Kanal und Schleuse

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Hintergrund

Ein Kanal ist ein künstlich angelegter Wasserweg. Kanäle werden für eine Vielzahl von Anwendungen gebaut, darunter Bewässerung, Landentwässerung, städtische Wasserversorgung, Wasserkrafterzeugung und Transport von Gütern und Personen. Navigationskanäle können flache Einrichtungen sein, die für den Schiffsverkehr ausgelegt sind, oder sie können tief genug sein, um Hochseeschiffe aufzunehmen.

Um Wasser zu sparen und die Hin- und Rückfahrt zu erleichtern, werden die Kanäle eben gebaut. Wenn zwischen den Enden eines Kanals ein Höhenunterschied besteht, wird der Kanal als eine Reihe von ebenen Abschnitten gebaut, die durch Schleusen verbunden sind. Eine Schleuse ist eine rechteckige Kammer mit Toren an beiden Enden; Wenn beide Tore geschlossen sind, kann der Wasserstand innerhalb der Schleuse an den Kanalwasserstand auf beiden Seiten angepasst werden. So kann ein in die Schleuse einfahrendes Schiff angehoben oder abgesenkt werden, um in den nächsthöheren Kanalabschnitt einzufahren. Gelegentlich werden alternative Arten von Schleusen gebaut, um große Höhenunterschiede zu überwinden; die gesamte Schleusenkammer mit den auf dem Wasser schwimmenden Booten wird vertikal gehievt oder auf einem geneigten Streckenabschnitt nach oben bewegt.

In den Vereinigten Staaten werden etwa 15% der Intercity-Fracht (gemessen als Kombination aus Entfernung und Gewicht) auf dem Wasser transportiert, entweder auf künstlichen Kanälen oder schiffbaren Flüssen. (Das Begradigen oder Vertiefen eines Flusses, um Schiffe einer bestimmten gewünschten Größe aufzunehmen, wird als Kanalisierung der Wasserstraße bezeichnet.) 1997 wurden 1,2 Milliarden Tonnen (1,1 Milliarden Tonnen) Fracht auf den Wasserstraßen der Vereinigten Staaten transportiert; bis 2020 soll die Jahrestonnage doppelt so hoch sein. Der Transport von Fracht per Binnenschiff kostet etwa halb so viel wie der Transport per Bahn und etwa ein Achtel wie der LKW-Transport.

Das U.S. Army Corps of Engineers beaufsichtigt etwa 25.000 Meilen (40.234 km) kommerziell befahrbarer Wasserstraßen und etwa 240 Schleusenkammern. Die Hälfte dieser Schleusen ist über 50 Jahre alt, und einige sind zu klein für die großen Ansammlungen von Lastkähnen, die normalerweise von einem einzigen modernen Schlepper verbunden und bewegt werden. Mit der zu erwartenden Zunahme des Gütertransports auf dem Wasserweg wird es notwendig sein, viele Schleusen zu sanieren, zu ersetzen und zu erweitern. Der Kanalbau, der nicht nur Transportwasserstraßen, sondern auch ökologische Kanäle umfasst, wird ebenfalls fortgesetzt.

Verlauf

Kanäle

Berichten zufolge wurden in Ägypten bereits vor 6.000 Jahren Kanäle gebaut. Der erste Kanal für seetüchtige Schiffe wurde vor 14.000 Jahren vom Pharao Sesosteris gebaut und verband das Rote Meer mit dem Nil und damit mit dem Mittelmeer. Überreste dieses Kanals, der abwechselnd ein halbes Dutzend Mal vernachlässigt und wieder aufgebaut wurde, deuten darauf hin, dass er etwa 46 m breit, 5 m tief und 97 km lang war.

Der älteste noch genutzte Kanal wurde in China im 4. Jahrhundert v. Chr. begonnen. zum Zwecke der Erhebung von Getreidesteuern und des Truppentransports. Um 600 n. Chr. umgebaut und erweitert, wurde der Kanal als Grand Canal bekannt; seine jüngste Erweiterung, die etwa 1280 n. Chr. fertiggestellt wurde, brachte seine Länge auf 1.795 km. Es bleibt der längste schiffbare Kanal der Welt.

