Введение
Устройства для подъема и опускания судов при прохождении между океанами.
Панамские шлюзы поднимают суда на 26 метров (85 футов) до уровня Панамского канала и затем опускают их. Изначально канал состоял из шести ступеней (три для подъема и три для спуска) для прохождения одного судна. Общая длина шлюзовых сооружений, включая подходные стены, превышает 100 метров. При открытии в 1914 году шлюзы были одним из величайших инженерных сооружений, когда-либо построенных. До строительства плотины Гувера в 1930-х годах не предпринималось других бетонных конструкций сопоставимого масштаба. Существует две независимые проходные полосы, поскольку каждый шлюз построен в двух экземплярах. Размер первоначальных шлюзов ограничивает максимальные размеры судов, способных проходить через канал; этот размер известен как Panamax. Строительство проекта расширения Панамского канала, включавшего в себя строительство третьего набора шлюзов, началось в сентябре 2007 года, завершилось в мае 2016 года и коммерческая эксплуатация началась 26 июня 2016 года. Новые шлюзы позволяют пропускать более крупные суда типа New Panamax, обладающие большей грузоподъемностью, чем суда, которые могли проходить через предыдущие шлюзы.
Дизайн
Всего в шлюзах двенадцать камер (шесть пар). Двухступенчатый подъем в Мирафлоресе и одноступенчатый в Педро-Мигеле поднимают суда с Тихого океана до озера Гатун, а затем трехступенчатый подъем в Гатуне опускает их к Атлантическому океану. Все три комплекса шлюзов парные, то есть на каждой из трех шлюзовых площадок есть два параллельных ряда камер. В принципе, это позволяет судам проходить в противоположных направлениях одновременно; однако крупные суда не могут безопасно проходить на скорости в районе Кулебра-Кат, поэтому на практике суда пропускают в одном направлении в течение определенного времени, а затем в другом, используя обе "полосы" шлюзов поочередно в одном направлении. В такой схеме работы парные шлюзы обеспечивают резервирование во время технического обслуживания или при возникновении механических неисправностей. Камеры шлюзов имеют ширину 34 метра и длину 320 метров, при полезной длине 305 метров. Эти размеры определяют максимальные габариты судов, которые могут проходить по каналу; этот размер известен как Panamax. Общая высота подъема (разница между уровнем воды, на котором судно входит и выходит из шлюзов) в трех ступенях шлюзов Гатуна составляет 26 метров (85 футов); высота подъема в двухступенчатых шлюзах Мирафлорес – 16 метров (54 фута). Одноступенчатые шлюзы Педро-Мигеля имеют высоту подъема 9 метров (31 фут). Высота подъема в Мирафлоресе фактически меняется из-за сильных приливов на тихоокеанской стороне, колеблясь от 13 метров (43 фута) при максимальном приливе до 20 метров (64,5 фута) при максимальном отливе; разница в уровнях приливов на атлантической стороне незначительна. Камеры шлюзов – это массивные бетонные сооружения. Толщина боковых стен у основания значительная; кверху, где требуется меньшая прочность, они постепенно уменьшаются ступенями до 2 метров. Центральная стена между камерами имеет толщину 18 метров и содержит три галереи, проходящие по всей ее длине. Самая нижняя из них – дренажный туннель; над ней – галерея для прокладки электрических кабелей; а в верхней части – проход, обеспечивающий доступ операторов к механизмам шлюзов.
Наполнение и слив
Каждая камера шлюза требует определенного объема воды для заполнения при подъеме от нижнего до верхнего уровня; такой же объем воды необходимо слить из камеры, чтобы опустить ее обратно. В боковых и центральных стенах встроены три больших водовода, используемых для подачи воды из озера в камеры для их подъема, и из каждой камеры вниз, в следующую или в море, для их опускания. Эти водоводы начинаются с диаметра 22 фута (7 м) и сужаются до 18 футов (5 м) в диаметре, что достаточно для прохода поезда. От этих основных водоводов отходят поперечные водоводы, проходящие под камерами шлюзов к отверстиям в полу. В каждой камере имеется четырнадцать поперечных водоводов, каждый с пятью отверстиями; семь поперечных водоводов, отходящих от основных водоводов боковых стен, чередуются с семью от центрального водовода.
Ворота
Ворота, отделяющие камеры в каждом ряду шлюзов, должны удерживать значительный вес воды и быть как надежными, так и достаточно прочными, чтобы выдерживать аварии, поскольку обрушение ворот может привести к затоплению ниже по течению. Высота этих ворот варьируется от одного до двух метров в зависимости от их расположения, а толщина составляет 7 футов (2 м). Самые высокие ворота установлены в Мирафлорес из-за большого перепада приливов. Каждая створка ворот состоит из двух половин шириной 65 футов (20 м), которые смыкаются в форме буквы "V", вершиной вверх по течению. Такая конструкция обеспечивает плотное прижатие створок друг к другу под напором воды с верхнего уровня. Ворота можно открывать только тогда, когда в процессе работы уровень воды с обеих сторон выравнивается. Изначально механизм ворот состоял из огромного ведущего колеса, приводимого в движение электродвигателем, к которому крепился шатун, соединенный, в свою очередь, с серединой ворот.
