Canal e eclusa

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Antecedentes

Um canal é um curso d'água feito pelo homem. Os canais são construídos para uma variedade de usos, incluindo irrigação, drenagem de terras, abastecimento de água urbano, geração de energia hidrelétrica e transporte de cargas e pessoas. Os canais de navegação podem ser instalações rasas projetadas para o tráfego de barcaças ou podem ser profundos o suficiente para acomodar navios oceânicos.

Para economizar água e facilitar as viagens de ida e volta, os canais são construídos no nível. Se houver uma diferença de elevação entre as extremidades de um canal, o canal é construído como uma série de seções de nível ligadas por eclusas. Uma fechadura é uma câmara retangular com portas em ambas as extremidades; com os dois portões fechados, o nível de água dentro da eclusa pode ser ajustado para coincidir com o nível de água do canal em ambos os lados. Assim, um vaso que entra na eclusa pode ser levantado ou abaixado para entrar na próxima seção de nível do canal. Tipos alternativos de eclusas são ocasionalmente construídos para atravessar grandes mudanças de elevação; toda a câmara da eclusa, contendo os barcos que flutuam na água, é içada verticalmente ou movida para cima em uma seção inclinada da linha férrea.

Nos Estados Unidos, cerca de 15% do frete intermunicipal (medido como uma combinação de distância e peso) é transportado por água, em canais artificiais ou rios navegáveis. (Endireitar ou aprofundar um rio para acomodar navios de um certo tamanho desejado é chamado de canalização da hidrovia.) Em 1997, 1,2 bilhão de toneladas (1,1 bilhão de toneladas métricas) de carga foi transportada nas hidrovias dos Estados Unidos; em 2020, espera-se que a tonelagem anual seja o dobro desse valor. O transporte de carga por barcaça custa cerca da metade do que movimentá-la por ferrovia e cerca de um oitavo do transporte por caminhão.

O Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA supervisiona cerca de 25.000 milhas (40.234 km) de vias navegáveis ​​comercialmente e cerca de 240 câmaras de eclusas. Metade dessas eclusas tem mais de 50 anos e algumas são muito pequenas para as grandes coleções de barcaças que são comumente interligadas e movidas por um único rebocador moderno. Com o aumento esperado no transporte de carga por via aquática, será necessário reformar, substituir e ampliar muitas eclusas. A construção do canal, que inclui não apenas hidrovias de transporte, mas também canais projetados para fins ambientais, também continuará.

História

Canais

Alegadamente, os canais foram construídos no Egito há cerca de 6.000 anos. O primeiro canal projetado para receber navios em condições de navegar foi construído pelo Faraó Sesosteris há 14 mil anos, ligando o Mar Vermelho ao Rio Nilo e, portanto, ao Mar Mediterrâneo. Restos desse canal, que foi alternadamente negligenciado e reconstruído meia dúzia de vezes, sugere que ele tinha cerca de 150 pés (46 m) de largura, 16 pés (5 m) de profundidade e 60 mi (97 km) de comprimento.

O canal mais antigo ainda em uso foi iniciado na China no século IV a.C. para fins de coleta de impostos de grãos e transporte de tropas. Reconstruído e ampliado por volta de 600 d.C., o canal ficou conhecido como Grande Canal; sua extensão mais recente, concluída por volta de 1280 d.C., trouxe seu comprimento para 1.114 mi (1.795 km). Continua a ser o canal navegável mais longo do mundo.

Durante séculos, os canais foram escavados usando apenas ferramentas manuais. Durante a construção do Canal du Midi entre 1665 e 1681 para ligar o Atlântico Uma vista aérea de um canal e sistema de eclusa. Oceano e Mar Mediterrâneo no sul da França, a pólvora foi usada pela primeira vez para explodir um túnel. A invenção de máquinas movidas a vapor no final do século XVII ajudou a alimentar as "eras dos canais" na Europa e na América do Norte nos séculos XVIII e XIX, durante as quais milhares de quilômetros de canais foram construídos. Arados puxados por cavalos continuaram a ser usados ​​especialmente para o acabamento final do canal nas encostas e profundidades desejadas. A mecanização total da construção do canal foi alcançada em 1946, quando uma empresa americana construiu as primeiras máquinas de corte e revestimento de canais.

