1. 灵渠的历史作用 出乎秦始皇所料，南征百越的50万大军，并没有迅速压垮当地越人的反抗。在越人的袭扰下，屠惟率领的秦军遇到了过去未曾遇到的危机。尽管秦军训练有素，但是在百越人利用复杂地形和广大地域所展开的游击战面前，这支正规军，一开始难免吃亏。秦军屡遭袭击，处境艰难，难于速胜。既然不能速胜，秦军的给养就成了迫在眉睫的问题。从中原到岭南，要越过五道山岭，给养输运十分困难。不保证给养，这场战争无法维持。针对这一问题，负责后勤供给的史禄奉秦始皇命令，主持修建了一条跨越漓江源头和湘江分水岭上的运河——灵渠。灵渠凿通之后，大量的经长江与湘江间的水道抵达长沙的秦军人员和物质，溯湘江南下，能够经灵渠通达漓江，再经漓江进珠江，东南可达广州，入南海（图1）；由珠江支流东江可进入福建，由北江可进入湖南南部；往西可溯珠江而上，经左右江和红水河进入滇、黔地区。由于秦军有了便捷的物资供应运输线和军事行动交通线，很快取得了战争的主动权，再加上对百越人民的安抚，在灵渠竣工的当年——公元前224年，平定岭南的战争即告结束。秦帝国向岭南的进军，特别是灵渠这一浩大的水利工程的修建和竣工，在无意中，向岭南的土著居民展示和传播了当时属世界一流的先进的中原文明[1],[2],[3],[4]。 2. 灵渠的选址 漓江和湘江之间的分水岭是南岭山脉（越城岭和海洋山）的高山大岭，兴安县位于南岭山脉的最低处，在兴安县城附近，分水岭降低为一条近南北向的古称越城峤（太史庙岭）的土岭。湘江上游的海阳河与漓江上游的始安水的最近距离只有1．7km，相隔的就是这列宽三百余米，高三十余米的土岭。只要把这座岭挖穿，就可以使海阳河与始安水接通，实现湘江与漓江的连接（图2）。虽然始安水的地势较高，可是始安水流量甚微，不能作为运河的水源，须以湘江上源海阳河作为水源，水量才充足够用。但是海阳河要比始安水低得多，水不能自流，需要拦河筑坝抬高水位。经海阳河与始安水的最近距离修建渠道，拦河坝要高出河岸7m，开渠的地形条件也不好。从该位置出发，沿海阳河上溯2．3 km（即是现在的渠首位置），以此处作为渠首位置，虽然增加了凿渠长度，但是渠首高度增加，只需筑高出河岸1.1m的拦河坝，就可将水位抬得足够高，使海阳河水经过渠道注入始安水，再注入漓江（图2，图3）。[1]，[2]，[4]，[5]以上所谈是灵渠选址的理由。
1-县城；2-地点；3-渠道；4-溶洞；5-关隘；6-山峰；7-河流；8-公路

3. 灵渠工程的基本结构及基本功能

渠道工程与渠首工程是灵渠水利工程的两大部分。以拦水坝——大小天平为界，大小天平、铧嘴以及分水塘组成了灵渠的渠首工程（图4，图5）。 大小天平是铧犁形的拦水坝，坝顶可以溢流，这避免了大小天平受到过大的压力，具有保护大坝作用。铧嘴是与大小天平邻近的位于海阳河内的分水堰，其现在的形状如同一块远古时代的玉圭。由于大小天平对海阳河水具有阻挡、抬高作用，于是在坝前形成了一个蓄水池塘——分水塘。分水塘具有稳定流出大小天平水量的作用（图3，图4）。 灵渠的渠道工程包括：南渠、北渠、秦堤、湘江故道、陡门以及泄水天平（图3，图5）。南渠与漓江沟通，秦堤修筑于南渠与湘江故道之间，使南渠与湘江故道隔离。为了修筑大小太平以及铧嘴的需要，北渠是一个前期工程，它取代了被大小天平截断的湘江故道，将海阳河的水引入湘江，从而使大小太平以及铧嘴的施工能够顺利进行。工程结束后，北渠顺理成章地起到了通航作用。由于北渠连接湘江，南渠连接漓江，所以，湘江与漓江通过南、北二渠，被连接起来（图3，图5）。被截断的湘江故道也仍然有用，具有蓄水、泄洪作用。在涨水期，来自海阳河的水漫过大小天平，经过湘江故道，流入湘江，保障了秦堤的安全。泄水天平是设置于南、北渠的溢流设施，起排洪作用（图6）。南、北渠共有泄水天平5处。