良渚水利工程遗址“草裹泥”技术影响分析

戚高晟 沈瑜伟 管文凯 刘志雄 陈露莎 袁一航 魏猛

摘要：指出了良渚水利工程遗址中发现的“草裹泥”技术，为后世加筋土等材料的形成、应用提供了历史史实和实例。通过分析“草裹泥”技术形成的背景及技术手段，探讨了其实用性以及对于后世加筋土材料的启发与影响。

关键词：草裹泥;良渚;水利工程;古坝;土坝;加筋土

中图分类号：K878

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）8-0197-03

1 背景简介

良渚文化遗址位于我国浙江省杭州市城北18 km处杭州市余杭区瓶窑镇，遗址占地总面积约为34 km2。因其被发现于浙江省杭州市余杭区良渚街道，依照我国考古惯例按发现地点命名的原则，是为良渚文化[1]。1936年发现的良渚文化遗址，其中心地区在浙江省太湖流域，而遗址分布最密集的地区则在太湖流域的东北部、东部和东南部。实际上是余杭区的良渚、瓶窑、安溪三镇之间许多遗址的总称。良渚文化遗址的实质其实是新石器时代晚期人类聚居的地方，年代约为公元前3300年至公元前2000年，距今4000～5300年左右。良渚文化的发掘是中华文明探源工程的一项重要课题，它关系到国家的起源，一向被誉为“文明的曙光”、“中华第一城”，收到社会各界的广泛关注和重视。在中国史前文明的各大遗址中，良渚遗址的规模最大，水平最高。作为力证我国具有五千年灿烂文明史的宝贵文化财富，2018年，良渚文化遗址代表我国申报世界文化遗产[2]。

作为良渚文化遗址众多辉煌灿烂遗产中最为特别的一项，良渚水利工程遗址伴随着近年来开挖发掘工作的不断实践与进步，逐渐收到了来自国内外水利学界、地理学界、史学界等相关领域专家的关注与认可。2015年，以2009年崗公岭水坝的发现为契机，经多方调查发掘和分析，相关部门确认在良渚古城外围的北面和西面，存在着一个由秋坞、石坞、蜜蜂弄等10条堤坝以及长约5 km的塘山长堤共计11条坝体共同构成的古代水利系统。该水利系统占地辽阔，雄伟异常，其土方面积据测算高达260万m3，控制范围达1 00多km2，距今已有5000多年的历史，兼具防洪、防潮、航运、灌溉和滩涂围垦等综合功能。这是世界上最早、规模最大的水利系统，也是迄今为止被发现的世界上最早的拦洪水坝系统（图1）。

2 技术简介

良渚水利工程遗址所在地位于浙江省太湖平原，其地势低洼，沼泽满布，水草丰盈，适合人类居住、作物耕种，但同时也容易受到洪水的影响。灭目山系作为浙江省的暴雨中心之一，雨水充沛，夏季极易形成山洪，对地处下游平原的良渚形成直接威胁。智慧的良渚先民通过设计施工良渚水利系统中高、低两级水坝，将大量的来水蓄留在山谷和低地内，以此来达到防洪作用。此外，良渚时期距今年代久远，当时轮式交通及配套道路系统尚未形成，水运是最便捷合理的运输方式。高坝所在的山谷陡峻，降水季节性明显，夏季山洪暴发，冬季则可能枯水断流，不具备行船条件，而通过筑坝蓄水形成的库容，则可以形成连接多个山谷的水上交通运输网，方便运输。良渚先民在流域的上巾下游兴建不同类型的水利设施，有效利用附近一带断断续续的山包和山岗，节省了80%的筑堤工程量，这些都充分表明他们已经具备全流域的水资源规划和改造能力。

水利水能规划设计过程中大规模的水利系统建设，往往涉及复杂的组织机构、人员管理和社会动员，同时对于水工建筑物的牢固可靠程度也有较高的标准要求[3]。而良渚水利工程遗址中被发现的土坝，就足够符合当时的技术要求。中国社科院考古所专家通过GIS软件对良渚古坝系统进行了数值模拟分析，发现其可有效阻挡该流域短期内960 mm的连续降水，即可抵挡该地区百年一遇的洪水。

百年一遇的防洪标准对于现在而言，其设计施工要求都很高，而五千年前的良渚先民为了适应自然，营造生存环境，设计出这样的工程可谓是一个奇迹。为了完成土坝的施工，智慧的良渚先民因地制宜，就地取材，完成了施工过程中至关重要的一环，即工程材料的制备[4]。在位于良渚水利工程遗址鲤鱼山、老虎岭等地的土坝断面处，可清晰地发现一个个错位排列的“方格子”，这其实是由良渚先民利用“草裹泥包”横竖堆砌、上下堆叠形成的，这种运用在土坝筑坝工程中的技术被研究人员们称为“草裹泥”技术。“草裹泥”技术，即先用淤泥堆筑，外裹黄土。这些土并非散土，而是用芦荻、茅草把泥土裹成长圆柱形，然后码成坝体，通过材料之间的相互作用咬合构成一体（图2）。

