НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОТЕХНИКЕ И ГИДРОТЕХНИКАХ
Освоение Северной Месопотамии началось в VI тысячелетии до н.э. Уже в V и IV тыс. до н.э. была создана система каналов [137] в Южной Месопотамии, а затем и в средней части двуречья. Крупные здания в Месопотамии имели канализацию и дренажные системы. В домах были ванные комнаты (впоследствии так же были устроены дома в Греции (VI в. до н.э.). Первые труды по агрономии появились за три тысячи лет до н.э. В Месопотамии ввели часы, минуты, секунды, деление окружности на 360°.
В 19 веке до н.э. появился город Вавилон (Баб-Или «Врата Бога»), который Геродот называл самым красивым городом на Земле (современный Ирак, где реки Тигр и Евфрат сближаются больше всего). В строительстве и эксплуатации оросительных систем участвовали все жители. Уклонение от работ каралось смертной казнью или продажей в рабство. Руководителем строительства являлся царь. Законы царя Хаммумара в виде 282 статей были записаны на столбе из черного базальта, который в настоящее время хранится в Лувре. Упоминание о Вавилоне есть в Библии. С ним связан библейский рассказ (легенда) о царе Вавилона Валтасаре («Пир Валтасара»). В IV—III вв до нз. грек Берос написал историю Вавилона в 3х томах.
Начиная с XVIII в. до н.э. в Вавилоне уже готовили строителей гидротехнических сооружений. Решались задачи о плотинах, колодцах, водяных мельницах.
Год в Вавилоне был равен 365 дням, 5 часам 41 минутам и 4,16 секундам, то есть ошибка составляла 7 минут и 17 секунд. В это время были открыты планеты Венера и Юпитер. Было установлено, что каждые 2 тысячи лет меняется эра. Сейчас наступила эра Водолея.
Индусская цивилизация одна из самых древних в мире. В VI тыс. до н.э. население занималось земледелием (слово «пища» в Индии означало «отварной рис»). В IV тыс. до н.э. применялось орошение. В V веке до н.э. выплавлялась сталь. В древней Индии развивались такие науки, как астрономия, математика (были составлены таблицы синусов, цифры десятичной системы пришли к нам из Древней Индии), индусы знали о шарообразности Земли. Уже в древние времена в Индии строительство фундаментов осуществлялось с помощью опускных колодцев, а в Европе лишь в XIX в. н.э. Водоснабжение, канализация, ванные комнаты в Индии появились, повидимому, раньше, чем в Вавилоне, уже в IV Ш вв. до н.э. здесь строились каналы, дамбы, пруды, колодцы, дороги.
В Египте считали, что мужчина, создающий семью обязан построить дом, посадить сад и выкопать пруд. Элементы индийского гидротехнического строительного искусства использовались в этой стране. В Древнем Египте строились плотины. Остатки одной из них, высотой 14 м обнаружены в 24 км к югу от Каира (две стены из бутовой кладки шириной по основанию 37 м и по верху 29 м и ядро между ними из смеси камня, гравия и супеси. Ширина ядра по основанию 32 метра. Откосы из известняковых глыб 0,3x0,45x0,8 м.).
А плотина высотой 3,25 м для защиты от нильских паводков была построена 4500 тыс. лет назад и существует в настоящее время. Плотины высотой до 25 м строились повсеместно. В Египте существовал канал из Средиземного моря в Красное через один из рукавов в дельте.
Египет оставался наиболее просвещенной страной Средиземноморья до V века н.э.
Огромное гидротехническое строительство имело место и в Урарту, и в Персии и в других странах Восточного Средиземноморья.
Интереснейшим и совершенным на Востоке был Марибский гидроузел на территории современной Йеменской республики. Исследования остатков этого гидроузла провели В.Г. Ганчиков и З.И. Мунавваров [36]. Гидроузел был сооружен в VII в. до н. э. и просуществовал, служа людям, до VI в, н. э., т. е. 1300 лет.
