閘門（水上航行用）

古代エジプトでは、河川閘門はおそらくファラオの運河の一部であった。ディオドロス・シクルスは、プトレマイオス2世の技術者たちが紀元前274～273年頃に閘門を発明し、ナイル川から塩水を取り除くという問題を初めて解決したと評価している。^{[ 3 ]}

西暦960年から1279年の間に、フラッシュロックまたはスタウンチの自然な拡張として、上部ゲート（または一対のゲート）を設けて中間の「ポンド」を形成し、船が通過する際に空にする必要があるのはそれだけでした。ポンドロックと呼ばれるこのタイプのロックは、中世中国の宋王朝（西暦960～1279年）で初めて使用されました。宋史、または宋王朝の歴史、第307巻、伝記66には、高位の税務官吏である喬維岳が、江蘇省淮安近くの西河で穀物運搬船が頻繁に難破して損失を被ることに苛立ちを感じていたことが記録されています。彼は、ある二連船台にいた兵士たちが盗賊と共謀して、こぼれた穀物を盗むために重厚な皇帝の船を難破させていたことを発見しました。^{[ 4 ]}

984年、喬は250フィート離れた場所に一対の水門を設置し、建物のように全体を屋根で覆った。2つの頑丈な水門を非常に近い場所に設置することで、喬は短い運河、つまり事実上の閘門を作り出した。これは、上の水門の個々の木製の筏を上げることで上の運河から水を満たし、上の水門の筏を下げ、下の水門の筏を上げることで下の運河に水を排出するものであった。^{[ 5 ]}

1385年、中世ヨーロッパのオランダのフリースウェイクに一種のポンドロックが建設されました。^{[ 6 ]}このポンドロックは、大きな水路で一度に多くの船に対応しました。しかし、ヨーロッパで最初の真のポンドロックは、1396年にベルギーのブルージュ近郊のダムに建設されました。^{[ 6 ]}イタリアのベルトーラ・ダ・ノヴァーテ（1410年頃～1475年）は、1452年から1458年の間に、ナヴィリオ・ディ・ベレグアルド（フランチェスコ・スフォルツァが後援したミラノ運河システムの一部）に18のポンドロックを建設しました。 ^{[ 7 ]}

1800 年頃、ロバート・ウェルドン^{[ 11 ]}は、イギリスのサマセット石炭運河にケーソン閘門の使用を提案した。この水中昇降機では、チャンバーは長さ80フィート (24.4 m) 、深さ60フィート (18.3 m)で、はしけを収容できる大きさの完全に密閉された木箱が入っていた。この箱は、深さ60フィート (18.3 m)の水のプール内で上下に移動した。避けられない漏水を除けば、水はチャンバーから出ることはなく、閘門を使用しても水は無駄にならなかった。代わりに、船が箱に入り、後ろの扉が閉まることで密閉され、箱自体が水中を上下に移動した。箱がチャンバーの底にあるときは、合計で3気圧(304 kPa ; 44.1 psi )の水圧で、ほぼ60 フィート (18.3 m)の水の下にあった。これらの「閘門」の1つが建設され、摂政皇太子（後のジョージ4世）に実演されたが、様々な技術的な問題があり、その設計はコール運河では使用されなかった。^{[ 12 ] [ 13 ]}          

費用を節約するため、特に良質な石材が非常に高価であったり入手が困難であったりする場所では、複合閘門が作られました。つまり、瓦礫や劣悪な石材を使用して建設され、船が摩耗しないように閘門の内壁を木材で覆いました。これは、たとえば、ポーポー・トンネル近くの閘門があるチェサピーク・アンド・オハイオ運河^{[ 14 ]}や、チェナンゴ運河^{[ 15 ]で行われました。}

ウェルドンのケーソン式閘門に触発されたと思われるウィリアム・コングリーブは、 1813年に「水圧式二重バランス閘門」の特許を取得した。これは、空気圧ケーソンを内蔵した隣接する2つの閘門を、一方のケーソンから他方のケーソンへの圧縮空気の移動によって、カウンターバランスで上下させるものであった。1817年頃、リージェンツ運河会社は、現在のカムデン閘門がある北ロンドンの場所に、この閘門の1つを建設した。ここでも動機は、やはり給水問題であった。同社はコングリーブの設計に様々な変更を要求したが、結果として設置された閘門は不十分であることが判明し、すぐに従来の閘門に置き換えられた。^{[ 16 ] [ 17 ]}

