Bí ẩn của cây cầu hơn ngàn tuổi Triệu Châu

Cầu Triệu Châu do nghệ nhân Lý Xuân thời nhà Tùy thiết kế và xây dựng, hoàn thành vào khoảng năm 605 sau Công Nguyên, có lịch sử hơn 1.400 năm, và là cây cầu vòm đá lâu đời nhất còn sót lại trên thế giới.

Phi lương khí thế hoành, bích thủy ánh đính khung. 
Đăng kiều đạp thản lộ, tạo hóa nhất kỳ công.

Cầu Triệu Châu, trước đây gọi là cầu An Tế, có lịch sử lâu đời, nổi tiếng gần xa. Nó nằm trên sông Hào, khoảng 5 dặm về phía nam của huyện Triệu, tỉnh Hà Bắc. Nó là một cây cầu vòm bằng đá, thường được người dân địa phương gọi là Đại Thạch Kiều, do nghệ nhân Lý Xuân thời nhà Tùy thiết kế và xây dựng. Nó được hoàn thành vào năm 605, có lịch sử hơn 1.400 năm, là cây cầu vòm đá lâu đời nhất còn tồn tại trên thế giới cho đến nay.

Về nghệ nhân Lý Xuân, người ta chỉ biết rằng ông là người Lâm Thành, Hình Đài, tỉnh Hà Bắc, nhưng không có tài liệu lịch sử nào ghi chép về cuộc đời của ông.

Cầu Triệu Châu vì sao mà nổi tiếng như vậy? Đâu là bí ẩn?

Cầu Triệu Châu là một cây cầu vòm đá nhịp dài một vòm, mặt cầu gần như ngang với đường chân trời, rộng (đến 9 mét) và được xây dựng bằng đá sa thạch màu xanh xám ở địa phương. Mặt cầu dài hơn 50 mét, nhịp vòm cầu hơn 37 mét, có thể thấy sông Hào là một con sông khá rộng. Cầu Triệu Châu thật mỹ lệ và khí thế, trông giống như cầu vồng dài bay qua lưỡng ngạn sông Hào.

Tuy nhiên, đây chỉ là cảm quan thị giác, điều tuyệt vời hơn nữa có lẽ là ý tưởng tài tình, thiết kế thần kỳ và kỹ thuật xây dựng độc đáo của cây cầu này.

1. Vòm cung nhịp lớn đơn lỗ

Giả thiết là cầu “vòm bán nguyệt” đơn lỗ, thì với nhịp lớn như vậy, nó tất yếu sẽ khiến mặt cầu cao như ngọn núi nhỏ, nếu tăng chiều dài cung vòm sẽ tiêu tốn một lượng đá rất lớn, trọng lượng sẽ tăng lên, áp lực lên những viên đá bên dưới cũng sẽ tăng lên, nguy hiểm càng tăng; nếu vòm quá cao, độ ổn định sẽ cực kỳ kém, rủi ro thi công sẽ rất lớn. Người qua cầu sẽ khó như leo núi vậy, nên chỉ có thể thiết kế vòm bán nguyệt nhiều lỗ. Vòm bán nguyệt nhiều lỗ cũng đồng dạng phải tiêu tốn nhiều vật liệu đá hơn, độ khó thi công cũng lớn, diện tích hữu hiệu mặt cắt ngang sông cũng giảm đi rất nhiều, thuyền lớn không cách nào qua, cộng thêm khả năng bị lũ phá hủy. 

Thiết kế của Lý Xuân là “Vòm vòng cung nhịp lớn đơn lỗ”, so với vòm hình bán nguyệt, chiều cao vòm đã giảm đáng kể, làm cho mặt cầu gần hơn với độ cao của mặt đất ở hai bên bờ, nguyên liệu đá giảm, trọng lượng giảm, do đó áp lực lên đá khối giảm, độ ổn định cao. Trong tình huống lỗ đơn nhịp lớn toàn trường, mặt dưới của vòm cầu hoàn toàn bằng phẳng, cho phép nước sông chảy qua không bị cản trở, tàu lớn cũng có thể đi qua.

