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

Водоснабжение

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.

В Риме насчитывалось 11 акведуков длиной от 10 до 60 миль. Первый был построен в 312 году до н. э., последний – в 226 году, пятью веками позже. По четырем акведукам осуществлялось ¾ водоснабжения. Хершель подсчитал, что восемь акведуков во времена Фронтина, 97 год, доставляли 220 миллионов галлонов воды ежедневно, или 110–120 галлонов на душу населения. Сегодня в Нью-Йорке и современном Риме потребление на душу населения составляет около 130 галлонов. Мы не имеем возможности точно указать, какая часть воды предназначалась для промышленного использования, санитарии, питья, пожаротушения и т. д. Некоторые современные города, такие как Париж и ряд американских городов, имеют двойное водоснабжение. В Риме было три практически независимые службы. Ключевая вода переправлялась по акведукам Марция, Клавдия и Вирго из распределительных резервуаров в общественные фонтаны, откуда большинство римлян ежедневно носили воду в свои дома для питья и хозяйственных нужд. Но следует помнить, что римляне, как и современные европейцы, не использовали воду в своих домах так свободно, как американцы. Вода со взвешенными частицами по акведуку Анио Новус доставлялась в общественные бани, на мельницы и в прачечные, где стирались белые или серые тоги, отличавшие жителей Рима. Излишки воды из всех резервуаров текли по улицам и заполняли коллекторы ливневой канализации.

Для личного употребления воды было немного. Самые богатые горожане правдами или неправдами проводили трубы в свои дома. Власти, судя по всему, никогда не думали о продаже воды, хотя они давали право взимать плату за использование общественных туалетов и вывоз бытовых отходов для удобрений. Вода в Риме была бесплатной, часто она считалась даром императора или богатого горожанина, который использовал для ее обеспечения добычу, захваченную в войне. Акведук Аква Марция длиной 55 миль был построен в 144 году до н. э. на доходы от победы над Коринфом и Карфагеном. Его стоимость по современным оценкам составляет около 9 миллионов долларов.

Мосты

Поскольку каменные мосты с полукруглыми арками и многие короткие пролеты являются типично римскими, существует тенденция считать, что римские инженеры больше ничего не строили. Они действительно проявляли талант и опыт и удивительно удачно вписывали свои арки в окружающий пейзаж. Они построили семь мостов через Тибр из тесаного камня с одинаково низкими полукруглыми арками. Шесть из них стоят и сегодня, хотя была произведена масштабная реконструкция – почти перестройка. Римляне построили виадук длиной более 600 футов через каменистое ущелье в Нарни, что на Фламиниевой дороге. Самая длинная из его четырех арок имеет пролет 138 футов. Они построили еще одну арку с более длинным пролетом в Оренсе, Испания, и огромный мост – вероятно, ставший их рекордом – через реку Тахо в Алькантаре. Его высота 175 футов. В нем шесть арок, две центральные, имеющие пролет 118 футов каждая, поддерживают дорогу длиной 600 футов. Инженер, руководивший его строительством во времена императора Траяна, в 98 году, искренне верил, что его творение будет стоять вечно. Однажды мост был частично разрушен, но восстановлен, часто ремонтировался и до сих пор открыт для движения транспорта.

В менее населенных районах римляне строили мосты типа «спина мула». Так они экономили расходы на обустройство подходов и уклонялись от сооружения удерживающих стен. Дорога шла по склону самой арки, как в случае с мостом Марторель в Испании (рис. 4.5), который приписывается маврам, но известно, что он был перестроен на месте римского. Там, где реки неглубокие, как часто бывает в Англии и других местах, римские строители вообще не строили мосты. Они мостили брод большими камнями и устанавливали предохранительные ограждения из горизонтальных брусьев на сваях с обеих сторон.

