Thảo luận về văn minh 5000 năm Trung Hoa: Cầu Triệu Châu (Phần 1)

Tác giả: Phất Hiểu

[ChanhKien.org]

Phi lương khí thế hoành,

Bích thủy ảnh đỉnh khung;

Đăng kiều đạp thản lộ,

Tạo hóa nhất kì công!

Diễn nghĩa:

Vòm cầu bay lên không trung với khí thế lớn,

Làn nước trong xanh phản chiếu mái vòm;

Lên cầu bước trên con đường bằng phẳng,

Thật là một kỳ công của tạo hóa!

Tạm dịch:

Cao vút cầu sừng sững

Nước biếc in đỉnh trời

Trên cầu đường rộng rãi

Tạo hóa một kỳ công

Cầu Triệu Châu, nguyên trước đây gọi là cầu An Tế, có lịch sử lâu đời, nổi tiếng khắp gần xa. Cầu tọa lạc trên sông Hào (âm đọc 淆 xiáo) cách thị trấn Thành Nam, huyện Triệu, tỉnh Hà Bắc khoảng 2,5 km, là một cây cầu vòm xây bằng đá, người dân địa phương gọi là Đại Thạch Kiều, do nghệ nhân Lý Xuân của triều đại nhà Tùy thiết kế và xây dựng, được hoàn thành vào khoảng năm Kiến Nghiệp thứ sáu (năm 605), đến ngày nay, cây cầu này đã có hơn 1400 năm lịch sử, là cây cầu vòm đá lâu đời nhất trên thế giới vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.

Về nghệ nhân Lý Xuân, chỉ biết rằng ông là người huyện Lâm Thành, thị trấn Hình Đài, tỉnh Hà Bắc, ngoài ra không thấy có ghi chép nào về cuộc đời của ông trong sử sách.

Tại sao cầu Triệu Châu lại nổi tiếng như vậy? Chỗ huyền diệu bí ẩn của nó ở đâu? Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về nó.

Cầu Triệu Châu là cây cầu vòm đá nhịp đơn có khẩu độ lớn, mặt cầu gần như có mức ngang bằng với mặt đường, khá rộng (đạt 9 mét), được xây bằng một loại đá sa thạch xanh xám tại địa phương. Mặt cầu dài hơn 50 mét, độ dài của vòm cầu hơn 37 mét, qua đây ta có thể thấy Hào Thủy là một dòng sông khá rộng. Cầu Triệu Châu thật sự rất đẹp, cũng rất khí thế, cây cầu như một dải cầu vồng vắt qua hai bờ sông Hào Thủy.

Tuy nhiên, dù sao thì đây cũng chỉ là cảm quan, điều tuyệt diệu hơn có lẽ chính ở ý tưởng tài tình, thiết kế thần kỳ và kỹ thuật xây dựng độc đáo của cây cầu này.

1. Thiết kế vòm cuốn một nhịp khẩu độ lớn (vòm vòng cung)

Giả sử thiết kế một cây cầu nhịp đơn “vòm bán nguyệt”, với khẩu độ nhịp lớn như vậy ắt phải làm mặt cầu cao như ngọn núi nhỏ, thêm vào đó khi độ dài vòm cung lớn hơn sẽ làm tốn nhiều lượng đá xây cầu hơn, trọng lượng câu khi này cũng tăng lên, những khối đá bên dưới sẽ phải chịu áp lực lớn hơn, cuối cùng tăng độ nguy hiểm; tính nguy hiểm trong thi công lớn, hơn nữa vì vòm xây cao nên tính ổn định của cầu trở nên cực kém. Người đi qua cầu sẽ gặp khó khăn hệt như leo núi vậy, vì vậy để khắc phục việc xây cầu cao người ta chỉ có thể thiết kế thêm nhiều những nhịp vòm hình bán nguyệt nhỏ. Tuy nhiên nếu thiết kế thêm nhiều nhịp bán nguyệt cũng sẽ làm hao phí lượng lớn vật liệu đá, độ khó trong thi công cũng lớn, mà lại còn làm giảm đáng kể lưu lượng dòng chảy (do phải đặt trụ đá ở lòng sông), thuyền lớn không cách nào đi qua; việc đặt trụ đá còn tăng lực cản dòng nước, sức nước tác động vào trụ cầu theo hướng ngang từ đó tăng lên, làm tăng nguy cơ bị nước lũ phá hủy (Điều này làm tôi nhớ đến chính sách trị thủy với tư duy bại não của Trung Cộng là “Nghiêm phòng tử thủ” (canh phòng nghiêm ngặt và tử thủ), “Dĩ thủy vi địch” (coi nước lũ như kẻ thù), “triệt giang đoạn lưu” (ngăn sông cắt đứt dòng chảy)).

