Gravitaatiopato

Gravitaatiopato on pato, jonka vakaus perustuu pääasiassa sen suureen painoon, joka suuntautuu alaspäin ja joka aiheuttaa näin padon ja maapohjan väliin padottavan vesimassan työntävälle voimalle vaakasuuntaisen vastavoiman. Gravitaatiopadot suunnitellaan niin, että patojärjestelmän kaikki osat ovat itsenäisesti vakaita riippumatta muiden osien tilasta. Gravitaatiopato on yläkäsite monentyyppiselle patorakenteelle, jossa rakennusmateriaalit vaihtelevat kasatusta maa-aineksesta valettuun betonirakenteisiin.
Toimintaperiaate.
Padon oma paino puristaa padon rakenteet tiukasti alustana sijaitsevaa maaperää tai kallioperää vasten. Tämä aiheuttaa lepokitkaa patorakenteiden ja alustan väliin, joka sitten aktivoituu patoaltaaseen kerätyn veden työntäessä patoa vaakasuuntaan. Menetelmä toimii, vaikka padon rakennusmateriaalina olisi irtomaata kuten esimerkiksi, hiekkaa, soraa, moreenia tai kalliorouhetta.
Gravitaatiopadon märän puoleinen seinämä voidaan rakentaa kaltevaksi, jolloin vesi makaa padon etupuolen päällä. Tämä veden alaspäin suuntautuva paino lisää padon ja sen alustan välistä lepokitkaa ja vakauttaa patoa entisestään. Vaikka monet gravitaatiopadot ovakin vedenpinnan alla tämän takia vinoseinäisiä, rakennetaan betonipadot yleensä veden alla pystyseinäisiksi vaikka ne ovat padon kuivalla sivulla kaltevia.
Ratkaisumalleja.
Gravitaatiopadot voidaan ryhmitellä edelleen rakennustekniikan ja käytettävän materiaalin mukaan. Syyt erilaisiin rakentamistapoihin liittyvät yleensä padon ympäristöön ja siellä tajolla oleviin vaihtoehtoihin. Myös alustan tukevauus on tutkittava tarkoin kairauksilla ja seismisillä menetelmillä. Valintaan vaikuttavat myös ilmasto-olosuhteet, vesistön hydrologia, rakentamisympäristö ja onko pato tarkoitettu tilapäiseksi vai pysyväksi.
Maapato.
Maapato on rakennettu tiivistetystä maasta ja sen rakenne voi olla joko "homogeeninen", jolloin siinä on käytetty lähes kokonaan vain yhtä materiaalia, tai "vyöhykkeellinen", jolloin padossa on erilaisia vesitiiveyttä lisääviä rakenteita. Padon rakenteista on yli puolet maata.
Louhepato.
Louhepato on rakennettu kivilouheesta tai luonnonkivestä, jota on yli puolet padosta. Louhepato voidaan luokitella erityiseksi maapadoksi.
Massiivipato.
Massiivipato on rakennettu betonista tai kivestä, jonka vakaus perustuu pääasiassa sen omaan massaan.
Pilaripato eli ripapato.
Pilaripato eli ripapato on rakennettu betonielementeistä, joista tärkein rakenne muodostuu virtaavan veden suuntaisista pilareista tai tukiseinistä. Tukiseinien märän puoleinen seinämä tehdään vesitiiviiksi latomalla niiden päälle nojaamaan levyjä. Ripapadot ovat gravitaatiopatoja silloin, kun niiden rakenteiden massa on riittävän suuri. Selkeästi tällaisia patoja ovat lamellipadot ja laattapadot, joiden elementit valetaan riittävän paksuiksi.
Rakennusmateriaalit.
Maa-aineet.
