Система шлюзов Панамского канала поднимает суда от уровня моря на высоту 25,9 м, где пролегает основной судоходный маршрут через перешеек, и затем опускает их обратно. После открытия канала в 1914 году на нём функционировали три шлюзовых комплекса: трёхступенчатый каскад Гатун () на атлантической стороне, двухступенчатый Мирафлорес () и одноступенчатый Педро-Мигель () на тихоокеанской. До 1936 года, когда была закончена плотина Гувера (изначально плотина Боулдер) в Аризоне, шлюзы являлись самыми крупными и технически наиболее продвинутыми железобетонными сооружениями в мире. Все шлюзы названы по названию населённых пунктов, рядом с которыми они были установлены.

Изначальные шлюзовые комплексы парные (две камеры расположены бок о бок и имеют общую стену), что позволяет использовать их одновременно в обоих направлениях. Размер первоначальных шлюзовых камер, ограничивающий максимальные габариты судов, стал результатом внедрения судостроительного стандарта, получившего название «Panamax». В 2007—2016 годах панамские власти произвели масштабное расширение канала, включая строительство двух новых шлюзовых комплексов: Агуа-Клара () и Коколи (), в дополнение к уже существующим. Благодаря новым сооружениям канал позволяет проход более крупных судов с большей грузоподъёмностью. Обновлённый стандарт стал известен как «Neopanamax» (New Panamax).

Внешний вид До 2016 года на канале функционировали шесть парных шлюзовых ступеней. Двухступенчатый каскад Мирафлорес и одноступенчатый Педро-Мигель перемещают суда между Тихим океаном и верхним уровнем канала на высоте 25,9 м над уровнем моря. Соответственно, трёхступенчатый каскад Гатун поднимает и опускает их со стороны Атлантики. Парная схема позволяет судам одновременно проходить в противоположных направлениях, однако на практике, начиная с 2001 года, движение в основном одностороннее: первую половину суток суда движутся в одном направлении, вторую в другом (нововведение связано с оптимизацией и минимизацией возможности столкновений крупных судов). При таком режиме использования парные шлюзы обеспечивают резерв на случай технического обслуживания или возникновения механических неполадок.

Оригинальные шлюзовые камеры имеют длину 305 м, ширину 33,5 м и глубину осадки 12,2 м. Максимальные габариты проходящих через канал судов, определивших стандарт «Panamax», несколько меньше: по состоянию на 2024 год для пассажирских и контейнерных судов 294 × 32,3 м, для судов других классов 289,6 × 32,3 м. Суммарный перепад высот в шлюзах Гатун составляет 25,9 м, в шлюзе Педро-Мигель — 9,4 м. Перепад высот в Мирафлоресе варьирует из-за резких колебаний уровня воды на тихоокеанском побережье: от 13 м при максимальном приливе до 20 м при максимальном отливе (по этой причине нижние ворота шлюзов «Мирафлорес» являются самыми высокими на канале). Колебание уровня моря на побережье Карибского моря едва достигает одного метра и по этой причине не оказывает заметного влияния на высоту ворот шлюзов.

Шлюзовые камеры представляют собой массивные бетонные конструкции. Каждая пара камер имеет одну общую стену толщиной 18,3 м. Толщина боковых стен на уровне дна варьирует в пределах от 13,7 до 15,2 м, при этом наружная часть стены построена в виде ступеней высотой 1,8 м каждая, начиная с высоты 7,3 м от уровня основания. Таким образом, на вершине боковые стены имеют толщину всего 2,4 м. Полы камер также залиты сплошным бетоном толщиной от 4 до 6 м. В верхней части разделительной стены расположена диспетчерская, в которой находится пульт управления и производятся все операции по управлению шлюзами.

