bbk 000000

УДК 621.649

Сукиасян М. С., Волшаник В .В., Салов Ф. В.

Водоподъемные механизмы Водовзводной башни в Коломенском

Аннотация

Рассказывается об исследованиях, проведенных специалистами по изучению водоподъемного механизма Водовзводной башни в Коломенском.

Ключевые слова:

водоподъемный механизм , инженерное сооружение , водоснабжение , макет , поршневой насос , четочный подъемник

Скачать журнальную верстку статьи PDF

На территории музея-заповедника в Коломенском сохранилось уникальное инженерное сооружение русской средневековой архитектуры – Водовзводная башня. По внешним формам здание не имеет прямых аналогов в деревянном и каменном зодчестве. По документам XVII века, надвратное сооружение, от которого начиналась древнейшая дорога из Коломенского в Москву (через село Дьяково), использовалось в качестве ворот, однако главное ее назначение было «взводить» (поднимать) и подавать воду для Государева двора.

Исследователи высказывают разные предположения о дате строительства башни – от конца XVI века до 1670-х годов, но наиболее реальными представляются 1630–1640 годы [1–4]. Проведенные реставрационные работы, а также сохранившийся фрагмент водоподъемной системы XVII столетия (белокаменный сводчатый бассейн) позволили создать в башне экспозицию, посвященную истории развития водоснабжения. Степень изученности памятника не позволяет с точностью восстановить водоподъемный механизм.

С древнейших веков водоснабжению, как фактору экономического процветания городов и их защиты, придавалось большое значение. Развитие технической мысли способствовало механизации подъема воды и созданию напорного водопровода. Первый напорный водопровод появился в 1631–1633 годах в Московском Кремле. В одной из башен Кремля (получившей название Водовзводной) «часовой и водяного взвода мастер» Христофор Галовей построил водопровод, который с помощью подъемного механизма и напорной системы поднимал воду из реки Москвы на Кремлевский холм, в новые хозяйственные постройки царского дворца [5–8].

Оценив экономические преимущества и удобства водопровода, царь Алексей Михайлович стал устраивать его в своих загородных вотчинах. В 1675 г. в летнюю царскую резиденцию Коломенское по его приказу «к водовзводному делу» прислали пильного мастера Богдана Пугина. Поставленная на границе Вознесенского сада, в парадной части усадьбы, Водовзводная башня оформляла центральную площадь, служа продолжением ограды Государева двора [9; 10].

Под восточным крылом башни был расположен белокаменный бассейн с уходящим вглубь колодцем, который «перехватывал» один из родников на берегу Москвы-реки. Из башни вода поступала на Сытный двор по трубам (или желобам), проложенным либо по стене, соединяющей эти строения, либо под землей.

В 1935 г. во время раскопок были обнаружены глиняные трубы, отходящие от бассейна в сторону церкви Вознесения Господня и села Дьякова. Одна из них могла служить для сброса излишков воды из бассейна. При проведении реставрационных работ в 1957 г. от завалов был очищен бассейн, укреплены фундамент и нижние ряды кладки стен, восстановлены белокаменные стенки и обвалившийся кирпичный свод бассейна [2–4].

Одним из центральных экспонатов выставки, раскрывающей тематику архитектурного сооружения, является макет Водовзводной башни с воссозданной водоподъемной системой XVII века. В процессе работы над макетом требовались сведения о типе и конструкции действовавшей водоподъемной системы. В литературе и исторических источниках такой информации нет, однако имеются прямые указания [1; 9] на то, что такая система в башне имелась и действовала в конце XVII – начале XVIII века.

Для создателей макета первостепенное значение имели следующие вопросы. Были ли функции подъема воды возложены на уже построенное здание надвратной башни? Были ли ворота (проездная арка) устроены в башне, которая строилась для подъема воды, или сооружение изначально предназначалось для выполнения сразу двух функций – устройства проездной арки и подъема воды? Авторы придерживаются последней версии. Сохранившийся водосборный колодец и накопительный белокаменный бассейн располагаются точно под восточным (левым) приделом Водовзводной башни. Трудно представить, что водный источник нашли здесь уже после завершения строительства. Водовзводную башню строили именно там, где был источник. С другой стороны, проездная арка расположена по дороге из Коломенского в Дьяково весьма удобно, на краю большой площади перед церковью Вознесения, где могло собраться большое количество людей.

Возможно, что строители башни преследовали и другую, очень важную в те времена цель. Им необходимо было замаскировать от врагов удобный по своему местоположению источник чистой пресной воды, который обеспечивал нужды Государева двора. Сооружение проездных ворот отвлекало взоры сторонних лиц от водоисточника.

