Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Река Огайо на участке между истоком в районе Питтсбурга, Пенсильвания, и Кайро, Иллинойс, где она сливается с Миссисипи, очень рано представляла серьезные навигационные проблемы, не только из-за топляка и других аналогичных препятствий, но также из-за порогов и мелей. Проблема мелей стала предметом исследования, выполненного в 1821 году группой инженеров, назначенной конгрессом для осмотра западных рек. На основании доклада этой группы конгресс в 1824 году издал акт, санкционировавший эксперименты на некоторых мелях. Их целью было определение практической целесообразности схемы строительства плотин, для концентрации потока воды на ограниченной ширине, чтобы он пробивал себе русло вглубь. Первая экспериментальная фланговая дамба была построена на острове Хендерсон в низовьях Огайо. Благодаря этой дамбе минимальная глубина канала при низкой воде увеличилась с 20 дюймов до 3 футов. Второй эксперимент был проведен Генри М. Шривом в районе Гранд-Чейн, тоже в низовьях Огайо, в 1830 году. Результат оказался маловажным.

Только много лет спустя появился план превращения реки в судоходную на всем ее протяжении и при любых условиях. В 1870-х годах группа военных инженеров была отправлена за границу для изучения методов регулирования русла рек во Франции. В результате появились разборные щитовые плотины, созданные по французскому образцу. В этих плотинах судоходные проходы открывались при высокой воде. Первая из дамб в районе острова Дэвиса, в 5 милях ниже по течению Питтсбурга, была построена в 1885 году. Теперь река Огайо судоходна на всем своем протяжении, 980 миль, между Питтсбургом и Кайро, для судов с осадкой не больше 9 футов. На ней 53 дамбы, каждая со своим шлюзом, 110 на 600 футов, и навигация при стоячей воде для судов с осадкой не более 9 футов разрешена на всем протяжении. Общая высота падения реки составляет 430 футов, и глубокие участки варьируются по длине от 5 до 55 миль, в среднем – 18. Средняя разница уровней между последовательными участками – подъем в шлюзе – составляет менее 8 футов.

Первое использование Миссисипи для получения энергии имело место в 1823 году. В том же году у водопада Святого Антония правительство США построило лесопилку и мельницу для помола муки. Эта мельница положила начало промышленности, которая впоследствии прославила Миннеаполис. Пароходы пошли по Миссисипи после рейса New Orleans, который вышел из Питтсбурга в октябре 1811 года и добрался до Нового Орлеана в январе 1812 года. Навигация в верховьях реки началась с двадцатидневного рейса Virginia в 1823 году из Сент-Луиса в Сент-Пол. В это время ниже по течению водопада Святого Антония было несколько порогов, в том числе у Рок-Айленда и Кеокук. На остальном протяжении уклон реки был относительно небольшим и одинаковым. У Рок-Айленда река разделяется на два рукава, которые текут по обеим сторонам острова, на котором расположен арсенал Соединенных Штатов. В нормальных условиях 15-футовое падение при низкой воде происходит здесь на расстоянии 2 миль. Первое энергетическое строительство на Рок-Айленде началось в 1843 году. Были сооружены низкая дамба и водяные колеса в головной части острова на западном канале. В 1846 году была построена вторая энергетическая установка на другом канале. После ряда перемен три дамбы в этом месте производили несколько тысяч киловатт электроэнергии для гидроэнергетической компании Молина, правительственного арсенала и операций на шлюзах.

