揭秘都江堰的设计原理教程文件

揭秘都江堰的设计原理
现在号称“天府之国”的成都平原，在古代是一个水旱灾害十分严重的地方。

李白在《蜀道难》这篇著名的诗歌中“蚕丛及鱼凫，开国何茫然”、“人或成鱼鳖”的感叹和惨状，就是那个时代的真实写照。

这种状况是由岷江和成都平原“恶劣”的自然条件造成的。

岷江是长江上游的一大支流，流经的四川盆地西部是中国多雨地区。

发源于四川与甘肃交界的岷山南麓，
都江堰的创建，又有其特定的历史根源。

战国时期，刀兵峰起，战乱纷呈，饱受战乱之苦的人民，渴望中国尽快统一。

适巧，经过商鞅变法改革的秦国一时名君贤相辈出，国势日盛。

他们正确认识到巴、蜀在统一中国中特殊的战略地位，“得蜀则得楚，楚亡则天下并矣”(秦相司马错语)。

在这一历史大背景下，秦昭襄王五十一年（公元前256年），秦国蜀郡太守李冰和他的儿子，吸取前人的治水经验，率领当地人民，主持修建了著名的都江堰水利工程。

都江堰的整体规划是将岷江水流分成两条，其中一条水流引入成都平原，这样既可以分洪减灾，又可以引水灌田、变害为利。

主体工程包括鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道和宝瓶口进水口。

1、为什么要修宝瓶口？
首先，李冰父子邀集了许多有治水经验的农民，对地形和水情作了实地勘察，发现只要打通玉垒山，使岷江水能够畅通流向东边，这样既可以减少西边的江水的流量，使西边的江水不再泛滥，同时也能解除东边地区的干旱，使滔滔江水流入旱区，灌溉那里的良田。

这是治水患的关键环节，也是都江堰工程的第一步。

于是决心凿穿玉垒山引水。

但玉垒山山石坚硬，民工们用铁具凿、挖、撬，工程进度极其缓慢。

后来，一个有经验的老民工建议，应当在岩石上开一些沟槽，然后放上柴草，点火燃烧，岩石在柴草的燃烧下就会爆裂，可以加快挖的速度。

实践证明这个办法非常有效。

经过一段时间的努力，终于在玉垒山开凿了一个20米宽、40米高、80米长的口子，因形状很像瓶口，因此叫“宝瓶口”。

把开凿玉垒山分离的石堆叫“离堆”。

奔流不息的岷江水通过宝瓶口源源不断地流向东部旱区，这样，东部的农田得到了灌溉。

安澜索桥又名“安澜桥”、“夫妻桥”。

始建于宋代以前。

位于都江堰鱼嘴堤之上，被誉为“中国古代五大桥梁”之一，是都江堰最具特征的景观。

索桥以木排石墩承托，用粗竹缆横挂江面，上铺木板为桥面，两旁以竹索为栏，全长约500米。

明末（公元17世纪）毁于战火。

现在的桥为钢索混凝土桩。

2、为什么要修分水鱼嘴？
宝瓶口引水工程完成后，虽然起到了分流和灌溉的作用，但因江东地势较高，江水难以流入室宝瓶口，怎样才能让水更多地往东流入宝瓶口呢？从而引出要修分水鱼嘴。

修分水鱼嘴可以使岷江水能够顺利东流且保持一定的流量，并充分发挥宝瓶口的分洪和灌溉作用，因此李冰在开凿完宝瓶口以后，又决定在岷江中修筑分水堰，将江水分为两支：一支顺江而下，另一支被迫流入宝瓶口。

