福爾柯克輪

<image>

福爾柯克輪（Falkirk Wheel）位於蘇格蘭中部城市福爾柯克，是一座用以連接福斯和克萊德運河和聯盟運河，可以旋轉升降的船舶升降機。作為千禧連通計劃的一部分，於2002年開放，繼1930年代之後，重新將兩條運河連接回來。

這個計劃是英國水道牽頭下，由七個地方議會、蘇格蘭企業集團、歐洲區域發展基金、千禧年委員會募資和贊助支持，旨在重新活化蘇格蘭中部運河，重新連接格拉斯哥與愛丁堡，並旨在創造一座富有戲劇性和21世紀現代感的地標性建築，而非簡單地復原以前的船閘群。

這座船舶升降機能將船隻提高至24m，但與橋箱相連的渡槽仍然離聯盟運河相差11m的高度。所以船隻仍需要經過一些船閘才能到達聯盟運河。

福爾柯克輪是全世界唯一一座旋轉式升降的船舶升降機，也是英國唯二座船舶升降機（另一座是安德頓升船機）。

## 歷史

### 1930年代前的航道連接

在過去，這兩條運河由11座船閘相連。每次通過都需要抽調3500t的水，將船隻提升至35m高，並且花費大概一整天的時間來通過全部船閘群。

直到1930年代，船閘被廢棄，1993年，船閘被拆除。福斯和克萊德運河於1962年末關閉。到了1970年代，聯盟運河兩端被封閉起來，河道被覆蓋以用來鋪設管道。

在福斯和克萊德運河關閉當天，即1963年1月1日，英國水道公司（British Waterways Board，BWB）成立，旨在為聯合王國內的運河的未來尋找更寬廣的使用方略。1976年，英國水道公司和當地議會會面後決定，將分散各地自行發展的福斯和克萊德運河，通過建造具有足夠船艙淨空高度的新橋梁並繼續保持現有的船閘來維持其剩餘的通航能力。1979年的一份調查報告記錄了69個航行障礙，並徵求了20個有關方面的意見，於1980年提出了福斯和克萊德地方（主體）計劃。

### 提案

1993年的彩票法案促使了千禧年委員會的成立，通過選定一些「善舉」來為其銷售彩票以募集資金。1996年，募集到足夠的資金後，委員會允許申請「請求讓委員會做認為可取的任何事……以支持將2000年作為千禧年的美好開端的計畫」。不過條件是委員會將只資助不超過計畫所需經費的一半，其餘經費由計畫支持者支付。

英國水道公司早就計劃重新開放運河航道，並為此進行了大量的鋪開工作。1994年，英國水道公司宣布了為此計劃招標，1995年作為千禧年連接的夥伴代表提交該計劃。這個計劃要求將運河開放至原有的運行里程，水面上方有留3米的淨空高度。整個項目的預算為7800萬英鎊。

1997年的情人節，委員會宣布將會為支持該計劃出資3200萬英鎊，占計畫預算的42%。該設施和相關建設需要花費1700萬英鎊，超過計畫預算的五分之一。在之後的兩年，剩下所需的4600英鎊由英國水道公司、七個地方議會、其他商業機構籌集得，另外歐洲區域發展基金私下捐贈了860萬英鎊。

### 設計

1999年，莫里森-法國地基建築合資團隊（The Morrison-Bachy Soletanche Joint Venture）提交了他們的原始設計方案，類似一座有四個吊艙的摩天輪。計劃徵求各方後認為這隻滿足了功能性，但不是英國水道公司所期望的作品。之後，英國水道公司另外組建了一支由20名工程師和設計師組成的團隊。在RMJM建築師凱特爾·托尼的領導下，由Butterley和M Bennetts設計團隊提出機械概念，創建了最初的概念與形象圖。經過一輪的緊張設計，於1999年夏季的三周內，在英國水道公司、奧雅納工程諮詢公司，巴特利工程公司和RMJM合作下，完成了最終設計理念。

