土方开挖与疏浚.doc

土方开挖与疏浚元代末年欧阳玄在至正河防记中总结治河的主要工作说：“治河一也，有疏，有浚，有塞，三者并焉。酾(分)河之流因而导之谓之疏；去河之淤因而深之谓之浚；抑河之暴因而扼之谓之塞。”他所说的浚即今之开挖与疏浚河道，是土方工程的主要内容之一。 水利开挖疏浚工作可追溯至五帝时代。相传帝颛顼(原始公社末期)一个叫作台骀的大臣有成功的治水业绩，并由于治水的成功，显著地改善了今天汾水流域的社会发展环境，并因而得到帝颛顼的嘉奖。台骀的主要水利业绩是“宣汾、洮，障大泽，以处大原(今太原一带)”。宣即疏通，包括开挖和疏浚河道，以使汾水和另一条洮水顺畅地宣泄。禹时治水也以疏导为主要方略，当时所使用的工具，大都是石铲和装土的畚。对土方作业技术的总结，留传下来的以宋代的最早。 (一)太湖塘浦疏浚与蘧篨塘施工 太湖下游地区东临大海，为地势平衍的水网区。唐代以前本区蓄水湖泊和泄水塘浦遍布，很少涝灾发生。至唐末五代，圩田开发渐多，出现了排水困难的情况和有针对性的疏浚措施。 l，太湖塘浦疏浚 吴越钱氏割据江南，为巩固统治，注重水利建设。据十国春秋武肃王世家记载：“天宝八年(915)置都水营田使，以主水事。募卒为部，号曰捞浅军，亦谓之捞清。命于太湖旁置捞清卒四部，凡七八千人，常为田事，治河筑堤。”即把唐代主管水利的都水监和营田使合并为一，把治水与治田结合起来，修建与管理维护并重，取得了较好的效果。北宋人对吴越的水利成绩和北宋的水利问题有“钱氏百年间，岁多丰稔，惟长兴中一遭水耳。暨纳土之后，至于今日，其患始剧”的评价。 北宋以降，随着人口的繁衍和开发程度的提高，太湖下游区已成为全国基本经济区，民谚曰：“苏湖熟，天下足。”但是，随着围垦的增加，河道逐渐缩窄；上游地区土地开发，导致水土流失，下游河道淤积加速，加上庆历二年(1042)在太湖出水口修建吴江塘路(沿湖纤道)等人为阻水工程，洪涝灾害加重，排水不畅成为本区环境的痼疾。北宋前期太湖主要出水道吴淞江泄水已相当困难，各种治理方案纷纷出台，大体是：抬高圩岸，海口建闸和疏浚塘浦等。但实际实行的治理措施，大多局限于疏浚。 左传注疏昭公元年卷四十一，晋杜预注，四部备要本，第448页。 淮南子要略：“禹之时，天下大水，禹身执畚锸以为民先。”诸子集成本，第375页。 宋郏侨：水利书，转引自归有光：三吴水利录，丛书集成本，第18页。 北宋年间治理太湖的实际成就以赵霖较为显著，从政和六年(1116)到宣和元年(1119)他综合前人主张主持施工，疏浚塘浦是其主要工作。元代则以泰定年间(13241328)任仁发治理工作较为突出。明代永乐元年(1403)开始，由户部尚书夏元吉主持开辟黄浦江入海通道成绩卓著。黄浦江日后逐渐发育扩大，代替了此前吴淞江和浏河的地位，成为太湖的主要出水路。 2北宋蘧篨筑塘法 在宽广的浅水区筑路和开挖排水河道，有一种特殊的施工方法，称作蘧篨塘法。沈括梦溪笔谈记载了北宋嘉祜年间(元年，1056)的一个故事，说的是苏州至昆山有60里的浅水区难以行船，全凭徒步涉渡。很久以来，当地居民就想排除积水，兴建公路，然而湖沼浩渺无处取土。有人献计说，可以采用蘧篨塘法施工。办法是：在公路规划线上栽植相距3尺的两排木桩，木桩上编织苇草等植物，然后在水中捞取淤泥倒入两排苇草编织的篱笆之间，便形成宽3尺的一堵墙。与此同时，在相距6丈远的另一侧也同样修建另一堵墙。待两墙干后，再将其间的积水戽去，便坦露出宽6丈的土地。这时，将其中半边的土挖出，垫在另半边上，则形成宽约3丈的露出水面的土路。路边取土处，自然形成了排水通道。