운하 및 자물쇠

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배경

운하는 인공 수로입니다. 운하는 관개, 토지 배수, 도시 상수도, 수력 발전, 화물 및 사람 수송 등 다양한 용도로 건설됩니다. 항해용 수로는 바지선 교통을 위해 설계된 얕은 시설일 수도 있고 원양을 항해하는 선박을 수용할 수 있을 만큼 충분히 깊을 수도 있습니다.

물을 절약하고 양방향 여행을 용이하게 하기 위해 수로는 수평으로 건설되었습니다. 수로의 끝단 사이에 표고차가 있는 경우 수로는 자물쇠로 연결된 일련의 레벨 섹션으로 건설됩니다. 자물쇠는 양쪽 끝에 문이 있는 직사각형 챔버입니다. 양쪽 문이 닫힌 상태에서 자물쇠 안의 수위는 양쪽의 수로 수위와 일치하도록 조정할 수 있습니다. 따라서 잠금 장치에 들어가는 선박은 다음 레벨 운하 섹션에 들어가기 위해 올리거나 내릴 수 있습니다. 큰 고도 변화를 가로 지르는 대체 유형의 잠금 장치가 때때로 만들어집니다. 물 위에 떠 있는 보트를 포함하는 전체 잠금 챔버는 수직으로 들어 올려지거나 레일 라인의 경사진 부분 위로 이동됩니다.

미국에서는 도시 간 화물(거리와 무게의 조합으로 측정)의 약 15%가 인공 운하나 항해 가능한 강을 통해 물을 통해 운송됩니다. (원하는 특정 크기의 선박을 수용하기 위해 강을 똑바르게 하거나 깊게 하는 것을 수로 운하화라고 합니다.) 1997년에는 12억 톤(11억 메트릭 톤)의 화물이 미국 수로를 통해 운송되었습니다. 2020년까지 연간 톤수는 그 양의 2배가 될 것으로 예상됩니다. 바지선으로 화물을 운송하는 비용은 철도로 운송하는 비용의 약 절반이고 트럭으로 운송하는 비용의 약 1/8입니다.

미 육군 공병대는 상업적으로 항해 가능한 약 40,234km의 수로와 약 240개의 잠금실을 감독합니다. 이 자물쇠의 절반은 50년 이상 된 것이고 일부는 일반적으로 하나의 현대식 예인선으로 연결되어 이동하는 대규모 바지선 컬렉션에 비해 너무 작습니다. 수상 화물 운송이 증가할 것으로 예상됨에 따라 많은 잠금 장치를 개조, 교체 및 확장해야 합니다. 교통 수로뿐만 아니라 환경 목적으로 설계된 수로를 포함하는 운하 건설도 계속됩니다.

연혁

운하

6,000년 전에 이집트에서 운하가 건설되었다고 합니다. 항해에 적합한 선박을 수용하기 위해 설계된 최초의 운하는 4,000년 전 파라오 Sesosteris I에 의해 건설되었으며 홍해와 나일 강, 따라서 지중해를 연결합니다. 이 운하의 잔해는 교대로 무시되고 6번이나 재건되었으며 너비가 약 46m, 깊이가 5m, 길이가 97km였음을 시사합니다.

여전히 사용 중인 가장 오래된 운하는 기원전 4세기에 중국에서 시작되었습니다. 곡물세를 징수하고 군대를 수송할 목적으로. A.D. 600년경에 재건 및 확장된 해협은 대운하로 알려지게 되었습니다. 서기 1280년경에 완성된 최신 확장 공사로 길이가 1,795km로 늘어났습니다. 그것은 세계에서 가장 긴 항해 가능한 운하로 남아 있습니다.

수세기 동안 수로만 사용하여 운하를 팠습니다. 대서양을 연결하기 위해 1665년에서 1681년 사이에 미디 운하를 건설하는 동안 운하와 자물쇠 시스템의 조감도. 프랑스 남부를 가로지르는 바다와 지중해, 화약은 처음으로 터널을 폭파하는 데 사용되었습니다. 17세기 말 증기 동력 기계의 발명은 수천 마일의 운하가 건설된 18세기와 19세기에 유럽과 북미의 "운하 시대"에 연료를 공급하는 데 도움이 되었습니다. 말이 끄는 쟁기는 특히 채널을 원하는 경사와 깊이로 최종 다듬기 위해 계속 사용되었습니다. 운하 건설의 완전한 기계화는 미국 회사가 최초의 운하 트리밍 및 라이닝 기계를 제작한 1946년에 달성되었습니다.

