孙洪军

      摘要 ：盘坝是用人力或畜力通过辘轳、绞车等机械装置，将运河上为拦水坝阻拦的船只牵引通过堰坝的通行方式。明代镇江段大运河上的堰坝多使用盘坝技术，盘坝技术蕴含丰富的科技原理，深入挖掘这些河工设施蕴含的科技原理，对于弘扬中华优秀传统文化、增强历史自信、文化自信具有重要意义。

      关键词 ：大运河 镇江 盘坝 科学原理

      大运河镇江段起于长江进入江南运河的运口，终于丹阳市吕城镇，与常州段大运河在常州市新北区奔牛镇相衔接。因镇江旧称丹徒，故历经丹徒、丹阳两地的镇江段大运河又称徒阳运河，徒阳运河自古以来就是贯穿南北的京杭大运河的重要组成部分。

      一、创新科技确保畅通

      [1]漕运要道位置重要

      隋炀帝开通贯穿南北的大运河以后，江南的粮食、财赋源源不断地通过江南运河运往京师长安。唐代以后通过大运河南粮北运逐渐成为定制。“中唐开始，镇江即成为漕运咽喉…… 经镇江大运河中转的两浙漕米占到全国漕运量的四分之一以上。”[1]33 明代黄承元在《河漕通考》中说 ：“今天下漕谷之多莫如吴越，吴越所出江必经丹阳、京口。”[2]33 由此可见徒阳运河是江南运河的关键性区段，镇江是京杭大运河的咽喉要地。但是“惟郡境高昂，势若赑负石、鳌负水，不可以潴。北泄于江，南注于毗陵”。[3]193

      [2]科学设计畅通运道

      为保持漕运的畅通，就必须采取措施节制河水，为此历代修建大量河道、堰坝、闸函、湖泊、津渡等水工设施，这些水工设施的兴建，体现了古代镇江人民的聪明智慧，具有很高的科技价值，充分挖掘这些文化遗产的科技价值，对于丰富大运河文化内涵、优化大运河文化遗产的呈现方式，服务于建设大运河公园的国家战略具有积极意义。在众多镇江大运河科技文化遗产中最具代表性的河工设施是盘坝系统。

      二、盘坝技术应运而生

      1.拦河坝的修建

      京杭大运河是沟通中国南北的交通大动脉，发挥着漕运、商贸、朝贡、驿传等功能，在经济、政治、军事、文化等方面发挥着重要作用。京杭大运河最主要的功能是转运漕粮，许慎在《说文解字》中说，“漕，水转谷也”[4]678, 即通过水道转运粮食。漕运离不开水道，《荀子·哀公》说，“水则载舟，水则覆舟”[5]267，水能载舟是生活常识，即河湖等水体必须有足够的水量与水深，如果水量与水深不足，就不能载舟转漕。为保证运河水量充足、水深达标，保持航线畅通， 必须运用各种科学方法保水行漕，在运河上构建拦水坝是保持运河河道水体稳定的重要方法。坝为“拦水的构筑物”。[6]21“在运河上的缺水地段，为了节水，最初的办法是隔一段修一道拦河堤坝，称为堰或埭。堰埭工程至迟在三国时期就已出现。”[7]55 在中国古代“挡水坝有许多叫法，如坝、堰、埝、埭、堤、塘、陂等，广泛分布于全国主要水系的干支流上”。[7]55 京杭大运河上的坝按其功能可分为拦河坝和滚水坝（即溢流坝）两大类。拦河坝是在与河道垂直的方向将运河河道横行截断以阻挡水流的水利工程。滚水坝是在运河河道地势比较低矮的一侧构筑的溢流设施，用以排泄运河内多余的河水，以保持运河适航性。拦河坝在将河水拦截的同时，也阻挡了船只继续前行的道路。为越过拦河坝，古人发明了盘坝系统，帮助船只等翻越拦河坝， 开始下段的航程。

      2.盘坝系统的应用

      盘坝技术曾经在大运河上得到广泛应用。明代陈瑄治理清口，修建淮安五坝，以解决淮河、运河之间商旅与船只往来的问题，船只过坝时，“要先将货物卸下，而后用人力将空船拖拉过坝，再将货物装载上船，古代称之盘坝”。[8]2 明代日本僧人策彦周良出使明朝，沿京杭大运河自杭州至丹徒，于嘉靖十八年（1539 年）十二月二日巳时“将辘轳索卷越坝口”[9]1174。“盘坝又称盘驳、盘剥，以人力、畜力为动力，用辘轳、绞车等机械将船只牵引通过堰埭。”[10]35 为节省人力，也可以用畜力盘坝，“建于运河河道上的堰埭有人工磨堰、辘轳绞拉堰等不同种类，旨在提高通航水深”[11]116，是运河航运的配套设施。