Jahrhundertelang wurden Kanäle nur mit Handwerkzeugen gegraben. Beim Bau des Canal du Midi zwischen 1665 und 1681, um den Atlantik zu verbinden Eine Luftaufnahme eines Kanal- und Schleusensystems. Ozean und das Mittelmeer in Südfrankreich wurde erstmals Schießpulver verwendet, um einen Tunnel zu sprengen. Die Erfindung dampfbetriebener Maschinen Ende des 17. Jahrhunderts trug dazu bei, die "Kanal-Ära" in Europa und Nordamerika im 18. und 19. Jahrhundert voranzutreiben, in der Tausende von Meilen von Kanälen gebaut wurden. Vor allem zum abschließenden Trimmen des Kanals auf gewünschte Neigungen und Tiefen wurden weiterhin Pferdepflüge eingesetzt. Die vollständige Mechanisierung des Kanalbaus wurde 1946 erreicht, als ein amerikanisches Unternehmen die ersten Kanalfräs- und Auskleidungsmaschinen baute.

Sperren

Blitzschleusen, die ersten Versuche, Boote über schwierige Höhenunterschiede auf Flüssen oder Kanälen zu befördern, stammen aus dem 3. Jahrhundert v. Der griechische Historiker Diodorus Siculus beschrieb 200 Jahre später, wie Ptolemaios II. den Kanal Nil-Rotes Meer durch den Bau einer Art Schleuse verbessert hatte. Bestehend aus einem einzigen Tor, beförderten Blitzschleusen Boote stromabwärts auf einem Wasserrausch; Boote, die stromaufwärts fuhren, konnten vorwärts gezogen werden, während sie auf dem Wildbach trieben, der durch das Öffnen des Tors freigesetzt wurde.

Blitzschlösser waren gefährlich und verbrauchten viel Wasser. Eine bedeutende Verbesserung kam im Jahr 984 n. Chr., als die erste Doppeltorschleuse an Chinas Canal Grande gebaut wurde. Auch Pfundschleuse genannt (weil sie Wasser aufstaut) war dies der Vorläufer der modernen konventionellen Schleusen. Seine Tore waren vertikal angehobene Platten. Eine ähnliche Schleuse mit vertikalen Hubtoren, die 1373 in den Niederlanden gebaut wurde, kontrollierte ebenfalls ihren Wasserstand, indem sie entweder das stromaufwärts oder das stromabwärts gelegene Tor teilweise öffnete. Der Betrieb der Pfundschleuse wurde 1485 stark verbessert, als eine italienische Schleuse mit kleineren, ventilgesteuerten Öffnungen in den Toren gebaut wurde.

Leonardo da Vinci erfand 1480 das Gehrungstor. Zwei Tore, jedes mehr als halb so breit wie das Schloss, schwingen an vertikalen Scharnieren. In geöffneter Stellung schließen sie bündig mit den Schlosswänden ab. In geschlossener Position treffen sie stromaufwärts in einem V spitz zusammen, so dass der höhere Wasserstand gegen sie drückt und eine dichte Abdichtung fördert.

Die Basis des stromaufwärts gelegenen Tors in einer Schleuse ist höher als die Basis des stromabwärts gelegenen Tors. Wenn die Schleuse sehr tief war, würde das Wasser, das die Kammer durch eine Öffnung im oberen Tor füllte, Turbulenzen erzeugen oder sogar ein Boot in der Kammer überschwemmen. Dieses Problem wurde in Frankreich im 17. Jahrhundert gelöst, als ventilgesteuerte Wasserkanäle zum Befüllen und Entleeren einer Schleuse gebaut wurden Eine Schleuse ist eine rechteckige Kammer mit Toren an beiden Enden; Wenn beide Tore geschlossen sind, kann der Wasserstand innerhalb der Schleuse an den Kanalwasserstand auf beiden Seiten angepasst werden. So kann ein in die Schleuse einfahrendes Schiff angehoben oder abgesenkt werden, um in den nächsthöheren Kanalabschnitt einzufahren. in den unteren Teil der Steinauskleidung der Kammer.

