Betonnen dam

Achtergrond

Betonnen dammen zijn gebouwd in vier basisvormen. De betonnen zwaartekrachtdam heeft gewicht als sterkte. Een dwarsdoorsnede van deze dam ziet eruit als een driehoek en de brede basis is ongeveer driekwart van de hoogte van de dam. Water in het reservoir stroomopwaarts van de dam duwt horizontaal tegen de dam en het gewicht van de zwaartekrachtdam duwt naar beneden om de waterdruk tegen te gaan. De betonnen steundam gebruikt ook zijn gewicht om de waterkracht te weerstaan. Het is echter smaller en heeft steunberen aan de basis of teen van de dam aan de stroomafwaartse zijde. Deze steunberen kunnen smalle muren zijn die zich uitstrekken vanaf de voorkant van de dam, net zoals de "vliegende steunberen" die de muren van de kathedraal ondersteunen, of een enkele steunbeer die lijkt op een korte dam kan worden gebouwd langs de breedte van de teen van de dam.

De boogdam is een van de meest elegante civieltechnische constructies. In dwarsdoorsnede is de dam smal in de breedte, maar van bovenaf gezien is deze gebogen, zodat de boog naar het water is gericht en de kom van de bocht stroomafwaarts lijkt. Dit ontwerp gebruikt de eigenschappen van beton als sterkte. Beton is niet sterk in trek (wanneer het wordt getrokken of uitgerekt), maar het is erg sterk in druk (wanneer het wordt geduwd of verzwaard). De boogdam gebruikt het gewicht van het water erachter om tegen het beton te duwen en eventuele voegen te sluiten; de kracht van het water is onderdeel van het ontwerp van de dam. De boog-zwaartekrachtdam is een combinatie van het boogtype en het zwaartekrachttype, zoals de naam al doet vermoeden; het is een bredere boogvorm. Dammen met meerdere bogen combineren de technologie van boog- en steunbeerontwerpen met een aantal enkele bogen die worden ondersteund door steunberen.

Betonnen dammen worden vaker gebruikt dan vuldammen om waterkracht te produceren, omdat in het beton poorten (ook wel sluizen genoemd) of andere soorten uitlaatconstructies kunnen worden ingebouwd om het water op een gecontroleerde manier uit het reservoir te laten stromen. Wanneer stroomafwaarts water voor stroom, drinkwater of irrigatie nodig is, kunnen de poorten worden geopend om de benodigde hoeveelheid gedurende een bepaalde tijd vrij te geven. Stroomafwaarts kan het water in de rivier blijven stromen, zodat vissen en andere dieren in het wild kunnen overleven. Zowel betonnen als opvuldammen moeten noodoverlaten hebben, zodat het overstromingswater veilig stroomafwaarts kan worden afgevoerd voordat het water over de bovenkant of de top van de dam stroomt en deze mogelijk erodeert. Overlaten geleiden het water stroomafwaarts en ver onder de basis of teen van de dam, zodat de dam en de fundering niet worden aangetast.

De meeste dammen die in de twintigste eeuw zijn gebouwd en die tegenwoordig worden ontworpen, hebben verschillende doelen. Er zijn meer dan 40.000 dammen die hoger zijn dan 45 ft (15 m) en geclassificeerd zijn als grote dammen, en meer dan de helft hiervan is gebouwd sinds 1960. Van deze dammen bevindt zich 16% in de Verenigde Staten en 52% in China; 83% zijn opvuldammen die voornamelijk worden gebruikt voor wateropslag, en de resterende 17% zijn betonnen of gemetselde dammen met meerdere doeleinden. Dammen die waterkracht opwekken, produceren 20% van de elektriciteit in de wereld.

Geschiedenis

Opvuldammen kunnen een veel oudere bouwtechniek zijn dan betonnen of metselwerkdammen, maar de oudste nog bestaande dam is Sadd el Kafara, ongeveer 32 km ten zuiden van Caïro, Egypte. Deze dam is eigenlijk een composiet bestaande uit twee gemetselde muren met de ruimte ertussen gevuld met grind; het werd gebouwd tussen 2.950 en 2.750 v. Chr.

