Каналы помогают городам расти, а небоскребы — бороться с землетрясениями: как учёные и бизнес меняют земной ландшафт

Подборка инженерных проектов из России, США, Нидерландов, Египта и других стран.

Человечество применяло осушение и орошение земель за четыре тысячи лет до нашей эры. К началу 19 века люди приспособили под сельское хозяйство 8 млн гектаров земли, а к 20 веку уже 68 млн гектаров.

Топкие земли Восточной Пруссии, часть которых сейчас — Калининградская область, не были пригодны для ведения сельского хозяйства.

Поэтому в 14 веке магистр Тевтонского ордена Конрад фон Юнгинген решил основать управления осушительных и оросительных работ, которые построили специальные дамбы для защиты земель от половодья.

В 1395 году фон Юнгинген распорядился соединить каналы рек Дайме и Прегель в районе нынешнего Гвардейска, чтобы развить судоходство. Следующие поколения немецкой знати проложили водные пути, которые сегодня называются Полесский и Немонинский.

Через каналы приезжали фермеры, чтобы осваивать осушенные земли и вести хозяйство. С начала 17 века немцы стали возделывать польдеры — осушённые прибрежные участки.

В начале 20 века инженеры соорудили систему подземного дренажа, общая протяжённость которой занимала 420 тысяч километров. Всего они построили 14 бассейнов и 365 осушительных конструкций.

Работавший над проектом немецкий мелиоратор Фриц Херргайст оценил его в 4 млрд марок по курсу 1979 года. Первоначально Веймарская республика финансировала строительство и поддержание системы, но позже из-за экономической нецелесообразности передало её в собственность мелиоративных товариществ.

Система пострадала, когда в 1945 году Кёнисберг вошёл в состав СССР. Неизвестно, сломали систему немцы, когда отступали, или она пострадала из-за военных действий и отсутствия ухода.

Система была приспособлена для индивидуальных хозяйств, и советские власти не могли перенастроить её для обслуживания колхозов. Несмотря на открытие курсов по мелиорации и организацию специальных бригад, восстановить систему полностью не удалось — она так и осталась заброшенной.

Сегодня комиссия по вопросам социально-экономического развития Калининградской области планирует реконструировать мелиоративные системы региона — на эти цели Минсельхоз России направит в 2019 году 500 млн рублей.

Всего государственные инвестиции с 2019 по 2025 год составят 4 млрд рублей. Деньги должны пойти на восстановление 17 мелиоративных объектов, ремонт насосных станций, русел, водоприёмников и на субсидирование противопаводковых работ.

С конца 19 века голландский инженер Корнелис Лели разрабатывал план, который позволил бы защитить Нидерланды от Северного моря, а заодно решил бы проблему голода из-за недостатка пахотных земель.

Он предложил построить дамбу между северной частью провинции Северная Голландия и западным берегом провинции Фрисландия.

В 1913 году Лели стал министром транспорта и общественных работ и к 1918 году представил законопроект под названием Zuiderzee Act, который впоследствии приняли, а сам проект начали называть «Зёйдерзе».

Работы по перекрытию залива начались 1 мая 1919 года. Первым делом рабочие построили две дамбы, которые сомкнулись между собой в 1932 году. Одна пролегла от Северной Голландии до острова Виринген, а другая — от Вирингена к Цюриху.

Образовавшийся залив благодаря впадавшим рекам был опреснён и превратился в озеро, которое назвали Эйсселмер. В результате почвы, прилегавшие к водам, тоже прекратили засаливаться.

Мелиорацию на этих землях начали осваивать ещё во время строительства дамбы, в 1927 году, тогда на западе Зайдёрзе был создан небольшой польдер — земельный участок с дренажными устройствами. К моменту окончания Второй мировой войны мелиораторы осушили 1650 км² земель.

На пригодные для сельского хозяйства и защищённые от морской стихии земли начали приезжать поселенцы: на осушенной площади появились три новых города — Лемме, Волленховен и Блокзейл.

В 1930-е годы Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР разработало программу развития сельского хозяйства на пустынных землях Туркмении, Узбекистана и южного Казахстана. В первую очередь — хлопковых полей, которые не терпят соседства других культур.

Для этого на реках Амударье и Сырдарье построили ирригационные конструкции, чтобы орошать плантации. Однако инженерные системы забирали слишком много водных ресурсов — например, из-за Каракумского канала Амударья стала на 45% мельче.

