マクタカック ダムの再生
FLOW-3D HYDRO 計算流体力学（CFD）ソフトウェアは、ニューブランズウィック州の歴史的なマクタカックダムの将来に関する重要な疑問に答えます。
この資料は、 Hatch Ltd.の水理工学部門ディレクターであるジェイソン・ショー氏より提供されました。
河川を堰き止めて発電するという方法は、決して新しいものではない。1882年にウィスコンシン州アップルトンのフォックス川に建設されたバルカン・ストリート発電所（世界初の水力発電所）を皮切りに、現在ではダムは世界の再生可能エネルギー全体の70%以上を占めています。
ワシントン州のグランドクーリーダムやチーフジョセフダムから、ブリティッシュコロンビア州のマイカダムやWACベネットダムまで、米国とカナダには約3,000もの水力発電所があり、5,000万世帯以上に電力を供給し、北米で消費される再生可能エネルギーの約80%を発電しています。
こうした巨大な構造物の設計は、長年にわたり最も困難な工学的作業の一つとされてきました。まず、数百万トンものコンクリートを流し込むことに伴う構造上の問題があり、さらに数メガワットもの電力を管理する必要もあります。しかし、ダムや放水路を水が通過したり、水面を越えたり、水路を迂回したりする最適な方法を決定することは、おそらくダム建設における最も難しい設計上の課題の一つであり、高額な物理モデル、長時間の解析、そして少なからぬ経験に基づく推測を必要とします。
幸いなことに、近年の計算流体力学（CFD）ソフトウェアの発展により、水理設計は格段に容易になりました。CFDは今や、ダム設計者をはじめ、水やその他の流体がどのような挙動を示すのか、そしてその膨大な力をいかに効果的に活用できるのかを理解する必要のあるすべての人にとって、欠かせないツールとなっています。
セントジョン川をまたいで
マクタカック発電所は、カナダの重要なダムの中でも上位にランクインしています。マクタカック川とセントジョン川の合流地点に位置するこの堤体ダムは、ニューブランズウィック州の州都フレデリクトンから上流12マイル（約19キロ）の地点にあります。6基のタービンで660メガワットの電力を発電し、カナダ大西洋岸諸州で最大の水力発電施設となっています。運営会社であるNB Powerによると、高さ55メートル、長さ518メートルのこの構造物は、州内の家庭や企業の約12%に電力を供給しています。
マクタカックダム（NB Power提供）
マクタカックダムは1968年に完成し、100年の耐用年数を想定して建設されました。しかし、大規模なインフラプロジェクトでは、予期せぬ問題が発生することがあり、中には基礎工事完了後、数年、あるいは数十年経ってから初めて表面化するものもあります。マクタカックダムもまさにその典型で、アルカリ骨材反応（AAR）と呼ばれる有害な化学現象によってコンクリートが膨張し、ひび割れが発生しました。その結果、多額の維持管理費と修繕費が継続的に発生しています。
確かに、CFD解析では今回の問題を予測したり防いだりすることはできなかっただろうが、欠陥のあるコンクリートを交換するだけで十分なのか、それとも大幅な設計変更が必要なのか、構造物の改修方法を検討する上で役立ちます。ここで、ジェイソン・ショー氏と彼の率いるハッチ社のチームが登場します。
関係構築
ハッチ社でプロジェクトマネージャー兼水理技師を務めるショー氏と、オンタリオ州ミシサガに拠点を置くこのコンサルティング会社の他の9,000人の専門家は、土木工学、鉱業、石油・ガス、あらゆる種類のインフラ設計・開発（発電施設を含む）など、幅広い業界で豊富な経験を有しています。
彼らはNB Powerとも長年にわたる関係を築いてきました。「2004年にハッチは、ダムと水力発電の専門知識を持つエンジニアリングコンサルタント会社であるエイカーズ・インターナショナルを買収しました」とショー氏は語ります。「彼らはマクタカックの当初の設計者であり、その後当社のエネルギーグループの一員となりました。そのため、私たちはNB Powerと長年にわたる関係を築いており、マクタカックの延命だけでなく、他の施設についても引き続き彼らのために仕事をしています。」
ショー氏は、アルカリ骨材反応は管理が非常に難しいと説明しました。マクタカックダムの場合、地元で採掘されたグレイワッケ（コンクリートの製造に使用された砂岩の一種）に含まれる高濃度のシリカが、セメントに含まれるアルカリ性石灰岩との化学反応を引き起こしました。その結果、粘性の高いゲル状物質が生成され、水が存在すると時間とともに膨張し、剥離、ひび割れ、鉄筋の露出につながっています。
放水路バッフルブロックのレンダリング画像（ASI Marine Report提供） マクタカック発電所の水中検査
「懸念される箇所の一つは放水路で、バッフルブロックとエンドシルに著しい劣化が見られます」とショー氏は述べています。「しかし、実際にはダム全体が危険にさらされています。例えば、コンクリートがゲートガイドを圧迫しているため、放水路のゲートが詰まる恐れがあります。また、発電所では、発電ユニットを支えるコンクリートに圧力がかかり、ユニットの位置がずれて歪んでしまいます。影響は徐々に現れますが、歪みは避けられず、複雑な構造修復が必要になります。」
これを回避するため、NB PowerはHatchに問題の調査と今後の対策案の提示を依頼しました。1980年代にAAR問題が発覚して以来、Hatchチームは構造物全体にセンサーを設置し、構造物の動きとコンクリートの性能を監視してきました。コンクリートの劣化状況とプロジェクトの寿命を延ばす方法を理解するため、進行中のアルカリ骨材反応の分析を続けています。NB PowerとHatchは、内部応力を緩和し変形を管理するために、ダイヤモンドワイヤーソーを使用してダムに小さな戦略的な隙間や切り込みを入れるという画期的な手法も開発しました。
