Esclusa (navegación fluvial)

En el Antiguo Egipto, las esclusas fluviales probablemente formaban parte del Canal de los Faraones . Diodoro Sículo atribuye a los ingenieros de Ptolomeo II el haber sido los primeros en resolver el problema de mantener el Nilo libre de agua salada al inventar la esclusa alrededor del 274-273 a. C. ^{[ 3 ]}

Entre los años 960 y 1279 d. C., la extensión natural de la esclusa de cierre rápido , o compuerta, consistía en proporcionar una compuerta superior (o un par de compuertas) para formar un "embalse" intermedio que era todo lo que se necesitaba vaciar cuando pasaba un barco. Este tipo de esclusa, llamada esclusa de embalse, se utilizó por primera vez en la China medieval durante la dinastía Song (960-1279 d. C.). El Songshi o Historia de la Dinastía Song, volumen 307, biografía 66, relata cómo Qiao Weiyue, un administrador tributario de alto rango, estaba frustrado por las frecuentes pérdidas sufridas cuando sus barcazas de grano naufragaban en el río Oeste cerca de Huai'an en Jiangsu . Descubrió que los soldados de una rampa doble habían conspirado con bandidos para hundir las pesadas barcazas imperiales y así robar el grano derramado. ^{[ 4 ]}

En 984, Qiao instaló un par de compuertas separadas por doscientos cincuenta pies, con toda la estructura techada como un edificio. Al ubicar dos compuertas tan cerca una de la otra, Qiao creó un corto tramo de canal, que funcionaba como una esclusa de retención, llenándose desde el canal superior mediante la elevación de tablones de madera individuales en la compuerta superior y vaciándose en el canal inferior mediante la bajada de tablones en la compuerta superior y la elevación de otros en la inferior. ^{[ 5 ]}

En 1385, en la Europa medieval, se construyó una especie de esclusa de ánfora en Vreeswijk , Países Bajos. ^{[ 6 ]} Esta esclusa de ánfora daba servicio a muchos barcos a la vez en una gran dársena . Sin embargo, la primera esclusa de ánfora europea propiamente dicha se construyó en 1396 en Damme , cerca de Brujas , Bélgica. ^{[ 6 ]} El italiano Bertola da Novate (c. 1410–1475) construyó 18 esclusas de ánfora en el Naviglio di Bereguardo (parte del sistema de canales de Milán patrocinado por Francesco Sforza ) entre 1452 y 1458. ^{[ 7 ]}

Hacia 1800 , Robert Weldon ^{[ 11 ]} propuso el uso de esclusas de cajón para el Canal de Carbón de Somerset en Inglaterra. En este elevador submarino, la cámara tenía 24,4 m de largo y 18,3 m de profundidad, y contenía una caja de madera completamente cerrada, lo suficientemente grande como para albergar una barcaza. Esta caja se movía hacia arriba y hacia abajo en la piscina de agua de 18,3 m de profundidad. Aparte de las inevitables fugas, el agua nunca salía de la cámara, y el uso de la esclusa no suponía ningún desperdicio de agua. En cambio, la embarcación entraba en la caja y quedaba sellada por la puerta que se cerraba tras ella, y la caja misma se movía hacia arriba o hacia abajo a través del agua. Cuando la caja estaba en el fondo de la cámara, se encontraba bajo casi 18,3 m de agua, a una presión total de tres atmósferas (304 kPa ; 44,1 psi ) . Una de estas "esclusas" fue construida y mostrada al Príncipe Regente (más tarde Jorge IV ), pero tenía varios problemas de ingeniería y el diseño no se utilizó en el Canal del Carbón. ^{[ 12 ] [ 13 ]}          

Para ahorrar, especialmente cuando la piedra de buena calidad resultaba prohibitivamente cara o difícil de obtener, se construyeron esclusas compuestas, es decir, se construyeron con escombros o piedra de menor calidad, recubriendo las paredes interiores con madera para evitar la abrasión de las embarcaciones. Esto se hizo, por ejemplo, en el Canal Chesapeake y Ohio con las esclusas cercanas al Túnel Paw Paw. ^{[ 14 ]} y también en el Canal Chenango. ^{[ 15 ]}

