Kanaal en sluis

Achtergrond

Een kanaal is een door de mens gemaakte waterweg. Kanalen zijn gebouwd voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder irrigatie, landdrainage, stedelijke watervoorziening, opwekking van waterkracht en vervoer van vracht en mensen. Navigatiekanalen kunnen ondiepe voorzieningen zijn die zijn ontworpen voor binnenvaartverkeer, of ze kunnen diep genoeg zijn om zeeschepen te huisvesten.

Om water te besparen en om tweerichtingsverkeer te vergemakkelijken, zijn kanalen waterpas gebouwd. Als er een hoogteverschil is tussen de uiteinden van een kanaal, wordt het kanaal gebouwd als een reeks niveaudelen die door sluizen met elkaar zijn verbonden. Een sluis is een rechthoekige kamer met poorten aan beide uiteinden; met beide poorten gesloten kan het waterpeil in de sluis aan weerszijden worden aangepast aan het kanaalwaterpeil. Zo kan een vaartuig dat de sluis binnengaat, omhoog of omlaag worden bewogen om het kanaalgedeelte van het volgende niveau binnen te gaan. Alternatieve soorten sluizen worden af ​​en toe gebouwd om grote hoogteverschillen te doorkruisen; de gehele sluiskolk, met daarin drijvende boten, wordt verticaal gehesen of op een hellend stuk spoorlijn omhoog bewogen.

In de Verenigde Staten wordt ongeveer 15% van de intercity-vracht (gemeten als een combinatie van afstand en gewicht) over water vervoerd, via kunstmatige kanalen of bevaarbare rivieren. (Het rechttrekken of verdiepen van een rivier om schepen van een bepaalde gewenste grootte te huisvesten, wordt kanalisering van de waterweg genoemd.) In 1997 werd 1,2 miljard ton (1,1 miljard metrische ton) vracht vervoerd over de waterwegen van de Verenigde Staten; tegen 2020 zal het jaarlijkse tonnage naar verwachting het dubbele zijn. Het vervoer van vracht per binnenschip kost ongeveer de helft van het vervoer per spoor en ongeveer een achtste van het vervoer per vrachtwagen.

Het Corps of Engineers van het Amerikaanse leger houdt toezicht op ongeveer 40.234 km aan commercieel bevaarbare waterwegen en ongeveer 240 sluizen. De helft van deze sluizen is meer dan 50 jaar oud en sommige zijn te klein voor de grote verzamelingen binnenvaartschepen die gewoonlijk worden verbonden en verplaatst door één enkele moderne sleepboot. Met de verwachte toename van het vrachtvervoer over water, zullen veel sluizen moeten worden opgeknapt, vervangen en vergroot. De aanleg van kanalen, die niet alleen waterwegen omvat, maar ook kanalen die zijn ontworpen voor milieudoeleinden, zal ook worden voortgezet.

Geschiedenis

Kanalen

Naar verluidt zijn er 6000 jaar geleden in Egypte kanalen aangelegd. Het eerste kanaal dat werd ontworpen om zeewaardige schepen te huisvesten, werd 4000 jaar geleden gebouwd door farao Sesosteris en verbond de Rode Zee met de rivier de Nijl en dus met de Middellandse Zee. Overblijfselen van dit kanaal, dat afwisselend werd verwaarloosd en een half dozijn keer herbouwd, suggereren dat het ongeveer 150 ft (46 m) breed, 16 ft (5 m) diep en 60 mijl (97 km) lang was.

Het oudste kanaal dat nog in gebruik is, werd in de vierde eeuw voor Christus in China aangelegd. voor het innen van graanbelastingen en het transporteren van troepen. Omstreeks 600 na Christus herbouwd en vergroot, werd het kanaal bekend als het Grand Canal; de laatste uitbreiding, voltooid omstreeks 1280 na Christus, bracht de lengte op 1.795 km. Het blijft het langste bevaarbare kanaal ter wereld.

Eeuwenlang werden grachten gegraven met alleen handgereedschap. Tijdens de bouw van het Canal du Midi tussen 1665 en 1681 om de Atlantische Oceaan te verbinden Een luchtfoto van een kanaal en een sluissysteem. Oceaan en de Middellandse Zee in Zuid-Frankrijk, buskruit werd voor het eerst gebruikt om een ​​ tunnel op te blazen. De uitvinding van door stoom aangedreven machines aan het einde van de zeventiende eeuw droeg bij aan de 'kanaaltijdperken' in Europa en Noord-Amerika in de achttiende en negentiende eeuw, waarin duizenden kilometers aan kanalen werden aangelegd. Door paarden getrokken ploegen werden nog steeds gebruikt, vooral voor het uiteindelijke trimmen van het kanaal tot de gewenste hellingen en diepten. De volledige mechanisatie van de kanaalbouw werd bereikt in 1946, toen een Amerikaans bedrijf de eerste machines voor het trimmen en bekleden van kanalen bouwde.