Гидроузел (рис. 1.1) состоял из земляной плотины высотой до 18 м и длиной по гребню 750 м, по бортам вади (долины с временным водотоком) были размешены два ирригационных водовыпуска северный и южный. Вода из водовыпуска поступала в левобережный (с расходом до 30 м3/с) и правобережный (до 15 м3/с) магистральные каналы. К северному (левобережному) ирригационному водовыпуску примыкал катастрофический водосброс автоматического действия. Но использовалась даже сбросная вода. Она направлялась в соседнюю долину, где орошала засеянную землю, что позволяло получать дополнительный урожай. Кроме водосброса автоматического действия, на обоих водовыпусках имелись водосбросные отверстия, сброс через которые регулировался каменными балками Шандорами. Гидроузел орошал 10 тыс. га земли. Участок земляной плотины сохранился у северного (левобережного) водосброса (рис. 1.2). Плотина выполнена из супесчаного (по внешнему виду) материала с креплением верхового откоса каменной мостовой. На переднем плане (см. рис. 1.1) хорошо видны каменный южный (правобережный) устой и водосброс; вдали профиль плотины и за ним северный водосброс.
Поражает глубина знаний древних инженеров в области гидравлики, гидрологии и грунтовых сооружений. Первыми инженерами этого гидроузла были отец и сын Али Януф и Ата Амр. Они точно оценили расчетные расходы воды и правильно рассчитали пропускную способность водосбросов, заложение откосов в условиях 9балльной сейсмичности (что и обусловило надежность сооружений гидроузла), а также ирригационные системы. Ведь еще не было формулы Шези, не существовало методов расчетов каналов и водосливов, устойчивости откосов. Не существовало и теории вероятности, которая используется в настоящее время для гидрологических прогнозов. Все это заменялось колоссальным опытом (который передавался из поколения поколение, накапливался, множился) и природным умом, смекалкой.
По мере эксплуатации гидроузла наносы заиляли водохранилище (см. рис. 1.2). Время от времени сооружения наращивались. Такая реконструкция, видимо, проводилась в два этапа, в I в. до н. э., а затем в 450 г. и 557 г. н. э. Великий памятник древней цивилизации сохранился в таком хорошем состоянии, что авторы, его обследовавшие, предлагают его восстановить (это несмотря на то что в 3 км выше по течению в 1986 г. построена новая Марибская плотина высотой 40 м в составе гидроузла). Этот гидроузел имел столь большое значение для народов, что он упоминается в Коране.
Эпоха Возрождения дала существенный толчок к развитию гидротехники. Первый камерный шлюз был построен на канале в Милане в 1438 г. Его авторами были Филиппо и Фиораванти (из Болоньи), хотя имеются данные, что ранее такие сооружения строились в Нидерландах. XV в. дал миру и Бертола да Новате, который стал применять в каналах камерные шлюзы для преодоления больших напоров. Его канал между Миланом и Павией (протяженность 30 км) со множеством шлюзов для преодоления разницы бьефов до 25 м существует и поныне (шлюзы перестроены). Строил он и другие каналы и плотины, дамбы и акведуки.
Самым великим представителем XV в. был Леонардо да Винчи. Среди его бесчисленных интересов была и гидротехника: он строил каналы (канал Амбу аз Франция). Его главное достижение в гидротехнике внедрение затворов шлюзов на петлях, т. е. изобретение шлюзовых ворот.
Одним в из величайших умов человечества Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую систему мира. Его труд «О вращении небесных сфер» был выпущен в год его смерти в 1543 г. (возможно, он специально так подгадал с изданием). Книга была немедленно запрещена католической церковью (запрет сохранялся до 20х годов XIX в.). Однако Николай Коперник прославился не только как астроном, но и как инженергидротехник.
Город Фромборк, где жил и умер Николай Коперник, расположен в Прибалтийской части Польши. Близ города (в 2-х км) протекала река Бауды. Пользоваться водой этой реки жители города не могли из-за её отдаленности и вследствие маловодности в меженный период вплоть до пересыхания. Для снабжения города водой Коперник построил в 2х км выше города водозаборный узел: водосливная плотина и регулирующие устройства, с помощью которых вода отводилась из созданного плотиной водохранилища в прорытый канал, который подводил воду к подножию городского холма. Здесь вода крутила колеса мукомольной мельницы, проходила под водоподъёмной башней высотой 28 м, далее крутила колёса ещё ряда мельниц, обслуживала дубильное производство, и далее канал отдавал излишки воды в Балтийское море. Общая длина водоотводящего канала, получившего в дальнейшем название «Коперни ковского», составляла 4 км. Канал просуществовал 200 лет. Коперник осуществил комплексное использование малой реки.