De oude Romeinen ontwikkelden superieure technieken voor het bouwen met metselwerk, maar vreemd genoeg gebruikten ze hun metselvaardigheden niet vaak bij het bouwen van dammen. Een uitzondering vormde de Proserpina-dam in Merida, Spanje, die er nog steeds staat. Ontwikkelingen van de Romeinen werden door anderen niet over het hoofd gezien. In ongeveer 550 A.D. , gebruikten de Byzantijnen aan de oostelijke rand van het Romeinse Rijk de vorm van de Romeinse metselwerkboog om te bouwen wat volgens de geschiedenis de eerste boog-zwaartekrachtdam ter wereld was. Dambouw kwam naar Amerika met de conquistadores. In Mexico zagen ze droog land dat irrigatie nodig had en imiteerden ze de dammen die de Romeinen, moslims en Spaanse christenen in hun thuisland hadden gebouwd; de katholieke kerk financierde de bouw en veel van de missionarissen waren bekwame ingenieurs.

Dambouw was zeldzaam in Europa tot de industriële revolutie. De noordelijke klimaten produceerden meer regen, dus waterkracht was van nature aanwezig en de watervoorziening was overvloedig. In de achttiende eeuw maakte de opkomst van de industrie echter een constante, betrouwbare toevoer van waterkracht met grotere kracht noodzakelijk, dus het bouwen van metselwerk en betonnen dammen werd populair in Europa. De industriële revolutie zorgde ook voor ontwikkelingen in wetenschap en techniek, en de specialiteit civiele techniek, waaronder het ontwerpen en bouwen van constructies om de kwaliteit van leven te verbeteren, ontstond in de jaren 1850. Vroege civiel ingenieurs begonnen de fysica en andere wetenschappelijke theorieën van Sir Isaac Newton te bestuderen en deze toe te passen op praktische constructies, waaronder dammen.

Restanten van de stuwdam in Austin, Pennsylvania na het falen op 30 september 1911.

Op 30 september 1911 werd de stad Austin (3200 inwoners) in het bergachtige noorden van centraal Pennsylvania geteisterd door een stortvloed van water dat door de vallei raasde, geleid door zijn smalheid en ruige muren. De kracht rukte gasleidingen van onder de straten; en zodra de muur van water passeerde, stak een dolende vlam het gas aan en het vuur sprong van gasleiding naar gasleiding en huis naar gebouw door de overblijfselen van de 30 jaar oude stad Austin. Volgens de eerste berichten waren 1.000 mensen omgekomen, hoewel latere informatie het dodental op 50 tot 149 bracht. De bron van dit verdriet was ook de bron van levensonderhoud voor Austin. De Bayless Pulp and Paper Mill was eigenaar van de betonnen dam, die het in 1909 had gebouwd om een ​​wateropslagreservoir te bieden voor zijn waterintensieve pulp- en papierproductie. Er was een voorbode van deze ramp in januari 1910 toen, na intense winterregen en smeltende sneeuw, scheuren in de dam waren waargenomen. De scheuren werden gerepareerd, maar ze werden niet herkend als aanwijzingen voor problemen in verband met de fundering, het ontwerp en de constructie van de constructie.

De dam was nog in aanbouw toen de winter van 1909-1910 naderde. De temperaturen waren onder het vriespunt toen een deel van het beton werd geplaatst en de laatste fasen van de constructie werden haastig voltooid. De dam werd voltooid op ongeveer 1 december 1909 en een scheur die van de top van de dam verticaal naar de grond liep, was zichtbaar toen de bouw voltooid was. Tegen het einde van de maand was er een tweede barst verschenen. Beide scheuren leken het gevolg te zijn van samentrekking van het beton. Op 17 januari 1910 bracht een warme periode zware regenval en veroorzaakte snelle sneeuwsmelting, en vier dagen later stroomde het water over de overlaat.