Sloten

Flash locks, de eerste pogingen om boten over moeilijke hoogteverschillen op rivieren of kanalen te vervoeren, dateren uit de derde eeuw voor Christus. De Griekse historicus Diodorus Siculus beschreef 200 jaar later hoe Ptolemaeus II het kanaal van de Nijl naar de Rode Zee had verbeterd door een soort sluis te bouwen. Bestaande uit een enkele poort, droegen flitssloten boten stroomafwaarts op een stroom water; boten die stroomopwaarts voeren, konden naar voren worden getrokken terwijl ze op de stroom dreven die vrijkwam door de poort te openen.

Flitssloten waren gevaarlijk en ze gebruikten grote hoeveelheden water. Een aanzienlijke verbetering kwam in 984 na Christus, toen de eerste sluis met dubbele poort werd gebouwd op het Grand Canal in China. Ook wel pondsluis genoemd (omdat het water vasthoudt) dit was de voorloper van moderne conventionele sluizen. De poorten waren panelen die verticaal omhoog gingen. Een soortgelijke sluis met verticale hefdeuren die in 1373 in Nederland werd gebouwd, controleerde ook het waterpeil door de bovenstroomse of de benedenstroomse poort gedeeltelijk te openen. De werking van de pondsluis werd aanzienlijk verbeterd in 1485 toen een Italiaanse sluis werd gebouwd met kleinere, klepgestuurde openingen in de poorten.

Leonardo da Vinci vond de verstekpoort uit in 1480. Twee poorten, elk meer dan half zo breed als het slot, zwaaien op verticale scharnieren. In geopende toestand liggen ze gelijk met de wanden van het slot. In de gesloten positie ontmoeten ze elkaar in een V die stroomopwaarts is gericht, zodat het hogere waterniveau tegen hen drukt om een ​​goede afdichting te bevorderen.

De voet van de bovenstroomse poort in een sluis is hoger dan de voet van de benedenstroomse poort. Als de sluis erg diep was, zou het water dat de kolk vult via een opening in de bovenste poort turbulentie veroorzaken of zelfs een boot in de kolk doen overstromen. Dit probleem werd in de zeventiende eeuw in Frankrijk opgelost, toen er klepgestuurde waterkanalen werden aangelegd voor het vullen en ledigen van een sluis Een sluis is een rechthoekige kamer met poorten aan beide uiteinden; met beide poorten gesloten kan het waterpeil in de sluis aan weerszijden worden aangepast aan het kanaalwaterpeil. Zo kan een vaartuig dat de sluis binnengaat, omhoog of omlaag worden bewogen om het kanaalgedeelte van het volgende niveau binnen te gaan. in het onderste gedeelte van de stenen voering van de kamer.

Tot het begin van de negentiende eeuw waren sluisdeuren gemaakt van hout en waren sluiskolken bekleed met hout, steen, bakstenen of turf. In 1827 werd gietijzer voor het eerst gebruikt om zowel een sluis als de poorten te bouwen in Cheshire, Engeland. Na de ontwikkeling van het Bessemer-proces voor massaproductie van staal, werd dat materiaal gebruikt voor de constructie van sluizen en poorten, zowel als primaire elementen als als wapeningsstaven voor beton.

Grondstoffen

Waterdichte voeringen zorgen ervoor dat het water van een kanaal niet in de grond sijpelt. Jarenlang was de beste keuze plas, een mengsel van zand, klei en water dat opdroogde tot een waterdichte staat. Moderne materialen en additieven die duurzamer zijn, zijn onder meer beton, vliegas, bentoniet, bitumineuze materialen en plastic zeilen.

Sloten zijn meestal gemaakt van beton, soms bekleed met staal. Als de constructie van het slot gesteente blootlegt, hoeft de vloer niet te worden bekleed. De poorten worden gemaakt door stalen platen en wapeningsbalken aan elkaar te lassen. De verticale randen van de poorten zijn voorzien van effectieve afdichtingsmaterialen zoals wit eiken. In 1999 ontwikkelde een Frans bedrijf sluisdeuren van glasvezelversterkt kunststoflaminaat, gemonteerd in roestvrijstalen frames.

