水塔的工作原理图解(水塔的秘密)

Posted 2023-05-30

篇首语：少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；老而好学，如炳烛之明。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水塔的工作原理图解(水塔的秘密)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

水塔的工作原理图解(水塔的秘密)

来过广州中医药大学三元里校区的人应该都知道，这里有一个标志性建筑，我们都称呼它为“水塔”。

可是我们好像也就只是知道它叫水塔，而至于它的诞生，用途，以及它逐渐退出历史舞台的过程，对于出生在21世纪的我们来讲，似乎都成为了一个谜。

“有些事不记下来就忘了”，所以现在就让我们一起，去探寻水塔的秘密。

水塔的历史及作用

我国的水塔大部分都诞生于上世纪六七十年代，是我国劳动人民智慧与汗水的结晶，是当年我国基础建设不断进步与完善的产物与象征。

各式各样的水塔

一般的水塔都由位于顶部的水箱以及连接其与地面的支筒或支架组成。

居民区的水塔一般有两个作用，一个是蓄水，在供水量不足时能起到调节补充的作用；二则是利用由水塔自身的高度产生的重力势能使自来水具有一定的水压扬程（扬程：水泵能够扬水的高度），从而达到自流供水的目的。

在上世纪六七十年代，市政供水设施在很多周边地区都还不太完备，部分水泵的扬程虽然能够达到当时居民楼的高层，但是在一些用水高峰期还是会出现高层居民水压过小的问题。

而且那个年代，在不算太发达的地区，停水停电也是常有的事，而水塔的蓄水作用以及水的重力势能，则能保证水泵停止工作的一段时间内周边居民的正常供水。

这也就是水塔这种特殊的建筑应运而来的原因。

三元里水塔的诞生

三元里校区内就正好遗留着一座这样的水塔。

位于三元里校区内的水塔

为了弄清楚这座水塔建造的时间，我前往了三元里的各个书库，以“校史”等作为关键词搜索并翻阅了有关于建校以来历史的书籍。

但是在五年一版的正统校史里，不管是基础建设还是生活设施的栏目，都没能找到任何有关于水塔的影子。

正统的校史里鲜有提及到水塔的内容

正当我打算放弃这一条途径的时候，突然在书架的最右边，我发现了一本名为《口述校史》的书，这是一本通过对于学校老教授以及老职工的采访来回忆学校历史的书。

（关于此书的部分摘录可以点击此处跳转阅读）

当我怀着极大的憧憬打开，并把它借阅回宿舍细细翻阅之后，却发现书里所采访的老教授以及老职工对于水塔的回忆也仅止于水塔本身，并没有关于水塔的建造时间等其他更多信息。

《口述校史》中提到水塔的一处内容

虽然没有找到想要的结果，但阅读这本书的过程给我带来了很多的乐趣以及感动。

再者，它也为我提供了找到答案的另一种途径：询问。

询问谁呢？询问三元里校园里的老人，以前每次在校园里遇到散步的白发苍苍的老爷爷和老奶奶的时候，心里就会想：他们一定是有着很多故事的人。

那些时刻，就会莫名生出很强烈的想要上前与他们交流的欲望。

于是我和自己约了一天万里无云的早晨，去校园里寻找关于水塔的秘密。

刚到教工饭堂门口，就遇到了一位阿婆，我走过去向她询问水塔的历史，她一边说着：“这要问我的老伴才知道。”一边把我带到了一位坐在轮椅上的阿伯面前。

阿伯静静地晒着太阳，看着前面花园里放风筝的小孩子，精神和气色看上去都很好。

阿婆说：“这个你要问我老伴，他以前就是管这些的。”

听阿婆这么一说，本还有些多云的天气突然在一瞬间就放晴了，我赶紧跑过去蹲在阿伯身边和他交谈起来。

在我向阿伯说明了我的来意以后，阿伯便像打开了话匣子一样，和我侃侃而谈过去那段历史里的人和事。

阿伯今年马上就要满90岁了，说起话来却还是条理清晰中气十足。

阿伯是湖南人，在广州中医学院在三元里择地建校的后一年，也就是58年，便和老伴一起来到了这里工作。

阿伯当时是负责学校的一些水电工程，例如水表的安装以及维修等。

在这里待了没多久，因为担心国民党的反攻，当时的局势下考虑到如果蒋介石要派飞机来轰炸广州，那越秀山肯定会是他的目标，但是那个时候的战斗机的打击还不能做到那么精准，万一炸偏了误伤到了中医学院呢？

