Статические расчеты камер судоходных шлюзов

УДК 626.4
ББК 38.77
          Л34
Авторы:
М.В. Берлинов, Е.Н. Дегаев, Ю.О. Кустикова, А.А. Давидюк
Рецензенты:
кандидат технических наук В.А. Есиновский (ЗАО «Г
идротехэкспертиза»);
кандидат технических наук, доцент В.В. Малаханов, 
доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ
 
Левачев, С.Н.
Л34	 	
Статические расчеты камер судоходных шлюзов [Электронный ресурс] : [учебное 
пособие для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство и 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений] / С.Н. Левачев, 
Ю.М. Колесников ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный 
университет, кафедра железобетонных и каменных конструкций. — Электрон. дан. и 
прогр. (7,5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Учебное электронное издание: 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). — Систем. требования: Intel; Microsoft 
Windows (XP
, Vista, Windows 7, 10); дисковод CD-ROM, 512 Мб ОЗУ; разрешение экрана не ниже 1024х768; ПО Adobe Acrobat, мышь. — Загл. с титул. экрана.ISBN 978-5-7264-2220-6
В учебном пособии описаны типы и особенности конструкций судоходных шлюзов, 
а также приведены их статические расчеты.
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство и 
08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений. 
Учебное электронное издание
Минимальные системные требования: процессор стандартной архитектуры x86  
с тактовой частотой от 1,6 ГГц и выше; операционная система Microsoft Windows XP
, Vista,  
Windows 7 и выше; от 512 Мб оперативной памяти; от 1 Гб свободного  
пространства на жестком диске; разрешение экрана не ниже 1024х768;  
программа Adobe Acrobat
	
©	 Национальный исследовательский 
	
	
Московский государственный 
	
	
строительный университет, 2020

Редактор Л.В. Себова
Корректор Л.В. Светличная
Компьютерная правка Л.В. Себовой
Компьютерная верстка О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesignCS5.5, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 15.06.2020. Объем данных 7,5 Мб, 
1 CD-ROM. Тираж 10 экз.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.
........................................................................................................................... 5
Глава 1. ТИПЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 
СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ.............................................................................................. 6
1.1. Судоходные шлюзы, их основные элементы и классификация................................ 6
1.2. Типы и конструкции камер шлюзов.
........................................................................... 9
1.3. Конструкции голов шлюзов...................................................................................... 22
1.4. Конструкции причально-направляющих сооружений............................................ 27
Глава 2. ОСНОВЫ И ОСОБЕННОСТИ СТАТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ 
СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ............................................................................................ 32
2.1. Основные расчетные положения и нагрузки............................................................ 32
2.2. Расчетные случаи....................................................................................................... 35
2.3. Основное давление грунта обратных засыпок.......................................................... 37
2.4. Дополнительное (реактивное) давление грунта обратных засыпок........................ 42
2.5. Судовые нагрузки.
...................................................................................................... 46
2.6. Расчет конструкций камер с неразрезными днищами............................................. 49
2.7. Расчет конструкций камер с разрезными  
и водопроницаемыми днищами................................................................................ 62
2.8. Расчет конструкций камер на скальном основании.
................................................ 67
2.9. Расчет устойчивости голов на нескальных основаниях........................................... 70
2.10. Расчет прочности устоев и днищ голов................................................................... 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................... 82
Библиографический список................................................................................................ 83

ВВЕДЕНИЕ
В последние годы появились новые нормативные документы, статические расчеты 
строительных конструкций гидротехнических сооружений водного транспорта — судоходных шлюзов (камер, голов, причально-направляющих сооружений) — претерпели определенные изменения. Регулирование уровня воды в камерах шлюзов обусловливает применение конструкций, которые практически не используются на других гидротехнических 
сооружениях и имеют различия в применяемых расчетных методиках. Эти обстоятельства 
привели к необходимости написания данного учебного пособия.
Кроме изложения основ и характерных особенностей статических расчетов судоходных шлюзов, в учебном пособии приводится краткое описание их типов и конструкций, 
необходимое для правильного понимания используемых расчетных схем сооружений и 
элементов. Конструкции гидромеханического оборудования, надземных зданий и подходных каналов судоходных шлюзов рассчитываются с применением других методов и с учетом иных нормативных документов и поэтому здесь не рассматриваются.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по дисциплинам: «Г
идротехнические сооружения водного транспорта», «Г
идротехнические сооружения водного транспорта и континентального шельфа», «Сооружения речных гидроузлов».