Alle technische aspecten van Austin Dam waren slecht. De constructiefouten waren duidelijk en omvatten het gebruik van zwak, te groot aggregaat dat bij vriesweer in niet goed uitgehard beton werd geplaatst. Toen de storing in januari 1910 plaatsvond, bleek dat de damstructuur en het fundament waarop de fundering werd gelegd, hadden gefaald. Het negeren van de door de monteur aanbevolen reparaties door de eigenaar/bediener was de fatale verzegeling.

Grondstoffen

De belangrijkste grondstoffen voor betonnen dammen zijn beton zelf en staalwapening. een aantal andere materialen en componenten die door gespecialiseerde aannemers zijn gemaakt, kunnen worden gebruikt bij de bouw van dammen, waaronder stalen poorten en tunnelbekledingen, rubberen waterstoppen, plastic voegvulmiddelen om de beweging van water te voorkomen, elektrische bedieningselementen en bedrading, sifons, kleppen, stroomgeneratoren , een breed assortiment aan instrumenten en zelfs Teflon-platen om waterafvoerstructuren te bekleden om turbulentie en cavitatie (schade door wervelend water) te voorkomen.

Beton zelf is gemaakt van cement, water en materialen die gezamenlijk aggregaat worden genoemd en die uit zand of grind bestaan. Cement heeft unieke eigenschappen waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van het cement, het ontwerpen van de dam en de timing van de constructie. Het mengen van cement en water veroorzaakt een chemische reactie die beton hard maakt, maar waarbij ook warmte vrijkomt. Dit veroorzaakt een duidelijke temperatuurstijging in een betonmassa, en wanneer het beton begint af te koelen, krimpt het en barst het, wat mogelijk lekkage veroorzaakt. Om deze effecten te beperken, kan beton worden geplaatst bij een lage luchttemperatuur, kan cement op lage temperatuur worden gebruikt en kan water door leidingen in het beton worden gecirculeerd. Verder moet het beton in ondiepe liften worden geplaatst (d.w.z. er worden slechts enkele voet of meter per keer toegevoegd) en in smalle blokken; dan moet het gedurende een bepaalde minimumtijd kunnen uitharden, zodat de warmte verdwijnt. Afhankelijk van het ontwerp van de dam, zullen ingenieurs de betonmix (inclusief het cement en het type aggregaat) zeer zorgvuldig kiezen; een dunne boogdam is ontworpen met een andere betonmix dan een massieve zwaartekrachtdam.

Ontwerp

Het ontwerp van een betonnen dam hangt af van het doel van de dam en de configuratie van de locatie waar deze zal worden gebouwd. Dammen zijn van twee algemene typen. Overloopdammen blokkeren de stroming in een beek en benutten het water voor het opwekken van stroom of om de navigatie te verbeteren en irrigatiewater te leveren. De componenten van een overloopdam zijn zo ontworpen dat het water kan worden afgevoerd en het waterpeil in het reservoir kan worden geregeld door een reeks sluizen, overlaten of uitlaattunnels. Niet-overloopdammen slaan water op voor drinkwatervoorziening, irrigatie of stroomvoorziening; ze hebben ook een overlaat, maar het gebruik ervan is beperkt voor noodgevallen om het waterpeil snel te verlagen tijdens overstromingen. Methoden voor het afvoeren van het opgeslagen water zijn veel beperkter dan bij overloopdammen en de dam zelf mag geen afvoerstructuren bevatten. In plaats daarvan kan water voor irrigatie bijvoorbeeld uit een deel van het reservoir worden weggepompt.

