西班牙塔拉戈纳地区，有一座古怪的石拱桥，高达27米，行人走上去不免心惊胆战，而且桥道修得异常狭窄，只容单人通过，于是便有了“魔鬼桥”之称。


　西班牙塔拉戈纳的“魔鬼桥” | RAFAEL LÓPEZ-MONNÉ 
　　如此不便的桥梁，似乎不是为行人而建。它是干什么的呢？

　　答案让人意想不到——供水。

　　没错，今天行人脚下已经不复存在的潺潺流水，才是这座桥的主角。对应其供水的功能性，我们将这类桥命名为“水道桥”。

　　罗马帝国：喷泉、洗浴，统统给你搞定

　　在了解水道桥之前，我们得先感悟一番罗马帝国的强盛。

　　罗马帝国发祥于今天意大利首都罗马，被誉为喷泉之都。这些数量可观的喷泉如今只作观赏嬉戏之用，但在罗马帝国时期，却是重要的公共用水区，普通市民可以随时享用清洁的水源。

　　如此庞大的供水从哪来？当然要就近从穿过城市的河流找起。水量丰沛的台伯河是跨越罗马城的一条重要河流，它的水资源可以满足市民基本的生活需求。

　　但罗马帝国有钱任性，为了提供更高水平的生活质量，又向外寻找大量新的淡水资源。通常选择从城市周边的山川湖泊取水，确定好水源后，通过输水管道运送到城市。

　　为了减少流水的蒸发，合理的做法是修建地下引水渠，修建原理类似中国新疆地区的坎儿井。（主要工作原理是：在干旱地区，当冰雪融水流出山口后，经竖井汇入地下暗渠输送，能有效防止水资源的蒸发和流失。）

　　当输水管道遇到低洼的河谷，水渠就需要通过抬高架空的方式顺利渡过河谷。这个时候，就轮到水道桥登场了。


　罗马输水道  | 《巨人的文明》
　　这样一来，又有了新的问题：露天的水道难免水分会蒸发。这一点也没有难倒聪明的古罗马人：他们在桥上增加了水盖，同时还可以避免尘土落入，污染水源。


法国嘉德水道桥的水盖 | Yann de Fareins
　　再任性的想法也能实现

　　从整体看，水道桥又高大又平整。在当时技术不发达的年代，如此高大的桥梁又是怎么建造的呢？

　　首先要考虑的问题，是建材。罗马时期的水道桥都采用重达几吨的石块垒砌而成，这些石块大多是花岗岩。

　　问题是，这么多的石块从哪里来呢？


意大利的地理位置 | 地理狗看世界
　　我们来看看意大利的地理位置。这里地处亚欧板块与非洲板块的交界处，由于板块挤压摩擦，地下岩浆丰富。

　　侵入地下深处的岩浆冷却凝固之后，便形成了花岗岩。由于受到地下高温高压的千锤百炼，它们的质地相当坚硬。后来随着地壳的抬升，花岗岩出露地表，最终为罗马人所用。


花岗岩的形成  | 地理狗看世界
　　师承古希腊，也能自创门派

　　有了优质的石材，还得有优秀的建造工艺。

　　通常，为了适应山泉水的高度，需要修建很长的引水城墙。如果几十公里长的路途都修建密封的城墙，耗费的石材和人力未免过多，同时密封的城墙也阻挡了河谷船只的通行。为了解决这个问题，古罗马人选择采用中空的方式来修建水道桥。

　　他们研究了从古希腊遗传下来的框架结构，发现当时的希腊人为了保持横梁的稳固，每隔一小段距离就必须设置石柱。若是两根石柱距离过远，横梁会因压力难以有效分散而发生折断。