В результате Аральское море перестало получать подпитку, хотя первоначально это не приносило заметного вреда. В 1960 году Арал занимал четвёртое место в списке самых крупных озёр мира (уступая озёрам Виктория, Верхнее и Каспийскому морю) — его площадь составляла 68 тысяч км².

В то время Аральское море давало рабочие места рыболовам. В 1946 году в Арале отловили 23 тысячи тонн рыбы. В Казахстане было пять рыбных заводов, один комбинат, 45 рыбоприёмных пунктов, В Узбекистане — пять заводов, один комбинат и больше 20 рыбоприёмных пунктов.

Однако в 1960-е годы по решению ЦК КПСС орошаемые земли увеличились с 4,5 млн до 8,2 млн гектаров, Арал начал постепенно высыхать и засаливаться.

К 1987 году Аральское море разделилось на два водоёма: Северное (Малое) и Южное (Большое). В 1992 году правительство Казахстана построило песчаную Кокаральскую плотину, чтобы перекрыть отток воды и поднять уровень Малого моря.

Однако в 1999 году плотина была разрушена из-за повышения уровня воды, а затем заново отстроена в 2005 году — при софинансировании Всемирного банка. Стоимость всего проекта составила $85,8 млн, из которых на заём пришлось $65,5 млн.

Плотина помогла стабилизировать уровень моря на отметке в 42 метра, что позволило восстановить промысел местных ценных видов рыб — судака и сазана. На территории малого Арала было запущено 16 рыбоперерабатывающих предприятий.

Сегодня годовой объём улова рыбы составляет 8000 тонн (почти в три раза меньше, чем в 1946 году), которые в основном идут на экспорт. Правительство Казахстана планирует построить судоходный канал к порту Аральск, чтобы суда имели доступ к рыбным заводам — проект оценивается в $200 млн.

Впервые люди задумались о том, чтобы построить новые пути через воду, в шестом веке до нашей эры — персидский император Дарий Первый прорубил водный ход от Нила до Красного моря. Его маршрут был близок к современной Исмаилии (сегодня этот город — остановка Суэцкого канала).

Следующим известным проектом стал Великий канал в Китае, строительство которого началось в четвёртом веке до нашей эры и продолжалось вплоть до 13 века нашей эры. Изначально канал использовали для поставок риса из города Янцзы в центры политической власти на севере страны. Великий Канал действует до сих пор— он соединяет крупные порты Шанхай и Тяньцзинь.

В 1391 году был прорыт один из первых каналов в Европе — между реками Эльба и Любек. Он связывает Балтийское и Северное моря. В 1500 году впервые установлен современный шлюз на канале в Милане. Предполагается, что его спроектировал Леонардо да Винчи.

Впервые улучшить естественные водные пути Нью-Йорка предложил губернатор Кадвалладер Колден в ходе доклада о торговле в 1724 году. Однако современный проект канала Эри был представлен в серии очерков анонимом под псевдонимом Геркулес.

Как выяснилось, автором был разорившийся торговец мукой из западного Нью-Йорка Джесси Хоули, который писал из тюрьмы должников. Он обанкротился, пытаясь открыть торговлю мукой на рынке Атлантики. В те времена требовались недели, чтобы добраться до восточного побережья, а количество груза было ограничено силой вьючных животных.

В Нью-Йорке как раз начинались выборы губернатора, и эссе Джесси Хоули привлекли мэра ДеВитта Клинтона, который использовал проект канала в качестве предвыборного обещания. 1 июля 1817 года он был избран губернатором, а 4 июля 1817 года местный судья Джон Ричардсон, которого назначили подрядчиком, приступил к строительству.

И хотя президент США Томас Джефферсон и политические враги Клинтона отнеслись к проекту скептически, государство выделило на строительство канала $7 млн.

Строительство через гористую местность и скалы оказалось сложным. Одной из главных инженерных задач был проход через долину Айрондеквойт возле Рочестера: строителям было важно проложить канал, не меняя уровня.

В итоге его пришлось вести через естественные горные хребты. Для этого они сконструировали два искусственных хребта из земляных насыпей высотой 402 метра. Всего на строительство ушло восемь лет, землю расчищали вручную или при помощи динамита.

Открытие канала состоялось 4 ноября 1825 года. Тогда же начались и работы по расширению до Огайо. Инвестиции в проект окупились в течение восьми лет.