Рис. 4.5. Мост через реку Льобрегат в муниципалитете Марторель, Каталония, Испания

Главная трудность, с которой римлянам пришлось столкнуться и которая не перестала тревожить инженеров и сегодня, – обеспечение мостов фундаментом, который может противостоять всем капризам течения. Иногда они пытались преодолеть эту трудность исключительно весом кладки. Но только тяжелые опоры и арки с коротким пролетом, по сути, перегораживали поток, существенно увеличивая скорость течения вокруг опор. Как объяснил Витрувий, было недостаточно устраивать крепление из каменной наброски вокруг фундамента, потому что течение промывало отверстия ниже и подтачивало тяжелую конструкцию. По той или иной причине римские инженеры зачастую не беспокоились о создании адекватного фундамента, но, когда они это делали, старались проникнуть под самое капризное течение, даже если им приходилось докопаться до подстилающей породы. Один способ – забить сваи с железным наконечником, расположенные вплотную друг к другу, вокруг места, где должна стоять опора. Механизм, который они для этого использовали, не был подробно описан, но, вероятнее всего, это была обычная машина для забивки свай – тяжелый груз, поднятый лебедкой внутри поддерживающей рамы. Материал между сваями выбирался до твердого основания. После этого строили опору из пуццолана.

Рис. 4.6. Мост Фабричо (справа), построенный в 62 г. до н. э. и до сих пор стоящий, Рим

Если глубина была слишком велика для этого метода, римляне, вероятнее всего, окружали нужный участок крепью из свай, переплетенных ивовыми прутьями, сделанной водонепроницаемой с помощью глины – если пуццолан оказывался недоступным. Потом пространство внутри крепи осушалось с помощью водяных колес или винтов, и устраивалась прочная сухая кладка из тесаного камня – прямо на каменистом основании или на сваях, забитых в дно намного ниже уровня воды. Считается, что свайные основания моста Элия (ныне мост Святого Ангела) построены именно таким образом, поскольку они уходят более чем на 16 метров под Тибр. Однако, если судить по числу римских мостов, снесенных наводнениями, римские инженеры нечасто прибегали к столь трудоемким и дорогостоящим процедурам. Мост Фабричо, возведенный в 62 году до н. э., стоит до наших дней.

Мост Юлия Цезаря (рис. 4.7), построенный через Рейн в 55 году до н. э. в районе Мозеля и дальше – у Бонна, хорошо известен школьникам из-за причиняющей большое беспокойство латыни, которой он его описал. Инженеры Цезаря завершили строительство за десять дней после того, как собрали все материалы на берегу. Он имел длину ¼ мили, был построен на древесине, уложенной на сваи, забитые пучками на расстоянии 25 футов. Как крепилась древесина – не сказано в книге IV его «Записок». Цезарь, должно быть, очень спешил, иначе построил бы более прочную конструкцию. Между прочим, всего лишь через восемнадцать дней он приказал уничтожить мост. Более поздние римские мосты через Рейн тоже были из дерева. Никаких арочных камней не было обнаружено в их развалинах в Майнце, Треве или Кёльне. Дерево укладывалось на массивные опоры из каменных блоков, скрепленных между собой скобами и запечатанных свинцом. Опоры были установлены на пучках из 150–200 свай, забитых глубоко. Те, что в Кёльне, пришлось взрывать, чтобы извлечь из дна реки. Инженеры Константина построили мост в 310 году.

Рис. 4.7. Мост Цезаря через Рейн, построенный и уничтоженный в 55 г. до н. э.

Мост через Дунай возле Железных Ворот был самым претенциозным из всех римских мостов. По крайней мере, таковым его мнил Траян, поскольку велел изобразить его в барельефе на колонне в Риме в честь достижений императора. Он был построен в 104 году греком Аполлодором из Дамаска, который был самым прославленным инженером империи после Витрувия и Фронтина. Его портрет дошел до нас, вырезанный на колонне Траяна. О его творении нам известно лишь то, что изображено на колонне, а также из редких ссылок современных историков и рассказов о фундаментах опор, до сих пор видных в воде.