За исключением перекрытий внутреннее пространство башни было свободно и не использовалось в религиозных или бытовых целях. Скорее всего, внутреннее пространство башни предназначалось для каких-либо технических или функциональных целей, в противном случае строить высокую башню нецелесообразно.

Высота башни свидетельствует о необходимости подъема воды на достаточно высокий уровень. Такую башню можно было бы расположить и непосредственно над колодцем, однако по неясным причинам строители этого не сделали. Поэтому мы полагаем, что были сооружены одновременно и башня, и левый придел, и подъем воды в две ступени: первая – от колодца до высоких отметок в левом приделе, откуда вода по лотку, проходившему в проеме стены, попадала на нижние отметки (над проездной аркой) центральной башни; и вторая – от перекрытия над центральной аркой до высоких отметок башни, в накопительный резервуар. Именно для размещения водоподъемного механизма и накопительного резервуара внутреннее пространство башни было оставлено свободным. Наличие высокой центральной башни с проездной аркой и левого придела с колодцем свидетельствуют о преднамеренном решении строителей совместить в одном сооружении функции проезда и водоподъема. Правый придел мог быть построен для придания сооружению симметричности.

Строителям того времени для обеспечения водоснабжения были необходимы знания о грунтовых водах. На Руси разведка источников воды была знакома еще в начале нашего тысячелетия – бурение колодцев для добычи воды получило широкое распространение с XVI века. В то время буровые колодцы называли «трубами». Деревянные трубы изготавливали из массивных стволов деревьев с помощью специальных сверлильных станков. Позднее стали применять и гончарные трубы [6; 7; 9]. Иногда колодцы устраивали даже во внутренних помещениях дворцов. С подобным решением мы встречаемся и в Коломенском.

Так как над колодцем был устроен широкий белокаменный бассейн, можно предположить, что диаметр самого колодца был невелик, что не позволило расположить всасывающую часть водоподъемного механизма в самом колодце. Возможно, колодец был устроен из древесного ствола диаметром не более 40 см, с осевым продольным сверлением не более 20 см и был предназначен только для сбора воды из родника (высокого стояния грунтовых вод) и направления ее в бассейн. Длина деревянной трубы не превышала 8–10 м. Верхний конец трубы на несколько сантиметров (очевидно, не более 10) возвышался над дном бассейна.

Устройство бассейнов, облицованных известняком («белокаменных»), было характерным для того времени. Размеры бассейна определены на чертежах, по которым в 2007–2008 годах проводилась реконструкция Водовзводной башни. Дно бассейна находится на отметке 143,35 м, а высшая точка свода – 145,55 м. Максимальная высота 2,2 м, ширина (по чертежу) 0,9 м, длина около 2 м. Плановые размеры бассейна небольшие, но достаточные для размещения в нем нижней части погружного водоподъемного механизма.

Ширина бассейна дает определенную информацию для установления типа водоподъемного механизма. Плановое расположение бассейна в восточном приделе весьма важно, поскольку в открытой его части могла быть размещена нижняя часть водоподъемного механизма. Бассейн находится в середине пролета восточного придела в нескольких десятках сантиметрах от северной стены придела (со стороны Вознесенской площади). Над ним расположен люк. Размещение водоподъемного механизма в середине площади левого придела наиболее вероятно еще и по следующей причине. На боковых стенах левого придела имеются две системы углублений для балок перекрытий. Углубления со стороны северной стены (над колодцем и бассейном) имеют заметно меньшие размеры, чем со стороны южной стены. Это свидетельствует о том, что перекрытие со стороны южной стены было более мощным, и на нем можно было разместить не только водоподъемный механизм, но и промежуточную емкость для воды. Перекрытие со стороны северной стены предназначалось, очевидно, для устройства помещений обслуживающего персонала.

О размещении промежуточной емкости со стороны южной стены свидетельствует наличие пролома в продольной стене между центральной башней и левым приделом. Размеры пролома недостаточны для двери, однако здесь вполне мог размещаться лоток, по которому вода из промежуточной емкости левого придела могла самотеком переливаться в нижнюю емкость центральной башни.

Таким образом, в белокаменном бассейне должны были располагаться два открытых сверху участка: один – над колодцем, другой – с противоположного конца бассейна для размещения погруженной в воду нижней части водоподъемного устройства первой ступени. Сведения, приведенные ниже, позволяют предположить тип и конструкцию водоподъемника первого уровня.

В XVII веке на Руси для подъема воды широко применялись блоки, вороты, четочные подъемники, нории, водоподъемные колеса [6; 7]. На Водовзводной башне в Коломенском из-за ее ограниченных размеров могли применяться водоподъемники только двух типов – поршневые насосы и четочные устройства. Водяные колеса, наклонные нории, журавли, устройства с конным приводом, поднимающие с помощью рычагов бочки с водой, и другие крупноразмерные системы здесь не могли использоваться. Никаких сведений о применении в Водовзводной башне поршневых насосов или четочных подъемников найдено не было. Если считать, что в башне было два подъема, то целесообразно следующее решение.

