Конструкция шлюза

Навигационный шлюз – это сооружение, которое обеспечивает проход водных судов (лодок, судов и т.д.) между участками водного пути (канал, река, дельта), которые находятся на разных уровнях воды.

Два основных варианта использования шлюза:

  1. улучшить судоходность реки или канала путем повышения уровня воды вверх по течению (задержка воды)
  2. cоединение двух водных путей в разных зонах водосбора.

К другим распространенным видам использования относятся предотвращение наводнений/контроль в системе водных путей и борьба с приливами, соединяя реку/ канал с устьем реки с помощью морского шлюза.

Шлюзы являются частью семейства дамб, сооружений, которые построены для удержания воды, а также для прохода воды и судов. Можно выделить следующие типы шлюзов:

Водоотводящие затворы

Водоотводящие затворы используются для сброса излишков воды, например, для управления водой польдеров или для противопаводковых зон. Они также могут использоваться для разделения соленой и пресной воды или для удержания воды при высоких внешних уровнях.

Запорные шлюзы

Запорные шлюзы блокируют подачу воды для ее освежения в канале или закрытом водоеме/ водохранилище и регулируют уровень воды. Они используются для очистки каналов или бассейна от от отложений и загрязняющих веществ во время сброса воды. Эти шлюзы открываются, когда вода в бассейне или канале становится достаточно высокой, что приводит к достаточному сбросу, чтобы смыть отложения.

Защитные шлюзы и барьеры штормовых нагонов

Защитные шлюзы и барьеры штормовых нагонов выполняют две противоречивые функции: проход судов и удержание воды. Ворота защитного шлюза будут закрываться редко и только тогда когда перепад уровня воды слишком велик. Это позволяет обеспечить максимальный проход судов. Барьер от штормовых нагонов предназначен для защиты суши от экстремальных уровней воды из-за штормовых нагонов и обеспечения безопасного прохода судов.

Навигационный шлюз

Навигационный шлюз соединяет части водного пути с разными уровнями воды. Это позволяет водным путям использоваться судами независимо от приливов. Фактически, навигационный шлюз сочетает в себе задержку воды и проход судов, но он больше рассматривается как транспортная инфраструктура. Существуют разные типы: традиционный шлюз для внутреннего судоходства и прибрежных районов, лифтовый замок и наклонная плоскость.

Размер (длина и ширина) шлюза в основном зависит от размера проектируемого судна и проекций движения. Глубина шлюза зависит от уровня воды в верхнем и нижнем течении, осадки проектных судов и других факторов, таких как размер входного и выходного отверстия и объема ила в водном пути.

  • Основные компоненты шлюза можно резюмировать следующим образом: шлюзовая задвижка, шлюзовая камера, приводной механизм и оборудование для наполнения и опорожнения. Каждый шлюз уникален по своим размерам, напору воды, геологии, местоположению, конструкции судна и гидрологии потока и наводнений на водном пути. Различные технологии доступны для каждого компонента в зависимости от конкретно необходимых условий в рассматриваемом шлюзе.
  • Тип шлюзовых ворот придает шлюзу уникальный вид. Чтобы удержать уровень воды, затвор должен предотвращать стекание воды между различными уровнями воды. Особое внимание следует уделить конструкции уплотнительной системы по влажному периметру ворот, так как крайне важно гарантировать водонепроницаемость ворот шлюза. В частности, это касается прибрежных шлюзов, призванных ограничить проникновение соли внутрь страны.
  • Герметизация создает много технических проблем. Поэтому необходимо, чтобы тип системы ворот был определен на ранней стадии процесса проектирования. Для каждого типа ворот существуют основные принципы, которые могут быть изменены в соответствии с конкретной ситуацией. Каждая тип имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать на месте.

Митрэ ворота

Двустворчатые  ворота – это пара двух стандартных распашных дверей, ширина каждой из которых чуть больше половины ширины док-станции. Они встречаются посередине, поэтому образуют шевронную форму в плане. Они открываются и закрываются поворотом вокруг вертикальной оси. Силы реакции от разницы напора воды направлены на стены шлюза. Двустворчатые ворота под углом, вероятно, являются наиболее распространенным типом затворов для замков узкой и нормальной ширины. Начиная с ширины около 30 м, силы возрастают до такой степени, что использование ворот такого типа становится неэкономичным.  Следует отметить, что затворы митр подходят только для того, чтобы выдерживать избыточное давление воды с одной стороны.

Эти ворота не требуют высокой надстройки. Для небольших замков они являются эффективным решением с низкой стоимостью, поскольку оборудование не должно нести вес ворот, а время открытия и закрытия невелико. Таким образом, время прохождения через шлюз сокращается. Кроме того, механические компоненты, которые перемещают ворота, не являются сложными. К недостаткам митральных ворот относится необходимость оптимального закрытия затворов; размеры должны быть очень точными, чтобы предотвратить утечку. Другими недостатками являются его чувствительность к мусору и льду и потенциальный ущерб, когда судно ударяет в ворота.