Особый интерес представляет сконструированный Коперником водозаборный механизм, размещенный в башне, для подъема воды на высоту 25 м (на командные для города отметки). Огот механизм пр+едставлял из себя ряд ковшей, насаженных на цепь, которая обвивалась вокруг призматических валов, укрепленных вверху и внизу башни, устройство сходное с многоковшовыми землечерпальными снарядами. Поднимаясь поочередно на верх башни, ковши опрокидывались, и вода сливалась в приемную воронку, которая трубами соединялась с напорным резервуаром, установленным на расстоянии 200 м от башни на городском холме. Из резервуара вода поступала в городскую сеть труб.
До Коперника никто так высоко воду не поднимал. В городских трубах вода шла под напором 18 м. В те времена (XVI век) ни один город в Европе не имел такого водоподъемного механизма. Напорные трубопроводы в Париже и Лондоне появились существенно позже спустя 150 лет. Людовик XV затребовал образец машины Коперника для устройства водоснабжения города Марли (вблизи Парижа).
Подобные системы Коперник построил в ряде других городов прибалтийских провинций Польши. Эти сооружения исключительно долго служили людям почти до XIX века, а водоподъемную башню наблюдали в 70х годах XIX века, т.е. она служила 300 лет с лишним.
Развитие капитализма, строительство заводов и фабрик поставило перед гидротехниками новые задачи: создание плотин, а следовательно, и водосбросных сооружений. Нужно было создавать более высокие напоры воды (в России в XVII] в. было построено 200 больших плотин), чтобы крутить валы машин, приводить в движение лесопильные установки, ткацкие станки, тяжелые молоты. Поэтому появляются гидросиловые установки. На Руси их называли мельницами.
Много внимания гидротехническому строительству уделял Петр I. Еще в начале XVII в. во времена смуты на Руси татары из Астрахани пытались прорыть канал между Волгой и Доном. Была выбрана трасса, начались работы, которые, однако, быстро и прекратились. К идее соединить эти реки каналом возвращались многократно. Начали эти работы при Петре I, но сил для осуществления этого проекта в государстве не хватило. Канал был построен лишь в 1952 г. Граф А.Х. Бенкендорф, когда он не был еще начальником III отделения (18011803 г.) и впереди его ждало «Бородино», партизанский отряд и восстановление Москвы он был тогда боевым и уважаемым генералом, писал: «Мы... направились посетить славный Дон край неугомонных и воинственных донских казаков. В этом месте Волгу от Дона отделяют всего 7080 верст. Сулейман П (двенадцатый Османский султан) и Петр I хотели соединить обе реки каналом, и мы проехали по местам, где были видны следы работ, начатые в разное время этими великими людьми. Думаю, государь, который осуществит этот грандиозный проект, сделает больше для процветания и обогащения России, чем те, кто прибавляет новые губернии к и без того бескрайней ее территории. Канал дал бы возможность вывозить в Черное море продукцию плодородных частей России и соединить Каспийское море с морями Европы» [14].
В XVIII начале XIX вв. были сооружены Вышеволоцкая, Тихвинская, СевероДвинская, Мариинская водные системы. Последняя соединила Волгу с Балтийским морем. В 1961 г. Мариинская система была перестроена в Волго Балтийский водный путь длиной 1100 км. Этот путь соединяет Волгу с Балтийским морем, а через БеломорскоБалтийский канал с Белым морем.
Развитие наук в России (а развитие гидротехники, немыслимо без развития различных областей знаний: гидрологии, геологии, теории упругости, гидравлики и многих других) началось с созданием Петербургской Академии Наук (ПАН). Инициатором создания ПАН был Петр I. В 1721 г. он послал своего библиотекаря Шумахера в Европу для консультаций с иностранными учеными по вопросам создания Академии Наук в Петербурге. Ему вменялось в обязанности также заказать физические приборы для проведения опытов. Кроме этого, Петр I послал Парижской Академии Наук новую и верную карту Каспийского моря. Характерная деталь о финансировании ПАН Петр обязал гг. Нарву, Дерпт, Пярну, Аренсбург отчислять на содержание Академии в общей сложности 24912 рублей ежегодно из таможенных сборов. Постановление о создании Императорской АН в Петербурге относится к 1724 г. [214], но открытие АН было уже после смерти Петра I в 1725 г. (отметим, что Берлинская АН была образована на 15 лет позже). Первым президентом АН стал JI.JI. Блюментраст (заведовал библиотекой и кунсткамерой). Среди президентов АН, за всю историю ее существования, следует выделить Екатерину Романовну Дашкову, которая возглавляла Академию Наук в течение 12 лет в конце XVIII в. Она улучшила финансирование АН, существенно пополнила библиотеку Академии, издала сочинения М.В. Ломоносова в 6ти томах.
