探究广积坝四百余年仍完好的原因

◆湖南省涟源市第三中学 刘广进 谢 燏 周梦娜 盛卓成

本期点评专家

张永强高级教师，湖南省十佳科技教师。全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

我们从地理教材中了解到，水坝一般修筑在河流的最窄处，且与河岸垂直，这样做是为了减少工程量，节约修筑成本。然而在一次课上，老师提及本地的广积坝坝体呈弧形，且与河岸之间有一定的倾斜角度。广积坝的设计构造与书中所述理论不符，但它屹立在槎溪河，历经四百余年仍较为完好。这一奇观激发了我们的探究热情。

历经四百余年的水流冲刷和冰雪霜冻的侵蚀，广积坝仍比较完好，这是为什么？其中蕴含着哪些科学奥秘？我们对此进行了探究。

一、活动内容

1.探究广积坝下游侧斜坡及坡底外缘微翘的平台设计对坝基有哪些保护作用。

2.探究广积坝坝体呈弧形且与河流左岸大致成25°夹角的设计原理。

二、活动过程

1.调查访问，查阅资料

2020年10月1日，我们利用国庆假期去到广积坝主管单位半山水库管理指挥所，采访了半山水库管理指挥所所长谢仕安。谢所长介绍，广积坝又名广济坝，主修人是彭世亮、邹廷望、邹惠吾等，于明朝万历年间1577年到1581年修造，先为三合泥料石结构，1991年政府拨款对其进行加固修补，修补后其上表层改成了水泥混凝土结构。

为了获得广积坝的第一手资料，2021年6月17日，我们在指导老师的带领下再次来到广积坝主修人彭世亮旁系后裔的彭氏族长彭寿丰家中。查阅彭氏族谱时，在卷首中查到了彭世亮和广积坝(又名广济坝)的资料，继而验证了谢所长所述的广积坝的真实性，证明广积坝是一座具有四百多年历史的古坝。

2.实地考察

广积坝坝体下游修成斜坡状，斜坡底部设计成外缘微翘的平台，水流之间相互作用，形成小浪花，使水流斜抛入河。坝体与河流左岸约成25°的夹角，水坝上游的河水斜着汇入广积坝的堤圳渠道，渠道前侧修建了泄洪道。

图1 我们观察广积坝的水流情况

3.分析探讨

河坝为什么修成弧形？与左侧河岸为什么成25°夹角？下游侧为什么设计成斜坡？坡底平台外缘为何微翘？

我们推测：大坝上、下游两侧修砌成斜坡，与坝底、坝基之间形成一个稳固的梯形坝体，防止水流直冲坝基。坝体设计成呈弧形且与河流左岸约成25°的夹角，能有效减小上游来水对堤坝的冲击力。下游侧的斜坡及坡底外缘微翘的平台设计，可减小水流对坝基的冲击。堤坝蓄积的河水可通过堤侧的卧槽流入广积渠，渠宽约1.67 m，渠上两边各有一条人行道。广积渠从孟公岭下的广积坝流到洋溪官渡桥，渠长十余里。

4.实验验证

（1）实验

为了验证坝上斜坡对坝基起到的防护作用，我们找来胶合板，在木工师傅的指导下构图划线，制作了活动式测水仪，便于从两面、三种角度测试水流冲击力的大小。我们将稀释后的黄泥均匀地涂抹在玻璃板上，将测水仪架在沾有黄泥的玻璃板上，分别设置成90°、30°、25°斜面，将水管套在水龙头上，打开水龙头，使其流出的水分别按不同的角度直冲、斜冲玻璃板上的黄泥。

结果发现，直冲的3块玻璃板上的黄泥分别在27 s、32 s、35 s时全部被冲毁。呈30°、25°斜冲时，玻璃板上的黄泥未被冲走。

这表明，流水坡面的倾斜度不同，流水的冲击力有显著的差异，这就是广积坝四百余年仍完好的重要原因。

（2）结果分析

为了验证坝体与左河岸的倾斜角度设计能减小水流的冲击力，我们做出了平面绘制的广积坝模型。

我们将垒砌的砖头视为坝体，分别将坝体与左河岸设置成与左岸垂直（A组）、与左岸成60°角（B组）、与左河岸成25°的夹角（C组，与广积坝的实际设计相似）三组实验。用径流量不变的水流加外力对坝体进行冲击。结果发现，A组坝体在10 s左右就被冲垮，B组坝体在20 s左右被冲垮，C组坝体始终未被冲垮。这表明，坝体与河岸成一定的夹角有利于减小水流对坝体的冲击力。

分析表2可知，坝体与左岸垂直时抗水流冲击能力最弱，其次是与左岸成60°夹角，坝体与左岸成25°夹角时抗水流冲击能力较强。在径流量相同、外力大小相等的条件下， C组模拟坝体完好无损，说明坝体与左岸设置一定的夹角有利于减小水流对坝体的冲击力。

表1 水流冲击力对比实验表

图2 自制实验模型测水仪

表2 坝体与左河岸夹角对水流的抗冲击能力对比实验表

5.原理探究

坝基修筑成梯形倾斜状能有效减小水流对堤坝的直冲压力，坝基前方的落水处设计成斜坡状且底部边缘微翘，减轻了水流坝基的直冲压力，可有效保护坝基的稳定性，使堤坝的前面稳固梯形与坝基形成坚固的一体基底结构。坝体与河流左岸约成25°夹角，河水斜着流入广积渠，冲击力大大减小，所以广积坝经历四百余年还能整体完好。

主修者不是将修建成本作为第一要素，而是以安全为重，坝体不与河岸垂直，而是与左河岸约成 25°夹角的弧形，增大了坝体过水面积，缓冲了水流对坝体的冲击，略显弧形的结构也使坝体更加坚固。

这样的结构设计既体现了主修者的智慧，也体现了主修者不计成本、造福乡梓的宽广胸怀。

三、活动意义

加快农村水利设施建设、促进农业的发展是实现“乡村振兴”的重要举措，水利工程的建设离不开良好的规划设计。借鉴古代水利建设典范，从中汲取科学精华应用到当今的水利设施建设之中，为乡村振兴献计献策。

四、研究结论

通过探究，我们了解了广积坝经历四百余年仍整体完好的奥秘在于：坝基前面倾斜三角体的设计有效减缓了水流的冲击压力，侧面进入渠道的倾斜度恰到好处地引水流斜面入渠，减缓了水流的冲击力。凝结三角体斜面与坝基石料的三合泥形成以石料为骨架的坚实坝基凝固体，经久不溃。这些都对当今的水利建设具有借鉴作用。（指导老师：刘阔卿 蒋幸辉）

专家点评

有幸在娄底市青少年科技创新大赛中与作者见过面，听他们讲述广积坝的故事，与其探讨了广积坝的奥秘。

该题材源于作者生活的世界，选材角度极佳。选题对象为祖先留下的宝贵遗产，具有较高的科研和人文价值，是一个很好的爱国、爱家乡的研究项目。

但在项目研究过程中，将主观猜测作为结论不科学也是不可取的。同时在第一个实验中，在结果相同的情况下，得出的结论却是其中的一个比另一个好，不够科学。既然第二个实验是为了更好地验证第一个实验，相关的变量也应该相同。

建议作者可从以下几点进行改进：在实验中增加不同的角度数据，更加有力地说明不同角度的优点；将论文缩小到研究不同角度的影响，只考虑其中一个因素，更符合学生已有的认知水平和现有的实验条件。