水渠与水道桥

提起水道桥，也许最为著名的就是古罗马时代建造的高架水渠，英文是Aqueduct。根据维基百科的注释，Aqueduct可以是专门输送水资源的水渠，也可以是为水渠跨越诸如峡谷、河流等障碍物而修筑的高架桥，还可以是为运河跨越深谷溪流、或是跨越道路铁路修建的水道桥。

高架水渠和水道桥承载的都是“水”，然而从使用功能上区分，高架水渠的功能是输送“水”，而水道桥的功能则是“行船”。按照现代土木工程的分科，高架水渠用于“供水”，水道桥则用于“交通”。

水道桥在桥梁工程史上曾经有过短暂的辉煌，然而这辉煌犹如流星划过夜空，很快便消失了。在众多的桥梁工程著述中，几乎寻不到水道桥的踪迹。实际上，在铁路时代到来之前，河流一直是最为有效快捷的运输载体。如今的人们，习惯了宇航速度、航空速度、高铁速度。从东半球的北京飞到西半球的纽约，也不过就10个小时。而在距今天并不算太遥远的年，从宾夕法尼亚的费城到匹兹堡，精力充沛的旅人步行需要二至三个星期，骑马大约需要10天。货物运输车队则需要三至四周。在宾夕法尼亚运河系统开通运营之后，走水道可以在四天之内将诸如生铁制品一类重型货物从匹兹堡运抵费城。

正如铁路和公路繁荣了沿线经济，铁路和公路的枢纽造就了大城市，在水系发达区域的经济成长历史中，运河也曾经是一个重要的角色。

早期的运河

运河特指人工开凿，用于航运的水道。内陆的运河可以是主要水系之间的连接通道，可以是湖泊与河流的连接通道，还可以是内陆码头与海洋连接的通道。运河既是人类文明的产物，也是人类文明发展进程的推动力。在由蒸汽机的发明启动的工业革命之前，大宗的货物运输大部依赖水运。而区域和国家的经济发展，在很大程度上依赖商品货物的高度有效流通。长期以来，运河工程促进了土木工程的技术进步，运河水道几乎就是经济发展的通道。工程技术进步和经济的发展，改善了人类的生存环境，促进了人类社会的文明进程。

大河流域是人类文明的摇篮，也是早期的运河发源地。古代傍水而居的人们，从河流的漂浮物受到启示，“舟”是人类最早的运输工具，水流成为古人天然便捷的运输载体。进入农耕文明的人类，具备了开凿水渠，引水灌溉农田的经验，为修筑运河积累了技术条件；农耕的生活方式，在水系发达，土地肥沃的区域形成群体社会；丰收年的食物储备，为运河工程提供了物质保障。然而，以古时的工程水平，早期稍具规模的运河工程，都需要倾国家之力。开挖运河的初衷，几乎都是军事目的。

与自然水流形成的河道不同，运河就是为了行船，因此，需要根据地形地貌、水源高度等，构筑一些独特的工程结构，诸如船闸，斜坡、水库、水坝、围堰等，用以调整水流速度；改变水位高度，有些运河甚至要架设桥梁，开凿隧道，让水道翻山越岭。

古代中国的运河技术，在很长一段时期一直处于世界领先的地位。公元前年，统一了中原地区的秦始皇，为了将他统治的“王土”拓展至岭南，投入十万秦军和民工，耗时五年，开凿灵渠，将长江水系和珠江水系贯通，随即便控制了岭南。灵渠是一条跨越山岭的运河，已经具有现代运河的结构特点，如利用之字河道，延长斜面，减缓水流速度，利用船闸（民间称为“斗门”）克服水位落差。灵渠是世界上最早运用船闸结构的运河。

荷兰是欧洲开挖运河的先行者。然而类似灵渠的船闸技术一直到年才在荷兰出现。国际工业遗产保护委员会（TICCIH）编制的世界著名运河清单报告中提到，早期的工程结构鲜有文字记载，很难评估中国的运河建造技术对欧洲的影响，难以判断船闸技术是荷兰工匠在晚于中国多年后独立发明的，还是经由马·可波罗从中国传到意大利后被荷兰工匠学会的。无论如何，10世纪前，欧洲大陆上的运河绝大多数都是建在当时的荷兰领地上，包括当时属于荷兰殖民地的斯里兰卡和印度尼西亚。

