3928-1 (Сифоны в древнеримских водопроводах)

Сифоны в древнеримских водопроводах

А. Тревор Ходж

Одним из замечательных инженерных достижений древних римлян была система водопроводов, по которым вода ежедневно поступала в главные города Римской империи. Многокилометровый водопровод проходил по пересеченной местности. Для его прокладки через ущелье римляне применяли два различных способа: либо строили через ущелье мост с небольшим уклоном в сторону стока, либо использовали принцип сифона, согласно которому вода в трубе должна всегда возвращаться к своему первоначальному уровню. Для этого сооружали систему труб, которые круто спускались по одному склону ущелья и поднимались по другому. В тех случаях, когда глубина ущелья была относительно небольшой, строили мосты. Там же, где ущелье было слишком глубоким, сооружали сифон.

Как известно, сифон представляет собой трубу, по которой жидкость переливается с одного уровня на другой через промежуточное возвышение, т.е. по траектории в форме буквы "П". Другими словами, жидкость сначала течет вверх по трубе, и это движение должно быть первоначально сообщено ей насосом или другой внешней силой. Затем жидкость перетекает по сифону самостоятельно благодаря атмосферному давлению, действующему на поверхность открытого бассейна на подающем конце сифона. Принцип сифона знаком автолюбителям: один конец шланга опускают в бензобак автомобиля, затем нужно засосать бензин на другом конце шланга и быстро опустить его в канистру. Бензин будет сам стекать из бака в канистру до тех пор, пока его уровень в баке остается выше уровня в канистре.

Конструкцию сифона, применявшегося в Древнем Риме, правильнее называть обратным сифоном, или дюкером. В нем жидкость движется по U-образной траектории, и сифон начинает работать, как только жидкость вводится в одно из его плеч. В простом U-образном сифоне жидкость, введенная на одном конце, поднимется до того же уровня на другом. Римские сифоны имели значительную длину, поэтому потери на трение становились заметными и приемный конец приходилось устраивать на уровне несколько ниже подающего конца.

Хотя известно более двадцати сифонных сооружений, относящихся ко времени Римской империи, роль сифонов в римских гидравлических системах обычно недооценивается. В отличие от впечатляющих развалин древних мостов до нас сохранилось очень мало остатков сифонов. Их прокладывали по поверхности земли, поэтому они могли быть легко разрушены. Кроме того, они играли лишь второстепенную роль в системе римских водопроводов, которую современные ученые изучили наиболее тщательно. (Сифоны, очевидно, сооружали главным образом на территории современной Франции, в частности, вокруг Лиона, где в четырех водопроводах, снабжавших город водой, было девять сифонов.) Таковы две основных причины, по которым роль сифона оказалась недооцененной.

Вследствие этой недооценки многочисленные приверженцы ошибочных представлений (все еще бытующих в учебниках по римской гидравлике) утверждают, что римляне предпочитали строить мосты, а не сифоны потому, что не умели изготавливать трубы, способные выдерживать высокое давление воды в обратном сифоне. В действительности же перемещение воды по трубам в римских сифонах осуществлялось под значительным давлением. В 1875 г. французский инженер Эжен Бельгран изготовил копии римских труб и подверг их испытаниям на разрушение, которое происходило только тогда, когда давление в трубах достигало 18 ат. Такие трубы могли успешно работать в сифоне, опускающемся на 180 м ниже исходного уровня. Этот сифон не смогли бы заменить и три моста Пон-дю-Гар, поставленные друг на друга. Мост-акведук Пон-дю-Гар – впечатляющее древнеримское сооружение высотой 50 м – находится близ Нима на юге Франции.

Обычно сифон начинался в точке, где водопровод, проложенный в виде открытого канала из каменной кладки, достигал края ущелья, которое нужно было пересечь (см. рисунок на с. 72). В этом месте вода стекала в напорный резервуар, выложенный из кирпича и установленный поперек канала. По существу, этот резервуар был распределительным, так как сифон состоял не из одной (как в современной гидротехнике), а из нескольких (до девяти) тонких труб, уложенных параллельно друг другу. Их входные концы располагались в ряд в нижней части резервуара.