잠금

강이나 운하의 어려운 고도 변화를 통해 보트를 운반하려는 최초의 시도인 플래시 락은 기원전 3세기부터 시작되었습니다. 200년 후에 저술한 그리스 역사가 디오도루스 시쿨루스(Diodorus Siculus)는 프톨레마이오스 2세(Ptolemy II)가 일종의 자물쇠를 만들어 나일-홍해 운하를 개선한 방법을 설명했습니다. 단일 게이트로 구성된 플래시 잠금 장치는 급류에 따라 보트를 하류로 운반했습니다. 상류로 향하는 배는 문을 열면 풀린 급류에 떠 있는 동안 앞으로 당겨질 수 있었다.

플래시 잠금 장치는 위험했으며 많은 양의 물을 사용했습니다. 984년 중국의 대운하에 최초의 이중문 자물쇠가 건설되면서 상당한 개선이 이루어졌습니다. 파운드 자물쇠(물을 가두기 때문에)라고도 하는 이것은 현대의 전통적인 자물쇠의 전신이었습니다. 그 문은 수직으로 들어 올려진 패널이었습니다. 1373년에 네덜란드에서 세워진 수직 리프트 문이 있는 유사한 자물쇠도 상류 또는 하류 수문을 부분적으로 열어 수위를 조절했습니다. 파운드 자물쇠 작동은 1485년 이탈리아 자물쇠가 게이트에 밸브로 제어되는 더 작은 구멍으로 만들어졌을 때 크게 개선되었습니다.

Leonardo da Vinci는 1480년에 연귀 문을 발명했습니다. 각각 너비가 자물쇠의 절반 이상인 두 개의 문은 수직 경첩으로 움직입니다. 열린 위치에서 잠금 장치의 벽과 같은 높이입니다. 닫힌 위치에서 그들은 V자형 상류에서 만나서 더 높은 수위가 그들에 대해 압력을 가하여 단단한 밀봉을 촉진합니다.

자물쇠에서 상류 게이트의 베이스는 하류 게이트의 베이스보다 높습니다. 자물쇠가 매우 깊다면 상부 문의 개구부를 통해 챔버를 채우는 물이 난기류를 생성하거나 챔버에서 보트를 휩쓸 수도 있습니다. 이 문제는 17세기에 프랑스에서 자물쇠를 채우고 비우기 위한 밸브로 제어되는 수로가 건설되었을 때 해결되었습니다. 자물쇠는 양쪽 끝에 문이 있는 직사각형 방입니다. 양쪽 문이 닫힌 상태에서 자물쇠 안의 수위는 양쪽의 수로 수위와 일치하도록 조정할 수 있습니다. 따라서 잠금 장치에 들어가는 선박은 다음 레벨 운하 섹션에 들어가기 위해 올리거나 내릴 수 있습니다. 방의 돌 안감의 아래쪽 부분으로.

19세기 초까지 자물쇠 문은 나무로 만들어졌고 자물쇠 방에는 나무, 돌, 벽돌 또는 잔디가 늘어서 있었습니다. 1827년에 영국 체셔에서 주철이 처음으로 자물쇠와 문을 만드는 데 사용되었습니다. 강철의 대량 생산을 위한 베세머(Bessemer) 공정의 개발에 따라 이 재료는 자물쇠와 게이트의 건설에 기본 요소이자 콘크리트의 철근으로 활용되었습니다.

원자재

방수 라이닝은 운하의 물이 땅으로 스며드는 것을 방지합니다. 수년 동안 최고의 선택은 모래, 점토, 물이 섞인 웅덩이가 방수 상태로 건조되는 것이었습니다. 더 내구성이 있는 현대 재료 및 첨가제에는 콘크리트, 비산회, 벤토나이트, 역청 재료 및 플라스틱 시트가 포함됩니다.

자물쇠는 일반적으로 콘크리트로 만들어지며 때로는 강철로 늘어서 있습니다. 자물쇠 공사로 기반암이 노출된 경우 바닥을 라이닝할 필요가 없습니다. 게이트는 강판과 보강 빔을 함께 용접하여 만듭니다. 게이트의 수직 모서리에는 화이트 오크와 같은 효과적인 밀봉 재료가 장착되어 있습니다. 1999년에 프랑스 회사는 스테인리스 스틸 프레임에 장착된 유리 섬유 강화 플라스틱 라미네이트로 만든 잠금 게이트를 개발했습니다.

