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  4. ダムの水理模型実験(水理構造施設設計)

ダム

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はじめに

ダムの水理構造施設(常用洪水吐き、非常用洪水吐き、導流部、減勢工など)の設計は、水理計算に基づき設計を行っていますが、設計で用いることのできる水理計算式は実験式であることが多く、実験式は適用範囲をもつので設計への適用には注意が必要です。
このため、実験式の導出で用いられた実験データの範囲が適用範囲となり、これを適用し難い場合には水理模型実験により、ダムからの放流水が水理的に素直な流れとなるように水理構造部の設計を行う必要があります。

ダム水理構造施設の構成

一般的なダムの水理構造施設は、次の構成となっています。

ダム水理構造施設の構成と機能
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水理模型実験の流れ

実験計画

模型実験の水理条件(設計対象流量)、実験方針や実験内容について整理し、設計を行うダムと模型の相似律、模型縮尺、模型作成範囲、模型装置の配置、計測等の実験方法の決定、解析手法の検討等、実験計画を立案します。
水理模型実験は重力の影響が支配的となるので、模型と原型のフルード数を同じとしたフルード相似則による原型値換算を行う必要があります。

フルードの相似則の縮尺比率
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模型設計

実験装置の配置、模型の構造、測定用架台、付帯測定装置、給排水装置等の設計を行い、模型作成図を作成します。
実験装置は、給水ポンプ・流量全幅堰・ダム上流貯水池模型・ダム模型・減勢工模型・ダム下流河川模型・排水路などで構成されます。ダム貯水池の水は、給水ポンプで汲み上げられた後、流量全幅堰に送られ、順次、ダム上流貯水池模型、ダム模型、減勢工模型、ダム下流河川模型、排水路を通水した後、帰還水路に戻ります。

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実験装置の模型設計例


また、模型は一般には次のような材料が使用されています。

模型に使用される材料の例
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模型実験計測

水理模型実験における主な着目点・計測項目は、次のとおりです。
① 設計対象流量の放流能力が確保されているか。
② 流入部から越流部において安定した流況が得られているか。
③ 非常用洪水吐からの越流水面と堤頂構造物(天端橋梁など)とのクリアランスは確保されているか。
④ 越流頂で有害な負圧が発生していないか。(⇒負圧が発生すると水路面の損傷や振動・騒音の発生、流れの水理特性が変化することになります。)
⑤ ダムからの放流水が下流面導流壁、減勢工導流壁を越流しないか。
⑥ 下流河道に影響のない減勢効果が得られているか。 これらの項目の何れかが満足されていない場合は、所要の効果が得られるように模型改造を行います。
最終的には、模型実験で得られた水理構造の形状を、ダム本体設計に適用します。

 

水理模型実験の状況

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