位于南渠秦堤上的一座泄水天平长达42 m，其功能是起着第二溢洪道的作用。当海阳河水暴涨，大小天平的泄洪能力不足时，洪水势必涌进南、北渠，当南、北渠水位超过泄水天平的坝顶时，就再次分洪，泄入湘江故道，这就保护了秦堤，保护了南、北渠，使兴安县城免受洪灾（图3，图5）。我们看到，大小天平前后的两个蓄水区域分水塘和湘江故道是灵渠运行的重要一环，这两个蓄水区起到了缓解水势变化、容纳多余水量和泄洪的作用。这给我们了一个深刻而具体的启示：河滩、湖泊等湿地对于每一个水系来说是不可或缺的。湿地具有缓解水势变化、容纳多余水量和泄洪等作用，没有湿地，河流就容易处于两个极端状态，或者水多的发生洪灾，或者水缺的发生旱灾。灵渠分水塘和湘江故道的作用，足以告诫我们：要保留湿地，切切不可与河争地、与湖争地。在物流、人流的运行中，我们不仅修建了道路，也设置了中转站和仓库，而湿地在水系中，就是水流的“中转站和仓库”。海阳河每年有四个月的枯水期，在此期间，灵渠不能自然通航。故此灵渠设有陡门，陡门是古老的中国船闸的称谓。历史上有据可查的陡门，南渠有30座，北渠有4座。陡门的作用是拦阻水流、抬高水位、蓄水通舟。上游的船来到时，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，将陡杠抽去，船就可过陡门（图7）。根据有籍可查的资料，世界上最早的船闸装置——陡门是唐朝李渤设计的，它比巴拿马运河上的船闸早1000多年，堪称世界船闸的鼻祖。[1]，[2][4][5]
从图中可以明显看出，湘江与漓江通过南、北二渠连接起来
3.1灵渠渠首工程及其工作原理 在由大小天平、铧嘴以及分水塘组成的渠首工程中（图4），大小天平是渠首工程乃至整个灵渠工程的首要工程。大小天平是横断湘江的拦河坝，其作用是抬高水位．合理分水和溢洪。坝高3．9m，其中河床以下部分高2m．呈夹角为108o的人字形布置。斜向南渠一侧的叫小天平，长127．0m，宽18．1m：斜向北渠一侧的叫大天平，长343．3m，宽21．1m（图8）。 传统的说法是：“三分入漓，七分归湘”，亦即三分水进入南渠，七分水进入北渠，可见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与北渠入水口有不同的横断面积，大小天平的方向可以使大、小天平挡水表面对于干流流向分别有不同的偏离角度(图8)，在均匀流动的情况下，大小天平自身控制进入南、北渠水流量的方式就是这两种。这两种因素对南、北渠水流量的影响，可以简略地计算如下：
考虑到水流的连续性，应该有 I₀=I_s+I_n （1） 在式（1）中， 三项分别为干流、南渠以及北渠的水流量。 设干流、南渠以及北渠的水流的流速分别为 ，干流、南渠入水口以及北渠入水口处的横截面积分别为 ，有

（2）
根据式（1）、（2），有u₀A₀=u_sA_s+u_nA_n
考虑到，在大小天平处分开的，在单位时间内，分别进入南渠、北渠入水口的水流，沿与干流垂直的Y方向，总动量应该为零(图8)。
以上公式表明，利用南渠入水口与北渠入水口的横断面积以及大、小天平挡水表面对于干流流向偏离的角度可以分配进入南、北渠水流量，可以影响南、北渠水流的速度。 大小天平的二个迎水面分别与水的流向成一斜角，是非常科学的，除了分水功能，也可以减小、缓和水流对大坝的冲击；还能够增强坝体抗倾覆的能力，“V”字形坝体，实际上相当于以节省材料、减少劳动量的方式，增加了坝体的厚度（图5,图8）。 大小天平的迎水面及坝顶均用大块石灰岩砌成，在两石相接处，以铁码子联结（图9）。朝湘江故道方向平缓倾斜的滚水外坡，采用页岩片石竖直砌筑，鳞比排列，通称“鱼鳞石”（图10,图11）。