      关于盘坝，明代王琼是这样记载的 ：“凡置坝，以草土为之，时灌水其上，令软滑不伤船。坝东西用将军柱各四，柱上横施天盘木各二，下施石窝各二，中置转轴木各二根，每根为窍二，贯以绞关木，系篾缆于船，缚于轴上，执绞关木，环轴而推之，以上下船也。亦有官厅库房。”[12]158 此后，明代潘季驯关于盘坝的记载与王琼的记载大同小异 ：“建车船坝，先筑基坚实，埋大木于下，以草覆之，时灌水其上，令软滑不伤船。坝东西用将军柱各四柱，上横施天盘木各二，下施石窝各二，中置转轴木各二根，每根为窍二，贯以绞关木，系篾绳于船于轴，执绞关木环轴而推之。”[13]102 清代傅泽洪基本沿袭了潘季驯的说法 ：“建车船坝，先筑基坚实，埋大木于下，以草土覆之，灌水其上，令软滑不伤船。坝东西用将军柱各四，柱上横施天盘木各二，下施石窝各二。中置转轴木各二根，每根为窍二，贯以绞关木，系篾缆于船，缚于轴，执关木环轴而推之。”[14]417-418 以上三家关于盘坝的记述，虽然文字略有出入，其运行原理却是始终如一的。

      “堰埭的上下游坝坡很缓，以便顺斜面拖船过坝。拖大船时需要在两岸架设绞车，在堰埭表面涂抹水草、稀泥作润滑，这就是原始的斜面升船机。”[7]55

      在镇江段大运河上，丹徒的京口坝、丹阳的吕城坝曾经通过盘坝方式保证船只的通行。熙宁年间（1068-1077），日本僧人成寻远赴北宋都城汴梁，他自杭州出发一路北上，历苏州、无锡、常州，在常州奔牛堰见到16 头水牛（左右各八头）用辘轳将航船拖曳过堰。此时使用盘坝技术的丹阳吕城堰已经废弃。在京口，“越堰用14 头牛拖船……这些闸堰有效地调节着运河各段水流水量，保证了运河的正常运作”。[15]703

      三、盘坝蕴含科技原理

      盘坝系统蕴含着丰富的科学原理与先进工程技术，结合上述明清三位水利专家关于盘坝的论述，用解析图示的方法，揭示其蕴含的丰富的力学原理。

      [2]杠杆原理

      “坝东西用将军柱各四，柱上横施天盘木各二，下施石窝各二，中置转轴木各二根，每根为窍二，贯以绞关木，系篾缆于船，缚于轴上，执绞关木，环轴而推之，以上下船也。”[12]158 京杭大运河总体上为南北走向，故建筑横行截断运河水流的拦河坝为东西走向，在拦河坝的东西两端各埋设与坝面垂直的四根粗壮将军柱，每两根将军柱南北对齐，形成一组，两组将军柱之间需要预留足够的空间作为人或牛绕转轴木推挽的场所。将军柱上南北横放一根天盘木，用榫卯结构连接将军柱与天盘木，并用铁条捆扎以增强其坚固性，将军柱与天盘木形成一个坚固的“门”字结构，作为安放转轴木的框架。在天盘木中心，根据转轴木的粗细，垂直开凿略大于转轴木的孔洞，在天盘木中心正下方坝基中埋放带有标准柱形凹槽的石窝，石窝的直径亦略大于转轴木的直径，将转轴木从上往下垂直插入天盘木中心的孔洞，并向下直达石窝，形成一个倒置的“山”字形建筑物。在离地面约1.5 米的高度，在转轴木上开凿两个互相垂直又有一定高度差（以保持转轴木的坚固性）且与地面平行的孔洞，将两根长度约4 米的坚韧绞关木均匀插入转轴木的孔洞，形成一个平行于坝面的十字形的轮轴绞车。将拖船缆绳系于转轴木上方（以不影响下方人或水牛的牵挽工作为准）。在十字形轮轴的每根绞关木上可以安排一头水牛或1 至数人，顺时针推动绞车的轮轴转动，逐渐卷起拖船缆绳，将船只从下游运河沿拦河坝外斜面拖上坝顶。（如图一、图二所示）