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第2章 伟大的古代生产科技发明(2)

尽管如此,桔槔的出现仍是人们的一大发明创造。它对解除干旱威胁,扩大灌溉面积,提高作物单位面积产量,发挥了重要的作用。桔槔最早在商朝出现,到了西周和春秋时期得到了应用。后来随着桔槔不断的改进,作为灌溉的工具之一,至今在某些地方还用着呢。

到了秦汉以至南北朝时期,人们对于农田水利灌溉技术更加重视起来。所使用的水源有两个:一个是凿井,一个是开沟挖渠塘。利用桔槔在河溪旁或浅井中可以提水,但对于一些深井来说就不方便了。如果井越是深,用水越多的话,用这种方法提水便越是费力。于是便从杠杆式的桔槔发展为改变用力的方向以便于提水的辘轳或滑车。辘轳的起源也很早,据《物源》上说,是“史佚始作辘轳”。史佚是公元前1100年左右周初的史官。可见,辘轳滑车已有3000多年的历史了。春秋时期墨子(公元前5世纪的人)也曾经做过使用滑车(辘轳)的力学实验。但滑车真正利用于生产,特别是利用于农业提水灌溉,大约是在秦汉时期。这种滑车不仅用于农田灌溉,而且还用于盐井取盐水的手工业盐场生产。如在成都扬子山一号墓出土的盐场画像砖,就有盐井分两层,每层有两人合力提盐水,一边用力下拉,另一边用力上提来汲水。

在当时的农田凿井方面,可以看一看《齐民要术》中的论述:“于中凿长,穿井十口,井必相当,邪则再方地,地形狭长者,井必作一行,地形正方者,作两三行亦不嫌也。井别作桔槔、辘轳。井深用轳辘,井浅用桔槔。柳罐令受一石,罐小用则功费。”这就是说,在农田两畦之间,顺着畦的走向凿十口井,井要打的直,如果打成斜的,就会占地很多。如果地是狭长的,把井打成一行。如果地是正方形的,作两三行也可以。在井口上安装桔槔或轳辘,井深用辘轳,井浅用桔槔,用柳条编成可以容一石水的柳罐,如果罐小了,用起来就太费功夫。这说明当时的凿井技术已有了很大进步,而与凿井相关的汲水工具桔槔和辘轳也有了很大的用武之地。

在唐朝时期,辘轳的使用仍然相当普遍。陈章在《水轮赋》里,说水车是“殊辘轳以致功”

。辘轳和水车一样,都有着各自的不同功效。它们的采用与普遍推广,促进了水利灌溉事业的发展。

到了宋代,辘轳得到了很大的改进,从《农书》所绘的辘轳图来看,在井旁皆有井架。该图清楚地表现了在北宋时代已经使用了在水井上安装曲柄手摇辘轳。尽管当时的辘轳是木料做成的,不似后来的铁制曲柄,但是这个机械的出现,尤其在这个缠绳下头装置的铁钩连接水桶的技术,却是很大的创造发明。人们可以手摇曲柄,让绳子一圈一圈儿地缠绕在辘轳上,从而可以轻而易举地把盛满水的水桶从井中提上来。

在明清时期,劳动人民在绳索、挂钩及一切传动部件上的发明创造,也促进了桔槔和辘轳这种灌溉工具的进步。在《天工开物》中就有这方面的记述。《天工开物》中所绘的桔槔是两个竖立的竹竿,中间加上一个转动的设备,这是过去所没有的。但在《考工典》中所绘以前的桔槔则是用一条绳子把一个杆系在树上,一端系上水桶,一端系上重物,一起一落地汲水。这些设备比过去的桔槔显然是有了很大的改进。

再来看一下辘轳。辘轳是利用滑轮原理制成的一种用于井上汲水的工具。但早在战国时代所用的是一种小滑轮和一种实心的转轴。在井口上安个架子,并装上一个曲柄的空心较长的横轴,轴上绕条粗绳,绳子的一端固定在轴上,一端系个水桶,提水时摇动曲柄放桶入井内装水,再摇动曲柄使轴转动绞绳而提桶取水,这样的辘轳为宋元明清的一个创造。这种较为完善的辘轳直到现在,仍是广大农村中的提水工具。水井台上的辘轳,这个养了人类几千年的、永不停息地“唱着古老的歌”而转动着的“送水天使”,至今依然屹立在有些农村的村头,成为古老农村的一种特有的“风景”。