运河时代

图1契克水道桥，PervivalSkelton的画作

桥面是流水和正在行驶的船

运河是人类交通发展过程中的重要组成部分，也是工程技术和社会经济发展的一个基础环节。运河时代（canalage，canalera)是工业历史、交通运输史经常使用的一个术语，在世界范围内，运河时代的时间线与具体的文明区域相关。比如埃及和巴比伦的运河时代就发生在公元前。在中国，修筑京杭大运河的隋朝可以算作运河时代。本文的“运河时代”主要用于描述18世纪末期至19世纪中叶，英国和美国运河发展的一个繁荣时期。

与余音袅袅的铁路时代和方兴未艾的公路时代相比，近代运河的鼎盛时期很短暂，只能算是工业革命的前奏，现代交通的序曲。

近代运河是由商人投资的经济行为。经济利益，或者说是商业需求是第一推动力。通常认为，第一条现代运河便是在英国，由煤矿主布里奇沃特投资兴建的运河（Bridgewaterscanal）。这条运河在年通航，成为从沃斯利（Worsley）煤矿向曼彻斯特供应燃煤的最快捷便利的通道，开通之际，曼彻斯特的燃煤价格便直降50%！

这条运河随后进一步从两端继续延伸，一端从沃斯利延伸连接利物浦运河，另一端由曼彻斯特延伸至朗科恩，由此打通了曼彻斯特的出海通道。自此，利物浦作为英国的主要港口，伴随着工业革命进程急速扩张，成为煤矿、盐矿等工业原材料和棉花交易的第一大港。此外，在曼彻斯特和朗科恩之间还开通了客运业务。

布里奇沃特运河的成功，激发了当时在英国被称为“运河狂热”（CanalMania）的建设高潮。-年间，为满足大量货物和商品的运输需求，现代运河网络应运而生。通过改善疏浚已有的泰晤士河、韦伊河航道，开挖新河道，将原有的水路运输延伸到新兴工业区伯明翰，打通了约克郡、兰开夏郡与伦敦的航运通道。

布里奇沃特运河的工程技术独具特色，首次采用航运水道桥跨越河谷，而不是用下降再上升的斜面或船闸系列穿过河谷。运河系统本身，也成为英国工业革命的一个成果。

美国的运河时代具有明确的时间边界和时代特征。工业和技术考古学家将至年的65年界定为美国的运河时代。

图2庞特卡萨鲁岧水道桥典型断面

美国年7月4日发表了独立宣言，而真正的独立则是经过近8年的独立战争。年，美国主权领土从最初签署独立宣言的东海沿岸13个州，拓展至密西西比河东岸。至此，开国元勋们算是打下了美利坚合众国的半壁江山。然而，山脉、森林和沼泽阻碍了西北领土的发展。阿帕拉契亚山脉以西的农业区域，由于缺乏与东部发达城市的运输通道，无法将农产品运到东部市场进行交易，一直保持着自给自足的小农经济生活方式。另一方面，在经济相对发达，人口稠密的东海岸,森林作为主要能源，长期的砍伐，已经使得独立后的沿海城市显现能源危机。当时，尽管在距离费城英里之处就有煤矿，由于没有运输通道，使得从英国购买煤炭运至费城，竟比从宾夕法尼亚州购买更便宜。开挖运河，疏浚水道，促进东部的繁荣和中西部的开发，成为乔治·华盛顿、本杰明·富兰克林等合众国奠基人的共识。

这个时期最有代表意义的有三个运河系统：1）切萨皮克与俄亥俄运河（TheChesapeakeandOhioCanal，简称COCanal），起自马里兰州的坎伯兰，迄于华盛顿特区。年开通，主要运输开采自阿勒格尼山脉的煤炭。2）宾夕法尼亚运河，宾州境内的运河系统，包括疏浚改善既有河道的里海（Leighcanal)运河、斯卡吉尔运河（Schuylkillcanal）、联合运河（UnionCanal），以及称为公共主干线的，集铁路、坡道和运河一体的混合运输线。年，这个运河系统完成，开通了费城与匹兹堡之间的水上货物运输和客运业务。3）伊利运河（ErieCanal），位于纽约州，起自哈德逊河，迄于布法罗的伊利湖，年开通使用，成为五大湖区与大西洋的主要通道，也成为世界第二大运河，仅次于中国的京杭大运河。

