄 陳露莎 袁一航 魏猛

摘要：指出了良渚水利工程遺址中發(fā)現(xiàn)的“草裹泥”技術(shù)，為后世加筋土等材料的形成、應(yīng)用提供了歷史史實(shí)和實(shí)例。通過分析“草裹泥”技術(shù)形成的背景及技術(shù)手段，探討了其實(shí)用性以及對于后世加筋土材料的啟發(fā)與影響。

關(guān)鍵詞：草裹泥;良渚;水利工程;古壩;土壩;加筋土

中圖分類號：K878

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0197-03

1 背景簡介

良渚文化遺址位于我國浙江省杭州市城北18 km處杭州市余杭區(qū)瓶窯鎮(zhèn)，遺址占地總面積約為34 km2。因其被發(fā)現(xiàn)于浙江省杭州市余杭區(qū)良渚街道，依照我國考古慣例按發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)命名的原則，是為良渚文化[1]。1936年發(fā)現(xiàn)的良渚文化遺址，其中心地區(qū)在浙江省太湖流域，而遺址分布最密集的地區(qū)則在太湖流域的東北部、東部和東南部。實(shí)際上是余杭區(qū)的良渚、瓶窯、安溪三鎮(zhèn)之間許多遺址的總稱。良渚文化遺址的實(shí)質(zhì)其實(shí)是新石器時(shí)代晚期人類聚居的地方，年代約為公元前3300年至公元前2000年，距今4000～5300年左右。良渚文化的發(fā)掘是中華文明探源工程的一項(xiàng)重要課題，它關(guān)系到國家的起源，一向被譽(yù)為“文明的曙光”、“中華第一城”，收到社會各界的廣泛關(guān)注和重視。在中國史前文明的各大遺址中，良渚遺址的規(guī)模最大，水平最高。作為力證我國具有五千年?duì)N爛文明史的寶貴文化財(cái)富，2018年，良渚文化遺址代表我國申報(bào)世界文化遺產(chǎn)[2]。

作為良渚文化遺址眾多輝煌燦爛遺產(chǎn)中最為特別的一項(xiàng)，良渚水利工程遺址伴隨著近年來開挖發(fā)掘工作的不斷實(shí)踐與進(jìn)步，逐漸收到了來自國內(nèi)外水利學(xué)界、地理學(xué)界、史學(xué)界等相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注與認(rèn)可。2015年，以2009年崗公嶺水壩的發(fā)現(xiàn)為契機(jī)，經(jīng)多方調(diào)查發(fā)掘和分析，相關(guān)部門確認(rèn)在良渚古城外圍的北面和西面，存在著一個(gè)由秋塢、石塢、蜜蜂弄等10條堤壩以及長約5 km的塘山長堤共計(jì)11條壩體共同構(gòu)成的古代水利系統(tǒng)。該水利系統(tǒng)占地遼闊，雄偉異常，其土方面積據(jù)測算高達(dá)260萬m3，控制范圍達(dá)1 00多km2，距今已有5000多年的歷史，兼具防洪、防潮、航運(yùn)、灌溉和灘涂圍墾等綜合功能。這是世界上最早、規(guī)模最大的水利系統(tǒng)，也是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的世界上最早的攔洪水壩系統(tǒng)（圖1）。

2 技術(shù)簡介

良渚水利工程遺址所在地位于浙江省太湖平原，其地勢低洼，沼澤滿布，水草豐盈，適合人類居住、作物耕種，但同時(shí)也容易受到洪水的影響。滅目山系作為浙江省的暴雨中心之一，雨水充沛，夏季極易形成山洪，對地處下游平原的良渚形成直接威脅。智慧的良渚先民通過設(shè)計(jì)施工良渚水利系統(tǒng)中高、低兩級水壩，將大量的來水蓄留在山谷和低地內(nèi)，以此來達(dá)到防洪作用。此外，良渚時(shí)期距今年代久遠(yuǎn)，當(dāng)時(shí)輪式交通及配套道路系統(tǒng)尚未形成，水運(yùn)是最便捷合理的運(yùn)輸方式。高壩所在的山谷陡峻，降水季節(jié)性明顯，夏季山洪暴發(fā)，冬季則可能枯水?dāng)嗔?，不具備行船條件，而通過筑壩蓄水形成的庫容，則可以形成連接多個(gè)山谷的水上交通運(yùn)輸網(wǎng)，方便運(yùn)輸。良渚先民在流域的上巾下游興建不同類型的水利設(shè)施，有效利用附近一帶斷斷續(xù)續(xù)的山包和山崗，節(jié)省了80%的筑堤工程量，這些都充分表明他們已經(jīng)具備全流域的水資源規(guī)劃和改造能力。

水利水能規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中大規(guī)模的水利系統(tǒng)建設(shè)，往往涉及復(fù)雜的組織機(jī)構(gòu)、人員管理和社會動員，同時(shí)對于水工建筑物的牢固可靠程度也有較高的標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。而良渚水利工程遺址中被發(fā)現(xiàn)的土壩，就足夠符合當(dāng)時(shí)的技術(shù)要求。中國社科院考古所專家通過GIS軟件對良渚古壩系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)其可有效阻擋該流域短期內(nèi)960 mm的連續(xù)降水，即可抵擋該地區(qū)百年一遇的洪水。