汉代农民的独创——坎儿井

人离不开水,自古以来人们就向地下索取“生命之泉”。在众多的挖井结构中,有一种独特的井结构,被人们称为“坎儿井”。坎儿井的水位一般都比较高,这样挖出来的水,会自动地涌出地面。坎儿井很早就为古代劳动人民所认识,并推动了农田水利灌溉的发展。

大约在公元前1世纪,汉代农民就在天山南北坡和昆仑山北坡较干旱缺水的地方修建了坎儿井。它是通过开挖一个个竖井,井下连通成暗渠,汇集地下潜流,引出地面的灌溉工程。

这种古老的水利设施,在世界上主要分布在中东、中亚和北非一带,尤以伊朗为最,其次是叙利亚、伊拉克、阿富汗、巴基斯坦和前苏联等地。其优点是不用提水工具,不耗费能源,减少水的蒸发损失,避免风沙侵袭。

坎儿井的种类多种多样。但根据水层的岩性不同,通常分为两种:一种是戈壁坎儿井,位于戈壁滩冲积扇沙砾石层地带,含水层好,出水量大,水质也好,并且砾石层胶结性好,暗渠不易坍塌;二是黄土坎儿井,位于冲积扇的中、下部,即山前平原的黄土地带,含水层较差,出水量较小,水质略显碱性。根据引水方式不同,坎儿井又可分为单头坎和多头坎两种。

单头坎的引水部分只有一个头,出水量较小;多头坎有几个头,出水量较大。

坎儿井这种古老的灌溉工程,现在在不少地区仍发挥着效益。中国新疆的坎儿井暗渠长达5000千米,主要分布在哈密、吐鲁番、托克逊一带,总流量约14米3/秒,灌溉农田30多万亩,对农牧业生产起大很大的作用。

举世闻名的桥

中国是文明古国,幅员辽阔,山河壮丽,万水千山给中华大地平添了迷人的姿色,但也阻碍了人们之间的交通往来。为了变天堑为通途,历代的劳动人民建造了无数桥梁,它们横跨于江河之上,飞架于峡谷之间,或如“长虹饮涧”,或似“彩练行空”,凌越山川,仪态万千,不仅便利于交通,而且装点了河山,和大自然的秀丽景色融为一体,成为骚人墨客着力描写的对象。

最早的桥梁应是自然形成于山间峡谷中的石拱、石梁或倒在溪流上的树木枝干等。先民们曾借以涉水过河,跨山越谷。这种自然形成的桥,今天还可以看到,被称为“天生桥”、“天仙桥”,或“仙人桥”。随着社会的发展,在天然桥的启示下,历代的能工巧匠战胜“狂飙怒号”的风、“浊浪滔天”的水、“难于上青天”的山,建造了无数桥梁。这些桥梁造型之丰富奇特,工艺之精湛细密,堪称世界一流。充分体现了中华民族的聪明睿智。从结构上讲,主要有梁式、拱式、绳索式、漂浮式、跳跃式等。在工艺上又分许多种类:有用鹅卵石、石墩等分立水中的踏步桥(也称堤梁桥、跳墩等);有用独木单跨的独木桥;有用砖石发券起拱的单拱桥、联拱桥;有在拱上加拱的敞肩拱桥、重拱桥;有用单索溜滑的溜索桥;有用多条绳索组合的竹索桥、铁索桥、藤网桥;有用多条船只、浮桶、皮囊等相联组成的浮桥;还有在高层建筑之间、悬崖峭壁之上架设的复道飞廊、凌空栈道,以及在梁桥、拱桥之上修建长廊、殿阁、亭榭的廊屋桥、亭桥和索桥。下面以浮桥、梁式桥、索桥为主,附带其他独特的桥,谈谈我国先民们在桥梁建筑工程技术方面的聪明才智和伟大的创造力。

