Судоходный шлюз - это водоподпорное гидротехническое сооружение, посредством которого различные плавсредства преодолевают сосредоточенный перепад уровней гидроузла, в состав которого входит шлюз. Пропуск судов и составов через шлюз называется их шлюзованием. В состав шлюза входят: верхняя и нижняя головы с механизмами, камера, верховой и низовой подходные каналы (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Схема однокамерного шлюза.
ВГ и НГ - верхняя и нижняя головы; ВВ и НВ - верхние и нижние ворота; 1 - пороги шлюза; 2 - боковые водопроводные галереи; 3 - затворы галерей; 4 - стенка падения.

Процесс шлюзования вверх состоит из следующих последовательных операций: судно подходит к шлюзу и занимает положение, камеру шлюза опорожняют через водопроводную систему и горизонт в ней выравнивают с горизонтом воды в нижнем бьефе, верхние ворота при этом закрыты; открывают нижние ворота и вводят судно в камеру в положение II; закрывают нижние ворота и нижнюю водопроводную систему; открывают верхнюю водопроводную систему и наполняют камеру шлюза. При этом одновременно подымается судно, которое через некоторое время займет положение III, когда горизонт воды в камере достигнет горизонта воды верхнего бьефа; открывают верхние ворота и выводят судно из камеры шлюза в верховой подходный канал в положение IV. В обратном порядке выполняют шлюзование вниз.
В зависимости от напора различают следующие типы шлюзов: однокамерные, или одноступенчатые, со стенкой падения (шлюз без стенки падения применяют только при низконапорном шлюзовании при напорах не свыше 4-5 м) и многокамерные, или многоступенчатые (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Схема трехступенчатого, шлюза.
а - продольный разрез; б - план.

В шлюзах со стенкой падения (см. рис. 20.1) верхние ворота получаются низкими и сравнительно дешевыми. При значительных напорах переходят к многоступенчатым шлюзам. Основным преимуществом многоступенчатого шлюза является уменьшение объема воды на шлюзование и снижение напоров на стенки и ворота. Из рассмотрения схемы трехступенчатого шлюза (рис. 20.2) видно, что при шлюзовании вниз расход воды на шлюзование в трехступенчатом шлюзе уменьшается в три раза по сравнению с однокамерным (при одинаковом перепаде уровней между верхним и нижним бьефами), так как судно переходит из одной камеры в другую вместе с одной и той же призмой воды. Недостатком многоступенчатых шлюзов является увеличение числа ворот и механизмов, удлинение водопроводной системы, большая длина стенок камер, увеличение времени шлюзования.
Для повышения пропускной способности шлюза можно увеличить длину его камеры, чтобы шлюзовать одновременно два судна. На современных магистральных внутренних водных путях длина шлюзов достигает 300 м. Если этого мероприятия будет недостаточно, применяют парные шлюзы (шлюзы в две нитки), представленные на рис. 20.3. В длинных камерах предусматривают иногда средние ворота, которые используют в случае шлюзования сравнительно коротких судов, например пассажирских теплоходов, для экономии воды и ускорения шлюзования.

Рис. 20.3. Парные шлюзы.
ПГ - перепускная галерея; 1, 2, 3 - соответственно верхние, нижние и средние ворота.

Системы наполнения шлюза и его опорожнения определяют экономическими соображениями и наибольшей возможной быстротой наполнения и опорожнения камеры при условии обеспечения безопасности судов как находящихся в камере, так и ожидающих шлюзования. В современных шлюзах применяют следующие основные системы наполнения: а) через боковые продольные галереи в стенках, б) через донные продольные галереи, в) через голову шлюза. Наполнение шлюза через боковые продольные галереи было показало на рис. 20.1.
Система наполнения шлюза при посредстве донных продольных галерей аналогична системе с боковыми галереями. Наполнение шлюза через верхнюю голову производят через плоские подъемные или опускные и сегментные ворота (рис. 20.4). Для наполнения шлюза ворота немного подымают, вследствие чего между ними и порогом образуется щель, через которую вода поступает в камеру, гашения. После того как горизонт в камере шлюза сравняется с горизонтом в верхнем бьефе, сегментные ворота опускают, а плоские подымают (или опускают) и суднf вводят в камеру или выводят из нее.

Рис. 20.4. Схемы наполнения шлюза через голову.
а - подъемные или опускные верхние ворота; б - сегментные верхние ворота; 1 - верхнее положение подъемных ворот; 2 - нижнее положение опускных ворот; 3 - башни для подъемных ворот; 4 - мост для расположения подъемных механизмов; 5 - камера шлюза; 6 - стенка гасителя энергии.

Опорожнение шлюза осуществляют чаще всего короткими обводными галереями нижней головы с выпуском воды непосредственно в нижний подходный канал.
Расход воды на шлюзование при комплексном использовании речного стока имеет большое значение для правильного распределения водных запасов водохранилища. Если известны размеры шлюза Lш, Вш, Нш, среднее число шлюзований в сутки n, число суток в навигацию Nн и число суток со шлюзованием Nш, то средний секундный расход воды на шлюзование в период навигации составит (в м3/с)

(20.1)

где

- коэффициент, учитывающий потери на фильтрацию в воротах, в затворах и др.
При проектировании шлюзов необходимо принимать меры к сокращению расхода воды на шлюзование, что достигается различными техническими мероприятиями. Некоторые из этих мероприятий были уже упомянуты. К ним относятся:

применение при высоких напорах многоступенчатых шлюзов вместо одноступенчатого,
применение средней головы в длинных шлюзах для пропуска пассажирских теплоходов и малогабаритных судов.

Другим мероприятием к сокращению расхода на шлюзование является устройство сберегательных бассейнов. Прототипом сберегательных бассейнов может служить парный шлюз с перепуском воды из одной камеры в другую.