Глава 1. ТИПЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 
СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
1.1. Судоходные шлюзы, их основные элементы и классификация
Судоходный шлюз — это гидротехническое сооружение, предназначенное для преодоления судами сосредоточенного перепада уровней воды на гидроузле. Пропуск судов и 
составов через шлюз называется шлюзованием. Судоходные шлюзы на внутренних водных 
путях подразделяются [1]:
– по числу камер, расположенных последовательно: однокамерные, двухкамерные 
и многокамерные (иногда их называют многоступенчатые) (рис. 1.1);
– по числу камер, расположенных параллельно: однониточные, двухниточные и т.д.;
– по величине напора на камеру: низконапорные с расчетным напором — Нd < 10 м, 
средненапорные — 10 < Нd < 30 м, высоконапорные — Нd > 30 м;
– по типу грунтов основания: шлюзы на скальном и нескальном основаниях.
Рис. 1.1. Схематические продольные разрезы шлюзов:  
а — однокамерного; б — трехкамерного; 1 — верхние ворота; 2 — нижние и средние ворота;  
3 — стенка падения; 4 — боковой водослив; УВБ — уровень верхнего бьефа;  
УНБ — уровень нижнего бьефа; Hшл — напор воды на шлюз;  
Hк — напор воды на камеру (Hк = Hшл/3); V, V1, V2, V3 — сливные призмы
Основными элементами судоходных шлюзов являются камеры, головы и причально-направляющие сооружения в подходах.
Камеры шлюзов представляют собой отрезки каналов, ограниченные по концам головами и огражденные в поперечном сечении стенами и днищем, допускающими быстрое 
изменение уровня воды в них. На стенах камер располагают причальные устройства, обеспечивающие безопасность вертикального перемещения судов при шлюзовании.
Процесс повышения уровня воды в камере от уровня нижнего бьефа до уровня верхнего или до уровня выравнивания в смежной камере многокамерного шлюза называется 
наполнением камеры, обратный процесс понижения уровня воды в камере от уровня верх6

него бьефа до уровня нижнего или до уровня выравнивания в смежной камере — опорожнением камеры. Камеры судоходных шлюзов наполняются и опорожняются с помощью 
водопроводных устройств, называемых системой питания, или водопроводной системой 
шлюза.
Головы шлюзов являются напорными гидротехническими конструкциями, позволяющими поддерживать в камерах уровни воды, отличающиеся от уровня верхнего или нижнего бьефа, а также пропускать из бьефа в камеру (и обратно) при выровненных уровнях 
воды шлюзующиеся суда. Судопропускные отверстия голов перекрывают затворами, которые называют воротами шлюза. Г
оловы служат также для полного или частичного размещения в них водопроводных устройств, оборудования и управления шлюзом.
Г
олову шлюза между верхним бьефом и камерой называют верхней, между камерой 
и нижним бьефом — нижней, а между смежными камерами многокамерных шлюзов — 
средней.
В некоторых случаях для сокращения времени пропуска пассажирских и одиночных 
судов через длинную камеру однокамерного шлюза ее разделяют на две части промежуточной головой, которая может выполнять функции как верхней, так и нижней головы.
Конструкции голов и отметки их порогов (королей) зависят от наличия на них стенок падения (см. рис. 1.1).
Верхние головы шлюзов устраивают, как правило, со стенками падения, что уменьшает высоту верхних ворот и причально-направляющих сооружений верхнего подхода, а 
также сокращает объемы земляных работ по верхнему подходу. Без стенок падения верхние головы строят только при транспортном шлюзовании рек низконапорными судоходными плотинами. Средние головы многокамерных шлюзов устраивают всегда со стенками падения. Нижние и промежуточные головы по условиям пропуска через них судов 
стенок падения иметь не могут.
Отметка порога нижней головы (и верха днища примыкающей к ней камеры) определяется непосредственным вычитанием заданной судоходной глубины Sп от отметки минимального навигационного уровня воды в подходе к шлюзу расчетной обеспеченности 
с учетом падения его при размывах дна в нижнем бьефе гидроузла, неустановившегося 
движения воды при наполнении – опорожнении камер шлюзов и пуске – остановке агрегатов насосных станций, гидроэлектростанций и сгонно-нагонных явлений при длительном воздействии на водную поверхность ветра определенного направления.
На верхних головах отметку порога часто дополнительно понижают на 1-2 м для уменьшения сопротивления движению судов при проходе ими сжатого живого сечения над стенками падения, а также с учетом навигационной сработки водохранилища.
На многокамерных шлюзах при небольших колебаниях верхнего и нижнего бьефов 
расчетные максимальные и минимальные уровни воды в средних камерах и отметки порогов средних голов определяют делением полного падения уровня воды на шлюзе между его камерами на равные части по высоте — соответственно при максимальных и минимальных уровнях воды в бьефах, как это показано на рис. 1.2.
При значительных колебаниях уровней воды в нижнем бьефе, происходящих на большинстве гидроузлов с ограниченным регулированием стока, такое деление величины падения приводит к последовательному увеличению высот стен и ворот по направлению к 
нижнему бьефу. В этих случаях для выравнивания напоров воды на камеры в нижней камере устраивают водосливы для бокового сброса воды при окончании выравнивания уровней в смежных камерах (см. рис. 1.1, б). При больших навигационных колебаниях верхнего бьефа для той же цели водосливы устраивают во второй камере сверху.
Примыкающие к верхним и нижним головам водные подходы предназначены для 
маневрирования и отстоя судов, проходящих через шлюз. Как правило, они представляют собой огражденные дамбами каналы увеличенной ширины, на которых устраиваются 
причальные сооружения и направляющие палы (рис. 1.3). У причалов суда и составы ожи7