在江心修筑分水堰是一项很艰巨的工程，因为江心水高涌大，水流急速，筑成的堰提要很坚固，否则随时都会被洪水冲走。

开始修筑分水堰时，他们采用往江心抛石块的办法，结果没有成功。

因为，抛下去的石块，经不住洪水的冲击，不断地被洪水冲走。

怎么办？岷山一带盛产大竹，当地人用竹子盖房、编竹笼来装东西的方法，使李冰大受启发。

他请来许多竹工，让他们编成长3丈、宽2尺的大竹笼，再往里面装满鹅卵石，然后让民工将沉重的大竹笼一个一个地沉大江底。

结果大竹笼在湍流的水中安然不动，稳稳地固定在那里，周围再用大石头加固，就这样分水大提终于建成。

由于大提前端的形状好像一条鱼的头部，所以被称为“鱼嘴”。

鱼嘴的建成将上游奔流的江水一分为二：西边称为外江，它沿岷江河雨顺流而下；东边称为内江，它流入宝瓶口，江水经大大小小的渠道，形成一个纵横交错的灌溉网。

从此以后成都平原就很少有水旱灾难，用竹笼装卵石来截流的办法也沿用至今。

3、为什么还要修飞沙堰？
为了进一步控制流入宝瓶口的水量，防止灌溉区的水量忽大忽小、不能保持稳定的情况，李冰又在鱼嘴分水堤的尾部，靠着宝瓶口的地方，修建了分洪用的平水槽和“飞沙堰”溢洪道。

飞沙堰同样采用
竹笼装卵石的办法堆筑，堰顶做到比较合适的高度，起一种调节水量的作用。

当内江水位过高的时候，洪水就经由平水槽漫过飞沙堰流入外江，使得进入室瓶口的水量不致太大，保障内江灌溉区免遭水灾；同时，由于漫过飞沙堰流入外江的水流产生了游涡，还可以有效地减少泥沙在宝瓶口周围的沉积。

为了观测和控制内江水量，李冰又雕刻了三个石桩人像，放于水中，以“枯水不淹足，洪水不过肩”来确定水位。

还凿制石马置于江心，以此作为每年最小水量时淘滩的标准。

至此，都江堰工程基本完成。

都江堰是一个集灌溉、防洪、提供生活和工业用水多方面功能于一体的大型水利枢纽工程，它由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程和百丈堤、人字堤以及遍布于成都平原上的自动引流灌溉渠共同构成，而三大主体工程可以说是整个工程的灵魂，也最能够体现都江堰治水的思想和理念。

都江堰之所以伟大，就在于它凝聚了我国古代人民的智慧，设计科学、布局合理，成功地解决了鱼嘴分水，飞沙堰泻洪排沙、宝瓶口引水等许多复杂的水利工程问题，使岷江的水利资源充分的得到利用。

再加上维修简便。

费用低廉而效果庞大明显，所以都江堰能在2260多年以后还能继续发挥作用。

当年李冰在对岷江沿岸进行考察之后，选择了在岷江出山口的地方，把岷江一分为二，修建三大主体工程，形成灌口。

之所以选择在这里建灌口是因为这里的海拔高度是700米，而而以成都市为中心的成都平原的海拔高度只有500米，在这个扇型的冲积平原上，扇柄这个位置可以死死地扼住岷江的洪水，使它不至于泛滥成灾，而且还能控制进入成都平原的水流量。

李冰最早修建鱼嘴是在枯水季节时先把杩槎固定在江心，然后用竹笼和卵石填充其间，最后在江中形成一条绿色的大鱼，终于把岷江一分为二。

因为前端部分扁平椭圆，象鱼头，所以得名为鱼嘴。

鱼嘴工程的建设非常科学，它建立在岷江出山口一段呈弯道环形的江面上，岷江被它分为内外二江，在修建时，故意使外江的河床稍微高于内江。

这一点看起来不起眼的设计却是自动引流的关键所在。

外江是排洪的河道，内江则是负责成都平原灌溉任务的干渠。

每当春耕季节的时候，正好是岷江的枯水季节，水流量不大，水流在经过鱼嘴前面的弯道后，顺应水往低处流的自然规律，主流60%的水直接进入内江，这时进入外江的水流量只有40%。