この傾斜機のおかげで、幅広の船は10か所の狭い閘門群を迂回できるようになったが、支線の反対側での改良が行われなかったことと、運用コストが高かったことが、早期の廃止につながった。現在、英国には稼働中の水路傾斜機はないが、有名な傾斜機の残骸が、グランドユニオン運河のレスター支線沿いのレスターシャー州フォクストンで見ることができる。^{[ 18 ]}修復計画があり、資金も一部確保されている。^{[ 19 ]}

ケーソン式閘門と表面上はよく似ているのが、シャフト式閘門です。シャフト式閘門は、従来型の上のゲートを備えた深いシャフトで構成されています。下のゲートへは短いトンネルを通ってアクセスします。ゲートはこのアクセス用トンネルを塞ぐだけなので、閘門の全高まで達する必要はありません。有名な例としては、サン・ドニ（フランス、パリ）、ホリン（チェコ共和国、メルニク近郊）、アンデルテン（ドイツ、ハノーバー）に建設されています。^{[ 20 ]}

ミンデンにあるシャフトロック（北緯52度18分23秒、東経8度55分11秒/北緯52.30639度、東経8.91972度/北緯52.30639度、東経8.91972度）は、落差が12.7メートル（42フィート）あり、8つのタンクがペアでロック室に連結されています。^{[ 21 ]} ロックが空になると、各室に順番に水が流れ込み、満水にするには、各室から水が放出されるため、ロックを満水にする水の無駄がなくなります。シャフトロックの以前の試みは、現在のイェータ運河のルート上のスウェーデンのトロルヘッタンで行われました。落差は16メートル（52フィート）で、1749年当時としては驚異的だった。しかし、進入トンネルは洪水時には使用できないことが判明し、1768年にシャフトロックは2段の階段に置き換えられた。^{[ 22 ]}  

芝生側閘門は、土手を使って閘室を形成する初期の運河閘門設計の一種で、現在より一般的で広く普及しているレンガ、石、またはコンクリート製の閘門壁構造の代わりに、草やその他の植物が生い茂る構造になっています。この初期の閘門設計は、イギリスに運河が出現する前の18世紀初頭に、河川航行で最もよく使用されていました。芝生側閘門の側面は傾斜しているため、満水時には閘門はかなり広くなります。したがって、このタイプの閘門は、垂直な側面を持つレンガまたは石造りの閘門よりも多くの水を必要とします。イギリスの運河や水路では、芝生側閘門のほとんどがその後レンガまたは石で再建されたため、ケネット・アンド・エイボン運河のガーストン閘門やモンキー・マーシュ閘門など、良好な例がわずかに残っているだけです。^{[ 23 ]}

パウンドロックは、今日では運河や河川で最も一般的に使用されています。^{[ 24 ]}パウンドロックは、両端にゲートがあり、パウンド内の水位を制御するチャンバーを備えています。対照的に、単一のゲートを備えた初期の設計はフラッシュロックとして知られていました。^{[ 4 ]}

閘門は、宋王朝（西暦960～1279年）に中国で初めて使用され、 984年に宋の政治家で海軍技師の喬維岳によって開拓されました。 ^{[ 25 ]}これらは、問題を引き起こしていた以前の二重船台に取って代わり、中国の博学者沈括（1031～1095年）が著書『夢池論』（1088年出版）で言及しており、^{[ 26 ]}中国の歴史書『宋史』（1345年編纂）で詳細に記述されています。 ^{[ 5 ]}

二つの閘門の間​​隔は50歩強あり、その空間全体は小屋のような大きな屋根で覆われていた。水門は「吊り下げ式水門」で、閉じている間は潮のように水が溜まり、必要な水位に達すると、時が来ると水が流れ出す仕組みになっていた。