Nói về lợi ích của việc “giảm thấp chiều cao của vòm”, tôi xin giới thiệu một tham số gọi là “tỷ suất độ phẳng E” (thực ra cổ nhân không làm cách này mà là dùng phương pháp tư duy vi diệu hơn), đó là tỷ số giữa chiều cao vòm H với nửa nhịp 0,5L. Giá trị của nó thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Nói chung, giá trị càng nhỏ càng tốt cho cầu vòm, nghĩa là mặt cầu thấp, chiều dài cầu ngắn, tiết kiệm vật liệu, trọng lượng nhẹ, áp suất thấp, nhưng bằng 0 thì không được, đó không phải là cầu vòm. Tuy nhiên, quá thấp chưa chắc đã tốt, e là đá sẽ rơi xuống, cần có một điểm tối ưu. Cá nhân tôi cho rằng, bề mặt liên kết chặt chẽ với các phiến đá tạo nên cấu trúc vòm cầu, “ứng lực” trên dưới nên đồng đều, đề phòng bất trắc. Chiều cao vòm của cầu An Tế  là H=7,23 mét, nhịp là L=37,47 mét (có thuyết là 37,04 mét) và tỉ suất độ phẳng E=0,38. Tôi phát hiện, điểm 0,38 gần như chính xác là điểm 0,618 nằm giữa 1 và 0, tức là điểm 0,618 giữa vòm hình bán nguyệt và “vòm không” (phẳng)! Đây chính là “điểm tỷ lệ vàng”! Làm sao lại trùng hợp như vậy?

Tỷ suất độ phẳng của cầu An Tế là một trong những cây cầu tốt nhất trên thế giới. Làm thế nào mà Lý Xuân đã tìm ra chiều cao vòm lý tưởng đó, thì chúng tôi không biết.

Trên thực tế, việc định nghĩa tỷ suất độ phẳng theo cách này về khái niệm là không thỏa đáng. Theo nghĩa vật lý, giá trị càng lớn thì càng phẳng, nhưng nó là ngược lại. Tôi định nghĩa nó là: E= (0,5L-H)/0,5L. Bằng cách này, khi chiều cao vòm H bằng bán kính vòm hình bán nguyệt là 0,5L, thì tỷ suất phẳng bằng không. Theo sự giảm thiểu của độ cao H của vòm cung, giá trị (0,5L-H) tăng dần, tỷ suất độ phẳng tăng (càng tăng càng phẳng hơn), hợp logic. Cách tính toán này, tỷ suất độ phẳng của cầu An Tế là 0,614 (cực kỳ tiếp cận với điểm tỷ lệ vàng 0,618). Tỷ suất độ phẳng lớn nhất là 1, lúc đó độ cao cung bằng 0, không còn là cung, nó là đường thẳng. Chẳng qua hai loại định nghĩa không ảnh hưởng tới thực chất của vấn đề.

Vòm cung nhịp lớn — khoán vòm cầu An Tế có độ dày vòm là 1,32 mét, đơn giản là quá mỏng nếu xét về chiều dài tổng thể khoảng 43 mét!

2. Vai rộng “không tràng khoán”

Hai vai của lỗ cầu (khoán) được gọi là “tràng”, thường được xây bằng vật liệu đá, tuy nhiên, cầu An Tế không lấp đầy tràng, mà cũng làm những lỗ khoán nhỏ, tận dụng tối đa không gian. Không gian của mỗi tràng tựa làm bốn khoán cộng một to một nhỏ, cái này gọi là “vai rộng không tràng khoán”, không chỉ tiết kiệm nguyên liệu đá mà còn giảm trọng lượng cầu. Thiết kế này ước tính có thể tiết kiệm được 180 mét khối đá, giúp trọng lượng của cây cầu giảm khoảng 500 đến 700 tấn. Diện mạo của cầu tưởng như ổn định, nhưng theo thời gian dễ sụt lún, ứng lực tác dụng lên đá tăng lên, nên dễ hư tổn, huống chi là dưới lực xung kích còn lớn hơn của lũ lụt hay động đất. Khi mực nước dâng cao trong thời kỳ lũ lụt, bốn lỗ cầu nhỏ có thể cho phép nước lũ đi qua, giảm tác động của lũ lên thân cầu, giảm khả năng lũ tràn vào bờ, nâng cao hệ số an toàn của cầu An Tế.

Người ta nói rằng loại cầu “không tràng khoán” này đã xuất hiện ở nước ngoài vào thế kỷ 14 ở Châu Âu, đó là cầu Céret trên sông Tech ở Pháp, muộn hơn cầu An Tế hơn 700 năm, và đã bị hủy hoại từ lâu.