这三大运河系统的连通，打开了阿巴拉契亚山脉的矿区的运输通道,打通了五大湖区域周边的大城市进入大西洋的运输线。中西部肥沃的土地上的农产品，便以芝加哥作为中转枢纽,从纽约港出口。这一切促成了纽约市的爆炸型增长，并迅速成为美国的第一大贸易大港。

在运河系统中，水道桥犹如今天铁路公路上的桥梁一样，是重要的节点。

运河时代的水道桥

图3庞特卡萨鲁水道桥（远处的19跨高架拱桥）

PervivalSkelton的画作

设想运河就是一条铁路，河道是路基，水流是轨道。与铁路类似，运河也需要架设桥梁来跨越天然屏障。不过，架设“空中运河”跨河的主张，并不像架设“空中铁路”跨河那样顺理成章。一开始，这个“架河过河”的建议听起来更像是个玩笑。然而，有几个因素促成了水道桥成为现代运河中无可避免的构筑物。首先是经济因素：相比较延长河道绕过深谷，或是采用多级船闸使水道下降再上升流过山谷，架设桥梁跨越深谷，是造价低廉和行船便捷的最佳选择。其次是技术因素：在18世纪，工程师对地质、地基稳定的理解，远逊于对结构力学行为的认识，因而在地面上架桥比完成大量的土石方工程更为得心应手。另外还有一个重要的因素是水源的管理：用水道桥跨越河流，避免运河水源与自然河道水源混合，更能保障运河的通行不受自然河道的水文干扰。

运河使用自然水资源作为运输工具的载体，这个在地面河道上几近免费的载体，却是架设水道桥花费最大代价的因素。通俗地说，水道桥其实是一个大渡槽的支架，渡槽的宽度和深度满足行船的需要，渡槽必须用水密材料筑成一个整体，以保证无渗漏。早期的罗马渡槽是采用一种天然的水密砂浆，英国的水道桥则多半用大量的不透水黏土抹在条石砌成的渡槽表面。在蒸汽机发明之前，运河行船的动力是人力或是畜力。运河沿岸还有拖曳步道（towpath）。

由此看来，“空中运河”实在是代价昂贵。需要建造一个稳固的砖石结构来支撑由砖石砌成的渡槽，以及渡槽中有足够浮起货船的水。因而，尽管有一些成功的案例，如前面提到的第一座现代意义运河水道桥——巴顿水道桥，便是由砖石砌成的拱桥，三跨，总长m；但早期的运河建设者尽量避免修建水道桥。直到18世纪末，铸铁开始成为桥梁的建筑材料。用铸铁制作的渡槽，能够同时满足不透水、重量轻的要求，且强度和刚度都远胜砖石结构。

时势造英雄。运河时代为工程师提供了机会。在18世纪末，系统的工程教育尚未形成，那个时代工程界的领军人物的技术教育都是自学成才，在一个个的工程实践中，由师傅带领，经过缓慢谨慎的一步步尝试，点滴积累。托马斯·特尔福德（ThomasTelford）就是其中的一个杰出代表。

运河时代的英雄——托马斯·特尔福德

图4庞特卡萨鲁水道桥上的游船

当年的运河如今成为旅游线路（来自维基百科）

特尔福德生于，卒于。根据ASCE对土木工程历史人物的档案，在有生之年，特尔福德参与修建超过英里的道路，座桥梁，40个港口和码头以及众多运河。堪称传奇人生。

特尔福德的职业生涯始于青年时代。用现代的语言，当时他的家乡正在进行“城镇化”改造，特尔福德给一位泥瓦匠打下手，跟着师傅翻修农舍，拓宽道路，也跟着师傅筑路架桥。在逐渐掌握了拱桥的架设技术后，特尔福德作为熟练的工匠，在塞文河上建造了多座圬工拱桥。这个阶段的经历，决定了特尔福德的人生。他不仅积累了相当丰富的经验，也建立了极为广泛的人脉。为随后的“运河狂热”做好了充分准备。

