How to Build a Dam: Current Construction Methods & the Need for Innovation
Zapory były ważną praktyką inżynieryjną przez tysiące lat, z pierwszą zaporą zbudowaną przez starożytnych Egipcjan około 2800 p.n.e. Zapory są budowane w celu zablokowania przepływu wody, tworząc zbiornik za zaporą, który może być wykorzystywany do kontroli powodzi, jak również nawadniania, zaopatrzenia w wodę w miastach i innych działań człowieka. Zainspirowany niedawną wiadomością o awarii zapory w Kalifornii, ten blog patrzy na to, jak zapory były historycznie budowane w ciągu ostatnich 100 lat i jakie ulepszenia są konieczne w budowie zapór w przyszłości.
Jak zbudować zaporę
Budowanie zapory jest złożonym, wieloetapowym procesem, który wymaga ogromnych ilości siły roboczej, surowców i inwestycji. Oto podstawowe kroki do budowy zapory grawitacyjnej – najczęstszego typu zapory, który budujemy. Tamy grawitacyjne są tak nazwane, ponieważ są utrzymywane na ziemi przez grawitację – ważą dużo i są zazwyczaj wykonane z betonu lub kamienia.
- Inżynierowie muszą odwodnić rzekę, na której ma być zbudowana tama. Odbywa się to poprzez przekierowanie rzeki przez tunel, który biegnie wokół zamierzonej strefy budowy. Tunele takie jak ten mogą być wyłożone betonem i są zwykle wykopywane przy użyciu kombinacji wiercenia i materiałów wybuchowych.
- Budowa zapory musi być rozpoczęta, gdy poziom rzeki jest niski. Mała zapora zwana koferdamem jest budowana w górę rzeki od strefy budowy, aby pomóc w skierowaniu wody do tunelu rozdzielczego. Koferdam może być zbudowany również w dół rzeki, ale ogólnym celem jest utrzymanie strefy budowy w stanie suchym, aby można było zbudować główną tamę. Pompy mogą być używane do usuwania wody, która przenika przez grodzę.
- Luźne skały są usuwane z koryta rzeki, a cokół musi być zbudowany. Cokół jest betonowym fundamentem zapory, który osadza ją w ścianach i podłodze koryta rzeki/doliny. Zapobiega to przeciekaniu wody na krawędziach tamy.
- Teraz nadszedł czas, aby zbudować tamę do pożądanej wysokości. Wklęsło-wypukła powierzchnia dolnej części tamy pomaga jej absorbować stałe ciśnienie wody, które musi wytrzymać. Do budowy powierzchni samej tamy używa się wzmocnionej stali, a następnie buduje się obudowę. Obudowa jest wypełniana betonem, aby uczynić ją niezwykle wytrzymałą i odporną na przepływ wody.
Co jest nie tak z tamami dzisiaj?
Nasze projekty i metody budowania tam były niezawodne przez dziesięciolecia – co poszło tak nie tak w ciągu ostatnich kilku lat, że chcemy to ponownie rozważyć? Prostą odpowiedzią jest zmiana klimatu. Zapory budowane 50 czy 60 lat temu były projektowane z założeniem, że klimat będzie zawsze stabilny. Z dzisiejszego punktu widzenia widzimy jednak, że tak po prostu nie jest.
Cykle hydrologiczne są wrażliwe nawet na niewielkie zmiany w klimacie. Zapory są zazwyczaj projektowane z uwzględnieniem danych historycznych, ale bez zrozumienia, jak cykle wodne mogą się zmienić w przyszłości.
Jako przykład można podać elektrownię wodną Muela, która została niedawno ukończona w Lesotho, kraju uważanym za posiadający znaczny potencjał w zakresie zasobów energii wodnej. Po ukończeniu budowy zapory Lesotho nie miało problemów z zaspokojeniem krajowego zapotrzebowania na energię. Kraj ten jest jednak podatny na klęski żywiołowe i pustynnienie, a także bardzo wrażliwy na zmiany klimatyczne. Naukowcy przewidują, że wzrost temperatur i spadek opadów w nadchodzących latach spowoduje okres stresu wodnego do 2019 r., który nasili się do 2060 r., czyniąc tamę w Lesotho znacznie mniej efektywną i zagrażając jej bezpieczeństwu energetycznemu.
Odwrotnie w Kalifornii, naprzemienne cykle ekstremalnej suszy i nadmiernych opadów uwydatniły nieelastyczną konstrukcję tam w tym regionie. Rekordowe ilości opadów doprowadziły do rekordowych powodzi, zagrażając życiu osób mieszkających w pobliżu zapór z nieodpowiednimi rozlewiskami. Podczas gdy niektóre zapory są udoskonalane, jak na przykład 340-stopowa zapora Folsom, gdzie inżynierowie wojskowi dodają 40% przepustowości do głównego rozlewiska, inne podobne konstrukcje są zaniedbywane. Może to spowodować katastrofalną powódź, która negatywnie wpłynie na mieszkańców i środowisko.
Dams of the Future
As we design dams in the future, it is crucial that we understand and account for our changing climate. Obecnie wiemy, że nie możemy przewidzieć poziomu wody i wymaganej pojemności zbiorników na podstawie danych historycznych. Wiemy, że zmiana klimatu jest rzeczywistością, w której żyjemy, i że podczas gdy niektóre miejsca mogą stać się bardziej podatne na powodzie niż wcześniej sądzono, inne regiony stoją w obliczu stresu wodnego i mogą nie być w stanie zrealizować korzyści z budowy zapór w jakimkolwiek rozsądnym okresie.
Nie wystarczy korzystać z danych historycznych podczas planowania projektu takiego jak zapora. Inżynierowie powinni rozważyć nie tylko jedną przyszłość, ale kilka możliwych przyszłości, kiedy pracują nad projektem, który jest tak krytyczny dla lokalnej infrastruktury.
Deweloper hydroelektryczny w Islandii zlecił ostatnio badania, które sprawdzają, jak powinien rozwijać elektrownię zasilaną przez lodowiec. Badanie to zostało uznane za konieczne, ponieważ topnienie lodowców wydaje się wzrastać, a zwiększony przepływ wody jest przewidywany w nadchodzących dziesięcioleciach. Badanie wykazało, że tama powinna być „przeinstalowana” – zbudowana z możliwością obsługi większego przepływu wody niż obecnie. Tego typu myślenie powinno być stosowane na całym świecie do budowy zapór, które będą bezpiecznie i produktywnie służyć nam w niepewnych czasach, które nadejdą.