堤防ダム

盛土ダムは、大規模な人工ダムです。通常は、土や岩石のさまざまな組成からなる複雑な半塑性土台を設置して圧縮することによって作られます。表面には半透水性の防水天然被覆があり、中心部は高密度で不浸透性です。これにより、ダムは表面浸食や浸透浸食に対して不浸透性です。^[1]このようなダムは、断片化された独立した物質粒子で構成されています。粒子の摩擦と相互作用により、粒子はセメント物質を使用するのではなく、安定した塊に結合します。^[2]

盛土ダムには、圧縮土で作られたアースフィルドダム（アースダムまたは地形ダムとも呼ばれる）とロックフィルドダムの2種類があります。盛土ダムの断面は、土手や丘のような形をしています。ほとんどのダムには、水がダムを浸透するのを防ぐ不浸透性材料でできた中央部分またはコアがあります。コアは粘土、コンクリート、またはアスファルトコンクリートで作ることができます。このタイプのダムは、広い谷がある場所に適しています。硬い岩や柔らかい土壌に建設できます。ロックフィルダムの場合、岩を砕くために爆薬を使用してロックフィルを爆破します。さらに、盛土ダムで使用するのに適したサイズの範囲を得るために、岩片をより小さなグレードに破砕する必要がある場合もあります。^[3]

アースフィルダムは、アースダム、ロールドアースダム、アースダムとも呼ばれ、十分に圧縮された土の単純な盛土として建設されます。均質なロールドアースダムは、全体が 1 種類の材料で構築されますが、浸透水を収集するための排水層が含まれる場合があります。ゾーン アースダムには、異なる材料の明確な部分またはゾーンがあり、通常は、防水粘土コアを持つ局所的に豊富な材料のシェルです。現代のゾーン アース盛土は、浸透水を収集して除去し、下流のシェル ゾーンの完全性を維持するために、フィルター ゾーンと排水ゾーンを使用します。ゾーン アースダムの旧式の建設方法では、水密コアを作成するために水圧充填が使用されていました。ロールドアースダムでは、ロック フィル ダムのように防水フェーシングまたはコアを使用する場合もあります。凍土ダムは、高緯度地域で時折使用される一時的な土ダムで、ダム内部のパイプを通して冷却剤を循環させることで、永久凍土の防水領域を維持します。

タルベラダムはパキスタンのインダス川にある大きなダムで、イスラマバードの北西約50km (31マイル) にあります。川床からの高さ485フィート (148メートル)、貯水面積95平方マイル (250 km ² ) を誇るこのダムは、世界最大の土充填ダムです。このプロジェクトの主要部分は、長さ9,000フィート (2,700メートル)、最大高さ465フィート (142メートル) の堤防です。このダムには約2億立方ヤード (1億5,280万立方メートル) の土が使用され、世界最大級の人工構造物となっています。

土堰堤は地元の資材で建設できるため、コンクリートの製造や搬入のコストが高額になる地域でも費用対効果の高いものとなります。

ロックフィルダムは、不浸透性ゾーンを備えた圧縮された排水性粒状土の堤防です。使用される土には、多くの場合、大きな粒子が高率に含まれているため、「ロックフィル」と呼ばれます。不浸透性ゾーンは上流面にあり、石積み、コンクリート、プラスチック膜、鋼矢板、木材、またはその他の材料で作られています。不浸透性ゾーンは堤防の内側にある場合もあり、その場合は「コア」と呼ばれます。粘土が不浸透性材料として使用されている場合、ダムは「複合」ダムと呼ばれます。浸透力による粘土の内部侵食がロックフィルに侵入するのを防ぐため、コアはフィルターを使用して分離されます。フィルターは、細かい粒子の土壌粒子の移動を防ぐように設計された、特別に等級付けされた土壌です。適切な建築材料が手元にある場合、輸送が最小限に抑えられ、建設中のコスト削減につながります。ロックフィルダムは地震による損傷に耐性があります。しかし、建設中の品質管理が不十分だと、締固めが不十分になり、堤防に砂が入り、地震の際にロックフィルが液状化する可能性があります。液状化の可能性は、影響を受けやすい材料が飽和状態にならないようにし、建設中に適切な締固めを行うことで軽減できます。ロックフィルダムの例として、カリフォルニア州のニューメロネスダムやアルバニアのフィエルザダムが挙げられます。