水位は各閘門で4～5フィート（1.2～1.5メートル）異なることがあり、大運河ではこのようにして水位が138フィート（42メートル）上昇した。^{[ 5 ]}  

大まかに言えば、閘門群とは、一つのグループとして識別できるほど近接した一連の閘門のことです。多くの理由から、同じ数の閘門をより広範囲に分散させるよりも、閘門群の方が好ましいです。乗組員は複数回ではなく一度上陸して乗船できます。移行は、途切れ途切れの移動ではなく、集中した作業で済みます。閘門管理人が配置され、乗組員が閘門群を迅速に通過できるよう支援できます。また、水が不足している場合は、1つのポンプで閘門群全体の上部に水を循環させることができます。閘門群の必要性は地形によって決まる場合もありますが、切り通しや堤防を使用して高さの変化を「遅らせる」ことで、意図的に閘門群をグループ化することも可能です。例：ケーンヒル閘門群、デバイゼス。

「フライト」は「階段」と同義ではありません（下記参照）。一連の閘門が階段状であるのは、連続する閘室がゲートを共有している場合（つまり、上下のゲートが別々で、その間にパウンドがない場合）に限られます。ほとんどのフライトは階段状ではありません。なぜなら、各閘室は独立した閘門（それぞれ独自の上下ゲートを持つ）であり、各閘門の間には（たとえ短くても）航行可能なパウンドがあり、閘門は従来の方法で操作されるからです。

しかし、一部の閘門群は階段を含んでいる（あるいは階段のみで構成されている）。グランド・ユニオン（レスター）運河のワトフォード閘門群は、4つの区画からなる階段と3つの独立した閘門で構成されており、フォックストン閘門群は、隣接する2つの5つの区画からなる階段のみで構成されている。

階段の鍵

非常に急な勾配を登る必要がある場所では、ロック式階段が使用されます。ロック式階段には、「実際の階段」と「見かけの階段」の2種類があります。

「本物の」階段式水門は、中間ポンドがなくなった「圧縮された」階段式水門と考えることができます。つまり、一方の水門の上部ゲートが、その上の水門の下部ゲートにもなっているということです。しかし、階段式水門と階段式水門を同義語として使うのは誤りです。中間ポンドがないため、階段式水門の操作は階段式水門の操作とは大きく異なります。階段式水門は、中間レベルを持つ単一の水門（最上部ゲートは通常の最上部ゲートであり、中間ゲートはすべて最下部ゲートと同じ高さ）と考える方が分かりやすいでしょう。中間ポンドがないため、水門室を満たすには上の水門室を空にするか、下の水門室を満たすことでしか満水にできません。したがって、船が上昇を開始する前に階段式水門全体が水で満たされている必要があり（最下部の水門室を除く）、船が下降を開始する前に階段式水門全体が空になっている必要があります（最上部の水門室を除く）。

一見階段状に見える構造では、各部屋に共通の門があるものの、水は直接部屋から部屋へと流れるのではなく、側池を経由して流れる。そのため、階段を登り始める前に、階段が満水か空かを確認する必要はない。

イギリスで有名な「本物の」階段の例としては、ビングリーとグリンドリー・ブルックがある。2段の階段の方が一般的で、ドリフィールド運河のスネークホルム・ロックとストランチョン・ヒル・ロックは、満潮時以外は低水位で底部の敷居を越える航行が困難になったため、階段式閘門に改造された。新しい底部の室は、元の閘門の敷居を船が越えられるだけの深さまで上昇している。中国では、最近完成した三峡ダムに、大型船用の5段の階段が2つと、3000トン未満の船舶用の船昇降機がある。「見かけ上の」階段の例としては、グランド・ユニオン運河のレスター支線のフォクストン・ロックとワトフォード・ロックがある。