年，塞文河河水泛滥，汹涌的洪水几乎毁坏了所有的圬工桥梁，而年在位于煤溪谷（Coalbrookdale）用铸铁建造的拱桥却毫发无损。特尔福德敏锐地认识到，这座幸存的铸铁拱桥，尽管采用了与圬工拱桥完全一致的几何造型，由于铸铁的强度优势，结构的体积可以减少近3/4，这不仅仅是材料用量的节约，更因为通透的拱肋成为过水构造，大大减小了洪水对结构的冲击力，这便是铸铁拱桥得以幸存的主要原因。

特尔福德是一位具有前瞻视野的工程师。在工程界对铸铁的认识还很不成熟之时，便以极大的勇气，极富创意地将这种新材料用于水道渡槽和支撑结构。实际上，特尔福德是在那个时代，较早使用铸铁的工程师。联想到特尔福德是在英国工程的“石器时代”成长起来的泥瓦匠，他对“铁器”的热情和信心就更为难能可贵。

特尔福德的铸铁水道桥

据塞缪尔·斯迈尔斯（SamualSmiles,BIOGRAPHIESWORKINGMEN，）称，契克水道桥（Chirkaqueduct）和（PontCysylltauaqueduct）庞特卡萨鲁水道桥，是特尔福德为埃尔斯米尔运河设计和建造的两座水道桥。

从维基百科和网络有关英国世界遗产的资料，契克水道桥总长米，它的承重结构是10个跨度为12米的圆弧拱，跨越塞里奥格河，渡槽水面高于跨越的河面约21米。这是埃尔斯米尔运河上的重要节点桥，也是这个运河工程中一个投资巨大的工程。契克水道桥年开工，1年建成。建成之时，只有渡槽的底部采用铸铁板，两侧仍用条石砌体。现存的渡槽经过多次修缮，两侧的铁板是年加贴在渡槽内侧的防渗漏板。

在～5间建成的庞特卡萨鲁水道桥，是人类第一次工业革命和技术创新的杰作。被认为是目前英国最古老和最长的通航水道桥，也是世界上最高的通航水道。

这是一座真正意义的铸铁水道桥。水道长米，宽3.7米，深1.6米的铸铁槽，由19跨铸铁拱支撑，跨长约为13.6米。18个桥墩用就近开采的石材砌成，最高桥墩距离地面约35米。据说在配制石灰砂浆时，特意在其中加入牛血。这是当时的一种迷信，认为强壮的动物的血会能使桥墩强壮稳固。水道桥建成后随即在渡槽中注满水，经过6个月的检验，确保桥梁稳固，渡槽无渗漏，才开始通航。

它的通航典礼十分隆重。5年11月26日，由6只船组成的船队，伴随着15响礼炮和民众的欢呼声，载着运河投资商，建筑工人和一支军乐队从桥上通过。首航仪式之后，便是马拉的船队，从这座桥上，源源不断地向埃尔斯米尔运送从兰格伦谷矿山开采的燃煤、采石场开采的石料、铁工厂生产的铸铁产品。

不难想象，这座横空出世的铸铁水道桥在19世纪初给民众带来的震撼。那是一幅工业革命初期的构筑物与田园风光混合的画卷——炼铁炉、石灰窑，堆放的原煤，与豪华庄园共享茂密的丛林，自然清新的空气与高炉和石灰窑冒出的火焰与浓烟交织在一起，山谷两侧是零落的农舍。在谷底湍急的溪流上，一条大铁槽跨越而过，满载矿石或生铁的货船在这座桥上来来往往。这座水道桥成为那个年代人类勇气、智慧和胆识的象征。

如今，山谷周围还是茂密的丛林，只是不再有炼铁炉和石灰窑，不再有浓烟与火焰。年前的水道桥仍然稳固站立在高耸修长的墩柱上。从桥上经过的，不再是用马拖曳的货船，而是欣赏运河两岸风光的游船。

运河时代的水道桥，如今只有少数仍然通航，大多数在运河时代风光无限的水道桥，都和运河一起，被随后来临的铁路淘汰了。

罗伯林的悬吊水道桥

图5特拉华水道桥的典型断面

中间是水槽，两侧为拖曳步道

美国的在运河时代修建的水道桥，一个主要的特点是采用木制水槽，而不是像英国那样采用铸铁水槽。主要原因是可以利用当地丰富的森林资源，选用优质木材制作水槽。即使这样的水槽使用寿命较铸铁水槽短，需要及时更换，然而由于可以就地取材，低廉的材料和几乎不需要运输费用，使得木制水槽具有很强的经济优势。