除此之外，在土路上每隔三四里还修建一座桥，桥下可以通水，促进了当地积水纵横排泄。这是一个巧妙的施工构思。见图4-1。图 4-1籧篨筑塘法施工布置示意图 3明代常熟县塘浦疏浚施工技术与组织 万历年间常熟县知县耿桔重视农田水利建设，曾著文大兴水利申，载于常熟水利全书，对塘浦河道疏浚和圩堤建设有深入研究，并得到著名农学家徐光启(15621633)的高度评价，全文收入农政全书中。其中河道疏浚部分标题为开河法，共计9条，简介如下： (1)照田起夫，量工给食：以往常熟水利都是当地派工，依照近水、远水、不得水和田地在10亩以下者分作四等并相应派工。但划定等别往往被地主操纵，于是上户挪为中户，中户挪为下户，近利者挪为远利，以至下层百姓出工多，受益少。耿桔认为，常熟地方农田无不得利于水利，不必分等，全部照田起夫，从而避免了流弊。 胡道静，新校正梦溪笔谈卷13，中华书局，1957年，第147页。 (2)水利不论优免：县内有一些名门权贵，倚仗勋爵要求优免。耿桔认为，大户田多，受益水利亦多；河道通畅，享受交通便利亦多于一般百姓，因此应一律出工。 (3)准水面高程算土方多寡和分工次难易：施工河段要按河道浅深和长短分段编号，分别计算水上土方和水下土方数量分派工作。水上土方一目了然，而水下土方往往容易作弊。例如有人在下游河道水下打坝，拥高上游水位，因此，要特别细心。 (4)分工定宕：分派工段，要依据水利施工图，斟酌出工村落与施工场地远近，要使远近适中方好。 (5)堆土法：如散堆，必须远离河岸20步(10丈)开外；若用以修筑圩岸，必须即时夯筑坚实，不能留待日后；如田亩中有河沟或洼地，也可用弃土垫平。图4-2 样桩、信桩位置示意图 (6)考工法：验工的主要凭据是样桩、信桩和轮竿式。样桩较长，其上刻画尺寸和该处应浚丈尺，钉入河心，桩顶与水面或设计水线平，故又称水平桩。信桩钉入两岸老土，顶与岸平。疏浚后，按样桩出露高度，可知浚深尺寸。而信桩可起到校核的作用，既可防止改变样桩深浅，又可避免投机者堆土于老岸以减少水下挖方。见图42。而轮竿式是略小于规定的河道疏浚断面的架竿。功完之后推竿入水，顺河道下移，施工是否合式一目了然。见图43。 开挖完成后放水再次检验施工深浅是否如式。检验办法有一种称作木鹅漂流法。所谓木鹅是鹅头小船，下垂与设计深度相等的木条，木条下用铁片等重物包裹。铁片起稳定和平衡作用。其上拴长绳，“两岸拽之，循水面而进，遇鹅扑处，则土高水浅处也”。 (7)分管员役：疏浚工人组织千百长法。施工工段每百丈设一百长，每千丈设一千长，在其管段立桩书写应管丈尺，以示激励。“千百长非身家才干兼全者不能服众”。 (8)立章程，赏勤罚惰，以示鼓励：每千丈施工段建一施工进度和质量档案，定期核查。如按时按量完成者，给一赏功单；如管区内分作十分，一分不及格者罚有关小夫，二分不及格者并罚百长，三分不及格者并罚千长，“庶章程既立，赏罚明而民自鼓舞，莫敢耽延矣”。见图44。图4-4 功单式（选自农政全书） (9)干河甫毕，刻期齐浚支河，以期小流域内干支皆畅通无阻。至于工程经费，“干河之大者，量给官银。支河则专用民力焉”。 耿桔的9条办法是当年塘浦疏浚施工经验的总结。 (二)宁夏灌渠开挖疏浚施工 宁夏引黄灌溉创始于秦汉。当地干旱少雨，有灌溉则有丰收。虽然黄河中游河水含沙量不及下游之巨，但对于渠道坡度较缓的灌溉渠道来说，淤积仍然是灌区维护的首要问题，因此，“每岁之中，尤以春浚为首务。旧例按田出备夫料，于清明日开工，立夏日放水。竭此一月之勤劳，以收终岁之利济，成规俱在，班班可考”，可见当地疏浚成规由来已久。 