百年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)在而言，其設(shè)計(jì)施工要求都很高，而五千年前的良渚先民為了適應(yīng)自然，營造生存環(huán)境，設(shè)計(jì)出這樣的工程可謂是一個(gè)奇跡。為了完成土壩的施工，智慧的良渚先民因地制宜，就地取材，完成了施工過程中至關(guān)重要的一環(huán)，即工程材料的制備[4]。在位于良渚水利工程遺址鯉魚山、老虎嶺等地的土壩斷面處，可清晰地發(fā)現(xiàn)一個(gè)個(gè)錯(cuò)位排列的“方格子”，這其實(shí)是由良渚先民利用“草裹泥包”橫豎堆砌、上下堆疊形成的，這種運(yùn)用在土壩筑壩工程中的技術(shù)被研究人員們稱為“草裹泥”技術(shù)。“草裹泥”技術(shù)，即先用淤泥堆筑，外裹黃土。這些土并非散土，而是用蘆荻、茅草把泥土裹成長圓柱形，然后碼成壩體，通過材料之間的相互作用咬合構(gòu)成一體（圖2）。

3 后世影響

眾所周知，巖土是人類最早接觸和最常見的建筑材料之一，是占代人類最早使用的工具與武器。古語云：“兵來將擋，水來土湮”，表明在漫長的人類進(jìn)化過程史中，我國古代人類在與洪水斗爭中漸漸得出經(jīng)驗(yàn)：土是他們最方便和最有效的武器。但是，作為一種三相組成的物質(zhì)，土往往是碎散的，在流水中會輕而易舉地被沖散帶走。其雖然具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，但是其抗拉強(qiáng)度卻非常低，在實(shí)際水利工程中的功用就顯得非常有限。而在土體中摻入或鋪設(shè)適量的具有抗拉性能的加筋材料后，可不同程度地改良土體的強(qiáng)度與變形特征。將加筋材料埋置在土體中，可以擴(kuò)散土體應(yīng)力、增加土體模量、限制土體側(cè)向變形，進(jìn)而提高土體及相關(guān)結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性[5]。岡此，在填土中加入抗拉材料，通過筋土界而摩擦力將加筋材料的抗拉強(qiáng)度與土體強(qiáng)度結(jié)合起來，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，可以使土體形成一個(gè)整體，強(qiáng)度得以提高。而良渚先民們采用的辦法是-種最簡單方便的方法：利用天然的萆、木、竹等植物纖維材料將上石結(jié)合成一個(gè)整體（圖3）。這就是原始的上的加筋與防護(hù)。

從廣義上講，凡在土體內(nèi)加入筋材，充分利用土體抗壓強(qiáng)度和筋材抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定結(jié)合體均可稱為加筋土結(jié)構(gòu)。國際上巖土學(xué)界往往認(rèn)為科學(xué)技術(shù)的歷史都源于歐州，尤其對于加筋土這一偉大的創(chuàng)造，他們普遍的說法是：1963年，法國的工程師亨利·維達(dá)在觀察鳥類利用泥和草筑巢，受到啟發(fā)后提出加筋土這一新概念。但是通過考察發(fā)掘，早在五千年前，良渚文化早中期的先民們就利用當(dāng)?shù)刎S富的柴草與淤泥，復(fù)合形成名日“草裹泥”的加筋土，用以筑壩擋水。而在距今大約4100年前，大禹治水時(shí)，為了有效攔截洪水，整治疏通河道，調(diào)節(jié)沖淤，他主要采用木竹加碎石等形式的加筋結(jié)構(gòu)，也就是傳說中的“息壤”來達(dá)到防洪的目的[6]。上述史實(shí)都充分表明：我國古代先民早在幾千年前就已經(jīng)充分了解了土的優(yōu)勢及劣勢，并已經(jīng)認(rèn)識到改造土體的重要性以及具體的改造辦法，而遠(yuǎn)非西方學(xué)界所推崇的五十年前（即1963年亨利·維達(dá)的發(fā)現(xiàn)）。

自古以來，我國安徽、浙江等地筑土墻加草筋或竹筋（圖4），用柴排處理軟弱地基，用土袋或樹枝壓條加固堤岸等實(shí)際工程施工方法，都是應(yīng)用加筋土技術(shù)的實(shí)例。而在5000年前，我國良渚水利工程遺址中使用的“草裹泥”加筋土技術(shù)，其作用大致相當(dāng)于現(xiàn)代修建堤壩時(shí)使用的草袋裝土技術(shù)[7]。在土內(nèi)加入蘆荻、茅草等植物纖維并壓實(shí)，能使壩體增加抗拉、抗剪強(qiáng)度和整體性，不易崩塌和被沖毀，可謂是現(xiàn)代加筋土的鼻祖。良渚水利工程遺址中“草裹泥”技術(shù)的發(fā)掘，不光有力證明了加筋土這一技術(shù)的實(shí)用性，同時(shí)也說明了幾千年前先民的智慧充分影響到后世現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，為加筋土的發(fā)展提供了歷史溯源和使用范本。

參考文獻(xiàn)：

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[6]李廣信.息壤考[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，11（增2）：1～4.

[7]馬燕燕，閆彥，王生云，等.浙江省古堰壩分布特征與歷史價(jià)值研究[J].浙江水利科技，2012（4）：47～50.