В 2007—2016 годах на канале была произведена масштабная реконструкция, центральным местом которой стало возведение ещё двух трёхступенчатых шлюзовых комплексов: Агуа-Клара и Коколи. Камеры этих сооружений заметно крупнее по сравнению с оригинальными: их длина составляет 426,7 м, ширина 54,9 м, глубина воды 18,3 м. Такие габариты позволяют проходить судам класса «Neopanamax» длиной до 370,33 м (несамоходным судам до 400 м), шириной до 51,25 м и осадкой до 15,24 м. В частности, они способны принимать контейнеровозы, перевозящие до 12 тыс. контейнеров, штабелируемых в высоту, равную высоте 15-этажного здания. Шлюзы оборудованы дополнительными бассейнами для повторного использования речной воды — по три на каждом шлюзе — для более эффективного решения проблемы нехватки воды в засушливый сезон. 60 % воды, поступающей в новые шлюзы, используется повторно. В отличие от старых — парных — шлюзов, движение на новых однополосное.

Принцип работы новых комплексов схож с принципом работы шлюза в Антверпене, который в числе прочих изучали разработчики, прежде чем приступить к строительству.

Ворота

Шлюзовые ворота способны удерживать значительный объём воды и возможные удары извне и снаружи; их выход из строя может вызвать наводнение на нижнем уровне. Высота ворот варьирует от 14,3 до 25 м, толщина около 2,1 м; каждая из створок подвешивается на 16-тонных шарнирах, закреплённых на бетонных стенках шлюза. Самые высокие ворота находятся в Мирафлоресе: их высота вызвана высоким уровнем воды во время сизигийных приливов. Наиболее тяжёлые створки имеют массу около 662 тонн. Каждые ворота состоят из двух створок шириной 19,8 м, которые в закрытом состоянии образуют V-образную форму с вершиной, направленной вверх по течению. При такой конструкции давление воды сверху плотно прижимает края створок друг к другу. Ворота можно открыть только тогда, когда в рабочем цикле уровень воды с обеих сторон одинаков.

Ворота шлюзов Агуа-Клара и Коколи, введённых в эксплуатацию в 2016 году, по конструкции отличаются от своих предшественников: если ворота старых шлюзов открываются в противоположную от течения стороны, то ворота новых раздвигаются в стороны. Шесть типов ворот, спроектированные итальянской фирмой Cimolai, были изготовлены с учётом особенностей места установки. Самые высокие из них — 33,04 м высотой — установлены у тихоокеанского входа в канал, чтобы выдерживать значительные приливные колебания. Несмотря на то, что самые тяжелые ворота весят 4242 тонны, в их конструкции предусмотрены плавучие камеры, позволяющие им перемещаться по рельсам под давлением, составляющем всего 15 % от их фактической массы.

Первоначальный механизм управления воротами состоял из управляемого с помощью электродвигателя приводного колеса, к которому был прикреплен шатун, в свою очередь соединённый с внутренней частью створок ворот. Ворота полые и при погружении в воду остаются на её поверхности, не погружаясь на глубину. Для перемещения каждой створки достаточно двух двигателей мощностью 19 кВт (25 л. с.). В случае выхода из строя одного двигателя другой может продолжать управлять воротами с меньшей скоростью.

Во всех камерах, кроме одной, имеется пара вспомогательных ворот, которые можно использовать для разделения камеры на две части. Такая конструкция позволяет пропускать небольшие суда длиной менее 183 м с использованием уменьшенного объёма воды.

Наполнение и слив

Каждое судно, проходящее через шлюзы 1914 года, использует около 50 млн галлонов (189,3 млн литров) пресной воды, собранной в водохранилищах Гатун, и Мирафлорес. Шлюзы 2016 года, несмотря на более внушительные размеры, израсходуют только 93 % воды, требуемой для заполнения старых конструкций. Экономия достигается за счёт повторного использования части воды, которая после слива поступает обратно в накопительные бассейны.