Рис. 4.8. Мост Аполлодора через Дунай на колонне Траяна

Мост имел длину около 3720 футов и ширину 40–50 футов. В нем 21 пролет размером 120 футов, или 177 футов от центра до центра опор. Представляется вероятным, что Аполлодор создал в середине реки большой искусственный остров, чтобы облегчить перегрузку материалов. Он построил фундаменты из трещиноватого камня, удерживаемого водонепроницаемой крепью, и поднял опоры высотой больше 60 футов. Можно было ожидать, что они построены из колотого камня, но в реке не было найдено никаких следов такой кладки. Как бы ни были построены опоры, очевидно, что их соединяли деревянные арки, поскольку это показано на колонне Траяна. Аполлодор выполнил работу всего за два или три сезона – удивительное достижение, даже если в его распоряжении для этого была вся армия. Как или почему мост Аполлодора через Дунай был разрушен, неизвестно. По одной версии, преемник Траяна Адриан приказал его разрушить, чтобы варвары не могли перейти по нему в империю.

Дороги

Римские дороги известны по праву. Римские государственные деятели рано поняли, что хорошая связь жизненно необходима для экспансии, управления, обороны и даже повседневной жизни государства. Они переняли навыки дорожного строительства у своих соседей этрусков, позаимствовали идеи у карфагенян и усовершенствовали их все. На вершине власти Рим имел транспортные артерии, протянувшиеся до самых дальних провинций и соединявшиеся со второстепенными дорогами. Вместе они составляли хорошо спланированную разветвленную дорожную систему протяженностью около 50 000 миль. Наличие такой дорожной сети позволяло быстро перемещать легионы с одной границы на другую, ускоряло и удешевляло передвижение путешественников и доставку грузов. Наряду с контролем Средиземноморья после того, как рухнуло морское господство Карфагена, эта система позволила создать империю, которую иначе создать было невозможно – или, по крайней мере, намного труднее, и уж точно ее нельзя было удержать. Без дорог город Рим вряд ли стал бы и остался метрополией.

Между тем многие рассказы о римских дорогах стали легендами, граничащими с абсурдом. Римские инженеры, разумеется, тратили меньше сил и энергии на строительство горной тропы, чем на Аппиеву дорогу – королеву длинных дорог, начатую Аппием Клавдием в 312 году до н. э. Идущая на юг и восток к Бриндизи на Адриатическом море, она стала транспортной артерией для перевозок и путешественников в Грецию, Египет, Левант, на восток и обратно. Инженеры в наше время классифицируют дороги по их предполагаемому использованию и строят их соответственно, так же поступали и римляне. Двенадцать таблиц Древнего Рима, датированные 450 годом до н. э. (самый ранний римский законодательный кодекс), официально классифицировали дороги по ширине: semita – узкая проселочная, предназначенная для пешеходов, шириной всего 1 фут; iter – для всадников и пешеходов, шириной 3 фута. Дорога, имевшая название actus, – для проезда одного экипажа – имела ширину 4 фута, а двухрядная via – 8 футов. Позднее эти размеры утратили свое значение. Самыми широкими из имперских дорог были крайне дорогостоящие Аппиева дорога и Фламиниева дорога. По Фламиниевой дороге шло движение за Альпы или вокруг головной части Адриатики в балканские регионы и далекую Византию (Стамбул). Менее важными, узкими и дешевыми были гравийные дороги в Альпах, дороги из булыжника, уложенного в землю, вдоль германской границы, и поверхности, отвержденные пеплом из расположенных по соседству литейных мастерских.

На всех важных дорогах, будь они в Италии, Африке, Англии или в других местах, определенные инженерные практики считались стандартными, независимо от того, какие местные материалы использовались при их строительстве. Земляное полотно осушалось дренажными канавами и штольнями, чтобы оставалось твердым. Дорожное полотно поднималось вверх и имело выгнутую форму, чтобы с него стекала дождевая вода. Римские дороги почти всегда были толстыми, а современные редко бывают толще 1½ фута. Некоторые римские дороги имели толщину 3–8 футов и состояли из 4–5 слоев. Там было 2-футовое основание из каменных плит, уложенных в раствор на земляное полотно и выровненное песком. Над этим располагался второй 9-дюймовый слой из щебня, смешанного с раствором и утрамбованного. Третий слой, тоже толщиной 9 дюймов, состоял из бетона с мелким гравием, и четвертый слой состоял из твердых каменных 2- или 3-футовых блоков толщиной около 5 дюймов, уложенных вплотную. Участки Аппиевой дороги (рис. 4.9) были построены именно так. Также существовали боковые дорожки шириной от 1½ до 8 футов, отделенные от главной транспортной артерии возвышением (бордюрным камнем) высотой 18 дюймов. Вдоль отдельных участков дороги стояли украшенные мильные столбы, гробницы и памятники.