Именно каналу Эри Нью-Йорк обязан своей доминирующей ролью среди штатов Америки. Эри позволил сократить время в пути между Огайо и Нью-Йорком с шести недель до шести дней и уменьшить путевые затраты со $100 до $10.

Из-за снижения путевых затрат и времени цены на товары в Нью-Йорке упали. Это спровоцировало приток новых людей в штат — за 50 лет после открытия канала население выросло со 120 тысяч человек до более чем 1 млн.

Канал способствовал началу торговли между Америкой и Европой — когда Великобритания отменила пошлины на ввозимое зерно, были налажены поставки.

В Древней Руси реки использовались как пути сообщения. Между устьями крупных рек для перемещения судов и товаров на другие водные маршруты делались перешейки. Чтобы больше не совершать такие перевалы грузов и наладить поставки в Европу, в 1709 году по приказу Петра Первого был построен водный путь, названный Вышневолоцкой системой.

Канал длиной 2811 метров и шириной 15 метров связывал реку Волгу с Невой — для этого был прорыт путь между рекой Тверцой, впадающей в Волгу и рекой Цной, которая шла в Балтийское море. На канале было построено два шлюза для удержания воды, а по берегам его окантовывали сваи.

Однако к концу строительства у системы обнаружились недочёты: например, суда можно было пускать только осенью и весной, а летом канал мелел настолько, что по нему нельзя было пускать и брёвна. Ещё одним недостатком было одностороннее движение: корабли могли ходить только от Волги до Невы.

По каналу проходило всего 400 судов в год. Этого было недостаточно для снабжения Санкт-Петербурга, поставки постоянно задерживались. Одним из решений стало строительство Староладожского канала — обходного пути из реки Волхов в Неву. Закончить его удалось в 1730 году.

Другое решение предложил купец Михаил Сердюков: перенаправить воды реки Шлины в Цну и построить резервное водохранилище. Он рассчитывал, что таким образом вода в канале умножится и суда смогут ходить свободно. Причём все работы он вызвался провести за свой счёт.

Это сработало: суда теперь могли ходить даже летом, и количество кораблей выросло до 5500, а количество грузов — до 190 тысяч тонн. За это Сердюков получил право взимать со всех проходящих судов пошлину в 10 копеек за сажень (один сажень — 2,1 метра).

Канал использовался до 19 века, но после строительства Николаевской железной дороги, которая связала Москву и Санкт-Петербург, его значение упало, и в 1890 году движение судов по каналу прекратилось.

В сентябре 2019 года протяжённость арктического льда составила 4,32 млн км² — это третий наименьший показатель за 41 год измерений. Меньше льда в Северном ледовитом океане было только в 2012 и 2007 годах.

Учёные из британского Ноттингемского университета, в том числе климатолог Эд Хокинс, видят в сокращении льда новые перспективы для судоходства в водах Арктики.

В 2016 году они составили прогноз, согласно которому к 2100 году арктический судоходный сезон увеличится с нынешних двух-четырёх до восьми месяцев в году. Это позволит открыть четыре более быстрых транснациональных судоходных маршрута и возможность плыть прямо посередине через Северный ледовитый океан.

Сейчас плавание из Европы в Восточную Азию занимает 30 дней через Суэцкий канал, из Северной Америки через Панамский канал — 25 дней. Но к 2030 году можно будет проплыть из Америки и Европы до Восточной Азии через северные воды за 18 и 21 день. Новые маршруты пройдут через пролив Мак-Клур, залив Амундсена, пролив Вилькицкого и пролив Санникова.

Со стороны Канады в этих местах проходят только ледоколы, с российской стороны есть инфраструктура, в частности сеть арктических морских портов. Только расстояние между портами слишком большое, чтобы помощь в экстренной ситуации успела подоспеть вовремя.

Сейчас по Северному морскому пути российских вод перевозится около 2,5 млн тонн груза в год, правительством России планируется увеличить показатель до 80 млн тонн к 2025 году.

Первые проходы через скалы сооружались с помощью примитивных орудий труда. В 19 веке изобрели динамит, тогда же появились первые проходческие щиты — машины, способные пробираться через горную породу, с тех пор движение происходит ещё и под землёй.

Между французским городом Шамони и итальянским Курмайором 13 км, но добраться из одного в другой раньше было непросто. Крутые горные перевалы были закрыты большую часть года из-за снега и льда.