Sommige locaties zijn het meest geschikt voor bepaalde soorten dammen. Een boogdam is het meest geschikt voor constructie in een hoge, smalle kloof waar de boog van de structurele vorm kracht geeft. Maar een boog kan ook over een bredere kloof worden gebouwd, waar andere effecten, zoals wrijving op de basis van de dam, kracht en weerstand tegen beweging toevoegen. Evenzo is een zwaartekrachtdam de typische keuze voor een ondiepe, brede kloof, maar als deze met enige kromming is gebouwd, zal boogwerking ook een zwaartekrachtdam in een smallere en hogere kloof versterken. Waar de rivierbedding uitzonderlijk breed is, kan de dam worden ontworpen om meerdere overspanningen te hebben, elk met verschillende technische eigenschappen, afhankelijk van de variatie van funderingsmaterialen. De afzonderlijke overspanningen worden aan de stroomafwaartse (lucht)zijde meestal ondersteund door steunberen of de verlengde welvingen van meerdere bogen. Soms zijn de overspanningen van dammen met meerdere overspanningen gemaakt van betonplaten of stalen platen die op pijlers worden ondersteund.

Net als opvuldammen ondergaan betonnen dammen uitgebreide rondes van voorlopig ontwerp en haalbaarheidsstudies om de locatie te kiezen en te verkennen, om de hoeveelheid vastgehouden water en de waarde ervan (als krachtbron of voorzieningsbron) te evalueren ten opzichte van de kosten van het project over de verwachte werkingsjaren, om een ​​breed scala aan andere effecten in overweging te nemen, zoals veranderingen in de omgeving, en om een ​​dam te kiezen met de optimale grootte en configuratie. Honderden factoren spelen een rol bij deze onderzoeken en het proces is meestal iteratief. Een ontwerp wordt gekozen en getest op al deze factoren totdat het niet voldoet aan een of meer factoren, en de volgende variatie in ontwerp wordt gekozen en bestudeerd totdat het faalt - of slaagt.

Bij het ontwerpproces voor een betonnen dam zijn doorgaans professionals betrokken uit een breder scala aan disciplines dan bij het ontwerpen van een opvuldam. De technische professionals die hun expertise bijdragen aan het ontwerp van een betonnen dam kunnen onder meer geologen, seismologen, milieuwetenschappers, geotechnische (bodem)ingenieurs, civiel ingenieurs, structurele ingenieurs, computeranalisten (specialisten in softwaretoepassingen die de sterkte en veiligheid van de dam onderzoeken), hydrologen en waterbouwkundigen, werktuigbouwkundigen en elektrotechnici als de dam wordt gebruikt voor energieopwekking. Nog meer specialisten kunnen aspecten als corrosie van beton- en staalconstructies bestuderen. Het teamwerk dat nodig is voor het ontwerp en de constructie van de dam is van cruciaal belang, niet alleen vanwege de enorme kosten van deze projecten, maar ook vanwege de veiligheid Een voorbeeld van een typisch zwaartekrachtdamplan met betonnen boog. van personen en goederen stroomafwaarts eist perfectie.

Het bouwproces

1. Voordat met de bouw van een dam kan worden begonnen, moet het water in de stroombedding worden omgeleid of moet het water niet meer door de locatie stromen. Net als bij vuldammen moet een kofferdam (een tijdelijke constructie om het water op te pompen) worden gebouwd of moet het water worden omgeleid naar een ander kanaal of gebied stroomafwaarts van de damlocatie. Voor grote projecten kan deze constructie meerdere seizoenen worden uitgevoerd voordat de bouw van de dam begint. De waterstroom wordt op het allerlaatste moment afgesloten.

2. Het funderingsgebied voor een betonnen dam moet vlekkeloos zijn voordat het eerste beton voor de dam wordt geplaatst. Wat betreft opvuldammen, dit is een gedetailleerd proces van uitgraven, schoonmaken en repareren van de rots door de hele "voetafdruk" van de fundering en op beide landhoofden (de zijkanten van de kloof die de uiteinden van de dam vormen). Locaties direct stroomafwaarts van de dam voor een krachtcentrale, stilling basin of andere constructie moeten ook worden voorbereid.

