1. 靈渠的歷史作用 出乎秦始皇所料，南征百越的50萬大軍，并沒有迅速壓垮當?shù)卦饺说姆纯埂Ｔ谠饺说囊u擾下，屠惟率領(lǐng)的秦軍遇到了過去未曾遇到的危機。盡管秦軍訓練有素，但是在百越人利用復(fù)雜地形和廣大地域所展開的游擊戰(zhàn)面前，這支正規(guī)軍，一開始難免吃虧。秦軍屢遭襲擊，處境艱難，難于速勝。既然不能速勝，秦軍的給養(yǎng)就成了迫在眉睫的問題。從中原到嶺南，要越過五道山嶺，給養(yǎng)輸運十分困難。不保證給養(yǎng)，這場戰(zhàn)爭無法維持。針對這一問題，負責后勤供給的史祿奉秦始皇命令，主持修建了一條跨越漓江源頭和湘江分水嶺上的運河——靈渠。靈渠鑿?fù)ㄖ?，大量的?jīng)長江與湘江間的水道抵達長沙的秦軍人員和物質(zhì)，溯湘江南下，能夠經(jīng)靈渠通達漓江，再經(jīng)漓江進珠江，東南可達廣州，入南海（圖1）；由珠江支流東江可進入福建，由北江可進入湖南南部；往西可溯珠江而上，經(jīng)左右江和紅水河進入滇、黔地區(qū)。由于秦軍有了便捷的物資供應(yīng)運輸線和軍事行動交通線，很快取得了戰(zhàn)爭的主動權(quán)，再加上對百越人民的安撫，在靈渠竣工的當年——公元前224年，平定嶺南的戰(zhàn)爭即告結(jié)束。秦帝國向嶺南的進軍，特別是靈渠這一浩大的水利工程的修建和竣工，在無意中，向嶺南的土著居民展示和傳播了當時屬世界一流的先進的中原文明[1],[2],[3],[4]。 2. 靈渠的選址 漓江和湘江之間的分水嶺是南嶺山脈（越城嶺和海洋山）的高山大嶺，興安縣位于南嶺山脈的最低處，在興安縣城附近，分水嶺降低為一條近南北向的古稱越城嶠（太史廟嶺）的土嶺。湘江上游的海陽河與漓江上游的始安水的最近距離只有1．7km，相隔的就是這列寬三百余米，高三十余米的土嶺。只要把這座嶺挖穿，就可以使海陽河與始安水接通，實現(xiàn)湘江與漓江的連接（圖2）。雖然始安水的地勢較高，可是始安水流量甚微，不能作為運河的水源，須以湘江上源海陽河作為水源，水量才充足夠用。但是海陽河要比始安水低得多，水不能自流，需要攔河筑壩抬高水位。經(jīng)海陽河與始安水的最近距離修建渠道，攔河壩要高出河岸7m，開渠的地形條件也不好。從該位置出發(fā)，沿海陽河上溯2．3 km（即是現(xiàn)在的渠首位置），以此處作為渠首位置，雖然增加了鑿渠長度，但是渠首高度增加，只需筑高出河岸1.1m的攔河壩，就可將水位抬得足夠高，使海陽河水經(jīng)過渠道注入始安水，再注入漓江（圖2，圖3）。[1]，[2]，[4]，[5]以上所談是靈渠選址的理由。
1-縣城；2-地點；3-渠道；4-溶洞；5-關(guān)隘；6-山峰；7-河流；8-公路

3. 靈渠工程的基本結(jié)構(gòu)及基本功能

渠道工程與渠首工程是靈渠水利工程的兩大部分。以攔水壩——大小天平為界，大小天平、鏵嘴以及分水塘組成了靈渠的渠首工程（圖4，圖5）。 大小天平是鏵犁形的攔水壩，壩頂可以溢流，這避免了大小天平受到過大的壓力，具有保護大壩作用。鏵嘴是與大小天平鄰近的位于海陽河內(nèi)的分水堰，其現(xiàn)在的形狀如同一塊遠古時代的玉圭。由于大小天平對海陽河水具有阻擋、抬高作用，于是在壩前形成了一個蓄水池塘——分水塘。分水塘具有穩(wěn)定流出大小天平水量的作用（圖3，圖4）。 靈渠的渠道工程包括：南渠、北渠、秦堤、湘江故道、陡門以及泄水天平（圖3，圖5）。南渠與漓江溝通，秦堤修筑于南渠與湘江故道之間，使南渠與湘江故道隔離。為了修筑大小太平以及鏵嘴的需要，北渠是一個前期工程，它取代了被大小天平截斷的湘江故道，將海陽河的水引入湘江，從而使大小太平以及鏵嘴的施工能夠順利進行。工程結(jié)束后，北渠順理成章地起到了通航作用。由于北渠連接湘江，南渠連接漓江，所以，湘江與漓江通過南、北二渠，被連接起來（圖3，圖5）。被截斷的湘江故道也仍然有用，具有蓄水、泄洪作用。在漲水期，來自海陽河的水漫過大小天平，經(jīng)過湘江故道，流入湘江，保障了秦堤的安全。