Holvipato

Holvipato on kiinteä betoninen pato, joka on muotoiltu kaarevaksi varastoaltaaseen päin ja sieltä tulevaa vedenpainetta kohti. Holvipadot rakennetaan mielellään kapeisiin ja jyrkkäseinäisiin kalliolaaksoihin. Sen lisäksi, että pato vastustaa veden painetta omalla painollaan, mahdollistaa sen kaareva muoto lisätuen saamisen alustastaan ja sivuiltaan laakson kalliopintoihin nojaten ja sen holvimainen rakenne veden tasaisesta paineesta syntyvää jäykkyyttä. Sisäiset jännitteet otetaan vastaan esijännitetyillä vaijereilla tai teräspalkeilla. Holvipadot ovat gravitaatiopatoihin verrattuina ohuita ja yleensä niitä edullisempia rakentaa. Suomessa ei yleensä ole käytössä holvipatoja. Kuitenkin esimerkiksi Helsingin Vanhankaupunginkosken pato on holvipato.
Toimintaperiaate.
Holvipato toimii maalaisjärjelle käännettynä kuin keskiaikaiset holvirakennukset. Niissä painovoima, suuntautuessaan alaspäin, vetää samalla mukaansa rakennuksen kivimateriaalin. Holvi muodostetaan vinoiksi hakatuista kivistä niin, että ne muodostavat yhdessä kaaren, jossa kukin kivi nojaa turvallisesti naapurikiviinsä. Kivien väliset kiinnitykset estävät niitä luistamasta sivuun toisistaansa ja samalla naapurikivien keskinäiset vastavoimat ylläpitävät kaaren muotoa itsekseen. Tämä edellyttää oikeanlaista kaarta, joka on painovoiman tapauksessa esimerkiksi ympyrä tai paraabeli. Holvipato kokee padon takana olevan vesimassan sivuttaisena voimana, joten holvipato tulee kaareutua sivuttain niin, että sen kaari työntyy varastoaltaan vesimassoja päin. Samalla on padolla myös oma paino kannateltavana, joten myös painovoiman pystysuuntainen voima on tuettava toisella kaarevalla korjauksella.
Holvipatoja rakennetaan yleensä kapeisiin V-laaksoihin, joiden perusta ja sivuilla jyrkästi putoavat rinteet ovat kalliota. Vain kallion vahva perusta tarjoaa riittävän tukevan ja vakaan perustan niille voimille, jotka holvimainen rakenne kohdistaa niihin. Varastoaltaan veden paine pyrkii työntämään patoa edellään alas laaksoon, veden noste, joka on altaan alaosassa vahvimmillaan, pyrkii kohottamaan patoa perustukseltaan, sekä veden paine, joka pyrkii oikaisemaan padon kaarevaa muotoa tasaisemmaksi. Holvipato suunnitellaan vastustamaan ainakin näitä kolmea ilmiötä.
Holvipadon suunnittelu on mutkikas prosessi, jossa aloitetaan hahmottamalla padon summittainen kaari alan perusperiaatteiden pohjalta, ja jatkossa edetään vaiheittain korjailemalla kaaren muotoa rasituslaskelmien antamisen tulosten ohjailemana. Tarkennusta on tehty riittävä määrä silloin, kun padon muodon rasituslaskemien tunnusluvut alittavat kaikki ennalta asetetut raja-arvot. Vaikka suunnittelu vie aikaa, on rakentamisessa se etu, että vastaavanlaisen gravitaatiopadon rakentaminen tarvitsee enemmän materiaalia. Holvipato on mahdollinen rakentaa siinä tapauksessa, että sen leveys suhteessa korkeuteen on 10:1. Holvipato on todennäköisesti edullisempi kuin gravitaatiopato, jos leveys suhteessa korkeuteen on 5:1.
