Canal y esclusa

Antecedentes

Un canal es una vía fluvial construida por el hombre. Los canales se construyen para una variedad de usos que incluyen riego, drenaje de tierras, suministro de agua urbana, generación de energía hidroeléctrica y transporte de carga y personas. Los canales de navegación pueden ser instalaciones poco profundas diseñadas para el tráfico de barcazas, o pueden ser lo suficientemente profundas para albergar barcos que navegan por el océano.

Para conservar agua y facilitar los viajes en dos direcciones, los canales se construyen a nivel. Si hay una diferencia de elevación entre los extremos de un canal, el canal se construye como una serie de secciones niveladas unidas por esclusas. Una cerradura es una cámara rectangular con puertas en ambos extremos; con ambas puertas cerradas, el nivel del agua dentro de la esclusa se puede ajustar para que coincida con el nivel del agua del canal en cualquier lado. Por lo tanto, una embarcación que ingresa a la esclusa se puede subir o bajar para ingresar a la sección del canal del siguiente nivel. Ocasionalmente se construyen tipos alternativos de esclusas para atravesar grandes cambios de elevación; toda la cámara de la esclusa, que contiene los barcos que flotan en el agua, se iza verticalmente o sube por una sección inclinada de la vía férrea.

En los Estados Unidos, alrededor del 15% del flete interurbano (medido como una combinación de distancia y peso) se transporta por agua, ya sea en canales artificiales o ríos navegables. (Enderezar o profundizar un río para acomodar embarcaciones de un cierto tamaño deseado se denomina canalización de la vía fluvial). En 1997, se transportaron 1.200 millones de toneladas (1.100 millones de toneladas métricas) de carga por las vías fluviales de los Estados Unidos; para 2020, se espera que el tonelaje anual sea el doble de esa cantidad. El transporte de carga en barcazas cuesta aproximadamente la mitad que moverlo por ferrocarril y aproximadamente un octavo que transportarlo en camión.

El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. Supervisa unas 25.000 millas (40.234 km) de vías fluviales navegables comercialmente y unas 240 cámaras de esclusas. La mitad de estas esclusas tienen más de 50 años y algunas son demasiado pequeñas para las grandes colecciones de barcazas que comúnmente están unidas y movidas por un solo remolcador moderno. Con el aumento esperado en el transporte de carga por agua, será necesario renovar, reemplazar y ampliar muchas esclusas. También continuará la construcción del canal, que incluye no solo vías fluviales de transporte, sino también canales diseñados para propósitos ambientales.

Historial

Canales

Según se informa, los canales se construyeron en Egipto hace tanto como 6.000 años. El primer canal diseñado para albergar barcos en condiciones de navegar fue construido por el faraón Sesosteris hace 14.000 años, uniendo el Mar Rojo con el río Nilo y, por tanto, con el mar Mediterráneo. Los restos de este canal, que fue descuidado y reconstruido alternativamente media docena de veces, sugieren que tenía unos 150 pies (46 m) de ancho, 16 pies (5 m) de profundidad y 60 millas (97 km) de largo.

El canal más antiguo que todavía está en uso se inició en China en el siglo IV a. C. con el fin de recaudar impuestos sobre los cereales y transportar tropas. Reconstruido y ampliado alrededor del año 600 d.C., el canal se conoció como el Gran Canal; su última extensión, completada alrededor del año 1280 d.C., llevó su longitud a 1,114 millas (1,795 km). Sigue siendo el canal navegable más largo del mundo.

Durante siglos, los canales se excavaron utilizando solo herramientas manuales. Mientras construía el Canal du Midi entre 1665 y 1681 para unir el Atlántico Una vista aérea de un canal y un sistema de esclusas. Océano y el mar Mediterráneo en el sur de Francia, la pólvora se utilizó por primera vez para volar un túnel. La invención de la maquinaria a vapor a fines del siglo XVII ayudó a alimentar las "eras de los canales" en Europa y América del Norte en los siglos XVIII y XIX durante las cuales se construyeron miles de millas de canales. Los arados tirados por caballos continuaron utilizándose especialmente para el recorte final del canal a las pendientes y profundidades deseadas. La mecanización completa de la construcción de canales se logró en 1946, cuando una empresa estadounidense construyó las primeras máquinas para recortar y revestir canales.

