放水路
ダムや堤防からの流量を制御放出するための構造
ウェールズのリン・ブリアン・ダムのシュート放水路

放水路は、ダムや堤防から下流の川へ、通常はダムで堰き止められた川に水を制御的に放出するために用いられる構造物です。イギリスでは、越流水路と呼ばれることもあります。放水路は、水が導水を目的としていない構造物に損傷を与えないようにするためのものです。

放水路には、水量と貯水池の水位を調整するための水門やヒューズプラグが含まれます。これらの機能により、放水路は下流への流量を調整することができ、ダム管理者は貯水池が満水になる前に制御された方法で放水することができ、結果として許容できないほどの放水量が発生するのを防ぐことができます。

「余水路」という用語の他の用法には、ダムのバイパスや、高水位時に使用される水路の出口、モレーンなどの天然のダムを削って作られた出口水路などがあります。

通常、水が余水路を越えて流れるのは、貯水池の容量が満杯になり、灌漑用水や水力発電などの目的で日常的に放水を制御するために使用される水圧管や取水塔から​​放水できる量よりも速い速度で水が流入し続ける洪水期のみです。

種類

越流水路は貯水池プールの上部付近に設置されます。ダムには、洪水を放出するために操作できるバルブやゲートを備えた底部排水口が設置されている場合もあります。また、越流水路を持たず、底部排水口のみで構成されているダムもいくつかあります。

テインターゲートを備えた典型的な放水路の断面

放水路には、制御型と非制御型の 2 つの主なタイプがあります。

制御式洪水吐きには、流量を調節するための機械構造物またはゲートが設置されています。この設計により、ダムのほぼ全高を年間を通して貯水に利用することができ、必要に応じて1つまたは複数のゲートを開くことで洪水を放流することができます。

一方、非制御型洪水吐にはゲートが設けられていません。水位が洪水吐の縁または頂部を超えると、貯水池から放水が始まります。放流量は、貯水池の洪水吐の頂部より上の水位によってのみ制御されます。貯水池の貯水量のうち、洪水吐の頂部より上の部分は、洪水の一時的な貯留にのみ使用できます。ダムの貯水容量よりも高いため、給水用の貯水池として使用することはできません。

中間型では、貯水池の通常の水位調節は機械式ゲートによって制御されます。この場合、ダムは、建設に使用された材料またはすぐ下流の状況により、水が上から溢れる状態では機能するようには設計されていません。貯水池への流入量がゲートの容量を超えた場合、補助または緊急用余水路と呼ばれる人工の水路が水を運びます。多くの場合、これはヒューズ プラグによって意図的にブロックされます。ヒューズ プラグが存在する場合、余水路ゲートの放流能力を超える大洪水が発生した場合に洗い流されるように設計されています。このような操作の後、建設作業員がヒューズ プラグと水路を修復するには何か月もかかる可能性がありますが、修復にかかる総損害と費用は、主要な貯水構造物が溢れた場合よりも少なくなります。ヒューズ プラグのコンセプトは、必要な容量の余水路を建設するには費用がかかる場合に使用されます。

開水路放水路

シュート放水路

シュート型放水路は、ダム背後の余剰水を緩やかな傾斜路に沿って下流の川へ流す、一般的で基本的な設計です。通常、オージー曲線に沿って設計されます。多くの場合、ダムと地形を保護するため、底面と側面はコンクリートで覆わています。制御装置が備え付けられている場合もあり、スペースと資金が限られている場合は、より薄く多層に覆わされるものもあります。また、階段型放水路のようにエネルギーを消散させる目的で使用されるとは限りません。シュート型放水路は、コンクリートブロックのバッフルで埋め込まれる場合もありますが、通常は「フリップリップ」や消散桝を備えており、これにより跳水が発生し、ダムの土手部分を浸食から保護します。[1]

