Шлюзы

Шлюзы. Те реки, приведение которых посредством землечерпания (см. XXI. 183, прил. землечерпание) или выправления в желательное для судоходства состояние невозможно по маловодности или характеру русла (например, порожистого), могут быть капитально улучшены посредством шлюзования. Этот метод заключается в том, что река на своем протяжении через известные промежутки преграждается особыми сооружениями (плотинами) той или иной конструкции, причем притекающая вода, скопляясь у плотины, постепенно заполняет лежащее выше по течению русло реки, и уровень ее поднимается до заранее назначенной по проекту высоты. Разница в положении уровней воды до и после постройки плотины называется «подпором» плотины. В продольном разрезе шлюзованная плотинами река представляет как бы род наклонной (в сторону течения) лестницы, горизонтальные ступени которой представляют уровни воды в отдельных участках («бьефах») реки между плотинами, а вертикальные — самые плотины, удерживающие воду (рис. 1). С образованием в речном русле подпора от плотины, с одной стороны, увеличиваются глубины, с другой — происходят местные затопления низких берегов (частью с ценными угодьями), почему расположение плотин выбирают с таким расчетом, чтобы, выполняя основную задачу шлюзования — увеличение судоходной глубины, в то же время избегать, по возможности, затопления больших площадей в бьефах¹⁾. Для судоходства между отдельными бьефами, имеющими различные уровни воды, устраиваются специальные сооружения — «шлюзы» (рис. 2).

Рис. 1. Продольный разрез шлюзованной плотинами реки.

Рис. 2. Общий вид шлюза.

¹⁾ Для содержания затоплений или уменьшают величины подпоров на шлюзах и плотинах, располагая их чаще по реке, или прибегают к ограждению низких мест земляными валами.

Конструкция плотин, применяемых при шлюзовании водных путей, зависит от целого ряда технических условий (см. гидротехника, XIV, 513, след.). Особенное внимание уделяется предохранению плотины от фильтраций¹⁾, удобству регулирования горизонта воды и способности ее, в случае надобности, разбираться (или складываться), оставляя все русло или часть его свободным для пропуска воды, судов и плотов. Накопленная за плотиной вода и образованный ею подпор, кроме прямого назначения (для надобностей шлюзования), могут быть использованы и в других направлениях, а именно: а) для утилизации водной энергии и б) для мелиорации земель (об устройстве и назначении плотин см. XIV, прил. гидротехнические сооружения).

Рис. 3. Схема шлюза.

Плотины устраивают также и в верховьях реки в целях дополнительного питания во время межени, когда расход реки становится мал. Это питание производится в виде периодических попусков с плотины значительных масс воды с таким расчетом, чтобы горизонт в нижележащей части реки поднялся, хотя бы и временно, но настолько высоко, чтобы глубины на перекатах увеличились до нужного предела. Время попуска воды с плотины сообщается судоходцам заблаговременно, чтобы они были готовы к моменту прибыли воды, вызванной попуском (ср. судоходство, XLI, ч. 5, 435/36).

¹⁾ «Фильтрацией» называется просачивание воды через толщу грунта.

Схема шлюза, служащего дли пропуска судов (а также плотов) из одного бьефа шлюзованной реки в другой, заключается, в общих чертах, в следующем (рис. 3): в особом («деривационном») канале, вырытом в стороне от плотины и соединяющим между собой два бьефа, или непосредственно при плотине, в русле реки, устраивается камера, ограниченная с двух сторон деревянными или каменными стенами; по концам этой камеры расположены деревянные или железные ворота особой конструкции, отворяющиеся оба только в сторону верхнего бьефа¹⁾; в воротах или стенах шлюзов устраиваются отверстия rr₁ и рр₁ или mn и m₁n₁, которые могут сообщать пространство между воротами («камеру» шлюза) то с верхним, то с нижним бьефом. Их закрывают особыми затворами. Для перевода судна  из одного бьефа в другой (положим, из нижнего в верхний), открыв нижние ворота, вводят судно в камеру; затем закрывают нижние ворота и водопроводы и открывают затворы водопроводов, подающих коду из верхнего бьефа в камеру; по наполнении камеры до уровня верхнего бьефа (вместе с чем поднимается и введенное в нее судно) открывают верхние ворота и выводят судно из шлюза уже в верхний бьеф. Необходимо отметить, что каждое шлюзование   судна связано с переходом из верхнего бьефа в нижний известного объема воды, зависящего от размеров шлюзной камеры, разницы в уровнях бьефа и водоизмещения поднимаемого судна, называемого «сливной призмой». Расположение шлюза в деривационном канале облегчает в известной степени постройку шлюза, и делает подход к нему для судов более безопасным (в отношении затягивания их на плотину); с другой стороны, отдельное от плотины расположение шлюза затрудняет надзор за работой этих двух тесно связанных между собой сооружений.