Cerraduras

Las cerraduras relámpago, los primeros intentos de transportar botes sobre difíciles cambios de elevación en ríos o canales, datan del siglo III a.C. El historiador griego Diodorus Siculus, escribiendo 200 años después, describió cómo Ptolomeo II había mejorado el canal del Nilo al Mar Rojo mediante la construcción de un tipo de esclusa. Consistiendo en una sola puerta, las cerraduras de destello llevaban los barcos río abajo con un torrente de agua; los barcos que se dirigen río arriba pueden ser empujados hacia adelante mientras flotan en el torrente liberado al abrir la puerta.

Las cerraduras de flash eran peligrosas y usaban grandes cantidades de agua. Una mejora significativa se produjo en el año 984 d.C., cuando se construyó la primera esclusa de doble puerta en el Gran Canal de China. También llamado candado de libra (porque retiene agua) este fue el predecesor de los candados convencionales modernos. Sus puertas eran paneles que se levantaban verticalmente. Una cerradura similar con puertas de elevación vertical construida en los Países Bajos en 1373 también controlaba su nivel de agua abriendo parcialmente la puerta corriente arriba o corriente abajo. El funcionamiento de la cerradura de libra mejoró enormemente en 1485 cuando se construyó una cerradura italiana con aberturas más pequeñas controladas por válvulas en las puertas.

Leonardo da Vinci inventó la puerta de inglete en 1480. Dos puertas, cada una de más de la mitad del ancho de la cerradura, giran sobre bisagras verticales. En la posición abierta, quedan a ras de las paredes de la cerradura. En la posición cerrada, se encuentran en una V apuntando corriente arriba para que el nivel de agua más alto presione contra ellos para promover un sello hermético.

La base de la puerta corriente arriba en una cerradura es más alta que la base de la puerta corriente abajo. Si la esclusa era muy profunda, el agua que llenaba la cámara a través de una abertura en la puerta superior crearía turbulencias o incluso inundaría un bote en la cámara. Este problema se resolvió en Francia durante el siglo XVII, cuando se construyeron canales de agua controlados por válvulas para llenar y vaciar una esclusa. Una cerradura es una cámara rectangular con puertas en ambos extremos; con ambas puertas cerradas, el nivel del agua dentro de la esclusa se puede ajustar para que coincida con el nivel del agua del canal en cualquier lado. Por lo tanto, una embarcación que ingresa a la esclusa se puede subir o bajar para ingresar a la sección del canal del siguiente nivel. en la parte inferior del revestimiento de piedra de la cámara.

Hasta principios del siglo XIX, las puertas de las esclusas estaban hechas de madera y las cámaras de las esclusas estaban revestidas con madera, piedra, ladrillos o césped. En 1827, el hierro fundido se utilizó por primera vez para construir una cerradura y sus puertas en Cheshire, Inglaterra. Tras el desarrollo del proceso Bessemer para la producción masiva de acero, ese material se utilizó para la construcción de cerraduras y portones, tanto como elementos primarios como como barras de refuerzo para hormigón.

Materias primas

Los revestimientos impermeables evitan que el agua de un canal se filtre al suelo. Durante muchos años, la mejor opción fue el charco, una mezcla de arena, arcilla y agua que se secaba hasta quedar impermeable. Los materiales y aditivos modernos que son más duraderos incluyen hormigón, cenizas volantes, bentonita, materiales bituminosos y láminas de plástico.

Las cerraduras suelen estar hechas de hormigón, ocasionalmente revestidas con acero. Si la construcción de la cerradura expone el lecho de roca, no es necesario revestir el piso. Las puertas se fabrican soldando placas de acero y vigas de refuerzo. Los bordes verticales de las puertas están equipados con materiales de sellado eficaces como el roble blanco. En 1999, una empresa francesa desarrolló puertas de seguridad hechas de laminado de plástico reforzado con fibra de vidrio montadas en marcos de acero inoxidable.

Diseño

Los primeros canales seguían la ruta de superficie más nivelada posible porque el movimiento de tierras a gran escala era muy difícil y costoso. Un mejor equipo de excavación y capacidades de construcción de esclusas permiten la construcción de rutas de canales más cortas y directas. Debido a obstáculos geográficos, las secciones de algunos canales se construyen en túneles o en acueductos (puentes de transporte de agua).

