サイフォン放水路

この記事は、ノースウエスト・ハイドロリック・コンサルタンツのアリ・ハビブザデ（プロジェクトエンジニア）とホセ（ペペ）・バスケス（主任エンジニア）によって寄稿されました。

CFDモデリングは、放水路構造物の水理設計を評価するための強力なツールです。設計流量における放水路の容量は、ダムの安全性の観点から極めて重要です（USBR 1987）。ノースウエスト・ハイドロリック・コンサルタンツは、既存または新規の放水路設計に関する数多くのケーススタディにCFDモデリングを適用してきました。本稿では、既存のサイフォン式放水路で実施したケーススタディの一例を紹介します。

空気調整式サイフォン式放水路は、上流の水位に応じて異なる水理条件で動作します（McBirney 1957）。放水路の頂部にかかる水頭が比較的小さい場合、サイフォンはサイフォンバレル内部に大気圧がかかる自由堰のように動作します（つまり、流量は h_w^3/2 に比例します）。水頭が増加すると、サイフォンバレル内の流れは加圧流に移行し、サイフォンバレルは大気圧以下の圧力でプライミングされます。この段階では、サイフォンバレルを通る流量はオリフィスのように動作します（つまり、流量は h_o^1/2 に比例します）。プライミングされたサイフォンを通る駆動水頭は、上流の水位とサイフォン出口のすぐ下流の水位との差水頭に等しくなります。一般的に、プライミングされたサイフォンの有効水頭（h_o）は、自由サイフォンの水頭（h_w）よりもかなり大きいため、上流の水位がわずかに上昇した場合、プライミングされたサイフォンは自由サイフォンと比較して、はるかに大きな流量を運ぶことができます（Ervine 1976）。ただし、これはサイフォンが実際にプライミングされた場合に限ります（Tadayon and Ramamurthy、2013）。洪水や緊急事態の際には、サイフォンが人間の介入なしに自動的にプライミングされることが極めて重要ですが、必ずしもそうとは限りません。

サイフォン式放水路の概略断面図。堰流（左）とオリフィス流（右）。

上流の水位が低下すると、サイフォン内のプライミングが破れ、流れは大気圧に戻ります。この変化に伴い、流量は大幅に減少し、水頭流量関係はオリフィス型から堰型へと変化します。

サイフォン式放水路のFLOW-3Dモデリング

Northwest Hydraulic Consultants は、既存の高さ3フィートの長方形サイフォン放水路の放水能力を評価するために FLOW-3D を使用しました。当社の土木および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。既存のサイフォンは洪水時に自吸の問題があったため、入口にフード付き通気口、バレル内に床面偏向板が追加されました。下の最初の動画は、上流の水位が上昇するサイフォンの断面モデルを示しています。

最初のアニメーションは、既存の放水路での現地観測から決定された固定された上流水位で実施されました。床面偏向板による流れの偏向により、樽内に空気の閉じ込められた空間ができます。時間が経つにつれて、この空気は流れに巻き込まれ、樽内の絶対圧力が大気圧（約2,115 lb/ft2）から大気圧以下（約1,500 lb/ft2）に低下します。樽内の圧力が低下すると、空気が排出され、水に置き換わります。サイフォンがプライミングされ、樽が満水になると、サイフォンを通る放流量は1 cfs未満から16 cfs以上に増加します。

2番目のアニメーションは、上流側の水面高度が低下するにつれてサイフォンプライムが破断する様子を示しています。サイフォンプライムの破断は、大気圧とサイフォンバレル頂部の圧力の差が、サイフォン内に空気を取り込むのに必要な差圧を超えたときに発生します。そのため、サイフォンプライムが破断し、バレル内の流体が空気に置き換わります。このアニメーションに示すように、サイフォンプライムの破断が完了すると、バレル内の圧力と流量は元の堰流量に戻ります。

FLOW-3D HYDRO の結果は、ノースウエスト・ハイドロリック・コンサルタンツ社の水理学研究所で実施された物理モデル研究によって確認されました。

参考文献

Ervine, DA, (1976).「空気制御式サイフォン放水路の設計とモデリング」、土木学会論文集、第61巻、383-400頁。
McBirney, WB (1957).「緊急サイフォン放水路に関するいくつかの実験」、米国開拓局、PAP-97。
タダヨン、R. およびラママーシー、AS、(2013)。 「サイフォン放水路の流量係数」、ASCE 灌漑排水工学ジャーナル、Vol. 139、No.3、267-270ページ。
USBR. (1987). 「小型ダムの設計」、第3版、米国政府印刷局、ワシントンDC。

^ back to top