モジュール式透水性舗装
この記事は、Mohd Aminur Rashid (UNITEN)、Ismail Abustan 教授 (USM)、Meor Othman Hamzah 教授 (USM)によって寄稿されました。
モジュール式透水性舗装は、従来の不透水性アスファルト舗装やコンクリート舗装に代わるものです。表面から水が素早く浸透する性質を持つため、モジュール式透水性舗装は流出水量とピーク流出率の低減に貢献します。モジュール式透水性舗装は、雨水管理に効果的なツールと考えられています。本研究では、 FLOW-3D を使用して透水性舗装の変化をモデル化および可視化し、実験室および現場での実験結果を検証します。当社の土木・環境分野のお客様は、現在、このようなモデリングと解析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。
実験装置
 プレート1.1：透水性舗装を備えた浸透試験装置の全体像
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 プレート1.2：実験室における透水性舗装の物理モデル
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設計された透水性舗装は、525mm x 565mmのパーペックス製で、底板に水が通過するための穴が開いた六角形のモジュール式舗装で構成されています。プレート1.1は、試験対象の設計された透水性舗装とともに、浸透装置全体を示しています。525mm x 565mmの領域をカバーするために、中心間隔50mmで800個の均等に配置されたスプレーを備えた降雨シミュレーターが舗装表面の上に設置されました。模擬降雨強度のさまざまな条件は、流量計によって制御されました。舗装を通過する水は、中央の500mm x 500mmの領域のみに接続された漏斗を介して舗装の下から収集されました。浸透領域は、PVCボックス内の水理流に影響を与える境界効果を防ぐために、500mm x 500mmに制限されました。漏斗の上部の平らな面は、底板にねじ止めされました。底部の木製プレート（525mm x 565mm）の中央には、浸透孔が1つあります。孔の直径は12mmで、制御弁に接続されています。この弁は、完全に飽和した状態から透水性の高い領域まで変化する路盤のさまざまな状態をモデル化するために使用されます。境界では、底板の両側に25個の排水孔が開けられています。舗装は勾配ゼロで構築されています。装置の底部には2つのPVCタンクがあります。1つは降雨シミュレーターに水を供給する給水タンクで、もう1つは流出水を収集します。両方のタンクはパイプで接続されており、バルブを調整することで水の量を制御できます。この研究は、マレーシア科学技術革新省のE-Science Fundの「都市雨水管理のための透水性舗装におけるモジュール式浸透の開発」というタイトルの研究（プロジェクト番号：03-01-05-SF0502）によって支援されました。
図1.1：境界条件の構成
モデル検証
このモデルは、水流量が20 L/m、15 L/m、10 L/m、および5 L/mの場合の実験データとシミュレーションデータを比較することによって検証されました。データは、時間の関数として舗装層の底部における流体蓄積の高さで構成されています。これらのデータは、 FLOW-3D HYDRO での実行時間が短いため選択されました。図1.2は、20 L/mの実験中に観測された結果と計算された結果の比較を示しています。観測された時間と計算された時間の差は非常に小さく、約5秒でした。これにより、六角形モジュール舗装システムHMPSの計算モデルと、この FLOW-3D HYDRO シミュレーションの実行に使用されたすべてのデータが、実験室条件と一致していることが確認されました。15 L/mの場合の観測データと計算データの比較を図1.3に示します。このグラフは、同じ傾向線と約5秒の差を示しています。図1.4は、10L/mの場合の計算値と観測値の比較グラフを示しています。このケースでは、シミュレーション値と観測値の差が約5秒大きいことを除けば、ほぼ一致しています。図1.5は、5L/mの場合のシミュレーション値と観測値をプロットしたもので、差は5秒未満でした。
 図1.2：20L/mにおける観測データと計算データの比較
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 図1.3：15L/mにおける観測データと計算データの比較
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 図1.4：10L/mにおける観測データと計算データの比較
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 図1.5：5L/mにおける観測データと計算データの比較
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層の厚さの影響
不透水性舗装からの地表水の流出は、次のような手順で発生します。まず降雨によって路面が濡れ、降雨量が増えるにつれて、路面の窪みに水が溜まり始め、窪みが水で満たされます。その後、地表水は排水口に向かって移動するか、水路に流れ込みます。この移動する水が地表水の流出となり、水たまりに残った水は最終的に吸収されるか蒸発します。雨が地面に当たった最も遠い地点から排水システムに入るまでの時間を「流入時間」と呼びます。従来の不透水性舗装の場合、最も遠い地点から排水口までの距離は20～30m程度になることがあります。一方、六角形モジュラー舗装システム（HMPS）では、流入時間は雨滴が路面に当たって隣接する（砂利）粒子間の隙間に移動する時間だけです。図1.6に示す透水性舗装表面の厚さの影響は、 FLOW-3D HYDRO でシミュレーションされました。
 図1.6：FLOW-3DシミュレーションにおけるHMPSの路面舗装
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 図1.7：路面舗装の厚さが流体の割合に及ぼす影響
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 図1.8：路面舗装の厚さが流体量に及ぼす影響
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シミュレーションされた各ケースにおいて、速度場は類似していますが、FAVORTM 法による形状の解釈方法に違いが見られます。メッシュが粗すぎてPVC六角柱の壁を解像できない場合、壁の内側と外側の間で流体漏れが発生する可能性があります。結果は、図1.9の圧力が互いにかなりよく一致していることを示していますが、最も粗いメッシュの解と他の2つのメッシュのメッシュに依存しない解の間には顕著な違いがあります。特に、水面と底面での違いは、メッシュが形状と水面の位置を近似していることに起因しており、その結果、図1.10、1.11、1.12に示すように、障害物内または水面上の流場内のセルの非ゼロ速度と隣接するセルのゼロ速度との間の補間に違いが生じます。より細かいメッシュを使用することで、これらの不一致を最小限に抑えることができます。
 図1.9：異なる厚さの表面舗装における2次元圧力場
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 図1.10：異なる厚さの舗装面における2次元速度場
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 図1.11：異なる厚さの表面舗装の2次元圧力場
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 図1.12：2次元における異なる厚さの舗装路面のz方向の速度場
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結論
実施された一連のテストから、 FLOW-3D HYDRO はモジュール式舗装（HMPS）の流れを適切にモデル化できると結論付けられます。また、複雑な2次元の流れも常に適切にモデル化されていることが示されており、特に水面プロファイルを物理モデルと比較した場合に顕著です。これは、同じ運転条件下で実験結果とモデル結果を比較するという、本研究の3つ目の目的に合致しています。さらに、代替の多孔質媒体モデルや、縮尺寸法またはプロトタイプ寸法を用いてシミュレーションを実行することも可能です。本研究では、 FLOW-3D HYDRO が 舗装構造を通る流れの一般的な特性をモデル化できるほど十分に高度なものであることが示されました。より詳細な研究には、より高性能なコンピュータが必要です。これらの知見はこの特定のケースに有効であり、他の設計を研究する際の指針として活用すべきです。
最後に、本研究から、舗装構造は統合された油圧システムとして機能することがわかります。このシステムの性能は、システム内のすべてのコンポーネントに関連しています。本研究の次のステップは、本研究で提示された解析手法に基づいて簡略化されたモデルの開発です。計算流体力学モデルで使用される材料特性の推定精度を向上させるためには、土壌水分特性曲線に関するより多くの実験室試験を実施する必要があります。