階段状の放水路

イングランドのピーク・ディストリクトにあるヨーマン・ヘイ貯水池の階段シュート式バフルド放水路

階段状の水路や洪水吐きは3000年以上も前から利用されてきました。[2] 20世紀半ばには跳水工などの近代的な技術に取って代わられましたが、1985年頃から[3 ] 階段状の洪水吐きやシュートへの関心が再び高まりました。これは、新しい建設資材（ローラー圧縮コンクリート、蛇籠など）や設計技術（越水防止堤防など）の導入によるところが大きいです。 [4] [5]階段状の水路は、シュートに沿ってかなりのエネルギー消散を生み出し、 [6]下流に必要なエネルギー消散池の面積を縮小します。[7] [8]

このテーマに関する研究は今も活発に行われており、堤防ダムの越流防止システム[8] 、収束型放水路[9]、小型堰の設計[10]などの新しい開発が行われています。

ベルマウス放水路

ポルトガルのコヴァン・ドス・コンチョスのベルマウス放水路は、1955年の建設以来、植物が生育し、自然の造形物のような景観となっている。
2017年3月、カリフォルニア州ベリーサ湖のグローリーホール放水路
カリフォルニア州ロスバノス近郊のサンルイス貯水池オニール貯水池のグローリーホール放水路

ベルマウス放水路は逆さまのベルのような形状で、全周から水が流入する。[11]これらの制御されていない放水路は、モーニンググローリー（花にちなんで）、グローリーホール、またはシャフト放水路とも呼ばれる。[12] [13] [14]貯水池の表面が凍結する可能性のある地域では、放水路が氷で閉ざされるのを防ぐために、このタイプの放水路には通常、砕氷装置が取り付けられている。

一部のベルマウス放水路はゲート制御式です。世界で最も高いモーニンググローリー放水路は、アメリカ合衆国モンタナ州のハングリーホースダムにあり、64フィート×12フィート（19.5メートル×3.7メートル）のリングゲートで制御されています。 [15]最大のベルマウス放水路は、オーストラリアニューサウスウェールズ州のジーヒダムにあり、湖面における直径は105フィート（32メートル）です。[16] [17] [18]

サイフォン放水路

サイフォン式放水路は、取水口と放水口の高低差を利用して、余分な水を除去するために必要な圧力差を作り出します。サイフォンが機能するには、湾曲部内の空気を除去するためのプライミングが必要です。ほとんどのサイフォン式放水路は、水を使用して自動的にプライミングを行うように設計されています。そのような設計の一つに渦巻きサイフォンがあります。これは、漏斗に渦巻き状のフィン（フィン）を設け、水を渦流にしてシステムから空気を排出するものです。プライミングは、水位が取水口を超えると自動的に行われます。[19]

その他のタイプ

オージークレストはダムの頂部を越え、側溝はダムの地形に沿って回り込み、ラビリンスはジグザグ構造によってシルの長さを長くすることで、より薄い設計と流量増加を実現しています。ドロップインレットは水力発電所の取水口に似ており、ダム背後からトンネルを通って下流の川に直接水を流します。[20]

設計上の考慮事項

洪水吐きの設計における 1 つのパラメータは、設計上処理可能な最大規模の洪水です。構造物は適切な洪水吐き設計洪水 (SDF)、ときには流入設計洪水 (IDF) にも安全に耐えなければなりません。SDF の大きさは、構造物のサイズと下流における人命や財産の潜在的損失に基づいて、ダム安全ガイドラインによって設定される場合があります。洪水の規模は、再現期間で表される場合があります。100年再現間隔とは、平均して 100 年に 1 回超過すると予想される洪水の規模です。このパラメータは、特定の年に超過する確率が 1% である超過頻度として表される場合があります。設計洪水中に予想される水量は、上流の流域の水文学的計算によって得られます。再現期間は、構造物のサイズと下流における人命や財産の潜在的損失に基づいて、ダム安全ガイドラインによって設定されます。