Bis Anfang des 19. Jahrhunderts bestanden Schleusentore aus Holz und Schleusenkammern wurden mit Holz, Stein, Ziegeln oder Torf ausgekleidet. Im Jahr 1827 wurde Gusseisen zum ersten Mal verwendet, um sowohl eine Schleuse als auch ihre Tore in Cheshire, England, zu bauen. Nach der Entwicklung des Bessemer-Verfahrens zur Massenproduktion von Stahl wurde dieser Werkstoff für den Bau von Schleusen und Toren verwendet, sowohl als Primärelemente als auch als Bewehrungsstäbe für Beton.

Rohstoffe

Wasserdichte Auskleidungen verhindern, dass das Wasser eines Kanals in den Boden sickert. Viele Jahre lang war die beste Wahl eine Pfütze, eine Mischung aus Sand, Lehm und Wasser, die wasserdicht getrocknet wurde. Zu den modernen Materialien und Zusätzen, die haltbarer sind, gehören Beton, Flugasche, Bentonit, bituminöse Materialien und Kunststofffolien.

Schlösser bestehen meist aus Beton, gelegentlich mit Stahl ausgekleidet. Wenn bei der Konstruktion der Schleuse Festgestein freigelegt wird, muss der Boden nicht ausgekleidet werden. Die Tore werden durch Zusammenschweißen von Stahlplatten und Verstärkungsbalken hergestellt. Die vertikalen Kanten der Tore sind mit wirksamen Dichtungsmaterialien wie Weißeiche ausgestattet. 1999 entwickelte ein französisches Unternehmen Schleusentore aus glasfaserverstärktem Kunststofflaminat, die in Edelstahlrahmen montiert sind.

Design

Frühe Kanäle folgten der möglichst ebenen Oberflächenroute, weil großflächige Erdbewegungen so schwierig und teuer waren. Bessere Aushubgeräte und Schleusenbaumöglichkeiten ermöglichen den Bau kürzerer, direkterer Kanalwege. Wegen geografischer Hindernisse werden einige Kanäle in Tunneln oder auf Aquädukten (wasserführenden Brücken) gebaut.

Es ist wichtig, eine Schleusenkammer bei minimaler Wasserverwirbelung zu füllen und zu entleeren. Moderne Designs platzieren Schleusen in den Torschwellen oder im Boden oder in den Wänden der Kammer. Eine Schleuse kann auch mit einem untergetauchten Bubbler ausgestattet sein, der Luft unter dem Verschlussbereich des Tors freisetzt; Die daraus resultierende sanfte Turbulenz hält den Bereich frei von Schmutz, der eine ordnungsgemäße Abdichtung des Tors verhindern könnte.

Für moderne Schleusen stehen verschiedene Schleusenausführungen zur Verfügung, und unterschiedliche Typen können am stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Ende einer einzelnen Schleuse verwendet werden. Gehrungstoren sind eine der beliebtesten Optionen. Eine andere gängige Wahl ist das Tainter-Tor, eine gebogene Platte, die sich vertikal dreht. Bei dieser effizienten Konstruktion, die für Ventile in Wasserübergabedükern sowie Hauptschleusen verwendet wird, unterstützt der Wasserdruck tatsächlich die Drehung des Tors. Flachtore, die nach oben, seitlich oder in den Schleusenboden gleiten, sind ebenso möglich wie Flachtore, die unten scharniert werden und gebogene Tore, die sich horizontal in Mauernischen drehen.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas wurde am 3. Oktober 1854 in der Nähe von Mobile, Alabama, geboren. Im Jahr 1875 erhielt Gorgas einen Bachelor of Arts von der University of the South. Mit dem Wunsch nach einer militärischen Laufbahn beschloss er, mit einem Medizinstudium in die Armee einzutreten. Nach seinem Abschluss am Bellevue Medical College in New York und einem Praktikum am Bellevue Hospital wurde Gorgas im Juni 1880 in das Medical Corps der US Army berufen. Es folgten Dienstreisen in Texas und North Dakota, mit fast 10 Jahren in Fort Barrancas in Florida— Gorgas wurde dieses Gelbfiebergebiet zugewiesen, weil er zuvor an der Krankheit litt und immun war.