디자인

초기 운하는 대규모 땅을 옮기는 것이 너무 어렵고 비용이 많이 들었기 때문에 가능한 가장 평평한 표면 경로를 따랐습니다. 더 나은 굴착 장비와 자물쇠 건설 기능으로 더 짧고 직접적인 운하 경로를 건설할 수 있습니다. 지리적 장애물 때문에 일부 운하의 일부는 터널이나 수로(물을 운반하는 다리)에 건설됩니다.

최소한의 난류를 생성하면서 잠금 챔버를 채우고 비우는 것이 중요합니다. 현대적인 디자인은 문턱이나 챔버의 바닥이나 벽에 수문을 배치합니다. 잠금 장치에는 게이트 폐쇄 영역 아래에서 공기를 방출하는 잠긴 버블러가 장착될 수도 있습니다. 그 결과 발생하는 부드러운 난기류는 게이트가 제대로 밀봉되지 못하게 할 수 있는 파편을 제거합니다.

현대식 자물쇠에 다양한 게이트 디자인을 사용할 수 있으며 단일 자물쇠의 업스트림 및 다운스트림 끝에 다양한 유형을 사용할 수 있습니다. 마이터 게이트는 가장 인기 있는 선택 중 하나입니다. 또 다른 일반적인 선택은 수직으로 회전하는 곡선형 플레이트인 Tainter 게이트입니다. 물 전달 암거의 밸브와 주 잠금 게이트에 사용되는 이 효율적인 설계에서 수압은 실제로 수문의 회전을 돕습니다. 잠금 바닥으로 위, 옆으로 또는 아래로 미끄러지는 평평한 게이트는 다른 옵션이며, 바닥에 경첩이 달린 평평한 게이트와 벽 오목부로 수평으로 회전하는 곡선형 게이트도 있습니다.

William Crawford Gorgas(1854-1920).

윌리엄 C. 고르가스(William C. Gorgas)는 1854년 10월 3일 앨라배마 주 모빌 근처에서 태어났습니다. 1875년 Gorgas는 University of the South에서 예술 학사 학위를 받았습니다. 군 생활을 희망하는 그는 의학 학위를 받고 군대에 입대하기로 결정했습니다. 뉴욕의 벨뷰 의과대학을 졸업하고 벨뷰 병원에서 인턴을 한 후 Gorgas는 1880년 6월 미 육군 의무병으로 임명되었습니다. 이후 텍사스와 노스다코타에서 순회하며 플로리다의 포트 바랑카스에서 거의 10년을 보냈습니다. Gorgas는 이전에 질병에 걸렸고 면역이 있었기 때문에 이 황열병 지역에 배정되었습니다.

1898년 쿠바 아바나가 미군에 의해 점령된 후 고르가스는 시보니에 있는 황열병 수용소를 맡아 곧 하바나의 최고 위생 책임자가 되었습니다. 특정 모기가 황열병을 옮기고 있다는 정보에 따라 Gorgas는 신속하게 해당 모기의 번식지를 파괴하여 황열병 도시를 퇴치했습니다.

1904년에 파나마 운하 공사가 시작되었습니다. Gorgas는 파나마와 콜론을 계승하여 위생을 담당하기 위해 운하 지대에 갔다. Gorgas는 일반적으로 세계 최고의 위생 전문가로 간주되고 많은 외국 정부와 국제 위원회가 그의 도움을 요청했습니다. 그의 책 파나마의 위생 공중 보건 분야의 고전이 되었습니다. 1914년 그는 육군 군의관으로 임명되어 4년 후 은퇴할 때까지 그 직책으로 복무했습니다. Gorgas는 1920년 7월 3일에 사망했으며 알링턴 국립 묘지에 묻혔습니다.

제조 공정

운하

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1 정확한 정렬뿐만 아니라 절토 및 성토의 정확한 깊이를 위해 운하 경로에 대한 철저한 조사가 이루어져야 합니다.

2 1차 굴착은 불도저, 굴착기 등의 토공 장비를 이용하여 한다.

3 크롤러 트랙 장착 트리밍 기계를 사용하여 최종 12-18인치(30-46cm)의 흙을 제거하여 운하를 위한 원하는 벽 경사와 평평한 바닥을 만듭니다. 굴착된 흙은 컨베이어로 운반되어 트럭에 실려 운반됩니다.

4 운하 아래 지하수의 배수를 촉진하기 위해 벽과 바닥에 고투과성 재료 층이 깔릴 수 있습니다.

5개의 강화 강철 격자가 건설되고 운하 벽과 바닥에 제자리로 들어 올려집니다. 콘크리트 블록은 콘크리트가 그 아래로 흐를 수 있도록 표면 위에 그리드를 고정합니다.

