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暗渠とは、障害物を迂回して水を流したり、地下水路に導いたりする構造物です。通常は土で囲まれるように埋め込まれ、パイプ、鉄筋コンクリート、またはその他の材料で作られます。英国では、この言葉はより長い人工的に埋設された水路にも使用されることがあります。[ 1 ]
暗渠は、道路脇の側溝の排水を緩和するための横断排水路として、また自然排水路や河川横断箇所で道路の下に水を流すために一般的に使用されます。道路の下にある場合、多くの場合、中身は空です。暗渠は、車両や歩行者が水路を横断できるように設計され、同時に水が十分に流れるように設計された橋のような構造物である場合もあります。乾式暗渠は、高速道路沿いに消火栓を設置する必要性や危険性を回避し、消火活動を容易にするために、防音壁の下に消防ホースを通すために使用されます。
暗渠には、円形、楕円形、平底、開底、洋ナシ形、箱型など、さまざまなサイズと形状があります。暗渠の種類と形状の選択は、水理性能の要件、上流の水面標高の制限、道路盛土の高さなど、多くの要因に基づいています。[ 2 ]
暗渠を取り除いて開水路を復元するプロセスは、デイライティングとして知られています。英国では、この方法はデカルバーティングとも呼ばれています。[ 3 ]
暗渠は、現場打ちコンクリートまたはプレキャストコンクリート（鉄筋コンクリートまたは無鉄筋コンクリート）、亜鉛メッキ鋼、アルミニウム、プラスチック（一般的には高密度ポリエチレン）など、さまざまな材料で構築できます。2種類以上の材料を組み合わせて複合構造を形成することもできます。例えば、底が開いた波形鋼板製の構造物は、コンクリート基礎の上に構築されることがよくあります。
暗渠の建設や設置は、一般的にその場所の土壌、河岸、または河床を乱し、暗渠構造物に隣接する河岸の洗掘穴や崩落などの望ましくない問題を引き起こす可能性があります。 [ 2 ] [ 4 ]
暗渠は適切なサイズで設置され、浸食や洗掘から保護されなければなりません。連邦道路局、土地管理局[ 5 ]、環境保護庁[ 6 ]などの多くの米国の機関、および州または地方自治体[ 4 ]は、暗渠が適切な機能を確保し、暗渠の故障を防ぐために、特定の連邦、州、または地方の規制とガイドラインを満たすように設計およびエンジニアリングされることを要求しています。
暗渠は、耐荷重、水流量、耐用年数、基礎および埋め戻しの設置要件に関する規格によって分類されます。[ 2 ]ほとんどの機関は、暗渠の設計、エンジニアリング、仕様策定の際にこれらの規格を遵守しています。
暗渠の破損は、メンテナンス、環境、設置に関連する不具合、容量や容積に関連する機能的またはプロセス上の不具合による周囲または下の土壌の浸食、構造的または材料上の不具合による暗渠の崩壊や材料の腐食など、さまざまな理由で発生する可能性があります。[ 7 ]
突然かつ壊滅的な崩壊が発生した場合、負傷や死亡事故につながる可能性があります。道路の突然の崩落は、設計や施工が不十分な暗渠の横断箇所、あるいは周辺環境の予期せぬ変化によって設計パラメータが超過されることが原因であることが多いです。サイズの小さい暗渠を流れる水は、時間の経過とともに周囲の土壌を浸食します。これにより、中規模の降雨時に突然の崩壊が発生する可能性があります。また、暗渠のサイズが適切でない場合、洪水によって暗渠が水没したり、その上の道路や鉄道が寸断されたりした場合にも、暗渠の崩壊による事故が発生する可能性があります。
カルバートが故障なく機能し続けるためには、荷重、水理流、周辺土壌分析、埋め戻し材と敷設材の圧縮、侵食防止などについて適切な設計と工学的検討を行う必要があります。カルバート周辺の埋め戻し材の支持が不適切に設計されていると、荷重支持が不十分なために材料が崩壊したり、破損したりする可能性があります。[ 7 ] [ 2 ]
劣化、構造的完全性の喪失、または新しい基準や規格への適合が必要な既存の暗渠については、交換よりもライニング管を使用した改修が望ましい場合があります。ライニング暗渠のサイズ決定には、新しい暗渠と同じ水理流量設計基準が使用されますが、ライニング暗渠は既存の暗渠またはホスト管に挿入されることを前提としているため、ライニング設置には、ホスト管とライニング管の表面との間の環状空間にグラウトを注入する必要があります（通常は圧縮強度の低いグラウトを使用）。これは、浸透や土壌の移動を防止または軽減するためです。グラウト注入は、ライナー、ホスト管、および土壌間の構造的な接続を確立する手段としても機能します。充填するサイズと環状空間、および入口と出口間の管の高さによっては、グラウトを複数段階または「リフト」で追加する必要がある場合があります。複数回のリフトが必要な場合は、グラウト供給チューブ、エアチューブの配置、使用するグラウトの種類、グラウトを注入またはポンプで送る場合は注入に必要な発生圧力を定義するグラウト計画が必要です。リライニングパイプの直径はホストパイプよりも小さいため、断面積は小さくなります。ヘーゼン・ウィリアムス摩擦係数C値が約140～150の非常に滑らかな内面を持つリライニングパイプを選択することで、減少した流路面積を相殺し、表面流動抵抗の減少により水力流量を増加させることができます。C係数が高いパイプ材料の例としては、高密度ポリエチレン（150）とポリ塩化ビニル（140）があります。[ 8 ]
