Canal et écluse

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Contexte

Un canal est une voie navigable artificielle. Les canaux sont construits pour une variété d'utilisations, notamment l'irrigation, le drainage des terres, l'approvisionnement en eau en milieu urbain, la production d'énergie hydroélectrique et le transport de marchandises et de personnes. Les canaux de navigation peuvent être des installations peu profondes conçues pour le trafic de barges, ou ils peuvent être suffisamment profonds pour accueillir des navires de haute mer.

Pour conserver l'eau et faciliter les déplacements dans les deux sens, les canaux sont construits à niveau. S'il y a une différence d'élévation entre les extrémités d'un canal, le canal est construit comme une série de sections de niveau reliées par des écluses. Une écluse est une chambre rectangulaire avec des portes aux deux extrémités; avec les deux portes fermées, le niveau d'eau dans l'écluse peut être ajusté pour correspondre au niveau d'eau du canal de chaque côté. Ainsi, un navire entrant dans l'écluse peut être levé ou abaissé afin d'entrer dans la section de canal de niveau suivant. D'autres types d'écluses sont parfois construits pour traverser d'importants changements d'altitude ; l'ensemble du sas de l'écluse, contenant des bateaux flottant sur l'eau, est hissé verticalement ou déplacé sur une section inclinée de la voie ferrée.

Aux États-Unis, environ 15 % du fret interurbain (mesuré comme une combinaison de distance et de poids) est transporté par voie d'eau, sur des canaux artificiels ou des rivières navigables. (Le redressement ou l'approfondissement d'une rivière pour accueillir des navires d'une certaine taille souhaitée est appelé canalisation de la voie navigable.) En 1997, 1,2 milliard de tonnes (1,1 milliard de tonnes métriques) de marchandises ont été transportées sur les voies navigables des États-Unis ; d'ici 2020, le tonnage annuel devrait être le double de ce montant. Le transport de marchandises par barge coûte environ la moitié du prix du transport ferroviaire et environ un huitième du transport par camion.

Le U.S. Army Corps of Engineers supervise quelque 25 000 mi (40 234 km) de voies navigables commercialement navigables et environ 240 sas. La moitié de ces écluses ont plus de 50 ans et certaines sont trop petites pour les grandes collections de barges qui sont généralement reliées et déplacées par un seul remorqueur moderne. Avec l'augmentation attendue du transport de marchandises par voie d'eau, il sera nécessaire de rénover, de remplacer et d'agrandir de nombreuses écluses. La construction du canal, qui comprend non seulement les voies navigables de transport mais également les canaux conçus à des fins environnementales, se poursuivra également.

Historique

Canaux

Il semblerait que des canaux aient été construits en Égypte il y a 6 000 ans. Le premier canal destiné à accueillir des navires en état de navigabilité a été construit par le pharaon Sesosteris il y a 14 000 ans, reliant la mer Rouge au Nil et donc à la mer Méditerranée. Les vestiges de ce canal, qui a été alternativement négligé et reconstruit une demi-douzaine de fois, suggèrent qu'il mesurait environ 150 pieds (46 m) de large, 16 pieds (5 m) de profondeur et 60 mi (97 km) de long.

Le plus ancien canal encore en usage a été inauguré en Chine au IVe siècle av. aux fins de la perception des taxes sur les céréales et du transport des troupes. Reconstruit et agrandi vers l'an 600, le canal est devenu le Grand Canal ; sa dernière extension, achevée vers 1280 après JC, a porté sa longueur à 1 114 mi (1 795 km). Il reste le plus long canal navigable au monde.

Pendant des siècles, les canaux ont été creusés à l'aide d'outils manuels uniquement. Lors de la construction du Canal du Midi entre 1665 et 1681 pour relier l'Atlantique Une vue aérienne d'un système de canaux et d'écluses. L'océan et la mer Méditerranée dans le sud de la France, la poudre à canon a d'abord été utilisée pour faire sauter un tunnel . L'invention des machines à vapeur à la fin du XVIIe siècle a contribué à alimenter les « ères des canaux » en Europe et en Amérique du Nord aux XVIIIe et XIXe siècles au cours desquelles des milliers de kilomètres de canaux ont été construits. Les charrues tirées par des chevaux ont continué d'être utilisées, en particulier pour le déblaiement final du canal aux pentes et aux profondeurs souhaitées. La mécanisation complète de la construction des canaux a été réalisée en 1946, lorsqu'une entreprise américaine a construit les premières machines de rognage et de revêtement des canaux.