泄水天平是設(shè)置于南、北渠的溢流設(shè)施，起排洪作用（圖6）。南、北渠共有泄水天平5處。位于南渠秦堤上的一座泄水天平長達42 m，其功能是起著第二溢洪道的作用。當海陽河水暴漲，大小天平的泄洪能力不足時，洪水勢必涌進南、北渠，當南、北渠水位超過泄水天平的壩頂時，就再次分洪，泄入湘江故道，這就保護了秦堤，保護了南、北渠，使興安縣城免受洪災(zāi)（圖3，圖5）。我們看到，大小天平前后的兩個蓄水區(qū)域分水塘和湘江故道是靈渠運行的重要一環(huán)，這兩個蓄水區(qū)起到了緩解水勢變化、容納多余水量和泄洪的作用。這給我們了一個深刻而具體的啟示：河灘、湖泊等濕地對于每一個水系來說是不可或缺的。濕地具有緩解水勢變化、容納多余水量和泄洪等作用，沒有濕地，河流就容易處于兩個極端狀態(tài)，或者水多的發(fā)生洪災(zāi)，或者水缺的發(fā)生旱災(zāi)。靈渠分水塘和湘江故道的作用，足以告誡我們：要保留濕地，切切不可與河爭地、與湖爭地。在物流、人流的運行中，我們不僅修建了道路，也設(shè)置了中轉(zhuǎn)站和倉庫，而濕地在水系中，就是水流的“中轉(zhuǎn)站和倉庫”。海陽河每年有四個月的枯水期，在此期間，靈渠不能自然通航。故此靈渠設(shè)有陡門，陡門是古老的中國船閘的稱謂。歷史上有據(jù)可查的陡門，南渠有30座，北渠有4座。陡門的作用是攔阻水流、抬高水位、蓄水通舟。上游的船來到時，用竹杠塞陡，用席子靠在杠上堵水，等到水位升高到一定位置，將陡杠抽去，船就可過陡門（圖7）。根據(jù)有籍可查的資料，世界上最早的船閘裝置——陡門是唐朝李渤設(shè)計的，它比巴拿馬運河上的船閘早1000多年，堪稱世界船閘的鼻祖。[1]，[2][4][5]
從圖中可以明顯看出，湘江與漓江通過南、北二渠連接起來
3.1靈渠渠首工程及其工作原理 在由大小天平、鏵嘴以及分水塘組成的渠首工程中（圖4），大小天平是渠首工程乃至整個靈渠工程的首要工程。大小天平是橫斷湘江的攔河壩，其作用是抬高水位．合理分水和溢洪。壩高3．9m，其中河床以下部分高2m．呈夾角為108o的人字形布置。斜向南渠一側(cè)的叫小天平，長127．0m，寬18．1m：斜向北渠一側(cè)的叫大天平，長343．3m，寬21．1m（圖8）。 傳統(tǒng)的說法是：“三分入漓，七分歸湘”，亦即三分水進入南渠，七分水進入北渠，可見大小天平具有分水作用[1]，[2]，[4]，[5]。大小天平的位置可以使南渠入水口與北渠入水口有不同的橫斷面積，大小天平的方向可以使大、小天平擋水表面對于干流流向分別有不同的偏離角度(圖8)，在均勻流動的情況下，大小天平自身控制進入南、北渠水流量的方式就是這兩種。這兩種因素對南、北渠水流量的影響，可以簡略地計算如下：
考慮到水流的連續(xù)性，應(yīng)該有 I₀=I_s+I_n （1） 在式（1）中， 三項分別為干流、南渠以及北渠的水流量。 設(shè)干流、南渠以及北渠的水流的流速分別為 ，干流、南渠入水口以及北渠入水口處的橫截面積分別為 ，有

（2）
根據(jù)式（1）、（2），有u₀A₀=u_sA_s+u_nA_n
考慮到，在大小天平處分開的，在單位時間內(nèi)，分別進入南渠、北渠入水口的水流，沿與干流垂直的Y方向，總動量應(yīng)該為零(圖8)。
以上公式表明，利用南渠入水口與北渠入水口的橫斷面積以及大、小天平擋水表面對于干流流向偏離的角度可以分配進入南、北渠水流量，可以影響南、北渠水流的速度。 大小天平的二個迎水面分別與水的流向成一斜角，是非?？茖W的，除了分水功能，也可以減小、緩和水流對大壩的沖擊；還能夠增強壩體抗傾覆的能力，“V”字形壩體，實際上相當于以節(jié)省材料、減少勞動量的方式，增加了壩體的厚度（圖5,圖8）。 大小天平的迎水面及壩頂均用大塊石灰?guī)r砌成，在兩石相接處，以鐵碼子聯(lián)結(jié)（圖9）。朝湘江故道方向平緩傾斜的滾水外坡，采用頁巖片石豎直砌筑，鱗比排列，通稱“魚鱗石”（圖10,圖11）。豐水期，河水漠過壩頂（圖12），豎直砌筑的“魚鱗石”不易在下泄水的沖刷下掀起，由河水帶來的泥沙充填石縫，還對魚鱗石有擠緊作用?！棒~鱗石”陣的表面如同搓衣板，能減緩經(jīng)壩頂漫出的水流速度，削弱下溢洪水的沖擊力。[1]，[2]，[4]，[5] 中國古人認為“水浸松木千年在”，大小天平的地基的建造方法是在松散的沙石里打下縱橫交錯的松木樁，在木樁間充填砂礫和卵石，平鋪l層木板，再砌上石塊。實踐表明，大小天平的地基建造得相當牢靠(圖10) [1]，[2]，[4]，[5]。