放水路の保全
プロジェクトの過程で、NB Power社は、損傷した部分を修復・改良することでダムを改修することが最善の選択肢であると判断しました。この計画の重要な要素の一つは、最適なアプローチを決定するための水理解析でした。これにより、既存構造物の運用条件が放水路の浸食を加速させている可能性や、このリスクを軽減するために何らかの変更が可能かどうかといった疑問に答えることができました。この解析の多くは、Hatch社がCFDソフトウェアを駆使して放水路構造物のどの部分を交換する必要があるか、そしてどのような設計が最良の結果をもたらすかを判断したことに基づいています。
そのソフトウェアは、 FLOW-3D HYDRO の開発元であるニューメキシコ州サンタフェのFlow Science Inc.社製です。「Flow Science社とは30年近くにわたり関係を築いてきました」とショー氏は述べています。「実際、おそらく私たちは初期の導入企業の1つだったと言えるでしょう。もっとも、今では業界のほぼ全員が利用しており、このようなプロジェクトでCFDを使用することはもはや目新しいことではありません。」
CFDが登場する以前は、縮尺模型を用いた解析しか選択肢がありませんでした。ショー氏は、これは時間がかかるだけでなく、複数回の反復が必要な場合は、スケジュール遅延やプロジェクト開発コストの増加につながる可能性があると指摘していました。また、物理模型の縮尺に関連するその他の要因によって、結論が不正確になる可能性もありました。一方、CFDを用いることで、エンジニアは必要なだけスケールを合わせて反復解析を行うことができ、様々なシナリオを容易にテストし、解決策を適用し、最適な設計を迅速に決定できます。物理模型は今でも使用されているが、実験ではなく検証手段として用いられています。
「CFDは重要なギャップを埋めるものです」とショー氏は述べています。「CFDを使えば、設計者は、そうでなければ再現するには非常にコストがかかるような様々なシナリオを検証できます。これにより、設計を微調整し、準備が整ったら物理モデルと照合することができます。両者が一致すれば、あらゆる疑問点が解消されます。」
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これはまさにマクタカック・プロジェクトの場合に当てはまり、プロジェクトの第一段階では、CFDモデルを、過去に実施された現場の物理モデル調査による測定値と比較検証しました。この重要な段階により、エンジニアは不確実性を定量化し、CFDシミュレーションの結果に対する信頼性を高めることができました。ショー氏とそのチームは、これらの物理モデルの結果を、新たに作成されたダムとその周辺地域の3D CFDモデルと比較することができました。彼らはすぐに両者の間に妥当な相関関係を見出し、自分たちの研究が正しい方向に向かっており、CFD解析が正しいという確信を強く持つことができました。
3Dモデルの精度は、キャリブレーションと検証の良し悪しに左右されます。これらが確保できなければ、どのような手法を用いても、現状を把握することはできません。しかしながら、この重要なステップが必要であるにもかかわらず、CFDは解析プロセスにおいて不可欠な要素と言えます。CFDは、複雑な問題をより精密かつ正確に解析する手段となるからです。これらの研究は、ダムの将来的な改修に関する意思決定の基礎となっています。
物理モデルの結果とCFDシミュレーションの結果の比較。
CFDモデルの検証が成功した後、研究の次の段階では、 FLOW-3D HYDRO を使用して、劣化した放水路の現状を評価しました。技術者たちは、水深、ジャンプ抑制、エネルギー散逸に関連するエプロン上の流速と圧力、コンクリート構造物および各構造物の下流にある放水路エリアの侵食とキャビテーションの可能性の推定値を比較しました。CFDシミュレーションは、これらの各変数の水理性能を示し、チームが提案された3つの改修オプションを正確に評価することを可能にしました。最終的に、CFDモデルの結果から、設計チームは元の放水路寸法の復元、2つの新しいバッフルブロックの追加、および放水路端部敷居の変更を推奨しました。CFDの結果はまた、キャビテーションがコンクリートの侵食に関与した可能性があるという懸念を提起し、これがバッフルブロックの設計変更に関するさらなる推奨事項につながりました。
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劣化コンクリートの現状に関するCFDシミュレーション結果。
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3つの改修オプションに関するCFDシミュレーション結果の比較
マクタカック発電所の復旧には、まだ多くの作業が残っています。 FLOW-3D HYDRO のおかげで、ハッチ社は今後の最適なアプローチを特定することができ、将来の改良や改修の計画・設計を行うための確固たる基盤を得ることができました。これにより、水理性能を向上させ、将来の浸食リスクを最も効率的かつ費用対効果の高い方法で低減するための最も効果的な方法を特定することができました。
「今回の目的は、CFD解析を用いてプロジェクト開発を進め、設計の精度をさらに高めていくことです」とショー氏は述べた。「マクタカックにおける水圧漏洩時の性能を確保し、安全な設計という目標を達成できる設計ソリューションを導き出せると確信しています。」