Pato

Historia

Encyclopædia Britannican mukaan maailman vanhin tunnettu pato olisi 3000-luvulla ennen ajanlaskun alkua kastelutarkoitukseen rakennettu Jawan pato nykyisen Jordanian alueella. Toinen hyvin vanha pato oli vuosien 2950–2750 eaa. välillä rakennettu noin 11 metriä korkea Sadd el-Kafaran pato Kairon lähellä Egyptissä, joka kuitenkin todennäköisesti vuoti ja petti pian valmistumisensa jälkeen. Lähistöllä Gizassa sijainnut Ma’lan pato, jonka rakentamiseen käytettiin enemmän materiaalia kuin Gizan suureen pyramidiin, oli sen sijaan toiminnassa yli 3 000 vuoden ajan. Vanhin edelleen toiminnassa oleva pato saattaa olla Syyrian Orontesjokeen vuoden 1300 eaa. tienoilla rakennettu pengerrys; toisen lähteen mukaan jatkuvasti toiminnassa olleista padoista vanhin olisi Dujiangyanin kastelujärjestelmään liittyvä pato Kiinan Sichuanissa 250-luvulta eaa. Lähi-idän ja Kiinan lisäksi patoja rakennettiin ennen ajanlaskun alkua myös Intiassa ja Sri Lankassa. Monet kasteluun käytetyt suuret maapadot ovat Sri Lankassa edelleen toiminnassa.
Roomalaiset olivat padonrakentamisen sijaan taitavampia veden keräämisessä ja kuljettamisessa akveduktien avulla, mutta kaksi roomalaista patoa, Proserpinan ja Cornalvon padot, on edelleen käytössä Espanjan lounaisosassa. Ennen vuotta 1900 maailmassa oli vain noin 700 suurta, yli 15 metrin korkuista patoa. Japaniin rakennettiin 32 metriä korkea Daimon’iken pato vuonna 1128; Persiaan 1300-luvun alkupuolella rakennetut Kebarin pato ja Kuritin pato olivat puolestaan maailman ensimmäiset ohutrakenteiset holvipadot. Kuritin patoa kohotettiin vähitellen 64 metrin korkuiseksi, ja se olikin maailman korkein pato aina 1900-luvun alkuun saakka.
1800-luvun keskivaiheille saakka padonrakennus pohjautui pitkälti kokemusperäiseen tietoon. Rakenne- ja materiaalitekniikan kehittyessä myös padonrakennuksen periaatteita alettiin ymmärtää paremmin, esimerkiksi 1850-luvulla Skotlannin Glasgow’n yliopistossa toimineen William John Macquorn Rankinen ja muiden brittiläisten ja ranskalaisten insinöörien kontribuutioiden ansiosta. 1900-luvun alkupuoliskolla maailmaan rakennettiinkin jo yhteensä 5 000 yli 15 metrin korkuista patoa, ja toiset 5 000 pelkästään vuosien 1970–1975 välillä, minkä jälkeen padonrakennustoiminta hiljeni erityisesti Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Yhdysvaltoihin valmistui monta näyttävää patoa, kuten Coloradojoelle vuosina 1931–1936 rakennettu 221 metriä korkea Hooverin pato. Kiinaan rakennetun yli 2 kilometrin pituisen Kolmen rotkon padon vesivoimalasta tuli valmistuessaan vuonna 2012 maailman suurin 22 500 megawatin sähkötehollaan. Padon rakentaminen loi Jangtsejokeen yli 600 kilometrin pituisen tekoaltaan.

Patoaukot ja -luukut

Padon läpi virtaavan veden määrää voidaan säädellä aukkojen ja luukkujen avulla. Vaadittu vesimäärän läpäisevyys määritellään pitkään ajanjaksoon perustuvalla tulvahuippujen tarkastelulla. Patoaukot mahdollistavat myös vesivaraston tyhjentämisen padon tarkastamista ja korjaamista varten.
Luukkujen liikuttelemiseen käytetään pääasiassa konevoimaa ketjujen, hammastankojen tai öljynpaineella toimivien hydraulisien sylintereiden välityksellä. Padon aukkojen sulkemislaitetta nimitetään tavallisesti liikuteltaviksi tai avattaviksi padoiksi.
Varsinaisia patoluukkuja on nykyisin käytössä pääasiassa kahta perustyyppiä: tasoluukut sulkevat ja avaavat padon liikkuen niitä varten tehdyissä luukku-urissa pystysuunnassa edestakaisin, kiertyvät luukut on aisojensa välityksellä laakeroitu padon sivupilareihin. Edelliseen ryhmään kuuluvat liukuluukut liukuvat luukku-urassa olevia johteitaan myöten. Jos vedenpaine nostaa pintakitkan liian suureksi, asetetaan luukkuun pyörät (kiinteäpyöräinen luukku) tai luukun ja johteen väliin ns. Stoney-palkki, jossa olevat pyörät helpottavat luukun liikuttelemista. Jälkimmäiseen pääryhmään kuuluvat segmenttiluukut, joissa luukun etulevy on ympyrälieriön muotoinen ja luukku nousee ylös kiertyen etulevyä tukeviin kannatinrakenteisiin kiinnitettyjen aisojen päissä olevien tukilaakereiden ympäri, sekä samantapaiset sektoriluukut, jotka lasketaan kynnyksen sisään varattuun tilaan.
Perustyypeistä poikkeavat muun muassa kynnykseltä alas kaatuva läppäluukku, johon voidaan joskus asettaa myös vastapaino, ja esimerkiksi Imatrankosken padossa käytetty valssiluukku jossa on rumpu joka sulkee aukon tiivisteiden kanssa ja joka kulkee hammastankojen tukemana ja ohjaamana patomuureja pitkin ja joka avataan ketjun avulla.