第一個設計中提出的使用齒輪傳動造型靈感是來自凱特爾的八歲女兒用樂高積木拼出來的模型，之後將該設計圖與藝術印象圖展示給客戶和出資方評閱。而遊客中心則由RMJM另一位建築師斯塔蘭·保羅設計。

該設計靈感取材有來自雙頭凱爾特斧頭、船的推進器、鯨魚的胸腔。凱特爾把輪描述為「一種美麗的、有機的、流動的東西，就像魚的脊柱一樣」，而蘇格蘭皇家美術委員會則稱它為「一種當代雕塑形象」。

### 施工

1999年3月，由蘇格蘭事務大臣將第一塊草皮掘走，標誌著工程在福斯和克萊德運河的31號閘門上正式開展。該工程雇用了超過一千多人去建造。這座建築設計壽命預計為120年。

轉輪在德比雷普利的巴特利工程公司工廠完成組裝，在2001年夏季將其拆解為組件後，使用35輛卡車運到福爾柯克當地，重新分裝成五個主要部件，並逐步抬升到支撐座上安裝。運河的建設需要挖走250000m3的泥土，去建造一條直徑8米、長160米的運河隧道，分別20米和120米長的渡槽，三套閘門，一些橋梁和600米的道路。另外將180米長的皇家堡壘運河隧道分三段並使用兩套技術來進行挖掘，從而節省了15%的經費，比原定計劃快了2周完成。

#### 技術考慮

<image>

轉輪的位置之前曾經做過露天防火黏土礦場，煤礦場，焦油廠，所以土地被焦油和汞污染過。用於回填礦坑用的回填土，由於裡面含有大量砂岩，被認為土質結構不夠堅實，所以打入了30根22米深的混凝土基樁到岩床上。

由於轉輪運轉時吊廂交替移動會導致負載不斷變化，所以轉輪上有些地方的受力會發生變動。為了避免零件的疲勞斷裂，這個轉輪不是使用焊接，而是使用了超過14000個螺栓和45000個螺栓孔將轉輪的部件整體栓緊在一起構成。

### 開幕式

<image>

由於轉輪的閘門被破壞者強行打開，導致乾井被淹，機房及液壓設備受損，在花費35萬英鎊進行修復，原定的開幕時間推遲一個月後，最終於2002年5月24日，由英女王伊莉莎白二世在她的Golden Jubilee of Queen Elizabeth II中為福爾柯克輪主持揭幕。

## 操作

### 結構

轉輪總直徑為35米，由兩根相對延伸的臂組成，兩臂由中央轉軸向外延伸15米，呈凱爾特風格的雙頭斧形狀。兩臂所連接的中央軸直徑為3.8米，長28米。兩臂外末端相對地各安裝一個能容納250000升水的充水吊廂。每個吊廂重50噸，總共能承載500噸的水和船隻的重量。每側吊廂的水箱能獨立控制存入水位，從而能夠平衡兩端的重量。根據阿基米德浮體原理，物體在液體中所獲得的浮力，等於物體所排出液體的重量，所以船進入吊廂後，排出的水等於其船重。通過現場的水位傳感器，水泵和電腦控制系統，使兩個吊廂的水位控制相差在37毫米的誤差。轉輪需要22.5千瓦電力驅動10台液壓馬達來遠轉，每轉半圈需要消耗1.5千瓦時的電量。

每個吊廂寬6.5米，能承載4艘長20米的運河窄船。

### 水密門

兩端的水密門與下游的碼頭坑位和上游連接處的接口門相匹配，由於空間限制，使用一般的鉸接門會浪費吊廂的空間，所以使用了垂直打開的鉸接門來實現。對接時，通過液壓杆將門從吊廂的底部凹槽升起來封閉吊廂。