дают входа в камеру, занятую шлюзованием других судов; подходные палы служат для направления судов и составов в шлюзовую камеру в случае их отклонения от точного курса 
по оси шлюза.
Рис. 1.2. Схема деления падения уровней на многокамерном шлюзе  
при небольших колебаниях уровней воды в обоих бьефах:  
ВБ — верхний бьеф; НБ — нижний бьеф
Рис. 1.3. Однокамерный шлюз с подходными каналами:  
1 — верхний подходной канал; 2 — причальная линия; 3 — направляющая пала;  
4 — верхняя голова; 5 — камера; 6 — нижняя голова; 7 — нижний подходной канал
Судоходные шлюзы можно классифицировать по ряду признаков, и в первую очередь, как было отмечено выше, — по числу камер, расположенных последовательно друг 
за другом. В однокамерном шлюзе суда преодолевают сразу весь перепад от уровня верхнего до уровня нижнего бьефа, или напор на сооружение. В многокамерном шлюзе этот 
перепад разделен между камерами; суда последовательно преодолевают перепад в каждой 
камере от начального уровня воды в ней до уровня в смежной камере. Строить многокамерные шлюзы приходится в случаях, когда по геологическим, конструктивным, водохозяйственным или другим условиям необходимо уменьшить напор на камеру шлюза. На 
сжимаемых основаниях однокамерные шлюзы могут строиться с напором до 20–22 м; на 
скальных — до 35 м и более.
Как указывалось выше, по числу камер параллельного (одновременного) шлюзования шлюзы бывают однониточными, двухниточными (парными) и трехниточными. На 
судоходных реках со значительным грузооборотом для увеличения пропускной способности судоходных сооружений строят две или более ниток шлюзов.
В зависимости от системы наполнения – опорожнения камеры водой различают шлюзы с сосредоточенной и распределительной системой питания. При сосредоточенной системе вода подается в камеру и выпускается из нее в одном месте, обычно в головах шлюза. Поэтому такая система часто называется головной. При распределительной системе 
подача воды и ее выпуск распределяются по всей длине камеры с помощью донных галерей или боковых, проходящих в камерных стенах.
8