В 1949 году правительства Франции и Италии подписали договор о строительстве тоннеля в горе Монблан. Работы начались в 1957 году, а завершились в 1965 году. Длина тоннеля — 11,6 км, большая часть находится на территории Франции (7,6 км), ширина равна 8,6 м. Монбланский тоннель — самый глубокий в мире, его глубина — 2,4 км.

Тоннель прокладывали машины, которые в день продвигались на 8 м. Использовалась взрывчатка — её ушло около 700 тонн. Итальянская и французская бригады встретились 14 августа 1962 года. Ещё три года было потрачено на прокладку дороги и строительство инфраструктуры.

После открытия проезда маршрут через город стал ключевым для региона — он экономит около 100 километров до Милана. Через тоннель проходит 76% импорта и экспорта Верхней Савойи.

Как и на многих сложных участках дороги в Европе, за проезд по тоннелю нужно платить, в 2019 году минимальный билет в одну сторону стоит €46 для легкового автомобиля. С грузовиков взимается от €168 до €932, цена определяется классом машины. Ежедневно через тоннель проезжает 5000 автомобилей, 68% из них — легковые.

Раньше тоннелем управляли две компании — французская ATMB и итальянская SITMB. Но после пожара, случившегося в тоннеле в 1999 году из-за возгорания грузовика, его закрыли на три года. Во время аварии оказалось, что координация между бригадами двух стран медленная. Пока от итальянской бригады дошло сообщение до французской стороны, было потеряно четыре минуты.

В 2002 году была создана новая французско-итальянская компания GEIE-TMB, которая сейчас отвечает за движение тяжёлых грузов и безопасность. В тоннеле теперь есть 37 противопожарных убежищ, способных выдержать температуру до +1000°C.

В 2012 году Департамент транспорта штата Вашингтон (WSDOT) нанял подрядчика Seattle Tunnel Partners, чтобы проложить под Сиэтлом тоннель диаметром 17 м и длиной 2,7 км для замены разрушающегося виадука.

Виадук на Аляскинском пути был построен в 1950-х годах, но был повреждён во время землетрясения 2001 года. Несмотря на то, что он безопасен для ежедневного использования, конструкция была сейсмически уязвима. Сейчас ведутся работы по его демонтажу.

Новый тоннель SR 99 — прямой маршрут между стадионом бейсбольной команды Seahawks и символом Сиэтла — башней в футуристическом стиле Спейс-Нидл, а ещё это самый большой в стране двухэтажный автодорожный тоннель стоимостью $3,1 млрд.

Система безопасности с помощью электронных датчиков на стенах тоннеля каждые несколько секунд измеряет воздух. Если система обнаруживает пожар, то автоматически включаются вытяжные вентиляторы, и она оповещает работников WSDOT, которые через камеру проверяют сигнальный участок и активируют спринклеры.

Для строительства такого сооружения Seattle Tunnel Partners наняла японскую Hitachi Zosen, чтобы построить самый большой в мире проходческий щит за $80 млн. Ему дали имя «Берта» в честь первой женщины-мэра Сиэтла Берты Лэндс.

Прокладка тоннеля должна была занять три года и завершиться в 2015 году, но «Берта» внезапно сломалась на 30-метровой глубине. Машина перегрелась через пару дней после того, как наткнулась на стальную трубу.

Рабочим пришлось проводить масштабную спасательную операцию — техасская компания Mammoet, специализирующаяся на подъёме кораблей с морского дна, с помощью специального крана вытащила 1800-тонную буровую головку из шахты на землю, где её починили и усилили японцы из Hitachi Zosen.

5 февраля 2019 года WSDOT объявил об открытии тоннеля. 9 ноября 2019 года Департамент транспорта штата Вашингтон начал взимать пошлины за проезд размером от $1 до $2,25 для водителей с вашингтонским пропуском Good To Go!, оплата варьируется в зависимости от времени суток. Водители, у которых нет пропуска, должны будут доплатить ещё $2. Оплата собирается с помощью камер, будок с билетами на входе нет.

В 1999 году в Швейцарии был утверждён проект нового железнодорожного сообщения через Альпы при финансировании общественного транспортного фонда. Годом раньше департамент Швейцарских федеральных железных дорог основал дочернюю компанию AlpTransit Gotthard Ltd.