这样才能保证平原上灌溉用水的需要。

到了夏天洪水季节来临时，岷江的水位明显升高。

巨大的水流来到鱼嘴前的弯道这里形成巨大的旋涡。

受离心力的影响，主流约60%的水被甩进外江，此时内外江的进水的比例自动颠倒过来，内江只进入40%的水量。

成都平原则不至于受到洪水的威胁。

因此，不管是洪水还是枯水季节，都江堰鱼嘴都能象现代化的节制阀一样，起自动调剂水流量的作用，使成都平原能够水旱从人，不知饥谨。

这就是都江堰治水三字经所说的“分四六，平潦旱”。

鱼嘴的另一个重要的作用是排沙。

都江堰之所以能够到今天还能继续发挥功能，就在于他有先进的排沙系统。

所谓“四六分水，二八排沙”就是鱼嘴除了自动调节内外江的水流量之外，它还能把上游带来泥沙的80%给排走，使进入内江和成都平原的水都是清水。

刚才我们讲到了，鱼嘴建立在大弯道的下面，外江处于凸岸进水的位置，而内江处于凹岸进水的位置。

当洪水季节来临，水流是夹带着大量的泥沙，气势汹汹而来。

当它们到达大弯道时，不可避免地形成巨大的旋涡。

此时含沙量大，重而沉底的底层水，被离心力甩出，与60%的主流一起直冲入外江，而轻而浮面的表层清水进入旋涡后被离心力甩到了下层，冲向凹岸，也就是内江。

这样进入内江的泥沙已经很少，只有20%左右。

一个简单的鱼嘴同时解决了调水和调沙的难题，既能保证水量控制，又使整个工程不受泥沙淤积问题的困扰，这正是都江堰妙不可言的魅力之所在。

虽然鱼嘴排走了80%的泥沙，但是仍然有20%进入内江，如果淤积过多，肯定会毁掉都江堰。

而且洪水季节进入内江的水有可能会大于成都平原的需要，形成涝灾，怎么办呢？不用担心，李冰在鱼嘴的下面还设计修建了飞沙堰和宝瓶口。

这三大主体工程。

相辅相成共同完成了泻洪、排沙、分水等等一系列水利工程问题。

飞沙堰其实是内江的泻洪道。

它上距鱼嘴700米，下离宝瓶口200米。

高度与宝瓶口进水刻度13划齐平。

它的主要作用是为内江泻洪排沙。

宝瓶口是当年李冰从玉垒山的末端活生生凿出来的一个梯形引水口，边坡很陡，坡上有进水刻宝瓶口长有40米，底部宽17米，水面宽度枯水季节时是19米，洪水季节时是23米，，由于它巧妙地控制着成都平原的进水量，所以又叫金灌口。

经过鱼嘴分流后进入内江的岷江水，流到飞沙堰这个位置时，在飞沙堰的对面遇到了第二个弯道，形成又一个弯道环流。

加上宝瓶口凿出的离堆阻住水流，一部分水流回涌，夹带大量泥沙的底层重水再度被翻到表层，翻越飞沙堰，泻入外江，内江多余的水和泥沙就在这里被排走。

剩下的清水则直接冲向离堆，经宝瓶口流向成都平原。

经过第二
次排沙，能在飞沙堰下面淤积下来的泥沙已经很少，每一年岁修时遵循“深淘滩，低作堰”的原则把这些泥沙淘出来，这样宝瓶口的进水量就始终都可以得到保证。

在都江堰渠首工程中，宝瓶口、飞沙堰和鱼嘴的位置、高度以及长宽尺寸可以说是珠联璧合，配合巧妙。

当内江洪水的高度与飞沙堰齐平时，宝瓶口的进水量就刚好够成都平原上的工农业用水，而当宝瓶口的水位高于13划的水位刻度时，飞沙堰就开始翻水溢流，。

近十年来，平原上的用水量不断增大，飞沙堰的高度略有增高，但调节宝瓶口进水的作用依然没变。

此外，由于离堆迎面顶住内江的洪水，使飞沙堰以下的底部的水流速度明显下降，大量泥沙不能继续前进，部分沉积在飞沙堰对面的一带河段，受弯道环流的影响，大部分经飞沙堰排出。

还剩极少的部分泥沙，每一年进行岁修时人工淘出用来加固堤坝。

根据测量，经鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口相互配合，进入内江的泥沙被排除的达到了90%以上。

都江堰位于成都平原西北边缘，进入内江的水从这里流经成都平原的东南西北，是完全利用了从西到东的这200米的海拔高差，形成一个完善的自动引流灌溉系统。

从上空俯瞰下来，这些一分二、二分四、四分八的密密麻麻的水网就象是穿行于人体皮肤下的血管，2000多年来为成都平原上的土地和人民源源不断的提供着甘甜的乳汁。

整个都江堰设计科学、布局合理，充分地利用自然地理条件，采用多层次的弯道环流，达到无坝分水、自动控制水流量、自动排沙、自流灌溉的目的。

这种种神奇的功能保证了成都平原既受灌溉之益，又无水旱之患，不能不说是一个奇迹。

*************************************************************************************************** 李冰的治水三字经和八字真言
治水三字经“深淘滩，低做堰”、八字真言“遇湾截角，逢正抽心”
深淘滩，低作堰”是都江堰的治水名言，淘滩是指飞沙堰一段、内江一段河道要深淘，深淘的标准是古人在河底深处预埋的“卧铁”。