Гидродинамика была переведена с латинского на русский только в 1959 г. А.И. Некрасовым расчистки порогов и строительства плотины на р. Волхов, занимался в 1828— 1850 гг. улучшением судоходства на р. Западная Двина. В 1836 г. П. П. Мельников издал «Основание практической гидравлики». П.П. Мельников предложил трассу железной дороги между Москвой и Петербургом (18411851 гг.). Это была самая протяженная и технически совершенная дорога на тот период времени. Во второй половине XIX в. были изобретены гидравлические турбины с высоким КПД, что послужило началом строительства ГЭС. Появилась возможность передавать на большие расстояния электрическую энергию. В 1847 г. Д. Френсис изобрел радиальноосевую турбину; в 1889 г. А. Пелтон ковшовую турбину для высоких напоров. Поворотнолопастная турбина (турбина Каплана) была предложена австрийским инженером В. Капланом в 1920 г. и позволила использовать напоры воды в 1560 м. Русская гидротехническая наука развивалась в основном благодаря трудам Н.Е. Жуковского (1847 1921 гг.) и Д.А. Лачинова (передача электроэнергии на дальние расстояния, 1880 г.).
Большое значение имели труды В.М. Лохтина и Н.С. Лелявского по гидрологии и русловым процессам. В.Н. Николаев и Р.Э. Кпассон (1895 г.) построили первую ГЭС с выработкой трехфазного тока Охтинскую ГЭС общей мощностью 260 кВт. Систему трехфазного тока, включая асинхронный двигатель, в 1888 г. изобрел русский ученый М.О. ДоливоДобровольский, а в 1891 г. он осуществил первую передачу трехфазного тока на расстояние 175 км с напряжением 8000 В.
Одним из значительных достижений мировой гидротехники явилось создание Суэцкого канала, соединившего Средиземное и Красное моря, что существенно сократило путь из Средиземного моря в Индийский океан. Идея строительства канала родилась у дипломата и родственника Наполеона III виконта Фердинанда Мари де Лессепса в период его службы французским консулом в Каире на основе изучения истории и географии. На месте будущего города, названного в честь правителя этого государства ПортСаидом, 25 апреля 1859 г. объявляется начало строительства. Строится сравнительно простое сооружение, так как из-за отсутствия перепада в отметках воды и спокойного и невысокого рельефа по трассе канала не было необходимости строить шлюзы. Длина составляла 160 км и он должен был обеспечивать пропуск морских судов. Несмотря на огромные трудности канал был завершен в 1869 г. Великолепные торжества, посвященные открытию канала, состоялись 17 ноября 1869 г. Создатель Суэцкого канала де Лессепс сказал на открытии канала: «Прошло 35 столетий с тех пор, как воды Красного моря отступили по приказу Моисея. Теперь по приказу правителей Египта они возвратились на место!» Великий Д. Верди к этому празднику не успел завершить свою самую гениальную оперу «Аида», которая была поставлена в Каире в 1871 г., а на открытии в новом оперном театре давали «Риголетто» тоже Д. Верди За три года канал окупился, с 1872 г. стал давать прибыль. Этим строительством де Лессепс завоевал всемирную славу. Будучи на вершине славы, он начинает осуществление еще одного великого проекта соединение Атлантического и Тихого океана через Панамский перешеек. Но ошибки проекта, неправильные подсчеты объемов работ, эпидемии среди рабочих (к 1887 г. от малярии и тропической лихорадки умерло до 40 тыс. рабочих) разорили Компанию межокеанского канала. Создатель этой компании де Лессепс оказался в тюрьме, где и окончилась его жизнь. Этому великому организатору и романтику строительства в ПортСаиде стоит памятник со словами «Открыть народам мир».