丰水期，河水漠过坝顶（图12），竖直砌筑的“鱼鳞石”不易在下泄水的冲刷下掀起，由河水带来的泥沙充填石缝，还对鱼鳞石有挤紧作用。“鱼鳞石”阵的表面如同搓衣板，能减缓经坝顶漫出的水流速度，削弱下溢洪水的冲击力。[1]，[2]，[4]，[5] 中国古人认为“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纵横交错的松木桩，在木桩间充填砂砾和卵石，平铺l层木板，再砌上石块。实践表明，大小天平的地基建造得相当牢靠(图10) [1]，[2]，[4]，[5]。

铧嘴是一座70m长的分水堰（图8）。铧嘴的作用有三点：[1]，[2]，[4]，[5] （1） 减缓水流对大小天平的冲击； （2） 导引水流平缓进入南、北渠； （3） 初步分配进入南、北渠的水量； 作用（1）产生是因为铧嘴在大小天平之前，对于来自海阳河的水流，铧嘴“首当其冲”。作用（2）的产生是因为铧嘴两侧分别通向南、北渠的水道相当于漏斗，具有导引水流进入水渠入口的作用，（图4），致使进入水渠入口水流的雷诺数降低，从而使水流平缓[10]。由于铧嘴对于大小天平相邻而不相接，所以产生作用（3），如果铧嘴与大小天平相接或者过于长，会使大小天平不能发挥出本身的向南渠、北渠分水的功能。 在临近渠道入水口处的水中修堰，灵渠的铧嘴不是孤例。都江堰水利工程也采用了这种办法。在临近都江堰进水渠道的入水口——宝瓶口，有两条堰，分别是鱼嘴和飞沙堰，这两条堰具有引流、分水和排沙的作用[6],[7]。观察灵渠与都江堰的堰，都存在“相邻而不相接”的规则，具体来说，堰与堰或者堰与入水口之间应该相邻而不相接。对于都江堰与灵渠这两大水利工程，秦人根据不同的工程目的以及不同的河流状况，设置了不同形制的堰，十分有效地实现了各自工程目的[8],[9]。由此可见在临近渠道入水口处修堰，是秦人兴建水利工程的一种特点，并且深谙此道。都江堰与灵渠的实践表明，这种方法十分有效。堰的作用是有进一步研究价值的课题。 3.2灵渠渠道工程及其工作原理 灵渠南渠是一条由人工河段、半人工河段以及天然河段构成的运河，长33.25千米。人工河段自南陡起，凿山、开河、筑堤、穿越分水岭至漓江最东的小支流始安水；半人工河段自始安水口以下至与清水河汇流处，原为始安水河道，在天然小河上人工扩宽至通航标准；自清水河口至入漓江处为天然河道，局部水浅，多礁石，这些阻碍航行处，经过人工整治（图2，图3）[1]，[2]，[4]，[5]。在南渠与湘江故道之间，筑有秦堤（图13），长3.7千米，用青石砌筑。秦堤防止南渠水回流到湘江，也可拦阻湘江故道洪水冲进南渠。距南陡500米，在兴安灵渠的秦堤之上，有一块巨石——飞来石，高4米，周长20米，近正方形，在飞来石附近，秦堤以这块巨石为依靠，稳固性得到增强（图13）。在秦堤两侧，灵渠水位比湘江水位高出约4米，对秦堤形成很大水压，再加之组成堤的土层均具有一定的透水性，这会使得秦堤很容易发生管涌。而事实并非如此，在这里，我们可以进一步体会到，湘江故道的妙处，湘江故道的存在使得秦堤所受到的水的渗透压不是单侧的而是双侧的，两侧的渗透压相抗衡，从而不易发生管涌事故。对于秦堤这一灵渠的最薄弱环节（险工段）[11]（图13），秦国工程师在设计和修建灵渠时，采用了一系列手段，以防范秦堤溃堤，南渠泄水天平的设置方式，南、北渠“三、七分水”的设计，以及大小天平高度的确定，都包含此目的。 北渠取代了被大小天平截断的湘江故道，将海阳河的水引入湘江。沿直线，渠道长度只有4千米，可是水位落差大。为了不至于水流流速过快，难于行船，北渠绕了三个“S”形大弯，渠水迂回地流入湘江，这使北渠水位能够比较缓慢地降落，从而减缓了水速，方便了行船。这种方法，与盘山公路同出一辙（图13）[1]，[2]，[4]，[5]。