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船閘

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英格蘭的運河閘。
荷蘭 Grave 市的運河堰和閘混合體。
加拿大安大略湖Trent-Severn Waterway英語Trent-Severn Waterway船閘。

船閘(英語:navigation lock),使船舶通過航道中有集中水位落差河段的一種通航建築物。船閘由閘室(英語:lock chamber)、閘首(英語:lock head)、輸水系統、引航道等組成。在閘首上設有工作閘門、檢修閘門、船閘閥門、啟閉機械及信號、通訊等設備。引航道內設有導航建築物和靠船建築物等。

船閘的閘室是固定在一個位置,用注入或排除水來控制閘室內的水位高度;這不同於直接運載船隻升降的活動沉箱(caisson lock),垂直升船機(英語:boat lift)、傾斜升船機(英語:canal inclined plane)。如三峽大壩垂直升船機就是在一個3萬多噸的大水箱內承載船舶,整個水箱被垂直升降。船閘用來使河流更易航行,或使運河貫通水平面有落差的航線。氣閘的設計理念和船閘類似。按照船閘的縱向排列的閘室數目可分為單級船閘和多級船閘。按照船閘的橫向平行排列的閘室數目可分為單線船閘、雙線船閘和多線船閘。

歷史

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秦始皇三十三年(公元前214年)鑿靈渠。公元前219年,靈渠上設置陡門,構成了「單門船閘」(又稱「半船閘」,英語:flash lock)。南朝景平年間公元423年,在揚子津(今揚州市揚子橋)附近河段上建造了兩座斗門,順序啟閉兩座斗門,船舶就能克服集中水位落差而上下行。北宋喬維岳於雍熙年間公元984年在西河(今淮安與淮陰間)上修建了西河閘,設有上下兩個閘門,閘室長76米,閘門上有輸水裝置。這是中國歷史上有名的西河閘,是現代船閘的雛型。

復閘的修建,是從唐代開始的。《宋史河渠志》記載,唐代寶曆初年,觀察使李渤曾在靈渠建立斗門,用以解決漕舟航運問題。沈括夢溪筆談》中記載記載了北宋仁宗天聖年間儀徵運河廢埭建復閘

「天聖中,監真州排岸司、右侍禁陶鑒始議為復閘節水,以省舟船過埭之勞。是時工部郎中方仲荀、文思使張綸為發運使、副,表行之,始為真州閘。歲省冗卒五百人,雜費百二十五萬。運舟舊法,舟載米不過三百石。閘成,始為四百石。其後所載浸多,官船至七百石,私船受米八百餘囊,囊二石。自後北神、召伯、龍舟、茱萸諸埭,相次廢革,至今為利」。

在歐洲,1375年在荷蘭出現了半船閘。1481年在意大利出現了船閘。

應用分類

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海船閘

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河船閘

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如果河流有一段用作航行的河道要通過急流、堰、水壩等障礙物,因為水位在障礙物前後有大的落差,該河道須安裝船閘。

在河流的大型航道改進工程中,堰、船閘會一同用上。堰會增加淺灘河道的水深,船閘則會建在堰體的缺口人口開挖航道的下游處(以繞過堰體或者淺灘河道)。經過這樣的改進工程後,該河道就成為正式的「航道」了(例如 考爾德和海伯航道英語Calder and Hebble Navigation)。航道最底部的船閘分隔開有潮汐和沒有潮汐的航道。有時一條河為了完全不受潮汐影響,直接在河口建「海閘」(防潮閘)。

愈先進的航道,愈需要更多船閘。

  • 為繞過迂迴曲折河道的較長的人工開挖航道,在其上游入口處通常會加裝防洪閘。
  • 人工開挖河道越長,河道開始端至結尾間的水位落差越大。所以需要更多附加的船閘。這種河道的作用就像運河一樣了。

運河船閘

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初期的運河橫跨鄉下地方的小屋,要環繞不少小山丘,甚至繞道而行。當工程師愈來愈雄心壯志地想克服這種困難,船閘更變得重要。因為船閘能使運河無需繞道,只需調校水面面即可使船隻航行,既省時也省建築費。後來,建築技術提升,建築師更樂於使用這類附加建築物以方便航行,例如隧道、溝渠、堤壩等;甚至更技術複雜的小船升降機運河斜面。不過,船閘的建造依然繼續以作為此等解決方法的補充,在當今航道中仍有重要地位。

基本建造和操作

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每一個船閘都必須三個元素:

  • 一個連接運河上下端的防水空間。體積要至少足夠裝一隻大船。防水空間的所在位置要固定,但其水平面可以變化。
  • 一道在防水空間後端的水閘(通常是一對尖的「半個水閘」組成)。水閘開啟時船隻可進出。
  • 一組用來清空或注滿防水空間的船閘齒輪。這通常是簡單的活門(傳統上應是用人手以捲繞齒捧和小齒輪機械裝置舉起一個平坦嵌板),使水能排入或排出防水空間。大型船閘或會用上泵。

運作船閘的原理很易明瞭。舉個例:如果一隻小船向下遊航行,而船閘已經注滿水:

  1. 入口閘開啟,小船駛入。
  2. 入口閘關閉。
  3. 開啟一道活門以從防水空間排出水,使小船的位置下降。
  4. 出口閘開啟,小船離開。

備註

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  • 如果船閘是空的,小船要先等待船閘注滿水,為時約 5 - 10 分鐘。
  • 如果小船要向上游駛,整個程序要調轉來做。
  • 整個過程大概為時 10 - 20 分鐘,取決於船閘的體積、是否和小船能配合。
  • 接近船閘的船隻「甲」如還看到另一隻船「乙」從對面駛過來,通常會很高興。因為「乙」剛剛才駛離船閘,船閘仍停留在「甲」要駛入船閘的水平面,所以「甲」無需等待船閘重新定位。這大約節省 5 - 10 分鐘。(這不適用於樓梯式船閘。樓梯式船閘的操作比較快,如果同時有兩隻船或以上一起使用。)
運河船閘的操作程序:
1-3. 小船駛入空的船閘;
4.  底部船閘關閉,底部 paddle 關閉,頂部 paddle 開啟,船閘開始注水;
5.  船閘在注水中,正在提升小船到較高的水平面。