Es importante llenar y vaciar una cámara de esclusa mientras se produce una turbulencia de agua mínima. Los diseños modernos colocan compuertas en los umbrales de las puertas o en el piso o las paredes de la cámara. Una cerradura también puede estar equipada con un burbujeador sumergido que libera aire debajo del área de cierre de la puerta; la suave turbulencia resultante mantiene el área libre de escombros que podrían impedir que la puerta selle correctamente.

Hay varios diseños de puertas disponibles para cerraduras modernas, y se pueden usar diferentes tipos en los extremos aguas arriba y aguas abajo de una sola cerradura. Las puertas de inglete son una de las opciones más populares. Otra opción común es la puerta Tainter, una placa curva que gira verticalmente. En este diseño eficiente, que se utiliza para válvulas en alcantarillas de transferencia de agua, así como en las compuertas de las esclusas principales, la presión del agua en realidad ayuda a la rotación de la compuerta. Las puertas planas que se deslizan hacia arriba, hacia los lados o hacia abajo en el piso de la cerradura son otras opciones, al igual que las puertas planas que tienen bisagras en la parte inferior y las puertas curvas que giran horizontalmente hacia los huecos de la pared.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas nació el 3 de octubre de 1854, cerca de Mobile, Alabama. En 1875, Gorgas recibió una licenciatura en artes de la Universidad del Sur. Deseoso de una carrera militar, decidió ingresar al Ejército con un título de médico. Después de graduarse de Bellevue Medical College en Nueva York y hacer una pasantía en el Bellevue Hospital, Gorgas fue nombrado miembro del Cuerpo Médico del Ejército de los EE. UU. En junio de 1880. Siguieron períodos de servicio en Texas y Dakota del Norte, con casi 10 años en Fort Barrancas en Florida. A Gorgas se le asignó esta zona de fiebre amarilla porque previamente había tenido la enfermedad y era inmune.

Después de que La Habana, Cuba, fuera ocupada por tropas estadounidenses en 1898, Gorgas se hizo cargo de un campamento de fiebre amarilla en Siboney, y pronto se convirtió en el director sanitario de La Habana. Actuando sobre la base de la información de que cierto mosquito era portador de la fiebre amarilla, Gorgas rápidamente destruyó el caldo de cultivo de ese mosquito, librando a la ciudad de la fiebre amarilla.

En 1904 se iniciaron las obras del Canal de Panamá. Gorgas se trasladó a la Zona del Canal para hacerse cargo del saneamiento, triunfando en Panamá y Colón. Gorgas llegó a ser considerado en general como el experto sanitario más importante del mundo, y varios gobiernos extranjeros y comisiones internacionales buscaron su ayuda. Su libro Saneamiento en Panamá se convirtió rápidamente en un clásico en el campo de la salud pública. En 1914 fue nombrado cirujano general del Ejército, desempeñándose en ese cargo hasta su jubilación cuatro años después. Gorgas murió el 3 de julio de 1920 y está enterrado en el Cementerio Nacional de Arlington.

El proceso de fabricación

Canal

• 1 Se debe realizar un estudio minucioso de la ruta del canal, no solo para una alineación correcta sino también para profundidades precisas de cortes y rellenos.
• 2 La excavación primaria se realiza con equipos de movimiento de tierras como topadoras y excavadoras.
• 3 Se utiliza una máquina recortadora montada sobre orugas para eliminar los últimos 12-18 pulgadas (30-46 cm) de tierra para crear las pendientes de pared deseadas y el lecho plano para el canal. El suelo excavado se transporta mediante una cinta transportadora y se carga en camiones que se lo llevarán.
• 4 Se puede extender una capa de material altamente permeable sobre las paredes y el piso para promover el drenaje del agua subterránea debajo del canal.
• 5 Se construyen rejillas de acero de refuerzo y se colocan en su lugar en las paredes y el piso del canal. Los bloques de concreto sostienen las rejillas sobre la superficie para que el concreto pueda fluir debajo de ellas.
• 6 El hormigón se mezcla, se hace vibrar para eliminar las bolsas de aire y se aplica con una máquina de encofrado deslizante, encerrando el acero de refuerzo. Deslizamiento significa verter hormigón entre la superficie del canal y una forma (molde) que avanza lentamente; el hormigón se endurece lo suficientemente rápido como para conservar su forma en el momento en que la forma se mueve fuera de contacto con él. Máquinas especializadas colocan juntas de expansión transversales y longitudinales antes de la máquina de encofrado deslizante.