Продолжили строительство Панамского канала США. Они выплатили французам 40 млн долл. возмещения за сделанное. В 1907 г. начальником строительства был назначен инженерполковник Джордж Вашингтон Гоутхаус, который вдохнул жизнь в строительство. В ходе этого строительства впервые на научную основу была поставлена борьба с эпидемиями. Для борьбы с оползнями пришлось выполнить земельные работы объемом 260 млн м3. Французы ошиблись в подсчете объемов работ в 5 раз, допустив ошибки при инженерногеологических изысканиях. Длина канала составила 81 км. Этот канал уже имел шлюзы две нитки по три шлюза с камерами 300x33 м. 15 августа 1914 г. президент Панамы Велизарио Поррас открыл канал. Панамский канал был признан мировым сообществом одним из 10 великих строительных сооружений XX в., но на первое место был поставлен Асуанский гидроузел, построенный СССР в Египте (ТИП Н.А. Малышев, начальники строительства И.В. Комзин и А.П. Александров, главный инженер строительства Г.А. Радченко).
XX век век огромного гидротехнического строительства и прежде всего энергетического. Строительство во всем мире привело к появлению большого количества инженеров, ученых, организаторов строительства. О некоторых из них еще будет сказано в дальнейшем, а здесь отметим двух инженеров. Иван Гаврилович Александров (18751936 гг.) москвич, выходец из небогатой семьи. В 1898 г. он поступил в Московский институт инженеров путей сообщения, который закончил в 1901 г. Это весьма редкий случай столь быстрого окончания очень серьезного технического вуза. Он разработал проекты мостов через р. Нева (Финляндский), через р. Москва (Бородинский), р. Волга (в Старице). С 1912 г. он занимается гидротехническим строительством. Эта область деятельности его захватывает. Глубокое изучение смежных отраслей делает его специалистом широкого профиля. С этого времени он занимается ирригацией в Средней Азии, схемой зарегулирования р. Днепр с созданием гидроузла, который впоследствии стал называться ДнепроГЭС им. В. И. Ленина. Этот гидроузел затапливал Днепровские пороги и делал реку судоходной. Он разработал проект крупного промышленного центра, снабжаемого энергией ГЭС, предложил строительство Каховского гидроузла. Предложения И. Г. Александрова были приняты и с 1921 г. было создано проектное учреждение «Днепрострой». Главная идея И.Г. Александрова строительство гидроузлов комплексного назначения. Строительство ДнепроГЭСа продолжалось с 1927 до 1933 гг. ДнепроГЭС стал основой южной энергетической системы.
И.Г. Александров активный участник составления плана ГОЭЛРО. ГОЭЛРО план электрификации России разрабатывался по идеям В.И. Ленина и под руководством Г.М. Кржижановского в 1920 г. Этим планом предусматривалось создание целой системы тепловых и гидроэлектростанций, призванных создать энергетический фундамент промышленности. Первенцем этого плана была Волховская ГЭС, а завершалось его осуществление строительством ДнепроГЭСа мощностью 560 тыс. кВт (в настоящее время его мощность увеличена). Планом предусматривалось строительство 10 ГЭС общей мощностью 1,5 млн кВт и годовой выработкой 8,8 млрд кВтч. Комплексный подход применялся и при разработке схемы использования р. Ангара со строительством мощных промышленных комбинатов. И. Г. Александров, В.Е. Веденеев и А.В. Винтер были инициаторами создания факультета гидротехнического строительства в МИСИ.
В 50-80-е гг. были построены оросительные системы в Среднеазиатских республиках, задуманные еще в конце XIX начале XX вв. русскими инженерами в планах развития Туркестана и прилегающих областей: КараКумский канал длиной более 1000 км, Большой Ферганский канал длиной более 1000 км и др.; каналы в Грузии, Азербайджане, Армении, на Северном Кавказе (Терско Кумский, Невинномысский и др.), в Крыму (СевероКрымский и др.). Многие системы работают в комплексе с энергетическими и судоходными гидроузлами. В Белоруссии, Западной Сибири, Прибалтике, на Украине и т.д. велись крупные осушительные работы.
Для водоснабжения городов и промышленности были построены каналы большой протяженности с большим расходом воды, такие как им. Москвы (комплексного назначения), Северный Донец Донбасс, Днепр Кривой Рог, ИртышКараганда и др.