Bloqueios

As eclusas rápidas, as primeiras tentativas de transportar barcos por difíceis mudanças de elevação em rios ou canais, datam do século III a.C. O historiador grego Diodorus Siculus, escrevendo 200 anos depois, descreveu como Ptolomeu II havia melhorado o canal do Nilo ao Mar Vermelho construindo um tipo de eclusa. Consistindo em um único portão, os fechos rápidos carregavam os barcos rio abaixo em um fluxo de água; os barcos que se dirigem rio acima podem ser puxados para frente enquanto flutuam na torrente liberada pela abertura do portão.

As fechaduras instantâneas eram perigosas e usavam grandes quantidades de água. Uma melhoria significativa ocorreu em 984 d.C., quando a primeira fechadura de portão duplo foi construída no Grande Canal da China. Também chamada de fechadura de libra (porque retém água), foi a antecessora das fechaduras convencionais modernas. Seus portões eram painéis que se erguiam verticalmente. Uma fechadura semelhante com portões de elevação vertical construída na Holanda em 1373 também controlava seu nível de água abrindo parcialmente o portão a montante ou a jusante. A operação da fechadura de libra melhorou muito em 1485, quando uma fechadura italiana foi construída com aberturas menores e controladas por válvula nos portões.

Leonardo da Vinci inventou o portão de mitra em 1480. Dois portões, cada um com mais da metade da largura da fechadura, giram em dobradiças verticais. Na posição aberta, eles ficam alinhados com as paredes da fechadura. Na posição fechada, eles se encontram em forma de V a montante, de modo que o nível de água mais alto os pressiona para promover uma vedação hermética.

A base do portão a montante em uma fechadura é mais alta do que a base do portão a jusante. Se a eclusa fosse muito profunda, a água enchendo a câmara através de uma abertura no portão superior criaria turbulência ou até mesmo alagaria um barco na câmara. Esse problema foi resolvido na França durante o século XVII, quando canais de água controlados por válvula para encher e esvaziar uma eclusa foram construídos Uma fechadura é uma câmara retangular com portas em ambas as extremidades; com os dois portões fechados, o nível de água dentro da eclusa pode ser ajustado para coincidir com o nível de água do canal em ambos os lados. Assim, um vaso que entra na eclusa pode ser levantado ou abaixado para entrar na próxima seção de nível do canal. na parte inferior do forro de pedra da câmara.

Até o início do século XIX, os portões das fechaduras eram feitos de madeira e as câmaras das fechaduras eram revestidas de madeira, pedra, tijolos ou turfa. Em 1827, o ferro fundido foi usado pela primeira vez para construir uma fechadura e seus portões em Cheshire, Inglaterra. Seguindo o desenvolvimento do processo Bessemer para a produção em massa de aço, esse material foi utilizado para a construção de fechaduras e portões, tanto como elementos primários quanto como barras de reforço para concreto.

Matérias-primas

Revestimentos impermeáveis ​​evitam que a água do canal vaze para o solo. Por muitos anos, a melhor escolha era a poça, uma mistura de areia, argila e água que secava e ficava à prova d'água. Os materiais modernos e aditivos que são mais duráveis ​​incluem concreto, cinzas volantes, bentonita, materiais betuminosos e folhas de plástico.

As fechaduras são geralmente feitas de concreto, ocasionalmente revestidas de aço. Se a construção da fechadura expor a rocha, o chão não precisa ser forrado. Os portões são feitos por soldagem de placas de aço e vigas de reforço. As bordas verticais dos portões são equipadas com materiais de vedação eficazes, como carvalho branco. Em 1999, uma empresa francesa desenvolveu portões de bloqueio em laminado de plástico reforçado com fibra de vidro montados em estruturas de aço inoxidável.