3 后世影响

众所周知，岩土是人类最早接触和最常见的建筑材料之一，是占代人类最早使用的工具与武器。古语云：“兵来将挡，水来土湮”，表明在漫长的人类进化过程史中，我国古代人类在与洪水斗争中渐渐得出经验：土是他们最方便和最有效的武器。但是，作为一种三相组成的物质，土往往是碎散的，在流水中会轻而易举地被冲散带走。其虽然具有一定的抗压强度和抗剪强度，但是其抗拉强度却非常低，在实际水利工程中的功用就显得非常有限。而在土体中掺入或铺设适量的具有抗拉性能的加筋材料后，可不同程度地改良土体的强度与变形特征。将加筋材料埋置在土体中，可以扩散土体应力、增加土体模量、限制土体侧向变形，进而提高土体及相关结构物的稳定性[5]。冈此，在填土中加入抗拉材料，通过筋土界而摩擦力将加筋材料的抗拉强度与土体强度结合起来，增强土体的稳定性，可以使土体形成一个整体，强度得以提高。而良渚先民们采用的办法是-种最简单方便的方法：利用天然的萆、木、竹等植物纤维材料将上石结合成一个整体（图3）。这就是原始的上的加筋与防护。

从广义上讲，凡在土体内加入筋材，充分利用土体抗压强度和筋材抗拉强度的稳定结合体均可称为加筋土结构。国际上岩土学界往往认为科学技术的历史都源于欧州，尤其对于加筋土这一伟大的创造，他们普遍的说法是：1963年，法国的工程师亨利·维达在观察鸟类利用泥和草筑巢，受到启发后提出加筋土这一新概念。但是通过考察发掘，早在五千年前，良渚文化早中期的先民们就利用当地丰富的柴草与淤泥，复合形成名日“草裹泥”的加筋土，用以筑坝挡水。而在距今大约4100年前，大禹治水时，为了有效拦截洪水，整治疏通河道，调节冲淤，他主要采用木竹加碎石等形式的加筋结构，也就是传说中的“息壤”来达到防洪的目的[6]。上述史实都充分表明：我国古代先民早在几千年前就已经充分了解了土的优势及劣势，并已经认识到改造土体的重要性以及具体的改造办法，而远非西方学界所推崇的五十年前（即1963年亨利·维达的发现）。

自古以来，我国安徽、浙江等地筑土墙加草筋或竹筋（图4），用柴排处理软弱地基，用土袋或树枝压条加固堤岸等实际工程施工方法，都是应用加筋土技术的实例。而在5000年前，我国良渚水利工程遗址中使用的“草裹泥”加筋土技术，其作用大致相当于现代修建堤坝时使用的草袋装土技术[7]。在土内加入芦荻、茅草等植物纤维并压实，能使坝体增加抗拉、抗剪强度和整体性，不易崩塌和被冲毁，可谓是现代加筋土的鼻祖。良渚水利工程遗址中“草裹泥”技术的发掘，不光有力证明了加筋土这一技术的实用性，同时也说明了几千年前先民的智慧充分影响到后世现代技术的发展，为加筋土的发展提供了历史溯源和使用范本。

参考文献：

[1]邱志荣，张陈，茹静文，良渚文化遗址水利工程的考证与研究[J].浙江水利水电学院学报，2016，28（3）：1～9.

[2]邱志荣，魏义君.湘湖与浙东运河的申遗建议和思考[J].浙江水利水电学院学报，2015，27（1）：1～6.

[3]戚高晟，朱星宇，刘剑军，等.多功能虹吸式灌溉装置在小型农业水利工程中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2017，29（3）：37～40.

[4]曾宇，孙国政，冯国强，等，太阳能动力虹吸管在小型水利工程中的应用[J].浙江水利科技，2017（2）：46～48，56.

[5]杨小令，吴宸晖，等，基于物联网的水源水质监测技术研究[J].浙江水利水电学院学报，2017，29（5）：32～3 5.

[6]李广信.息壤考[J].土木工程学报，2011，11（增2）：1～4.

[7]马燕燕，闫彦，王生云，等.浙江省古堰坝分布特征与历史价值研究[J].浙江水利科技，2012（4）：47～50.