Трубы изготавливали из свинцовых листов, которые сначала изгибали на деревянном сердечнике, после чего продольные края образованной трубы спаивали, а сердечник вынимали. Труба получалась овального или грушевидного поперечного сечения с непрерывным продольным швом. (Интересно, что шов, очевидно, не был самым слабым местом трубы; в испытаниях, проведенных Бельграном, разрушение происходило не по шву, а по боковой стенке.) Таким способом было трудно изготовлять трубы большого сечения, поэтому римские сифоны состояли из нескольких тонких труб. Обычно они имели наружный диаметр 25-27 см и толщину стенки от 3 до 5 см. Судя по сохранившимся остаткам, трубы изготавливались длиной около 3 м.

Подсоединенные к напорному резервуару, трубы опускались по короткому откосу до земли и проходили по склону ущелья с заглублением примерно на 1 м. Подземная прокладка труб, использованная, по-видимому, для их зашиты от повреждения человеком, предотвращала также чрезмерное расширение труб в жаркие дни.

Сифонные трубы могли прокладываться до самого дна ущелья, следуя его профилю, однако на дне часто строился невысокий мост ("вентер" – лат. venter), с тем чтобы нижняя часть U-образного сифона была более плоской для уменьшения перепада высот. Вентер создавал два резких перегиба ("геникулус" – лат. geniculus) на концах моста, вследствие чего могли возникать напряжения в стыках труб при ударе водяной струи. Однако он сокращал расстояние от верха до низа U-образного сифона и, следовательно, уменьшал статическое давление.

Даже там, где вентер хорошо сохранился (например, близ Бонана под Лионом), на его поверхности уже нельзя обнаружить следов когда-то проложенных по нему труб. Вентер в Бонане имеет ширину 7,35 м, значительно большую, чем необходимо для прокладки девяти труб диаметром 25 см. Вероятно, широкие края моста служили проходом для рабочих.

После второго геникулуса трубы поднимались по противоположному склону ущелья. Наверху вода поступала в приемный резервуар, аналогичный напорному, а из него – в обычный водопровод. Приемный резервуар устанавливался заметно ниже уровня напорного резервуара; разность их уровней составляла так называемый гидравлический градиент. Вода могла бы подняться до своего первоначального уровня, если бы ее движение не замедлялось постепенно возрастающим трением в девяти тонких трубах. В трубах площадь соприкосновения воды со стенками значительно больше, чем в обычном прямоугольном канале, в частности, потому, что такой канал не заполнялся полностью и вода в его верхней части текла без трения о стенку. Следовательно, если бы оба конца сифона были на одном уровне, движение воды через сифон было бы настолько медленным, что произошло бы переполнение напорного резервуара. Для того чтобы обеспечить подачу воды в нужном объеме и с нужной скоростью, при устройстве сифона через ущелье приходилось мириться с большей потерей высоты, чем при сооружении обычного моста-акведука. Гидравлический градиент сифона был примерно в 10 раз больше нормального уклона моста-акведука.

О разнообразии топографического характера местности, при котором римляне прибегали к устройству сифонов, можно судить по четырем сохранившимся акведукам, снабжавшим Лион водой: это Монт-д’Ор, Жье, Крапонн и Бревенн. Даже относительно короткий водопровод с небольшим общим перепадом высот мог потребовать сооружения нескольких сифонов; их число, вероятно, определялось числом ущелий, пересекаемых водопроводом. Водопровод Монт-д’Ор при перепаде высот 90 м имел два сифона. Водопровод Жье имел равномерный и небольшой уклон, но при общем перепаде высот 110 м потребовал устройства 4 сифонов. Водопровод Крапонн имел крутой перепад в 420 м и всего лишь два сифона, причем один из них – гигантских размеров. Водопровод Бревенн проходил по ступенчатому профилю перемежающихся обрывов и плато. При общем перепаде высот в 350 м для него потребовалось соорудить лишь один сифон.

Еще более поучительным может быть сравнение различных сифонов. Водопровод Жье имел два больших сифона – близ Сусье и Бонана. Первый имел длину 1,2 км и глубину 93 м, второй – длину 2,6 км и глубину 123 м. По случайному совпадению перепад высот в каждом из них был 9 м. Это означает, что сифон у Сусье, как более короткий, имел больший гидравлический градиент. Водопровод Крапонн служит свидетельством когда-то существовавшего воистину огромного сифона длиной около 6 км, который опускался почти на 100 м ниже гидравлического градиента. Остатков этого сифона почти не сохранилось, и свидетельство о нем является в большей мере чисто топографическим: известно, что водопровод пересекал широкое и глубокое ущелье, слишком большое для сооружения моста, и, следовательно, там был использован сифон.