Design

Os primeiros canais seguiam a rota de superfície mais plana possível porque a movimentação de terras em grande escala era muito difícil e cara. Melhores equipamentos de escavação e recursos de construção de eclusas permitem a construção de rotas de canal mais curtas e diretas. Devido aos obstáculos geográficos, as seções de alguns canais são construídas em túneis ou em aquedutos (pontes de transporte de água).

É importante encher e esvaziar uma câmara de bloqueio enquanto produz turbulência de água mínima. Os designs modernos colocam eclusas nas soleiras do portão ou no chão ou nas paredes da câmara. Uma fechadura também pode ser equipada com um borbulhador submerso que libera ar abaixo da área de fechamento do portão; a turbulência suave resultante mantém a área livre de detritos que podem impedir a vedação adequada da comporta.

Vários projetos de portas estão disponíveis para fechaduras modernas e diferentes tipos podem ser usados ​​nas extremidades a montante e a jusante de uma única fechadura. Os portões de esquadria são uma das escolhas mais populares. Outra escolha comum é o portão Tainter, uma placa curva que gira verticalmente. Neste projeto eficiente, que é usado para válvulas em bueiros de transferência de água, bem como em comportas de bloqueio principais, a pressão da água realmente auxilia na rotação da comporta. Portões planos que deslizam para cima, para os lados ou para baixo no piso da fechadura são outras opções, assim como os portões planos que são articulados na parte inferior e portões curvos que giram horizontalmente nas reentrâncias da parede.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas nasceu em 3 de outubro de 1854, perto de Mobile, Alabama. Em 1875, Gorgas recebeu o diploma de bacharel em artes pela University of the South. Desejando uma carreira militar, ele decidiu entrar no Exército com o diploma de médico. Depois de se formar no Bellevue Medical College em Nova York e estagiar no Bellevue Hospital, Gorgas foi nomeado para o Corpo Médico do Exército dos EUA em junho de 1880. Seguiram-se viagens de serviço no Texas e Dakota do Norte, com quase 10 anos em Fort Barrancas, na Flórida— Gorgas foi designado para essa área de febre amarela porque já tinha tido a doença e estava imune.

Depois que Havana, Cuba, foi ocupada pelas tropas americanas em 1898, Gorgas assumiu o comando de um campo de febre amarela em Siboney, logo se tornando o oficial sanitário chefe de Havana. Agindo com base na informação de que um certo mosquito era portador da febre amarela, Gorgas destruiu rapidamente o criadouro daquele mosquito, livrando a cidade da febre amarela.

Em 1904, começaram as obras no Canal do Panamá. Gorgas foi para a Zona do Canal para se encarregar do saneamento, tendo sucesso no Panamá e no Colon. Gorgas passou a ser geralmente considerado o maior especialista em saneamento do mundo, e vários governos estrangeiros e comissões internacionais buscaram sua ajuda. O livro dele Saneamento no Panamá rapidamente se tornou um clássico no campo da saúde pública. Em 1914, foi nomeado cirurgião-geral do Exército, exercendo esse cargo até sua aposentadoria, quatro anos depois. Gorgas morreu em 3 de julho de 1920 e está enterrado no Cemitério Nacional de Arlington.

O processo de fabricação

Canal

• 1 Um levantamento completo da rota do canal deve ser feito, não apenas para o alinhamento correto, mas também para profundidades precisas de cortes e aterros.
• 2 A escavação primária é feita com equipamentos de movimentação de terra, como tratores e escavadeiras.
• 3 Uma máquina de aparagem montada sobre esteiras é usada para remover os 12-18 pol. (30-46 cm) finais de solo para criar as encostas de parede desejadas e o leito plano para o canal. O solo escavado é transportado por esteira e carregado em caminhões que o transportarão.
• 4 Uma camada de material altamente permeável pode ser espalhada sobre as paredes e o piso para promover a drenagem das águas subterrâneas sob o canal.
• 5 Grades de aço de reforço são construídas e colocadas nas paredes e no piso do canal. Os blocos de concreto seguram as grades acima da superfície para que o concreto possa fluir sob eles.
• 6 O concreto é misturado, vibrado para remover as bolsas de ar e aplicado com uma máquina slipform, envolvendo o aço de reforço. Slipforming significa derramar concreto entre a superfície do canal e uma forma (molde) que se move lentamente para a frente; o concreto endurece rápido o suficiente para reter sua forma no momento em que a forma sai do contato com ele. Máquinas especializadas colocam juntas de expansão transversais e longitudinais antes da máquina de forma deslizante.