Nhìn từ bên cạnh (hướng trục của sông), cầu An Tế không có diện tích lớn, trên dưới rất hẹp, ngoại trừ diện tích mặt bên bị đường và lan can chiếm giữ, nó chỉ là một cây cầu vòm thanh mảnh. Thiết kế như vậy thì dù lũ có đạt mực nước cao, cũng có thể giảm thiểu trở lực đối với lũ, giảm thiểu năng lượng xung kích của lũ.

Vòm của cầu An Tế tuy không cao, nhưng nhịp cầu ở trung tâm lại đủ cao, nên tàu lớn đi qua cũng không có vấn đề gì.

Về tính ổn định của cây cầu đá, tôi không nghĩ nó nằm ở trọng lượng cầu, mà nằm ở diện tích hướng bên bẹt, kết cấu vòm, chiều cao vòm nhỏ và công nghệ xây dựng xảo diệu.

“Kết cấu vòm” cho phép lực được truyền giữa các viên đá đến móng ở cả hai đầu cầu dưới tác dụng của trọng lực. Giữa các viên đá tồn tại “lực ép” chứ không phải lực kéo, và đá là thứ chịu lực ép giỏi nhất, đây là đặc tính lực học. Đó là lý do tại sao phần trên cùng của khoang bên dưới (đường hầm, hạng đạo) thường có hình vòm.

3. 28 tấm khoán hẹp đa lỗ cạnh nhau

Cầu An Tế, chân vòm rộng 9,6 mét, đỉnh vòm rộng 9 mét, ở giữa đi xe ngựa, hai bên đi bộ, khá rộng rãi. Một cây cầu rộng như vậy xác thực cần nhiều vật liệu đá hơn để hoàn thành. Phương pháp xây lắp chung trong các kiến trúc là, giữa các tầng trên và dưới và các viên gạch (đá) nằm ngang được ép so le và bịt kín để đạt được độ cứng tổng thể. Tuy nhiên, các khoán vòm của cầu An Tế không sử dụng phương pháp này, mà sử dụng “phương pháp liên kết dọc”, tức là 28 tấm khoán hẹp đa lỗ được sắp xếp song song với nhau, mỗi khoán hẹp rộng khoảng 350 mm.

Tại sao lại áp dụng cấu trúc tổ hợp này? Tôi cho rằng do vòm cầu là một đơn tầng (bên trên có một tầng đá bảo vệ) nên khối liên kết “dọc” có vẻ ý nghĩa không lớn, trái lại khó thi công và khó bảo trì. Mà việc ghép thì lại dễ dàng hơn nhiều, viên đá nào hỏng, thay thế dễ dàng. Nếu kết nối chiều dọc trở thành một khối chỉnh thể, diện mạo trông kiên cố nhưng nguy cơ cao, có thể dễ dàng bị hư hỏng trong trường hợp rung động mạnh (chẳng hạn như động đất).

Khung cốt của cầu An Tế – khoán vòm, là do các khối đá sa thạch xếp chồng lên nhau, rất khít khe, không sử dụng bất kỳ vật liệu kết dính nào như vữa, được gọi là “xây khô”, vô cùng gọn gàng, nó không giống như cách xây tường và xây nhà thông thường. Tính ổn định, tính kiên cố của nó chỉ dựa vào đặc tính cơ học của kết cấu hình vòm, sự cân bằng được duy trì nhờ sự đùn đẩy giữa các viên đá. Giữa các khoán hướng ngang cũng không có liên kết vữa.

Để loại trừ nguy cơ tiềm ẩn về khả năng 28 tấm khoán hẹp chia tách rời ra, Lý Xuân đã áp dụng các biện pháp sau trong thiết kế của mình:

1) Hai đầu vòm rộng hơn một chút, thu hẹp dần về phía trung tâm vòm, đoạn giữa hẹp hơn hai đầu 0,5m. Điều này làm cho các khoán vòm có một phân lực (lực hướng tâm) nghiêng vào bên trong dưới tác dụng của trọng lực, thúc đẩy các khoán hẹp di chuyển gần nhau hơn ở giữa! Thật là một ý tưởng hay! Về hình dáng, nó giống với vòng eo thon của con kiến ​​”Đại lực sĩ”, vòng eo của một người cũng thu hẹp lại như vậy. Có lẽ hình dạng này thường sản sinh ra các đặc điểm cơ học như vậy.