相对于铸铁，木材的强度较低。用木材建造较大跨度的水道桥，成为运河时代的难题，也为新大陆工程师制造了机遇。约翰·罗伯林便是在那个时代脱颖而出的杰出代表。众所周知，纽约的布鲁克林大桥是罗伯林父子两代人的纪念碑。而罗伯林父子两代的悬索桥生涯，都是从水道桥开始的。父亲约翰·罗伯林设计的第一座悬索桥是水道桥；儿子华盛顿·罗伯林在伦斯勒理工学院的毕业论文，便是以“悬吊水道桥的设计”为题。

特拉华水道桥至今已有近年，建桥的原始结构，如主缆，鞍座等，仍然保留完好。现已更名为罗伯林桥。这座桥大约是现存最老的，采用炭烧铁丝编制大缆的悬索桥。这是一座四跨悬索桥，跨长43米，桥长米，跨越分隔纽约州和宾夕法尼亚州的特拉华河。墩塔是砖石砌体，构成水道的水槽宽约6米，水深2.6米；水槽两侧是拖曳步道。支撑水槽的桥面系是间隔很密的横梁，横梁两端连在铁丝编制的吊杆上。横梁下面还有一层水平横撑系统，保证了渡槽的横向稳定。在年，桥上通行的货船重达吨。

从照片可以看出，主缆的矢跨比非常小，跨中几乎一半的主缆标高低于拖曳步道的路面。年后，运河关闭，罗伯林桥也随即废弃。这座桥曾被私人收购，两侧的步道被拆除，桥面可单向通行汽车。年，特拉华-哈德逊运河的一段，连同罗伯林桥被确定为国家历史名胜，国家公园管理局在年购回了桥梁，根据罗伯林最初的设计复建了桥梁上部结构，增加了两侧的护栏。经改建后的桥梁，主缆几乎完全被护栏遮挡，只留出一小段供游人观赏。

运河时代的精神

图6运河废弃后，特拉华水道桥改为路桥

工程历史学家詹姆斯.赫尔德（JamesE.Held）在“运河时代”（CanalAge）中提到，在至年间，美国开挖、疏浚、打通水道，形成英里水运网。这个水运网上，诞生了美国的第一条隧道，有成百上千的水坝、船闸，还建造了数以百计的水道桥。在用人力和畜力拉车和拖船的岁月，这些运河在工业革命初期，使得大批的货物运输成为可能。随着蒸汽机的发明，铁路取代运河曾经繁忙的运河逐渐寂静，长期闲置的运河趋于干涸，年久失修的水道桥和曾经在运河上通行的船，大多数都湮灭在洪水和淤泥里，在人们的记忆中消失了。

运河时代的大兴土木，训练培养了大批的工程师。他们在修建港口、码头、航标、灯塔的过程中，积累了对结构形式力学行为的认识，对各种建筑材料性能优势的了解，并随即在接踵而至的铁路时代大显身手。特尔福德和罗伯林都是在运河工程中成长起来的著名人物。这两位工程师建造水道桥的经历，使得他们对于流体的动态横向作用有着最直观的感受，在他们随后设计的桥梁中，都有很强的横撑体系

运河工程也为政府形成了一整套对私营资本在公共工程中的投资融资管理体系，催生了系统的工程教育。在伊利运河启动时，美国的大学只有西点是唯一的工程学院，到年,伦斯勒理工学院、密歇根大学、哈佛、耶鲁和达特茅斯学院都开始授予毕业生工学学位。英国和美国的土木工程师协会（InstitutionofCivilEngineers，AmericanSocietyofCivilEngineers）也分别于年和年奠基。

这个时期开创的管理体系、价值观念、工程技能等等，形成了“土木工程文化”。土木工程师“civilengineer”也以“掌握了运用自然力量为人类造福的技能”的群体形象，步入经济社会。

本文刊载/《桥梁》杂志年第4期总第84期

作者/尹德兰