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

Витрувий в I веке до н. э. превозносил цемент из пуццолана за твердость. Его не могли разрушить волны и растворить вода. Тогда зачем римляне построили из камня, а не из бетона волшебные арки, которые до сих пор ведут через Кампанью в направлении Рима, пересекают ущелья Испании, вздымают ярус за ярусом Пон-дю-Гар (рис. 4.2), в 160 футах над рекой в городе Ним, во Франции? Для того, кто знаком с бетоном и каменной кладкой, ответ очевиден. Все дело в том, что для формовки бетона нужны сложные формы, а для каменной кладки – только подмости. Римляне знали и использовали дюкеры, по которым вода текла через долины, следуя рельефу земной поверхности. Почему они не строили трубопроводы большого давления из пуццолана вместо акведуков? Можно сомневаться, точно ли знали римские инженеры, насколько прочен их бетон. Возможно, они сознавали его слабость. Он, конечно, мог выдерживать давление, но не слишком большое, и не был способен противостоять разрушающему воздействию воды под давлением. Даже у лучшего современного бетона небольшая прочность на разрыв. Его следует усиливать металлом. Римляне с таким усилением не были знакомы.

Трубопроводы под давлением они строили из свинца. Трубы обычно сгибали из четвертьдюймовых листов на сердечниках. Швы предположительно соединяли расплавленным припоем. Последовательные участки по длине соединялись аналогичным образом внахлест. Римляне знали железо, но не имели чугунных труб. Им были известны бронзовые трубы, но они не использовали их широко. С бронзой было легче работать, чем со свинцом, и, безусловно, процесс был более дорогостоящим. Но прочность бронзы была несравненно больше, да и о деньгах вопрос, наверное, не стоял, поскольку стоимость каменных акведуков была все равно больше.

Рис. 4.2. Самый высокий сохранившийся древнеримский акведук Пон-дю-Гар

Домициан, император в 81–96 годах, едва ли думал о расходах, когда велел построить водопровод к своему дворцу на Палатинском холме. Его свинцовая труба имела диаметр 1 фут и пересекала равнину в 133 футах под резервуаром, который питался из акведука Аква Клавдия. Давление в нижней части дюкера достигало 60 фунтов на квадратный дюйм. Аналогичный дюкер был в районе Алатри, примерно в 50 милях от города. Он был построен в 134 году до н. э. и опускался вниз по вертикали на 340 футов, а значит, давление воды в нижней точке достигало 150 фунтов на квадратный дюйм. Судя по всему, диаметр трубы был 3,9 дюйма (10 см), а толщина свинцового листа – 0,4 дюйма (10 мм). Использование пуццолана для трубопроводов под водой было проблемой не давления, а удобства. С трубами, особенно из гибкого свинца, намного легче обращаться под водой, чем с бетонными. Недавно большой отрезок трубы из свинца, диаметром 6 дюймов и больше, лежащей на дне Нижнего Рейна в районе Арля, возраст которой пятнадцать столетий, был извлечен на поверхность судовым якорем.

Рис. 4.3. Итальянский полуостров

Витрувий объяснил способы снижения давления в свинцовых и глиняных трубах с помощью частых резервуаров, ровных участков, вентеров (невысокий мост, чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот) и других замедляющих устройств. Но римляне строили арочные мосты высоко над долинами, делали глубокие прорези и тоннели через каменные хребты, чтобы сохранить гидравлический градиент. Возможности металлов при этом ограничены. Самая крупная свинцовая труба, о которой упоминал Витрувий, была примерно 100 дюймов в окружности, а средние размеры акведуков – около 3½ фута на 6 футов. Кроме того, было довольно сложно контролировать утечки в каналах, находящихся не под давлением. По примерным оценкам, до того, как вода достигала города, половина воды, поступающей в акведук, терялась из-за утечек или воровства. Возможно, последнее было бы легче контролировать при использовании сифонов, но ремонт проще в случае арочных акведуков. Кроме того, римляне понимали, что загрязнение воды опасно, хотя и не знали ничего о бактериологии. Витрувий наблюдал отравление людей, работавших со свинцом, и предостерегал от использования свинцовых труб, рекомендовав вместо них глиняные.

Гидравлические инженеры Рима видели свою задачу так: иметь постоянный равномерный поток воды. Этого они могли добиться с использованием низких дамб, фидерных каналов и резервуаров-отстойников у источников, расположенных в 100 футах над уровнем моря. Потом воду можно было направить медленно по водоводам под землей в резервуары, расположенные в городе на высоте 200 футов. Холмы, понижавшиеся в сторону Кампаньи, обеспечивали равномерный уклон для акведуков; в хребтах проделывались тоннели, над низкими долинами строились мосты. Таким образом, римские акведуки оказывались в 10 милях от города. Только тогда они располагались на высоких конструкциях, идущих через Кампанью. Эти величественные арки занимали едва ли восьмую часть общей протяженности системы водоснабжения. Из соображений экономии более новый акведук нередко добавлялся к старому. Арки Аква Клавдия, к примеру, несли Анио Новус (рис. 4.4) через Кампанью. Аква Тепула и Аква Юлия были уложены на аркаду Марция.

Рис. 4.4. Два римских акведука: Анио Новус, построенный на аркаде Аква Клавдия

Римские акведуки с великолепными аркадами были самым впечатляющим римским достижением в инженерии. Древнеримский политический деятель I века н. э. Секст Юлий Фронтин с гордостью писал об акведуках: «Разве можно сравнить каменные громады акведуков с бесполезными пирамидами Египта или другими прославленными, но праздными сооружениями греков?» Их копировали во многих других областях империи. Сорок или пятьдесят амбициозных провинциальных городов имели системы водоснабжения, построенные по римскому образцу. Акведуки Сеговии в Испании, Афин и Константинополя до сих пор используются. Замечательный пример – акведук, снабжавший в римские дни водой Карфаген. Семь миль его частично разрушенных, но не утративших своего величия арок являются примечательной чертой африканского ландшафта. Инженеры Лиона, столицы Римской Галлии, использовали комбинацию арочных акведуков и водоводов с обратными сифонами – дюкерами. Понижая уклон более чем наполовину, они уменьшили и высоту, и длину арочной конструкции. Затем они переместили воду вниз по склону, по мосту через Рону и вверх по другому склону по восемнадцати 8-дюймовым свинцовым трубам, уложенным рядом. Вместе они были намного прочнее, чем одна труба такого же диаметра и пропускной способности.