放水路 の成功

この記事は、 MECATER Ingénierie のテクニカル ディレクターである Sofien GABSI および油圧エンジニアである Siwar KAROUI によって寄稿されました。
尾鉱の安全確保：チュニジアを拠点とするエンジニアリングコンサルタント会社MECATER Ingénierieは、ニューカレドニアにおける深刻な環境問題の解決にFLOW-3D HYDROを採用した。

TSF放水路の眺め

オーストラリア沿岸から1000マイル沖合、南太平洋の奥深くに、多くの人が聞いたこともない島が浮かんでいます。知っている人でも地図上で見つけるのは難しいでしょう。ようこそ、ニューカレドニアへ。緑豊かな熱帯雨林、広大なサンゴ礁、そして世界最大級のニッケルとコバルトの埋蔵量を誇っています。

辺鄙な場所であろうとなかろうと、これら2つの天然資源の豊富さこそが、この小さなフランス領土が世界のエネルギー市場でこれほど重要な役割を担っている理由を説明しています。現在、この地域では電気自動車用リチウムイオン電池の製造に必要な水酸化ニッケルケーキを年間約4万トン生産しており、世界中のドライバーが内燃機関に代わるより持続可能な選択肢を求めるようになるにつれ、その生産量は確実に増加するでしょう。

しかし、あらゆる鉱物の採掘には環境面でのマイナス面があり、ニッケルも例外ではありません。ニューカレドニア南部にあるゴロ鉱山は、もともとヴァーレ・ヌーヴェル・カレドニー社によって運営されており、2010年にこの重要な鉱物の採掘処理を開始しました。

浄化処理

TSF放水路の大部分を形成する巨大な階段の下から見た眺め。

湿式製錬プラントでは、浸出法を用いて「赤土」、すなわちラテライトからニッケルとコバルトを抽出します。抽出された廃液スラリー（湿った尾鉱）は、約20年前に工業団地の建設時に作られた巨大な貯水池にポンプで送られています。「採掘開始以来、敷地内に廃液を保管している」とMECATER社の水力技師は語っています。

ゴロ鉱山の所有者であるプロニー・リソーシズ・ニューカレドニア社は、尾鉱貯蔵施設（TSF）の南端に溢水路を建設することで潜在的な洪水被害を回避することを目的とした固形廃棄物貯蔵プロジェクト「ルーシー」を立ち上げました。その際、同社は鉱山インフラ、水管理、地盤工学の分野で長い実績を持つメカテル・エンジニアリング社に協力を求めました。

KO2放水路の設計基準

「この放水路は高さ63メートル、幅70メートルの階段状構造で、毎秒約290立方メートルの最大想定洪水流量（PMF）に対応できる能力を備えています」と、放水路の最適化を担当したMECATERプロジェクトチームで主導的な役割を果たしたプロジェクトディレクターは述べています。

ルーシーの建設

新しく再建された放水路の堰制御部分

先ほど「最適化」という言葉が出てきたことに注目してください。同様に適切な言葉は「再設計」です。というのも、2009年に最初に提案された当初の放水路は部分的にしか完成しておらず、プロニー・リソーシズ社はMECATER Ingénierie社に設計の改善と同時に建設コストの削減を依頼したからです。これは大変な依頼でした。「PMF（最大瞬間流量）イベントにも耐え、故障しないように、そして可能な限り効率的な方法でそれを実現する必要がありました」とエンジニアは述べています。

施設にとっても周辺地域にとっても、非常に大きなリスクが伴う事態でした。MECATERの水理技師はまず精緻な数理モデルの開発に着手したが、すぐにルーシーの途方もない複雑さに対応するには、より適切なツールが必要であることに気づきました。そこでチームは、エル・レファイ・エンジニアリング・サービス社の技術サービス部長であり、アラブ諸国における FLOW-3D 計算流体力学（CFD）ソフトウェア製品の公式販売代理店でもあるアムル・レファイ・アブデルガニー博士に連絡を取りました。

