水利科学史之静水压力在水利工程中的应用
跑龙套的橙子
2023年12月21日 09:53:40
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    对于静水压力分布的理论认识,未见古人论述。明确说明静水压力大小只与水深有关,而且同一点所受各个方向的压力是相等的,是明朝末年王征翻译的《远西奇器图说》。他说:“水力压物,其重止是水柱,余在旁多水皆非压重。”①他还举出运用静水压力分布理论求解水中闸门面板受力的例子,认为闸板受力等于由水面斜向下的直角三角形的水体重,“即从垂线上面之甲斜行至丙,则是水冲半柱之重,其余多水俱无干也”。②见图2-11。


    对于静水压力分布的理论认识,未见古人论述。明确说明静水压力大小只与水深有关,而且同一点所受各个方向的压力是相等的,是明朝末年王征翻译的《远西奇器图说》。他说:“水力压物,其重止是水柱,余在旁多水皆非压重。”①他还举出运用静水压力分布理论求解水中闸门面板受力的例子,认为闸板受力等于由水面斜向下的直角三角形的水体重,“即从垂线上面之甲斜行至丙,则是水冲半柱之重,其余多水俱无干也”。②见图2-11。

    ①方克主编,中国的世界记录(科技卷),湖南教育出版社,1987年,第98页。
    ②《荀子?宥坐篇》,诸子集成本,第341页,《淮南子?道应训》也记载了同一件事。
     ①  明?邓玉函口授,王征译绘,《远西奇器图说》卷l,丛书集成本,第118页。
     ②  明?邓玉函口授,王征译绘,《远西奇器图说》卷1,丛书集成本,第119页。

    静水压力往往是导致水工建筑物倾毁的主要外力。当建筑物前面有水而后面没有水时,尤其是当汛期高水位作用下,土体建筑物、建筑物基地或建筑物与土体连接部分往往渗水,形成管涌、流土或漏洞,使建筑物失稳。在这种情况下抢险,往往在建筑物后面迅速加筑一道月牙形土堤,把渗水积蓄起来,使建筑物后面积蓄的渗水水压力与前面的水压力相抵,从而抑制险情的发展。这种做法被康熙年间的治河名臣靳辅(1633~1692)记录下来。他在说明涵洞的作用时说,涵洞除有减水、淤田、灌溉等作用之外,“更以之挡水,以之卫闸,其用微妙,非久于河者不知也”。其做法是:“我以涵洞之水透入闸后,使之旋澜涌波,以护其基,以承其底,则闸反若有所凭固,而澎湃之势平,倾跌之力衰矣。”①这种做法也广泛用在保护堤、坝安全上,,被称作水戗。同治年间刘成忠进一步阐述水戗的原理,“水戗云者,不戗以土而戗以水也”。水戗功效显著,“以水搪水,外堤未必再塌。即或塌开,亦无跌塘之势,混茫一片。仍以所放之缺口入河耳,何险之不可保哉!”②乾隆三十三年(1768)在丰砀厅南岸抢险时即“於七月初五日放水戗,中段塌透,以水抵水……”③。而且开放水戗后,“(水戗)内塘渐已淤平”等於加大了堤防厚度,安全更有保障。



    利用内水压力平衡外水压力的做法,在堵口合龙施工中,为减轻合龙时上下游水头差过大所带来的施工困难,也常采用。即在龙口两端分别加筑两道坝,同时进占。上游坝称作正坝,下游坝称作二坝。清代称之为二堵进堵法。其做法是:“正坝以下数十丈酌作二坝一道,又曰托水坝,既可托平溜势,又作重门保障,其进占与正坝相同。”④这样,由于二坝的托水作用,正坝与二坝间形成的水塘的水位,将低于正坝上游水位而高于二坝下游水位。龙口上下游水头差因而被分解为两部分,如此,正坝和二坝同时进堵,其困难程度将显著低于单坝进堵的做法。见图2-12。

二坝进堵的方法最早见于北宋年间。在元丰元年(1078)堵闭曹村决口时,曾使用王居卿建议的“立软、横二埽以遏怒流”⑤的做法,使堵口获得成功。⑥

   

   ①清?靳辅:《治河方略》卷2,闸坝涵洞,水利珍本丛书本,第96页。
    ②清?刘成忠:《河防刍议》,同治甲戌刊本。
    ③清?黎世序:《续行水金鉴》卷16,国学基本丛书本,第364页,引《南河成案》。
    ④清?李大镛:《河务所闻集》卷2,水利珍奉丛书本,第102页。
    ⑤宋?孙洙:《皇朝文鉴》卷76,澶州灵津庙碑文:四部丛刊本。
    ⑤ 周魁一,元丰黄河曹村堵口及其他,水利学报,1985年,第1期,第32~44页。

   



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