放水路 の水理評価
この記事は、BC Hydroの水力技術部門の専門技術者であるファイザル・ユスフ氏（理学修士、専門技術者）によって寄稿されました。
ブリティッシュコロンビア州の公営電力会社であるBC Hydroは、 FLOW-3D を使用して、既存の複数のダムにおける複雑な水理学的問題を調査し、提案されている施設の設計と最適化を支援しています。現在、当社の土木および環境分野のお客様は、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。この記事では、 FLOW-3D HYDRO をさまざまな種類の 放水路 に適用した事例と、数値モデルの較正における信頼性の高いプロトタイプまたは物理水理モデルデータの重要性を強調する3つのケーススタディを紹介します。
WACベネットダム
放水路 内の衝撃波
ベネットダムの放水路における2,865 m^3/sの放水量に対するプロトタイプ観測とFLOW-3D HYDROの比較。
2012年には、最大2,865 m3/sの放流量を想定した試作放流試験を実施し、シュート壁に沿った水面プロファイルの調査、シュート内の水面の3Dレーザースキャン、および FLOW-3D HYDRO モデルのキャリブレーションのための流れパターンのビデオを取得しました。数値モデルと現場観測の間には、特にシュート壁における最初の衝撃波の位置と高さに関して、優れた一致が得られました（図1）。
較正済みの FLOW-3D HYDRO モデルは、既存の運用指示書に規定されているとおりに3つの放射状ゲートすべてを開放し、外側ゲートを内側ゲートよりも大きく開ければ、設計洪水が放水路の壁を越えることなく安全に通過できることを確認しました。
CFDモデルは、放水路シュート内のコンクリート損傷に関する知見も提供した。 FLOW-3D HYDRO シミュレーション結果から算出されたキャビテーション指数をUSBRの実測データと比較したところ、放水路の過去の性能と一致することが確認されました。数値解析は現場調査を裏付けるものであり、シュート内のコンクリート状態の劣化はキャビテーションによるものではない可能性が高いという結論に至りました。
ストラスコナダム
進入条件の悪さと放水路定格曲線の不確実性
FLOW-3D HYDRO は、ストラスコナダムの放水路における不適切なアプローチ条件と流量曲線に関する不確実性を調査するために使用されました。この放水路には、ダムの右岸側に3つの垂直昇降ゲートが設置されています。ストラスコナ放水路の流量曲線は、経験的な調整と、橋脚や橋台の形状を考慮しない水路での限定的な物理水理模型試験を組み合わせて作成されました。
数値モデルのテストと較正は、1982年に3つのゲートすべてが全開になった際のプロトタイプの放水観測結果との比較に基づいて行われました。その結果、最も左の湾の上流の水面が大きく窪みました（図2）。最も左の湾への流入流は、ダム軸に平行に流れ、土砂ダムの上流斜面に隣接するコンクリート擁壁を越えて流れ落ちる水によって歪められています。流れは他の2つの湾にははるかにスムーズに流入しています。数値モデルで生成された流れのパターンはプロトタイプと非常によく似ていることに加えて、ゲート部分のシミュレーションされた水位は、1982年の現場測定値と0.1m以内で一致しました。
図2. 1982年に発生したストラスコナダムの放水事故における、3つのゲートすべてが全開状態であった場合のプロトタイプ観測結果とFLOW-3D HYDROによるシミュレーション結果。
較正済みのCFDモデルは、すべてのゲートが全開の状態で、貯水池の通常の運転範囲において、放水路定格曲線から5%以内の流量を算出します。しかし、大規模な洪水が通過する際に発生する可能性のある高水位貯水池では（図3に示すように）、簡略化された形状と経験的補正を用いた物理モデル試験では複雑な流入パターンを適切に表現できなかったため、シミュレーションされた流量と定格曲線との差は10%を超えます。 FLOW-3D HYDRO モデルは、個々のベイ、ゲートの状態、およびオリフィスと自由表面流の間の遷移における定格曲線の精度について、さらに詳しい知見を提供しました。
図3．大規模洪水発生時、貯水池水位が上昇した状態で全てのゲートが全開になったストラスコナダムの放水路におけるFLOW-3D解析結果。左端のベイにおける進入路の悪さと橋脚越流の影響に注目。
ジョン・ハート・ダム
提案された放水路の最適化
図4．ジョン・ハート・ダムに提案されている放水路の予備レイアウトと最適化レイアウトに関するFLOW-3Dモデルの結果。
自由頂部放水路の予備設計は、工学的な水理設計ガイドラインに基づいて行われた。コンクリート製のエプロンブロックは、ダム基部の岩盤を保護することを目的としていています。新たに設置される右岸導流壁は、新しい放水路から下流側の放水池へ流れを誘導し、低水位放水構造物を放水路からの放水から保護します。
図4に、新しい放水路の初期設計と最適化設計に関する FLOW-3D HYDRO モデルの結果を示します。CFD解析により、放水能力が10%向上し、放水路頂部より上の道路との衝突が大幅に減少し、提案された右岸壁沿いの水位が最大5m低下するなど、流れのパターンが改善されました。提案された設計を確認するために、物理的な水理模型実験が実施されます。
結論
BC Hydroは、 FLOW-3D HYDRO を使用して、さまざまな種類の放水路や送水構造物における幅広い困難な水理学的問題を調査しており、その結果、流れのパターンと性能に関する理解が大幅に向上しました。数値モデルの結果に対する信頼性を高めるため、可能な限りプロトタイプデータと信頼性の高い物理水理モデル試験が使用されています。