Posiblemente inspirado por la esclusa de cajones de Weldon, William Congreve patentó en 1813 una "esclusa hidroneumática de doble equilibrio" en la que dos esclusas adyacentes que contenían cajones neumáticos podían elevarse y descender en contrapeso mediante el movimiento de aire comprimido de un cajón al otro. Hacia 1817, la Regents Canal Company construyó una de estas esclusas en el emplazamiento de la actual esclusa de Camden , al norte de Londres. En este caso, la motivación fue, de nuevo, la falta de suministro de agua. La compañía insistió en varias modificaciones al diseño de Congreve; la instalación resultante resultó insatisfactoria y pronto fue sustituida por esclusas convencionales. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El plano inclinado permitía a las embarcaciones de manga ancha evitar la serie de diez esclusas estrechas, pero la falta de mejoras en el otro extremo del brazo y los altos costos de operación provocaron su desaparición prematura. Actualmente no hay planos inclinados en funcionamiento en el Reino Unido, pero los restos de uno famoso pueden verse en Foxton , Leicestershire, en el brazo de Leicester del Gran Canal de la Unión . ^{[ 18 ]} Existen planes para restaurarlo y se ha obtenido cierta financiación. ^{[ 19 ]}

La esclusa de pozo, que superficialmente se asemeja a la esclusa de cajón, consta de un pozo profundo con compuertas superiores convencionales. Se accede a las compuertas inferiores a través de un túnel corto. Las compuertas solo cierran este túnel de acceso, por lo que no es necesario que alcancen la altura total de la esclusa. Ejemplos notables se han construido en Saint Denis (París, Francia), Horin (cerca de Melnik, República Checa) y Anderten (Hannover, Alemania). ^{[ 20 ]}

La esclusa de pozo en Minden 52°18′23″N 8°55′11″E / 52.30639°N 8.91972°E / 52.30639; 8.91972 tiene una caída de 12,7 metros (42 pies) y tiene ocho tanques conectados en pares a la cámara de la esclusa. ^{[ 21 ]} A medida que la esclusa se vacía, el agua entra en cada cámara por turno, para llenarla se libera el agua de las cámaras, evitando así el desperdicio de una esclusa llena de agua. Un intento anterior de esclusa de pozo se había realizado en Trollhättan en Suecia en la línea del actual canal Göta. La caída habría sido de 16 metros (52 pies) , algo asombroso en 1749. Sin embargo, el túnel de acceso resultó inutilizable en épocas de inundación y la esclusa del pozo fue reemplazada por una escalera de dos tramos en 1768. ^{[ 22 ]}  

Una esclusa con paredes de césped es un diseño primitivo de esclusa de canal que utiliza terraplenes para formar la cámara, atrayendo así hierbas y otra vegetación, en lugar de las construcciones de ladrillo, piedra u hormigón, ahora más comunes y extendidas. Este diseño primitivo se utilizaba con mayor frecuencia en la navegación fluvial a principios del siglo XVIII, antes de la llegada de los canales a Gran Bretaña. Las paredes de la esclusa de césped tienen una pendiente, por lo que, cuando está llena, la esclusa es bastante ancha. En consecuencia, este tipo de esclusa necesita más agua para funcionar que las esclusas verticales de ladrillo o piedra. En los canales y vías navegables británicas, la mayoría de las esclusas con paredes de césped se han reconstruido posteriormente en ladrillo o piedra, por lo que solo sobreviven algunos buenos ejemplos, como la esclusa de Garston y la esclusa de Monkey Marsh , en el canal Kennet y Avon . ^{[ 23 ]}

Actualmente, la esclusa de compuerta es la más utilizada en canales y ríos . ^{[ 24 ]} Una esclusa de compuerta tiene una cámara con compuertas en ambos extremos que controlan el nivel del agua en la compuerta. En contraste, un diseño anterior con una sola compuerta se conocía como esclusa de compuerta de cierre rápido . ^{[ 4 ]}

Las esclusas de ánfora se utilizaron por primera vez en China durante la dinastía Song (960-1279 d. C.), habiendo sido pioneras por el político e ingeniero naval Song Qiao Weiyue en 984. ^{[ 25 ]} Reemplazaron las gradas dobles anteriores que habían causado problemas y son mencionadas por el polímata chino Shen Kuo (1031-1095) en su libro Ensayos sobre el estanque de los sueños (publicado en 1088), ^{[ 26 ]} y descritas completamente en el texto histórico chino Song Shi (compilado en 1345): ^{[ 5 ]}

La distancia entre las dos esclusas era de algo más de 50 pasos, y todo el espacio estaba cubierto por un gran techo a modo de cobertizo. Las compuertas eran de tipo colgante; al cerrarse, el agua se acumulaba como una marea hasta alcanzar el nivel requerido, y entonces, llegado el momento, se dejaba salir.