6 콘크리트를 혼합하고 진동시켜 에어포켓을 제거한 후 슬립폼 기계로 도포하여 철근을 감싸는 방식이다. 슬립포밍이란 운하표면과 천천히 앞으로 움직이는 거푸집(거푸집) 사이에 콘크리트를 타설하는 것을 말한다. 콘크리트는 거푸집이 콘크리트와 접촉하지 않을 때까지 형태를 유지할 만큼 충분히 빨리 경화됩니다. 특수 기계는 슬립폼 기계보다 먼저 가로 및 세로 확장 조인트를 배치합니다.

잠금

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7 제안된 자물쇠 부지 주변에 임시 코퍼댐이 건설됩니다. 강판 말뚝은 지면으로 밀어 넣어 수선 위로 연장되는 일련의 인접한 수직 셀을 형성합니다. 세포는 모래로 채워져 있습니다. 밀폐된 공간에서 물을 퍼내어 건조한 건축 공간을 만듭니다. 자물쇠 사이트가 발굴되었습니다. 필요한 경우 자물쇠 구조를 지지하기 위해 말뚝을 땅에 박습니다.

8 나무 형태는 자물쇠의 바닥과 벽을 형성하기 위해 만들어졌습니다. 암거 및 밸브 챔버를 위한 공간이 양식 내에 포함되며, 게이트 힌지 및 홈이 열린 게이트를 포함하기 위한 슬롯도 포함됩니다. 선박을 자물쇠로 안내하는 접근 벽을 형성하기 위해 추가 형태가 제작되었습니다.

9 철근 케이지를 거푸집으로 시공한 후 콘크리트를 타설합니다. 콘크리트가 경화(경화)되면 거푸집이 제거됩니다.

10개 잠금장치를 채우고 비우기 위한 제어 밸브를 설치하고 밸브 및 게이트를 작동시키기 위한 유압 및 기계 장비를 설치합니다.

11 게이트는 사전 제작되어 현장으로 배송됩니다. 매우 큰 게이트는 잠금 장치에 설치될 때 함께 용접되는 섹션으로 배송될 수 있습니다.

12 가드레일, 계류기둥, 탈출사다리와 같은 부속품이 자물쇠 벽에 설치됩니다.

부산물/폐기물

굴착된 물질을 처리하는 것은 운하 및 수문 건설의 과제 중 하나입니다. 그것은 제방을 건설하는 데 사용되거나 주변 시골에 펼쳐져 침식 제어 및 외관을 위해 조심스럽게 조경됩니다. 1980년대 초 테네시-톰빅비 수로에 46km 길이의 운하를 건설하는 데 1억 5천만 입방 야드(1억 1500만 입방 미터)의 흙을 처리해야 했습니다.

자물쇠 건설 중에 발굴된 재료를 사용하여 코퍼담 셀을 채울 수 있습니다. 코퍼댐이 제거되면 이 재료를 사용하여 자물쇠 벽의 강둑 쪽 뒤를 채울 수 있습니다.

잠금 작업은 많은 양의 물을 사용합니다. 예를 들어, 7피트(2.1nm) 리프트로 길이 600피트(180m), 너비 110피트(34m) 자물쇠를 채우려면 350만 갤런(1300만 L)의 물이 필요합니다. 일부 운하와 강에서는 물 공급이 제한되어 보존이 중요합니다. 자물쇠가 비워질 때 하류로 방출되는 대신 물의 일부는 옆 연못으로 우회되어 저장되어 다음 작업을 위해 챔버를 채우는 데 도움이 될 수 있습니다.

미래

자물쇠를 수리하거나 교체하고 새로운 시설을 건설해야 하는 상당한 필요성 때문에 미 육군 공병대는 수로 건설을 후원하고 연구를 수행합니다. 제안된 설계의 축척 모델은 Waterways Experiment Station에서 테스트할 수 있습니다. INP(Innovation for Navigation Projects) 연구 프로그램을 통해 운하와 자물쇠를 건설, 수리 및 운영하는 새로운 방법의 개발을 지원합니다. 최근 주제로는 수중 콘크리트 및 그라우트 배치의 개선과 코퍼댐 건설 없이 설치할 수 있는 모듈식 잠금 섹션을 구축하기 위한 저밀도, 고강도 콘크리트 개발 등이 있습니다. 다른 현재 연구 주제에는 바지선 충격으로부터 잠금 벽 및 게이트 보호 장치, 취수 및 배출 시스템을 위한 개선된 설계, 게이트 작동을 위한 더 나은 장비 및 제어 장치, 용량이 불충분한 기존 잠금 장치를 확장하는 기술(교체 대신)이 포함됩니다.