XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Шлюз – дверь для кораблей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кот М.О. 1

---

1АНОО «ЛОМОНОСОВСКАЯ ШКОЛА – ЗЕЛЕНЫЙ МЫС»

Кашина Л.В. 1

---

1АНОО «ЛОМОНОСОВСКАЯ ШКОЛА – ЗЕЛЕНЫЙ МЫС»

Работа в формате PDF

176.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наша семья очень любит путешествовать по рекам и каналам. Мой папа сам управляет яхтой, и каждое лето мы выходим в плавание. Иногда на нашем пути встречаются очень интересные сооружения - шлюзы. Когда я их первый раз увидела, мне стало интересно: почему лодка вдруг поднимается или опускается как в лифте, но при этом находится в воде? Кто поднимает всю воду? И вообще – как это всё вместе работает? Так и появилась тема моего научного исследования: «Речные шлюзы: устройство, назначение и история».

1. 1. Что такое шлюз?

Начнём с самого главного, что же такое шлюз. Шлюз – это специальное сооружение на реке или канале, которое поднимает или опускает корабли, катера и яхты, если вода находится на разной высоте. Представьте себе лестницу: каждая ступенька выше или ниже другой. Шлюзы – это как «водная лестница» для кораблей. Если бы не было шлюзов, корабли не смогли бы спокойно плавать там, где река становится выше или ниже из-за поверхности земли, как на горке.

История возникновения шлюзов связана с развитием гидротехники и необходимостью преодоления перепадов уровней воды при судоходстве.

Древний Китай

Считается, что первые судоходные шлюзы появились в 984 году в Китае. Их создал Цяо Вэйюэ — помощник министра транспорта в Хуайнани. Шлюз был построен на Великом Китайском канале и представлял собой прямолинейный участок длиной 76 метров, ограниченный с двух сторон деревянными опускными воротами. Ворота перемещались вертикально, берега шлюза были укреплены, а над ним устраивался навес. Напоры, которые преодолевали такие шлюзы, достигали 1,5 метров. В течение XI века подобные сооружения строились по всей длине Великого канала.

Европа

В Европе до XIII века судоходство осуществлялось по естественным водным путям, уровень воды зависел от времени года и наличия препятствий (порогов, перекатов). Первые полушлюзы (плотины с водопропускными проёмами, оборудованными двустворчатыми воротами для проводки судов) появились в Германии в XIII веке на реке Альстер.

Первый камерный шлюз был построен в Италии в 1439 году по распоряжению герцога Милана Филиппо Висконти. В 1497 году Леонардо да Винчи в своих эскизах дал изображение камерного шлюза с двустворчатыми поворотными воротами, оборудованными затворами для наполнения и опорожнения камеры.

Россия

В России первые шлюзы появились в XVIII веке при Петре I. В 1702–1704 годах началось строительство канала через водораздел между рекой Тверцой (притоком Волги) и рекой Цной (притоком Мсты) в районе города Вышний Волочёк. К строительству были привлечены голландские мастера.

Шлюзы использовались не только для прохода судов, но и для одновременного питания нижерасположенных частей системы. В конце XVIII века Вышневолоцкий водный путь был крупнейшей гидротехнической системой Европы.

В дальнейшем активно велось строительство шлюзов, в том числе на Мариинской водной системе (открыта в 1810 году), где действовало 28 шлюзов.

Дальнейшее развитие

Условно историю строительства шлюзов можно разделить на два периода:

До начала XX века — строительство шлюзов на каналах исключительно для обеспечения судоходства. Основными материалами служили древесина и камень.

С начала XX века по настоящее время — строительство речных шлюзов в составе других гидротехнических сооружений (водохранилища, гидроэнергетика и т. д.). Стали применяться бетон, железобетон, металл, а в некоторых случаях — композитные материалы.

Современные крупные шлюзы — сложные, высокоавтоматизированные сооружения с широким использованием оборудования для обеспечения быстрого и безопасного шлюзования.