El nivel del agua podía variar entre 4 y 5 pies (1,2 o 1,5 m) en cada esclusa y en el Gran Canal el nivel se elevó de esta manera en 138 pies (42 m) . ^{[ 5 ]}  

En términos generales, un tramo de esclusas es simplemente una serie de esclusas lo suficientemente cerca como para ser identificadas como un solo grupo. Por muchas razones, un tramo de esclusas es preferible al mismo número de esclusas más dispersas: las tripulaciones desembarcan y embarcan una sola vez, en lugar de varias veces; la transición implica un esfuerzo concentrado, en lugar de un viaje continuamente interrumpido; se puede ubicar a un encargado de la esclusa para ayudar a las tripulaciones a atravesar el tramo rápidamente; y donde el agua escasea, una sola bomba puede recircular el agua hasta la parte superior de todo el tramo. La necesidad de un tramo puede estar determinada simplemente por la topografía del terreno, pero es posible agrupar las esclusas en tramos a propósito utilizando trincheras o terraplenes para "retrasar" el cambio de altura. Ejemplos: esclusas de Caen Hill, Devizes .

El término «escalera» no es sinónimo de «tren de esclusas» (véase más abajo). Un conjunto de esclusas solo constituye una escalera si las cámaras sucesivas comparten una compuerta (es decir, no tienen compuertas superior e inferior separadas con un corral entre ellas). La mayoría de las esclusas no son escaleras, ya que cada cámara es una esclusa independiente (con sus propias compuertas superior e inferior), existe un corral transitable (aunque corto) entre cada par de esclusas, y estas se operan de la manera convencional.

Sin embargo, algunos tramos incluyen (o consisten enteramente en) escaleras. En el canal Grand Union (Leicester), el tramo de Watford consta de una escalera de cuatro cámaras y tres esclusas separadas; y el tramo de Foxton consta enteramente de dos escaleras adyacentes de cinco cámaras.

cerraduras de escaleras

Cuando hay que subir una pendiente muy pronunciada, se utiliza una escalera de caracol. Existen dos tipos de escaleras: "reales" y "aparentes".

Una escalera "real" puede considerarse como un tramo "comprimido", donde los compuertas intermedias han desaparecido y la compuerta superior de una esclusa es también la compuerta inferior de la que está encima. Sin embargo, es incorrecto usar los términos escalera y tramo indistintamente: debido a la ausencia de compuertas intermedias, operar una escalera es muy diferente a operar un tramo. Puede ser más útil pensar en una escalera como una sola esclusa con niveles intermedios (la compuerta superior es una compuerta superior normal y las compuertas intermedias tienen la misma altura que la compuerta inferior). Como no hay compuertas intermedias, una cámara solo puede llenarse vaciando la superior, o vaciarse llenando la inferior: por lo tanto, toda la escalera debe estar llena de agua (excepto la cámara inferior) antes de que un barco comience a ascender, o vacía (excepto la cámara superior) antes de que un barco comience a descender.

En una escalera "aparente", las cámaras aún comparten puertas comunes, pero el agua no pasa directamente de una cámara a otra, sino que lo hace a través de estanques laterales. Esto significa que no es necesario comprobar si el tramo está lleno o vacío antes de comenzar.

Ejemplos de famosas escaleras "reales" en Inglaterra son Bingley y Grindley Brook . Las escaleras de dos tramos son más comunes: Snakeholme Lock y Struncheon Hill Lock en Driffield Navigation se convirtieron en esclusas de escalera después de que los bajos niveles de agua dificultaran la navegación sobre el umbral inferior excepto durante las mareas altas ; la nueva cámara inferior se eleva lo suficiente para que el barco pase por encima del umbral de la esclusa original. En China, la recientemente terminada Presa de las Tres Gargantas incluye una escalera doble de cinco tramos para barcos grandes y un elevador de barcos para embarcaciones de menos de 3000 toneladas métricas. Ejemplos de escaleras "aparentes" son Foxton Locks y Watford Locks en Leicester Branch of the Grand Union .

El funcionamiento de una esclusa de escalera es más complejo que el de una de tramo. Los navegantes inexpertos pueden tener dificultades para manejar las esclusas de escalera. Los principales riesgos son que se introduzca más agua de la que las cámaras inferiores pueden contener (inundando el camino de sirga o generando una ola en el canal) o que se vacíe por completo una cámara intermedia (aunque esto demuestra que una esclusa de escalera puede utilizarse como dique seco de emergencia). Para evitar estos percances, lo habitual es vaciar toda la escalera antes de comenzar el descenso, o llenarla antes de comenzar el ascenso, a excepción de la cámara inicial.