乾隆十七年(1752)甘肃巡抚杨应琚将疏浚施工归纳了12条办法，“勒之石，以告后之官斯土者”，主要内容是： (1)“分塘须5丈为定，以便查点也”：渠道疏浚分段进行，各段(塘)同时施工。每段人夫25人。背土(重笼)工人由左面出渠，空笼工人由右面入渠。 (2)“民夫不许影折代充，以免虚旷也”。(3)“锹锨背笼不许破坏碎小也”：施工工具有固定规格，不许擅自改小。一般一人一锹铲土可供五笼运输，仍需按远近相应调剂。 (4)“堆土宜相度263问岸形势也”：堆土应在离岸6尺以外，并应使左右两岸高低相等。 (5)“各工料宜留心稽查也”：凡用料之处均系险工，渠长有用挂甲(只敷衍外表)、戴帽(只做顶层)等办法偷工减料，应仔细查验。 (6)“挖高垫低，遇冻重修之弊宜除也”：渠道弯道之凸岸边淤积较高，凹岸则冲深，施工时不许挖高垫低。遇有冻土难于开挖，应做标记，待立夏放水的前5天，再统一疏浚如式。 (7)“上下工必须相照应也”：务使渠底深度大致相同。 (8)“支渠陡口宜严督修理坚固也”。 (9)“挑浚宜复旧制也”：渠道疏浚深度以往定有标准，在标志处各工段都安放刻有准底二字的底石，疏浚务必到底。(10)“渠口下石子急宜挖除净尽以清水口也”：宁夏引黄各渠为提高引水高程，往往渠口向河上游修筑湃岸。湃岸由卷埽筑就。卷埽中有土石料压重。卷埽损坏后其中石块堆积在渠口上下。因此，每年整修湃岸时，需同时清理渠口上下的石子。此处系通渠咽喉，水利同知要亲自督察勘验。 (11)“各工人夫宜详察变通也”：渠道状况逐年不同，疏浚难易也有变化，需因地因时制宜，相应调整。 (12)“各处桥、闸、飞槽(渡槽)、暗洞(涵洞)宜严督修整坚固也”。 (三)河道人力开挖与疏浚 开挖河道历史久远，大禹治水采用以疏导为主的治河方略，其主要工作当是开挖与疏浚。土方开挖技术的文献记载至北宋始详。 清，杨应琚，渠务条款，渠务良规，光绪丁酉仲春祝维城选刻本，第14页。本段以下引文均出自该书。 1开河技术规范 北宋年间黄河在今豫北和鲁西一带多次北决，当时有人从国防等因素考虑，曾三次回河东流，有开新河的实践。此外，堵口合龙时，也有在淤高旧河道的河槽上开挖深槽，然后逼河水部分入旧河道，以减轻龙口处水势集中的巨大压力。总结了这许多开河的经验，在河防通议中专设“开河”一节。主要技术要点如下： 第一，开河须先勘验地形水势：“自古但遇开河，宜于上流相视地形，审度水势，测望斜高”。 第二，冬季备料，春季解冻后开挖。 第三，施工时在与旧河相接处留一隔堰，以利新河道干地施工。当新河挖成后，于涨水时节开隔堰，乘水势冲去隔堰。 第四，新河与旧河方向垂直或斜交，新河开挖施工方法有所不同。如欲将黄河全入新道，尚须于上游修挑水坝，将主流挑至新河方向，这样也便于旧河自然淤塞。 北宋开河施工法成为当时的施工规范。 时至清代，开河规范更其细密，乾隆年间成书的修防琐志第四卷专论引河开挖，共计33条之多，涉及引河规划、土方测量与计算、施工组织与用工、开河方法、排水方式、土壤种类与工具配备等等。当时人认为，在黄河滩地上开挖引河，是解除下游河溜顶冲险工的有效方法，而且河成之后，原有对岸险工险情将彻底解除。但引河主要适用于黄河河南段，此区河势宽阔，土脉虚松，易于冲刷，做引河最为有益。而江苏段的河道相对较窄，河岸多属胶泥，河道较少弯曲，引河有“十分九不成之说”。而引河长者数十里，短者数里，如若不成，浪费很大。 引河成败关键主要在河头位置的选择。这是由于，引河是为解除河道扫弯顶冲凹岸出险，而在凸岸所开的分水引溜河道。凸岸滩地虽然出露水面之上，但近滩河道仍在水面之下，难以挑挖河形，因此，“若贪近省费，不远寻迎溜可接之处安立河头，纵河以告成，断不能掣溜入河，一经开放，立见淤填”。