По конструктивным особенностям шлюзовых камер различают шлюзы с камерами, 
имеющими сплошное (разрезное, неразрезное или временно-разрезное) днище или водопроницаемое с отдельно стоящими стенами.
По типу грунтов основания выделяют шлюзы на скальном основании, имеющие 
специфические конструкции камерных стен в зависимости от прочности скалы и уровня 
ее кровли.
В зависимости от уровня обратных засыпок камерных стен различают шлюзы с полной и неполной обратной засыпкой. При высоте стен Нст более 20 м для облегчения их 
конструкций рекомендуется отсыпать грунт за стенами на высоту (0,7–0,8)Нст [2]. Более 
подробно конструктивные особенности основных элементов судоходных шлюзов будут 
рассмотрены в следующих разделах.
1.2. Типы и конструкции камер шлюзов
Типы и конструкции камер судоходных шлюзов на нескальных основаниях в значительной степени зависят от геологических условий и геотехнических характеристик оснований: прочности (несущей способности), деформативности, водопроницаемости, сопротивления сдвигу и размыву слагающих их пород.
В настоящее время камеры судоходных шлюзов возводят, как правило, из бетона и 
железобетона [2–4]. Деревянные (ряжевые) конструкции сохранились лишь на малых реках и поэтому ниже не рассматриваются. Металлический шпунт применяется при строительстве низконапорных камер.
Камеры шлюзов различаются по типам стен, днищ и обратных засыпок. По типу стен 
камеры подразделяются на откосные, полуоткосные и вертикальные.
Откосные (рис. 1.4, а) и полуоткосные камеры широко применяли в прошлом при 
строительстве шлюзов небольшого напора (до 2-3 м). Но и при таких напорах значительно увеличивался объем сливной призмы, и было трудно предохранять откосы камер от 
оползания при многократном и быстром изменении уровня воды в них. Кроме того, безопасность шлюзования судов при опорожнении камер заставляла устраивать вдоль одного или обоих откосов камер вертикальные направляющие эстакады, что значительно уменьшало единственное преимущество откосных камер по сравнению с вертикальными — их 
небольшую стоимость. Поэтому откосные камеры в настоящее время применяют редко — 
только в низконапорных гидроузлах с разборными судоходными плотинами и на малых 
реках с небольшим грузооборотом.
В речных гидроузлах комплексного назначения и на магистральных водных путях 
шлюзы строят с вертикальными стенами камер (рис. 1.4, б, в). Небольшой (50/1–100/1) 
уклон лицевым граням стен придают лишь для того, чтобы при неравномерных осадках 
основания верхняя часть стен не вышла в сторону камеры за ее полезные габариты.
По типу днищ применяют два основных вида камер: со сплошными практически водонепроницаемыми железобетонными днищами, жестко связанными со стенами камер 
(рис. 1.4, б) и с водопроницаемыми днищами и отдельно стоящими стенами (рис. 1.4, в).
При сплошном водонепроницаемом днище камеры шлюзов в фильтрационном отношении представляют собой замкнутую коробку, которую фильтрационный поток воды 
обтекает снизу — при напорном движении воды под ней и сбоку — при безнапорном движении воды в обход сооружения. Эта фильтрация воды при постоянной небольшой ширине шлюзов вдоль напорного фронта по сравнению с их длиной и при медленном изменении уровней воды в бьефах носит пространственный установившийся характер 
(рис. 1.5, а).
Если камера выдвинута в нижний бьеф, то суммарная длина голов и камер шлюза со 
сплошными днищами всегда намного превышает необходимую и безопасную длину путей фильтрации воды под сооружением и в обход его. Поэтому для облегчения работы кон9

струкций и понижения уровня грунтовых вод за стенами устраивают открытый или закрытый дренаж (рис. 1.5, а, б, в). При небольших колебаниях уровня нижнего бьефа дренаж 
за стенами однокамерного шлюза обычно располагают у нижних голов, немного (до 1 м) 
выше максимального уровня этого бьефа с тем, чтобы дренаж всегда можно было осмотреть и в случае необходимости отремонтировать. При больших колебаниях уровня нижнего бьефа, достигающих иногда более 10 м, осушение камер для ремонта предусматривают только при самых высоких меженных (летне-осенних и зимних) уровнях и при 
половодных уровнях частой повторяемости (например 10 %-й), на которых и располагают дренаж, допуская его затопление в период высоких половодий редкой повторяемости 
(рис. 1.5, г). В средних камерах многокамерных шлюзов дренаж чаще всего располагают 
немного выше максимального уровня воды в нижележащей камере.
Рис. 1.4. Камеры судоходных шлюзов:  
а — с откосными стенами и направляющими эстакадами; б — со стенами, жестко связанными  
со сплошным железобетонным (водонепроницаемым) днищем; в — с отдельно стоящими стенами  
и водопроницаемым днищем; 1 — стены камеры; 2 — направляющая эстакада; 3 — водонепроницаемое 
днище камеры; 4 — дренаж; 5 — пришлюзовая площадка; 6 — водопроницаемое днище  
в виде крепления на обратном фильтре
Рис. 1.5. Дренаж за стенами выдвинутых в нижний бьеф камер шлюзов  
с водопроницаемыми днищами:  
а — схема фильтрации воды в обход шлюза и под камерой при отсутствии дренажа за ее стенами;  
б — поперечный разрез камеры с закрытым дренажем за стенами; в — то же с открытым дренажем;  
г — высотное расположение дренажа при большой амплитуде колебаний уровня воды в нижнем бьефе; 
1 — верхняя голова шлюза; 2 — закрытый дренаж; 3 — открытый дренаж; 4 — дренажный кювет;  
5 — уровень верха ремонтных ворот; УВВ — уровень высоких вод
10