Kanal dan Kunci Air: Teknik, Sejarah, dan Masa Transportasi Air AS

Latar Belakang

Kanal adalah saluran air yang dirancang untuk berbagai fungsi—irigasi, drainase, pengembangan tenaga, dan yang paling krusial, navigasi komersial. Mereka bisa menjadi saluran dangkal untuk barjang atau saluran dalam yang dapat menampung kapal ukuran samudera.

Untuk menghemat air dan mengizinkan lalu lintas dua arah, kanal dibangun di jalur datar. Jika ada perbedaan ketinggian, serangkaian bagian datar dihubungkan oleh kunci air. Kunci air adalah ruangan persegi panjang dengan gerbang di kedua ujungnya; dengan mengontrol permukaan air di dalamnya, kapal dapat dinaikkan atau diturunkan untuk cocok dengan bagian berikutnya kanal.

Di Amerika Serikat, sekitar 15% barang angkutan antar kota—diukur dalam jarak-dengan-bobot—dipindahkan melalui air pada kanal buatan atau sungai yang dapat dilayani. Pada 1997, 1,2 miliar ton muatan melintasi jalur air AS; pada 2020 volume diproyeksikan akan melipat ganda. Pengangkutan barjang berbiaya sekitar separuh dari kereta api dan satu delapan dari angkutan truk.

Badan Insinyur Korps Angkatan Bersenjata AS mengelola sekitar 25.000 mil (40.234 km) jalur air komersial dan sekitar 240 ruang kunci air. Setengah dari kunci air tersebut berusia di atas 50 tahun, dan banyak terlalu kecil untuk armada barjang modern. Dengan lalu lintas muatan yang diharapkan meningkat, refurbikasi, penggantian, dan perlebaran kunci air yang luas sedang berlangsung, bersama dengan pembangunan kanal yang berlanjut untuk tujuan transportasi dan lingkungan.

Sejarah

Kanal

Kanal berusia lebih dari 6.000 tahun ke Mesir kuno. Kanal pertama yang layak laut, dibangun oleh Firaun Sesostris I sekitar 4.000 tahun yang lalu, menghubungkan Laut Merah ke Nil dan, secara perpanjangan, ke Mediterania. Sisa-sisa menunjukkan lebar 150 kaki (46 m), kedalaman 16 kaki (5 m), dan panjang 60 mil (97 km).

Kanal terawal Cina, dimulai pada abad ke-4 SM untuk transportasi beras dan pergerakan pasukan, berkembang menjadi Kanal Besar. Setelah dibangun kembali pada abad ke-6 M, panjangnya mencapai 1.114 mil (1.795 km) pada abad ke-13—masih menjadi kanal navigasi terpanjang di dunia.

Pembangunan kanal awal mengandalkan alat tangan. Kanal du Midi (1665–1681) adalah kanal Eropa pertama yang menggunakan busuk peledak untuk meledakkan terowongan. Mesin bertenaga listrik pada akhir abad ke-17 mempercepat pembangunan kanal di Eropa dan Amerika Utara. Mekanisasi penuh tiba pada 1946 ketika sebuah perusahaan Amerika memperkenalkan mesin pemotong dan pelapis kanal pertama.

Kunci Air

Kunci air bersifat flash—sistem satu gerbang yang digunakan di sungai—pertama kali muncul pada abad ke-3 SM. Mereka berbahaya dan boros air. Kunci air pound dengan gerbang ganda pertama kali muncul pada 984 M di Kanal Besar Cina, membentuk dasar untuk kunci air modern. Suatu kunci air Belanda pada 1373 memperkenalkan gerbang penampang vertikal yang sebagian dikontrol oleh permukaan air. Pada 1485, suatu kunci air Italia menyempurnakan desain dengan pembukaan gerbang yang dikontrol klep.

Leonardo da Vinci menemukan gerbang miter pada 1480. Gerbang ini berayun pada senggak vertikal, bertemu dalam bentuk V untuk menciptakan muhr yang erat terhadap tekanan aliran hulu.

Pada abad ke-17, Prancis menyelesaikan masalah turbulensi di kunci air dalam dengan mengalirkan air melalui saluran yang dikontrol klep ke dinding ruang bawah.

Sampai awal abad ke-19, gerbang dan ruang kunci air dibangun dari kayu, batu, bata, atau lumpur. Pada 1827, Cheshire, Inggris, menghasilkan kunci air dan gerbang besi cor pertama. Proses Bessemer nanti mengaktifkan penggunaan baja untuk kunci air dan besi tulang dalam beton.

Bahan Baku

Pelapis tahan air mencegah bocoran. Secara historis, puddle—campuran pasir, tanah liat, dan air—adalah standar. Pelapis modern menggunakan beton, abu terbang, bentonit, aspal, dan lembar plastik.

Kunci air biasanya beton, kadang dilapis baja. Pembangunan gerbang melibatkan pengelasan plat baja dan balok penguat; tepi vertikal diapal dengan bahan awet seperti oak putih. Pada 1999, sebuah perusahaan Prancis memperkenalkan gerbang plastik yang diisi serat kaca yang dipasang dalam kerangka stainless steel.