为保证大溜顺利改入引河，往往需要在上游对岸修做挑水坝，逼使水溜改向引河。“总之，凡挑引河须随黄河大势开挖，俾河头迎溜，河尾泄水，中间弯处急溜冲刷，渐次河岸倒卸；或再于河头筑接水埽坝，河尾筑顺水埽坝，对河筑挑水埽坝，更为万妥”。见图4-5引河布置图。引河开挖，由于在河床之内，排水十分重要。排水方式有多种，如在施工场地四围开沟截断水脉，四角挖井，汇水于井内以便戽干；或分段施工；或在场地中间开挖龙沟一道，龙沟宽二尺，深二尺。施工时先挖一边，俟深二三尺再同时开挖另一边。始终保持两边相差二三尺。如此，方不致雨大误工。一俟引河挖成，再将河头河尾隔堰挖开，必要时，再将船只在进口下游边一字排开，导主溜进入引河。 2运河人力清淤挖浅 唐宋汴河自黄河引水，东南达于淮河。黄河浑水必将淤积运道。北宋汴渠为国脉所系，运输地位异常重要，为保障汴渠顺利通航，制定有每年疏浚的制度，并在汴渠渠底埋放石板，作为疏浚深度的标准。每年疏浚，习以为常。汴渠淤积得到控制，因此，开封地区沥水可以通过8条水道向汴河自流排放，可见汴渠渠身呈地下河。 ， 清李世禄：修防琐志卷4，水利珍本丛书本，第102103页。 清李世禄：修防琐志卷4，水利珍本丛书本，第107页。 清李世禄：修防琐志卷4，水利珍本丛书本，第93页。 宋王巩：闻见近录，转引自胡道静梦溪笔谈校正，上海出版公司，1956年，第796页。 图4-5 引河布置示意图 大中祥符三年(1010阁)阁门祗候使臣谢德权主管京畿沟洫的治理。他擅自调用汴渠清淤工人去维修开封地方沟渠，于是汴渠改作3年一浚。他还将汴渠统一疏浚改为地方分段管理，主管官员由地方官兼任，由此，制度松弛，致有20年不浚一次的情况。汴渠淤积加重，以致从开封到雍丘(今杞县)、襄邑(今睢县)一带“河底皆高出堤外平地一丈二尺余”。附近州县积水无法汇注汴渠，导致开封一带积涝成灾。直到天圣二年(1024)新任阁门祗侯使臣张君平奉旨视察今开封、商丘、亳县(今亳州市)、宿州等地，提出“疏决利害八事”，被批准后施工三年，取得预期效果，可见运河疏浚在保持通航中的重要地位。 下至清代，河道疏浚在国家的施工制度中有专门规定：“凡河道有岁浚，有大浚，各量其受水宽深以举工”。每年定例疏浚的有永定河、北运河、南运河、漳卫河、兴济和捷地减河、江南塘浦、徒阳运河、山东运河等，其中徒阳运河(丹徒至丹阳段运河)每6年还要大浚一次。 疏浚施工方法是：每个施工段一般长五六十丈，河床中西头打坝，做成施工围堰。在河道外边适当位置挖龙沟一条，用以排泄运河中残留的河水。龙沟一般宽一丈二尺、沟底比运河水面低一尺。开挖前一天，集中人力用水车二部或每二丈设一戽斗将河中积水戽出，次日用熟练锨手16人，各穿牛皮靴、手执铁尺，保证开挖后的河道断面宽度。其余众人用软草铺筑施工出土路两条，以便挑土人夫上下。挑挖所用器具、料物、工役饭食、车夜水及督工补贴都有定规。 宋沈括：梦溪笔谈，见胡道静梦溪笔谈校正，第796页。又，宋李焘：续资治通鉴长编卷248亦有此记载。 宋史河渠志四，二十五史河渠志注释，第134页。 清会要卷60，中华书局版。 清李世禄：修防琐志卷四，水利珍本丛书本，第9799页。 3不同性质河土的开挖技巧 挑挖河道要根据不同土壤性质采用不同的施工工具和施工方法： 淤泥：工具要用合子锨(锨头为木质，中间凹，四周用铁片包裹)和布兜。如果是稀淤深陷，则工人排队用柳条斗以手传戽。 溜沙：又名淌沙，稳定性差，河岸愈挖愈宽仍不成形。此时用水压法施工最妙，用板四面闸住，中间放水，更易施工。 砂礓：只能用二股铁叉和鹰嘴锄方可入地易挖。 