詳細資料和術語

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這部分會描述船閘的基本類型。簡化的船閘模型是在閘室的兩端各有一對閘門(即閘首),簡單載物架和。

Rise

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閘室內水位升降高度。通常為2-3米。

水平河段(pound/level)

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船閘之間的水平的河段。長度可以是0到幾十公里。對於運河來說,其水位落差集中在了船閘,因此除了船閘的運河河段幾乎都是水平的。水平河段一般用於調蓄水,以保證運河船閘的用水。可分為

  • 高處蓄水(summit pound):在運河高程最高處的蓄水,可保證各級船閘的耗水;
  • 低處蓄水(sump pound):在運河高程最低處的蓄水,需要排泄到其它河流、水體中
  • 旁側蓄水(side pound):在運河船閘旁側的蓄水,用於保障船閘用水後相鄰河段的水位不會有大的波動。典型的如英國布里斯托附近的Caen Hill船閘英語Caen Hill Locks
    Caen Hill 運河河段的每個船閘都配有旁側蓄水

閘室

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如果閘室的水位與上遊河段相同,則稱閘室是滿的;如果閘室的水位與下遊河段相同,則稱閘室是空的。

底檻(Cill)

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法國巴黎聖但尼運河的 Cill 暴露於 Pont de Flandre 船閘上

底檻是船閘的上閘首處的閘門下方的地基部分。底檻與其上的閘門一起構成了閘室在上游一側的水密壁。通常,與底檻上的閘門相比,底檻朝閘室突出一段。因此,在閘室排空時,閘室內的傳播要小心不要有部分船艄位於底檻上方,以免閘室水位下降時船艄擱淺在底檻上。為此,在閘室靠近閘首的側壁頂部都要鮮明的標出底檻向閘室突出的範圍,提醒船舶不要佔用此一範圍停船。

底檻的朝向閘室一側一般用橡木或其它材料包覆作為護壁,以免船舶進出時撞壞底檻。

閘門

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在閘首,要安裝閘門用來擋水、密封閘室的兩端。近代,船閘的閘門通常是橡木、榆木製品,但現代多用鋼製。船閘的閘門一般為「人字閘門」(metre gate),朝向上遊方向開閉。當人字閘門關閉時,兩扇門葉在閘室的中心線合龍,形成一個朝向上遊方向凸出的「V」字形。其優點一是當閘門兩側水位不同(只可能是上游一側水位高於下游一側),那麼在水壓作用下人字閘門不能打開。僅當門兩側水位相同,才能開啟人字閘門。另一個優點是兩側水位不同時,在水壓作用下人字閘門會被越壓越緊,有利於水密。

閘室的上閘首的閘門較矮,一般只需滿足運河的通航水深。而下閘首的閘門較高,是閘室上下游的水位落差再加上運河的通航水深,相當於整個閘室的高度。上閘首的底檻要允許足夠噸位的船隻通航。

平衡樑

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閘首展示平衡梁升降機構,可見齒條已經被制動杆卡住定位
奧地利Wiener Neustädter Kanal德語Wiener Neustädter Kanal中已有200年歷史的升降機構。

平衡梁(balance beam)是用於人力開啟船閘閘門時的省力槓桿。同時也抵消了閘門的部分重量,使得閘門在水中可以更輕快的開啟。

閘門水閥

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閘門水閥(paddle,slacker, clough, wicket ),是安裝在閘首,用於從上遊方向向下遊方向放水的閥門。打開上閘首水閥,可以向閘室充水;打開下閘首水閥,可以從閘室向下游排水。

升降機構

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升降機構(winding gear或paddle gear)用於控制閘門水閥的開閉。閘門水閥的上端與一個齒條(rack)相連。在地面上該齒條與一個齒輪(pinion)相扣。使用軲轆(windlass)轉動這個齒輪,可以把齒條上下移動,帶動閘門水閥提起或落下。在地面上可以用一個制動杆(pawl )卡住齒條,使得閘門水閥的狀態不變。

特殊情況

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Lock flights

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梯形船閘

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中國船閘

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船閘名稱 所在河流 閘室數量 閘室長度(米) 閘室寬度(米) 閘室門檻水深(米) 備註
長洲水利樞紐三線四線船閘 珠江 2 340 34 5.8
貴港航運樞紐二線船閘 珠江 1 280 34 5.8
西津航運樞紐二線船閘 珠江 1 280 34 5.8
桂平航運樞紐二線船閘 珠江 1 280 34 5.6
葛洲壩水利樞紐一號船閘 長江 1 280 34 5.5
葛洲壩水利樞紐二號船閘 長江 1 280 34 5
三峽水利樞紐雙線五級船閘 長江 10 280 34 5 允許的最大吃水只有4.3米
長沙綜合樞紐雙線船閘 湘江 2 280 34 4.5
王甫洲樞紐船閘 漢江 120 12 2.5

綜合系統:三峽工程

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三峽工程是中國一項多用途水利工程。

以「船閘可接受的船隻體積」而命名的專有名詞

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船隻體積受船閘限制,在部分運河因此而興起一些標準船隻體積的叫法,並以其運河命稱命名。如:巴拿馬型巴拿馬運河最大)、聖勞倫斯型(聖勞倫斯航道最大)。

參考

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