1. 2. Из чего состоит шлюз?

Судоходный шлюз — гидротехническое сооружение на водных путях для обеспечения перехода судов на плаву из одного водного объекта (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них с помощью наполнения или опорожнения камеры c выравниванием в ней уровня воды с уровнем верхнего или нижнего бьефов.

В отличие от судоподъёмников, при использовании шлюзовых систем требуется большое количество воды, что приводит к снижению их пропускной способности и в том числе к меньшей скорости пропуска судов. Преимуществом является их более простое и дешёвое в обслуживании техническое оснащение по сравнению с судоподъёмниками.

Основные сведения

Перевод судов между двумя отрезками водного пути с различным уровнем воды в них осуществляется с помощью шлюзов. Каждый шлюз имеет три основных элемента:

• Герметичная камера, соединяющая верхнюю и нижнюю головные части канала и имеющая габариты, достаточные для размещения в ней одного или нескольких судов. Положение и габариты камеры фиксированные, однако уровень воды в ней может изменяться.

• Ворота — металлические щиты, расположенные на обоих концах камеры и служащие для впускания и выпускания судна и герметизирующие камеру во время шлюзования^[2].

• Водопроводное устройство — устройство, предназначенное для наполнения, либо опустошения камеры. Как правило, в качестве такого устройства используется плоский щитовой затвор. В крупных шлюзах могут использоваться перекачные насосы.

Разница высот уровней обоих бьефов называется «напором шлюза»

Принцип работы шлюза следующий:

• Входные ворота открываются и судно заходит внутрь камеры.

• Входные ворота закрываются.

• Открывается перепускной клапан, вызывая падение или подъём уровня воды в камере с находящимся в ней судном.

• Выходные ворота открываются, судно выходит из камеры.

Процесс пропускания судна через шлюз называется шлюзованием. Шлюзование длится, как правило, от 10 до 20 минут в зависимости от размера камеры и перепада уровня воды.

1. 3. Как работает шлюз?

      Принцип работы шлюза
      Для подъёма судна:		Для спуска судна:
      1-2.		Судно входит в шлюзовую камеру.	8-9.	Судно входит в шлюзовую камеру.
      3.		Нижние ворота закрываются.	10.	Верхние ворота закрываются.
      4-5.		Камера наполняется водой до верхнего уровня.	11-12.	Из камеры выливают воду до нижнего уровня.
      6.		Верхние ворота открываются.	13.	Нижние ворота открываются.
      7.		Судно выходит из шлюзовой камеры.	14.	Судно выходит из шлюзовой камеры.

   4. Немного истории.

Считается, что первые судоходные шлюзы появились в Китае в 984 г., благодаря Цяо Вэйюэ, являвшимся помощником министра транспорта в Хуайнани. Шлюз представлял собой прямолинейный участок протяженностью 76 м, ограниченный с двух сторон деревянным опускными воротами. Строительство шлюза было осуществлено на Великом Китайском канале и в течении XI века подобные сооружения строились на всем протяжении этого водного пути. Напор на сооружения достигал 1,5 м. Строительство самого канала велось с 70 г. до XIII века. В настоящее время в Китае на ГЭС «Три ущелья» эксплуатируется один из самых больших в мире судоходный шлюз и судоподъемник лифтового типа.

Позднее шлюзы стали строить в Голландии и Италии.

В нашей стране первые шлюзованные водные пути появились в XVIII в., что было вызвано необходимостью водотранспортного соединения Волги с Балтийским морем. К строительству первых шлюзов Петром I в 1702 — 1704 гг (сведения разнятся), были привлечены специалисты из Голландии. Их задачей являлось строительство канала через водораздел между Тверцой — притоком Волги и Цной — притоком Мсты в районе г. Вышней Волочек взамен существующего здесь «высшего волока».