人気が高まっているコア材はアスファルトコンクリートです。このようなダムのほとんどは、主充填材として岩石や砂利を使用して建設されています。1962年に最初のダムが完成して以来、この設計のダムは世界中で約100基建設されています。これまでに建設されたアスファルトコンクリートコアダムはすべて優れた性能記録を持っています。使用されるアスファルトの種類は粘弾性プラスチック材料であり、堤防全体に課せられる動きや変形、および基礎の沈下に対応できます。アスファルトの柔軟な特性により、このようなダムは地震地域に特に適しています。 ^[4]

ノルウェーの電力会社スタットクラフトは、アルバニアのモグリセ水力発電所のためにアスファルトコアロックフィルダムを建設した。2018年に完成すると、長さ320メートル、高さ150メートル、幅460メートルのこのダムは、この種のものとしては世界最高の高さになると予想されている。^{[5] [6] [7]}

コンクリートフェイスロックフィルダム（CFRD）は、上流面にコンクリートスラブを敷いたロックフィルダムです。この設計では、コンクリートスラブが不浸透壁として機能し、漏水を防ぎ、揚水圧力を気にする必要がない構造となっています。さらに、CFRD設計は地形に柔軟に対応し、アースフィルダムよりも建設が速く、コストも低くなります。CFRDのコンセプトは、 1860年代のカリフォルニアゴールドラッシュの時代に、鉱山労働者が水門作業用のロックフィル木造フェイスダムを建設したときに始まりました。この設計が灌漑や発電計画に適用されたため、後に木造はコンクリートに置き換えられました。1960年代にCFRD設計の高さが増すにつれて、充填材は圧縮され、スラブの水平および垂直ジョイントは改良された垂直ジョイントに置き換えられました。過去数十年間で、この設計は人気を博しています。^[8]

世界で最も高いCFRDは、2008年に完成した中国の高さ233メートル（764フィート）の水浮崖ダムです。 ^[9]

ダムの建設とその後の貯水池への貯水により、谷底と谷の側面に新たな重量がかかります。水の応力は深さとともに直線的に増加します。水はまた、ダムの上流面を押します。ダムは非剛性構造で、応力を受けると半塑性的に振舞い、浅い水位よりもダムの底部付近で調整（柔軟性）の必要性が高まります。したがって、ダムの応力レベルは、ダムの破壊レベル閾値を超えないように、建設前に計算する必要があります。^[10]

堤防ダムが放水路の容量を超えて越水すると、最終的にはダムが決壊します。越水によるダムの材質の浸食により、ダムを所定の位置に保持し、ダムを動かす水力に対抗する質量の物質が除去されます。少量の越水が継続した場合でも、数時間のうちにダムの質量から数千トンの表土が除去される可能性があります。この質量の除去により、ダムを貯水池に対して安定させる力のバランスが崩れます。これは、ダムの背後にまだ貯水されている水の質量が、表面浸食によって軽くなった堤防の質量に圧力をかけるためです。ダムの質量が浸食されると、貯水池によって及ぼされる力によって構造全体が動き始めます。弾性強度がほとんどない堤防はバラバラになり始め、貯水池に貯められた水がそれらの間を流れ、通過するときにさらに多くの物質が浸食され、除去されることになります。崩壊の最終段階では、堤防の残りの部分は水の流れにほとんど抵抗せず、土や岩の小さな断片に砕け続け、最終的に土、岩、水の厚い懸濁液に分解されます。

したがって、洪水吐きの安全要件は高く、最大洪水位を封じ込めることができることが求められます。仕様書では、少なくとも100年に1度の洪水を封じ込めることができるように記述するのが一般的です。^[11] 21世紀初頭には、数多くの堤防越水防止システムが開発されました。^[12]これらの技術には、コンクリート越水防止システム、木製クリブ、シートパイル、リップラップとガビオン、補強土、最小エネルギー損失堰、堤防越水階段状洪水吐き、プレキャストコンクリートブロック保護システムなどがあります。

すべてのダムはダムの下から浸透する傾向があるが、堤防ダムはダムを通して浸透する傾向がある。例えば、ウソイ地滑りダムは毎秒35～80立方メートルの漏水を起こしている。浸透が十分に速いとダムの構成粒子が剥がれ、浸透がさらに加速し、暴走フィードバックループとなり、配管型の破損でダムを破壊する可能性がある。したがって、浸透監視は安全上の重要な考慮事項である。^[13]

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• ティートンダム- 1976年に壊滅的なダム決壊に見舞われた土手ダム

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