Nachdem Havanna, Kuba, 1898 von amerikanischen Truppen besetzt wurde, übernahm Gorgas die Leitung eines Gelbfieberlagers in Siboney und wurde bald Chief Sanitätsoffizier von Havanna. Aufgrund der Information, dass eine bestimmte Mücke Gelbfieber übertragen hat, zerstörte Gorgas schnell den Nährboden dieser Mücke und befreite die Stadt vom Gelbfieber.

1904 begannen die Arbeiten am Panamakanal. Gorgas ging in die Kanalzone, um die Hygiene zu übernehmen, und war in Panama und Colon erfolgreich. Gorgas wurde allgemein als der weltweit führende Sanitärexperte angesehen, und eine Reihe ausländischer Regierungen und internationaler Kommissionen suchten seine Hilfe. Sein Buch Hygiene in Panama wurde schnell zu einem Klassiker im Bereich der öffentlichen Gesundheit. 1914 wurde er zum Generalchirurgen der Armee ernannt und diente in dieser Funktion bis zu seiner Pensionierung vier Jahre später. Gorgas starb am 3. Juli 1920 und wurde auf dem Arlington National Cemetery beigesetzt.

Der Herstellungsprozess

Kanal

• 1 Der Kanalverlauf muss gründlich vermessen werden, nicht nur für die korrekte Ausrichtung, sondern auch für genaue Schnitt- und Fülltiefen.
• 2 Der primäre Aushub wird mit Erdbewegungsgeräten wie Bulldozern und Baggern durchgeführt.
• 3 Eine auf Raupenketten montierte Trimmmaschine wird verwendet, um die letzten 30-46 cm Erde zu entfernen, um die gewünschten Wandneigungen und ein flaches Bett für den Kanal zu schaffen. Der ausgehobene Boden wird von einem Förderband transportiert und auf LKWs verladen, die ihn abtransportieren.
• 4 Eine Schicht aus hochdurchlässigem Material kann über die Wände und den Boden verteilt werden, um die Ableitung des Grundwassers unter dem Kanal zu fördern.
• 5 Gitter aus Bewehrungsstahl werden gebaut und an den Kanalwänden und am Boden angehoben. Betonblöcke halten die Gitter über der Oberfläche, damit Beton darunter fließen kann.
• 6 Beton wird gemischt, gerüttelt, um Lufteinschlüsse zu entfernen, und mit einer Gleitschalungsmaschine aufgetragen, wobei der Bewehrungsstahl umhüllt wird. Unter Gleitschalung wird das Gießen von Beton zwischen der Kanaloberfläche und einer sich langsam vorwärts bewegenden Form (Form) verstanden; Der Beton härtet schnell genug aus, um seine Form beizubehalten, bis die Form den Kontakt mit ihm verlässt. Spezialmaschinen platzieren Quer- und Längskompensatoren vor der Gleitschalungsmaschine.

