运河和船闸

背景

运河是人造水道。运河的建造用途广泛，包括灌溉、土地排水、城市供水、水力发电以及货物和人员运输。航道可能是专为驳船运输设计的浅水设施，也可能足够深以容纳远洋船舶。

为了节约用水和方便双向旅行，运河建在水平面上。如果运河两端之间存在高程差异，则将渠道建造为一系列由水闸连接的水平段。锁是一个长方形的房间，两端有门；在两个闸门都关闭的情况下，可以调节锁内的水位以匹配两侧的运河水位。因此，进入船闸的船只可以升起或降下，以便进入下一级运河部分。偶尔会建造其他类型的锁来穿越大的海拔变化；包含漂浮在水面上的船只的整个闸室被垂直吊起或向上移动到铁路线的倾斜部分。

在美国，大约 15% 的城际货运（以距离和重量的组合衡量）是通过人工运河或可通航的河流通过水运的。 （拉直或加深河流以容纳特定尺寸的船只称为开渠。）1997 年，美国水道运输了 12 亿吨（11 亿公吨）货物；到 2020 年，每年的吨位预计将增加一倍。驳船运输货物的成本大约是铁路运输的一半，大约是卡车运输的八分之一。

美国陆军工程兵团管理着约 25,000 英里（40,234 公里）的商业通航水道和约 240 个闸室。这些船闸中的一半已有 50 多年的历史，有些船闸对于通常由一艘现代拖船连接和移动的大量驳船来说太小了。随着水路货物运输的预期增加，将需要翻新、更换和扩大许多船闸。运河建设不仅包括运输水道，还包括为环保目的而设计的渠道。

历史

运河

据报道，埃及在 6000 年前就建造了运河。第一条设计用于容纳适航船只的运河是 4000 年前由法老塞索斯特里斯建造的，将红海连接到尼罗河，从而连接到地中海。这条运河的遗迹被交替忽视和重建了六次，表明它大约有 150 英尺（46 米）宽、16 英尺（5 米）深和 60 英里（97 公里）长。

仍在使用的最古老的运河始于公元前四世纪的中国。用于征收粮食税和运送军队。大约在公元 600 年重建和扩建，这条通道被称为大运河；其最新的扩建工程于公元 1280 年左右完工，长度达到 1,114 英里（1,795 公里）。它仍然是世界上最长的通航运河。

几个世纪以来，运河都是用手工工具挖掘的。在 1665 年至 1681 年间修建了连接大西洋的南运河 运河和船闸系统的鸟瞰图。横跨法国南部的大洋和地中海，火药首先用于炸毁隧道。 17 世纪末蒸汽动力机械的发明为 18 和 19 世纪欧洲和北美的“运河时代”提供了燃料，在此期间建造了数千英里的运河。马拉犁继续使用，特别是用于将通道最终修整到所需的坡度和深度。 1946 年，美国的一家公司制造了第一台运河修整衬砌机，实现了运河建设的全面机械化。

锁

闪闸是第一次尝试在河流或运河上艰难的海拔变化上运送船只，其历史可以追溯到公元前三世纪。 200 年后，希腊历史学家 Diodorus Siculus 描述了托勒密二世如何通过建造一种船闸来改善尼罗河到红海的运河。由一个单一的门组成，闪闸在湍急的水流中将船只运送到下游；逆流而上的船只可以在打开闸门释放的激流上漂浮的同时向前拉动。

闪光锁是危险的，它们使用大量的水。公元 984 年，中国大运河上建造了第一座双闸门，实现了重大改进。也称为磅锁（因为它会蓄水），这是现代传统锁的前身。它的大门是垂直升起的面板。 1373 年在荷兰建造的带有垂直提升门的类似船闸也通过部分打开上游或下游闸门来控制水位。 1485 年，当意大利的闸门上有较小的阀门控制开口时，磅锁的操作得到了极大的改进。