Bloquear

• 7 Se construye una ataguía temporal alrededor del sitio propuesto para la esclusa. Las tablestacas de acero se clavan en el suelo para formar una serie de celdas verticales adyacentes que se extienden por encima de la línea de flotación. Las celdas están llenas de arena. El agua se bombea fuera del espacio cerrado para crear un área de construcción seca. El sitio de la esclusa está excavado. Si es necesario, se clavan pilotes en el suelo para sostener la estructura de la cerradura.
• 8 Se construyen formas de madera para dar forma al piso y las paredes de la cerradura. El espacio para alcantarillas y cámaras de válvulas se incluye dentro de los formularios, al igual que las ranuras para las bisagras de la puerta y los huecos para contener las puertas abiertas. Se construyen formas adicionales para dar forma a las paredes de acceso que guiarán a los barcos hacia la esclusa.
• 9 Después de construir las jaulas de acero de refuerzo en los moldes, se vierte el hormigón. Cuando el hormigón se ha curado (endurecido), se eliminan las formas.
• Se instalan 10 válvulas de control para el llenado y vaciado de la cerradura, junto con equipos hidráulicos y mecánicos para operar las válvulas y compuertas.
• 11 Las puertas se prefabrican y se envían al sitio. Las puertas muy grandes pueden enviarse en secciones, que se sueldan entre sí a medida que se instalan en la cerradura.
• 12 Los accesorios tales como barandillas, postes de amarre y escaleras de escape están instalados en las paredes de la esclusa.

Subproductos / Residuos

La eliminación del material excavado es uno de los desafíos de la construcción de canales y esclusas. Puede usarse para construir terraplenes o extenderse por el campo circundante donde se ajardina cuidadosamente para el control de la erosión y la apariencia. La construcción del Divide Cut, un canal de 46 km (29 mi) en la vía fluvial Tennessee-Tombigbee, a principios de la década de 1980 requirió la eliminación de 150 millones de yardas cúbicas (115 millones de metros cúbicos) de tierra.

Durante la construcción de la esclusa, el material excavado se puede utilizar para llenar las celdas de la ataguía. Cuando se retira la ataguía, el material se puede usar para rellenar detrás del lado de la orilla del río de la pared de la esclusa.

El funcionamiento de la cerradura utiliza grandes cantidades de agua; por ejemplo, se necesitan 3,5 millones de gal (13 millones de L) de agua para llenar una esclusa de 600 pies (180 m) de largo y 110 pies (34 m) de ancho con una elevación de 7 pies (2,1 nm). En algunos canales y ríos, el suministro de agua es limitado y la conservación es importante. En lugar de soltarse río abajo cuando se vacía la esclusa, parte del agua puede desviarse a un estanque lateral, donde puede almacenarse y usarse para ayudar a llenar la cámara para su próxima operación.

El futuro

Debido a la gran necesidad de reacondicionar o reemplazar las cerraduras, así como de construir nuevas instalaciones, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. Patrocina y realiza investigaciones sobre la construcción de vías fluviales. Los modelos a escala de los diseños propuestos se pueden probar en su Estación Experimental de Vías Navegables. A través de su Programa de Investigación de Innovaciones para Proyectos de Navegación (INP), apoya el desarrollo de nuevas formas de construir, reparar y operar canales y esclusas. Los temas recientes incluyeron mejoras en la colocación de lechada y hormigón bajo el agua y el desarrollo de hormigón de baja densidad y alta resistencia para la construcción de secciones de cerraduras modulares que se pueden instalar sin la construcción de una ataguía. Otros temas de investigación actuales incluyen dispositivos de protección para muros de esclusas y puertas contra impactos de barcazas, diseños mejorados para sistemas de toma y descarga de agua, mejores equipos y dispositivos de control para operar puertas y técnicas para agrandar (en lugar de reemplazar) las esclusas existentes que tienen una capacidad inadecuada.