¹⁾ Части стен и фундамента шлюза в месте расположения ворот называются «головами» шлюза; они делаются более массивными, чем постоянные части шлюза на остальном протяжении.

Время, потребное для шлюзования, зависит от величины подпора, размеров шлюза, поперечного сечения водопроводов и совершенства механических приспособлений для открывания и закрывания ворот. В среднем на одно шлюзование затрачивается   от 20 до 30 минут, не считая времени, потребного  для того, чтобы ввести судно в шлюз и вывести из него. Наибольшее возможное в сутки количество шлюзований к размерам камеры определяют пропускную способность шлюза. Если по размерам грузооборота пропускная способность шлюза с одной камерой  оказывается недостаточней, шлюзы устраиваются с 2-мя и более параллельно действующими камерами (параллельные шлюзы), причем, если размеры судов весьма различны, то из экономии воды размеры камер  делают неодинаковыми (рис. 4).  Если напор на шлюз может менять направление, что бывает в тех случаях, когда горизонт воды в нижнем бьефе становится выше горизонта в верхнем, то применяют шлюзы с двусторонним напором.

В этих шлюзах встраивают в каждой голове вместо одних ворот двое, из которых одни работают на напор в сторону нижнего бьефа, а другие — в сторону   верхнего, или же применяют ворота, могущие работать на напор в обоих направлениях. Щиты, закрывающие водопроводы этих шлюзов, также устраивают работающими в обоих направлениях.

Рис. 4. Шлюз с 4-мя параллельными камерами.

Основные, так называемые постоянные, части шлюзов — стены и фундаменты — устраивают из дерева, камня, бетона или железобетона, реже из железа или из комбинации этих материалов. Подвижные части шлюза — ворота и щиты — устраивают из дерева или железа или из того и другого вместе, редко из чугуна и стали. Стены шлюза разделяются на камерные и головные, последние в свою очередь — на упорные, воспринимающие давления от ворот, шкафные, служащие для помещения ворот в открытом положении, и входные, устраиваемые для направления подвижного состава при вводе его в шлюз. В них устанавливаются также приспособления для ремонта шлюза и для предохранения ворот на случай навалки на них судов, потерявших способность управления. Входные стены сопрягают с беретами обратными стенами или откосными крыльями. Фундамент шлюза также разделяется на части, соответствующие покоящиеся на нем стенам, причем верхнюю поверхность его между степами называют флютбетом, а порог, устраиваемый в нем для упора ворот — королем. Фундамент верхней головы может быть расположен на одном уровне с фундаментом нижней или выше его. Если верхний король располагается выше нижнего, то переход от него к флюгбету камеры делают в деревянных шлюзах в виде наклонных площадок, а в каменных и бетонных — в виде вертикального уступа, проходящего поперек шлюза от одной стены до другой; конструктивно этот переход осуществляют в виде особой стенки, называемой стенкой падения. Длину и ширину камеры, а также глубину воды над королями берут с некоторым запасом против наибольшего по размерам в плане и по осадке судна, которое должно быть пропускаемо через шлюз. Стены шлюза поднимают выше самого высокого горизонта верхнего бьефа, при котором может совершаться шлюзование.

