Каналы и шлюзы: инженерия, история и будущее водного транспорта в США

---

Общие сведения

Каналы — это инженерные водные пути, предназначенные для ряда функций: орошение, дренаж, генерация энергии и, что наиболее критично, коммерческая навигация. Они могут быть мелководными проходами для барж или глубокими каналами, пригодными для океанских судов.

Для экономии воды и обеспечения двустороннего движения каналы прокладывают по горизонтальному ходу. При наличии перепадов высот последовательность горизонтальных участков соединяется шлюзами. Шлюз — это прямоугольная камера с воротами на обоих концах; регулируя уровень воды внутри, можно поднять или опустить судно до уровня следующего участка канала.

В США около 15% междугороднего грузоперевозок (в тонно-километрах) осуществляется по воде на искусственных каналах или судоходных реках. В 1997 году по американским водным путям прошло 1,2 млрд тонн грузов; к 2020 году объем должен удвоиться. Бажное перевозка стоит примерно в два раза дешевле ж/д и в восемь раз дешевле автоперевозок.

Инженерные войска США управляют примерно 40 000 км коммерческих водных путей и около 240 шлюзовых камер. Половина из них старше 50 лет, и многие малы для современных баржных флотилий. С ростом грузопотока ведутся масштабные работы по рефурбишменту, замене и расширению шлюзов, а также продолжается строительство каналов для транспорта и экологических целей.

История

Каналы

Каналы существуют более 6000 лет — со времен Древнего Египта. Первый морской канал, построенный фараоном Сесострис I около 4000 лет назад, соединил Красное море с Нилом и, следовательно, со Средиземноморьем. Остатки указывают на ширину 46 м, глубину 5 м и длину 97 км.

Ранний китайский канал, начатый в IV в. до н.э. для перевозки зерна и войск, эволюционировал в Великий канал. После перестройки в VI в. н.э. его длина к XIII веку достигла 1795 км — это до сих пор самый длинный судоходный канал в мире.

Раннее строительство каналов опиралось на ручной инструмент. Канал ду Миди (1665–1681) стал первым крупным европейским каналом, где для прокладки тоннеля использовали порох. Паровые машины в конце XVII века ускорили строительство по Европе и Северной Америке. Полная механизация наступила в 1946 году, когда американская фирма представила первые машины для профилирования и облицовки каналов.

Шлюзы

Вспышки — одноворотные системы на реках — появились в III в. до н.э. Они были опасны и водоемки. Первый двухворотный шлюз с камерой возник в 984 г. н.э. на Великом канале Китая, заложив основу современных шлюзов. Голландский шлюз 1373 г. внедрил вертикально-подъемные ворота, частично управляемые уровнем воды. В 1485 году итальянский шлюз усовершенствовал конструкцию клапанно-управляемыми отверстиями в воротах.

Леонардо да Винчи изобрел секторные ворота в 1480 году. Эти ворота вращаются на вертикальных петлях, сходясь в форме V для герметичного замыкания против давления вверх по течению.

В XVII веке Франция решила проблему турбулентности в глубоких шлюзах, направляя воду через клапанно-управляемые каналы в нижнюю стенку камеры.

До начала XIX века ворота и камеры шлюзов строили из дерева, камня, кирпича или дерна. В 1827 году в Чешире (Англия) изготовили первый чугунный шлюз и ворота. Процесс Бессемера позже позволил использовать сталь для шлюзов и арматуры в бетоне.

Сырьё

Гидроизоляционные покрытия предотвращают фильтрацию. Исторически стандартом был «пуддл» — смесь песка, глины и воды. Современные покрытия используют бетон, золуту, бентонит, битум и полимерные пленки.

Шлюзы обычно бетонные, иногда со стальной облицовкой. Ворота изготавливают сваркой стальных листов и ребер жесткости; вертикальные кромки герметизируют прочными материалами вроде белого дуба. В 1999 году французская компания представила ворота из стекловолокнопластика в нержавеющих рамах.

Проектирование

Ранние каналы следовали по самым плоским маршрутам из-за ограниченных землеройных возможностей. Сегодня улучшенная техника и технологии шлюзов позволяют более прямые, короткие маршруты. Географические препятствия преодолевают тоннелями или акведуками.

