都江堰工程与优先阀

都江堰和优先阀，一个水利工程，一个液压元件，这看似风马牛不相及的二者，之间又有着怎么样的联系？

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都江堰是我国古代修建的著名水利工程，至今仍在发挥着作用。本人有幸在几年前到当地游玩，作为有点流体基础的专业人士，顺便琢磨了一下其原理，发现与液压上的优先阀竟是如此相似！

下图为优先阀的结构图，P口为进口，A口为优先口，B口为多余流量。进油通过节流孔时，产生一个压差，左边压力大，右边压力小，阀芯向右移动。如果流量不大，节流孔处的压差也小，阀芯不动或向右移动的距离就小，B口打不开，流量全部从A口出去，实现优先功能。

随着流量增大，压差增大，阀芯向右移动的距离增大，B口打开，多余流量从B口出去。但是，阀芯右移使压力补偿节流孔与阀体之间又产生一定的遮盖，再配合弹簧的针对性设计，可以保证A口的流量基本恒定。

都江堰来水主要是从川西高原上的雪山融水，随季节变化而变化，且水流量变化较大，而生活及灌溉用水要相对稳定。并且，当上游来水不足时，应优先保证生活及灌溉用水。而这些，则与优先阀的要求完全一致。那么，我们来看看都江堰是如何实现这些要求的，与优先阀又有何相似之处。

都江堰渠首枢纽主要由宝瓶口、金刚堤和飞沙堰三大主体工程构成。三者有机配合，协调运行。作为生活及灌溉用水的入口，宝瓶口就相当于优先阀的优先口。据说宝瓶口引水工程完成后，虽然起到了分流和灌溉的作用，但因江东地势较高，江水难以流入宝瓶口，为了使岷江水能够顺利东流且保持一定的流量，并充分发挥宝瓶口的分洪和灌溉作用，修建者又在岷江中修筑金刚堤，将江水分为两支：一支顺江而下，另一支被迫流入宝瓶口。可见，金刚堤就相当于优先阀的阀芯。内江窄而深，外江宽而浅，这样枯水季节水位较低，大部分甚至全部江水流入河床低的内江，保证了成都平原的生产生活用水；而当洪水来临，由于水位较高，部分甚至大部分江水从江面较宽的外江排走，这种自动分配水量的设计与优先分流阀的设计完全相同。

飞沙堰主要其保护作用，相当于一个溢流阀（部分优先阀内集成溢流阀）。当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出；如遇特大洪水的非常情况，它还会自行溃堤，让大量江水回归岷江。飞沙堰的另一作用是“飞沙”。因液压油比较清洁，故无此功能。

要想让生活及灌溉用水水量保持基本稳定，就要控制水头的高低，就相当于控制优先阀的压差。在都江堰工程中，控制水头的高低靠的是卧铁的深度和下游堤坝的高度。“深淘滩、低作堰”、埋卧铁、控制深度，就是为了保证压差的稳定和流量的优先。

对水流来说，动能和势能一样重要，这是水流与液压流的区别之处。如果宝瓶口垂直于主河道，优先流量受水流速度的影响最小。但要找这样的一个地方，可能太不容易了，还有可能被淤积堵塞，因此，宝瓶口与主河道的夹角就十分重要。

作为优先流量口，也要形成节流，这就需要宝瓶口要窄、要深，就像优先阀的节流口在轴向上要短、在圆周方向要长是一样的（下图），这样才能减少弹簧的影响，并为了减小此处的阻力。

通过二者的比较我们可以看出，都江堰水利工程的原理与现代的优先阀完全一致，是中国古代劳动人民智慧的结晶。

郭建国文章作者

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