Наполнение и опорожнение шлюза, помимо отверстий в воротах, производится через посредство особых галерей, называемых водопроводами mn и m₁n₁ (рис. 3), устраиваемых либо в боковых стенах в обход ворот, либо в фундаменте; в первом случае их проводят для большего спокойствия при шлюзовании по возможности во всю длину камеры, соединяя с нею поперечными каналами; во втором проводят во всю длину фундамента камеры, соединяя с вертикальными каналами, устраиваемыми во флютбете; последнюю систему наполнения и опорожнения называют донной. Помимо этих систем, применяют еще сифонную, которая состоит ив сифонов, поднимаемых в каждой голове выше горизонта верхнего бьефа; благодаря такому устройству оказывается возможным не иметь особых щитов, закрывающих водопроводы. Время наполнения и опорожнения камер при внутренних отвесных поверхностях стен определяется по формуле:

где  Ω — площадь горизонтального сечения шлюза, считая от верхних ворот до нижних; Н — напор шлюза;  ω — площадь поперечного сечения водопроводов;  μ — коэффициент расхода, принимаемый в зависимости от системы наполнения и опорожнения в пределах от 0,4 до 0,8; g — ускорение силы тяжести 9,81 м/сек. Поперечные сечения водопроводов делают по большей части с вертикальными боковыми гранями, а сверху в виде сводов.

Рис. 5. Рис. 6

Рис. 7. Массивные стены шлюза

Рис. 8. Облегченная конструкция стен шлюза.

Стены и фундамент делают из дерева в тех случаях, когда сродства, имеющиеся на постройку шлюза, очень ограничены или когда требуется построить шлюз особо скоро, а также в грунтах слабых, не могущих выдерживать больших нагрузок на основания (рис. 5). Стены эти делают из ряжей или в виде заборок, образуемых из стенок, нарубаемых на продольные шпунтовые ряды, и из досок, забираемых за стойками для удержания засыпки; стойки подкрепляют анкерами, заводимыми на достаточную глубину в засыпку. Фундамент делают преимущественно в виде свайного ростверка, состоящего из насадок, укладываемых по сваям и поверх насадок прогонов и поперечин, по которым укладывают настил из досок или пластин. Для лучшей водонепроницаемости фундамента пространство ростверка под настилом загружают водонепроницаемым материалом. Для уменьшения фильтраций воды верхнего бьефа под фундамент поперек шлюза забивают шпунтовые ряды. Для упора ворот на фундаменты укладывают королевые перемычки, образуемые из королевых колод и у совиков, последние — для воспринятая давления от ворот (рис. 6). Массивные стены, каменные и бетонные, делают со стороны камеры вертикальными или с весьма крутым наклоном. В местах расположения водопроводов стенам дают уширения в зависимости от размеров водопроводов (рис. 7). Сверху стены покрывают камнем или слоем бетона высокого качества, хорошо сопротивляющегося истиранию при проходе по нему людей. Со стороны камеры стены защищают облицовкой из крепкого камня или бетона высокого качества. Массивные фундаменты делают или отдельными под стенами и отдельными под флютбетом, или общими под теми и другими, а также защищают облицовкой, пополняемой особо тщательно в королях. Для предохранения их от напора фильтрационной воды поперек шлюза забивают шпунтовые ряды; такие же ряды забивают и вдоль стен, в целях устранения фильтрации под ними. Для облегчения веса стен и фундаментов в последнее время их стали делать полой конструкции, состоящей из ряда контрфорсов трапецеидального очертания, поддерживающих по лицевым поверхностям стен железобетонные плиты (рис. 8). В зависимости от местных условий стены и фундамент делают нередко смешанной конструкции — из дерева, камня, бетона и железа.

Рис. 9. Деревянные ворота шлюза.

Участки каналов, примыкающих непосредственно к шлюзу, называют подходами (ср. XIV, прил. гидротехнические сооружения, 24, сл.); откосы и дно их, для противодействия фильтрациям под шлюз и размывающему действию воды при наполнении и опорожнении камер, надлежащим образом укрепляют; кроме того, для облегчения проводки и для начала подвижного состава, шлюзы оборудуют эстакадами и причальными приспособлениями.

Рис. 10. Железные ворота шлюза.

