良渚水利工程遺址“草裹泥”技術影響分析

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現的“草裹泥”技術，為后世加筋土等材料的形成、應用提供了歷史史實和實例。通過分析“草裹泥”技術形成的背景及技術手段，探討了其實用性以及對于后世加筋土材料的啟發與影響。

關鍵詞：草裹泥;良渚;水利工程;古壩;土壩;加筋土

中圖分類號：K878

文獻標識碼：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處杭州市余杭區瓶窯鎮，遺址占地總面積約為34 km2。因其被發現于浙江省杭州市余杭區良渚街道，依照我國考古慣例按發現地點命名的原則，是為良渚文化[1]。1936年發現的良渚文化遺址，其中心地區在浙江省太湖流域，而遺址分布最密集的地區則在太湖流域的東北部、東部和東南部。實際上是余杭區的良渚、瓶窯、安溪三鎮之間許多遺址的總稱。良渚文化遺址的實質其實是新石器時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。良渚文化的發掘是中華文明探源工程的一項重要課題，它關系到國家的起源，一向被譽為“文明的曙光”、“中華第一城”，收到社會各界的廣泛關注和重視。在中國史前文明的各大遺址中，良渚遺址的規模最大，水平最高。作為力證我國具有五千年燦爛文明史的寶貴文化財富，2018年，良渚文化遺址代表我國申報世界文化遺產[2]。

作為良渚文化遺址眾多輝煌燦爛遺產中最為特別的一項，良渚水利工程遺址伴隨著近年來開挖發掘工作的不斷實踐與進步，逐漸收到了來自國內外水利學界、地理學界、史學界等相關領域專家的關注與認可。2015年，以2009年崗公嶺水壩的發現為契機，經多方調查發掘和分析，相關部門確認在良渚古城外圍的北面和西面，存在著一個由秋塢、石塢、蜜蜂弄等10條堤壩以及長約5 km的塘山長堤共計11條壩體共同構成的古代水利系統。該水利系統占地遼闊，雄偉異常，其土方面積據測算高達260萬m3，控制范圍達1 00多km2，距今已有5000多年的歷史，兼具防洪、防潮、航運、灌溉和灘涂圍墾等綜合功能。這是世界上最早、規模最大的水利系統，也是迄今為止被發現的世界上最早的攔洪水壩系統（圖1）。

2 技術簡介

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計施工良渚水利系統中高、低兩級水壩，將大量的來水蓄留在山谷和低地內，以此來達到防洪作用。此外，良渚時期距今年代久遠，當時輪式交通及配套道路系統尚未形成，水運是最便捷合理的運輸方式。高壩所在的山谷陡峻，降水季節性明顯，夏季山洪暴發，冬季則可能枯水斷流，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山谷的水上交通運輸網，方便運輸。良渚先民在流域的上巾下游興建不同類型的水利設施，有效利用附近一帶斷斷續續的山包和山崗，節省了80%的筑堤工程量，這些都充分表明他們已經具備全流域的水資源規劃和改造能力。

水利水能規劃設計過程中大規模的水利系統建設，往往涉及復雜的組織機構、人員管理和社會動員，同時對于水工建筑物的牢固可靠程度也有較高的標準要求[3]。而良渚水利工程遺址中被發現的土壩，就足夠符合當時的技術要求。中國社科院考古所專家通過GIS軟件對良渚古壩系統進行了數值模擬分析，發現其可有效阻擋該流域短期內960 mm的連續降水，即可抵擋該地區百年一遇的洪水。

百年一遇的防洪標準對于現在而言，其設計施工要求都很高，而五千年前的良渚先民為了適應自然，營造生存環境，設計出這樣的工程可謂是一個奇跡。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重要的一環，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，可清晰地發現一個個錯位排列的“方格子”，這其實是由良渚先民利用“草裹泥包”橫豎堆砌、上下堆疊形成的，這種運用在土壩筑壩工程中的技術被研究人員們稱為“草裹泥”技術。“草裹泥”技術，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化過程史中，我國古代人類在與洪水斗爭中漸漸得出經驗：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，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度和抗剪強度，但是其抗拉強度卻非常低，在實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度與變形特征。將加筋材料埋置在土體中，可以擴散土體應力、增加土體模量、限制土體側向變形，進而提高土體及相關結構物的穩定性[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度與土體強度結合起來，增強土體的穩定性，可以使土體形成一個整體，強度得以提高。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合成一個整體（圖3）。這就是原始的上的加筋與防護。

從廣義上講，凡在土體內加入筋材，充分利用土體抗壓強度和筋材抗拉強度的穩定結合體均可稱為加筋土結構。國際上巖土學界往往認為科學技術的歷史都源于歐州，尤其對于加筋土這一偉大的創造，他們普遍的說法是：1963年，法國的工程師亨利·維達在觀察鳥類利用泥和草筑巢，受到啟發后提出加筋土這一新概念。但是通過考察發掘，早在五千年前，良渚文化早中期的先民們就利用當地豐富的柴草與淤泥，復合形成名日“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，為了有效攔截洪水，整治疏通河道，調節沖淤，他主要采用木竹加碎石等形式的加筋結構，也就是傳說中的“息壤”來達到防洪的目的[6]。上述史實都充分表明：我國古代先民早在幾千年前就已經充分了解了土的優勢及劣勢，并已經認識到改造土體的重要性以及具體的改造辦法，而遠非西方學界所推崇的五十年前（即1963年亨利·維達的發現）。

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際工程施工方法，都是應用加筋土技術的實例。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，其作用大致相當于現代修建堤壩時使用的草袋裝土技術[7]。在土內加入蘆荻、茅草等植物纖維并壓實，能使壩體增加抗拉、抗剪強度和整體性，不易崩塌和被沖毀，可謂是現代加筋土的鼻祖。良渚水利工程遺址中“草裹泥”技術的發掘，不光有力證明了加筋土這一技術的實用性，同時也說明了幾千年前先民的智慧充分影響到后世現代技術的發展，為加筋土的發展提供了歷史溯源和使用范本。

參考文獻：

[1]邱志榮，張陳，茹靜文，良渚文化遺址水利工程的考證與研究[J].浙江水利水電學院學報，2016，28（3）：1～9.

[2]邱志榮，魏義君.湘湖與浙東運河的申遺建議和思考[J].浙江水利水電學院學報，2015，27（1）：1～6.

[3]戚高晟，朱星宇，劉劍軍，等.多功能虹吸式灌溉裝置在小型農業水利工程中的應用[J].浙江水利水電學院學報，2017，29（3）：37～40.

[4]曾宇，孫國政，馮國強，等，太陽能動力虹吸管在小型水利工程中的應用[J].浙江水利科技，2017（2）：46～48，56.

[5]楊小令，吳宸暉，等，基于物聯網的水源水質監測技術研究[J].浙江水利水電學院學報，2017，29（5）：32～3 5.

[6]李廣信.息壤考[J].土木工程學報，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值研究[J].浙江水利科技，2012（4）：47～50.