2) Một thanh giằng bằng sắt đặt cách nhau dọc theo hướng nhịp của vòm, tổng cộng là năm thanh, ngang qua 28 tấm khoán hẹp, hai đầu thanh giằng có đầu thanh hình bán nguyệt lộ ra ngoài đá, kẹp chặt 28 tấm khoán hẹp, như thể được buộc lại với nhau. Trong đường ngầm của hầm cầu, có một công nghệ hỗ trợ đóng côn vào đỉnh và bên, bên ngoài phun thêm hồ, cũng là nguyên tắc tương tự.

3) Khoán vòm được làm bằng một tầng đá lớn có độ dày khoảng 1 mét, được phủ một lớp đá lát mỏng hơn (phục khoán), còn được gọi là “đá bảo vệ vòm”, có độ dày khoảng 0,3 mét, trên dưới so le với nhau. Cùng với nhau, độ dày của vòm cầu là 1,32 mét. Ở ngoài cùng của hai lớp đá bảo vệ của khoán hẹp cũng bố trí 6 “đá móc” bố trí cách xa nhau, móc vào đá vòm chính “không thể rời ra”.

Loại bỏ nguy cơ chia tách theo hướng trục hình cung của vòm:

Ở hai mặt ngoài cùng của vòm lớn, giữa các phiến đá liền kề ở ngoài, hai bộ “thắt lưng sắt” được sử dụng để kết nối (đinh tán). Các khoán hẹp ở bên trong, tức tại mặt sau vòm giữa hai khối đá lân cận được tiếp nối bằng “thắt lưng sắt”, liên kết chúng với nhau. Điều này tăng cường tính chỉnh thể và cường độ của vòm, đặc biệt là tăng tính năng lôi kéo của vòm, bởi vì vật liệu sắt có tính năng kéo ưu việt, để dự phòng lực căng của vòm do các tình huống đặc biệt gây ra.

Giữa các khoán hẹp liền kề, các mặt của mỗi vòm đá được khắc các đường chéo mảnh và dày để tăng hệ số ma sát giữa các khoán, có vẻ rất tinh xảo.

Các biện pháp này thúc đẩy các khoán vòm liên kết thành chỉnh thể, cường hóa các khoán vòm, tăng cường tính ổn định và an toàn của khoán vòm.

Theo dữ liệu, cầu An Tế (hay cầu Triệu Châu) sau 1400 năm đã trải qua mười trận lũ lụt, tám cuộc chiến tranh và nhiều lần động đất, bao gồm trận động đất Hình Đài 7,2 độ Richter vào năm 1966, tâm chấn chỉ cách cầu Triệu Châu 40km, và nó không bị sập.

4. Vẻ đẹp của chạm khắc

Đầu rồng (hay long vương) được chạm khắc chính giữa đỉnh vòm của cầu An Tế, nhìn xuống mặt nước có vẻ như đang hút nước, có thể hiểu là “long vương điều khiển nước”.

Đầu Thần Long (hay long vương) được chạm khắc chính giữa đỉnh vòm của cầu An Tế, nhìn xuống mặt nước, có vẻ như đang hút nước, có thể hiểu là “Long vương trị thủy”.

Cầu An Tế không chỉ có tạo hình mỹ quan, mà còn có các cấu kiện phụ trợ tinh tế. Các trụ lan can (vọng trụ) và lan can bảo vệ trên cầu được chạm khắc với nhiều hoa văn khác nhau, chẳng hạn như rồng, quái thú hút nước và các thần thú, với các trường cảnh và thần thái khác nhau, sống động như thật. Ngoài ra còn khắc các chi tiết hoa, trúc, vân vân.

Các kiến trúc cổ đại của Trung Quốc (hoặc phần dưới lòng đất hoặc dưới nước) thường được chạm khắc các thần vật, các công trình xây dựng sau đó cũng vậy. Đáng tiếc, hầu hết chúng đã bị phá hủy trong “Cách mạng Văn hóa” của ĐCSTQ. Tôi nghĩ đây không chỉ là vật trang trí, mà là một sự tồn tại có ý nghĩa thực chất, tin rằng có những lực lượng vô hình đang khởi tác dụng, mỗi lực lượng đều có tác dụng riêng, truyền thống này không thể bị phá vỡ.