Это событие упоминается в художественной литературе, в частности в романе Алексея Толстого «Петр Первый» (Книга 2. Глава 5) : «Весною семьсот второго года в Архангельск прибыли на корабле десять шлюзных мастеров, нанятых в Голландии Андреем Артамоновичем Матвеевым за большое жалованье (по семнадцати рублев двадцати копеек в месяц, на государевых кормах). Половину мастеров отправили под Тулу, на Ивановское озеро — строить (как было задумано в прошлом году) тридцать один каменный шлюз между Доном и Окой через Упу и Шать. Другая половина мастеров поехала в Вышний Волочек — строить шлюз между Тверицою и Мстою. Вышневолоцким шлюзом должно было соединиться Каспийское море с Ладожским озером, Ивановскими шлюзами — Ладожское озеро, все Поволжье — с Черным морем. Петр был в Архангельске, где укрепляли устье Двины и строили фрегаты для беломорского флота. Здешние промышленники рассказали ему, что издавна известен путь из Белого моря и Свирь. Путь трудный — много переволок и порогов, но, если прокопать протоки и поставить шлюзы до Онего-озера — все беломорское приморье повезет товары прямым сплавом в Ладобогу. Туда — в Ладожское озеро — упирались все три великих пути от трех морей, — Волга, Дон и Свирь. От четвертого — Балтийского моря — Ладогу отделял небольшой проток Невы, оберегаемый двумя крепостями — Нотебургом и Ниеншанцем. Голландский инженер Исаак Абрагам говорил Петру, указывая на карту: «Прокопав шлюзовые каналы, вы оживите мертвые моря, и сотни ваших рек, воды всей страны устремятся в великий поток Невы и понесут ваши корабли в открытый океан».

Условно историю строительства шлюзов можно разделить на два периода:

Ⅰ (до начала XX в.) — строительство шлюзов на каналах, вызванное прокладкой последних (только для обеспечения судоходства); основными материалами для строительства служили древесина и камень;

Ⅱ (с начала XX в. по настоящее время) — строительство речных шлюзов в составе других гидротехнических сооружений для использования водных ресурсов и энергии (водохранилища, гидроэнергетика и т.д.), основные материалы, применяемые в строительстве — бетон, железобетон, металл (на ряде сооружений Нидерландов и США примерно 5 лет назад начали использовать композитные материалы).

Ниже приведена краткая хронология значимых событий в области развития мирового шлюзостроения, дополняющая приведенную выше информацию:

1398 г. — окончание строительства канала Штекниц от Лауэнбурга на Эльбе до Любека с 17 полушлюзами;

1439 г. — первый камерный шлюз у Виаренны в Навиглио Гранде (построен инженерами Филлипс из Модены и Фиораванте из Больньи);

1497 г. — Леонардо да Винчи в своих книгах эскизов дал изображение камерного шлюза с двустворчатыми поворотными воротами, оборудованными затворами для наполнения и опорожнения камеры;

1694 г. — первое применение двустворчатых ворот на Берлинском шлюзе;

1704 г. — завершение строительства Вышневолоцкого канала;

1750 г. — попытка шведских инженеров Польхема и Эльвиуса построить 3 шахтных шлюза для преодоления падения около 34 м у Трольхёттана;

1810 г. — окончание строительства Мариинского водного пути от Петербурга до Рыбинска с 36 шлюзами на протяжении пути 1133 км;

1822 г. — замена деревянных шлюзовых ворот чугунными на канале Клодниц;

1825 г. — окончание строительства канала Эри от Буффало до Олбани (США) с 36 шлюзами на протяжении пути 567 км;

1862 г. — впервые применены клапанные ворота на канале Эри (США);

1880 г. — впервые применены цилиндрические затворы на шлюзе Бургвердер в Бреслау;

1906 г. — впервые в Германии применены подъемные ворота на двухниточном шлюзе Малый Махнов на канале Тельтов;

1915 г. — завершение строительства Панамского канала.

В настоящее время судоходные шлюзы эксплуатируются во многих странах, в том числе США, Канаде, Германии, Китае, Польше, Белоруссии, Украине, Франции, Бельгии, Нидерландах и т.д.