层沙层淤：待沙面晒干，人得立脚，即在沙上插锨，连下层之淤泥一齐带出。再向下挖时，仍从沙上插锨，切忌贪多隔层下挖。这是由于沙中含水，上下被淤泥托盖，水不能出，其性懈；淤泥被上下沙层之水所浸，其性软；一软一澥于掺合。一经掺和，淤沙不分，人夫能站立而不能行走，铁锨易入而难出，几至束手，此谓之閧扰动沙土和淤泥形成阅套，如沙淤深一二尺，则应用秸草扎成直径一尺长三尺的捆把，竖立土内，分行安置，其上用厚木板纵横搭架，人夫在其上施工。沙多则土稀，稀用勺；淤多则稠，稠用锨。人夫在一处向下尽挖，沙淤用布兜抬出。此处渐洼则四周沙淤涌来，直到挖至未曾扰动的层沙层淤层而止。如沙淤深四五尺以上，则需在其上搭脚手架施工。 类似的开挖经验尚有许多，此不一一列举。 4河道捞浚的专用器具 河道无水开挖技术略如上述，河底沉淀的泥沙如何疏浚呢?北宋熙宁年间曾做过尝试，并发明了一些疏浚用的器具，例如铁龙爪扬泥车、浚川杷等。有人建议修造铁龙爪扬泥车疏浚黄河，其形制是：“用铁数斤为爪形，以绳系舟尾而沉之水，篙工急棹，乘流相继而下，一再过，水已深数尺”。浚川杷形制较大，原理相同。当年王安石曾相信这种器具的疏浚效果，熙宁七年(1074)还曾专门设置疏浚黄河司。这种做法断续使用至清代。道光年间成书的河工器具图说上就有“铁笆”、“铁箅子”和“混江龙”等，都是同一原理不同形制的疏浚器具。 黄河下游泥沙淤积是因为泥沙多而水流挟沙力不足所致，因而，即使人力搅动，泥沙暂时浮起，过不多久必复沉积。以上这些疏浚器具完全藉助于人力驱动的木船和搅动器具，输入能量极为有限，疏浚效果也就可想而知了。见图4-6，明代治河名臣万恭评价这种疏浚办法说：“治黄河之浅者，旧制：列方舟数百如墙，而以五齿爬、杏叶杓疏底淤，乘急流冲去之，效莫睹也。上疏则下积，此深则彼淤，奈何以人力胜黄河哉！确为的论。见图4-7。 (四)黄河和运河的水力疏浚 用河水自身的能量冲刷河床内的泥沙淤积自然是最便当的办法。要做到这一点，关键是提高流速。根据水流的连续性方程，提高流速可以有两个途径；一个是增加河床内的流量；一个是缩窄河道断面。古人在这两方面都做过努力。 清李世禄：修防琐志卷4，水利珍本丛书本，第94页。 清徐端：回澜纪要卷下，河署藏版，第2021页。 宋史河渠志二，二十五史河渠志注释本，第68页。 续资治通鉴长编和宋会要辑稿均作熙宁七年，宋史河渠志作六年。 明万恭：治水筌蹄，中国水利电力出版社，1985年，第2324页。图4-6 清代用于黄河水下疏浚的铁笆和混江龙（选自河工器具图说）图4-7 帆船拖带混江龙疏浚图（选自中国河工辞源） 增加河床内的流量，在同一断面条件下，流速当会提高。最早提出这一认识的是西汉末年的张戎。他认为当年黄河下游淤积的产生，是人们在中游地区过份地引水灌溉，因此，如果禁止中游灌溉，集中水量下泄，“则百川流行，水道自利，无溢决之害矣”。时至西汉末年，政治混乱，张戎的建议和其他一些有价值的治黄意见均未付诸实行。明代万历年间治黄专家潘季驯直接继承了张戎的主张，其治黄的主要措施之一是“蓄清刷黄”，即在洪泽湖上修筑高家堰，人为抬高洪泽湖水位，以抵抗黄河河床的抬升带来的对淮河的顶托。同时，在黄河与淮河汇合后，引入淮河的水量，既可以加大黄河下游河床内的流量，提高流速；又可以引进淮河清水，稀释黄河下游河水的含沙量，从加大水量和减少含沙量两方面提高下游的输沙能力。后人推崇潘季驯的这一措施说：“逼淮注黄，以清刷浊，沙随水去，此理之不易者也”。 缩窄河道断面，使之在同一流量下面，提高水流速度，达到冲沙的效果。这一措施最早在北宋治理汴河淤积时得到采用。大中祥