Canales y esclusas: ingeniería, historia y futuro del transporte fluvial en EE. UU.

Antecedentes

Los canales son vías navegables diseñadas para diversas funciones: riego, drenaje, generación de energía y, fundamentalmente, navegación comercial. Pueden ser pasos poco profundos para barcazas o canales profundos que admiten buques oceánicos.

Para conservar agua y permitir el tráfico bidireccional, los canales se construyen en un trazado nivelado. Cuando existen diferencias de elevación, una serie de tramos nivelados se conecta mediante esclusas. Una esclusa es una cámara rectangular con compuertas en ambos extremos; al controlar el nivel de agua interior, una embarcación puede subir o bajar para igualar el siguiente tramo del canal.

En Estados Unidos, alrededor del 15 % del transporte interurbano de mercancías —medido en distancia-peso— se mueve por agua en canales artificiales o ríos navegables. En 1997, 1,2 billones de toneladas de carga recorrieron las vías fluviales estadounidenses; para 2020 se proyectaba que el volumen se duplicara. El transporte en barcaza cuesta aproximadamente la mitad que el ferrocarril y una octava parte que el camión.

El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. gestiona unos 40.234 km de vías navegables comerciales y unas 240 cámaras de esclusa. La mitad de esas esclusas tienen más de 50 años y muchas son demasiado pequeñas para las flotas de barcazas modernas. Con el aumento previsto del tráfico de mercancías, están en marcha extensas obras de rehabilitación, sustitución y ampliación de esclusas, junto con la construcción continua de canales para fines de transporte y ambientales.

Historia

Canales

Los canales se remontan a más de 6.000 años en el antiguo Egipto. El primer canal marítimo, construido por el faraón Sesostris I hace unos 4.000 años, conectaba el Mar Rojo con el Nilo y, por extensión, con el Mediterráneo. Los restos sugieren una anchura de 46 m, una profundidad de 5 m y una longitud de 97 km.

El primer canal de China, iniciado en el siglo IV a.C. para transporte de grano y movimiento de tropas, evolucionó hasta convertirse en el Gran Canal. Tras su reconstrucción en el siglo VI d.C., su longitud alcanzó los 1.795 km en el siglo XIII —todavía el canal navegable más largo del mundo.

La construcción temprana de canales dependía de herramientas manuales. El Canal du Midi (1665-1681) fue el primer gran canal europeo en usar pólvora para volar un túnel. La maquinaria a vapor a finales del siglo XVII aceleró la construcción de canales en Europa y Norteamérica. La mecanización total llegó en 1946 cuando una empresa estadounidense introdujo las primeras máquinas de recorte y revestimiento de canales.

Esclusas

Las esclusas de destello —sistemas de una sola compuerta usados en ríos— aparecieron por primera vez en el siglo III a.C. Eran peligrosas e intensivas en agua. La primera esclusa de dos compuertas (pound lock) surgió en el 984 d.C. en el Gran Canal de China, sentando las bases de las esclusas modernas. Una esclusa holandesa de 1373 introdujo compuertas de elevación vertical controladas parcialmente por el nivel del agua. En 1485, una esclusa italiana refinó el diseño con apertura de compuertas controlada por válvulas.

Leonardo da Vinci inventó la compuerta de mitra en 1480. Estas compuertas giran sobre bisagras verticales, uniéndose en forma de V para crear un sello hermético contra la presión aguas arriba.

En el siglo XVII, Francia resolvió el problema de la turbulencia en esclusas profundas canalizando el agua a través de canales controlados por válvulas hacia la pared de la cámara inferior.

Hasta principios del siglo XIX, las compuertas y cámaras de esclusa se construían con madera, piedra, ladrillo o césped. En 1827, Cheshire, Inglaterra, produjo la primera esclusa y compuertas de hierro fundido. El proceso Bessemer permitió posteriormente el uso de acero para esclusas y barras de refuerzo en hormigón.

Materias primas

Los revestimientos impermeables evitan la filtración. Históricamente, el "puddle" —una mezcla de arena, arcilla y agua— era el estándar. Los revestimientos modernos usan hormigón, cenizas volantes, bentonita, betún y láminas plásticas.

Las esclusas son típicamente de hormigón, a veces revestidas de acero. La construcción de compuertas implica soldar placas de acero y vigas de refuerzo; los bordes verticales se sellan con materiales duraderos como roble blanco. En 1999, una empresa francesa introdujo compuertas de plástico reforzado con fibra de vidrio montadas en marcos de acero inoxidable.

Diseño

Los primeros canales seguían las rutas más llanas disponibles debido a la limitada capacidad de movimiento de tierras. Hoy, la mejora en equipos de excavación y tecnología de esclusas permite rutas más directas y cortas. Los obstáculos geográficos se abordan con túneles o acueductos.