アメリカ陸軍工兵隊は、想定最大洪水量（PMF）[21]と想定最大降水量（PMP）に基づいて基準を定めています。PMPとは、上流域で物理的に発生しうると考えられる最大の降水量です。[22]危険性の低いダムでは、PMFよりも低いIDFが認められる場合があります。

エネルギーの消散

米国開拓局タイプIIIの静水池

水が放水路を越えてシュートを流れ落ちると、位置エネルギーは増大する運動エネルギーに変換されます。水のエネルギーを消散させないと、ダムの土手（基部）の洗掘や浸食につながる可能性があります。これは放水路の損傷を引き起こし、ダムの安定性を損なう可能性があります。[23]このエネルギーを相対的に見ると、ターベラダムの放水路は最大出力で40,000MWの電力を発電することができ、これは同ダムの発電所の約10倍に相当します。[24]

エネルギーは放水路の設計の一部または複数箇所を改善することで消散させることができる。[25]

手順
まず、放水路表面自体に、放水路に沿った一連の階段状の構造を設ける（階段状放水路を参照）。[5]
フリップバケツ
第二に、放水路の底部では、フリップバケットが水圧跳躍を引き起こし、水を上方に逸らすことができます。
スキージャンプ
スキージャンプ台は水を水平に流して最終的にプランジプールに流すことができ、また2つのジャンプ台は排出された水を互いに衝突させることもできる。[5] [24]
静水盆
第三に、放水路末端に設置された静水桝は、エネルギーをさらに消散させ、浸食を防ぐ役割を果たします。静水桝は通常、比較的浅い水深で満たされ、コンクリートで裏打ちされる場合もあります。静水桝の設計には、シュートブロック、バッフルブロック、ウィングウォール、表面ボイル、エンドシルなど、速度を低下させる様々な要素が組み込まれます。[26]

安全性

放水路ゲートは、遠隔操作により、警告なしに突然作動することがあります。放水路内に侵入した者は、溺死の危険性が高くなります。放水路は通常、フェンスで囲まれ、ゲートは施錠されており、不法侵入を防止しています。下流域の利用者に突然の放水について警告するため、警告標識、サイレン、その他の対策が講じられている場合があります。操作手順によっては、ゲートを「破裂」させて少量の水を放出し、下流の人々に警告する必要がある場合があります。

放水路ゲートを突然閉じると魚が座礁する恐れがありますが、通常はこのような事態は避けられます。

参照

参考文献

  1. ^ Henry H., Thomas. 「Chute spillways, The Engineering of Large Dams」. 2010年4月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年7月5日閲覧。
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  3. ^ H. Chanson (2000). 「階段状放水路の水理学：現状」（PDF） . Journal of Hydraulic Engineering . 126 (9): 636– 637. doi :10.1061/(ASCE)0733-9429(2000)126:9(636). ISSN  0733-9429.
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  5. ^ abc H. Chanson (2002).階段状シュートと放水路の水理学. Balkema. ISBN 978-90-5809-352-3。
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  20. ^ 「水力設計、放水路の種類」（PDF）ローワン大学。 2009年12月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2010年7月5日閲覧。
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  24. ^ ab Novak、P. (2008)。水力構造物 (第 4 版、再版)。ロンドン[ua]：テイラー＆フランシス。ページ 244–260。ISBN​​ 978-0-415-38625-8。
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  26. ^ ヘイガー、ウィリー H. (1992)。エネルギー散逸装置と油圧ジャンプ。ドルドレヒト ua: クルーワー。ページ 213–218。ISBN​​ 978-0-7923-1508-7。
ウィキメディア コモンズには、放水路に関連するメディアがあります。
無料辞書のウィクショナリーで「spillway」を調べてください。
  • クリス・フィッシュ著「The Glory Hole」。2011年6月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。-ベリーサ湖のグローリーホールに関する情報、画像、建設情報。
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