Desain

Kanal awal mengikuti rute paling datar yang tersedia karena kapasitas penggerusan tanah yang terbatas. Saat ini, peralatan penggalian yang ditingkatkan dan teknologi kunci air memungkinkan rute yang lebih langsung dan lebih pendek. Hambatan geografis diatasi dengan terowongan atau akueduk.

Operasi kunci air yang efisien meminimalkan turbulensi. Desain modern menggabungkan klep di ambang gerbang, dinding ruang, atau lantai. Pengebus terendam melepaskan udara di bawah penutupan gerbang untuk menjaga area bebas puing dan memfasilitasi pemuatan.

Opsi gerbang termasuk gerbang miter, gerbang Tainter (melengkung) yang berputar vertikal di bawah tekanan, gerbang geser datar, gerbang datar yang berayun, dan gerbang horizontal melengkung. Berbagai jenis dapat digunakan di sisi hulu dan hilir dari kunci air yang sama.

William Crawford Gorgas (1854–1920).

William C. Gorgas, lahir pada 3 Oktober 1854 dekat Mobile, Alabama, memperoleh BA dari University of the South dan gelar kedokteran dari Bellevue Medical College. Ia melayani di Korps Kedokteran Angkatan Bersenjata sejak 1880, dengan penugasan di Texas, Dakota Utara, dan Florida. Setelah pendudukan Havana pada 1898, ia menghilangkan demam kuning di kota dengan menghancurkan tempat penyebaran nyamuk.

Pada 1904, Gorgas memimpin sanitasi untuk Zona Kanal Panama, menjadi ahli yang terkenal di seluruh dunia. Buku karyanya, Sanitation in Panama, tetap menjadi klasik. Ia menjabat Jenderal Panglima Tentara (1914–1918) dan meninggal pada 3 Juli 1920; ia dimakamkan di Taman Makam Nasional Arlington.

Proses Manufaktur

Kanal

• 1. Lakukan survei detail untuk alignasi, potongan, dan pengisian yang akurat.
• 2. Lakukan penggalian primer dengan bulldozer dan excavator.
• 3. Potong 12–18 inci (30–46 cm) tanah akhir dengan mesin pemotong beroruga untuk mencapai lereng yang diinginkan dan dasar datar. Tanah yang diekskavasi diangkut dan dibawa dengan truk.
• 4. Sebarkan lapis yang sangat berair di dinding dan lantai untuk drainase air tanah.
• 5. Pasang grid baja penguat di dinding dan lantai; blok beton memegangnya di atas permukaan untuk mengizinkan aliran.
• 6. Campur, getarkan, dan cetak slip-form beton di atas grid, memasukkan peregangan sebelum slip-forming.

Kunci Air

• 7. Bangun cofferdam sementara di sekitar lokasi, gerakkan lembar baja vertikal untuk membentuk sel vertikal, isi dengan pasir, dan pompa air untuk menciptakan area kerja kering. Lembar dapat mendukung kunci air jika diperlukan.
• 8. Bangun cetakan kayu untuk lantai, dinding, saluran, ruang klep, senggak gerbang, dan recess untuk gerbang terbuka.
• 9. Tuang beton di atas kerbau baja yang diingatkan; setelah kering, cabut cetakan.
• 10. Pasang klep kontrol dan alat hidrolik/mekanik untuk pengisian, pengosongan, dan operasi gerbang.
• 11. Prefabrikasi gerbang dan angkut dalam bagian jika besar; las di lokasi.
• 12. Tambahkan perlindungan, tiang kapal, dan tangga kelar ke dinding kunci air.

Hasil Samping / Limbah

Mengelola bahan yang diekskavasi adalah tantangan besar. Bahan dapat digunakan untuk talud atau dirakit sebagai pengendali erosi. Divide Cut sepanjang 29 mil (46 km) pada Waterway Tennessee-Tombigbee pada tahun 1980 membutuhkan pengangkutan 150 juta yard kubik (115 juta meter kubik) tanah.

Selama pembangunan kunci air, bahan yang diekskavasi dapat mengisi sel cofferdam atau, setelah cofferdam dilepas, mengisi kembali sisi tepian sungai dinding kunci air.

Operasi kunci air mengonsumsi volume air yang besar. Misalnya, mengisi kunci air sepanjang 600 kaki (180 m), lebar 110 kaki (34 m) dengan peningkatan 7 kaki (2,1 m) membutuhkan 3,5 juta galon (13 juta liter). Di daerah yang langka air, air berlebihan sering dialirkan ke kolam samping untuk digunakan kembali dalam siklus kunci air berikutnya.

Masa Depan

Karena kebutuhan mendesak untuk memperbaiki, mengganti, dan memperluas kunci air, Badan Insinyur Korps Angkatan Bersenjata AS secara aktif meneliti metode pembangunan baru. Model skala desain yang diusulkan diuji di Waterways Experiment Station-nya. Program Penelitian Inovasi untuk Proyek Navigasi (INP) mendukung kemajuan seperti penempatan beton di bawah air, beton dengan kekuatan tinggi dan densitas rendah untuk bagian kunci air modular, dan teknik pemasangan tanpa cofferdam.

Penelitian saat ini berfokus pada alat pelindung untuk dinding dan gerbang kunci air, desain saluran masuk dan keluar yang ditingkatkan, sistem kontrol gerbang yang canggih, dan metode untuk memperluas kunci air yang ada tanpa penggantian penuh.