Bloquear

• 7 Uma ensecadeira temporária é construída em torno do local da eclusa proposta. As estacas-pranchas de aço são cravadas no solo para formar uma série de células verticais adjacentes que se estendem acima da linha d'água. As células estão cheias de areia. A água é bombeada para fora do espaço fechado para criar uma área de construção seca. O local da fechadura foi escavado. Se necessário, as estacas são cravadas no solo para apoiar a estrutura da fechadura.
• 8 As formas de madeira são construídas para moldar o piso e as paredes da fechadura. O espaço para bueiros e câmaras de válvula está incluído nas formas, assim como as ranhuras para as dobradiças e reentrâncias da comporta para conter as comportas abertas. Formas adicionais são construídas para moldar as paredes de abordagem que guiarão os vasos para dentro da eclusa.
• 9 Após as gaiolas de aço de reforço serem construídas nas formas, o concreto é vazado. Quando o concreto está curado (endurecido), as formas são removidas.
• 10 Estão instaladas válvulas de controle para enchimento e esvaziamento da eclusa, além de equipamentos hidráulicos e mecânicos para acionamento das válvulas e comportas.
• 11 Os portões são pré-fabricados e enviados para o local. Portões muito grandes podem ser enviados em seções, que são soldadas juntas à medida que são instaladas na fechadura.
• 12 Acessórios como guarda-corpos, postes de amarração e escadas de escape são instalados nas paredes da fechadura.

Subprodutos / resíduos

O descarte do material escavado é um dos desafios da construção de canais e eclusas. Pode ser usado para construir aterros ou espalhar-se pela zona rural circundante, onde é cuidadosamente planejado para o controle da erosão e também para a aparência. A construção do Divide Cut, um canal de 29 milhas (46 km) na hidrovia Tennessee-Tombigbee, no início dos anos 1980 exigiu o descarte de 150 milhões de jardas cúbicas (115 milhões de metros cúbicos) de terra.

Durante a construção da eclusa, o material escavado pode ser usado para preencher as células da ensecadeira. Quando a ensecadeira é removida, o material pode ser usado para preencher atrás do lado da margem do rio da parede da eclusa.

A operação da fechadura usa grandes quantidades de água; por exemplo, são necessários 3,5 milhões de gal (13 milhões de L) de água para encher uma eclusa de 600 pés (180 m) de comprimento e 110 pés (34 m) de largura com uma elevação de 7 pés (2,1 nm). Em alguns canais e rios, o abastecimento de água é limitado e a conservação é importante. Em vez de ser liberada a jusante conforme a eclusa é esvaziada, parte da água pode ser desviada para uma lagoa lateral, onde pode ser armazenada e usada para ajudar a encher a câmara para sua próxima operação.

O Futuro

Devido à necessidade significativa de recondicionar ou substituir bloqueios, bem como construir novas instalações, o Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA patrocina e conduz pesquisas sobre a construção de vias navegáveis. Modelos em escala de projetos propostos podem ser testados em sua Estação Experimental de Hidrovias. Por meio do Programa de Pesquisa Inovações para Projetos de Navegação (INP), apóia o desenvolvimento de novas formas de construir, reparar e operar canais e eclusas. Tópicos recentes incluíram melhorias no concreto subaquático e colocação de argamassa e desenvolvimento de concreto de baixa densidade e alta resistência para a construção de seções de bloqueio modulares que podem ser instaladas sem a construção de uma ensecadeira. Outros tópicos de pesquisa atuais envolvem dispositivos de proteção para bloqueio de paredes e portões de impactos de barcaças, projetos aprimorados para entrada de água e sistemas de descarga, melhores equipamentos e dispositivos de controle para portões operacionais e técnicas para ampliar (em vez de substituir) bloqueios existentes que têm capacidade inadequada.