Согласно [7], на первом подъеме мог быть установлен поршневой нагнетательный насос, на втором подъеме – четочный подъемник (что не противоречит действительности).

Поршневой насос был изобретен англичанином Самуэлем Морландом в начале XVII столетия, когда металлообрабатывающая промышленность была недостаточно развита, поэтому насосы изготовлялись из дерева и имели чрезвычайно примитивную конструкцию. Несмотря на широкое применение (преимущественно в горном деле) поршневых насосов в XVIII столетии, за этот период их устройство не претерпевает существенных изменений. Насколько эффективны они были, можно судить из описания насосной установки того времени по книге профессора П. К. Худякова: «В шахте Raucie (Пиренеи) установлены деревянные насосы, которые приводятся в движение ручным способом или водяной силой и подают воду на высоту 30 м, причем, чтобы преодолеть этот напор, установлены последовательно 35 насосов, которые перекачивают воду один к другому» [5].

Информация о том, что на Водовзводной башне Коломенского был установлен многоступенчатый поршневой насос, отсутствует. Поэтому будем исходить из наличия одноступенчатого поршневого насоса.

У поршневого насоса того времени было два технических ограничения: высота расположения корпуса насоса над уровнем воды в бассейне, ограничиваемая значением вакуума под поршнем, и высота перемещения поршня, ограничиваемая конструкцией рычага. Исходя из высотных размеров Водовзводной башни, воду на первом подъеме необходимо поднимать от отметки 145 м до отметки 152 м, то есть на 7 м. Для «первобытного» поршневого насоса это довольно большой напор, особенно в отношении вакуума под поршнем. Можно предположить, что максимальная высота воды во всасывающей трубе насоса не превышала 5 м. Тогда самым высоким положением поршня будет точка с отметкой 150 м. Если принять высоту хода штока поршня не более 1 м, то столб воды над поршнем при самом высоком его положении будет иметь высоту 2 м, а при самом низком – 3 м. При диаметре корпуса насоса (диаметр поршня) 30 см за один цикл работы насоса в лоток выльется 1·3,14·0,3²/4 = 0,07 м³, или 70 л воды.

Четочное водоподъемное устройство широко применялось в древних водопроводных системах. Наиболее четкое описание приводит Н. И. Фальковский [7]. Четочный водоподъемник относится к насосам гравитационного типа, поэтому высота подъема воды здесь может быть ограничена только точностью изготовления деталей, а именно соответствием наружного диаметра четок внутреннему диаметру трубы. В центральной части Водовзводной башни воду надо будет поднимать от отметки ~ 152 м до отметки ~ 159 м, т. е. на 7 м. Мы предполагаем, что был изготовлен четочный водоподъемник такой высоты. Вертикальная труба водоподъемника могла быть медной, диаметром не более 15 см.

Накопительная емкость (чан-отстойник) находилась в верхней части центральной башни и могла быть укреплена на перекрытии, размещенном на отметке 158 м. В емкости размером 2Ч2 м помещалось
4 м³ воды (при глубине слоя около 1 м). Учитывая, что в придонном слое воды накапливались загрязнения (соответственно забор воды осуществлялся выше него), объем полезного слоя составлял 3 м³, или 3 тыс. л. Этого объема хватало для удовлетворения суточных потребностей кухни. Для наполнения емкости было необходимо 3000/70 = 43 «качка» поршневого насоса, или при цикле одного «качка» около 2 мин – не более 2 ч работы.

Основные проблемы проектирования были связаны с выбором материала емкости. Наиболее вероятны два варианта – кожаный резервуар или деревянный ящик, необлицованный или облицованный изнутри свинцовыми листами. Предположим, что это был деревянный резервуар, не облицованный свинцовыми листами. Водонепроницаемость бака обеспечивалась за счет тщательной подгонки деревянных досок. Применение свинцовых листов сильно утяжелило бы конструкцию, находившуюся на самом верху центральной башни. Наличие водонепроницаемого кожаного бака столь большой емкости вызывает сомнение.

Отсутствие источников по истории Водовзводной башни не позволяет сказать с точностью, что происходило с водой дальше. Есть предположение, что вода из башни поступала на Сытный двор по трубам (или желобам), проложенным по земляной стене, соединявшей эти строения. Водопроводные трубы могли работать в двух режимах – напорном или безнапорном (открытом). Последний менее вероятен. Во-первых, не было смысла устраивать второй подъем воды под самый верх центральной башни, если подавать воду по желобам в безнапорном режиме. Во-вторых, непонятно, как в случае реализации второго подъема гасился напор воды перед желобами. В-третьих, тщательный осмотр западного фасада башни не выявил каких-либо отверстий, через которые могли проходить желоба перед выводом их на стену. И, наконец, целесообразно ли было подавать воду на кухню по открытым желобам, где она могла загрязниться, особенно с учетом того, что добывалась она из чистейшего родника и поднималась вверх внутри башни, изолированной от внешних загрязняющих воздействий.