Sperren

• 7 Ein provisorischer Kofferdamm wird um den geplanten Schleusenstandort herum gebaut. Stahlspundwände werden in den Boden gerammt, um eine Reihe benachbarter, vertikaler Zellen zu bilden, die sich über die Wasserlinie erstrecken. Die Zellen sind mit Sand gefüllt. Wasser wird aus dem geschlossenen Raum gepumpt, um eine Trockenbaufläche zu schaffen. Die Schleusenstelle wird ausgegraben. Bei Bedarf werden Pfähle in den Boden gerammt, um die Schleusenkonstruktion zu stützen.
• 8 Holzformen werden gebaut, um den Boden und die Wände der Schleuse zu formen. Raum für Durchlässe und Ventilkammern ist in den Formen enthalten, ebenso wie Schlitze für die Torscharniere und Aussparungen, um offene Tore aufzunehmen. Zusätzliche Formen werden gebaut, um die Zufahrtswände zu formen, die die Schiffe in die Schleuse leiten.
• 9 Nachdem die Bewehrungskörbe in die Schalungen eingebaut wurden, wird Beton gegossen. Wenn der Beton ausgehärtet ist, werden die Schalungen entfernt.
• 10 Steuerventile zum Befüllen und Entleeren der Schleuse sowie hydraulische und mechanische Einrichtungen zur Betätigung der Ventile und Schieber sind eingebaut.
• 11 Gates werden vorgefertigt und an die Baustelle geliefert. Sehr große Tore können in Abschnitten geliefert werden, die beim Einbau in die Schleuse zusammengeschweißt werden.
• 12 An den Schleusenwänden ist Zubehör wie Leitplanken, Festmacherpfosten und Fluchtleitern angebracht.

Nebenprodukte/Abfälle

Die Entsorgung des Ausbruchmaterials ist eine der Herausforderungen im Kanal- und Schleusenbau. Es kann verwendet werden, um Böschungen zu bauen oder über die umliegende Landschaft verteilt zu werden, wo es sowohl für den Erosionsschutz als auch für das Erscheinungsbild sorgfältig angelegt wird. Der Bau des Divide Cut, eines 46 km langen Kanals auf dem Tennessee-Tombigbee Waterway, in den frühen 1980er Jahren erforderte die Entsorgung von 150 Millionen Kubikyards (115 Millionen Kubikmeter) Erde.

Beim Schleusenbau kann Aushubmaterial zum Auffüllen von Kofferdammzellen verwendet werden. Wenn der Kofferdamm entfernt wird, kann das Material zum Verfüllen hinter der Uferseite der Schleusenmauer verwendet werden.

Der Schleusenbetrieb verbraucht viel Wasser; Zum Beispiel werden 13 Millionen Liter Wasser benötigt, um eine 180 m lange und 34 m breite Schleuse mit einem Hub von 2,1 nm zu füllen. Auf einigen Kanälen und Flüssen sind die Wasservorräte begrenzt und der Schutz ist wichtig. Anstatt beim Entleeren der Schleuse stromabwärts freigesetzt zu werden, kann ein Teil des Wassers in einen Nebenteich umgeleitet werden, wo es gespeichert und verwendet werden kann, um die Kammer für den nächsten Betrieb zu füllen.

Die Zukunft

Aufgrund der erheblichen Notwendigkeit, Schleusen zu überholen oder zu ersetzen sowie neue Einrichtungen zu bauen, fördert und forscht das U.S. Army Corps of Engineers den Bau von Wasserstraßen. In der Waterways Experiment Station können maßstabsgetreue Modelle der vorgeschlagenen Designs getestet werden. Mit ihrem Forschungsprogramm Innovations for Navigation Projects (INP) unterstützt sie die Entwicklung neuer Wege zum Bau, zur Reparatur und zum Betrieb von Kanälen und Schleusen. Zu den jüngsten Themen gehörten Verbesserungen bei der Platzierung von Unterwasserbeton und Mörtel sowie die Entwicklung von hochfestem Beton mit geringer Dichte für den Bau modularer Schleusenabschnitte, die ohne den Bau eines Kofferdamms installiert werden können. Weitere aktuelle Forschungsthemen sind Schutzvorrichtungen für Schleusenwände und -tore vor Bargeneinschlägen, verbesserte Konstruktionen für Wasserein- und -ableitungssysteme, bessere Ausrüstung und Kontrollvorrichtungen für den Betrieb von Toren sowie Techniken zur Erweiterung (anstatt des Austauschs) bestehender Schleusen mit unzureichender Kapazität.