探究廣積壩四百余年仍完好的原因

◆湖南省漣源市第三中學 劉廣進 謝 燏 周夢娜 盛卓成

本期點評專家

張永強高級教師，湖南省十佳科技教師。全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

我們從地理教材中了解到，水壩一般修筑在河流的最窄處，且與河岸垂直，這樣做是為了減少工程量，節約修筑成本。然而在一次課上，老師提及本地的廣積壩壩體呈弧形，且與河岸之間有一定的傾斜角度。廣積壩的設計構造與書中所述理論不符，但它屹立在槎溪河，歷經四百余年仍較為完好。這一奇觀激發了我們的探究熱情。

歷經四百余年的水流沖刷和冰雪霜凍的侵蝕，廣積壩仍比較完好，這是為什么？其中蘊含著哪些科學奧秘？我們對此進行了探究。

一、活動內容

1.探究廣積壩下游側斜坡及坡底外緣微翹的平臺設計對壩基有哪些保護作用。

2.探究廣積壩壩體呈弧形且與河流左岸大致成25°夾角的設計原理。

二、活動過程

1.調查訪問，查閱資料

2020年10月1日，我們利用國慶假期去到廣積壩主管單位半山水庫管理指揮所，采訪了半山水庫管理指揮所所長謝仕安。謝所長介紹，廣積壩又名廣濟壩，主修人是彭世亮、鄒廷望、鄒惠吾等，于明朝萬歷年間1577年到1581年修造，先為三合泥料石結構，1991年政府撥款對其進行加固修補，修補后其上表層改成了水泥混凝土結構。

為了獲得廣積壩的第一手資料，2021年6月17日，我們在指導老師的帶領下再次來到廣積壩主修人彭世亮旁系后裔的彭氏族長彭壽豐家中。查閱彭氏族譜時，在卷首中查到了彭世亮和廣積壩(又名廣濟壩)的資料，繼而驗證了謝所長所述的廣積壩的真實性，證明廣積壩是一座具有四百多年歷史的古壩。

2.實地考察

廣積壩壩體下游修成斜坡狀，斜坡底部設計成外緣微翹的平臺，水流之間相互作用，形成小浪花，使水流斜拋入河。壩體與河流左岸約成25°的夾角，水壩上游的河水斜著匯入廣積壩的堤圳渠道，渠道前側修建了泄洪道。

圖1 我們觀察廣積壩的水流情況

3.分析探討

河壩為什么修成弧形？與左側河岸為什么成25°夾角？下游側為什么設計成斜坡？坡底平臺外緣為何微翹？

我們推測：大壩上、下游兩側修砌成斜坡，與壩底、壩基之間形成一個穩固的梯形壩體，防止水流直沖壩基。壩體設計成呈弧形且與河流左岸約成25°的夾角，能有效減小上游來水對堤壩的沖擊力。下游側的斜坡及坡底外緣微翹的平臺設計，可減小水流對壩基的沖擊。堤壩蓄積的河水可通過堤側的臥槽流入廣積渠，渠寬約1.67 m，渠上兩邊各有一條人行道。廣積渠從孟公嶺下的廣積壩流到洋溪官渡橋，渠長十余里。

4.實驗驗證

（1）實驗

為了驗證壩上斜坡對壩基起到的防護作用，我們找來膠合板，在木工師傅的指導下構圖劃線，制作了活動式測水儀，便于從兩面、三種角度測試水流沖擊力的大小。我們將稀釋后的黃泥均勻地涂抹在玻璃板上，將測水儀架在沾有黃泥的玻璃板上，分別設置成90°、30°、25°斜面，將水管套在水龍頭上，打開水龍頭，使其流出的水分別按不同的角度直沖、斜沖玻璃板上的黃泥。