“Vòm cuốn một nhịp khẩu độ lớn” mà Lý Xuân thiết kế có các ưu điểm như: giúp giảm đáng kể chiều cao vòm so với vòm bán nguyệt, khiến cho mặt cầu gần như ngang bằng với mặt đường ở hai bên bờ sông, độ dài vòm cuốn nhờ vậy được rút ngắn, lượng đá giảm, trọng lượng trở nên nhẹ hơn, áp lực lên các khối đá cũng giảm, tính ổn định cao. Với một nhịp cầu đơn khẩu độ lớn như vậy, mặt dưới vòm cầu hoàn toàn thông thoáng, khiến cho dòng nước lưu thông không bị cản trở, thuyền lớn cũng có thể đi qua.

Nói đến lợi ích của việc “giảm độ cao cho vòm”, tôi muốn dẫn đến một tham số “tỉ lệ phẳng E” (thực tế thì cổ nhân không có cách nói như thế này, mà là một kiểu tư duy còn kỳ diệu hơn). Tỉ lệ phẳng E được tính bằng cách lấy chiều cao H của vòm chia cho một nửa chiều dài của nhịp cầu 0,5L. Giá trị thu được từ phép tính này sẽ nằm trong khoảng từ 0 – 1, thông thường giá trị này càng nhỏ thì cấu trúc cầu vòm càng tốt, như vậy chiều cao vòm cầu sẽ thấp, chiều dài cầu cũng sẽ ngắn, tiết kiệm vật liệu, trọng lượng nhẹ, áp lực nhỏ, nhưng giá trị này nếu bằng 0 thì lại không được, sẽ không phải là vòm nữa. Tuy nhiên nếu giá trị này thấp quá thì e rằng cũng không tốt, những khối đá có thể dễ bị rớt xuống, nên cần phải tính toán sao cho giá trị này ở điểm tối ưu. Cá nhân tôi cho rằng, về mặt tiếp xúc của các khối đá làm cấu trúc mái vòm phải thật chặt, lực ép trên dưới nên được chia đều, để tránh trường hợp đáng tiếc xảy ra. Độ cao của mái vòm cầu An Tế là H = 7,23m, chiều dài nhịp cầu chính là L=37,47m (có nơi nói là 37,04m), tỉ lệ phẳng E = 0,38. Tôi phát hiện, điểm giá trị 0,38 này, lại hầu như chính là phần bù của 0,618 trong khoảng từ 0 đến 1, tức là khoảng cách giữa đỉnh vòm bán nguyệt đến “vòm vòng cung” là 0,618! Đây chính là “điểm vàng”! Làm sao lại vừa khéo như vậy?

Theo tài liệu thống kê của Bách khoa thư (Wikipedia), thì tỉ lệ phẳng của cầu An Tế là xếp số một trong ngành cầu toàn thế giới. Rốt cuộc thì nghệ nhân Lý Xuân làm sao có thể nghĩ ra được thiết kế của cây cầu vòm cao này, đến nay vẫn không có cách nào biết được.

Thật ra khái niệm về tỉ lệ phẳng được định nghĩa như trên là chưa thỏa đáng. Theo ý nghĩa của vật lý học mà giảng thì lẽ ra trị số càng lớn thì phải càng phẳng, nhưng nó đang là ngược lại. Tôi định nghĩa nó thành: E = (0,5L – H)/0,5L. Như vậy, khi chiều cao vòm H bằng bán kính của vòm bán nguyệt 0,5L, thì sẽ không có độ phẳng (lúc này cầu là dạng hình bán nguyệt), tỉ lệ phẳng sẽ là 0; khi chiều cao vòm H giảm, trị số (0,5L – H) sẽ dần dần tăng thêm, tỉ lệ phẳng sẽ tăng (sẽ càng phẳng hơn), hợp với logic, như vậy mới phù hợp với thực tế. Theo cách tính này, tỉ lệ phẳng của cầu An Tế E = 0,614 (cực kỳ gần với điểm vàng là 0,618). Tỉ lệ phẳng có giá trị lớn nhất là 1, lúc này độ cao của vòm sẽ bằng 0, tức là không còn cấu trúc mái vòm nữa, sẽ ngang với mặt nước. Cả hai loại định nghĩa đều không ảnh hưởng đến thực chất của vấn đề.

Khẩu độ nhịp của cung vòm – dầm Cầu An Tế dài, có độ dày của vòm là 1,32m, con số này so với độ dài cung vòm khoảng 43m thì thật sự quá mỏng.