Мулы
С самого начала считалось важным элементом безопасности, чтобы суда направлялись через камеры шлюзов электрическими локомотивами, известными как мулы (мулы, названные в честь животных, традиционно использовавшихся для пересечения Панамского перешейка), движущимися по стенам шлюзов. Эти мулы используются для бокового управления и торможения в шлюзах, которые относительно узкие по сравнению с современными судами. Движение вперед в шлюзы и через них обеспечивается двигателями судна, а не мулами. Корабль, приближающийся к шлюзам, сначала подтягивается к направляющей стене, являющейся продолжением центральной стены шлюзов, где он переходит под контроль мулов на стене, прежде чем войти в шлюз. По мере продвижения вперед дополнительные тросы подключаются к мулам на противоположной стене. На больших судах по два мула располагаются с каждой стороны на носу и по два с каждой стороны на корме – всего восемь, что обеспечивает точное управление судном. Сами мулы движутся по спаренным железнодорожным путям широкой колеи 1,5 метра. Путь, расположенный ближе всего к каналу, используется для буксировки и оборудован зубчатой передачей. Внутренний путь используется для возврата мулов к исходной точке и не имеет зубчатой передачи, за исключением крутых уклонов между камерами шлюзов. Электропитание осуществляется через третий рельс, проложенный ниже уровня земли с береговой стороны. Каждый мул оснащен мощной лебедкой, которая используется для натяжения или ослабления тросов, чтобы удерживать судно по центру в шлюзе при перемещении из камеры в камеру.
Особенности безопасности
Неисправность шлюзов, например, вызванная столкновением вышедшего из-под контроля судна со шлюзом, может привести к затоплению земель ниже по течению, поскольку озеро выше шлюзов (озеро Гатун или озеро Мирафлорес) осушится через систему шлюзов. Дополнительная мера предосторожности заключается в дублировании ворот на обоих концах верхней камеры в каждом шлюзовом сегменте; таким образом, для того чтобы вода с более высоким уровнем смогла пройти вниз по течению, должны выйти из строя как минимум два ворота в каждом сегменте. Дополнительные ворота расположены в 21 м от рабочих ворот. Изначально шлюзы также были оснащены цепными барьерами, которые натягивались поперек камер шлюзов, чтобы предотвратить потерю управления судном и таран ворот, и опускались на дно шлюза, чтобы пропустить судно. Эти цепи-отбойники имели сложные тормозные механизмы, позволявшие безопасно останавливать суда весом до 10 000 тонн. Однако, учитывая точный контроль над судами, обеспечиваемый буксирами, вероятность использования этих цепей была крайне мала. С учетом того, что многие современные суда, использующие канал, имеют водоизмещение более 60 000 тонн, и учитывая затраты на их обслуживание, количество цепей-отбойников было сокращено в 1976 году, а в 1980 году они были полностью демонтированы. Помимо этого, в оригинальной конструкции шлюзов была предусмотрена еще одна система безопасности – аварийные дамбы, которые можно было опускать поперек шлюзов в верхней части каждого шлюзового сегмента. Они представляли собой разводные мосты, с которых опускались балки на дно шлюза, а затем по этим балкам спускались стальные затворы для перекрытия потока воды. Эти дамбы так и не были использованы и были демонтированы в 1950-х годах. В конце 1930-х годов первоначальные дамбы были заменены новыми, которые поднимались из прорезей в дне камер шлюзов с помощью гидравлического привода или сжатого воздуха. Новые дамбы были выведены из эксплуатации в конце 1980-х годов, и в настоящее время аварийные дамбы отсутствуют.
Контроль
Поскольку все оборудование шлюзов работает электрически, процесс подъема или спуска судна может контролироваться из центрального пульта управления, расположенного на центральной стене верхнего шлюза. Пульт управления был разработан изначально для минимизации вероятности ошибки оператора и включает в себя полную модель шлюзов с движущимися элементами, которые отображают состояние реальных шлюзовых ворот и клапанов. Таким образом, оператор может точно видеть текущее состояние шлюзов и водных клапанов. В систему управления встроены механические блокировки, предотвращающие перемещение какого-либо компонента, если другой находится в неправильном положении – например, одновременное открытие слива и наполнения клапанов шлюзовой камеры.
Строительство
Строительство шлюзов началось с укладки первого бетона в Гатуне 24 августа 1909 года компанией Day & Zimmermann из Филадельфии (ранее известной как Dodge & Day). Шлюзы Гатуна построены в выемке, проделанной в холме, примыкающем к озеру, что потребовало разработки большого объема грунта, в основном скальных пород. Сами шлюзы были построены из бетона. Объем материалов, необходимых для строительства шлюзов, потребовал принятия масштабных мер по обработке камня и цемента. Камень доставляли из Портобело к шлюзам Гатуна, а на тихоокеанской стороне использовался камень, добытый в карьере на холме Анкон. Для транспортировки бетона на строительную площадку в Гатуне были построены огромные воздушные канатные дороги. На берегах канала были возведены башни высотой 85 футов (26 м), между которыми были натянуты тросы из стальной проволоки, перекрывающие шлюзы. По этим тросам в шлюзы за один раз доставляли до шести тонн бетона. Электрические железные дороги были проложены для перевозки камня, песка и цемента с причалов к бетоносмесительным установкам, откуда другая электрическая железная дорога перевозила два 6-тонных ковша за раз к канатным дорогам. На более мелких сооружениях в Педро-Мигеле и Мирафлорес использовались краны и паровозы аналогичным образом. Шлюзы на тихоокеанской стороне были завершены первыми – однокамерный комплекс в Педро-Мигеле в 1911 году и Мирафлорес в мае 1913 года. Морской буксир "Гатун", работающий буксир, использовавшийся для буксировки барж, совершил первый пробный проход через шлюзы Гатуна 26 сентября 1913 года. Проход прошел успешно, хотя все клапаны контролировались вручную, поскольку центральная панель управления еще не была готова.