所以当时很多老师干部以及基层员工就纷纷前往了南雄，算是成立了一个广州中医学院的后援部，等到七几年的时候等到局势稳定了才又都回到了广州。

谈论起现在的校园，阿伯望着办公楼的方向说：“剩下的老建筑已经不剩什么啦，那栋有着阶梯教室的办公楼现在应该算得上是最老的了，后来给装修了一下，我们说是‘穿衣戴帽’（指给外墙面贴上新的瓷砖以及给顶部盖上黄瓦边）”

曾经的礼堂现已拆除

“以前礼堂算得上是第二老的建筑了，刚开始的时候是学生食堂，后来修建了原来惠民对面的那个学生食堂，这里就改成礼堂了。”阿伯继续回忆道。

“那您能给现在校园里还在的老建筑按照年龄排个序吗？”我问到。

“最老的就是办公楼了，然后就是药圃，再就是以前的十栋，就是现在药圃旁边的那栋楼，然后就是水塔，再就是教工饭堂，其他的老建筑都拆掉了。”

阿伯说水塔是八十年代初建造的，大概用了有二十来年，三元里在当时还属于广州的农村地带，学校很多楼房刚建起来，还并没有完善的市政供水系统。

于是给学校各个楼房供水的重任，就落在了这水塔之上。

后来我又和阿伯聊了很久，听他讲了很多以前有趣的故事，阿伯一边讲一边叹气到：“故事太多了根本讲不完哦。”

奶奶用微微颤抖着的手帮我们拍下了这张珍贵的照片

这一声轻轻的叹息里，不知道是对于时过境迁的感慨，还是对有些故事终将被忘记的遗憾。

三元里水塔的外观及结构

根据水塔外形结构等不同，水塔也被分为很多类，而位于三元里校园里的这一座，全称是“钢筋混凝土倒锥壳水塔”。

倒锥壳水塔具有典型特征的倒锥形水箱

这种水塔是上世纪70年代诞生的一种新型结构水塔，我国的第一座于1975年落成在长沙矿山设计院。

钢筋混凝土倒锥壳水塔简介

倒锥壳水塔与其他的水塔相比，具有结构受力合理、施工简便、作业安全、节省材料、造型美观、工程造价低等优点，并可以改善劳动条件，加快建设速度，因此得到了广泛的采用。（用小字）

正是因为它的种种优点，全国其他地区则在此之后也纷纷开始兴建。

而之所以被称为“倒锥壳型”，则是因为它同一般水塔相比，水箱和支筒都进行了部分改进。

倒锥壳水塔的水箱是由两个锥形的外壳相对而组成的，水箱容水的部分只是位于下部的倒锥体，上部的锥体内部是没有容水的。

由两个锥形的外壳相对而成的水箱

在查找关于倒锥壳水塔的过程中，网上的论文文献能给出的信息实在有些匮乏，于是我通过在孔夫子旧书网搜索“倒锥壳水塔”这几个关键字，很幸运地发现了两本由中国建筑标准设计研究院出版的图集：

两种水塔建筑图集的封面

只是现在这两本图集都不便宜，就在我横下心准备下单之前，竟然顺藤摸瓜找到了这两本图集的PDF版本，如获至宝的我一直细细研读到凌晨两点多才欣然睡去。

在网上找到的十分清晰的PDF版本

那么现在就来重点说一说三元里校区的这一座倒锥形水塔，它究竟是保温水塔还是不保温水塔呢？

基于建筑工人严格按照图纸建造的前提，将三元里的水塔分别与以上两种水塔的设计图纸细致比较以后，我推测位于三元里的应该是一座“钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔”，且水箱的倾角为45°而非30°。

细节一：通过两者的设计图的对照，可以明显看出倒锥壳不保温水塔的水箱上有明显的纵沟。

两种水塔的水箱比照图

细节二：倒锥壳保温水箱支筒窗为矩形与半圆的组合，而倒锥壳不保温水塔则为标准的圆形。

两种水塔的支筒窗比照图

确定为钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔后，还需要确定水塔具体的“身材”，支筒有多高？水箱容积有多大？这些需要实际的测量之后才能知道。