Даже по древнеримским нормам количество воды, поступавшей по четырем лионским акведукам, не было особенно внушительным. По оценкам оно составляло 80000 куб. м в сутки, т.е. значительно меньше, чем у древнеримской водопроводной системы, – от 700000 куб. м до 1 млн. куб. м в сутки. (Все цифры водопотребления в Древнем Риме могут показаться необычно высокими современному читателю, но нужно иметь в виду, что римляне почти не пользовались кранами и вода текла непрерывно, обеспечивая промывку канализационных стоков).

Тем не менее сифоны как инженерные сооружения внушают уважение уже своими размерами. Общая длина девяти сифонов в лионской водопроводной системе достигает 16,6 км. Если каждый сифон состоял из девяти труб, то общая длина труб должна быть около 150 км, т.е. почти равна расстоянию от Рима до Неаполя и больше чем расстояние от Нью-Йорка до Филадельфии. Для изготовления такого количества труб требовалось 12-15 тысяч тонн свинца, и очевидно, что добыча и транспортировка такого огромного количества свинца требовала гигантских усилий. Каждый метр этих труб находился под давлением, которое могло иногда достигать 12 ат. Несомненно, что в системе были течи, но она работала и перекрывала ущелья значительно большего размера, чем самые большие римские виадуки и мосты.

В дополнение к тому факту, что вода поднимается в сифоне до своего первоначального уровня, древнеримские строители должны были учитывать действие в сифоне трех сил. Во-первых, это трение в трубах, которое замедляло течение воды настолько, что приходилось жертвовать высотой для того, чтобы обеспечить постоянный ток воды. Во-вторых, статическое давление в трубе, зависящее от глубины ее закладки относительно исходного уровня воды. Статическое давление создается самим присутствием воды и действует одинаково во всех направлениях.

Оно остается неизменным независимо от того, движется вода или нет. В-третьих, инерционный напор, создаваемый водой в перегибах трубопроводов при ее движении. Инерционный напор направлен вовне по отношению к изгибу. Вторая сила действует всегда, когда сифон наполнен водой. Все три силы находятся в действии, только когда сифон наполнен и пропускает воду.

Сифоны приходилось периодически освобождать от воды для чистки и ремонта. При наполнении труб водой инерционный напор может достигать критической величины. Воду нужно было впускать медленно и постепенно до наполнения трубы. Если же затворы открывали резко, вода, обрушиваясь с высоты и ударяя в первый перегиб трубы, могла ее разрушить. Отсечка воды для дренажа трубы также должна была производиться постепенно; в противном случае, т.е. при резком закрытии затвора, могло возникать явление гидравлического удара в результате распространения ударной волны в обратную сторону вдоль внезапно остановленного столба движущейся воды. Это также могло вызывать серьезные повреждения труб.

Мы не знаем, насколько полно понимали древние римляне эти принципы. Ясно, что они могли применять их эмпирически, поскольку известно, что сифоны работали успешно. Попытки отыскать подробное изложение теории сифонов в древних рукописях, к сожалению, не дали утешительных результатов. До нас дошел трактат о водопроводной системе Рима, написанный Секстом Юлием Фронтинусом, который в 97 г. н.э. был назначен управляющим водоснабжения Рима, однако он не упоминает сифоны может быть потому, что они не считались значительным элементом римской водопроводной системы. Единственным дошедшим до нас письменным свидетельством является описание сифонов, содержащееся в восьмой книге "Об архитектуре" (De Architectura) Марка Витрувия Поллио.

Некоторые записи Витрувия вполне ясны. Он понимал, что дренаж и наполнение сифона должны производиться с осторожностью, и рекомендовал укреплять сифонные трубы массивной каменной кладкой, чтобы усилить их сопротивление инерционному напору в перегибах. Однако он заблуждался в основных принципах и, вероятно, не вполне понимал, как работает сифон.