劉廣進(jìn) 謝燏 周夢(mèng)娜 盛卓成

張永強(qiáng) ?高級(jí)教師，湖南省十佳科技教師。全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設(shè)計(jì)大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗(yàn)活動(dòng)評(píng)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(jié)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(shè)計(jì)構(gòu)造與書中所述理論不符，但它屹立在槎溪河，歷經(jīng)四百余年仍較為完好。這一奇觀激發(fā)了我們的探究熱情。

歷經(jīng)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(yùn)含著哪些科學(xué)奧秘？我們對(duì)此進(jìn)行了探究。

一、活動(dòng)內(nèi)容

1.探究廣積壩下游側(cè)斜坡及坡底外緣微翹的平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)壩基有哪些保護(hù)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(shè)計(jì)原理。

二、活動(dòng)過程

1.調(diào)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(zhǎng)謝仕安。謝所長(zhǎng)介紹，廣積壩又名廣濟(jì)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(jié)構(gòu)，1991年政府撥款對(duì)其進(jìn)行加固修補(bǔ)，修補(bǔ)后其上表層改成了水泥混凝土結(jié)構(gòu)。

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

2.實(shí)地考察

廣積壩壩體下游修成斜坡狀，斜坡底部設(shè)計(jì)成外緣微翹的平臺(tái)，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(cè)修建了泄洪道。

3.分析探討

河壩為什么修成弧形？與左側(cè)河岸為什么成25°夾角？下游側(cè)為什么設(shè)計(jì)成斜坡？坡底平臺(tái)外緣為何微翹？

我們推測(cè)：大壩上、下游兩側(cè)修砌成斜坡，與壩底、壩基之間形成一個(gè)穩(wěn)固的梯形壩體，防止水流直沖壩基。壩體設(shè)計(jì)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(duì)堤壩的沖擊力。下游側(cè)的斜坡及坡底外緣微翹的平臺(tái)設(shè)計(jì)，可減小水流對(duì)壩基的沖擊。堤壩蓄積的河水可通過堤側(cè)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(zhǎng)十余里。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證壩上斜坡對(duì)壩基起到的防護(hù)作用，我們找來膠合板，在木工師傅的指導(dǎo)下構(gòu)圖劃線，制作了活動(dòng)式測(cè)水儀，便于從兩面、三種角度測(cè)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(cè)水儀架在沾有黃泥的玻璃板上，分別設(shè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，直沖的3塊玻璃板上的黃泥分別在27 s、32 s、35 s時(shí)全部被沖毀。呈30°、25°斜沖時(shí)，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(jié)果分析

為了驗(yàn)證壩體與左河岸的傾斜角度設(shè)計(jì)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(shè)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(shí)際設(shè)計(jì)相似）三組實(shí)驗(yàn)。用徑流量不變的水流加外力對(duì)壩體進(jìn)行沖擊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(duì)壩體的沖擊力。

分析表2可知，壩體與左岸垂直時(shí)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(shí)抗水流沖擊能力較強(qiáng)。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(shè)置一定的夾角有利于減小水流對(duì)壩體的沖擊力。

5.原理探究

壩基修筑成梯形傾斜狀能有效減小水流對(duì)堤壩的直沖壓力，壩基前方的落水處設(shè)計(jì)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(hù)壩基的穩(wěn)定性，使堤壩的前面穩(wěn)固梯形與壩基形成堅(jiān)固的一體基底結(jié)構(gòu)。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(jīng)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(duì)壩體的沖擊，略顯弧形的結(jié)構(gòu)也使壩體更加堅(jiān)固。

這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既體現(xiàn)了主修者的智慧，也體現(xiàn)了主修者不計(jì)成本、造福鄉(xiāng)梓的寬廣胸懷。

三、活動(dòng)意義

加快農(nóng)村水利設(shè)施建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)“鄉(xiāng)村振興”的重要舉措，水利工程的建設(shè)離不開良好的規(guī)劃設(shè)計(jì)。借鑒古代水利建設(shè)典范，從中汲取科學(xué)精華應(yīng)用到當(dāng)今的水利設(shè)施建設(shè)之中，為鄉(xiāng)村振興獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

四、研究結(jié)論

通過探究，我們了解了廣積壩經(jīng)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(shè)計(jì)有效減緩了水流的沖擊壓力，側(cè)面進(jìn)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(jié)三角體斜面與壩基石料的三合泥形成以石料為骨架的堅(jiān)實(shí)壩基凝固體，經(jīng)久不潰。這些都對(duì)當(dāng)今的水利建設(shè)具有借鑒作用。（指導(dǎo)老師：劉闊卿 ?蔣幸輝）

專家點(diǎn)評(píng)

有幸在婁底市青少年科技創(chuàng)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(duì)象為祖先留下的寶貴遺產(chǎn)，具有較高的科研和人文價(jià)值，是一個(gè)很好的愛國、愛家鄉(xiāng)的研究項(xiàng)目。

但在項(xiàng)目研究過程中，將主觀猜測(cè)作為結(jié)論不科學(xué)也是不可取的。同時(shí)在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在結(jié)果相同的情況下，得出的結(jié)論卻是其中的一個(gè)比另一個(gè)好，不夠科學(xué)。既然第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了更好地驗(yàn)證第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的變量也應(yīng)該相同。

建議作者可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)：在實(shí)驗(yàn)中增加不同的角度數(shù)據(jù)，更加有力地說明不同角度的優(yōu)點(diǎn);將論文縮小到研究不同角度的影響，只考慮其中一個(gè)因素，更符合學(xué)生已有的認(rèn)知水平和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件。