Maapato

Maapato on pato, joka on rakennettu tiivistetystä maa-aineksesta tai kivestä ja jonka toimivuutta on parannettu vesitiiviillä materiaalilla tai muulla sisäisellä rakenteella. Maapatoja käytetään varastoaltaiden rakenteena vesihuollossa, veden varastoinnissa, jätevesien käsittelyssä, tulvantorjunnassa, virkistyskäytössä, vesiliikenteessä ja vesivoiman tuotannossa. Niille on yhteistä se, että ne ovat kaikki gravitaatiopatoja eli niiden kyky vastustaa padottavan nesteen työntävää voimaa perustuu niihin käytetyn materiaalin suureen painoon.
Luokittelu.
Maapadot voidaan luokitella eri tavoin niiden rakenteensa ja käytetyn materiaalinsa mukaan. Homogeeninen maapato on rakennettu pääasiassa yhdestä materiaalista, ja vyöhykemaapato on rakennettu kerroksittain erilaisesta materiaaleista ja se sisältää erilaisia toiminnallisia rakenteita. Maapatoa voidaan kutsua louhepadoksi, jos sen rakenteessa on yli 50 % louhetta tai luonnonkiveä. Kun maapadon pinta päällystetään lähes vesitiiviillä pinnoitteella, voidaan sitä nimittää pinnoitetuksi maapadoksi. Pieniä maapatoja kutsutaan yleisesti pengerpadoiksi. Patotyömaan geologia määrittää usein sen, millainen maapato on mahdollista rakentaa.
Toiminta.
Perusidea.
Maapadon tulee estää padon sisälle kertyneen veden painosta johtuva sivuttaisen voiman työntävä vaikutus. Maapadon gravitaatio eli paino kohdistaa maaperään suuren voiman, joka aiheuttaa lepokitkaa veden sivuttaista voimaa vastaan. Gravitaatiopadoissa lepokitkavoima pystyy jo yksinään pitämään padon paikoillaan. Maapatojen märkä puoli rakennetaan yleensä vinoiksi, jolloin vesimassat painavat painollansa myös vinoa sivua alaspäin. Tämä auttaa maapatoa tehtävässään.
Veden paineen aiheuttavan tasaisen voiman lisäksi patoon kohdistuu eräitä sysääviä kuormituksia. Niitä aiheuttavat liikkuvan veden törmääminen rakenteisiin, aaltoilu, tuulen nostaman veden tai jään lisäpaine sekä lumi- ja tuulikuormitus. Maanjäristykset ovat oma lukunsa, mutta niistä maapadot ovat yleensä selvinneet betonipatoja paremmin.
Ongelmia.
Jos maapato rakennetaan karkeasta aineksesta, kuten sorasta tai kalliolouheesta, tulee padosta tehdä hyvin leveä veden läpi suotumisen hillitsemiseksi. Mitä hienompaa käytetty maa-aines on, sen paremmin se hidastaa veden läpisuotumista. Voidaan ajatella, että savi sopii tähän tarkoitukseen parhaiten, mutta savella on omat ongelmansa. Mitä hienompaa käytettävä maa-aines on, sen loivemmiksi tulee padon sivut tehdä. Hieno maa-aines valuu helpommin rinteitä alas ja on alttiimpaa eroosiolle. Tämä ominaisuus korostuu maa-aineksen vettyessä. Padon märän puolen rinne tulee rakentaa loivemmaksi kuin kuivan puolen rinne. Eri aineksien hyviä ominaisuuksia pyritään hyödyntämään sekoittamalla ne keskenään. Suomessa on kuitenkin helposti saatavilla moreenia, joka sisältää luonnostaan savea, hietaa, hiekkaa, mursketta ja kiviä. Sen suoto-ominaisuudet ovat hyvät ja padon rakenne voidaan sitä käyttäen pakata jäykäksi.
Yhdistelemällä erilaisia maa-aineksia kerroksiksi voidaan tietyt ongelmat sivuuttaa. Esimerkiksi vesitiiviys saadaan savesta rakennetulla ytimellä, suuri massa sen ympärille kasatulla hiekalla ja eroosion kestävä pinta siihen levitetyllä kivilouheella. On kuitenkin havaittu, että monikerroksinen rakenne elää valmistumisensa jälkeen. Lisäksi sen rakenteet toimivat veden kanssa eri tavalla ja ympäristön vaikutukset voivat vahingoittaa patoa. Siksi vyöhykemaapato on vaikea rakentaa pysyväksi ja turvalliseksi, jos siitä tehdään liian pieni. Vyöhykepadot ovatkin hyvin suuria homogeenisiin maapatoihin verrattuna.