Эффективная работа шлюза минимизирует турбулентность. Современные проекты включают слюзы в порогах ворот, стенках или дне камеры. Погруженные пузырьковые устройства выпускают воздух под закрытыми воротами, удерживая зону чистой и облегчая замыкание.

Варианты ворот: секторные, Тейнтеровы (изогнутые) — вращающиеся вертикально под давлением, плоские раздвижные, шарнирно-подвижные плоские и изогнутые горизонтальные ворота. Разные типы могут применяться на верхнем и нижнем концах одного шлюза.

Уильям Кроуфорд Горгас (1854–1920).

Уильям К. Горгас, родившийся 3 октября 1854 г. gần Мобайл, Алабама, получил степень BA в Университете Юга и медицинскую диплом в Белвью. Служил в Медицинском корпусе армии с 1880 г., с постами в Техасе, Северной Дакоте и Флориде. После оккупации Гаваны в 1898 г. он искоренил желтую лихорадку в городе, уничтожив места размножения комаров.

В 1904 г. Горгас возглавил санитарию зоны Панамского канала, став всемирно известным экспертом. Его книга Санитария в Панаме остается классикой. Занимал пост Главного врача армии (1914–1918) и умер 3 июля 1920 г.; похоронен в Арлингтонском национальном кладбище.

Процесс строительства

Канал

• 1. Проведение детальной съемки для точной трассы, выемок и засыпок.
• 2. Первичная разработка бульдозерами и экскаваторами.
• 3. Финальная подрезка последних 30–46 см грунта гусеничным стрижневым станком для достижения заданных склонов и плоского дна. Выеманный грунт конвейеризуется и вывозится самосвалами.
• 4. Укладка высокопроницаемого слоя на стенках и дне для дренажа грунтовых вод.
• 5. Монтаж арматурных стальных сеток на стенках и дне; бетонные блоки держат их над поверхностью для протекания воды.
• 6. Бетонирование: смешивание, вибрация и скользящая опалубка с учетом температурных швов.

Шлюз

• 7. Устройство временной переборки (коффердам) вокруг площадки: вбивка стальных шпунтов в вертикальные ячейки, засыпка песком и откачка воды для создания сухого рабочего пространства. Шпунты могут служить опорой для шлюза.
• 8. Строительство деревянной опалубки для дна, стен, путепроводов, клапанных камер, петель ворот и ниш для открытых ворот.
• 9. Бетонирование над арматурными клетками; после набора прочности опалубка снимается.
• 10. Установка регулирующих клапанов и гидро/механического оборудования для наполнения, опорожнения и управления воротами.
• 11. Предварительная сборка ворот и транспортировка секциями (если крупные); сварка на месте.
• 12. Монтаж перил, швартовых клей и аварийных леер на стенках шлюза.

Побочные продукты / Отходы

Управление выеманным материалом — серьезная задача. Его используют для насыпей или ландшафтного оформления как меры против эрозии. 46-километровый Divis Cut на водном пути Теннесси-Томбигби в 1980-х потребовал утилизации 115 млн м³ грунта.

При строительстве шлюза выеманный материал может засыпать ячейки коффердама или, после его демонтажа, заполнить речной бок стенки шлюза.

Работа шлюза потребляет огромные объемы воды. Например, наполнение шлюза длиной 180 м, шириной 34 м с подъемом 2,1 м требует 13 млн литров. В засушливых регионах лишнюю воду часто отводят в боковой пруд для повторного использования в следующих циклах.

Будущее

Из-за острой необходимости рефурбишмента, замены и расширения шлюзов, Инженерные войска США активно исследуют новые методы строительства. Масштабные модели проектов тестируются на их Опытной станции водных путей. Программа INP (Инновации для навигационных проектов) поддерживает такие достижения, как подводная бетонизация, легкий высокопрочный бетон для модульных секций шлюзов и методы установки без коффердам.

Текущие исследования фокусируются на защитных устройствах для стенок и ворот шлюзов, улучшенных схемах впуска и выпуска, продвинутых системах управления воротами и методах расширения существующих шлюзов без полной замены.