Ontwerp

Vroege kanalen volgden de meest vlakke oppervlakteroute die mogelijk was omdat grootschalig grondverzet zo moeilijk en duur was. Betere graafapparatuur en sluisconstructiemogelijkheden maken de aanleg van kortere, meer directe kanaalroutes mogelijk. Vanwege geografische obstakels zijn delen van sommige kanalen gebouwd in tunnels of op aquaducten (waterdragende bruggen).

Het is belangrijk om een ​​sluiskolk te vullen en te legen met minimale waterturbulentie. Moderne ontwerpen plaatsen sluizen in de poortdrempels of in de vloer of muren van de kamer. Een sluis kan ook zijn uitgerust met een ondergedompelde bubbler die lucht vrijgeeft onder het gebied van de poortsluiting; de resulterende zachte turbulentie houdt het gebied vrij van vuil dat zou kunnen voorkomen dat de poort goed afsluit.

Er zijn verschillende poortontwerpen beschikbaar voor moderne sluizen en er kunnen verschillende typen worden gebruikt aan de bovenstroomse en benedenstroomse uiteinden van een enkele sluis. Verstekpoorten zijn een van de meest populaire keuzes. Een andere veel voorkomende keuze is de Tainter-poort, een gebogen plaat die verticaal roteert. In dit efficiënte ontwerp, dat wordt gebruikt voor kleppen in wateroverbrengingsduikers en hoofdsluisdeuren, helpt waterdruk feitelijk bij het draaien van de poort. Platte poorten die naar boven, opzij of naar beneden in de sluisbodem schuiven zijn andere opties, evenals platte poorten die aan de onderkant scharnieren en gebogen poorten die horizontaal in wanduitsparingen draaien.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas werd geboren op 3 oktober 1854, in de buurt van Mobile, Alabama. In 1875 ontving Gorgas een bachelor of arts-graad van de University of the South. Omdat hij een militaire carrière wilde, besloot hij het leger in te gaan met een medische graad. Nadat hij was afgestudeerd aan het Bellevue Medical College in New York en stage had gelopen in het Bellevue Hospital, werd Gorgas in juni 1880 benoemd tot lid van het Medical Corps of the US Army. Er volgden dienstplichten in Texas en North Dakota, met bijna 10 jaar in Fort Barrancas in Florida— Gorgas kreeg dit gele koortsgebied toegewezen omdat hij eerder de ziekte had gehad en immuun was.

Nadat Havana, Cuba, in 1898 door Amerikaanse troepen was bezet, nam Gorgas de leiding over een gelekoortskamp in Siboney, en werd al snel chief sanitaire officier van Havana. Op basis van informatie dat een bepaalde mug gele koorts droeg, vernietigde Gorgas snel de broedplaats van die mug, waardoor de stad van gele koorts werd verlost.

In 1904 werd begonnen met de werkzaamheden aan het Panamakanaal. Gorgas ging naar de kanaalzone om de sanitaire voorzieningen op zich te nemen, met succes in Panama en Colon. Gorgas werd algemeen beschouwd als 's werelds belangrijkste sanitairdeskundige, en een aantal buitenlandse regeringen en internationale commissies zochten zijn hulp. Zijn boek Sanitaire voorzieningen in Panama werd al snel een klassieker op het gebied van de volksgezondheid. In 1914 werd hij benoemd tot chirurg-generaal van het leger, die hij tot zijn pensionering vier jaar later diende. Gorgas stierf op 3 juli 1920 en wordt begraven op de nationale begraafplaats van Arlington.

Het fabricageproces

Kanaal

• 1 Er moet een grondig onderzoek van de kanaalroute worden gemaakt, niet alleen voor een juiste uitlijning, maar ook voor nauwkeurige dieptes van uitgravingen en opvullingen.
• 2 Het primaire graafwerk wordt gedaan met grondverzetmachines zoals bulldozers en graafmachines.
• 3 Een op rupsband gemonteerde trimmachine wordt gebruikt om de laatste 30-46 cm grond te verwijderen om de gewenste muurhellingen en een vlakke bodem voor het kanaal te creëren. De uitgegraven grond wordt door een transportband vervoerd en op vrachtwagens geladen die het weg zullen slepen.
• 4 Over de wanden en vloer kan een laag goed doorlatend materiaal worden aangebracht om de afvoer van grondwater onder het kanaal te bevorderen.
• 5 Rasters van wapeningsstaal zijn gebouwd en op hun plaats gehesen op de kanaalwanden en vloer. Betonblokken houden de roosters boven het oppervlak, zodat beton eronder kan stromen.
• 6 Beton wordt gemengd, getrild om luchtbellen te verwijderen en met een slipformmachine aangebracht, waarbij het wapeningsstaal wordt omhuld. Slipforming betekent het storten van beton tussen het kanaaloppervlak en een vorm (mal) die langzaam naar voren beweegt; het beton hardt snel genoeg uit om zijn vorm te behouden tegen de tijd dat de vorm het contact ermee verliest. Gespecialiseerde machines plaatsen dilatatievoegen in dwars- en lengterichting vóór de slipformmachine.