Padon rakentamisessa kohdataan usein materiaalien saatavuusongelmia. Pahimmillaan sopivaa maa-ainesta ei ole saatavilla ja sitä joudutaan tuomaan kaukaa. Toinen ratkaisu on käyttää ympäristön materiaalia luovalla tavalla ja sopeuttaa padon rakenteet sen mukaisiksi. Padoista tulee silloin suuria, mutta silti taloudellisia rakentaa.
Maapatojen paino on valtava ja jos padon alle jäävä perusta ei ole riittävän tukeva, alkaa se hitaasti painumaan painon alla. Epätasaisessa painumisessa maapatojen sisäisissä rakenteissa syntyy murtumia ja se voi käynnistää suotovirtauksia ja padon sisäistä eroosiota. Jos maapato rakennetaan peruskallion päälle, voidaan perustan kestävyyteen luottaa. Kalliopinta kerää kuitenkin kaiken yläpuolelta vajoavan suotoveden pinnallensa ja vesi voi alkaa virtaamaan pitkin kallion pintaa. Siksi kallioiseen perustaan louhitaan painanne ja painanteen keskiosaan louhitaan tiivistysosan alle lisäsyvennys. Molempien syvennysten toivotaan hillitsevän suotovirtauksia tai jopa katkaisevan ne kokonaan.
Homogeeninen maapato.
Homogeeninen maapato on määritelmänsä mukaan yhdestä samanlaatuisesta maa-aineksesta rakennettu pato. Käytännössä homogeenisiksi kutsutaan myös sellaisia patoja, joissa maa-ainesta on 50–100 %. Tämä siksi, että vyöhykemaapadot ovat erittäin mutkikkaita rakentaa ja ero näiden välillä on varsin selkeä. Toinen ero on niiden kokoeroissa. Homogeeniset maapadot ovat pienempiä kuin vyöhykemaapadot ja ne ylittävät harvemmin 10 metrin korkeuden. 
Rakenne.
Suomessa maapadot rakennetaan yleensä moreenista, savesta, siltistä ja hiekasta. Jos siihen on tarvetta, maa-aineksia voidaan sekoittaa keskenään. Pienet maapadot jätetään yleensä verhoamatta ja niiden annetaan kasvaa heinää tai jopa puita. Tämän estämiseksi maapadot kuitenkin verhoillaan kerroksella kivilouhetta tai kivisoraa. Kerroksen tehtävänä on sitoa alle jäänyt aines paikalleen sadeveden, allokon, virtaavan veden tai jäiden aiheuttamaa eroosiota vastaan.
Ominaisuudet ja ratkaisut.
Homogeenisessa maapadossa voidaan koko padon olettaa olevan kuin vyöhykemaapadon tiivistyssydän. Jos pato ehkäisee veden tunkeutumisen sisällensä, ei turvallisuusongelmia synny. Yleensä vesi kuitenkin tunkeutuu rakennehiukkasten välisiin huokosiin ja hiljalleen kyllästää padon maa-aineksen vedellä. Tämä heikentää rakenteen vakautta ja maapadon rinteet voivat liukua tai sortua alas. Maapato kannattaa salaojittaa ja kerätty suotovesi johtaa pois padosta, jotta suuri osa padosta pysyy ilmavana. Myös padon kuivan puolen perusta kannattaa avo-ojittaa samasta syystä.
Vaikka suotovedelle ei voidakaan mitään, on sen vaikutus hyvä ottaa huomioon. Varastoaltaan vesi tunkeutuu patovalliin samalla tavalla kuin sadevesi tunkeutuu maaperään pohjavedeksi. Padon sisälle muodostuu niin sanottu suotoviiva, joka vastaa maaperän pohjaveden pintaa maapadossa. Suotoviivan voi katkaista lisäämällä maapadon sisälle vettä paremmin läpäiseviä materiaaleja, jolloin suotunut vesi kulkeutuu nopeampaa reittiä padosta ulos.
Jos varastoaltaassa vedenpinta vaihtelee paljon ja äkillisesti, saattaa suotovesi aiheuttaa muita ongelmia. Kun vesialtaan vesi ei enää paina maapadon märkää rinnettä, muodostuu padon vedellä kyllästetyssä raskaassa osassa sisäistä painetta, joka pyrkii työntämään rakenteita sivulle päin. Näin voi padon märkä puoli sortua patoaltaan veteen. Maapadon sisälle voidaan kerroksien väliin jättää suotoveden liikettä hidastavia suodattimia, jolloin rakenne pysyy paremmin kasassa. Nykyään on yleistä rakentaa maapadon ydin vettä heikosti pidättelevästä karkeasta maa-aineksesta ja päällystää padon pinta vettä huonosti läpäisevällä materiaalilla. Pinnoitteena käytetään esimerkiksi betonia, asvalttia, muovia tai terästä. Tällainen tiivispintainen homogeeninen maapato voi olla jopa 100 metriä korkea.