當轉輪轉到垂直位置時就會激活鎖定裝置，包括伸出沉箱基座上的固定銷釘和升起固定沉箱的液壓夾座，另外，下部結構處還有一組固定銷用於固定承托吊廂的輪子。儘管上部沉箱的門和上部水道的水門是對齊的，但它們之間存在間隙。上部渡槽門具有U形防水密封框架，可以延伸出去推壓沉箱門來密封間隙。水被泵入門之間的縫隙來填滿水位。一旦間隙中的水填充至平衡後，渡槽側的門和沉箱側的門就會下降，讓船通過。反之，當船在沉箱中時，沉箱門升起，隨後是升起上部渡槽門。水從縫隙中抽出。然後，U形防水密封框架縮回。最後，鎖定機構解除，轉輪可以帶動吊廂轉走。這個過程與下運河流域的門相似。

<image>

- 上部渡槽門、U形防水密封框架和抽水系統

<image>

- 鎖定機構，包括頂部的固定銷和底部的液壓夾

<image>

- 固定沉箱上的銷釘和夾具插入口（1,2），和固定銷釘插入口（3）

<image>

- 從左至右：門對齊，但有間隙；U形密封框架伸出，注水；門降下

<image>

- 門對接後的全過程

### 機房

用於驅動轉輪轉動的機房在渡槽後方的支柱中，而且有七個房間，每個房間由樓梯相連。可以通過地面的門口進去，或者使用門式起重機從支柱塔中間的門口進入，以便於安裝設備。

一樓裝有變壓器，用於為轉輪的運轉提供電力。在2002年4月的水淹事故中，水位離11千伏主電纜只有8厘米。二樓是備用發電機及開關設備，用於當主電力故障時維持工作。二樓裝有一對液壓泵，用於驅動上方轉軸機房中的液壓馬達。動力通過10個液壓馬達直接供給轉軸，提供的動力是制動器的兩倍。每個馬達連接著100:1的降速齒輪組。

### 原理

雖然吊廂的重量足以令其掛在吊臂上旋轉，但是為了使吊廂相互保持平衡旋轉，每個吊廂旋轉框上的大齒圈、吊臂的小齒輪和吊臂中間的大齒輪相連形成一個聯動齒輪組結構，確保它們精確地以正確的速度轉動並正確地保持平衡。

每個大齒輪的直徑均為8米，在吊臂中間的齒輪固定在機房上，兩個較小的齒輪固定在吊臂上並且可以旋轉。當馬達驅動中心軸旋轉時，吊臂擺動，由於小齒輪與中心齒輪嚙合，小齒輪會以比轉輪更快的速度但以相同方向旋轉；小齒輪與沉箱末端的大齒圈嚙合，以與轉輪相同的速度，但是方向相反地驅動大齒圈。這可以抵消了由於吊臂引起的旋轉，並使吊廂旋轉遠轉時保持穩定和完美水平。

<image>

- 一個使用樂高積木製作的模型

<image>

- 模型活動時動態圖

### 對接坑

對接坑是一個類似干船塢的港口，通過水密門與運河下端的港灣隔離，並通過水泵抽水以保持乾燥。當轉輪在其垂直位置停止時，吊廂剛剛進入到對接坑中，水密門對接好並打開，船隻就可以進入和離開下部吊廂，而不會使對接坑進水淹沒，吊廂下方的空間總是空的。

如果沒有對接坑，每當轉輪旋轉時，車輪臂的吊廂和末端將浸沒在運河下端港灣的水中，向下潛入的沉箱浮力會使轉動車輪變得更加困難，而這就是對接坑存在的意義。

<image>

- 福爾柯克輪在運作中。右邊的楔形建築是遊客中心。注意運河底部的對接坑。

<image>

- 對接坑在另一個視角下

### 遊客中心

遊客中心在輪閘下端渡槽港灣的東側，上輪閘的觀光船每小時前往一次，自輪閘開通以來，已有約440萬人參觀過，130萬人乘船遊覽，每年約有40萬人參觀。

輪閘和渡槽的全景。

## 評價

自2007年起，福爾柯克輪作為紀念蘇格蘭的工程成就，和格蘭芬蘭高架橋、福斯橋等，一同作為蘇格蘭銀行新發行的新版50英鎊紙鈔的正面圖像。2012年，福爾柯克輪的模型和效果圖在倫敦維多利亞和阿爾伯特博物館的展覽中展出。