中国记载较早的人工桥是浮桥。公元前1134年,周文王姬昌为了娶亲,在渭水上“造舟为梁”,用船架设了一座浮桥。其后,浮桥的建造如雨后春笋,层出不穷。鲁昭公元年(公元前541年),秦景公的母弟后于钅咸,担心被景公杀害,便驱车千里逃往晋国,在途中“造舟于河”。秦昭襄王五十年(公元前257年)秦国对晋国作战时,也在蒲州(今山西风陵渡一带)附近的黄河上“初作河桥”,后来被称之为潘津浮桥。此后,长江、黄河千年来都架设过多座大浮桥。浮桥速建速拆,可以作临时性或军事性桥梁,或者作为活动桥用。它还可以作为永久性大桥的前身,为日后建造永久性的桥梁提供借鉴。

随之产生的是梁式桥。梁式桥中,木梁桥率先问世。公元前320年苏秦对燕王讲过这样一件事:有一个叫尾生的人,与一个女子相约在桥下见面。女子没有来,尾生为了表示不失约,就抱着梁柱而死。据说,尾生抱柱而死的桥叫蓝桥,在陕西省蓝田县东南50里的蓝峪水上。

这个故事说明最迟在战国时期,横跨于河或谷的桥梁已经在黄河流域出现了。

秦汉时代,桥工们继承和发扬了先辈巧匠的宝贵经验,将建桥技术提高到了新的水平。秦始皇作的渭桥“广六丈,南北三百八十步,六十八间、七百五十柱,百二十二梁”,堪称此时的代表作。这是一座多跨木梁桥,每跨端点连接处各由四根木柱组成的排架式桩木承受。

由于木梁桥的材料强度不够,耐久性欠佳,于是石梁桥便应运而生。在诸多石梁桥中,素负盛名的有西安灞桥、泉州洛阳桥、安平桥,它们在石梁桥的王国中,风采各异,熠熠生辉。

灞桥位于西安东20里,因横跨灞河而得名;始建于汉朝,历经沧桑,屡建屡毁,屡毁屡建,以致清代流传一种说法“六十年一成毁”。据《西安府志》记载,元朝至正年间的灞桥共15拱,长80余步,阔24尺(8米),中分3轨,旁翼两栏,筑堤5里(2.5公里),栽柳万株,每年春天,飞絮如雪,人称“灞柳风雪”,是西安十二景和关中八景之一。人们送往迎来,至此留步。早在汉代就有折柳赠别、吟诗作赋的习俗。离别依依,黯然神伤,灞桥又被人称为“销魂桥”。唐代王维的名作“渭城朝雨氵邑轻尘,客舍青青柳色新,劝君更尽一杯酒,西出阳关无故人”。更渲染了人们的“灞陵伤别”之情。

洛阳桥位于泉州洛阳江入海口上,是我国古代第一座跨海的大石桥。又称万安桥,始建于宋皇礻右五年(公元1053年),竣工于嘉礻右四年(公元1059年)。这座桥是当时泉州一个名叫宋襄的太守领导修建的。此桥全长834米,宽约7米,有46座桥墩,47个桥孔。桥身全用长条石梁建成,桥基则采用抛石入水,堆积成水下石堤,然后在堤上建造桥墩,并在桥墩处水下石堤上“繁殖蛎房”来胶固石块。

洛阳桥建成后,便利了当地居民,同时为我国石桥建筑提供了许多经验。洛阳桥利用生物加固桥基的妙法,不仅是世界上前所未有的创举,而且它的新型桥基——在江底下沿着桥梁中线满抛大石块,也是现代桥梁建筑“筏形基础”的先驱。另外,当年桥工将石梁放在木排上,然后随着海潮涨落安装桥墩的做法,也为近代浮运施工法开创了先例,揭开了中国桥梁史上新的一页。

在此后短短的150年中,泉州地区出现了一个造桥的热潮,有“石桥甲天下”之称。这时造桥的一个特点便是越造越长。其中以“天下无桥长此桥”闻名的安平桥最为典型。它横越在晋江县的安海镇和南安县的水头镇之间的海面上,长达2.5公里,超过洛阳桥4倍以上。这座桥不仅建造工程大,而且建桥技术高超。它设置桥墩360多个,式样各异。根据水流的不同情况,每个桥墩之间的距离也不完全相同,保证了水流畅通,有利于泄洪。