Vyöhykemaapato.
Vyöhykemaapato eli vyöhykepato on monirakenteinen ja siinä käytetään rakennettaessa sekä luonnosta kaivettua materiaalia että keinotekoisia materiaaleja.
Rakenteita.
Vyöhykemaapadon keskellä on yleensä vettä huonosti läpäisevä tiivistysosa, sen ympärillä suodinosat ja reunoja kohottavia tukipenkereitä. Tiivistysosa tulee olla korkeampi kuin varastoaltaan ylin vedenpinnan korkeus. Se sijaitsee yleensä keskellä padon sisällä tai se nousee märän rinteen puolella vinosti ylöspäin katkaisten sinne muodostuvan suotoviivan heti alkuunsa. Tiivistysosan materiaali on yleensä heikompaa kuin sitä molemmilta puolilta tukeva täyttömateriaali. Tiivistysosa kestää murtumatta, mikäli ympäröivä täyttömaa on jyrätty niin tiiviiksi, ettei se enää painu kasaan. 2000-luvulla suositaan yleensä karkeasta materiaalista rakennettuja maapatoja, joiden kummatkin rinteet ovat jyrkkiä. Tällaisessa maapadossa tiivistysosa rakennetaan pintakerroksen alle märälle puolelle tai se jätetään pintaan (tiivistysverho). Pintaan jätetty tiivistysverho on yleensä betonia tai asvalttia ja sen alle jää hienojakoinen täyttöaine ja sen alle taas karkearakeinen täyttöaine. Jos karkearakenteinen täyttöaine on louhetta, luokitellaan maapato louhepadoksi.
Ongelmia ja ratkaisut.
Maapatojen painuminen on tunnustettu asia, joka ei ole suuri ongelma homogeenisissa maapadoissa. Vyöhykemaapadoissa erilaiset maa-aineet painuvat eri tavalla, mikä täytyy rakentaessa ottaa huomioon. Epätasainen painuminen on ongelma, jos tiivistysosaan tulee murtumia. Silloin suotovedet pääsevät tiivistysosan läpi ja padon sisälle syntyy suotovirtauksia ja mahdollisesti eroosiota. Toinen ongelma on erilaisten maa-ainesten käyttäytyminen kastuessa. Mikäli niiden tilavuudet muuttuvat vettyessä, aiheuttaa se samanlaisia ongelmia kuin epätasainen painuminen.
Turvallisuus.
Sääolot, kasvillisuus ja eläimet.
Maapadot ovat täytemateriaalina käytetyn irtomaan vuoksi alttiita sadeveden eroosiolle. Yleensä on kuitenkin hyväksi, että sadevesi imeytyy patorakenteisiin. Maapato tulee kuitenkin päällystää niin, etteivät rankkasateet kuljeta pintamaata padon rinteiltä alas. Pitkäaikaiset sateet voivat nostaa varastoaltaan vedenpintaa liian korkealle. Silloin on altaasta päästettävä ylimääräinen vesi pois avaamalla juoksutusluukut tai antamalla ylijuoksutuskanavien tehdä tehtävänsä. Tämäkään ei aina riitä, sillä menneisyyden pato-onnettomuuksissa on tilanne kärjistynyt mahdottomina pidettyjen sääolojen takia.
Arktisilla alueilla on talvella seurattava valuma-alueen lumitilannetta. Kun siihen yhdistetään harvinaiset runsassateiset sääolot, voi tulvatilanne muodostua hetkessä. Alijäähtyneen veden hyyde voi samalla tukkia juoksutusportit, jolloin varastoaltaan tulviminen yli tulee mahdolliseksi. Suotoveden kyllästämä maa-aines routii jäätyessään. Routavauriot ovat yleisempiä vyöhykemaapadoille kuin homogeenisille maapadoille. Ehkä haitallisin vaihe on roudan sulaminen, kun osa maa-aineksesta on edelleen jäätyneenä, mutta ympärillä on sulanutta ja kosteaa maata. Tilanne voi johtaa sisärakenteiden murtumiin.
Maapatojen pinta tulisi pitää vapaana kasvillisuudesta. Puiden juurien tunkeutuminen padon rakenteisiin voi murtaa siellä sijaitsevia tiivistysrakenteita tai tukkia salaojia. Eläimet voivat kaivaa käytäviä rakenteisiin,jolloin vedelle muodostuu suoria kanavia purkautua ulos padosta.
Vaurioitumistapoja.