三元里水塔的测量

水塔很高，在新的学生宿舍楼建成之前，除开旁边的一附院的住院大楼，水塔就是整个三元里校区里最高的建筑。

水塔到底有多高呢？怎么测量它的高度呢？在想了很多办法以后，我最后决定用无人机自带的高度记录工具来大致测量一下水塔的高度。

大致步骤如下：

第一步，先将无人机放置于与水塔底端大致处于同一水平位置的开阔地面，并将摄像头调节至与地面保持平行，记录下此时红色方框内的高度数据H=0.0m

第二步，控制无人机使其垂直上升至与水塔顶端大致持平的位置

第三步，水平移动无人机使其靠近水塔，对其与水塔的相对位置作出细微调整，稳定后记录下此时红色方框内的高度数据H=42.0m

不考虑水塔顶端避雷针的高度，用此种方法最后得出的水塔高度大约在42m，误差在1米左右，除开高度约为50m的新学生宿舍楼，水塔就是三元里校园里最高的标志性建筑。

在得知了水塔的大致高度以后，现在就要量一量水塔支筒的直径，直径不方便直接测量，我们就测量支筒的周长，并通过圆周的计算公式来倒推出水柱的直径。

我找了一个阳光明媚的早晨，拿着找舍友借来的总长度只有1m的卷尺信心满满地出发了。

可等到我拿着它到了水塔下才发现，这玩意儿给我量腰围估计还差不多吧。

舍友的卷尺针不戳

量是肯定能量出来的，可问题就在于这么小的卷尺在测量的时候，分的次数越多，所得到的结果误差就越大，简直是吃力不讨好。

就在我一筹莫展的时候，一直在一旁“袖手旁观”钢筋小哥实在是看不下去了，大声告诉我说旁边的钢筋切割机上有一卷钢尺让我自己过去拿。

我欣喜若狂地踏过泥泞的土地，在切割机上看见了这静静躺着的钢尺，如获至宝。

看见上面写着的无比尊贵的“5.0m”了吗？

我拿着钢尺蹦蹦跳跳地跑回水塔下，因为水塔背阴的一侧紧贴着塔壁生着许多的植物与粗壮的藤蔓，加上拆迁所留下的满地的瓦片，给背阴一侧的测量增加了许多的难度。

于是我选择了测量水塔向阳面的半周，再乘以二就能得到整个水柱的周长，在这个过程中我让钢尺尽可能都从藤蔓下穿过从而能够在整个测量过程中钢尺都是紧贴塔壁的。

第一次将钢尺拉伸至极限距离但还未达到水塔的半周

于是我在470cm处用脚下的黄泥巴做上记号后，准备进行第二次的续测，但是因为第二次测量的时候，塔壁处没有藤蔓让我固定住钢尺的端头，同时要兼顾测量和拍照的我手忙脚乱地忙活了半天，却还是没能拍出一张像样的照片来。

站在一旁的小哥实在是看不下去了，便暂时放下手里的活过来帮我搭了把手，边量嘴里还边说着：“你要帮忙就喊我们就行啦！”

小哥帮忙量完了最后一段长度是110cm

又经过两次测量后，得到水塔底部半周长的平均值约为582.3cm，根据πr=C/2得到水塔底部半径r≈185.35cm。

再利用无人机的水平数据定位，用同样的方式测出水箱顶部倒锥壳的直径。

测量得到水塔水箱的直径为两者的差值

除开水泥灌注的厚度，水箱倒锥壳直径约为12m,高度约为6m，这下所有数据都齐全后，我们可以用圆台的体积计算公式算出水箱的大致容积约为317.44m³。

三元里水塔的测量数据

支筒的高度约为36m，水箱的容积约为317.44m³，考虑到我测量的误差，在钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔图集中找到了一个最符合的模板。

300m³/30m（45°）钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔图纸

在图集中可能出于稳定性的考虑，300m³水箱的水塔支筒高度并没有35m的设计图，但是这次的实际测量过程却测得支筒高度接近35m。

对于这种情况，我考虑了三个方面的可能性：

1.水塔因为建筑需要加高了5m

2.无人机测量所产生的误差

3.水塔的基底部分位于地面的部分较高

三元里水塔的热门问题揭秘

确定了位于三元里校区的水塔的最终类型为“300m³/30m（45°）钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔”之后，让我们跟着设计图纸来看一看关于它的其他热门问题。