   Op sommige locaties kan uitgebreid werk nodig zijn. Als het gesteente in de fundering of landhoofden vatbaar is voor breuk vanwege de belasting die wordt uitgeoefend door de dam en het reservoir, de aardbevingsactiviteit of de eigenschappen van het gesteente, kan het nodig zijn uitgebreide systemen van rotsbouten of ankerbouten te installeren die door potentiële breukzones in het gesteente gevoegd. Op de landhoofden boven de dam kunnen systemen van rotsbouten en netten nodig zijn om te voorkomen dat grote rotsfragmenten op de dam vallen. Instrumenten om grondwaterstanden, gezamenlijke beweging, potentiële kwel, hellingbewegingen en seismische activiteit te bewaken, worden geïnstalleerd vanaf de vroege stadia van de funderingsvoorbereiding tot en met de voltooiing van de dam.

   Een scheidingsmuur kan diep in de rots worden uitgegraven of er kunnen gaten in de fundering worden geboord voor de installatie van wapeningsstaal, wapeningsstaven genaamd, die zich uitstrekken tot in de dam en aan het staal worden vastgemaakt in de eerste liften van de dam. Het idee is om een ​​reservoir te bouwen dat, net als een kom, rond zijn omtrek even solide is. Het water is het diepst en het zwaarst bij de dam (wanneer het reservoir bijna vol is), dus de dam en de fundering ervan kunnen geen zwak punt in die omtrek zijn.

3. Langs de randen van elk deel van de dam zijn vormen gemaakt van hout of staal. Wapening wordt in de formulieren geplaatst en vastgemaakt aan een aangrenzende wapening die eerder was geïnstalleerd. Het beton wordt vervolgens gestort of ingepompt. De hoogte van elke betonlift is typisch slechts 5-10 ft (1,5-3 m) en de lengte en breedte van elk damgedeelte dat als een eenheid moet worden gestort, is slechts ongeveer 50 ft ( 15 meter). De bouw gaat op deze manier door, aangezien de dam sectie voor sectie en lift per lift wordt verhoogd. Sommige grote dammen zijn gebouwd in secties die blokken worden genoemd met sleutels of vergrendelingen die aangrenzende blokken en constructiestaalverbindingen met elkaar verbinden.

   Het proces lijkt veel op het bouwen van een gebouw, behalve dat de dam veel minder interne ruimte heeft; verrassend genoeg hebben grote betonnen dammen observatiegalerijen op verschillende niveaus, zodat de toestand van de binnenkant van de dam kan worden waargenomen voor kwel en beweging. Inlaat- en uitlaattunnels of andere constructies gaan ook door betonnen dammen, waardoor ze heel anders zijn dan vuldammen met zo min mogelijk constructies die de massa van de dam binnendringen.

4. Zodra een aanzienlijk deel van de dam is gebouwd, kan het proces van het vullen van het reservoir beginnen. Dit wordt op een zeer gecontroleerde manier gedaan om de spanningen op de dam te evalueren en de vroege prestaties te observeren. Een tijdelijke noodoverlaat wordt aangelegd als de bouw van een dam meer dan één bouwseizoen duurt; langdurige constructie wordt meestal gedaan in fasen die fasen worden genoemd, maar elke fase is op zichzelf volledig voltooid en is een operationele dam. De bovenstroomse kofferdam kan als tijdelijke voorzorgsmaatregel op zijn plaats blijven, maar is meestal niet ontworpen om meer dan minimale stroomstromen en regenval op te vangen en zal zo snel mogelijk worden afgebroken. Afhankelijk van het ontwerp worden sommige dammen pas gevuld als de bouw in wezen voltooid is.

5. De andere constructies die de dam operationeel maken, worden toegevoegd zodra de hoogte van hun locatie wordt bereikt als de dam stijgt. De laatste componenten zijn erosiebescherming aan de stroomopwaartse (water)zijde van de dam (en soms stroomafwaarts aan de voet van uitlaatconstructies), instrumenten langs de top (bovenkant) van de dam, en wegen, trottoirs, straatverlichting en waterkeringen. muren. Een grote dam als Hoover Dam heeft een volwaardige rijbaan langs de top; kleine dammen zullen onderhoudswegen hebben die alleen voertuigen in één bestand toegang geven.

   Dwarsdoorsnede van een typische zwaartekrachtdam met betonnen boog. De hoogte is 280 voet (85 m). De dikte groeit van 16 ft (4,9 m) bovenaan tot 184 ft (56 m) aan de basis.