安全で安定した河川横断構造物は、野生生物の生息環境を確保し、河川の健全性を維持するとともに、高額な浸食や構造物の損傷を軽減します。サイズが小さすぎたり、設置場所が不適切な暗渠は、水質や水生生物に問題を引き起こす可能性があります。設計の不十分な暗渠は、洗掘や浸食によって水質を悪化させるだけでなく、上流と下流の生息地間の水生生物の移動を阻害することもあります。魚類は、設計の不十分な横断構造物による生息地の喪失の犠牲となることが多い動物です。
水生生物が十分に通行できる暗渠は、河川内を移動する必要のある魚類、野生生物、その他の水生生物の移動を妨げる障害物を減らします。設計の不十分な暗渠は、中規模から大規模な降雨時に堆積物や瓦礫で詰まりやすくなります。暗渠が河川の水量を通過できない場合、水は道路の盛土を越えて溢れ出す可能性があります。これにより深刻な浸食が発生し、最終的には暗渠が流失する恐れがあります。流失した盛土材は下流の他の構造物を詰まらせ、それらの構造物の破損につながる可能性があります。また、農作物や建物にも被害を与える可能性があります。適切なサイズの構造物と頑丈な河岸補強は、こうした圧力を軽減するのに役立ちます。
暗渠式交換は、河川修復において広く行われている手法です。この手法の長期的な利点としては、壊滅的な破損のリスクの低減や魚類の遡上の改善などが挙げられます。最善の管理手法に従えば、水生生物への短期的な影響は最小限に抑えられます。[ 9 ]
暗渠の排水能力は水文学的および水理工学的考察から導き出されるが、[ 10 ]その結果、管路内で大きな流速が生じ、魚の通過を妨げる可能性がある。魚の通過に関して重要な暗渠パラメータは管路の寸法、特にその長さ、断面形状、および底部の勾配である。魚種による暗渠の寸法、光条件、および流れの乱流に対する行動反応は、魚の遊泳能力と暗渠通過率に影響を与える可能性がある。暗渠内の魚の通過に最も関連のある乱流特性を確定するための簡単な技術的手段はないが、流れの乱流が魚の行動に重要な役割を果たしていることは理解されている。[ 11 ] [ 12 ]
遊泳する魚と渦構造との相互作用には、関連する長さスケールと時間スケールの幅広い範囲が関係している。[ 13 ]最近の議論では、二次流運動の役割、乱流スケールのスペクトルに関連した魚の寸法の考慮、および魚が乱流構造を利用できる場合の乱流構造の有益な役割が強調されている。[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
暗渠魚道に関する現在の文献は主に速く泳ぐ魚種に焦点を当てていますが、いくつかの研究では、幼魚を含む小型魚のためのより良いガイドラインを主張しています。[ 16 ]最後に、乱流の類型をしっかりと理解することは、上流への魚道に適したあらゆる水理構造物の設計の基本的な要件です。[ 20 ]
オーストラリアのクイーンズランド州の沿岸平野では、雨季の豪雨により暗渠に大きな負荷がかかります。氾濫原の自然勾配はしばしば非常に小さく、暗渠ではわずかな落差（または水頭損失）しか許容されません。研究者たちは、流入量が少ない最小エネルギー損失暗渠の設計手順を開発し、特許を取得しました。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
エネルギー損失を最小限に抑えた暗渠または水路は、水頭損失を最小限に抑えるという概念に基づいて設計された構造物です。進入路の流れは、流線型の入口を通って水路幅が最小となる管路本体へと収縮し、その後、流線型の出口で拡張されてから、最終的に下流の自然水路へと放流されます。入口と出口の両方を流線型にすることで、形状損失を大幅に抑える必要があります。管路本体の底面は、放流量を増やすために低く設定されることがよくあります。
エネルギー損失を最小限に抑えた暗渠の概念は、1960年代後半にビクトリア州の郡技師とクイーンズランド大学の教授によって開発されました。 [ 24 ]ビクトリア州では多くの小型構造物が設計・建設されましたが、クイーンズランド州南東部ではいくつかの大型構造物が設計、試験、建設されました。