鏵嘴是一座70m長的分水堰（圖8）。鏵嘴的作用有三點：[1]，[2]，[4]，[5] （1） 減緩水流對大小天平的沖擊； （2） 導引水流平緩進入南、北渠； （3） 初步分配進入南、北渠的水量； 作用（1）產(chǎn)生是因為鏵嘴在大小天平之前，對于來自海陽河的水流，鏵嘴“首當其沖”。作用（2）的產(chǎn)生是因為鏵嘴兩側(cè)分別通向南、北渠的水道相當于漏斗，具有導引水流進入水渠入口的作用，（圖4），致使進入水渠入口水流的雷諾數(shù)降低，從而使水流平緩[10]。由于鏵嘴對于大小天平相鄰而不相接，所以產(chǎn)生作用（3），如果鏵嘴與大小天平相接或者過于長，會使大小天平不能發(fā)揮出本身的向南渠、北渠分水的功能。 在臨近渠道入水口處的水中修堰，靈渠的鏵嘴不是孤例。都江堰水利工程也采用了這種辦法。在臨近都江堰進水渠道的入水口——寶瓶口，有兩條堰，分別是魚嘴和飛沙堰，這兩條堰具有引流、分水和排沙的作用[6],[7]。觀察靈渠與都江堰的堰，都存在“相鄰而不相接”的規(guī)則，具體來說，堰與堰或者堰與入水口之間應(yīng)該相鄰而不相接。對于都江堰與靈渠這兩大水利工程，秦人根據(jù)不同的工程目的以及不同的河流狀況，設(shè)置了不同形制的堰，十分有效地實現(xiàn)了各自工程目的[8],[9]。由此可見在臨近渠道入水口處修堰，是秦人興建水利工程的一種特點，并且深諳此道。都江堰與靈渠的實踐表明，這種方法十分有效。堰的作用是有進一步研究價值的課題。 3.2靈渠渠道工程及其工作原理 靈渠南渠是一條由人工河段、半人工河段以及天然河段構(gòu)成的運河，長33.25千米。人工河段自南陡起，鑿山、開河、筑堤、穿越分水嶺至漓江最東的小支流始安水；半人工河段自始安水口以下至與清水河匯流處，原為始安水河道，在天然小河上人工擴寬至通航標準；自清水河口至入漓江處為天然河道，局部水淺，多礁石，這些阻礙航行處，經(jīng)過人工整治（圖2，圖3）[1]，[2]，[4]，[5]。在南渠與湘江故道之間，筑有秦堤（圖13），長3.7千米，用青石砌筑。秦堤防止南渠水回流到湘江，也可攔阻湘江故道洪水沖進南渠。距南陡500米，在興安靈渠的秦堤之上，有一塊巨石——飛來石，高4米，周長20米，近正方形，在飛來石附近，秦堤以這塊巨石為依靠，穩(wěn)固性得到增強（圖13）。在秦堤兩側(cè)，靈渠水位比湘江水位高出約4米，對秦堤形成很大水壓，再加之組成堤的土層均具有一定的透水性，這會使得秦堤很容易發(fā)生管涌。而事實并非如此，在這里，我們可以進一步體會到，湘江故道的妙處，湘江故道的存在使得秦堤所受到的水的滲透壓不是單側(cè)的而是雙側(cè)的，兩側(cè)的滲透壓相抗衡，從而不易發(fā)生管涌事故。對于秦堤這一靈渠的最薄弱環(huán)節(jié)（險工段）[11]（圖13），秦國工程師在設(shè)計和修建靈渠時，采用了一系列手段，以防范秦堤潰堤，南渠泄水天平的設(shè)置方式，南、北渠“三、七分水”的設(shè)計，以及大小天平高度的確定，都包含此目的。 北渠取代了被大小天平截斷的湘江故道，將海陽河的水引入湘江。沿直線，渠道長度只有4千米，可是水位落差大。為了不至于水流流速過快，難于行船，北渠繞了三個“S”形大彎，渠水迂回地流入湘江，這使北渠水位能夠比較緩慢地降落，從而減緩了水速，方便了行船。這種方法，與盤山公路同出一轍（圖13）[1]，[2]，[4]，[5]。