Для развития промышленности требуется электроэнергия, которую дает гидротехника. При этом ГЭС вырабатывают легко управляемую энергию, так как для гидравлической турбины требуется 1030 с на переход из состояния холостого хода до режима номинальной мощности, т. е. через 1030 с гидроагрегат принимает на себя полную нагрузку. Это исключительно ценное качество ГЭС. Энергетики считают, что в любой энергетической системе для покрытия пиковых мощностей необходимо иметь около 20% легко регулируемых мощностей. В середине XX в. появился новый тип гидравлических станций: ГАЭС гидроаккумулирующая электростанция. Эти станции позволяют перераспределять выработанную ТЭС и АЭС энергию в течение суток или даже сезона.
Среди ученыхгидротехников XX в. следует выделить К. Терцаги основоположника современной механики грунтов; Койна (Франция) инженера, крупнейшего специалиста по проектированию и строительству бетонных плотин; Ф. Фогта немецкого инженера, специалиста в области расчета конструкций на скальном основании; Роша и Серафима португальских инженеров, специалистов в области бетонных плотин. Среди советских ученых необходимо выделить акад. Н.Н. Павловского крупнейшего специалиста в области теории фильтрации и гидравлики; акад. П.Я. ПолубариновуКочину, проф. Е.А. Замарина, Ф.Б. НельсонаСкорнякова также специалистов в области теории фильтрации (вообще была создана крупнейшая отечественная школа специалистов в области фильтрации, среди которых В.Н. Аравин, С. Н. Нумеров, С.Ф. Аверьянов, Н.Н. Веригин, В.П. Недрига и др.); М.Д. Чертоусова и И.И. Леви, К.А. Михайлова специалистов в области гидравлики; М.А. Великанова, В.Н. Гончарова, С.Т. Алтунина, Н.А. Ржакицына специалистов в области эрозионных процессов; Н.Н. Джунковского специалиста в области теории волн; Н. М. Герсеванова, В.А. Флорина, Н.П. Пузыревского, Н.Н. Маслова специалистов по механике грунтов; А. А. Ничипоровича специалиста в области исследования и проектирования грунтовых плотин и др.
Не меньший вклад в развитие отечественной и мировой гидротехники сделали специалисты высшей школы. В первую очередь следует выделить дра, проф. М.М. Гришина заведующего кафедрой гидротехнических сооружений МИСИ им. В.В. Куйбышева, дра техн. наук, проф. Ф.Ф, Губина заведующего кафедрой использования водной энергии МИСИ. Они создали капитальные учебники (соответственно «Гидротехнические сооружения» и «Гидроэлектростанции»); которые не потеряли своего значения и сегодня. По ним учились тысячи специалистов, они стали справочным пособием для инженеров. Эти труды были переведены во многих странах мира.
Большое значение в подготовке инженеровгидротехников имели труды в области: инженерной геологии Н.Я. Денисова и Л.Д. Белого; механики грунтов проф. Г.М. Ломизе, чл.кор. АН СССР Н.А. Цытовича, чл.кор. АН СССР B. А. Флорина; гидравлики С.С. Избаша, М.Д. Чертоусова, П.Г. Киселева; энергетики Т.Л. Золотарева, А.А. Морозова, гидромелиорации Е.А. Замарина, И.И. Агроскина и т. д.
Среди инженеровпроектировщиков следует назвать Н.А. Малышева ГИП Куйбышевского и Асуанского гидроузлов, Г.К. Суханова ГИП Иркутского, Братского и УстьИлимского гидроузлов, С.А. Боровца и П.П. Листрово го авторов проекта Нурекского гидроузла, А.В. Михайлова ГИП Волгоградского гидроузла и др. Особо необходимо отметить таких организаторов гидротехнического строительства, как Б.Е. Веденеев, А.В. Винтер, Г.О. Графтио, C. Я. Жук, В.Д. Журин, Н.В. Разин, И.И. Кандалов, И.В. Комзин, Е.И. Ботенчук, И.И. Наймушин, А.М. Гиндин, А.П Александров, А.Е. Бочкин, К.В. Севенард, З.Л. Серый, Ю.К. Севенард, С.Я. Лащенов и др.