Роликовые ворота

Откатные или раздвижные ворота открываются путем скольжения ворот перпендикулярно продольной оси шлюза в камеру ворот рядом с доком. Ворота перемещаются по подводным рельсам или скользящим дорожкам. Это решение используется на крупнейших шлюзах в мире, таких как шлюзы Нового Панамского канала.  Обслуживание этих ворот простое, так как сама камера ворот может быть высушена. Однако механические системы для открывания ворот являются сложными. Кроме того, во время открывания и закрывания ворота катятся или скользят по своей дорожке, в то время как верхний край ворот не поддерживается. Это представляет собой проблему стабильности. Во многих случаях в одноступенчатом шлюзовом комплексе имеется четверо откатных ворот, с каждой стороны шлюза есть запасные. В случае повреждения или технического обслуживания одних ворот, запасные обеспечат работоспособность шлюзового комплекса.

Откатные ворота имеют ряд преимуществ. Если шлюзы имеют большую ширину, а надстройка, ограничивающая вертикальный зазор, нежелательна, откатные ворота являются хорошим решением. Кроме того, возможно  удерживать воду с обеих сторон, а техническое обслуживание ворот очень простое. Однако рядом с головой шлюза должно быть достаточно места для камеры ворот. Как механизм скольжения, так и камера являются более дорогими при проектировании и сборке.

vancauwelaert_03

Вертикальные подъемные ворота

Вертикальные подъемные ворота – это ворота, которые вытягиваются в вертикальном направлении. Две башни с каждой стороны входного отверстия шлюза и подъемное устройство управляют воротами. Корабли проходят под висячей дверью. Это решение чаще встречается, когда проектные суда меньше по размеру, а пространство вокруг замка очень ограничено. Ворота могут удерживать воду с обеих сторон.

Некоторые преимущества включают в себя небольшую площадь затвора (без замковых камер, как в случае с роликовыми воротами), простоту осмотра и технического обслуживания, а также нечувствительность к льду и мусору. Недостатками являются ограниченный вертикальный зазор (этот тип ворот не будет использоваться для блокировки судов Panamax), а также сложные и дорогостоящие подвижные механизмы и башни.

Другие ворота

Другие типы ворот включают в себя:

Блокировка ворот с вращением вокруг вертикальной оси:

  • Одностворчатые ворота: фактически это полуворотные ворота, которые переносят нагрузку изгибающими моментами. Этот тип ворот довольно редок и используется только в шлюзахс небольшой шириной.
  • Радиальные секторные ворота

Запорные затворы, которые хранятся выше уровня воды:

  • Двустворчатые ворота
  • Подъемно-транспортные поворотные ворота
  • Ворота кессонного типа, более распространенные в сухих доках, в основном представляют собой передвижную стальную коробку, расположенную перед отверстием док-станции. В этой коробке есть камеры, наполненные воздухом, что позволяет ему плавать, когда его нужно переместить. Для перемещения ворот в нужное положение используется буксир. Это самое надежное решение, однако открытие и закрытие замка требует времени и большого количества оборудования. Поэтому кессонные ворота чаще всего используются в качестве затворов для технического обслуживания.

Запорные затворы, которые хранятся ниже уровня воды:

  • Опускные -погружаемые ворота
  • Шлагбаумы (или откидные ворота) имеют горизонтальную петлю, расположенную на полу замка. При открытии ворота поворачиваются вниз до горизонтального положения на полу шлюза, и судно может переплыть через эти ворота. Поэтому для хранения двери ниже или равным нижнему уровню оставшейся части замка требуется пониженная зона для опускания. Ворота чувствительны к частицам мусора или осадкам, которые могут накапливаться в радиусе действия.

Шлюзовая камера

Замковая камера может быть задумана как монолитная “U-образная” конструкция или как две подпорные стены и фундаментная плита.

Три основных типа подпорных стенок, связанных с замком:

  • Контрфортная подпорная стена;
  • Анкерная подпорная стенка диафрагмы;
  • Мембранная стена без анкеров.

Противоударные подпорные стены обычно предпочтительны (в зависимости от геотехнических условий) по следующим причинам:

  • Для возведения такого типа подпорных стен не требуется специального оборудования, по сравнению с другими типами стен;
  • Контрафортную подпорную стену проще возвести по сравнению с другими типами стен;
  • Это самый дешевый из всех вышеперечисленных вариантов (но специфический для каждого конкретного случая, поскольку во время строительства могут потребоваться важные земляные работы и осушение).

Операционная система ворот

Системы привода шлюзовых ворот могут быть очень разнообразными и зависят от типа ворот, используемых в замке. На маленьких воротах возможно даже ручное управление.

Двустворчатые ворота основном приводятся в действие гидравлическими цилиндрами, которые приводятся в действие гидравлическим насосным агрегатом олео. Другими системами для двустворчатых ворот являются приводы шпинделей, комбинации реек и шестерен или (Panama) панорамные колеса и шатуны. Эти системы питаются от электродвигателей.