「CFDは私たちにとって初めての分野だったので、まずは別のベンダーの2次元モデリングツールから始めました。これらのツールは設計の改善と顧客への予備提案に役立ちましたが、水の流れをより視覚化し、最適化すべき領域をさらに特定するためのより良い方法が必要でした。El Refay社に私たちの要件を伝えた後、FLOW-3D HYDROに切り替えました。」

物理的な放水路モデルと仮想的な放水路モデルの比較。後者の方が水の流れをはるかに正確に視覚化できることは明らかである。

プロニー・リソーシズ社の要請を受け、MECATERはモロッコの水理研究所LPEEと提携し、オーストラリアのクイーンズランド大学の独立専門家であるヒューバート・シャンソン教授の技術支援の下、階段式放水路の1/30スケールの物理モデルを用いた実験を実施しました。物理モデルによる試験結果と、それをシミュレーションした FLOW-3D HYDRO による結果は、「ほぼ同一」でした。

「CFDモデリングは、放水路構造物の設計評価において非常に有効なツールであることが分かりました。実際、水理跳躍や、空気浮上モデル、流体特性といった実際の状況をシミュレートできる機能に加え、メッシュ生成のための高精度なFAVOR^TMメソッドを備えているため、以前に2Dソフトウェアツールや縮尺模型で得られた結果を検証することができました。」

物理的な動き

このようなCFD解析結果は、関係者全員に、新しいTSF設計が意図どおりに機能することを確信させるのに役立ちます。

数値モデル、物理モデル、CFD（計算流体力学）モデルから得られたデータに基づき、チームは元の設計に多数の変更を提案しました。これには、主水路内の2つの階段の撤去、散水池の掘削深度をさらに2メートル深くすること、還水路の勾配を3%に制限すること、そして、浸食防止のために石積みで保護され、階段の下部に2つの大きな滝壺を備えた2つの滝の造成が含まれています。

プロニー・リソーシズ社はこれらの提案とその他いくつかの提案を受け入れ、その後まもなく建設が開始されました。現在、同社と近隣住民は、万が一PMF（鉱滓流出事故）が発生した場合でも、TSF（鉱滓貯蔵施設）内の危険な鉱滓が安全に封じ込められることを確信しています。

「ニューカレドニアでの事例と同様に、 FLOW-3D HYDRO は設計の動画をお客様に見せることも可能にします。これにより、お客様は現実的な条件下での水の流れを視覚的に理解でき、ソリューションが約束どおりに機能するという確信をより強く持つことができます。」

2019年から FLOW-3D の販売代理店兼技術販売パートナーを務め、他の多くの顧客でも同様の成功を収めてきたEl Refay for Engineering ServicesのAmr Abdelghany氏は、このことに全く驚きません。「MECATERのチームはCFDに関する豊富な経験がなかったにもかかわらず、数日でソフトウェアを使いこなせるようになりました。これはもちろん彼らのスキルの高さを示すものですが、同時に直感的で操作しやすいソフトウェアの優れた点も証明しています。チュニジアのMECATER Ingénierieが FLOW-3D HYDRO で大きな成功を収めていることを大変嬉しく思います。また近いうちに彼らと再び協力できることを楽しみにしています。」

MECATERのチームは次のプロジェクトにも期待を寄せている。「シミュレーションソフトウェアを活用することで、作業時間を1か月以上短縮できただけでなく、クライアントの要求を満たす最適化された設計を実現することができました。先日、ニューカレドニアの施設を訪問し、完成した放水路を目にすることができ、大変誇りに思いました。これらの結果に基づき、 FLOW-3D HYDRO はあらゆる大規模水力工学プロジェクトにおいて非常に貴重なツールであると確信しています。」

結果

数値シミュレーションと実験の結果から、以下のことが明らかになりました。

• 放水路内の流れは主に中央水路に集中しており、調査したさまざまな流量、特に想定最大洪水（PMF）の場合、各段で水位上昇が完全に発達している。
• 流れは、10年に一度の大洪水時のナッペ流体制から、最大洪水時の遷移流体制へと移行する。
• 想定される最大洪水時において、河道の側方部分では、被害を伴わない制御可能な溢水が観測された。

左から右へ：放水路の最大水深、流速、および流量状態の仮想表示。

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