Holvipato valetaan yhdeksi kaarevaksi betonipinnaksi, jonka perusta ja sivusta tulee kestää suurta rasitusta. Perustaksi kelpaavat ehjät kalliopinnat, jonka kivimateriaali on kovaa. Rakennuspaikan ahtaus voi kääntyä holvipatoa vastaan, sillä ohijuoksutusaukot tulee voida järjestää turvallisesti. Samoin suuret lämpötilamuutokset aiheuttavat jännityksiä yhtenäiselle ja ohuelle betonipinnalle. Pato suunnittelussa voidaan joutua kasvattamaan kaaren paksuutta tai siihen voidaan joutua lisäämään lämpöeristystä, mikäli tällaisia ongelmia on näköpiirissä. Toisaalta, gravitaatiopatoon verrattuna, holvipato ei ole herkkä vesimassojen aiheuttamalla nosteelle.
Ratkaisumalleja.
Samalla, kun pato vastustaa veden vaakasuuntaista painetta, tulee sen kannatella myös omaa painoaan. Siksi sen alaosa rakennetaan paksummaksi kuin sen yläosa. Holvipato on ohutta mallia (), jos padon alaosan paksuus on ohuempi kuin 20 % padon korkeudesta. Paksusta mallista () puhutaan, kun alaosan paksuus on yli 30 % padon korkeudesta (myös 40 % ). Näiden välimuotoa () esiintyy myös. Paksuin holvipadon muoto () saadaan, kun alaosan pohja on yli puolet padon korkeudesta (myös yli 65 % ). Tällaiset holvipadot luetaan toisinaan kuuluvaksi myös gravitaatiopatoihin, sillä jo niiden oma paino riittää pitämään ne paikoillaan veden paineesta huolimatta. 
Edellisestä luokittelusta huolimatta on holvipatojen suunnittelijoilla pyrkimys tehdä padoista niin ohuita kuin mahdollista. Holvipadoissa on ainakin alkuaikoina ollut pyrkimyksenä käyttää ympyräkaaria suunnittelun pohjana. Tämä siitäkin huolimatta, että yleisestä rakennustekniikasta tiedetään muidenkin kartioleikkauksien kelpaavan. Ympyrän sijastä on myös käytetty ellipsiä, hyperbelia, paraabelia, logaritmista spiraalia ja ketjukäyrää. Holvipadon geometrialle on useita erilaisia ratkaisuja, josta alla muutama yleisin.
Lieriömäinen holvipato.
Lieriömäinen holvipato eli vakiosäteinen holvipato on esimerkiksi kuin ympyräpohjainen lieriö, joka halkaistaan pituussuunnassa. Tätä muotoa käytettiin aikoinaan ja sitä saatetaan edelleen käyttää, jos padon leveys on huomattavasti suurempi kuin sen korkeus. Padon märkä puoli seisoo pystyssä, mutta kuivalla puolella pato on paksumpi alhaalta kuin ylhäältä. Joen virtaussuunnassa padon halkaisijan profiiliksi saadaan kolmiominen kuvio. Tämä malli tarvitsee enemmän rakennusmateriaalia kuin kolme seuraavaa mallia. Esimerkiksi Warm Springin pato on tällaista mallia.
Seuraavat patomallit ovat muuttuvasäteisiä holvipatoja.
Vakiokulmainen holvipato.
Vakiokulmainen holvipato on eräs jäljellä olevasta edullisemmasta patomallista. Sen pinta voidaan ajatella syntyvän vaakasuuntaisista kaarista, joiden säde muuttuu pienemmiksi siirryttäessä ylhäältä alas kohti padon juurta. Kaikki kaaret syntyvät kuvitelluista sektoreista, joiden keskuskulma on valittu kiinteäksi. Eräs paljon käytetty keskuskulman arvo on 133,34°. Tämä patomalli on näistä kahdesta ylimmäisestä mallista edullisin, vaikka myös se vaatii vakaan perustuksen.
Muuttuvakulmainen holvipato.
