運河と水門

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背景

運河は人工の水路です。運河は、灌漑、土地排水、都市給水、水力発電、貨物や人の輸送など、さまざまな用途のために建設されています。航路は、はしけの通行のために設計された浅い施設である場合もあれば、外航船を収容するのに十分な深さである場合もあります。

水を節約し、双方向の移動を容易にするために、運河は水平に作られています。運河の両端の標高に差がある場合、水路は閘門で結ばれた一連の水平なセクションとして構築されます。ロックは、両端にゲートがある長方形のチャンバーです。両方のゲートを閉じた状態で、ロック内の水位を調整して、両側の運河の水位に一致させることができます。したがって、水門に入る船舶は、次のレベルの運河セクションに入るために上下させることができます。大きな標高の変化を横断するために、別のタイプのロックが作成されることがあります。水に浮かぶボートを含むロックチャンバー全体は、垂直に持ち上げられるか、鉄道の傾斜部分を上に移動します。

米国では、都市間貨物の約15％（距離と重量の組み合わせとして測定）が、人工運河または航行可能な河川のいずれかで水によって運ばれています。 （特定のサイズの船舶を収容するために川をまっすぐにしたり深くしたりすることを水路の運河化と呼びます。）1997年には、12億トン（11億メートルトン）の貨物が米国の水路で輸送されました。 2020年までに、年間トン数はその2倍になると予想されています。はしけによる貨物の輸送は、鉄道で移動する場合の約半分、トラックで移動する場合の約8分の1の費用がかかります。

米国陸軍工兵隊は、約25,000マイル（40,234 km）の商業的に航行可能な水路と約240のロックチャンバーを監督しています。これらのロックの半分は50年以上前のものであり、一部は小さすぎて、1つの最新のタグボートによって一般的にリンクおよび移動されるバージの大規模なコレクションには対応できません。水上貨物輸送の増加が見込まれる中、多くの閘門の改修、交換、拡大が必要となる。輸送用水路だけでなく、環境目的で設計された水路も含む運河建設も継続されます。

歴史

運河

伝えられるところによると、運河は6、000年前にエジプトで建設されました。耐航性のある船を収容するために設計された最初の運河は、4、000年前にファラオ・セソステリスによって建設され、紅海とナイル川、したがって地中海を結んでいました。この運河の残骸は、無視されて半ダース回再建されたもので、幅約150フィート（46 m）、深さ16フィート（5 m）、長さ60マイル（97 km）であったことを示唆しています。

現在も使用されている最古の運河は、紀元前4世紀に中国で始まりました。穀物税の徴収と軍隊の輸送を目的としています。西暦600年頃に再建され拡大されたこの水路は、大運河として知られるようになりました。西暦1280年頃に完成した最新の延長線は、その長さを1,114マイル（1,795 km）にしました。それは世界で最も長い航行可能な運河のままです。

何世紀にもわたって、運河は手工具だけを使って掘られていました。大西洋を結ぶために1665年から1681年の間にミディ運河を建設している間 運河と水門システムの空中写真。南フランスの海と地中海で、火薬は最初にトンネルを爆破するために使用されました。 17世紀の終わりに蒸気動力の機械が発明されたことで、18世紀と19世紀にヨーロッパと北アメリカの「運河時代」に燃料が供給され、その間に何千マイルもの運河が建設されました。馬が引くプラウは、特に水路を希望の傾斜と深さに最終的にトリミングするために引き続き使用されました。運河建設の完全な機械化は、1946年にアメリカの会社が最初の運河のトリミングとライニングの機械を製造したときに達成されました。

ロック

フラッシュロックは、川や運河の困難な標高の変化を乗り越えてボートを運ぶ最初の試みであり、紀元前3世紀にさかのぼります。ギリシャの歴史家、ディオドロスシキュラスは、200年後に執筆し、プトレマイオス2世が一種の水門を建設することで、ナイル川から紅海への運河をどのように改善したかを説明しました。単一のゲートで構成されたフラッシュロックは、急いで水を流しながらボートを下流に運びました。上流に向かうボートは、ゲートを開くことによって解放された急流に浮かんでいる間、前方に引っ張られる可能性があります。

フラッシュロックは危険であり、大量の水を使用していました。中国の大運河に最初のダブルゲートロックが建設された西暦984年に大幅な改善が見られました。ポンドロックとも呼ばれます（水を貯めるため）。これは、現代の従来のロックの前身でした。その門は垂直に持ち上げられたパネルでした。 1373年にオランダで建設された垂直昇開ゲートを備えた同様のロックも、上流または下流のゲートを部分的に開くことによって水位を制御しました。 1485年にイタリアの閘門がゲートに小さなバルブ制御の開口部を備えて建設されたとき、ポンド閘門の操作は大幅に改善されました。