Una diferencia entre usar una escalera de esclusas (en comparación con una esclusa simple o una serie de esclusas) radica en la secuencia óptima para el paso de los barcos. En una esclusa simple (o una serie con espacio para que los barcos se crucen), lo ideal es que los barcos alternen su dirección. En una escalera, sin embargo, es más rápido que un barco siga al anterior que va en la misma dirección. En parte por esta razón, las esclusas con escalera, como Grindley Brook, Foxton, Watford y Bratch, están supervisadas por escluseros, al menos durante la temporada alta de navegación, quienes intentan alternar el paso de barcos hacia arriba y luego hacia abajo, según el número de cámaras en la serie.

Al igual que en un vuelo, en un canal ancho es posible que más de una embarcación se encuentre en una escalera al mismo tiempo, pero gestionar esto sin desperdiciar agua requiere experiencia. En los canales ingleses, una escalera de más de dos cámaras suele estar atendida: los encargados de las esclusas de Bingley (que se ocupan tanto de la de cinco como de la de tres) se aseguran de que no haya incidentes y de que las embarcaciones pasen con la mayor rapidez y eficiencia posible. Esta experiencia permite proezas insólitas, como que embarcaciones que viajan en direcciones opuestas se adelanten a mitad de la escalera moviéndose lateralmente una alrededor de la otra; o, en horas punta, que todas las cámaras estén llenas simultáneamente con embarcaciones que viajan en la misma dirección.

El umbral , también escrito sill , es una estrecha repisa horizontal que sobresale ligeramente hacia el interior de la cámara desde debajo de las compuertas superiores. El principal peligro al descender por una esclusa es que la popa de la embarcación se "cuelgue" del umbral, y la posición del borde delantero del umbral suele estar marcada en el lado de la esclusa con una línea blanca. El borde del umbral suele ser curvo, sobresaliendo menos en el centro que en los extremos. En algunas esclusas, hay una pieza de roble de unos 23 cm de espesor que protege la parte sólida del umbral. En el Canal de Oxford se le llama babbie ; en el Canal de la Gran Unión se le conoce como tope del umbral . Algunas autoridades de operación de canales, principalmente en Estados Unidos y Canadá, llaman al umbral miter sill (mitre sill en Canadá). ^{[ 37 ]}  

La construcción de esclusas (o presas y diques) en los ríos obstruye el paso de los peces. Algunos peces, como las lampreas, las truchas y los salmones, remontan el río para desovar. A menudo se toman medidas como la instalación de una escalera para peces para contrarrestar este problema. Las esclusas de navegación también pueden funcionar como pasos para peces, facilitando así el acceso a diversas especies biológicas. ^{[ 38 ]}

Las compuertas son las puertas estancas que separan la cámara de los corrales superior e inferior. Cada extremo de la cámara está equipado con una compuerta, o un par de medias compuertas, tradicionalmente hechas de roble u olmo , pero ahora generalmente de acero . La disposición más común, generalmente llamada compuertas de mitra , fue inventada por Leonardo da Vinci a finales del siglo XV. ^{[ 39 ]}

En el antiguo canal Erie , existía el peligro de sufrir lesiones al operar las paletas: el agua, al alcanzar cierta posición, empujaba las paletas con una fuerza que podía arrancar el cabrestante (o manivela) de las manos, o si uno estaba parado en el lugar equivocado, podía arrojarlo al canal, provocando lesiones y ahogamientos. ^{[ 40 ]}

Una libra es el tramo de agua nivelada entre dos esclusas (también conocido como tramo ). ^{[ 41 ]}

En los grandes canales modernos, especialmente en los muy grandes como los canales navegables , las compuertas y paletas son demasiado grandes para ser operadas manualmente, por lo que se accionan mediante equipos hidráulicos o eléctricos . En el Canal de Caledonia, las compuertas de las esclusas se operaban mediante cabrestantes manuales , uno conectado por cadenas para abrir la compuerta y otro para cerrarla. En 1968, estos fueron reemplazados por sistemas hidráulicos que actuaban a través de cilindros de acero. ^{[ 42 ]}