Muuttuvakulmainen holvipato on myös edullinen patomalli. Tämän patomallin rakennetta voidaan tarkastella kerroksittain. Ylhäällä on padolla suurin kaarevuussäde, joka pienenee tultaessa ylhäältä päin alas kohti padon perustusta. Se siis syntyy samalla periaatteella kuin vakiokulmainen patomalli. Ero edelliseen syntyy, kun kaaren sektorin keskuskulma sallitaan pienentyä samalla kun säde lyhenee. Näin padolle saadaan edullisempi muoto V-laaksossa, kun laakson pohjalla tulee seinämien välissä ahdasta. Sen rakenne on vakiokulmaista patoa edullisempi rakentaa.
Kupera holvipato.
Kupera holvipato on silmämääräisesti kaareva sekä vaakasuoria linjoja tarkasteltaessa että pystysuoria linjoja tarkasteltaessa. Vaikutelmaksi saadaan pallomainen muoto. Pato on siis kaareva kaikissa tarkastelusuunnissa ja sitä kutsutaankin sen vuoksi monilla eri nimillä (, ja ). Uudet holvipadot ovat tätä muotoa.
Moniholvinen pato.
Moniholvinen pato rakentuu elementeistä, jotka asetetaan toisiinsa nähden joko suoraan tai kaarevaan muotoon. Elementit nojaavat toisiinsa ja elementtien kaareva holvirakenne työntävät näitä toisiaan vasten tiivistäen padon rakennetta sitä enemmän, mitä suuremmalla paineella varastoaltaan vesi niitä työntää.
Historiaa.
Vaikka gravitaatiopatoja on rakennettu jo yli 5 000 vuotta sitten, on holvipato varsin uusi keksintö. Roomalaiset rakensivat holvipatoja vesihuollon tarpeisiin. Niitä on tavattu lähinnä roomalaisajan Espanjasta ja Ranskasta. Vaikka niistä ei ole säilynyt montakaan, voidaan mainita esimerkkinä roomalaisten Etelä-Ranskaan juuri ennen ajanlaskun alkua rakentama Glanumin pato. Espanjan alueelle rakennettiin ensimmäisellä vuosisadalla jaa. Esparragalejon pato, joka oli moniholvinen pato. Kummatkin padot ovat harvinaisuuksia, sillä roomalaisten tiedetään rakentaneen mieluummin gravitaatiopatoja.
Keskiaikainen esimerkki on muinaisen kaupungin Quamin (nykyinen Iran) lähelle rakennettu Kebarin pato, jonka mongolivalloittajat rakensivat noin 1280 jaa. Sen kaari rakennettiin kalkkikivestä. Padosta tuli noin 26 metriä korkea, kun sitä korotettiin 1600-luvulla, mutta muut alkuperäiset mitat olivat pituus, joka oli noin 60 metriä, ja paksuus, joka oli noin viisi metriä. Kaaren säteeksi on arvioitu 37,5 metriä.
Uuden ajan alussa 1600-luvulla rakennettiin Espanjassa sekä gravitaatio- että holvipatoja. Vuonna 1736 julkaisi Don Pedro Bernardo Villarreal de Berriz kirjansa, jossa hän ohjeisti kuinka pato tulee suunnitella. Hän myös ehdottaa ensimmäisenä moniholvisen padon rakentamista. 1800-luvun alussa rakennettiin neljä merkittävää holvipatoa: Meer Allumin pato Intiaan, Jones Fallsin pato Kanadaan, Zolan pato Ranskaan ja Parramattan pato Australiaan. Meer Allum valmistui 1804 ja se on moniholvinen pato. Vuosina 1837–1832 rakensi kanadalainen John By useita kivirakenteisia holvipatoja Kanadaan. Ranskalainen Fraçois Zola suunnitteli vuonna 1832 kaksi holvipatoa Ranskan Provenceen. Australialainen pato valmistui vuonna 1856. Kaikki nämä padot olivat lieriömäisiä holvipatoja, jotka rakennettiin kivestä muuraamalla. Osa näistä on edelleen käytössä.
Kupera holvipato Ithacan pato rakennettiin vuonna 1903 New Yorkin osavaltioon. Toinen kupera holvipato Osigliettan pato kohosi vuonna 1939 Italiaan.