階段式閘門の操作は、階段式閘門の操作よりも複雑です。経験の浅い船乗りは、階段式閘門の操作が難しいと感じるかもしれません。主な懸念事項は、下側の閘室が処理できる以上の水を送り込んでしまうこと（曳舟道が冠水したり、運河に波が立ったりする）、あるいは中間の閘室を完全に空にしてしまうことです（ただし、これは階段式閘門が緊急時の乾ドックとして使用できることを示しています）。こうした事故を避けるため、通常は最初の閘室を除いて、下降を開始する前に階段式閘門全体を空にするか、上昇を開始する前に満水にしておくのが一般的です。

階段式閘門（単閘門や連続閘門と比較した場合）の大きな違いの一つは、ボートを通過させる最適な順序です。単閘門（またはボートが通過できるスペースのある連続閘門）では、理想的にはボートは交互に方向を変えるべきです。しかし、階段式閘門では、前のボートと同じ方向に進む方が速いのです。こうした理由もあって、グリンドリー・ブルック、フォクストン、ワトフォード、ブラッチなどの階段式閘門は、少なくとも主要なクルーズシーズン中は閘門管理人が監視しており、管理人は連続閘門の閘室の数と同じ数のボートを交互に上ってから下るようにしています。

飛行機と同じように、幅の広い運河では複数の船が同時に階段状の水門を通過することが可能ですが、水の無駄遣いをせずにこれを管理するには専門知識が必要です。イギリスの運河では、2つ以上の水門室からなる階段状の水門室には通常係員が配置されています。ビングリーの水門管理人（「5段式」と「3段式」の両方を管理）は、不測の事態が発生しないよう、また船が可能な限り迅速かつ効率的に通過できるよう努めています。こうした専門知識のおかげで、反対方向から航行する船が階段状の水門室の途中で横向きにすれ違うといった、珍しいことが可能になります。また、ピーク時には、同じ方向から航行する船で全ての水門室が同時に満杯になることもあります。

シル（cill、sillとも綴られる）は、上部ゲートの下から閘室に少しだけ突き出た狭い水平の棚です。船の後部がシルに「ぶら下がる」状態になることが、閘門を下る際の主な危険であり、シルの前縁の位置は通常、閘門側に白い線で示されています。シルの縁は通常湾曲しており、中央部よりも端の方が突き出ています。一部の閘門では、厚さ約9インチ（23cm ）のオーク材が閘門シルの堅固な部分を保護しています。オックスフォード運河ではバビー（babbie）と呼ばれ、グランドユニオン運河ではシルバンパー（cill bumper ）と呼ばれています。主に米国とカナダの一部の運河運営当局は、この棚をマイターシル（カナダではマイターシル）と呼んでいます。^{[ 37 ]}  

河川に閘門（または堰やダム）を建設すると、魚の遡上が妨げられます。ヤツメウナギ、マス、サケなどの魚は産卵のために上流に遡上します。この問題を解決するために、魚道などの対策が講じられることがよくあります。航行用閘門は、さまざまな生物のアクセスを向上させるために魚道として運用される可能性もあります。^{[ 38 ]}

門は、部屋を上下の池から遮断する防水扉です。部屋の両端には門、または一対の半門が備え付けられており、伝統的にはオーク材またはニレ材で作られていましたが、現在では通常鋼鉄で作られています。最も一般的な配置は、通常マイターゲートと呼ばれ、15世紀後半頃にレオナルド・ダ・ヴィンチによって考案されました。 ^{[ 39 ]}

旧エリー運河では、パドルを操作する際に怪我をする危険があった。水が一定の位置に達すると、パドルを強い力で押し、巻き上げ機（またはハンドル）が手から引きちぎられたり、間違った場所に立っていると運河に落ちて怪我や溺死につながる可能性があった。^{[ 40 ]}

ポンドとは、2 つの閘門間の水平な水域のことです (リーチとも呼ばれます)。^{[ 41 ]}

現代の大きな運河、特に船舶運河のような非常に大きな運河では、ゲートとパドルは大きすぎて手動で操作できないため、油圧または電気装置で操作されます。カレドニア運河では、閘門は人力の巻き上げ機で操作されていました。1つはチェーンで接続されてゲートを開け、もう1つはゲートを閉じるために引き込みます。1968年までに、これらは鋼鉄製のラムを介して作用する油圧動力に置き換えられました。^{[ 42 ]}