Serrures

Les écluses éclair, les premières tentatives pour transporter des bateaux sur des dénivelés difficiles sur des rivières ou des canaux, datent du IIIe siècle av. L'historien grec Diodorus Siculus, écrivant 200 ans plus tard, a décrit comment Ptolémée II avait amélioré le canal du Nil à la mer Rouge en construisant une sorte d'écluse. Constitués d'une seule porte, les écluses éclair transportaient les bateaux en aval sur un courant d'eau ; les bateaux se dirigeant vers l'amont pouvaient être tirés vers l'avant en flottant sur le torrent libéré en ouvrant la porte.

Les serrures flash étaient dangereuses et utilisaient de grandes quantités d'eau. Une amélioration significative est survenue en 984 après JC, lorsque la première écluse à double porte a été construite sur le Grand Canal de Chine. Aussi appelée écluse de fourrière (car elle retient l'eau), c'était le prédécesseur des écluses conventionnelles modernes. Ses portes étaient des panneaux qui se soulevaient verticalement. Une écluse similaire avec des portes à levage vertical construite aux Pays-Bas en 1373 contrôlait également son niveau d'eau en ouvrant partiellement la porte amont ou aval. Le fonctionnement de l'écluse de la fourrière a été considérablement amélioré en 1485 lorsqu'une écluse italienne a été construite avec des ouvertures plus petites et commandées par des vannes dans les portes.

Léonard de Vinci a inventé la porte à onglet en 1480. Deux portes, chacune plus de la moitié de la largeur de la serrure, pivotent sur des charnières verticales. En position ouverte, ils affleurent les parois de la serrure. En position fermée, ils se rejoignent en un V pointu vers l'amont afin que le niveau d'eau le plus élevé vienne s'appuyer contre eux pour favoriser une étanchéité parfaite.

La base de la porte amont d'une écluse est plus haute que la base de la porte aval. Si l'écluse était très profonde, l'eau remplissant la chambre par une ouverture dans la porte supérieure créerait des turbulences ou même submergerait un bateau dans la chambre. Ce problème a été résolu en France au XVIIe siècle, lorsque des canaux d'eau commandés par vanne pour le remplissage et la vidange d'une écluse ont été construits. Une écluse est une chambre rectangulaire avec des portes aux deux extrémités ; avec les deux portes fermées, le niveau d'eau dans l'écluse peut être ajusté pour correspondre au niveau d'eau du canal de chaque côté. Ainsi, un navire entrant dans l'écluse peut être levé ou abaissé afin d'entrer dans la section de canal de niveau suivant. dans la partie inférieure du revêtement en pierre de la chambre.

Jusqu'au début du XIXe siècle, les portes des écluses étaient en bois et les sas étaient revêtus de bois, de pierre, de briques ou de gazon. En 1827, la fonte a été utilisée pour la première fois pour construire une écluse et ses portes dans le Cheshire, en Angleterre. Suite au développement du procédé Bessemer pour la production de masse d'acier, ce matériau a été utilisé pour la construction de serrures et de portails, à la fois comme éléments primaires et comme barres d'armature pour le béton.

Matières premières

Les doublures imperméables empêchent l'eau d'un canal de s'infiltrer dans le sol. Pendant de nombreuses années, le meilleur choix était la flaque d'eau, un mélange de sable, d'argile et d'eau qui séchait jusqu'à devenir imperméable. Les matériaux modernes et les additifs plus durables comprennent le béton, les cendres volantes, la bentonite, les matériaux bitumineux et les bâches en plastique.

Les serrures sont généralement en béton, parfois doublées d'acier. Si la construction de l'écluse expose le substrat rocheux, le sol n'a pas besoin d'être revêtu. Les portails sont fabriqués en soudant ensemble des plaques d'acier et des poutres de renfort. Les bords verticaux des portails sont équipés de matériaux d'étanchéité efficaces tels que le chêne blanc. En 1999, une entreprise française a développé des portes d'écluse en stratifié plastique renforcé de fibres de verre montées dans des cadres en acier inoxydable.

