Tại sao con đập ngăn nước thường theo dạng hình thang?

Khi quan sát mặt cắt ngang của các con đập ngăn nước, ta thường thấy chúng có dạng hình thang: phía trên hẹp, phía dưới rộng; đôi khi mặt đón nước gần như thẳng đứng, còn mặt sau loe rộng dần xuống dưới. Các con đê cũng thường có hình dạng tương tự. Vì sao lại như vậy?

Nguyên nhân là đập và đê phải chịu tác động của sóng nước, đồng thời còn chịu áp suất nước theo phương ngang. Áp suất nước tăng theo độ sâu, nghĩa là áp lực ở đáy đập lớn hơn nhiều so với phần thân trên. Kiểu thân đập trên hẹp dưới rộng vừa phù hợp với sự thay đổi áp lực theo độ sâu, vừa tiết kiệm vật liệu. Ngoài ra, đáy đập rộng giúp kết cấu vững chắc hơn. Trọng lực của đập hướng thẳng đứng xuống dưới, kết hợp với lực đẩy ngang của nước tạo thành hợp lực. Nếu hợp lực vượt ra ngoài đáy đập, đập có nguy cơ bị lật. Khi đáy đủ rộng, hợp lực vẫn nằm trong phạm vi đáy, nhờ đó đập không bị nghiêng đổ.

Thứ hai, áp lực tổng thể của nước có xu hướng đẩy đập về phía hạ lưu, vì vậy chân đập cần lực ma sát tĩnh đủ lớn để giữ cân bằng. Phần dưới được làm dày hơn giúp tăng trọng lượng, từ đó tăng lực ma sát và khả năng chống trượt.

Thứ ba, kết cấu trên hẹp dưới rộng làm giảm áp lực trên mỗi đơn vị diện tích của nền móng, giúp công trình kiên cố hơn.

Thứ tư, phần dưới thân đập chịu áp suất nước cao nên cần dày hơn để tăng khả năng chống thấm và giảm nguy cơ nước xuyên qua thân đập.

Đó là lý do các con đập ngăn nước thường được xây theo kiểu trên hẹp dưới rộng.