   Buiten de dam zelf zijn ook de krachtpatser, instrumentgebouwen en zelfs huizen voor bewoners van de dam klaar. De eerste tests van alle faciliteiten van de dam worden uitgevoerd.

6. De laatste details van de constructies worden ingepakt terwijl de dam in gebruik wordt genomen. Het begin van de levensduur van de dam is ook zorgvuldig gepland als een ontwerpitem, zodat water in het reservoir beschikbaar is zodra het toevoersysteem klaar is om het bijvoorbeeld op te pompen en af ​​​​te voeren. Een programma van operaties, routineonderhoud, rehabilitatie, veiligheidscontroles, instrumentbewaking en gedetailleerde observatie zal worden voortgezet en is wettelijk verplicht zolang de dam bestaat.

Kwaliteitscontrole

Zonder intensieve kwaliteitscontrole is er geen dambouw. Het proces van bouwen alleen omvat zwaar materieel en gevaarlijke omstandigheden voor zowel bouwvakkers als het publiek. De bevolking die stroomafwaarts van de dam woont, moet over de constructie zelf worden beschermd; de professionals die deze projecten ontwerpen en bouwen, zetten zich absoluut in voor veiligheid, en ze worden gecontroleerd door lokale, provinciale en federale instanties zoals Divisions of Dam Safety, het US Corps of Engineers en het Department of Reclamation.

Bijproducten/afval

Er zijn geen bijproducten in het ontwerp of de constructie van dammen, hoewel een aantal andere bijbehorende of ondersteunende faciliteiten nodig kunnen zijn om het project te laten werken. Afval is ook minimaal omdat materialen te duur zijn om afval toe te laten. Bovendien zijn locaties vaak afgelegen en is het proces van het weghalen van afval van de locatie en het weggooien onbetaalbaar. Grond en gesteente die kunnen worden opgegraven uit het funderingsgebied, stroomafwaartse locaties, de landhoofden of delen van het reservoir worden meestal elders op de projectlocatie gebruikt. Hoeveelheden materialen die zijn weggesneden of als vulling zijn geplaatst, worden zorgvuldig berekend om in evenwicht te komen.

De Toekomst

De toekomst van betonnen dammen is het onderwerp van veel discussie. Elk jaar gaan meer dan 100.000 levens verloren bij overstromingen, en de beheersing van overstromingen is een belangrijke reden voor het bouwen van dammen, het beschermen van estuaria tegen overstromingen en het verbeteren van de navigatie. Levens zijn ook gebaat bij dammen omdat ze watervoorraden leveren voor de irrigatie van velden en voor drinkwater, en hydro-elektrische energie is een niet-vervuilende bron van elektriciteit. Reservoirs worden ook genoten voor recreatie, toerisme en visserij.

Dammen zijn echter ook schadelijk voor het milieu. Ze kunnen ecosystemen veranderen, bossen en dieren in het wild verdrinken (inclusief bedreigde soorten), de waterkwaliteit en sedimentatiepatronen veranderen, landbouwgrond en vruchtbare grond verliezen, rivierstromen reguleren, ziekten verspreiden (door grote reservoirs te creëren die de thuisbasis zijn van ziekteverwekkende insecten ), en misschien zelfs het klimaat beïnvloeden. Er zijn ook negatieve sociale effecten omdat menselijke populaties worden ontheemd en niet op bevredigende wijze worden hervestigd.

Jarenlang voor de start van de bouw in 1994 van de Drieklovendam in China, organiseerden milieuactivisten over de hele wereld protesten om te proberen dit enorme project te stoppen. Ze zijn er niet in geslaagd, maar de controverse over dit project is representatief voor de argumenten waarmee alle voorgestelde dammen in de toekomst te maken zullen krijgen. Het evenwicht tussen het voorzien in de menselijke behoefte aan water, energie en overstromingsbeheer en het beschermen van het milieu tegen menselijke uitroeiing of aantasting moet zorgvuldig worden afgewogen.