Hoe bouw je een dam? & de noodzaak van innovatie
Het bouwen van een dam is al duizenden jaren een belangrijke techniek. De eerste dam werd rond 2800 v. Chr. gebouwd door de oude Egyptenaren. Dammen worden gebouwd om de waterstroom te blokkeren, zodat achter de dam een reservoir ontstaat dat kan worden gebruikt voor overstromingsbeheer, irrigatie, gemeentelijke watervoorziening en andere menselijke activiteiten. Naar aanleiding van een recent nieuwsbericht over een damdoorbraak in Californië wordt in deze blog bekeken hoe dammen de afgelopen 100 jaar zijn gebouwd en welke verbeteringen er in de toekomst nodig zijn.
Hoe bouw je een dam
Het bouwen van een dam is een complex proces dat uit meerdere stappen bestaat en waarvoor enorme hoeveelheden mankracht, grondstoffen en investeringen nodig zijn. Hier volgen de basisstappen voor het bouwen van een gravitatiedam – het meest voorkomende type dam dat wij bouwen. Zwaartekrachtdammen worden zo genoemd omdat ze door de zwaartekracht aan de grond worden gehouden – ze wegen veel, en zijn meestal gemaakt van beton of steen.
- Gineers moeten de rivier waar de dam moet komen, droogleggen. Dit wordt gedaan door de rivier om te leiden via een tunnel die rond de beoogde bouwzone loopt. Dergelijke tunnels kunnen worden bekleed met beton en worden meestal uitgegraven met een combinatie van boren en explosieven.
- Met de bouw van de dam moet worden begonnen wanneer het peil van de rivier laag is. Stroomopwaarts van de bouwzone wordt een kleine dam gebouwd, een kistdam, om het water in de afleidingstunnel te leiden. Stroomafwaarts kan ook een kofferdam worden gebouwd, maar het algemene doel is om de bouwzone droog te houden zodat de hoofddam kan worden gebouwd. Er kunnen pompen worden gebruikt om het water dat door de kistdam dringt te verwijderen.
- Er wordt los gesteente uit de rivierbedding verwijderd en er moet een plint worden gebouwd. Een plint is een betonnen fundering voor de dam die deze inbedt in de wanden en de vloer van de rivierbedding/vallei. Dit voorkomt dat er water weglekt aan de randen van de dam.
- Nu is het tijd om de dam op de gewenste hoogte te bouwen. Een concaaf gebogen stroomafwaarts oppervlak voor een dam helpt deze de constante waterdruk te absorberen die de dam moet weerstaan. Voor de oppervlakken van de dam zelf wordt gewapend staal gebruikt en er wordt een overdekking gebouwd. De overdekking is gevuld met beton, waardoor deze extreem sterk en veerkrachtig is.
Wat is er tegenwoordig mis met dammen?
Onze ontwerpen en methoden voor het bouwen van dammen zijn al tientallen jaren betrouwbaar – wat is er de laatste paar jaar zo misgegaan dat we het opnieuw moeten bekijken? Het eenvoudige antwoord is klimaatverandering. Bij het ontwerp van dammen die 50 of 60 jaar geleden werden gebouwd, werd ervan uitgegaan dat het klimaat altijd stabiel zou blijven. Vandaag de dag kunnen we echter zien dat dit eenvoudigweg niet het geval is.
Hydrologische cycli zijn gevoelig voor zelfs kleine veranderingen in het klimaat. Bij het ontwerp van dammen wordt meestal rekening gehouden met historische gegevens, zonder dat men weet hoe de watercycli in de toekomst kunnen veranderen.
Als voorbeeld kan worden genoemd de onlangs voltooide Muela Waterkrachtcentrale in Lesotho, een land waarvan men dacht dat het een aanzienlijk potentieel aan waterkrachtbronnen had. Na de voltooiing van de dam heeft Lesotho geen problemen gehad om in zijn binnenlandse energiebehoeften te voorzien. Het land is echter vatbaar voor natuurrampen en woestijnvorming, en is zeer kwetsbaar voor klimaatverandering. Wetenschappers voorspellen dat hogere temperaturen en minder neerslag in de komende jaren zullen leiden tot een periode van waterstress in 2019 die in 2060 nog zal verergeren, waardoor de stuwdam van Lesotho aanzienlijk minder effectief zal worden en de energiezekerheid van het land in gevaar komt.
Omgekeerd hebben de wisselende cycli van extreme droogte en overvloedige regenval in Californië de onbuigzaamheid van de dammen in die regio aan het licht gebracht. Recordhoeveelheden regen hebben tot recordoverstromingen geleid, waardoor het leven van de omwonenden van dammen met ondeugdelijke overlaten wordt bedreigd. Terwijl sommige dammen worden verbeterd, zoals de 340 voet hoge Folsom Dam, waar ingenieurs van het leger bezig zijn de capaciteit van de hoofdoverlaat met 40% te verhogen, worden andere soortgelijke structuren verwaarloosd. Dit kan leiden tot catastrofale overstromingen die negatieve gevolgen hebben voor de bewoners en het milieu.
Dammen van de toekomst
Als we dammen ontwerpen voor de toekomst, is het van cruciaal belang dat we ons veranderende klimaat begrijpen en er rekening mee houden. We weten nu dat we het waterpeil en de benodigde capaciteit van reservoirs niet kunnen voorspellen op basis van historische gegevens. We weten dat klimaatverandering de realiteit is waarin we leven, en dat terwijl sommige locaties vatbaarder kunnen worden voor overstromingen dan eerder werd gedacht, andere regio’s te maken hebben met waterstress en mogelijk niet in staat zijn om de voordelen van dammen over een redelijke periode te realiseren.
Het is niet voldoende om historische gegevens te gebruiken bij het plannen van een project als een dam. Ingenieurs moeten niet slechts één toekomst, maar verschillende mogelijke toekomsten in overweging nemen bij het werken aan een project dat zo cruciaal is voor de lokale infrastructuur.
Een hydro-elektrische ontwikkelaar in IJsland heeft onlangs een studie laten uitvoeren waarin wordt onderzocht hoe hij een door gletsjers gevoede elektriciteitscentrale zou moeten ontwikkelen. Deze studie werd noodzakelijk geacht omdat het smelten van de gletsjers lijkt toe te nemen en in de komende decennia een grotere watertoevoer wordt verwacht. De conclusie van de studie was dat de dam “overgeïnstalleerd” zou moeten worden – gebouwd met de capaciteit om een groter debiet te verwerken dan thans het geval is. Dit soort denken zou over de hele wereld moeten worden toegepast om dammen te bouwen die ons veilig en productief zullen dienen in de onzekere tijden die voor ons liggen.