东汉时,石拱桥的问世,标志着我国的建桥技术发展到了相当高的程度。拱桥是由桥的桥身在跨越河道时呈弯曲弓背向上的拱形而得名。从建筑构形以及力学的角度看,拱桥明显先进于梁桥。尤其是在那个建桥主要原料为石料而没有现代建桥设备以及钢筋混凝土的时代,就更体现出它的优越性。河北省赵县安济桥、北京广安门外卢沟桥和苏州城南玳玳河上的宝带桥,是我国久负盛名的古式拱桥。它们风格各异,壮丽宏伟,集中体现了我国古代拱桥的结构科学和建造技术,是公认的石拱桥的典范。

安济桥,俗称赵州桥。建于隋开皇中期(公元591年~599年),跨越在河北赵州(今赵县)氵交河上,是目前知道的世界上用石头建造的第一座单孔石拱桥。它以首创的敞肩拱结构形式,精美的建筑艺术与施工技艺等杰出成就,在中外桥梁史上赢得举世瞩目的地位。此桥跨径37.02米,拱圈矢高7.23米,桥身连同南北桥墩共长50.82米,远远望去,犹如一弯新月出于水面。赵州桥“坦平箭直千人过,驿使驰驱万国通”,为历代南北交通要冲,经受了12次大地震的摇撼,仍岿然不动,“奇巧固护,甲于天下。”这与它“两崖嵌四穴,盖以杀怒水荡突”有很大关系。赵州桥是设计的科学性与造型的艺术性完美结合的典型。它被人昵称作世界古代桥梁的奇迹,被古今中外的人们誉之为世界桥梁建筑的杰作,又被人称为“天下之雄胜”,都是当之无愧的。

卢沟桥坐落于北京西南郊的永定河上,建于12世纪的金代。它全长266.5米,共有11个孔,在各孔关系上采用了“连续桥”的结构,相邻的两孔都有一个共同的拱脚,使各拱结成一个整体。在中国现存的古桥中,卢沟桥得天独厚,知名度很高。世界着名的旅行家,意大利人马可·波罗曾赋予卢沟桥“汉人的美丽石桥”之美名,称赞它是“世界上最好的、独一无二的桥”。

卢沟桥之所以闻名中外,原因很多:得之于地利,北京是有名的古都,卢沟桥又地处首都的咽喉;得之于工艺,卢沟桥的承载重和千姿百态的石狮子堪称古桥之冠;更得之于人文,卢沟桥是有名的古战场,曾经演出过一幕幕悲壮雄武的史剧,正是在这里揭开了中华民族全民抗战的序幕。那万世如一的卢桥晓月,又映照了古往今来许多游子旅人的悲欢离合。“河声流月漏声残,咫尺西山雾里看;远树依稀云影淡,疏星寥落曙光寒。”自有其朦胧迷离之美。虽然经过了悠悠岁月,这座古桥因为它“石工鳞砌,锢以铁打,坚固莫比”,迄今仍安然无恙,以“卧虹千尺”、“苍龙北峙飞云低”的雄姿横跨于永定河上。

宝带桥又名小长桥,全长317米,有53个孔。其桥身之长,孔数之多,在中外建桥史上是罕见的。它始建于唐代,宋、明、清又屡次重修。从桥型结构看,它属联拱桥,相邻两拱脚同立在一墩上,却各自独立,彼此又分又连,使全桥仍结为一个整体。为了行船方便,中间三孔的拱造得特别高大。这种别开生面的造型,既合乎经济原则,又使桥型变化多姿,另外,宝带桥的拱圈用带榫头和卯眼的石块拼接,当拱桥发生温度变化,基础沉陷或承受不对称的荷载时,各条拱石之间的榫头,就可以在榫眼里做微小的活动,自动对拱圈的形状做小小调整,从而使拱圈的受力有所改善。宝带桥的这些建筑技术,充分表明了我国劳动人民的高超智慧。

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