2. Vai thoáng “mố vòm trống”

Hai bên vai cầu (gọi là mố cầu) có những vòm thoáng, những vị trí đó thông thường được xây kín bằng đá, nhưng cầu An Tế lại không xây kín mố cầu, mà làm thêm những vòm cuốn nhỏ cho phép lợi dụng không gian. Mỗi bên mố cầu làm thêm một vòm lớn và một vòm nhỏ, tổng có bốn vòm, gọi là “vai thoáng mố vòm trống”, giúp tiết kiệm vật liệu đá, giảm bớt trọng lượng của cầu. Ước tính lượng đá tiết kiệm được lên đến 180 khối, trọng lượng cầu giảm nhẹ được từ 500 – 700 tấn. Cầu nặng có vẻ như ổn định, nhưng thời gian lâu dễ dẫn đến sụt lún, ngoài ra việc lực ép lên vật liệu đá tăng nên dễ bị hư hỏng, hơn nữa “xây mố kín” thì sức nước khi lũ lụt đẩy vào mặt hông cầu sẽ lớn hơn. Vào mùa lũ khi mực nước lũ dâng cao, bốn cái vòm này có thể cho dòng nước qua, làm giảm lực đẩy của nước tác động lên thân cầu, giảm khả năng nước lũ tràn lên bờ, nhờ đó tăng hệ số an toàn của cầu An Tế, nhất cử đa đắc (làm một việc mà được nhiều lợi ích)!

Có người nói loại cầu có kết cấu “mố vòm trống” này, ở nước ngoài như tại Châu Âu đến thế kỷ 14 mới xuất hiện, đó là cây cầu Céret Devil trên sông Teches nước Pháp, được xây sau cầu An Tế hơn 700 năm, nhưng đã bị phá hủy từ lâu.

Từ mặt cắt ngang mà nhìn (theo hướng trục của dòng sông), cầu An Tế có diện tích không lớn, trên dưới vô cùng hẹp, ngoại trừ phần diện tích lớn chiếm bởi mặt sườn của đường đi và lan can cầu ra, chỉ có một thanh dầm hình cong rất hẹp. Với thiết kế như vậy, cho dù mực nước lũ có dâng cao, cũng có thể giảm thiểu tối đa lực cản lên dòng nước, giảm thiểu tối đa sức nước lũ đánh vào hông cầu.

Tuy chiều cao vòm cầu An Tế không cao, nhưng bởi vì khẩu độ nhịp lớn nên ở giữa vẫn đủ cao, vì thế thuyền lớn đi qua không gặp vấn đề gì.

Tôi cho rằng tính ổn định của những cây cầu xây bằng đá không phải do trọng lượng vô cùng lớn của nó, mà là vì kết cấu “phẳng” của diện tích mặt bên, kết cấu hình vòm, độ cao vòm nhỏ và kỹ thuật xây dựng khéo léo. Chúng ta sẽ cùng phân tích phía dưới đây.

“Kết cấu vòm” khiến cho dưới tác dụng của trọng lực, lực giữa các viên đá sẽ được truyền tải đến hai đầu móng của cầu, giữa các khối đá sẽ phát sinh “lực nén” chứ không phải lực kéo, mà đá lại chịu lực nén khá tốt, đây là đặc tính cơ học của đá. Điều này cũng chính là nguyên nhân vì sao phần đỉnh của những khoang ngầm xây dưới lòng đất (đường hầm, đường hầm lò) thường được xây với cấu trúc mái vòm.

3. Hai mươi tám đường vòm cuốn hẹp xếp song song

Cầu An Tế, chân vòm rộng 9.6m, đỉnh vòm rộng 9m, làn giữa dành cho ngựa và xe qua lại, hai làn hai bên dành cho người đi bộ, đây là cây cầu tương đối rộng rãi. Để xây dựng được một cây cầu rộng như vậy quả thực cần khá nhiều đá. Trong phương pháp xây dựng thông thường, từng viên (viên đá) sẽ được xếp so le theo hàng ngang trên dưới, nhằm đạt được tác dụng vững chắc tổng thể, có thể gọi tên là “kiểu liên kết dọc”. Nhưng cấu trúc vòm của cầu An Tế lại không sử dụng phương pháp này, mà sử dụng cấu trúc “kiểu song song”, tức là 28 đường vòm cuốn hẹp được sắp xếp song song khít nhau, mỗi đường rộng khoảng 350mm.

Tại sao phải dùng kết cấu tổ hợp nhiều đường vòm cuốn hẹp song song như vậy? Bản thân tôi cho rằng, bởi vì đây là kết cấu cầu vòm một tầng (trên mặt cầu có rải một lớp đá bảo vệ vòm cầu), “kiểu liên kết dọc” trong xây cầu gần như không có ý nghĩa gì lớn, mà ngược lại rất khó thi công, sửa chữa cũng khó khăn. Nhưng “kiểu song song” thì lại dễ dàng hơn nhiều, khối đá nào bị hỏng, thay đi cũng dễ dàng. Với kiểu xếp liên kết dọc thành một khối hợp nhất, bề ngoài có vẻ như kiên cố nhưng độ giòn lớn, nếu gặp chấn động mạnh (như động đất) có khả năng dễ bị tổn hại.