Conception

Les premiers canaux suivaient le tracé de surface le plus plat possible parce que le terrassement à grande échelle était si difficile et coûteux. De meilleurs équipements d'excavation et de meilleures capacités de construction d'écluses permettent la construction de voies de canal plus courtes et plus directes. En raison d'obstacles géographiques, des sections de certains canaux sont construites dans des tunnels ou sur des aqueducs (ponts aqueux).

Il est important de remplir et de vider un sas tout en produisant une turbulence d'eau minimale. Les conceptions modernes placent des écluses dans les seuils de porte ou dans le sol ou les murs de la chambre. Une serrure peut également être équipée d'un barboteur immergé qui libère l'air sous la zone de fermeture du portail ; la turbulence douce qui en résulte maintient la zone exempte de débris qui pourraient empêcher la porte de se sceller correctement.

Diverses conceptions de portes sont disponibles pour les écluses modernes, et différents types peuvent être utilisés aux extrémités amont et aval d'une seule écluse. Les portes à onglet sont l'un des choix les plus populaires. Un autre choix courant est la porte Tainter, une plaque incurvée qui tourne verticalement. Dans cette conception efficace, qui est utilisée pour les vannes dans les ponceaux de transfert d'eau ainsi que pour les portes d'écluses principales, la pression de l'eau aide réellement à la rotation de la porte. Les portes plates qui glissent vers le haut, sur le côté ou vers le bas dans le sol de l'écluse sont d'autres options, tout comme les portes plates qui sont articulées en bas et les portes incurvées qui pivotent horizontalement dans les évidements muraux.

William Crawford Gorgas (1854-1920).

William C. Gorgas est né le 3 octobre 1854, près de Mobile, en Alabama. En 1875, Gorgas obtint un baccalauréat ès arts de l'Université du Sud. Désirant une carrière militaire, il a décidé d'entrer dans l'armée avec un diplôme de médecine. Après avoir obtenu son diplôme du Bellevue Medical College à New York et un stage à l'hôpital Bellevue, Gorgas a été nommé au corps médical de l'armée américaine en juin 1880. Des périodes de service ont suivi au Texas et dans le Dakota du Nord, avec près de 10 ans à Fort Barrancas en Floride— Gorgas a été affecté à cette zone de fièvre jaune parce qu'il avait déjà eu la maladie et était immunisé.

Après que La Havane, Cuba, ait été occupée par les troupes américaines en 1898, Gorgas a pris en charge un camp de fièvre jaune à Siboney, devenant bientôt le chef des services sanitaires de La Havane. Agissant sur l'information qu'un certain moustique était porteur de la fièvre jaune, Gorgas a rapidement détruit le terrain de reproduction de ce moustique, débarrassant la ville de la fièvre jaune.

En 1904, les travaux ont commencé sur le canal de Panama. Gorgas s'est rendu dans la zone du canal pour s'occuper de l'assainissement, succédant à Panama et à Colon. Gorgas est devenu généralement considéré comme le plus grand expert sanitaire au monde, et un certain nombre de gouvernements étrangers et de commissions internationales ont sollicité son aide. Son livre Assainissement au Panama est rapidement devenu un classique dans le domaine de la santé publique. En 1914, il est nommé chirurgien général de l'armée, servant à ce titre jusqu'à sa retraite quatre ans plus tard. Gorgas est décédé le 3 juillet 1920 et est enterré au cimetière national d'Arlington.

Le processus de fabrication

Canal

• 1 Une étude approfondie du tracé du canal doit être effectuée, non seulement pour un alignement correct, mais aussi pour des profondeurs précises de déblais et de remblais.
• 2 L'excavation primaire est effectuée avec des engins de terrassement comme des bulldozers et des excavatrices.
• 3 Une débroussailleuse montée sur chenilles est utilisée pour enlever les derniers 12-18 pouces (30-46 cm) de sol afin de créer les pentes murales et le fond plat souhaités pour le canal. Le sol excavé est transporté par convoyeur et chargé sur des camions qui le transporteront.
• 4 Une couche de matériau hautement perméable peut être étalée sur les murs et le sol pour favoriser le drainage des eaux souterraines sous le canal.
• 5 grilles d'acier d'armature sont construites et levées en place sur les parois et le sol du canal. Les blocs de béton maintiennent les grilles au-dessus de la surface afin que le béton puisse couler en dessous.
• 6 Le béton est mélangé, vibré pour éliminer les poches d'air et appliqué avec une machine à coffrage glissant, enrobant l'acier d'armature. Le coffrage glissant consiste à couler du béton entre la surface du canal et un coffrage (moule) qui avance lentement; le béton durcit assez rapidement pour conserver sa forme au moment où la forme se déplace hors de contact avec lui. Des machines spécialisées placent des joints de dilatation transversaux et longitudinaux avant la machine à coffrage glissant.