Ворота шлюза делают по большей части в виде двух створок или полотнищ, в закрытом положении плотно прижимающихся одно к другому и составляющих между собой угол около 150°. Полотнища опирают внизу на пяты, а сверху поддерживают гальсбантами, устраиваемыми в виде тяжей, охватывающих шипы, имеющиеся наверху ворот. Тяжи гальсбантов заделывают на достаточную глубину в стены. Пята и гальсбант дают возможность легко поворачивать ворота для открытия или закрытия шлюза. Ворота делают из дерева или железа, а также из того и другого вместе. Деревянные ворота разделяют на брусчатые, составляемые из горизонтальных брусьев, связываемых вертикальными болтами, и настенные, составляемые из дощатой обшивки и из остова, к которому прикрепляют обшивку (рис. 9). Остов составляют из рамы в виде прямоугольника из двух горизонтальных брусьев, называемых рамными, и двух стоек, называемых столбами — вереяльным со стороны осей вращения и створным со стороны соседнего полотнища. Непосредственно над нижним рамным брусом устраивают отверстия для наполнения и опорожнения камер, называемые клинкетными. Для предупреждения провисания раму снабжают диагональными подкосами и тяжами. Железные ворота образуют из обшивки плоского, реже лоткового, железа и остова, составляемого из рамы и заполнения ригелями и стойками. Если главными действующими  элементами заполнения являются ригели, то ворота называют ригельными, если — стойки, то стоечными. Для удобства ремонта обшивки вместо железной применяют деревянную из досок, располагаемую вертикально. Для предохранения от провисания раму снабжают, подобно деревянным воротам, также диагональными подкосами и тяжами (рис. 10). Для возможности перехода по воротам с одной стены на другую поверх их устраивают служебный мостик.

Рис. 11. Устройство откатных ворот

Рис. 12. Устройство подъемных ворот

Рис. 13. Устройство веерных ворот.

Открытие и закрытие ворот выполняют особыми механизмами, называемыми приводами. Эти механизмы состоят из коромысел, штанг, зубчатых реек или секторов, сцепляемых с передачами к ручным лебедкам или к электрическим и гидравлическим двигателям. Вместо жестких элементов применяют также мягкие в виде тросов или цепей, навиваемых на барабаны приводных лебедок.

Кроме двустворчатых ворот с распором, применяют еще двустворчатые без распора; в таких воротах в закрытом положении одна створка составляет продолжение другой. Применяют также одностворчатые ворота, вращаемые на вертикальной или горизонтальной осях; последние применяют главным   образом для закрытия верхних голов с повышенными королями. Для закрытия широких шлюзов и при желании дать удобный переход по воротам, а также в случае, если ворота могут подвергаться динамической нагрузке, например от ударов волн, применяют ворота откатные, отводимые при открытии шлюза в особые шкафные углубления — ниши, устраиваемые в одной из боковых стен (рис. 11).

К воротам одностворчатым принадлежат еще подъемные, поднимаемые при открытии шлюза настолько, что под ними может свободно проходить подвижной состав; для направления их движения и для размещения их приводов на шлюзе делают надстройки или башни, соединяемые поверху мостами. Их применяют, главным образом, для закрытия предохранительных полушлюзов (рис. 12). Откатные и подъемные ворота приводят в движение преимущественно цепями или тросами. В шлюзах и полушлюзах с двусторонним напором применяют ворота веерные (рис. 13), открываемые и закрываемые напором, имеющимся у шлюза. В предохранительных полушлюзах, работающих на двусторонний напор, и, как исключение, — в верхних головах шлюза применяют ворота сегментные (рис. 14) ,которые образуют из обшивки, изогнут и по цилиндрической поверхности, и из остова, служащего для поддержания обшивки. Остов состоит из криволинейных стоек и ригелей, прикрепляемых по концам к стойкам или решетчатым фермам, передающим давление на оси вращения, расположенные на стенах. Эти ворота удобны благодаря легкости их открытия даже под действующим на них напором; это обстоятельство дает возможность применять их, главным образом, в предохранительных полушлюзах, устраиваемых в каналах для предотвращения утечки воды на случай прорыва в особо ответственных местах каналов, например, у высоких насыпей или возле крупных искусственных сооружений. Сегментные ворота приводят в движение тросами или цепями.