Самым большим шлюзом на данный момент является сооружение, построенное на гидроузле Эймёйден в Нидерландах. Габариты его камеры составляют (ДхШхВ) 500х70х18 м. Для сравнения, ширина камер шлюзов Панамского канала составляет 50 м.

О судоходных шлюзах, эксплуатируемых в РФ

В нашей стране практически все эксплуатируемые отечественные судоходные шлюзы, входят в состав судоходных гидротехнических сооружений (СГТС), которые Федеральным законом от 7 марта 2001 г. № 24-ФЗ «Кодекс внутреннего водного транспорта Российской Федерации» отнесены к федеральной собственности, являются объектами инфраструктуры внутренних водных путей Российской Федерации, осуществляют пропуск судов, в том числе по межбассейновым соединениям.

На внутренних водных путях Российской Федерации расположено 741 судоходное гидротехническое сооружение, сосредоточенные, в основном, в европейской части страны. В их числе — 108 шлюзов, 1 судоподъемник, 11 гидроэлектростанций, 8 насосных станций, 115 дамб, 93 плотины, 11 аварийно-заградительных ворот, 31 водоспуск, 128 каналов, 235 прочих гидротехнических сооружений.

1. 5. Зачем нужны шлюзы?

Шлюзы позволяют судам перемещаться между участками реки или канала с разным уровнем воды, например, выше и ниже плотины или гидроэлектростанции (ГЭС).

Без шлюзов судоходство было бы невозможно на реках с перекрытиями, создающими водохранилища.

Как “лифт” для судов

Шлюз — это герметичная камера с массивными воротами с обоих концов.

Когда судно входит в камеру, ворота за ним закрываются.

Затем камеру либо наполняют водой (для подъёма судна), либо выпускают воду (для спуска).

Уровень воды в камере выравнивается с уровнем следующего участка пути, и открывается вторая пара ворот.

Обеспечение непрерывности водного путиОни являются ключевым элементом судоходных каналов, таких как Волго-Балтийский водный путь, где может быть до 19 шлюзов.

Это позволяет грузовым и пассажирским судам проходить длинные маршруты без необходимости перегрузки или пересадки.

Инженерное решение и туристическая достопримечательность

Современные шлюзы — это сложные гидротехнические сооружения, работающие как часы.

Процесс шлюзования — зрелищное событие для туристов, которое многие считают одним из самых запоминающихся моментов речного круиза.

1. 6. Интересные факты.

Шлюзы — это гидротехнические сооружения, которые позволяют судам преодолевать искусственные перепады высот на реках, каналах и других водоёмах. Вот несколько интересных фактов о них:

1. Некоторые шлюзы работают с 1930-х годов и являются памятниками инженерной мысли. 

2. Камеры шлюзов могут быть очень большими: длина — до 280 метров, ширина — до 30 метров. 

3. Существуют двойные шлюзы, где сразу две камеры работают параллельно. 

4. Во время шлюзования движение судна строго регулируется диспетчером. 

5. Иногда шлюзование может проходить ночью — это нормальная практика, особенно в плотный навигационный сезон. 

6. Самый большой морской шлюз в мире находится в Нидерландах. Он открылся в 2022 году на Северноморском канале в Эймёйдене (IJmuiden). Его параметры: длина камеры — 500 метров, ширина — 70 метров, глубина — 18 метров. Эти размеры позволяют пропускать самые крупные океанские суда, следующие в порт Амстердама.

7. На канале Шарлеруа — Брюссель в Бельгии работает шлюзовой подъёмник с самым большим в мире перепадом уровней — 68,58 метра. Это скорее лифт для кораблей, чем привычный шлюз. Два кессона грузоподъёмностью 1370 тонн каждый движутся по наклонной плоскости. Весь подъём занимает 22 минуты.

8. В России самый глубокий классический шлюз — Чайковский на реке Каме. Он входит в состав Воткинского гидроузла и был открыт в 1962 году. Его перепад высот — 22 метра, что является самым большим показателем на магистральных водных путях России. 