Sisäinen eroosio syntyy suotovirtauksen paikallisesta kiihtymisestä. Liikkuva vesi kuljettaa mukanaan pienhiukkasia ja jäljelle jää karkeampaa maa-ainesta, jolloin maa-aineksen vedenläpäisykyky kasvaa paikallisesti. Näitä kutsutaan vuotokanaviksi. Kun vesi liikkuu vuotokanavassa nopeammin, lisääntyy eroosio entisestään. Lisääntynyt veden virtausnopeus kiihdyttää eroosiota ja pian alkaa vesi valua padon läpi. Liikkuva vesi purkautuu padon kyljestä ulos ja tuo purkauskohdalle kuljettamaansa maa-ainesta. Tapahtumasta kehittyy vaaratilanne, ellei vuotoa havaita ajoissa. Lopputuloksena voi olla padon katkeaminen ja varastoaltaan tyhjentyminen vedestä.
Tulvat nostavat varastoaltaassa vedenpintaa ylemmäksi. Tätä tilannetta varten on patoihin rakennettu juoksutusportteja tai ylijuoksutuskanavia. Maapatoja ei ole suunniteltu kestämään ylivalumista, koska irtonainen maa-aines lähtee helposti virtaavan veden mukaan ja silloin padon harjalle syöpyy uoma. Lopputuloksena pato katkeaa ja allas tyhjenee.
Ikääntyneen padon sisäisissä rakenteissa voi olla vanhoja vaurioita, joita ei voi silmämääräisesti havaita. Erityisesti padon pitkittäissuuntaiset halkeamat ennakoivat padon sortumista. Myös perustan painuminen patorakenteiden ja allasveden painon alla on turvallisuutta heikentävä tilanne. Rakenteiden liikkuminen voi aiheuttaa toissijaisia lisävaurioita, jotka yhdessä johtavat onnettomuuteen.
Häiriötilanteiden toimenpiteitä ja valvonta.
Onnettomuustilanne, jossa pato murtuu ja vesiallas tyhjenee lähiympäristöön, voi olla ihmishengelle vaarallinen ja se voi aiheuttaa taloudellista vahinkoa. Valvonnalla voidaan kuitenkin ehkäistä tilanteen kehittyminen tähän pisteeseen. Kun vaurio havaitaan ajoissa, ehditään se yleensä korjata. Eräissä tapauksissa patoallas voidaan joutua tyhjentämään tai sen vedenpintaa alentamaan onnettomuuden estämiseksi tai siksi, että patorakenteet voidaan avata turvallisesti korjausta varten.
Patoja, joiden murtuminen voi aiheuttaa hengenvaarallisia tilanteita tai merkittäviä taloudellisia vahinkoja, tulee Suomen lain mukaan valvoa. Padot luokitellaankin onnettomuuden haittavaikutuksien mukaan turvallisuusluokkiin.
Historiaa.
Patoja rakennettiin varhaisissa sivilisaatioissa ilmeisesti kasteluveden ohjaamiseksi ja alavien maiden tulvantorjunna vuoksi. Varhaisin ja luotettavin havainto maapadosta on Jordaniassa sijaitseva Jawan pato, jonka iäksi on arveltu 5 000 vuotta. Se on rakennettu kasaamalla maa-aineksesta aumaksi ja sen rakenteita on tuettu kivimuurauksella. Pato on muodostanut veden varastoaltaan. Padon märällä puolella oli tiivistysosa, jonka tarkoitus oli estää veden liiallinen suotuminen maa-aineksen läpi. Patoa on myös korotettu ja sen yhteydessä siihen lisättiin kivisuodatin estämään nopean vedenpinnan laskun aiheuttamat sortumat.
Tiedetään varmuudella, että patoja rakennettiin varhaisissa sivilisaatioissa ainakin nykyisten Egyptin, Intian ja Kiinan alueilla. Niissä kaikissa patojen rakenne oli lähes sama. Pato muodosti aumamaisen muodon, jossa sekä padon märkä että sen kuiva puoli vietti loivasti alaspäin. Padon leveys oli moninkertainen sen korkeuteen nähden. Patojen rakennustekniikka oli alkeellinen ja vailla erikoistuneita ratkaisuja. 
Vasta roomalaiset kehittivät padonrakennustaidon uudelle tasolle kehittäessään asutuskeskuksiensa vesihuoltoa. Tässä auttoi suuresti sementin ja vedenpitävän laastin keksiminen. Patojen rakentamisessa on kehitytty yrityksen ja erehdyksen kautta. Pahimmat ongelmat olivat veden hydrostaattinen paineen työntävä vaikutus ja veden tunkeutuminen huokoiseen maa-ainekseen. Niiden voittaminen on kehittänyt alaa hitaasti eteenpäin. Nykyinen maapatotekniikkaa on 1900-luvulla kehittynyt huimasti eteenpäin uusien materiaalien käyttöönoton johdosta.