放水路

放水路は、ダムや堤防の下流、通常はダムで堰き止められた川の川床に水を制御的に放出するために使用される構造物です。英国では、これらはオーバーフロー水路として知られています。放水路は、水を運ぶように設計されていない構造部分が水に損傷を受けないようにします。

放水路には、水の流れと貯水池の水位を調節するための水門とヒューズ プラグが含まれます。このような機能により、放水路は下流の流れを調節できます。貯水池が満水になる前に制御された方法で水を放出することで、オペレーターは後で許容できないほど大量の放出を防ぐことができます。

「余水路」という用語の他の用法には、ダムのバイパスや高水位時に使用される水路の出口、モレーンなどの天然ダムを削って作られた出口水路などがあります。

通常、水が放水路を流れるのは、貯水池の容量が限界に達し、放水できる量よりも水が流入し続ける洪水期のみです。対照的に、取水塔は、給水や水力発電などの目的で、日常的に放水を制御するために使用される構造物です。

貯水池の上部には放水路があります。ダムには、洪水を放出するために操作できるバルブやゲートを備えた底部排水口がある場合もありますが、一部のダムにはオーバーフロー放水路がなく、底部排水口のみに依存しています。

放水路には、制御型と非制御型の 2 つの主なタイプがあります。

制御式放水路には、流量を調節するための機械構造またはゲートがあります。この設計により、ダムのほぼ全高を年間を通じて貯水に使用でき、必要に応じて 1 つまたは複数のゲートを開いて洪水を放出できます。

対照的に、制御されていない放水路にはゲートがありません。水が放水路の縁または頂上より上に上昇すると、貯水池から放出され始めます。放出率は、貯水池の放水路より上の水の高さによってのみ制御されます。放水路の頂上より上の貯水池の貯水量の一部は、洪水の一時的な貯水にのみ使用できます。ダムが保持できる高さよりも高いため、給水貯水として使用することはできません。

中間型では、貯水池の通常の水位調整は機械式ゲートによって制御されます。この場合、ダムは、建設に使用された材料または下流の条件により、水が上から溢れる状態で機能するようには設計されていません。貯水池への流入量がゲートの容量を超えると、補助または緊急用余水路と呼ばれる人工の水路が水を運びます。多くの場合、これはヒューズ プラグによって意図的にブロックされます。ヒューズ プラグが存在する場合、ヒューズ プラグは、余水路ゲートの排出容量を超える大洪水の際に洗い流されるように設計されています。このような操作の後、建設作業員がヒューズ プラグと水路を修復するには何ヶ月もかかる可能性がありますが、修復にかかる総損害とコストは、主要な貯水構造物が溢れた場合よりも少なくなります。ヒューズ プラグのコンセプトは、必要な容量の余水路を建設するとコストがかかる場合に使用されます。

シュート放水路は、ダムの背後から余分な水をなだらかな傾斜に沿って下流の川に流す、一般的で基本的な設計です。これらは通常、オージー曲線に沿って設計されます。ほとんどの場合、ダムと地形を保護するために、底面と側面はコンクリートで覆われています。制御デバイスが付いている場合があり、スペースと資金が限られている場合は、より薄く、複数のライニングが施されているものもあります。さらに、階段状の放水路のようにエネルギーを消散させることを常に意図しているわけではありません。シュート放水路にはコンクリートブロックのバッフルが埋め込まれている場合もありますが、通常は「フリップリップ」や消散池があり、これにより水圧ジャンプが発生し、ダムの先端が浸食から保護されます。^[1]

階段状の水路や放水路は、 3,000年以上前から使われてきました。^[2] 20世紀半ばには跳水工などのより現代的な工学技術に取って代わられましたが、1985年頃から^[3]階段状の放水路やシュートへの関心が再燃しました。これは、新しい建設資材（ローラー圧縮コンクリート、蛇籠など）や設計技術（堤防越水防止など）の使用によるところが大きいです。^{[4] [5]}階段状の放水路は、シュートに沿ってかなりのエネルギー消散を生み出し、 ^[6]下流に必要なエネルギー消散盆地のサイズを縮小します。^{[7] [8]}

このテーマに関する研究は現在も活発に行われており、堤防ダムの越流防止システム^[8] 、収束放水路^{[9] 、小型堰の設計[10]}などの新しい開発が行われています。

ベルマウス放水路は逆さまのベルのような形に設計されており、水は周囲全体から流入します。^{[11]これらの制御されていない放水路は、モーニンググローリー（}花にちなんで）またはグローリーホール放水路とも呼ばれます。 ^{[12] [13]}貯水池の表面が凍結する可能性のある地域では、放水路が氷で閉ざされるのを防ぐために、このタイプの放水路には通常、砕氷装置が取り付けられています。

いくつかのベルマウス放水路はゲート制御式である。世界で最も高いモーニンググローリー放水路は、米国モンタナ州のハングリーホースダムにあり、64×12フィート（19.5×3.7メートル）のリングゲートで制御されている。^{[14]ポルトガルの}コヴァン・ドス・コンチョス貯水池のベルマウス放水路は、自然の造形に見えるように建設されている。最大のベルマウス放水路は、オーストラリアのニューサウスウェールズ州のジーヒダムにあり、湖面の直径は105フィート（32メートル）である。^{[15] [16] [17]}