La elevación es el cambio en el nivel del agua en la esclusa. Las dos esclusas más profundas del sistema de canales inglés son la esclusa profunda de Bath ^{[ 43 ] [ 44 ]} en el canal Kennet y Avon y la esclusa de Tuel Lane en el canal Rochdale , ambas con una elevación de casi 20 pies (6,1 m) . Ambas esclusas son la fusión de dos esclusas separadas, que se combinaron cuando se restauraron los canales para adaptarse a los cambios en los cruces de carreteras. En comparación, las esclusas de Carrapatelo y Valeira en el río Duero en Portugal, que tienen 279 pies (85 m) de largo y 39 pies (12 m) de ancho, tienen elevaciones máximas de 115 y 108 pies (35 y 33 m) respectivamente. ^{[ 45 ]}    

Las dos esclusas de Ardnacrusha , cerca de Limerick, en la vía fluvial del río Shannon en Irlanda, tienen un desnivel de 30 metros (100 pies ) . La cámara superior se eleva 18 metros (60 pies) y está conectada a la cámara inferior por un túnel, que al descender no se hace visible hasta que la cámara está casi vacía. ^{[ 46 ]}  

En los canales tirados por caballos y mulas, se utilizaban postes de frenado para reducir la velocidad o detener una embarcación en la esclusa. Una embarcación de 200 toneladas que se desplazara a pocos kilómetros por hora podría destruir la compuerta de la esclusa. Para evitarlo, se enrollaba una cuerda alrededor del poste de frenado cuando la embarcación entraba en la esclusa. Al tirar de la cuerda, la embarcación se ralentizaba debido a la fricción de la cuerda contra el poste. [ ^{47 ] En} el Canal Erie , se solía utilizar una cuerda de 6,4 cm de diámetro y unos 18 metros de largo para frenar una embarcación en una esclusa. ^{[ 48 ]} 

Un incidente ocurrido en junio de 1873 en el canal Chesapeake y Ohio involucró al barco Henry C. Flagg y a su capitán ebrio. El barco ya tenía una vía de agua; la tripulación, tras achicar parcialmente el agua, entró en la esclusa 74, colocándose delante de otro barco. Al no haber logrado detenerlo, el barco chocó contra las compuertas aguas abajo y las derribó. La avalancha de agua que salió de la esclusa provocó que las compuertas aguas arriba se cerraran de golpe, rompiéndolas también, y una cascada de agua arrastró el barco hasta hundirlo. Esto suspendió la navegación en el canal durante 48 horas hasta que se pudieron reemplazar las compuertas de la esclusa y retirar el barco. ^{[ 49 ]}

Una marejada se producía al abrir repentinamente las válvulas de paletas en las compuertas de la esclusa, o al vaciar una esclusa. ^{[ 50 ]} Para ayudar a los barcos que viajaban río abajo a salir de una esclusa, el esclusero a veces abría las paletas para crear una marejada, que ayudaba a "arrastrar" el barco fuera de la esclusa. Un barquero podía pedir una marejada inversa, es decir, abrir y cerrar las paletas varias veces para crear algunas olas, para ayudarlo a salir de la orilla donde estaba atascado. ^{[ 51 ]} Si los barcos encallaban (por sobrecarga), a veces pedían a las tripulaciones que pasaban que le dijeran a la esclusa río arriba que les diera una marejada extra fuerte, que consistía en abrir todas las paletas de la compuerta de la esclusa, creando una oleada que afectaba a todo el embalse río abajo. ^{[ 52 ]}

En el Canal Erie, algunos barcos cargados necesitaban un impulso para salir de la esclusa. En particular, los barcos madereros, al ser pesados ​​en la parte superior, se inclinaban hacia un lado y se atascaban en la esclusa, necesitando un impulso para salir. Algunos escluseros ofrecían un impulso a cualquiera para ayudarlos en el camino, pero otros pedían dinero a cambio. ^{[ 50 ]}

A la administración del Canal Erie no le gustaba la crecida del río por dos razones. Primero, consumía demasiada agua, lo que a veces provocaba que los barcos encallaran en el embalse superior. Además, elevaba el nivel del agua en el embalse inferior, lo que causaba que algunos barcos chocaran contra los puentes o quedaran atascados. ^{[ 50 ]}

En los canales ingleses, estos embalses se denominan «estanques laterales». El canal de Droitwich , reabierto en 2011, cuenta con una serie de tres esclusas en Hanbury, todas ellas con estanques laterales en funcionamiento. ^{[ 53 ]}

En el canal Chesapeake y Ohio, los escluseros estaban obligados a retirar los cabrestantes de todas las paletas de las esclusas por la noche, para evitar su uso no autorizado. ^{[ 54 ]}