Tulva-aukot

Padon tulee kestää turvallisesti oletetun suurimman mahdollisen vesimäärän lisäksi myös tulvaveden paine. Yleensä padoissa on tulva-aukkoja, joista vesimäärää voidaan vähentää. Veden noustessa tasolle, jonka yläpuolella on ainoastaan koko padon pituinen ns. varalaita, vesi virtaa vapaasti säädettävistä luukuista tai patoaukoista.
Ylisyöksypadoissa tulva-aukon kynnys on niin korkealla, ettei alavesi vaikuta veden juoksuttamiseen.

Patotyypit

Padot voidaan luokitella rakennusmateriaaliensa lisäksi niiden toimintaperiaatteen tai käyttötarkoituksen mukaan.

Maapato

Maapato on erilaisista pystysuuntaisista maakerroksista tehty maarakenne, jonka keskellä on yleensä savesta tehty tiivistyssydän, joka estää veden tunkeutumisen padon läpi. Veden kulutukselle altistuva pinta on yleensä suojattu kivillä, joko kiveyksellä tai irtolohkareilla. 
Maatäytepatojen rakennusaine on yleensä kauttaaltaan vesitiivistä, sen sijaan kalliolouhetäytepadossa eräiden osien tarkoituksena on vesitiiviyden aikaansaaminen ja eräiden vaakavoimien vastaanottaminen.

Gravitaatiopato

Gravitaatiopato pysyy aloillaan suuren massansa ansiosta. Se siirtää veden virtaamisen aiheuttaman vaakasuuntaisen voiman perustuksena olevaan kalliopohjaan.

Holvipato

Holvipato on kaaren muotoinen, gravitaatiopatoa huomattavasti kevyempi pato, joka kohdistaa veden aiheuttaman vaakasuoran voiman uoman sivustojen kallioperään.

Pilaripato

Pilaripadon etuosasta muodostuu laatta, jonka tukena olevat tavalliset seinämäiset pilarit siirtävät vaakavoimat perustukseen.

Lamellipato

Lamellipato on eräällä tavoin pilaripadon ja gravitaatiopadon välimuoto, sillä sen pilarit ovat niin paksut, että pato on lähes gravitaatiopadon kaltainen.

Täytepato

Täytepatojen tiivistämiseen käytetään joko tiiviitä, hienojakoisia maalajeja, yläveden puoleiseen pintaan sijoitettua teräsbetoniverhousta tai asfalttibetonista, puulaudoituksesta ja jopa levyteräksestä valmistettua pintaverhousta.

Neulapato

Neulapato koostuu ohuista puisista tai teräksisistä palkeista, jotka pystyasentoon asennettuina nojaavat alapäästään padon kynnyksessä olevaan uraan ja yläpäästään joko kiinteiden tai liikuteltavien tukien varassa olevaan vaakasuuntaiseen palkkiin. Padon tilapäiseen sulkemiseen käytetään lisäksi laudasta tai lankuista tehtyjä levyjä ja myös puusta tai teräksestä tehtyjä pato- eli settipalkkeja. Ne asetetaan pato-pilareihin vaaka-asentoon niitä varten tehtyihin ns. settiuriin, ja päällekkäisinä ne muodostavat yhtenäisen seinän.
Neulapatoja on käytetty vedenkulun säännöstelyn ohella myös vesihierontaan. Suomessa tästä käytöstä tunnetaan edelleen ainakin Runnin Neulatammi.

Pohjapato

Patoja rakennetaan myös kokonaan veden alle, jolloin niillä voidaan esimerkiksi nostaa veden korkeutta tai rajoittaa suolaveden virtausta joen suulle.