結果發現，直沖的3塊玻璃板上的黃泥分別在27 s、32 s、35 s時全部被沖毀。呈30°、25°斜沖時，玻璃板上的黃泥未被沖走。

這表明，流水坡面的傾斜度不同，流水的沖擊力有顯著的差異，這就是廣積壩四百余年仍完好的重要原因。

（2）結果分析

為了驗證壩體與左河岸的傾斜角度設計能減小水流的沖擊力，我們做出了平面繪制的廣積壩模型。

我們將壘砌的磚頭視為壩體，分別將壩體與左河岸設置成與左岸垂直（A組）、與左岸成60°角（B組）、與左河岸成25°的夾角（C組，與廣積壩的實際設計相似）三組實驗。用徑流量不變的水流加外力對壩體進行沖擊。結果發現，A組壩體在10 s左右就被沖垮，B組壩體在20 s左右被沖垮，C組壩體始終未被沖垮。這表明，壩體與河岸成一定的夾角有利于減小水流對壩體的沖擊力。

分析表2可知，壩體與左岸垂直時抗水流沖擊能力最弱，其次是與左岸成60°夾角，壩體與左岸成25°夾角時抗水流沖擊能力較強。在徑流量相同、外力大小相等的條件下， C組模擬壩體完好無損，說明壩體與左岸設置一定的夾角有利于減小水流對壩體的沖擊力。

表1 水流沖擊力對比實驗表

圖2 自制實驗模型測水儀

表2 壩體與左河岸夾角對水流的抗沖擊能力對比實驗表

5.原理探究

壩基修筑成梯形傾斜狀能有效減小水流對堤壩的直沖壓力，壩基前方的落水處設計成斜坡狀且底部邊緣微翹，減輕了水流壩基的直沖壓力，可有效保護壩基的穩定性，使堤壩的前面穩固梯形與壩基形成堅固的一體基底結構。壩體與河流左岸約成25°夾角，河水斜著流入廣積渠，沖擊力大大減小，所以廣積壩經歷四百余年還能整體完好。

主修者不是將修建成本作為第一要素，而是以安全為重，壩體不與河岸垂直，而是與左河岸約成 25°夾角的弧形，增大了壩體過水面積，緩沖了水流對壩體的沖擊，略顯弧形的結構也使壩體更加堅固。

這樣的結構設計既體現了主修者的智慧，也體現了主修者不計成本、造福鄉梓的寬廣胸懷。

三、活動意義

加快農村水利設施建設、促進農業的發展是實現“鄉村振興”的重要舉措，水利工程的建設離不開良好的規劃設計。借鑒古代水利建設典范，從中汲取科學精華應用到當今的水利設施建設之中，為鄉村振興獻計獻策。

四、研究結論

通過探究，我們了解了廣積壩經歷四百余年仍整體完好的奧秘在于：壩基前面傾斜三角體的設計有效減緩了水流的沖擊壓力，側面進入渠道的傾斜度恰到好處地引水流斜面入渠，減緩了水流的沖擊力。凝結三角體斜面與壩基石料的三合泥形成以石料為骨架的堅實壩基凝固體，經久不潰。這些都對當今的水利建設具有借鑒作用。（指導老師：劉闊卿 蔣幸輝）

專家點評

有幸在婁底市青少年科技創新大賽中與作者見過面，聽他們講述廣積壩的故事，與其探討了廣積壩的奧秘。

該題材源于作者生活的世界，選材角度極佳。選題對象為祖先留下的寶貴遺產，具有較高的科研和人文價值，是一個很好的愛國、愛家鄉的研究項目。

但在項目研究過程中，將主觀猜測作為結論不科學也是不可取的。同時在第一個實驗中，在結果相同的情況下，得出的結論卻是其中的一個比另一個好，不夠科學。既然第二個實驗是為了更好地驗證第一個實驗，相關的變量也應該相同。

建議作者可從以下幾點進行改進：在實驗中增加不同的角度數據，更加有力地說明不同角度的優點；將論文縮小到研究不同角度的影響，只考慮其中一個因素，更符合學生已有的認知水平和現有的實驗條件。