Дополнительные сведения:

• Шлюзы часто входят в состав гидроузла, который может включать плотину, гидроэлектростанцию и другие элементы.

• Первые судоходные шлюзы, в которых осуществлялось попеременное выравнивание уровня воды, были изобретены Цяо Вэйюэ в 984 году и возведены на Великом Китайском канале.

• В Москве используются двухкамерные шлюзы, состоящие из двух последовательных камер, наполняемых водой. Их длина — около 290 метров, ширина — 30 метров, величина подъёма — примерно 5,5 метров.

2. Практическая работа

   1. Наш семейный опыт.

Я не просто читала про шлюзы и искала информацию в Интернете, я сама не раз проходила через них на яхте с папой. Когда наш корабль, кстати, называется он «Аквадор», заходит в шлюз, я всегда выхожу на палубу (конечно, по правилам безопасности, в специальном спасательном жилете) и смотрю: - как закрываются огромные ворота, - как вода то поднимается, то опускается, - как стены шлюза становятся выше или ниже относительно нас. Сначала мне было немного страшно: стены шлюза огромные, вода поднимается, всё шумит, иногда очень много огромных пассажирских кораблей и грузовых барж собирается у входа в шлюз. Но папа объяснил мне, что шлюз - безопасное сооружение, потому что инженеры всё тщательно рассчитывают при проектировании, а работники шлюза следят за процессом и соблюдением правил и техники безопасности. Теперь мне интересно следить, как именно открываются маленькие отверстия, через которые вливается или выливается вода из камеры шлюза и как сигналят друг другу работники шлюза и капитаны судов, как осуществляется по рации радиообмен.

1. 2. Изготовление макета шлюза ( с помощью взрослых)

3. Заключение.

Я выбрала тему научного исследования про речные шлюзы, потому что сама много раз видела шлюзы и всегда задавала вопросы: «Как это работает? Почему вода поднимается? Почему корабль не тонет?» Когда я начала искать информацию, то узнала, что за этим «чудом» стоят точные науки – математика, физика, инженерия. Люди много лет придумывали и улучшали шлюзы, чтобы мы могли безопасно и удобно путешествовать по воде. Теперь, когда мы с папой снова заходим в шлюз, я уже не просто смотрю вокруг, а понимаю, что и зачем происходит. Спасибо за внимание!

4.Источники информации:

1.  dzen.ru

2. kamatravel.ru

3. https://vestnik-rushydro.ru/articles/6-iyun-2019/krupnym-planom/lestnitsy-dlya-korabley/

4. https://mag.russpass.ru/rubric/moskva/razbiraemsya-v-ustrojstve-moskovskih-shlyuzov?ysclid=mnvwt3n64409451379

5. Кузнецов И. П. Каналы и шлюзы: теоретические основы. — Новосибирск: Наука, 2008.

6. Иванов А. Н. Речные шлюзы: история и развитие. — М.: Наука, 2010.

7. Орлов Н. М. Экология водных путей. — М.: Водные ресурсы, 2015.

8. Петров Б. С. Инженерные сооружения на реках. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2005.

9. Сидорова Е. В. Гидротехника и судоходство. — М.: Транспорт, 2012.

10. Смирнов Д. А. История судоходства в России. — СПб.: Университетская книга, 2001.

11. Министерство транспорта Российской Федерации. Речное судоходство в России:

12. статистический обзор. — 2017. URL: https://mintrans.gov.ru/river-transport-2017

13. Федеральное агентство водных ресурсов. Речные шлюзы и гидротехнические

14. сооружения: обзор. — 2018. URL: https://rwater.ru/locks-overview-2018

15. Большая Российская энциклопедия. Статья «Шлюз». — 2014. URL:

16. https://bigenc.ru/technology/text/1234567

17. Научно-популярный портал «Гидроэнергетика и водные ресурсы». История шлюзов в

Европе. — 2016. URL: https://hydroportal.ru/article/2016/locks-history