列奥纳多·达·芬奇 (Leonardo da Vinci) 于 1480 年发明了斜接门。两扇门的宽度都超过锁的一半，在垂直铰链上摆动。在打开位置，它们与锁的壁齐平。在关闭位置，它们在上游形成一个 V 形尖头，以便更高的水位压在它们上以促进紧密密封。

锁中上游闸门的底部高于下游闸门的底部。如果船闸很深，水通过上门的开口充满舱室，会产生湍流，甚至淹没舱室中的船。这个问题在 17 世纪的法国解决了，当时建造了用于填充和排空船闸的阀门控制的水道 锁是两端有门的长方形密室；在两个闸门都关闭的情况下，可以调节锁内的水位以匹配两侧的运河水位。因此，进入船闸的船只可以升起或降下，以便进入下一级运河部分。进入房间石衬的下部。

直到 19 世纪初，闸门都是用木头做的，闸室里衬着木头、石头、砖块或草皮。 1827 年，铸铁在英格兰柴郡首次被用于建造锁和大门。随着贝塞麦工艺的发展，大量生产钢材，这种材料被用于建造锁和大门，既作为主要元件，也作为混凝土的钢筋。

原材料

防水衬里可以防止运河的水渗入地下。多年来，最好的选择是水坑，它是沙子、粘土和水的混合物，干燥后达到防水状态。更耐用的现代材料和添加剂包括混凝土、粉煤灰、膨润土、沥青材料和塑料布。

锁通常由混凝土制成，有时内衬钢。如果锁的构造暴露基岩，则地板不需要衬里。闸门由钢板和加强梁焊接而成。闸门的垂直边缘装有有效的密封材料，如白橡木。 1999年，一家法国公司开发了由玻璃纤维增​​强塑料层压板制成的锁门，安装在不锈钢框架中。

设计

早期的运河采用了尽可能平坦的地面路线，因为大规模的土方工程非常困难且成本高昂。更好的挖掘设备和船闸建造能力允许建造更短、更直接的运河路线。由于地理障碍，一些运河的部分建在隧道或渡槽（载水桥）上。

在产生最小的水湍流的同时填充和清空闸室很重要。现代设计在门槛或房间的地板或墙壁上放置水闸。锁也可以配备一个浸入式鼓泡器，在闸门关闭区域下方释放空气；由此产生的轻微湍流使该区域没有碎屑，这些碎屑可能会阻止浇口正确密封。

现代锁有多种门设计，单个锁的上游和下游端可以使用不同的类型。斜接门是最受欢迎的选择之一。另一个常见的选择是 Tainter 门，一种垂直旋转的弯曲板。在这种用于输水涵洞阀门和主闸门的高效设计中，水压实际上有助于闸门的旋转。向上、侧向或向下滑动进入锁地板的平门是其他选择，铰接在底部的平门和水平旋转到墙壁凹槽中的弯曲门也是如此。

威廉·克劳福德·戈尔加斯 (1854-1920)。

威廉·C·戈尔加斯 (William C. Gorgas) 于 1854 年 10 月 3 日出生于阿拉巴马州莫比尔附近。 1875 年，戈尔加斯获得了南方大学的文学学士学位。渴望军事生涯的他决定进入军队并获得医学学位。从纽约贝尔维尤医学院毕业并在贝尔维尤医院实习后，戈尔加斯于 1880 年 6 月被任命为美国陆军医疗队。 随后在德克萨斯州和北达科他州执行任务，并在佛罗里达州的巴兰卡斯堡工作了近 10 年——戈尔加斯被分配到这个黄热病地区，因为他以前曾患过这种疾病并且是免疫的。

1898年古巴哈瓦那被美军占领后，戈尔加斯负责西博尼的一个黄热病营地，很快成为哈瓦那的首席卫生官。得知某只蚊子携带黄热病的消息后，戈尔加斯迅速摧毁了那只蚊子的滋生地，使黄热病城彻底摆脱了困境。

