メリクール閘門の再建と拡張 ：水理操作の研究

flow3d-hydro-case-studies

メリクール閘門の再建と拡張 ：水理操作の研究

この記事は、 BRL Ingenierie のGwenaël CHEVALLET、Chloé CHENE、Antoine HALBARDIER、および Franck RANGOGNIO によって寄稿されました。
BRL Ingénierieは、大規模な水力インフラにおいて60年以上の経験を持つ、フランス国内外における航行分野のリーディングカンパニーです。

モデリングの前提

錠前の設計および関連する錠前管理操作は複雑な問題であり、通常は以下の方法で対処されます。

  • 縮尺模型を用いた物理モデルは、実装に手間がかかる場合がある。
  • 特定の課題に対する実証的手法は、計算手法と組み合わされることが多い。
  • 平均流速、水線勾配、および閘門通過時間に関する基準への適合性を検証するための1次元過渡水理解析。
  • バルブ要素の充填および排出に関する3次元定常状態油圧モデル。
  • 係留問題に対する図表または簡略化された計算方法。
  • オペレーターからのフィードバック。

BRLのエンジニアリングチームは、CFDソフトウェア FLOW-3D を用いた過渡3D CFD水理解析を組み合わせることで、これらのモデリングニーズに対応する手法を開発しました。現在、当社の土木・環境分野のお客様は、これらのモデリングと解析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。

方法論

図1. メリクール水門群の空撮写真。左端は廃止された水門で、その隣には第1水門（中央）と第2水門（右）が並んでいる。

図1. メリクール水門群の空撮写真。左端は廃止された水門で、その隣には第1水門（中央）と第2水門（右）が並んでいる。

セーヌ川のメリクール閘門の改修・拡張プロジェクトは、既存の閘門を再建することを目的としています。既存の閘門は、特に閘門壁の変形など、目に見える構造上の問題を抱えています。現在、この場所には2つの並行した機能的な閘門があり、1つは容量160mの閘室、もう1つは容量185mの閘室を備えています。プロジェクトの範囲内で、所有者（フランス航路公社、VNF）は、とりわけ以下の目標を掲げました。

  • 160mの閘門を延長することで、閘門の容量を標準化し、航行軸の安定性を確保する。この延長により、給排水量が増加する。
  • 既存の固定式ボラードを、浮遊式ボラードに交換する。
  • 下流側のバルブ部品を交換する（2つの水道管を18個のバルブに交換）。

これらの変更に伴い、所有者は施錠時間を現在の15分に近い値に維持するとともに、ボラードにかかる最大荷重制限（ボラード1本あたり250～300kN、25～30トン）を遵守することが強く求められます。
ここで紹介するモデルは、閘門番号1（長さ185m、幅17m）のもので、以下の要素が含まれています。

  • 3D CADロック形状
  • FLOW-3D HYDROは、流れのあらゆる複雑さ（定常流、渦、空気混入、キャビテーション、ウォーターハンマーなど）をシミュレートできる過渡的な3D水理モデル。
  • FLOW-3D HYDROにおける規定された移動物体と結合された移動物体のモデリング
    • 流体と結合している：
      • グラン・レナン型船舶（ECMTクラスVa、全長110m、全幅11.4m、積載量1500～3000トン）
        grand-rhenan-boat-geometry
      • 浮遊式ボラード
    • 管理指示に従い、上流側の水門または下流側の弁を規定どおりに作動させる。
  • 船舶と係留柱を連結する係留モジュール
  • ボートと閘門壁との衝突モジュール
図2.プロジェクト状況における第1閘門のFLOW-3D HYDROモデル - グラン・レナン

図2.プロジェクト状況における第1閘門のFLOW-3D HYDROモデル – グラン・レナン

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結果

境界条件（前水域と後水域の水位）が設定され、船舶の特性と係留計画が選択されると、実装されたモデルによって以下の条件を詳細に評価することが可能になりました。

  • 指定された管理指示に基づく充填または排出サイクルの所要時間。
  • エアロック内の流れの3次元水理条件（主に速度分布）。
  • 充填または排出サイクル中にボラードに伝達される力。
図5. 第1閘門の注水シミュレーション – プロジェクト状況（係留索2本） – グラン・レナン

図5. 第1閘門の注水シミュレーション – プロジェクト状況（係留索2本） – グラン・レナン

シミュレーション結果に基づき、充填または排出管理手順を最適化することで、以下のことが可能になった。

  • ボラード内の最大力の遵守を確保する。
  • バルブ部品の材質上の制約（特にオイル回路ポンプの動作速度範囲）を遵守しつつ、ロック時間（約10～11分）を最小限に抑える。
図7：水道による給水法則の最適化

図7：水道による給水法則の最適化
水道橋による給水法則の最適化

水道橋による給水法則の最適化

結論

FLOW-3D は、閘門に関する設計および最適化戦略（排水／充填時間、水圧負荷、船舶にかかる力、浮体式係留柱にかかる力など）を単一のツールで評価することを可能にしました。これはまさに実務における大きな進歩です。実際、この手法はあらゆる種類の閘門とあらゆる種類の船舶に適用可能です。

これまでに実施されたモデリングの結果は特に満足のいくものであり、図表、簡略化された方法、またはオペレーターのフィードバック（排出/充填法則、バルブの流量係数、ボラードにかかる最大力など）に基づくすべての桁違いの計算と一致しています。

ボラードにかかる力（重要な寸法決定パラメータ）に関しては、結果は明らかに充填スケジュール、係留索の自由長とその剛性、および一般的な係留計画（係留索の数と位置）に関連しており、これらの詳細なパラメータはすべて FLOW-3D モデルに含まれています。

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