В стенах шлюзовой камеры сконструированы три основных водопропускных канала, которые используются для как для подачи воды из озера во время подъёма, так и слива на нижний уровень во время опускания. Диаметр каналов варьирует от 18 (5,49 м) до 22 (6,71 м) футов. От основных каналов ответвляются поперечные трубы, проходящие под шлюзовыми камерами к отверстиям в днище. Каждая камера содержит четырнадцать поперечных труб с пятью отверстиями, по семь от боковых стенок — достаточно больших, чтобы вместить запряжённую двумя лошадьми повозку. Вода поступает в шлюз и вытекает из него без применения насосов, исключительно за счёт силы тяжести, и регулируется клапанами в виде стальных ворот, скользящих на роликовых подшипниках. Шлюзовая камера может быть заполнена в течение от восьми до пятнадцати минут.

Электровозы

С самого начала важной мерой безопасности считалось управление движением судов в шлюзовых камерах с помощью электрических тягачей, известных как «мулы» (названы так в честь вьючных животных), движущихся по зубчатым рельсам вдоль стен шлюза. Прежде чем войти в шлюз 1914 года, судно берётся под контроль электровозов, которые затаскивают судно в камеру. Лебёдки с постоянным натяжением удерживают судно по центру, обеспечивая безопасный и своевременный проход. Для крупных судов предусмотрены восемь «мулов»: по два с каждой стороны в носовой части и по два с каждой стороны в кормовой.

Для тягачей предусмотрены две колеи: внутренняя с зубчатыми рельсами, которая используется для буксировки, и внешняя, большей частью гладкая, для возвращения в исходную точку. Тяга осуществляется за счет электроэнергии, подаваемой через третий рельс, проложенный ниже уровня поверхности земли со стороны суши. Каждый электровоз имеет мощную лебедку, которая используются для натяжения или ослабления тросов при удержании судна в фарватере.

На шлюзах 2016 года «мулы» не используются. Два буксира — один на носу, другой на корме — размещают суда внутри шлюзов. Пока судно находится внутри камеры, оно фиксируется с помощью системы швартовки и находящихся на борту и вдоль канала линейных рабочих.

Меры безопасности

Выход из строя шлюзовых ворот — например, в результате столкновения неуправляемого судна с воротами — может вызвать просачивание воды и наводнение на близлежащей территории. Основная мера защиты от такого сценария — создание дополнительных ворот в каждом каскаде шлюзов, которые находятся внутри шлюзовой камеры на расстоянии 21 м от рабочих ворот.

Первоначально шлюзы также были оснащены цепными барьерами, которые натягивались поперек шлюзовых камер, чтобы предотвратить выход судна из-под контроля и столкновения с воротами. При прохождении судна они на и освобождали дорогу. Защитные цепи имели сложные тормозные механизмы, позволяющие безопасно остановить судно весом до 10 тыс. тонн. С учётом использования направляющих механизмов вероятность применения цепей оказалась слишком малой (при этом тоннаж судов неуклонно рос), и их в 1980 году они были полностью демонтированы.

Кроме того, первоначальная конструкция шлюзов предусматривала ещё одну функцию безопасности — аварийные перемычки, которые можно было развернуть поперек канала в верхней части каждого комплекса. Они состояли из поворотных мостов, с которых балки опускались на дно шлюза; затем по этим балкам можно было опустить стальные заслонки, чтобы перекрыть поток воды. Никогда не использовавшиеся, они были демонтированы в 1950-х годах.

Система управления Процесс шлюзования судов контролируется из центральной диспетчерской, расположенной на разделительной стене верхнего участка шлюзов. Система управления была спроектирована таким образом, чтобы свести к минимуму вероятность ошибки оператора, и включает в себя полную модель шлюзов с движущимися элементами, которые отражают состояние реальных ворот и клапанов. Оператор может видеть, в каком состоянии находятся шлюзы и водяные клапаны. В систему управления встроены механические блокировки, которые гарантируют, что ни один компонент не может быть перемещён, пока другой находится в неправильном состоянии — например, одновременное открытие дренажных и наполнительных клапанов шлюзовой камеры.

История

Строительство