1904 年，巴拿马运河开工。戈尔加斯前往运河区负责卫生，成功在巴拿马和科隆。戈尔加斯开始被普遍认为是世界上最重要的卫生专家，许多外国政府和国际委员会寻求他的帮助。他的书 巴拿马的卫生 迅速成为公共卫生领域的经典。 1914 年，他被任命为陆军外科医生，担任该职位直至四年后退休。戈尔加斯于 1920 年 7 月 3 日去世，葬于阿灵顿国家公墓。

制造过程

运河

• 1 必须对运河路线进行彻底调查，不仅是为了正确对齐，而且为了准确的挖方和填方深度。
• 2 初级挖掘使用推土机和挖掘机等土方设备完成。
• 3 履带式修整机用于去除最后 12-18 英寸（30-46 厘米）的土壤，为运河创建所需的墙坡和平台。挖掘出的土壤由输送机运送并装载到卡车上，然后将其拖走。
• 4 可以在墙壁和地板上铺一层高渗透性材料，以促进运河下地下水的排水。
• 5 个钢筋网格被建造并固定到运河墙壁和地板上。混凝土块将网格固定在表面上方，因此混凝土可以在它们下方流动。
• 6 混凝土被混合，振动以去除气泡，然后用滑模机施加，包裹钢筋。滑模是指在渠道表面和缓慢向前移动的模板（模具）之间浇筑混凝土；混凝土硬化得足够快，以在模板与它脱离接触时保持其形状。专用机器在滑模机器之前放置横向和纵向伸缩缝。

锁定

• 7 在拟建的船闸位置周围建造了一个临时围堰。钢板桩被打入地下，形成一系列相邻的垂直单元，延伸到吃水线以上。细胞充满沙子。水从封闭空间中抽出，形成一个干燥的建筑区域。锁定地点被挖掘出来。如有必要，将桩打入地下以支撑锁结构。
• 8 个木制模型用来塑造锁的地板和墙壁。涵洞和阀室的空间包含在模板中，门铰链和凹槽的槽也包含打开的门。建造额外的形式来塑造将引导船只进入船闸的进场壁。
• 9 在模板中建造钢筋笼后，浇筑混凝土。当混凝土固化（硬化）时，移除模板。
• 安装了 10 个用于填充和排空锁的控制阀，以及用于操作阀门和闸门的液压和机械设备。
• 11 个门是预制的并运到现场。非常大的闸门可以分段运输，当它们安装在锁中时焊接在一起。
• 12 锁墙上安装了护栏、系泊柱和逃生梯等配件。

副产品/废物

处理挖掘出的材料是运河和船闸建设的挑战之一。它可用于建造堤防或散布在周围的乡村，在那里经过精心美化以控制侵蚀和外观。 1980 年代初，田纳西-汤比比水道上 29 英里（46 公里）长的运河 Divide Cut 的建设需要处理 1.5 亿立方码（1.15 亿立方米）的泥土。

在船闸施工期间，挖掘材料可用于填充围堰单元。拆除围堰后，可在闸墙河岸侧后方填筑材料。

锁定操作使用大量的水；例如，需要 350 万加仑（1300 万升）的水才能用 7 英尺（2.1 海里）的升力填满 600 英尺（180 米）长、110 英尺（34 米）宽的船闸。在一些运河和河流上，供水有限，因此保护很重要。一些水可能会被转移到侧池，在那里可以储存并用于帮助填充腔室以进行下一次操作，而不是在船闸排空时向下游释放。

未来

由于需要修复或更换船闸以及建造新设施，美国陆军工程兵团赞助并开展了水路建设研究。拟议设计的比例模型可以在其水路实验站进行测试。通过其导航项目创新 (INP) 研究计划，它支持开发建造、维修和运营运河和船闸的新方法。最近的主题包括水下混凝土和灌浆浇筑的改进以及低密度、高强度混凝土的开发，用于建造无需建造围堰即可安装的模块化锁定部分。当前的其他研究课题包括船闸壁和闸门免受驳船撞击的保护装置、进水和排水系统的改进设计、用于操作闸门的更好的设备和控制装置，以及扩大（而不是更换）容量不足的现有船闸的技术。