Проект стоимостью больше $10 млрд призван сократить время железнодорожного сообщения через Альпы на час и снизить его экологический след. Проект тоннеля позволяет поездам проходить со скоростью выше 250 км/ч. Проект предполагает строительство железнодорожных сетей с юга на север. Основными считаются два направления: Готардская ось с тоннелем и Лёчбергская ось с тоннелем Лёчберг.

Первую из железнодорожных осей стоимостью 4,3 млрд швейцарских франков закончили в 2007 году. Она сократила время в пути от города Вале до Берна на 50%. Сегодня через тоннель курсирует около 110 поездов в сутки.

Строительство Готардского тоннеля началось в 2001 году, к проекту привлекли 2000 рабочих. Прокладка тоннеля велась круглосуточно на протяжении всей недели. Для строительства прохода использовали проходческие щиты и взрывчатые вещества.

Тоннель прокладывали одновременно с четырёх сторон, в 2010 году строительные команды встретились, их воссоединение показали по швейцарскому телевидению. С этого момента Готардский тоннель длиной 57 км стал официально самым длинным в мире, обогнав при этом японский Сэйкан длиной 53,8 км.

В 2016 году Готардский тоннель был открыт, через него проходит до 300 железнодорожных составов в день. До этого с 1980 года через Сен-Готардский массив курсировала автомагистраль.

4 сентября 2020 года планируется открытие третьей железнодорожной оси Ceneri, эта дата станет завершающей в строительстве альпийского железнодорожного сообщения.

Тайваньский небоскрёб высотой 509 метров построила местная архитектурная фирма CY Lee & Partners в 2003 году — проект обошёлся в $1,7 млрд. Это первое здание, достигшее полукилометровой высоты. До 2010 года «Тайбэй 101» был самым высоким небоскрёбом мира, пока его не обогнал «Бурдж-Халифа» в Дубае с высотой 828 м.

Здание построено из гибкой стали, оно одновременно подвижное и жёсткое. Фундамент усилен 380 сваями, уходящими на глубину 80 метров. Каждая из свай способна выдержать нагрузку в тысячу тонн. Внутри находятся торговые центры и офисы, между которыми курсируют со скоростью 60,6 км/ч самые быстрые лифты в мире.

В 2015 году «Тайбэй 101» занял первое место в рейтинге самых прочных зданий по версии журнала Popular Mechanics: на Тайвань со скоростью ветра 66 м/c обрушился тайфун «Соуделор», который получил 17 баллов по шкале Бофорта, но небоскрёб устоял.

Внутри установлен сейсмический демпфер массой 660 тонн. Это специальное устройство, которое предотвращает колебания. Оно сделано как противовес в виде шара.

Его изготовила компания Thornton-Tomasetti Engineers совместно с Evergreen Consulting Engineering за $4 млн. Thornton-Tomasetti Engineers до этого построила здание The New York Times и Башни Петронас, а Evergreen Consulting Engineering спроектировала местные Тантекс-Скай-Тауэр и Всемирный торговый центр Чан-Гу.

Демпфер — крупнейшая в мире сфера, состоящая из 41 стальной пластины, подвешена между 88 и 92 этажами. На вершине шпиля находятся ещё два маятника весом по 6 тонн каждый. Под демпферами установлены пружины, которые сдерживают их движение.

Самый длинный мост в мире построен в 1998 году в сейсмически активной Японии, где его испытывают землетрясения и штормы. Акаси-Кайкё соединяет остров Хонсю с островом Авадзи.

Ещё до окончания строительства в 1995 году мостовые опоры пережили землетрясение магнитудой 7,3 — всё благодаря установленным внутри маятникам-успокоителям.

Когда гибкая стальная опора во время землетрясения наклоняется в одну сторону, 20 гидравлических маятников внутри неё уходят в другую и не дают ей упасть. Единственным «повреждением» от землетрясения стало смещение одного из пилонов на 1 метр, это произошло из-за деформации рельефа дна водоёма. В итоге мост продлили ещё на один метр — и его центральный пролёт теперь равен 1991 метру вместо 1900.

Строительство моста стоило $4,2 млрд. Чтобы возместить расходы, за пересечение моста взимают плату $20 (2300 йен) с каждого водителя. Ежедневно через него проходит около 25 тысяч машин.

Конструкция моста способна выдерживать ветер до 80 м/c. Единственная опасность, которой подвержен стальной мост, — коррозия. Но с этой проблемой ежедневно борются две бригады дистанционных роботов — одни ищут признаки коррозии, а специальные роботы-маляры её устраняют.