Verrouillage

• 7 Un batardeau temporaire est construit autour du site d'écluse proposé. Des palplanches en acier sont enfoncées dans le sol pour former une série de cellules verticales adjacentes qui s'étendent au-dessus de la ligne de flottaison. Les alvéoles sont remplies de sable. L'eau est pompée hors de l'espace clos pour créer une zone de construction sèche. Le site de l'écluse est fouillé. Au besoin, des pieux sont enfoncés dans le sol pour soutenir la structure de l'écluse.
• 8 Des formes en bois sont construites pour façonner le sol et les murs de l'écluse. L'espace pour les ponceaux et les chambres de vannes est inclus dans les formulaires, tout comme les fentes pour les charnières des vannes et les évidements pour contenir les vannes ouvertes. Des formes supplémentaires sont construites pour façonner les murs d'approche qui guideront les navires dans l'écluse.
• 9 Une fois les cages en acier d'armature construites dans les coffrages, le béton est coulé. Lorsque le béton a durci (durci), les coffrages sont retirés.
• 10 vannes de contrôle pour le remplissage et la vidange de l'écluse sont installées, ainsi que des équipements hydrauliques et mécaniques pour le fonctionnement des vannes et des vannes.
• 11 portails sont préfabriqués et expédiés sur site. De très grandes barrières peuvent être expédiées en sections, qui sont soudées ensemble au fur et à mesure qu'elles sont installées dans l'écluse.
• 12 Des accessoires tels que des garde-corps, des postes d'amarrage et des échelles d'évacuation sont installés sur les murs de l'écluse.

Sous-produits/Déchets

L'élimination des matériaux excavés est l'un des défis de la construction de canaux et d'écluses. Il peut être utilisé pour construire des remblais ou être étendu sur la campagne environnante où il est soigneusement aménagé pour le contrôle de l'érosion ainsi que l'apparence. La construction du Divide Cut, un canal de 29 mi (46 km) sur la voie navigable Tennessee-Tombigbee, au début des années 1980 a nécessité l'élimination de 150 millions de verges cubes (115 millions de mètres cubes) de terre.

Pendant la construction de l'écluse, les déblais peuvent être utilisés pour remplir les cellules du batardeau. Lorsque le batardeau est retiré, le matériau peut être utilisé pour remblayer derrière la rive du mur de l'écluse.

Le fonctionnement de l'écluse utilise de grandes quantités d'eau ; par exemple, il faut 3,5 millions de gallons (13 millions de litres) d'eau pour remplir une écluse de 600 pieds (180 m) de long et 110 pieds (34 m) de large avec une levée de 7 pieds (2,1 nm). Sur certains canaux et rivières, les réserves d'eau sont limitées et la conservation est importante. Plutôt que d'être libérée en aval lorsque l'écluse est vidée, une partie de l'eau peut être détournée vers un étang latéral, où elle peut être stockée et utilisée pour aider à remplir la chambre pour sa prochaine opération.

Le futur

En raison du besoin important de reconditionner ou de remplacer les écluses ainsi que de construire de nouvelles installations, le U.S. Army Corps of Engineers parraine et mène des recherches sur la construction de voies navigables. Des modèles à l'échelle des conceptions proposées peuvent être testés à sa station d'expérimentation sur les voies navigables. Grâce à son programme de recherche Innovations for Navigation Projects (INP), il soutient le développement de nouvelles façons de construire, de réparer et d'exploiter les canaux et les écluses. Les sujets récents comprenaient des améliorations dans le placement sous-marin du béton et du coulis et le développement de béton à faible densité et à haute résistance pour la construction de sections d'écluses modulaires qui peuvent être installées sans construction d'un batardeau. D'autres sujets de recherche actuels concernent les dispositifs de protection des murs et des portes des écluses contre les impacts de barges, des conceptions améliorées pour les systèmes de prise et d'évacuation d'eau, de meilleurs équipements et dispositifs de contrôle pour le fonctionnement des portes, et des techniques pour agrandir (plutôt que remplacer) les écluses existantes qui ont une capacité insuffisante.