Рис. 14. Устройство сегментных ворот.

Рис. 15. Подъемный щит.

Щиты для закрытия отверстий в воротах и для закрытия водопроводных галерей делают подъемными, поворотными на вертикальной или горизонтальной осях, сегментными и цилиндрическими. Вторые и четвертые применяют только в шлюзах, остальные как в шлюзах, так и в полушлюзах. Подъемные делают из дерева или из железа и для облегчения подъема снабжают колесами и катками (рис. 15). Поворотные, вследствие малой плотности закрытия, применяют весьма редко, хотя они и отличаются легкостью открытия (рис. 16). Сегментные обладают весьма большой плотностью закрытия и не требуют больших приводных усилий: их делают исключительно из железа (рис. 17). Цилиндрические делают или в виде высоких труб из листового железа, усиленных поперечными креплениями, или в виде колец, входящих в особые колокола, прикрепляемые к стенам (рис 18). Щиты подъемные и поворотные   поднимают штангами или тросами, или цепями, щиты сегментные и цилиндрические — тросами или цепями, причем для облегчения подъема применяют противовесы.

Рис. 16. Поворотный щит.

Рис. 17. Сегментный щит.

Рис. 18. Цилиндрический щит.

Проводку судов через шлюзы производят буксирами, электровозами, кабестанами или шпилями, приводимыми в движение в малых шлюзах вручную, а в больших — электрическими или гидравлическими двигателями. Для зачалки судов применяют причалы в виде тумб, рымов или колец. В наиболее усовершенствованных шлюзах привода всех механизмов централизуют в одном месте, в так называемой централизованной кабине, и взаимно замыкают.

Рис. 19 Промывной шлюз

Полушлюзы, применяемые в ирригации, разделяют на шлюзы-регуляторы, или распределители, и на шлюзы промывные (ср. сельскохозяйственная мелиорация) (рис. 19). Первые служат для регулирования пропуска воды в оросительные каналы, вторые — для промыва наносов, могущих скопляться перед регуляторами. Размеры их отверстий определяют в зависимости от величины расхода, который они должны пропускать, и от допустимой скорости протекания воды. Фундаменты и стены этих полушлюзов делают по конструкции аналогичными с фундаментами и стенами шлюзов, но особое внимание обращают на укрепление нижних подходов, которые в целях ослабления скорости протекающей воды конструируют подобно рисбермам водоподъемных плотин.

Рис. 20 Головной регулятор с регулирующим шлюзом.

Разборные части их делают в виде подъемных или сегментных щитов, причем для возможности забора воды с соответствующих горизонтов подъемные щиты делают в несколько ярусов. Соответственно с этим верхнюю часть отверстия иногда закрывают забральными стенками. Дабы иметь возможность применять щиты более легких размеров, отверстия этих полушлюзов разделяют промежуточными опорами на ряд малых отверстий (рис. 20). Манипуляции со щитами  производят с особых мостиков, перекидываемых через боковые стены и промежуточные опоры. Для уборки подъемных щитов, если они небольшого размера, по мостикам укладывают рельсовые пути, по которым пропускают тележки или вагонетка.

Литература: Акулов. А. А., и Прокофьев, С. А., «Материалы для проектирования камерных шлюзов», 1905; Акулов, К. А., «Судоходные каналы и их устройство», 1912; Пузыревский, Н. П., «Шлюзные ворота и пропуск судна через шлюз», 1924; Подарев, «Гидротехнические сооружения», 1924; Арканов, «Орошение», 1926; Костяков, А. Н., «Основы мелиорации», 1927; Акулов, К. А., и Козлов, Г. А., «Курс внутренних водных сообщений», том II, 1928: De Mas, «Rivières canaliseés», 1903; Engelhard, «Kanal und Schleusenbau», 1921; Engels, «Handbuch des Wasserbaues», II В., 1923.

K. Акулов.