Maa-aineita hyödyntävät patoratkaisut kohtaavat vuotamisongelmia. Huokoinen maa-aines kastuu padottavasta vedestä aivan kuin maaperään syntyy pohjavettä. Vesi tunkeutuu rakennusmateriaalin partikkelien välisiin huokosiin täyttäen ainakin osan padosta huokosvedellä. Patoaltaassa vaikuttava vedenpaine siirtyy huokosveteen aiheuttaen padon sisälle hitaasti eteneviä suotovirtauksia. Jos virtaukset voimistuvat ja ne kuljettavat mukanaan kiintoainetta, voi tämä eroosio vaurioittaa patoa ja heikentää sen rakenteita. Sisäisiä virtauksia yritetään estää rakentamalla padon sisälle tiivistyssydän. Sen materiaalina käytetään usein savea, betonia tai asvalttia, mutta harvinaisia eivät ole myöskään puu, teräs tai muovi.
Maapadon pinnoitusmateriaalit ovat myös hyödyllisiä. Niillä voidaan hidastaa aallokon tai jään aiheuttamaa pintaeroosiota. Padon märkä puoli pinnoitetaan yleensä kivilouheella, asvaltilla, teräksellä tai betonilla. Märänpuolen seinämä tehdään myös kaltevammaksi kuin kuivapuolen seinämä. Märkä materiaali liukuu joskus alaspäin itsekseen ja voi aiheuttaa sortumia. Tämä on vaarana, jos patoaltaan vedenpinnan vaihtelut toistuvat usein ja ne ovat suuret. Padon sisäosat voidaan salaojittaa ylimääräisen veden poistamiseksi.
Betoni.
Betonista voidaan rakentaa sekä gravitaatiopatoja että holvipatoja. Maapatoihin verrattuna betonipadot ovat rakenteeltaan hoikempia ja ne kohdistavat painonsa suoraan perustaan ja rakenteissa oleviin päätytukiin. Päätytuet kurottuvat betonipadon massiivisesta osasta sen ulkopuolelle, jossa ne on valettu tukevati kiinni maahan. Betonipadot vaativat tämän vuoksi alustaltaan enemmän vakautta kuin maapadot. On erityisesti huolehdittava, ettei padon alle tihku vettä. Tämä vähentää padon ja alustan välistä kitkaa, mutta sinne päässyt vesi voi myös aiheuttaa nostetta, jolloin padon alapintaan syntyy sitä keventävä vastavoima. Padon alustaan rakennetaankin salaojitus- tai muu kuivatussysteemi.
Betonipatojen murtuminen tapahtuu maapatoihin verrattuna melko äkillisesti, sillä hajoamista ennakoivia merkkejä ei aina erota padon ulkopinnoilta. Betonipato voi esimerkiksi lohjeta, jolloin vesi alkaa vuotaa seinästä läpi, se voi kaatua, jolloin sen takana olevat vesimassa vapautuvat, tai pato voi liukua paikaltaan, jolloin ainakin vesi alkaa vuotamaan.
Betoni ei ole rakennusmateriaalina ikuinen, vaikka eräät padot ovatkin vielä käytössä roomalaisten ajoista lähtien. Betoni voi joutua pakkasen puremaksi, betoni voi vaurioitua kemiallisesti ja lämpölaajenemisen aiheuttama pintahalkeilu voi altistaa betoniteräkset korroosiolle.
Historiaa.
Muinaisissa sivilisaatioissa, kuten esimerkiksi Egyptissä, Intiassa ja Kiinassa, on jo rakennettu patoja. Heidän patonsa olivat aluksi gravitaatiopatoja, jotka rakennettiin esimerkiksi kasaamalla tiivistä maata auman muotoiseksi penkereeksi. Nämä luokitellaan nykyään maapadoiksi ja muinaiset maapadot olivat sekä märältä että kuivalta puolelta kaltevaseinäisiä ja niiden tyvi oli huomattavasti leveämpi kuin padon korkeus. Vaikka niiden rakentamistekniikka oli alkeellinen, saavuttivat korkeimmat padot kymmenen metrin korkeuden. Patorakentaminen edistyi nopeasti 1800-luvulla tieteellisen ajattelun ratkaistua joitakin teknisiä ongelmia turvallisuuden ja kustannuksien eduksi.