1.水塔有门吗？

其实三元里的水塔是有门的，只不过因为水塔常年不使用，不用定期检修，为了安全起见，就把位于水塔底部的门用水泥给封死了。

三元里水塔被封印的大门如今已荆棘丛生

2.三元里水塔上的植物是什么？

三元里的水塔之所以与众不同，一个很重要的原因就是塔壁几乎全部被植物所覆盖，一年四季里整座水塔都会呈现出不同的颜色。

攀附在水塔上的植物

寻找这种植物的名称的过程也是让我大伤脑筋，大家可能都知道是爬山虎，确实是这样，但爬山虎是人们对于能够攀爬岩石树木的藤蔓植物的俗称。

那这种植物的学名到底是什么呢？我起初用形色识别的结果是三叶地锦，但是三叶地锦的三小叶底部是连在一起的，而水塔上植物的三小叶却是完全分开的。

三叶地锦（左）与水塔上的地锦（右）

我甚至去某宝求助了好几个卖爬山虎的客服，他们都坚决地一口咬定这就是三叶爬山虎，甚至不惜违背植物的自然生长规律。

“什么是三叶地锦？”

好家伙，我寻思这年头没点豪情与魄力还真干不了某宝客服。

于是我只能把最后的希望寄托于PPBC（中国植物图像库），在其中我找到了一种和水塔上的地锦十分相似的植物：葡萄科地锦属的异叶地锦。

这种地锦叶如其名，有两种不同的叶，其中营养枝上为心形的单叶，而其他则是和三元里水塔的叶形一样，这是一种还未被完全开发的观赏性地锦。

于是我又带着无人机去水塔寻找这心形的单叶，功夫不负有心人，最终我在水塔高处绿叶丛中发现了藏起来的它们。

PPBC里的异叶地锦的小叶（左）与水塔上地锦的小叶（右）

到此为止可以断定，水塔上生长着的植物是葡萄科地锦属的异叶地锦。

3.水塔内部有楼梯吗？能上去吗？

水塔内部是有楼梯的，但因为拘泥于支筒的直径，里面并不是我们经常在电影里看见的砖式旋转楼梯，而是紧贴于支筒内壁竖直向上的钢梯。

左图为钢梯效果图右图为钢梯施工示意图

根据钢梯施工图来看，在钢梯外还绕有一圈半圆形的护笼，以保证施工队员的人身安全。

这些钢梯的设计与建造是为了方便工人施工，例如水管内壁管道的安装等，而位于每一条钢梯的顶部的人井平台，也是起到供施工队员休息与方便施工的作用。

4.水塔里面到底是什么样子的？

其实根据设计图来看，水塔内部的样子应该也就一目了然，但是人免不了有好奇心，不亲眼见到水塔里面的样子怎么行呢？江湖上流传的那些诡秘传说到底是真的吗？

但是水塔的门被水泥封死了，而且第一个窗户的高度就接近七八米，外面又长满了地锦，再加上没有足够的光线，实在是很难看清水塔内部的样子。

不过为了满足大家以及我自己的好奇心，我还是绞尽脑汁想了一个办法：

给无人机绑上强光手电

经过一番无人机螺旋桨切割着树叶的极限飞行，我最终还是拍到了几张水塔内部的照片。

这张照片能明显看到水塔内部的水管以及生锈的钢梯

这一张则能看到位于每一层的人井平台

一番飞行之后，我紧张地满头大汗，无人机也带着一股青草汁的味道和满身的地锦碎叶向我奔来。

照片里能看到一个大大的“妍”字，说不定是当年哪位施工队员思念自己爱人的时候所写下的呢。

5.塔顶的结构是什么样的？

塔顶及水箱的设计图

从上面的设计图中我们可以了解到水箱的具体构造，也印证了之前的那句话：“水箱容水的部分只是位于下部的倒锥体。”

三元里水塔的侧位俯视图

水箱的上部虽然也是锥形，但是由于建造需要以及水箱的稳定性等复杂因素，水塔上部的锥体并不执行容水的功能。

水塔顶部的那一圈铁栏杆，是为了保障施工人员的安全，这个时候可能有小伙伴就有疑问了：“栏杆设置在水箱顶部，难道说水箱的最上面可以上去观光？不然这个栏杆有啥用？”