Tôi chắc chắn rằng những gì chúng ta biết về Cầu An Tế hoàn toàn không phải là nội dung đầy đủ của nó, có thể còn những điều chưa biết và những bí ẩn. Ví dụ, trong quá trình xây dựng, mỗi “nhất đạo công tự” là gì? Kỹ thuật công nghệ như thế nào? Trong thiết kế còn có bất kỳ cân nhắc nào khác không? Về mặt phân tích còn có nhận thức nào chính xác và tốt hơn không? Lựa chọn ngày tốt để khởi công xây dựng thế nào? Nghi thức bái Thần để khởi công và hoàn công xây dựng gồm những gì? v.v.

5. Những thăng trầm của cầu An Tế

Các triều đại tiếp theo, Đường, Tống, Minh và Thanh đều tu sửa và bảo trì cầu An Tế. Trong số đó, lần “Trọng tu cầu Đại Thạch” trong “Triệu Châu biên niên sử” ghi lại, rằng vào những năm đầu của hoàng đế Minh Thế Tông, cây cầu đã bị hư hại nghiêm trọng do hỏa hoạn trên một con tàu neo đậu dưới cầu để vận chuyển củi. Thắt lưng sắt bị bong ra, cây cầu đá gặp nguy hiểm. Cây cầu đã được đại tu từ năm thứ 42 của Minh Thế Tông Gia Tĩnh (1563) đến năm thứ 25 Minh Thần Tông Vạn Lịch (1597).

Tất nhiên, ĐCSTQ cũng tiến hành cái gọi là “tu bổ” cây cầu, từ năm 1952 đến năm 1956, đã tiến hành một cuộc “đại tu” cây cầu rất gây tranh cãi, trên thực tế đó là cải tạo, cây cầu sau cải tạo thì không còn là cầu Triệu Châu theo nghĩa ban đầu, diện mạo ban đầu của cây cầu và công nghệ xây dựng đã bị ĐCSTQ “tân trang” thay đổi!

Do hư hỏng và biến dạng cấu trúc, khiến giữa các viên đá vòm xuất hiện các khe hở hoặc khiếm khuyết ở các mức độ khác nhau, sau khi đổ vữa xi măng mác cao, nội hàm của phương pháp xây khô đã bị thay đổi. Đồng thời, lớp vữa xi măng đã ăn mòn đá, dưới chân cầu xuất hiện hiện tượng sủi bọt (xuất hiện ô nhiễm hóa học) quanh năm.

Mặc dù bê tông cốt thép cao cấp có độ kiên cố tương đối, nhưng do có khả năng bị ăn mòn hóa học, v.v., e rằng tuổi thọ sẽ không quá một trăm năm. Hơn nữa, chẳng phải kết cấu đổ bê tông toàn bộ này sẽ gây khó khăn lớn cho việc cải tạo cầu hay sao? Tất cả đều bị mắc kẹt với nhau, làm thế nào có thể sửa chữa nó?

Đối với khối xây bằng vữa, cường độ vữa và độ bền liên kết giữa các bề mặt tiếp xúc với đá liệu có thể cao hơn so với tiếp xúc gần của “xây khô” không?

6. Kết luận

Phương thức vòm phát khoán ở Trung Quốc hẳn đã có từ rất sớm. Khoa học và công nghệ cổ đại của Trung Quốc khá phát triển, ví dụ như công trình thủy lợi Đô Giang Yển đã tồn tại hơn 2.300 năm, tuổi thọ của nó rất dài. Nó căn bản không phải là “sự lạc hậu của Trung Quốc thời cổ đại” như tuyên truyền của tà đảng Trung Cộng.

Cái gọi là “Quyết sách đa nhân tố tối ưu hóa thiết kế” trong khoa học hiện đại chỉ là “lựa chọn tối ưu” một trong nhiều phương án. Nhưng bên cạnh tất cả những phương án này, có thể có những phương án tốt hơn, chẳng hạn, có thể có những phương pháp tốt hơn trong mỗi kỹ thuật công nghệ chưa được đề xuất. Thiết kế của nghệ nhân Lý Xuân là sự lựa chọn tốt nhất về mọi mặt, bao gồm cả việc tôn cổ kính Thần, đó mới là sự tối ưu hóa chân chính.

Tác giả: Bật Hiểu, theo Epoch Times,
Hương Thảo lược dịch