レオナルドダヴィンチは1480年にマイターゲートを発明しました。それぞれがロックの半分以上の幅の2つのゲートが、垂直のヒンジでスイングします。開いた位置では、それらはロックの壁と同じ高さになります。閉位置では、それらは上流に向けられたVで合流するため、より高い水位がそれらを押して、密閉を促進します。

ロック内の上流ゲートのベースは、下流ゲートのベースよりも高くなっています。ロックが非常に深い場合、上部ゲートの開口部からチャンバーに水が満たされると、乱流が発生したり、チャンバー内のボートが浸水したりする可能性があります。この問題は、17世紀にフランスで解決されました。このとき、ロックを満たしたり空にしたりするためのバルブ制御の水路が建設されました。 ロックは、両端にゲートがある長方形のチャンバーです。両方のゲートを閉じた状態で、ロック内の水位を調整して、両側の運河の水位に一致させることができます。したがって、水門に入る船舶は、次のレベルの運河セクションに入るために上下させることができます。チャンバーの石の裏地の下部に。

19世紀初頭まで、ロックゲートは木で作られ、ロックチャンバーは木、石、レンガ、または芝で裏打ちされていました。 1827年、イギリスのチェシャーで、鋳鉄が最初に錠とその門の両方を建設するために使用されました。鋼の大量生産のためのベッセマー法の開発に続いて、その材料は、主要な要素として、そしてコンクリートの鉄筋として、ロックとゲートの建設に利用されました。

原材料

防水ライニングは運河の水が地面に浸透するのを防ぎます。長年の間、最良の選択は水たまり、砂、粘土、および水の混合物であり、防水状態に乾燥しました。より耐久性のある最新の材料と添加剤には、コンクリート、フライアッシュ、ベントナイト、瀝青質材料、プラスチックシートなどがあります。

ロックは通常コンクリートでできており、時には鋼で裏打ちされています。ロックの構造が岩盤を露出させる場合、床を裏打ちする必要はありません。ゲートは鋼板と補強梁を溶接して作られています。ゲートの垂直エッジには、ホワイトオークなどの効果的なシーリング材が取り付けられています。 1999年、フランスの会社が、ステンレス鋼のフレームに取り付けられたガラス繊維強化プラスチックラミネートで作られたロックゲートを開発しました。

デザイン

大規模な土工は非常に困難で費用がかかるため、初期の運河は可能な限り最も平坦な水路をたどりました。より優れた掘削装置とロック建設機能により、より短く、より直接的な運河ルートの建設が可能になります。地理的な障害のため、一部の運河の一部はトンネルまたは水道橋（水を運ぶ橋）に建設されています。

水の乱流を最小限に抑えながら、ロックチャンバーを満たし、空にすることが重要です。現代のデザインは、水門を門の敷居または部屋の床や壁に配置します。ロックには、ゲート閉鎖領域の下に空気を放出する水中バブラーが装備されている場合もあります。結果として生じる穏やかな乱流により、ゲートが適切に密閉されるのを妨げる可能性のある破片が領域から排除されます。

最新のロックにはさまざまなゲート設計が用意されており、単一のロックの上流端と下流端でさまざまなタイプを使用できます。マイターゲートは最も人気のある選択肢の1つです。もう1つの一般的な選択肢は、垂直に回転する湾曲したプレートであるテンターゲートです。送水カルバートのバルブやメインロックゲートに使用されるこの効率的な設計では、水圧が実際にゲートの回転を支援します。ロックフロアに上、横、または下にスライドするフラットゲートは、下部がヒンジで固定されているフラットゲートや、壁のくぼみに水平に回転する湾曲したゲートと同様に、他のオプションです。

William Crawford Gorgas（1854-1920）。

ウィリアムC.ゴーガスは、1854年10月3日、アラバマ州モビールの近くで生まれました。 1875年、ゴーガスは南大学で文学士号を取得しました。軍のキャリアを望み、彼は医学の学位を取得して陸軍に入隊することを決心しました。ニューヨークのベルビュー医科大学を卒業し、ベルビュー病院でインターンした後、ゴーガスは1880年6月に米陸軍の医療部隊に任命されました。ゴーガスは以前にこの病気にかかっていて免疫があったので、この黄色い熱の領域に割り当てられました。

1898年にキューバのハバナがアメリカ軍に占領された後、ゴルガスはシボニーの黄熱病キャンプを担当し、すぐにハバナの最高衛生責任者になりました。ある蚊が黄熱病を媒介したという情報に基づいて、ゴーガスはその蚊の繁殖地をすぐに破壊し、黄熱病の街を取り除きました。

1904年、パナマ運河の工事が開始されました。ゴルガスは、パナマとコロンで成功し、衛生状態を担当するために運河地帯に行きました。ゴルガスは一般的に世界一の衛生専門家と見なされるようになり、多くの外国政府や国際委員会が彼の援助を求めました。彼の本 パナマの衛生 はすぐに公衆衛生分野の古典になりました。 1914年に彼は陸軍医務総監に任命され、4年後に引退するまでその職務を務めました。ゴーガスは1920年7月3日に亡くなり、アーリントン国立墓地に埋葬されました。