Vergrendelen

• 7 Rond de beoogde sluislocatie wordt een tijdelijke kofferdam gebouwd. Stalen damwanden worden de grond in geslagen om een ​​reeks aangrenzende, verticale cellen te vormen die zich boven de waterlijn uitstrekken. De cellen zijn gevuld met zand. Water wordt uit de omsloten ruimte gepompt om een ​​droge bouwplaats te creëren. De sluisplaats wordt uitgegraven. Indien nodig worden palen de grond ingeslagen om de sluisconstructie te ondersteunen.
• 8 Houten vormen zijn gebouwd om de vloer en wanden van de sluis vorm te geven. Ruimte voor duikers en klepkamers is opgenomen in de formulieren, evenals sleuven voor de poortscharnieren en uitsparingen om open poorten te bevatten. Er worden aanvullende vormen gebouwd om de aanloopwanden vorm te geven die de schepen in de sluis zullen leiden.
• 9 Nadat wapeningsstalen kooien in de bekistingen zijn geconstrueerd, wordt beton gestort. Wanneer het beton is uitgehard (uitgehard), worden de vormen verwijderd.
• 10 Regelkleppen voor het vullen en ledigen van de sluis zijn geïnstalleerd, evenals hydraulische en mechanische apparatuur voor de bediening van de kleppen en poorten.
• 11 Poorten worden geprefabriceerd en naar de locatie verzonden. Zeer grote poorten kunnen in secties worden verscheept, die aan elkaar worden gelast als ze in de sluis worden geïnstalleerd.
• 12 Op de sluiswanden zijn accessoires zoals leuningen, meerpalen en vluchtladders aangebracht.

Bijproducten/afval

Het afvoeren van het opgegraven materiaal is een van de uitdagingen bij de aanleg van kanalen en sluizen. Het kan worden gebruikt om dijken aan te leggen of worden verspreid over het omliggende platteland, waar het zorgvuldig is aangelegd voor zowel erosiebestrijding als uiterlijk. Voor de aanleg van de Divide Cut, een kanaal van 46 km op de Tennessee-Tombigbee Waterway, in het begin van de jaren tachtig, was de verwijdering van 150 miljoen kubieke meter (115 miljoen kubieke meter) vuil nodig.

Bij de bouw van een sluis kan uitgegraven materiaal worden gebruikt om kofferdamcellen te vullen. Wanneer de kofferdam is verwijderd, kan het materiaal worden gebruikt om achter de oeverzijde van de sluismuur op te vullen.

De werking van de sluis verbruikt grote hoeveelheden water; er is bijvoorbeeld 3,5 miljoen gal (13 miljoen L) water nodig om een ​​600 ft (180 m) lange, 110 ft (34 m) brede sluis te vullen met een 7 ft (2,1-nm) lift. Op sommige kanalen en rivieren is de watervoorziening beperkt en is behoud belangrijk. In plaats van stroomafwaarts te worden vrijgegeven wanneer de sluis wordt geleegd, kan een deel van het water worden omgeleid naar een zijvijver, waar het kan worden opgeslagen en gebruikt om de kolk te helpen vullen voor de volgende operatie.

De Toekomst

Vanwege de grote noodzaak om sluizen te herstellen of te vervangen en om nieuwe faciliteiten te bouwen, sponsort en doet het Amerikaanse leger korpsen onderzoek naar de aanleg van waterwegen. Op het Experimenteerstation Waterwegen kunnen schaalmodellen van voorgestelde ontwerpen worden getest. Via het onderzoeksprogramma Innovations for Navigation Projects (INP) ondersteunt het de ontwikkeling van nieuwe manieren om kanalen en sluizen te bouwen, te repareren en te exploiteren. Recente onderwerpen waren onder meer verbeteringen in de plaatsing van onderwaterbeton en grout en de ontwikkeling van beton met een lage dichtheid en hoge sterkte voor het bouwen van modulaire sluissecties die kunnen worden geïnstalleerd zonder de bouw van een kofferdam. Andere actuele onderzoeksthema's betreffen beschermingsinrichtingen voor sluismuren en -poorten tegen inslagen van binnenschepen, verbeterde ontwerpen voor waterinlaat- en -afvoersystemen, betere uitrusting en controleapparatuur voor het bedienen van poorten, en technieken voor het vergroten (in plaats van vervangen) van bestaande sluizen die onvoldoende capaciteit hebben.