Более дешевая дорога в Англии имела 5-дюймовый нижний слой из булыжника, 18-дюймовый слой смеси мягкого известняка, песка и земли, другой 18-дюймовый слой утрамбованной земли и верхний слой из каменных глыб и щебня. Еще одна дорога в Лондоне имела слой бетона с гравием толщиной 7½ фута, уложенный между удерживающими каменными стенами, поверх – белые глиняные плитки. Дорога через болото устраивалась на 4-футовых сваях, на которые последовательно укладывались слои кремня, известняка, гравия и земли, каменные плиты и мелкий гравий. Общая толщина – около 10 футов, хотя изначально могло быть меньше. Уотлинг-стрит, самая известная римская дорога в Англии, шла из Дувра через Кентербери к переправе через Темзу возле Лондона, оттуда, возможно, в Честер и далее на север, в Ланкастер и за его пределы. Ее конструкция по всей длине не была одинаковой. Некоторые части этой дороги недавно были раскопаны в Лондоне.

Рис. 4.9. Вдоль Аппиевой дороги в 1912 г.

О прямоте римских дорог говорят слишком много. Они выглядят прямыми на карте, хотя в действительности идут в одном направлении, не являясь идеально прямыми. Грома – инструмент, использованный римскими инженерами, не приспособлен для землемерной съемки на больших расстояниях. На самом деле они, вероятно, спрямляли свои дороги не с помощью специальных инструментов, а глядя вдоль ряда прямых реек или используя дымовой сигнал, заметный над встретившейся на пути возвышенностью. Даже если так, некоторые римские дороги в Англии не отклоняются от прямой линии больше чем на четверть или половину мили на протяжении 20 или 30 миль. Дорожные строители Рима допускали более крутые уклоны, чем сегодня, иногда достигая градиента в 1 фут на 5, или 20 процентов. Прорези в скалах часто очень глубокие. Есть запись о 117-футовой врезке в мраморную скалу на Аппиевой дороге возле Террачино. Такие прорези, вероятно, делались вручную, поскольку римляне не знали взрывчатки. Возможно, они расщепляли камень нагреванием с последующим резким охлаждением водой. Иногда они прокладывали тоннели через горные хребты. Тоннель Фурло на Фламиниевой дороге в Апеннинах имел длину 984 фута. Если строители чувствовали необходимость повысить уклон, независимо от длины, они делали это без колебаний. Насыпь через понтийские болота, что недалеко от Рима, протянулась на 18 миль.

Знаменитые римские дороги следует оценивать по адекватному выполнению ими функций, для которых они строились. Нет никаких сомнений в том, что в свое время они были в высшей степени эффективны. А в некоторых отношениях их достоинства вне времени. Римские viae строились надолго и выдержали испытание временем. На некоторых участках Аппиевой дороги изначальное дорожное полотно продолжало работать и в конце XIX века. Если верить римским рассказам, оно было не больше изношено, чем через 30 лет после его укладки. Поэт Гораций упомянул о своем путешествии из Рима в Бриндизи по Аппиевой дороге.

Хотя римские дороги были построены на века, им не хватало гладкости армированного бетона и упругости щебня XIX века. Их инженеры использовали щебень и, возможно, дорожные катки. Им был знаком природный асфальт, и они знали, как вавилоняне строили с его помощью. Но они не совмещали асфальт со щебнем. Этот лучший тип дорожной поверхности не использовался еще много веков. Римляне знали, что из их пуццолана получается превосходный цемент, но они никогда не наливали его в формы, чтобы изготовить плиты для дорожного строительства. Да и мысль о соединении металла и бетона для придания ему большей прочности, вероятно, их не привлекала, хотя греки укрепляли каменные кладки железными прутками. Если провести сравнение с современными дорогами, будет справедливо уподобить самые важные римские viae с мостовыми из гранитных блоков на некоторых наших городских улицах.