Khung xương của cầu An Tế – dầm vòm, được xây bằng những viên đá sa thạch, ghép hết sức khít vào nhau, không dùng bất cứ loại vật liệu kết dính nào như vữa, cách xây này gọi là “xây khô”, vô cùng ngăn nắp sạch sẽ, không giống như những cách xây tường xây nhà thông thường. Tính ổn định và tính kiên cố của nó chỉ dựa vào đặc tính cơ học của kết cấu hình vòm, dựa vào lực nén giữa các viên đá với nhau để duy trì sự cân bằng, nếu gặp phải nhiễu động tạo nên lực kéo ngoài ý muốn, thì có thể khiến cho giữa các viên đá xuất hiện khuynh hướng tách rời ra. Giữa các vòm kết nối hướng ngang cũng không có vữa kết dính.

Để loại bỏ những nguy hiểm tiềm ẩn của khả năng tách rời của 28 đường vòm hẹp song song, thiết kế của Lý Xuân đã sử dụng các biện pháp như sau:

Hai đầu vòm hơi rộng ra, thu hẹp dần về phía trung tâm vòm, tính ra trung tâm hẹp hơn hai đầu 0,5m. Điều này giúp cho mái vòm dưới tác dụng của trọng lực có phân lực (lực hướng tâm) nghiêng về phía trong, thúc đẩy các đường vòm ở giữa áp sát vào nhau hơn! Đúng là một ý tưởng hay! Về hình trạng thì giống như vòng eo của con kiến “đại lực sĩ”, vòng eo của con người cũng là hình dáng thu nhỏ lại như thế. Có lẽ hình dáng này thường sinh ra các đặc điểm cơ học như vậy.

Dọc theo nhịp cầu cứ cách một đoạn cự ly ngắn được bố trí một thanh giằng thép, tổng cộng năm thanh, xuyên theo hàng ngang 28 đường vòm cuốn, hai đầu thanh giằng có khóa hình bán nguyệt lộ ra bên ngoài khối đá, kẹp chặt 28 đường vòm cuốn cố định giống như được cột chặt vào nhau. Trong các đường ngầm của hầm mỏ, có một kỹ thuật hỗ trợ đóng thanh neo tại đỉnh và bên hông và thêm phun bê tông, cũng là nguyên lý như vậy.

Dầm vòm được ghép thành bằng những viên đá lớn, độ dày khoảng 1 mét, phía trên mặt được phủ một lớp đá mỏng (dựa theo vòm), cũng có thể gọi là “đá bảo vệ vòm”, độ dày khoảng 0,3m, được xếp so le với hàng phía dưới. Hai lớp hợp lại thành độ dày của vòm dầm là 1,32m. Ở hai lớp đá bảo vệ vòm hẹp ngoài cùng, có sáu viên “đá móc” bố trí cách xa nhau, móc vào các khối đá của vòm chính để chúng “không thể tách rời”. (Xem hình dưới)

Để loại bỏ nguy cơ tiềm ẩn tách rời ra theo hướng dọc của đường vòm:

Hai mặt ngoài cùng của vòm lớn, giữa các viên đá liền kề được sử dụng hai bộ “chốt eo sắt” để liên kết ở bên ngoài (kiểu nối đinh tán). Còn ở bên trong các đường vòm, thì tại phía lưng vòm cuốn giữa hai viên đá liền kề được tán bằng chốt eo sắt, liên kết lại với nhau. Như vậy có thể tăng cường tính tổng thể của vòm và cường độ chịu lực, đặc biệt là gia tăng khả năng lực kéo của vòm, vì tính kháng lực kéo của vật liệu thép rất ưu việt, để dự phòng những tình huống bất ngờ khiến vòm chịu lực kéo. Ở giữa đường vòm nhỏ cạnh nhau, bên hông mỗi viên đá xây vòm đều được khắc hoa văn tinh tế, để tăng hệ số ma sát giữa các đường vòm với nhau (mặt hông) (dường như rất nhỏ).

Những biện pháp này làm dầm cầu liên kết thành một khối, tăng cường lực cho dầm, tăng tính ổn định và an toàn cho dầm.

Theo tư liệu, cầu An Tế (cầu Triệu Châu) trải qua 10 lần lũ lụt, tám trận chiến loạn và rất nhiều trận động đất, bao gồm trận động đất mạnh 7,2 độ richter vào năm 1966 ở Hình Đài, trận động đất này cách cầu Triệu Châu chỉ 40km, mà không hề bị sập.

(Còn tiếp)

Dịch từ: https://big5.zhengjian.org/node/281447