希腊帕特农神庙 | 维基百科
　　古希腊的帕特农神庙就是典型的框架结构，现在我们看到它满眼都是柱子的原因，就是为了防止横梁折断。

　　过多的石柱占据了大量的空间，显然不适用于几十公里长度的水道桥。古罗马人不会被此难倒，他们做了颠覆性的创新——拱券。

　　简单来讲，拱券结构是一种弧形的建筑结构，相比于传统的框架结构，能更好的分散压力，加强支撑力度的同时，又节省了材料。


拱券受力与框架结构受力分析 | @陈睿婷/星球研究所
　　脚手架，隐形的功臣

　　单是发明了拱券结构还不够，想把水道桥搭建成几十米高也是个严峻的问题。好在方法总比困难多，古罗马人将木质的脚手架派上了用场。

　　先搭建好木质的拱券框架，把石头按弧形走向依次摆放在脚手架上以建造石拱桥。顶部的石头搭建完毕后，由于能够符合静力平衡，将脚手架移开也不会坍塌。


拱券搭建模拟实验过程  | TBS世界遗产
　　在建成的水道桥上，我们并没有看到脚手架的身影，但它是功不可没的，好在历史资料图记录了它的存在。

　　得益于坚硬的花岗岩建材和拱券结构的运用，如此高大的水道桥由始至终没有使用水泥灰浆等去黏合，却仍然稳若泰山。


搭建水道桥的真实过程 | TBS世界遗产
　　如此水平，水也能流

　　肉眼看到的水道桥似乎是水平的，但根据水往低处流的规律，便可推想水道桥有着轻微的倾斜。

　　几十公里长的水道桥，若是倾斜度明显，就不能保证桥面的稳固性，再者倾斜度过大，水流冲击过猛，对桥身的侵蚀性增强，也会缩短水道桥的使用寿命。

　　想保持轻微的落差，需要精密的科学计算。以法国嘉德水道桥为例，整条输水道全长约50公里，从水源处到城市只有17米的落差。整条水道的坡度被控制在3.4‰左右，相当于每隔一米的长度，它的一头只比另一头高出0.34毫米。


以嘉德桥为例的坡度计算 | 本文作者
　　要达到如此精确的坡度，就得先测量出原有地形的坡度。

　　罗马人创造了一种水准仪来计算相同距离内两地的落差，再通过距离和落差计算出每一段的坡度，其原理与现代的水准测量仪基本一致。测出了实际坡度后，就可以通过在原有地段填土或挖坑的方式改变两地落差，以达到预期的坡度。

　　能够完成这样一系列高难度的施工过程，可见当时罗马人具备高超的数学计算能力和精湛的技艺水平。而这背后的根源在于强盛的罗马帝国时期，兴盛的奴隶制让罗马公民有更多闲暇的时间关注科学教育。


古罗马时期的水准仪 | Youtube
　　有了水道桥，大量源源不断的水从四面八方汇聚到罗马城。城内兴起了数量众多的喷泉、温泉、公共浴场等完善的供水设施，市民的生活水平达到了前所未有的高度。

　　在当时的年代和社会条件下，要想实现每日沐浴，随时享用清洁水源，在其他城市只有王公贵族才有资格，在罗马城却是普通市民日常生活方式的真实写照。罗马统治者深知，关注民生、安抚民心才是国家长治久安之计。


　罗马大浴场 | @英国巴斯·罗马浴场博物馆
　　智慧无法复制，只有因地制宜的创新

　　战争侵略、奴隶剥削，听起来残酷，但从另一个角度看，古罗马人领土开辟到哪，便将他们的智慧和文化传播到哪。

　　今天我们可以在世界各地看到水道桥的遗迹。这些遗迹既有古罗马人创造的基础，又有各自衍生的智慧。

　　英国庞特基西斯特水道桥诞生于工业革命时期，使用生铁与锻铁强化弧形结构，为适应工业运输需求，成为通船的运河。


英国庞特基西斯特水道桥
　　墨西哥腾布里克神父水道桥，在干旱的沙漠地区缺乏使用木材为原料的脚手架，原住民因地制宜用土胚代替木材。地理的魅力就在于遥远的相似性，它能穿越时空见证天人合一的智慧。


　墨西哥腾布里克神父水道桥残存的土胚 

　　今时今日，各种电力泵站能够轻松地将水加压提升，大部分水道桥也已经不再使用。总有一天，这些残存的石块将消磨殆尽，就如同辉煌的罗马帝国时代已然终结。

　　而智慧，却可以生生不息。


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