製造プロセス

運河

• 1正しい位置合わせだけでなく、切土と盛土の正確な深さについても、運河ルートの徹底的な調査を行う必要があります。
• 2一次掘削は、ブルドーザーや掘削機などの土木機械を使用して行われます。
• 3クローラートラックに取り付けられたトリミング機を使用して、最後の12〜18インチ（30〜46 cm）の土壌を取り除き、運河に必要な壁の傾斜と平らなベッドを作成します。掘削された土はコンベヤーで運ばれ、トラックに積み込まれて運び去られます。
• 4浸透性の高い材料の層を壁や床に広げて、運河の下の地下水の排水を促進することができます。
• 5グリッドの鉄筋が構築され、運河の壁と床の所定の位置に固定されます。コンクリートブロックは、コンクリートがその下を流れることができるように、表面の上のグリッドを保持します。
• 6コンクリートを混合し、振動させてエアポケットを取り除き、鉄筋を包むスリップフォームマシンで塗布します。スリップフォーミングとは、運河の表面とゆっくりと前進する型枠（型）の間にコンクリートを注ぐことを意味します。コンクリートは、フォームがコンクリートと接触しなくなるまでにその形状を維持するのに十分な速さで硬化します。特殊な機械は、スリップフォーム機械の前に横方向および縦方向の伸縮継手を配置します。

ロック

• 7提案されたロックサイトの周りに一時的なコッファダムが建設されます。鋼矢板は地面に打ち込まれ、喫水線の上に伸びる一連の隣接する垂直セルを形成します。セルは砂で満たされています。閉鎖空間から水を汲み上げて、乾燥した建設エリアを作成します。ロックサイトが発掘されました。必要に応じて、杭を地面に打ち込み、ロック構造を支えます。
• 8つの木製の型枠は、錠の床と壁を形作るために作られています。カルバートとバルブチャンバー用のスペースがフォーム内に含まれ、ゲートヒンジとくぼみが開いたゲートを収容するためのスロットも含まれています。追加のフォームは、船舶をロックに導くアプローチ壁を形作るために構築されます。
• 9鉄筋ケージが型枠に組み立てられた後、コンクリートが注がれます。コンクリートが硬化（硬化）すると、型枠が除去されます。
• 10ロックを充填および空にするための制御バルブが、バルブおよびゲートを操作するための油圧および機械装置とともに設置されています。
• 11ゲートはプレハブで、サイトに出荷されます。非常に大きなゲートはセクションに分けて出荷される場合があり、ロックに取り付けられるときに溶接されます。
• 12ガードレール、係留柱、脱出はしごなどの付属品がロック壁に取り付けられています。

副産物/廃棄物

掘削された材料の処分は、運河と水門の建設の課題の1つです。堤防を建設したり、周辺の田園地帯に広げたりして、砂防や外観のために注意深く造園することができます。テネシー・トンビッグビー水路に29マイル（46 km）の運河であるディバイドカットを1980年代初頭に建設するには、1億5,000万立方ヤード（1億1,500万立方メートル）の土を処分する必要がありました。

ロックの建設中に、掘削された材料を使用してコッファダムセルを埋めることができます。コッファダムが取り外されると、その材料を使用して、ロックウォールの川岸側の後ろを埋めることができます。

ロック操作は大量の水を使用します。たとえば、長さ600フィート（180 m）、幅110フィート（34 m）のロックを7フィート（2.1 nm）のリフトで満たすには、350万ガロン（1300万L）の水が必要です。一部の運河や河川では、水の供給が限られており、保全が重要です。ロックが空になったときに下流に放出されるのではなく、水の一部はサイドポンドに迂回され、そこで保管され、次の操作のためにチャンバーを満たすために使用されます。

未来

ロックの再調整や交換、および新しい施設の建設が非常に必要であるため、米国陸軍工兵隊は水路建設の支援と研究を行っています。提案された設計の縮尺モデルは、その水路実験ステーションでテストできます。ナビゲーションプロジェクトの革新（INP）研究プログラムを通じて、運河と閘門を建設、修理、運用するための新しい方法の開発をサポートしています。最近のトピックには、水中コンクリートとグラウトの配置の改善、およびコッファダムを建設せずに設置できるモジュラーロックセクションを構築するための低密度、高強度コンクリートの開発が含まれていました。その他の現在の研究トピックには、はしけの衝撃からのロック壁とゲートの保護装置、取水および排出システムの設計の改善、ゲートを操作するためのより優れた機器と制御装置、および容量が不十分な既存のロックを（交換するのではなく）拡大する技術が含まれます。