上昇とは、閘門内の水位の変化のことです。イギリスの運河システムで最も深い閘門は、ケネット・アンド・エイボン運河のバース深水閘門^{[ 43 ] [ 44 ]}とロッチデール運河のトゥエル・レーン閘門で、どちらも約20フィート（6.1メートル）の上昇があります。どちらの閘門も、道路横断の変更に対応するために運河が復元された際に結合された2つの独立した閘門の合体です。比較すると、ポルトガルのドウロ川にあるカラパテロ閘門とヴァレイラ閘門は、長さ279フィート（85メートル） 、幅39フィート（12メートル）で、最大上昇はそれぞれ115フィート（35メートル）と108フィート（33メートル）です。^{[ 45 ]}    

アイルランドのシャノン川航路にあるリムリック近郊のアードナクラシャ閘門2基は、高さが100フィート（30メートル）ある。上部水門室は60フィート（18メートル）の高さがあり、トンネルで下部水門室と繋がっているが、下降中は水門室がほぼ空になるまでトンネルは見えない。^{[ 46 ]}  

馬やラバが牽引する運河では、閘門内で船の速度を落としたり停止させたりするために、スナビングポストが使用されていました。時速数マイルで移動する200トンの船は、閘門のゲートを破壊する可能性があります。これを防ぐために、船が閘門に入るときにスナビングポストにロープが巻き付けられました。ロープを引っ張ると、ロープとポストの摩擦により船の速度が落ちました。^{[ 47 ]}エリー運河では、閘門内で船をスナビングするために、直径2 + 1/2インチ（6.4cm ）、長さ約60フィート（18メートル）のロープが一般的に使用されていました。^{[ 48 ]} 

1873年6月にチェサピーク・アンド・オハイオ運河で起きたある事件では、ヘンリー・C・フラッグ号とその酔った船長が関わっていた。その船はすでに浸水しており、乗組員は水を部分的に汲み出した後、別の船の前に出て74番閘門に入った。船をスナブしなかったため、船は下流側の水門に衝突して破壊した。閘門から流れ出た水によって上流側の水門が勢いよく閉まり、これも破壊され、大量の水が船に流れ込み、船は沈没した。このため、水門が交換され、船が閘門から撤去されるまで、運河の航行は48時間停止された。^{[ 49 ]}

うねりは、閘門のパドルバルブを急に開けたり、閘門の水を抜いたりすることで発生しました。^{[ 50 ]}下流に向かう船が閘門から出られるように、閘門係はパドルを開けてうねりを発生させ、船を閘門から「洗い流す」ようにすることがありました。船乗りは、座礁した岸から離れるために、パドルを数回開閉して波を起こすバックスウェルを要求することがありました。^{[ 51 ]}船が（過積載で）座礁した場合、通過する乗組員に上流の閘門に特別なうねりを発生させるように頼むことがありました。これは、閘門のすべてのパドルを開けて、下流の池全体に影響を与える突風を発生させるものでした。^{[ 52 ]}

エリー運河では、荷物を積んだ船の中には、閘門から出るのに必要なうねりがあった。特に木材運搬船は重心が高く、片側に傾いて閘門に引っかかってしまうことがあり、うねりがなければ出られなかった。閘門番の中には、うねりを分けてあげて助ける者もいたが、うねりに対して金銭を要求する者もいた。^{[ 50 ]}

エリー運河の管理側は、2つの理由から増水を好まなかった。第一に、増水によって水量が過剰になり、上流側の水位が低下して船が座礁することがあった。さらに、増水によって下流側の水位が上昇し、船が橋に衝突したり、動けなくなったりすることがあった。^{[ 50 ]}

イギリスの運河では、これらの貯水池は「側池」と呼ばれています。 2011年に再開通したドロイトウィッチ運河には、ハンベリーに3つの閘門があり、すべてに稼働中の側池があります。^{[ 53 ]}

チェサピーク・アンド・オハイオ運河では、水門番は無断使用を防ぐため、夜間にはすべての水門の羽根車から巻き上げ機を取り外す必要があった。^{[ 54 ]}