サイフォンは、取水口と排水口の高さの差を利用して、余分な水を取り除くのに必要な圧力差を作り出します。サイフォンが機能するには、ベンド内の空気を取り除くためのプライミングが必要です。ほとんどのサイフォン放水路は、水を使用してサイフォンを自動的にプライミングするように設計されています。そのような設計の1つは、漏斗の渦巻きまたはフィンを使用して水を渦巻き状にし、システムから空気を吸い出す渦巻きサイフォンです。プライミングは、水位が入口より上に上がると自動的に行われます。^[18]

オージークレストはダムの上にあり、側溝はダムの地形を囲み、ラビリンスはジグザグのデザインを使用して敷居の長さを増やし、より薄いデザインと流量の増加を実現しています。ドロップインレットは水力発電所の取水口に似ており、ダムの後ろからトンネルを通って下流の川に直接水を移します。^[19]

放水路設計のパラメータの 1 つは、処理するように設計された最大の洪水です。構造物は、適切な放水路設計洪水 (SDF)、時には流入設計洪水 (IDF) にも安全に耐える必要があります。SDF の規模は、構造物のサイズと下流の人命や財産の潜在的損失に基づいて、ダム安全ガイドラインによって設定される場合があります。洪水の規模は、再現期間として表現されることがあります。100年再発間隔は、平均して 100 年に 1 回超過すると予想される洪水の規模です。このパラメータは、特定の年に 1% の確率で超過する超過頻度として表現される場合があります。設計洪水中に予想される水量は、上流の流域の水文学的計算によって得られます。再現期間は、構造物のサイズと下流の人命や財産の潜在的損失に基づいて、ダム安全ガイドラインによって設定されます。

アメリカ陸軍工兵隊は、想定最大洪水量（PMF）^[20]と想定最大降水量（PMP）に基づいて基準を定めています。PMPとは、上流域で物理的に起こり得ると考えられる最大の降水量です。^[21]危険性の低いダムでは、IDFがPMFよりも低くてもよい場合があります。

水が放水路を越えてシュートを流れると、位置エネルギーが増加する運動エネルギーに変換されます。水のエネルギーを消散させないと、ダムの先端（土台）の洗掘や浸食につながる可能性があります。これにより放水路が損傷し、ダムの安定性が損なわれる可能性があります。^[22]このエネルギーを大局的に見ると、ターベラダムの放水路は最大容量で40,000MWを生産できます。これは発電所の容量の約10倍です。^[23]

エネルギーは放水路の設計の1つまたは複数の部分に対処することで消散させることができる。^[24]

手順

まず、放水路表面自体に、放水路に沿った一連の階段状の構造を設ける（階段状放水路を参照）。^[5]

フリップバケツ

第二に、放水路の底部では、フリップバケットが水圧跳躍を生み出し、水を上方に逸らすことができます。

スキージャンプ

スキージャンプ台は水を水平に流して最終的に飛び込みプールに流すことができ、また2つのジャンプ台は排出された水を互いに衝突させることもできる。^{[5] [23]}

静置盆地

第三に、放水路の末端にある沈下池は、エネルギーをさらに分散させ、浸食を防ぐ役割を果たします。沈下池は通常、比較的浅い深さの水で満たされ、コンクリートで裏打ちされている場合もあります。沈下池の設計には、シュートブロック、バッフルブロック、ウィングウォール、表面ボイル、エンドシルなど、速度を低下させるさまざまなコンポーネントを組み込むことができます。^[25]

放水路ゲートは、遠隔操作により、警告なしに突然作動する場合があります。放水路内に侵入した人は溺れる危険性が高くなります。放水路は通常、フェンスで囲まれ、ゲートがロックされており、不用意な侵入を防止します。下流域のユーザーに突然の水の放出を警告するために、警告標識、サイレン、その他の対策が講じられている場合があります。操作手順では、下流の人々に警告するために、ゲートを「破って」少量の水を放出することが求められる場合があります。

放水路ゲートを突然閉じると魚が座礁する恐れがありますが、これは通常回避されます。

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  ベリーサ湖の水がモンティセロダムのグローリーホール放水路に溢れ出している。
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  ノースカロライナ州ホープミルズダムの迷路型放水路と魚道（左）
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  バーデキンダムのフリップバケット付き放水路
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  1983 年の洪水の際、水がフーバーダムのアリゾナ側溝ドラムゲート放水路 (左)に流入する。
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  ニューメキシコ州ユテダムの迷路型放水路入口（下）
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  コロラド州クリスタルダムのオジー型放水路
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  ニューワデルダムのヒューズプラグ付き緊急放水路（下）と補助オージー放水路（上）
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  大槌ダムの半円形放水路（滋賀県）
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  ボンネビルダムの低水位放水路と水門
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  稼働中のハングリーホースダムのベルマウス放水路。
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  アリゾナ州ホースメサダムで使用されていた落差式ダム（ 1940年頃）
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  ベリーサ湖のモンティセロダムの放水路が稼働中。2017 年 2 月 19 日
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  低水位時に露出したジーヒダムのベルマウス放水路

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• クリス・フィッシュ。「The Glory Hole」。2011 年 6 月 1 日のオリジナルよりアーカイブ。-ベリーサ湖のグローリーホールに関する情報、画像、建設情報。