Пороги Кеокука, что в 120 милях ниже по течению, были исследованы юным лейтенантом Робертом Ли в 1837 году. В результате на канале в течение нескольких лет выполнялись дноуглубительные работы. После гражданской войны навигация в районе Кеокука улучшилась благодаря боковому каналу длиной 7 миль с тремя шлюзами, 80 на 250 футов каждый. Этот канал был открыт для судоходства в 1877 году. Это был весьма значительный инженерный проект того времени, обеспечивший минимальную навигационную глубину 5 футов. В 1913 году в районе Кеокука была построена гидроэлектростанция, в то время крупнейшая в мире. Установленная там бетонная дамба имела длину 4649 футов и высоту 34½ фута. Собственно электростанция вмещает 30 турбин мощностью 10 000 лошадиных сил, 15 из которых были установлены изначально. Шлюз для обеспечения судоходства имеет размер 110 на 400 футов. Он заменил старый канал. Между Сент-Луисом и Сент-Полом-Миннеаполисом теперь насчитывается 26 низких дамб. Гидроэнергетика, как уже отмечалось, развивалась только на Кеокуке и в гораздо меньшей степени на Рок-Айленде. Каждая из 26 дамб имеет шлюз или шлюзы, которые обеспечивают навигацию на всем протяжении реки при осадке не более 9 футов. На дамбах имеются управляемые водосливы и роликовые ворота – новшество в этой стране.

Драгирование началось в последней четверти XIX века. Элементарная паровая драга использовалась в Англии еще в конце XVIII века, но она не слишком успешно выполнила дноуглубление в гавани Сандерленда и в 1804 году была переделана: на ней установили другой двигатель – Boulton & Watt – мощностью 6 лошадиных сил. В том же году Оливер Эванс в Филадельфии построил Orukter Amphibilos – машину двойного действия для очистки портового бассейна. Это была первая американская драга. Первые попытки углубить фарватер на Миссисипи оказались неумелыми и, как правило, неэффективными. По большей части это было нечто вроде боронения, рыхления и т. д. В 1880-х годах дноуглубительные работы начались снова и с тех пор велись регулярно. Цепная землечерпалка – самый ранний тип, – доказавшая свою эффективность на Суэцком канале, Клайде и других европейских реках, в Соединенных Штатах почти не применялась. В конце века на Миссисипи велись дноуглубительные работы с использованием одноковшовых землечерпалок. Однако чаще всего в этом регионе использовали гидравлические или всасывающие землечерпалки. Первую построил Идс в 1877 году в Питтсбурге по своему проекту. Судя по всему, впервые такие земснаряды были предложены французским инженером-гидротехником Анри Эмилем Базеном в 1867 году. Генерал К.А. Гилмор впервые использовал такую машину в Америке в 1871 году для углубления фарватера на реке Сент-Джонс во Флориде. Он назвал ее центробежным дренажным насосом. Некоторое время ее использовали для поддерживающего дноуглубления на южном рукаве, после чего их использование на Миссисипи распространилось широко.

Другая операция по совершенствованию навигационных условий – спрямление и укорачивание речного русла. Самая ранняя попытка укоротить русло была предпринята в дни Шрива в устье Ред-Ривер и не стала успешной. Позднее на некоторых участках в низовьях Миссисипи были спрямлены излучины. После 1929 года фарватер между Батон-Руж и Мемфисом был также спрямлен. В районе Гринвиля пять резких изгибов реки были заменены двумя плавными кривыми. Целесообразность спрямления излучин много лет была вопросом в высшей степени спорным. Были инженеры, активно выступавшие против этого. С 1928 года на американской экспериментальной станции по изучению водных путей начали подробно изучать спрямление фарватеров и другие проблемы, связанные с регулированием рек. Исследовательские работы такого размаха раньше никогда не производились. Здесь на обширной территории создавались в масштабе модели любых участков рек. Руководствуясь этими исследованиями, а также накопленными за много лет статистическими материалами, инженеры могли с большой долей уверенности предсказать, какое влияние те или иные работы на русле окажут на всю реку. В XX веке на многих притоках Миссисипи появились удерживающие резервуары, а в низовьях – водосливы, чтобы служить дополнительными каналами, в которые во время разлива могут сливаться поднявшиеся воды реки. Однако основной мерой предотвращения наводнений на Миссисипи остается проверенная временем система дамб и запруд. Вдоль 1000 миль основного русла от Кейро до залива после 1850 года построено более 1600 миль дамб. Кроме того, после 1880 года было построено несколько сотен миль защитных береговых насыпей. Они расположены в 97 стратегически важных пунктах и служат для защиты от эрозионного воздействия воды, размыва и изменения русла.