三元里水塔俯视图

很遗憾，水塔不能观光，但是栏杆有用。因为栏杆并不是在最后安装上去的，而是在建造水箱的时候就已经安装完成了。

因为水箱并不是在支筒顶端建造的，它是围绕支筒底部筑造完成后再提升至支筒顶部并固定的，而围栏就在施工时为工人提供了防护。

下面就让我们一起来看看三元里水塔的完整建造过程。

三元里水塔的建造

一般来说，倒锥壳水塔的建造顺序一般是先造基底，后建支筒，再围绕支筒底部筑造水箱，最后把水箱提升至支筒底部并固定。

1.基底的建造

水塔基底的立面与剖面图

通过上面的示意图能看出，水塔的基底并不是一个规则圆柱体，而是一个圆台，且绝大部分埋藏在地下，以维持整个水塔的稳定。

2.支筒的建造

通过名字我们就可以知道，倒锥壳水塔的支筒是由钢筋和混凝土筑造而成的，那这样标致的圆柱形是怎样建造的呢？

支筒是采用楔块式或卡珠式千斤顶通过承力杆传递内外模板等重量并进行滑模施工的。

这句话看上去很难理解，我们来看看示意图也许就能明白了：

滑模工艺示意图（左）与滑模现场施工图（右）

简单来说这个过程就像往一个双层的圆柱形玻璃保温杯中间的部分灌水泥，然后等水泥凝固之后再把外面的玻璃敲碎。

但是问题是无法树立起这么高的模板，也就无法通过一次性的水泥浇灌完工。于是就采用较小的模板边浇灌边提升。

等到最下方的混凝土凝固之后，再将内外的模板上移并继续灌注，直到支筒达到预设的高度后，再将模板拆下并通过绳索吊下。

整个过程相当于模板在不断地向上滑动，这也就是为什么称之为“滑模”的原因。

在这个过程中，十分值得敬佩的一点是，滑模施工需要连续进行不得停歇，以建造一个35m高的支筒为例，正常滑升状态下每次滑升的高度只能在30cm左右，而等到过了约30min的水泥凝固时间后才能继续滑升。

加上接近2个小时的底部浇筑与起滑过程，整个过程算下来，仅仅是在滑模浇筑上的就需要连续工作接近60个小时。

3.水箱的建造

水箱是围绕着建设完工后的基底部进行建造的，在地面完成水箱的支模与浇筑后再将其提升至支筒顶端并固定，最后再进行封顶。

水箱支模剖面图

4.水箱的提升

提升水箱的方法有很多，例如千斤顶提升法、提升机提升法、卷扬机提升法等。

倒锥壳水塔的提升方案与施工现场

那三元里水塔的水箱是通过什么样的方法提升的呢？

在我之前询问的阿伯的回忆里，当时由于设备不完善的原因，并没有办法实现多个千斤顶的串联，但对于当时是否有搭建井架却也记不太清了。

而后我问的一个阿伯又说在他的印象里水箱当时是吊上去的，所以目前关于三元里水塔水箱的具体提升方案，现在也没有办法得出一个确切的结论。

水塔的谢幕

二十一世纪初，随着社会的飞速发展，全国各地的高楼如雨后春笋般拔地而起，很快就远远超过了水塔的高度，需要通过二次供水技术对高层楼房进行供水。

而水塔则因为水质易受到污染，高度限制等原因逐渐退出了历史的舞台。

和我同龄的小伙伴的记忆里，有很多都存在着水塔这一特殊的建筑，他们也都能清楚地记得水塔拆除倒下时所发出的巨大声响。

水塔倒塌的瞬间

那是旧世纪结束的钟声，也是新世纪开启的烟花。

在三元里也快两年了，每天早晨醒来，中午放学，晚上起夜，都能看见水塔静静地伫立在那里，去年的时候，陪伴着水塔的泵房也拆掉了，就只剩它自己，一年四季，始终如一。

它见证了一代又一代中医学生的成长，也目睹了周围一座又一座楼房的倒塌又重建，塔壁的地锦绿了黄了落了又绿，路上的行人来了走了又来。

“有些还没讲出来的故事，可不能就让它这样被遗忘了。”

也正是这样的想法，支撑着我在好多个夜晚里和我一窍不通的土木工程死磕到底，让我能一次又一次不厌其烦地去测量它的身材，去询问它的故事。

如果文章里有不够准确或者完善的部分，希望大家能够补充和谅解。

“我特别喜欢在水塔下仰望着它，喜欢看风一吹就动的碧绿的叶子。我想象着当初它还未完工时的样子，想象着这片曾经还没有高楼大厦的土地。入夜以后，闪着信号灯的飞机从它的头顶掠过，背着书包的孩子从它的身旁经过。我们也许忘记了当初它因为什么而存在，但我们现在正在注视着它的老去。如果有一天你再次回到了这里，如果它还存在着，记得轻轻打一个招呼：‘原来你还在这里。’”

这是我们的独家记忆。