La operación eficiente de esclusas minimiza la turbulencia. Los diseños modernos incorporan compuertas de fondo en los umbrales de las compuertas, paredes de la cámara o el fondo. Burbujeadores sumergidos liberan aire bajo el cierre de las compuertas para mantener la zona libre de residuos y facilitar el sellado.

Las opciones de compuertas incluyen compuertas de mitra, compuertas Tainter (curvas) que giran verticalmente bajo presión, compuertas planas deslizantes, compuertas planas articuladas y compuertas horizontales curvas. Diferentes tipos pueden usarse en los lados aguas arriba y aguas abajo de la misma esclusa.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas, nacido el 3 de octubre de 1854 cerca de Mobile, Alabama, obtuvo una licenciatura en la Universidad del Sur y un título médico en el Bellevue Medical College. Sirvió en el Cuerpo Médico del Ejército desde 1880, con destinos en Texas, Dakota del Norte y Florida. Tras la ocupación de La Habana en 1898, eliminó la fiebre amarilla en la ciudad destruyendo los criaderos de mosquitos.

En 1904, Gorgas asumió el saneamiento de la Zona del Canal de Panamá, convirtiéndose en un experto mundialmente reconocido. Su libro Sanitation in Panama sigue siendo un clásico. Fue Cirujano General del Ejército (1914-1918) y falleció el 3 de julio de 1920; está enterrado en el Cementerio Nacional de Arlington.

El proceso de fabricación

Canal

• 1. Realizar un levantamiento detallado para una alineación, cortes y rellenos precisos.
• 2. Ejecutar la excavación principal con buldóceres y excavadoras.
• 3. Recortar los últimos 30-46 cm de suelo con una máquina de recorte de orugas para lograr las pendientes deseadas y un lecho plano. El suelo excavado se transporta y retira en camiones.
• 4. Extender una capa altamente permeable en paredes y fondo para drenar aguas subterráneas.
• 5. Instalar mallas de acero de refuerzo en paredes y fondo; bloques de hormigón los mantienen sobre la superficie para permitir el flujo.
• 6. Mezclar, vibrar y encofrar deslizante el hormigón sobre las mallas, incorporando juntas de dilatación antes del encofrado deslizante.

Esclusa

• 7. Construir un dique seco temporal (cofferdam) alrededor del sitio, hincando tablestacas de acero para formar celdas verticales, rellenándolas con arena y bombeando el agua para crear un área de trabajo seca. Las tablestacas pueden sostener la esclusa si es necesario.
• 8. Construir encofrados de madera para el fondo, paredes, conductos, cámaras de válvulas, bisagras de compuertas y huecos para compuertas abiertas.
• 9. Verter hormigón sobre jaulas de acero reforzado; una vez curado, retirar los encofrados.
• 10. Instalar válvulas de control y equipo hidráulico/mecánico para llenado, vaciado y operación de compuertas.
• 11. Prefabricar compuertas y transportarlas en secciones si son grandes; soldar in situ.
• 12. Añadir barandillas, postes de amarre y escaleras de escape a las paredes de la esclusa.

Subproductos / Residuos

La gestión del material excavado es un gran desafío. Puede usarse para terraplenes o paisajismo como control de erosión. El corte de 46 km (Divide Cut) en la Vía Fluvial Tennessee-Tombigbee en los años 80 requirió la eliminación de 115 millones de metros cúbicos de tierra.

Durante la construcción de esclusas, el material excavado puede rellenar las celdas del cofferdam o, tras su retirada, rellenar la orilla del río junto a la pared de la esclusa.

La operación de esclusas consume grandes volúmenes de agua. Por ejemplo, llenar una esclusa de 180 m de largo, 34 m de ancho y 2,1 m de elevación requiere 13 millones de litros. En regiones con escasez de agua, el exceso a menudo se desvía a un estanque lateral para reutilizarlo en ciclos posteriores.

El futuro

Debido a la urgente necesidad de rehabilitar, reemplazar y ampliar esclusas, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. investiga activamente nuevos métodos de construcción. Se prueban modelos a escala de diseños propuestos en su Estación Experimental de Vías Navegables. El Programa de Investigación Innovaciones para Proyectos de Navegación (INP) apoya avances como la colocación de hormigón bajo agua, hormigón de alta resistencia y baja densidad para secciones modulares de esclusas, y técnicas de instalación sin cofferdam.

La investigación actual se centra en dispositivos de protección para paredes y compuertas de esclusas, diseños mejorados de entrada y descarga, sistemas avanzados de control de compuertas y métodos para ampliar esclusas existentes sin reemplazo total.