岁修淘滩要淘到卧铁为止，才算恰到好处，才能保证灌区用水。

低作堰就是说飞沙堰有一定高度，高了进水多，低了进水少，都不合适。

古时飞沙堰，是用竹笼卵石堆砌的临时工程；如今已改用混凝土浇铸，以保一劳永逸的功效。

宝瓶口，是前山(今名灌口山、玉垒山)伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，它是人工凿成控制内江进水的咽喉，因它形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。

留在宝瓶口右边的山丘，因与其山体相离，故名离堆。

宝瓶口宽度和底高都有极严格的控制，古人在岩壁上刻了几十条分划，取名“水则”，那是我国最早的水位标尺. 鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口这个都江堰渠首的三大主体工程，在一般人看来可能会觉得平平常常、简简单单，殊不知其中蕴藏着极其巨大的科学价值，它内含的系统工程学、流体力学等，在今天仍然是处在当代科技的前沿，普遍受到推祟和运用。

遇湾截角"指岁修时遇河流弯道,在凸岸截去锐角,减缓冲势,使其顺直一些,减轻主流对河岸的冲刷,"逢正抽心"就是遇到顺直的河段或河道叉沟很多时,应当把河床中间部位淘深一些,达到主流集中的目的,便江水"安流顺轨",避免泛流毁岸
都江堰治水三字经
人们在长期实践中创造了都江堰水文化，其内涵深刻，是都江堰工程长盛不衰的重要因素。

“乘势利导、因时制宜”的原则，是治理都江堰工程的准则，人们称之为“八字格言”。

都江堰的治水三字经，更是人们治理都江堰工程的经验总结和行为准则。

“深淘滩，低作堰，六字旨，千秋鉴，挖河沙，堆堤岸，砌鱼嘴，安羊圈，立湃阙，凿漏罐，笼编密，石装健，分四六，平潦旱，水画符，铁椿见，岁勤修，预防患，遵旧制，勿擅变”。

治水三字经是千余年来人们治理都江堰经验的概括，有着深刻的文化内涵，是治理都江堰的行为准则。

曾经有人批评《治水三字经》中的“遵旧制、勿擅变”是保守思想的反映。

实践证明《治水三字经》中的每一项措施，都是人们从长期实践中总结出来的，值得珍视和继承。

所谓遵旧制、勿擅变者，就是在治理都江堰时要按客观规律办事，而《治水三字经》就是千百年来治理都江堰工程的经验总结。

“勿擅变”不是不变，而是要遵循客观规律办事。

实践证明《治水三字经》文化内涵，是人们长期实践的结果。

随着人们继续实践，《治水三字经》的意义将与时俱进，长期指导着都江堰工程的保护与发展。

都江堰工程按水势和地形特征，以杩槎截流导流、卵石护岸、竹笼盛石筑堤、卧铁展示淘滩标准，以及“遇
弯截角，逢正抽心”和“深淘滩，低作堰”等遗迹构成一道道独特的风景线，工艺精湛，造型优美，功能显著，显示出都江堰水文化特征，具有深远的历史和现实意义。

宝瓶口的水尺和古水则，更显示出劳动人民的智慧，指导着灌区人民正确运用都江堰水资源，使灌区工农业生产能够乘势利导，驱利避害。

古代竹笼结构的堰体在岷江急流冲击之下并不稳固，而且内江河道尽管有排沙机制但仍不能避免淤积。

因此需要定期对都江堰进行整修，以使其有效运作。

宋朝时，订立了在每年冬春枯水、农闲时断流岁修的制度，称为“穿淘”。

岁修时修整堰体，深淘河道。

淘滩深度以挖到埋设在滩底的石马为准，堰体高度以与对岸岩壁上的水则相齐为准。

明代以来使用卧铁代替石马作为淘滩深度的标志，现存三根一丈长的卧铁，位于宝瓶口的左岸边，分别铸造于明万历年间、清同治年间和1927年。

都江堰卧铁
卧铁是埋在内江“凤栖窝”处的淘滩标准，也是内江每年维修清淘河床深浅的标志。

相传李冰建堰时在内江河床下埋有石马，作为每年淘滩深度的标准，后来演变为卧铁。

现有四根卧铁分别是明朝万历四年、清同治三年、民国十六年和1994年埋下的。

现在游客在离堆古园内喷泉处能看到的这四根卧铁的复制品，其真品还埋在内江河床下。