Авторы макета остановились на варианте подачи воды из центрального яруса башни напорными трубами. Опыт изготовления напорных труб и их применения в водопроводных системах в то время был уже достаточным. В Московском Кремле такой водопровод действовал уже с 1631–1633 годов. Деревянные трубы были сделаны из двух половин выдолбленных стволов диаметром от 18 до 28 см. В Коломенском была построена сеть труб, а во внутреннем дворе был оборудован фонтан, вода к которому подводилась по напорным трубам [5].

Представляется, что из Водовзводной башни вода (как минимум, для приготовления пищи) подавалась потребителям по напорным медным трубам, проходившим от накопительной емкости внутри башни и выходившим наружу (скорее всего, под землю) через заранее предусмотренные отверстия в фундаменте башни.

Результаты исследований позволили дать следующие рекомендации по изготовлению макета Водовзводной башни в Коломенском, включая ее водоподъемные механизмы:

подъем воды осуществляется в две ступени (механизм первого подъема размещается в восточном приделе, второго – в центральной башне);

в качестве механизма первого подъема используется поршневой насос, второго – четочный подъемник;

из накопительной емкости башни вода подается по напорным трубам.

В будущем целесообразно воссоздать в Водовзводной башне водоподъемные механизмы в натуральную величину из материалов, максимально приближенных к применявшимся во второй половине XVII века. Это будет единственный в стране древний водоподъемный механизм – памятник истории техники.

Список литературы

1. Баранова С. И. К вопросу о датировке Водовзводной башни в Коломенском / Культура средневековой Москвы. XVII в. - М., 2000.
2. Гудков Ю. И. Историко-архивные исследования, историческая планировка усадьбы и данные о Водовзводной башне. Центр традиционной русской культуры "Преображенское". - М., 1995.
3. Каулен Е. В. Водовзводная башня. Историко-архитектурное исследование / Коломенское. Материалы и исследования. Сб. 2. - М., 1991.
4. Купцова Е. В. Памятник архитектуры второй половины XVII в. Водовзводная башня: Архив МГОМЗ. Оп. 2, д. 358.
5. Воронов Ю. В., Пугачев Е. А. История специальности "Водоснабжение и водоотведение": Учеб. пособие для вузов. - М.: АСВ, 2008.
6. Датиева Н. С. Водоснабжение в Российском государстве XVII в.: Архив МГОМЗ. Оп. 2, д. 504, т. 4, кн. 2.
7. Фальковский Н. И. История водоснабжения в России. - М.: МКХ СССР, 1947.
8. Штеренлихт Д. В. Очерки истории гидравлики, водных и строительных искусств. Кн. 1-4: Учеб. пособие для вузов. - М.: МГУП, 1999-2001.
9. Гра М. А. Коломенское. - М., 1963.
10. Гра М. А., Жиромский Б. Б. Коломенское. - М., 1971.
11. Баранова С. И. К вопросу о датировке Водовзводной башни в Коломенском / Культура средневековой Москвы. XVII в. - М., 2000.
12. Гудков Ю. И. Историко-архивные исследования, историческая планировка усадьбы и данные о Водовзводной башне. Центр традиционной русской культуры "Преображенское". - М., 1995.
13. Каулен Е. В. Водовзводная башня. Историко-архитектурное исследование / Коломенское. Материалы и исследования. Сб. 2. - М., 1991.
14. Купцова Е. В. Памятник архитектуры второй половины XVII в. Водовзводная башня: Архив МГОМЗ. Оп. 2, д. 358.
15. Воронов Ю. В., Пугачев Е. А. История специальности "Водоснабжение и водоотведение": Учеб. пособие для вузов. - М.: АСВ, 2008.
16. Датиева Н. С. Водоснабжение в Российском государстве XVII в.: Архив МГОМЗ. Оп. 2, д. 504, т. 4, кн. 2.
17. Фальковский Н. И. История водоснабжения в России. - М.: МКХ СССР, 1947.
18. Штеренлихт Д. В. Очерки истории гидравлики, водных и строительных искусств. Кн. 1-4: Учеб. пособие для вузов. - М.: МГУП, 1999-2001.
19. Гра М. А. Коломенское. - М., 1963.
20. Гра М. А., Жиромский Б. Б. Коломенское. - М., 1971.