Роликовые ворота открываются и закрываются путем вытягивания стальных канатов, прикрепленных к воротам. Стальной канат наматывается на тот или иной кабельный барабан приводимый в действие электродвигателями.

Вертикальные подъемные ворота могут приводиться в действие непосредственно гидравлическими цилиндрами или перемещаться с помощью стального каната и блоком ножей (шкивов). Этот узел может в свою очередь приводиться в действие электродвигателем или цилиндром.

Другие типы ворот (откидные ворота, подъемные поворотные ворота и т.д.) также приводятся в действие одной из вышеперечисленных приводных систем.

Выбор типа приводной системы зависит от нескольких условий:

  • Доступное пространство
  • Силы для развития
  • RAMS (Надежность / Доступность / Техническое обслуживание / Эксплуатационная готовность)
  • Требования к техническому обслуживанию и срок службы
  • Энергетические потребности
  • Окружающая среда

Для повышения надежности могут быть установлены резервные электродвигатели.

Электромеханическое оборудование шлюза должно покрывать  не только питания мощности ворот. Питание должно подаваться также на систему наполнения и опорожнения шлюза. Используются аналогичные системы, что и на воротах.

Система контроля

Оборудование систем управления включает в себя приборы для измерения уровня воды, определения открытого и закрытого положения ворот, светофоры, системы видеонаблюдения (телевизионные цепи), системы связи и соответствующее освещение зоны шлюза. Все это регулируется ПЛК и системой управления SCADA.

Иногда также необходимы специальные системы: системы для удаления ила и системы против обледенения.

В настоящее время очень распространено дистанционное управление всеми шлюзами на реке или канале из одной централизованной диспетчерской. Этот центр управления будет использовать все датчики и управляющие входы/выходы от всех шлюзов, в дополнение к связи и CCTV-соединению.

Наконец, для всего этого необходимо обеспечить источника питания, а также предусмотреть аварийное электроснабжение.

Процес заполнения/опорожнения

Когда судно входит в шлюз и ворота закрываются, уровень воды в замке понижается или поднимается. В зависимости от размера шлюза и требуемого времени блокировки ( на основе прогнозов движения ), и многих других факторов (например, от проникновения соли или трения на судах в шлюзовой камере) выбирается наиболее оптимальная схема заполнения / опорожнения.

Некоторые системы упомянуты ниже:

  • клапаны в запорных воротах;
  • с помощью шлюзовых ворот (некоторые затворы могут открываться под дифференциальным напором воды);
  • Используя короткие отдельные водопропускные трубы;
  • Настенная система боковых отверстий водопропускной трубы;
  • Боковая система нижней стеновой водопропускной трубы;
  • Продольная труба нижней стеновой водопропускной трубы;
  • Продольные водопропускные трубы под камерной плитой;
  • Симметричное распределение потока по обеим осям замка. Динамически сбалансированная система заполнения шлюзов.

Водосберегающие бассейны могут потребоваться как часть системы наполнения и опорожнения, когда происходит потеря воды или проникновение соли в речные системы с недостаточным чистым притоком воды от осадков.

Сопутствующие сооружения в шлюзовом комплексе

Во многих случаях шлюз является частью комплекса речных гидроузлов. Сопутствующие сооружения включают водозаборные сооружения, рыбопропукные сооружения и гидроэнергетические турбины.

  • Водозаборные сооружения, такие как водослив или плотина , строятся для изменения характеристик потока в реке,  повышения судоходности водных путей, предотвращения наводнений или экономии воды в верхнем течении.  Существует множество сооружений начиная от плотин с низким напором, сделанных из щебня, и заканчивая большими плотинами с удерживающей высотой более 100 метров. Многие конструкции имеют подвижные части, как плотина с радиальными воротами .
  • Рыбопропукные сооружения – это сооружения, расположенные вдоль плотин/водохранилищ и облегчающие миграцию рыбы. Если бы эти сооружения не были включены в шлюзовый комплекс, то рыба в таком случае не смогла бы безопасно пройти через этот барьер. Существует несколько типов рыбопропукные сооружений , от простых бассейнов до механических рыболовецких лифтов.
  • Гидротурбины – это, в основном, сооружения, вырабатывающие электроэнергию за счет разницы в уровне воды выше и ниже по течению от комплекса шлюз-дамбы (напор). Кинетическая энергия падающей воды преобразуется в механическую энергию, которая преобразуется в электричество. Производительность гидроэлектростанции зависит от гидронапора, количества турбин и их эффективности . Небольших турбин рядом с низкими напорными конструкциями может быть достаточно для питания шлюзового водослива-гидроузла, в то время как крупная гидроэлектростанция вдоль плотины с высоким напором может обеспечить электричеством десятки тысяч семей.

Ссылки: шлюз Харелбеке

Ссылки: Гидроэлектростанция плотины Мьянмара

myanmar_vistrap_watermerk

Ссылки: Гидроэлектростанция плотины Мьянмара

myanmar_hydropower_watermerk

Ищете опытного партнера по шлюзовым комплексам?

Вы стремитесь к видению, ноу-хау и инновационному решению для вашего проекта?