コンクリートダム

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背景

コンクリートダムは4つの基本的な形で作られています。コンクリート重力式ダムは、その強度として重量があります。このダムの断面は三角形のように見え、幅の広い土台はダムの高さの約4分の3です。ダム上流の貯水池の水はダムを水平に押し、重力式ダムの重さは下向きに押して水圧を打ち消します。コンクリートバットレスダムもその重量を利用して水力に抵抗します。ただし、幅が狭く、下流側のダムの根元またはつま先にバットレスがあります。これらのバットレスは、大聖堂の壁を支える「フライングバットレス」のように、ダムの面から伸びる狭い壁である場合もあれば、ダムのつま先の幅に沿って短いダムのように単一のバットレスを構築する場合もあります。

アーチダムは、最もエレガントな土木構造物の1つです。断面ではダムの幅は狭いですが、上から見るとアーチが水に面し、カーブのボウルが下流に見えるように湾曲しています。この設計では、コンクリートの特性を強度として使用しています。コンクリートは引張り（引っ張ったり伸ばしたりしたとき）には強くありませんが、圧縮（押したり押し下げたりしたとき）には非常に強いです。アーチダムは、背後にある水の重さを利用してコンクリートを押し、ジョイントを閉じます。水の力はダムの設計の一部です。アーチ重力ダムは、その名前が示すように、アーチタイプと重力タイプを組み合わせたものです。幅の広いアーチ形状です。マルチアーチダムは、アーチとバットレスの設計技術を、バットレスによってサポートされている多数の単一アーチと組み合わせています。

コンクリートダムは、水力発電のためにフィルダムよりも頻繁に使用されます。これは、ゲート（水門とも呼ばれる）または他の種類の出口構造をコンクリートに組み込んで、貯水池から制御された方法で水を放出できるようにするためです。下流に電力用水、飲料水、灌漑用水が必要な場合は、ゲートを開いて指定時間内に必要な量を放出することができます。下流の川に水を流し続けることができるので、魚や他の野生生物が生き残ることができます。コンクリートダムとフィルダムの両方に緊急放水路が必要です。これにより、水がダムの上部または頂上を流れて浸水する前に、洪水水を安全に下流に放出できます。放水路は、ダムとその基礎が侵食されないように、ダムの基部またはつま先のかなり下の下流に水を流します。

20世紀に建設されたダムのほとんどと、今日設計されているダムには、いくつかの目的があります。 45フィート（15 m）より高く、大型ダムに分類される40,000を超えるダムが存在し、その半分以上が1960年以降に建設されています。これらのダムのうち、16％が米国に、52％が中国にあります。 83％は主に貯水に使用されるフィルダムであり、残りの17％は複数の目的を持つコンクリートまたは石造ダムです。水力発電を行うダムは、世界の電力の20％を発電しています。

歴史

フィルダムは、コンクリートダムや石造ダムよりもはるかに古い建設技術である可能性がありますが、現存する最古のダムは、エジプトのカイロの南約20マイル（32 km）にあるサッドエルカファラです。このダムは、実際には2つの石積みの壁で構成され、その間に砂利で満たされたスペースがあります。紀元前2、950年から2、750年の間に建てられました。

古代ローマ人は石積みで構築するための優れた技術を開発しましたが、不思議なことに、彼らはダム建設で石積みのスキルを使用することはあまりありませんでした。例外は、スペインのメリダにあるプロセルピナダムで、現在も残っています。ローマ人による発展は他の人に見落とされませんでした。約550 A.D. 、ローマ帝国の東縁にあるビザンチン帝国は、ローマの石積みのアーチの形を使用して、世界初の重力式アーチダムであると歴史が信じているものを構築しました。ダム建設は征服者と共にアメリカにやって来ました。メキシコでは、彼らは灌漑を必要としている乾燥した土地を見て、彼らの故郷でローマ人、イスラム教徒、そしてスペイン人のキリスト教徒によって建てられたダムを模倣しました。カトリック教会は建設に資金を提供し、宣教師の多くは熟練したエンジニアでした。

産業革命まで、ヨーロッパではダムの建設はまれでした。北部の気候はより多くの降雨を生み出したので、水力は自然に発生し、水供給は豊富でした。しかし、18世紀になると、産業の台頭により、より強力な水力の安定した信頼できる供給が必要になり、ヨーロッパでは石積みとコンクリートダムの建設が普及しました。産業革命はまた、科学と工学の発展を後押しし、生活の質を向上させるための構造の設計と構築を含む土木工学の専門分野が1850年代に誕生しました。初期の土木技師は、アイザックニュートン卿の物理学やその他の科学理論を研究し、ダムを含む実際の構造物に適用し始めました。

1911年9月30日にダムが崩壊した後、ペンシルベニア州オースティンの名残。>

1911年9月30日、ペンシルベニア州中北部の山岳地帯にあるオースティンの町（人口3,200人）は、その狭さと険しい壁に導かれ、谷を咆哮する大量の水に襲われました。力は通りの下からガス本管を引き裂いた。そして、水の壁が通り過ぎるとすぐに、誤った炎がガスを照らし、火はガス管からガス管へ、そして家から建物へと、30年の歴史を持つオースティンの町の残骸全体に飛び散りました。当初の報告によると、1,000人が死亡したとのことですが、その後の情報によると、死者数は50〜149人でした。この悲しみの原因は、オースティンの生計手段でもありました。 Bayless Pulp and Paper Millは、1909年に建設したコンクリートダムを所有していました。このダムは、水を大量に消費する紙パルプ事業に貯水池を提供するために建設されました。 1910年1月、激しい冬の雨と融雪の後、ダムに亀裂が観察されたときに、この災害の前兆がありました。ひび割れは修復されましたが、構造物の基礎、設計、構造に関連する問題の兆候としては認識されませんでした。

1909-10年の冬が近づくにつれ、ダムはまだ建設中でした。コンクリートの一部を打設したところ、気温は氷点下になり、建設の最終段階は急いで終了しました。ダムは1909年12月1日頃に完成し、建設が完了するとダムの頂上から地面に向かって垂直に走る亀裂が見えた。月末までに、2番目の亀裂が現れました。どちらのひび割れもコンクリートの収縮によるものと思われます。 1910年1月17日、暖かい呪文が大雨をもたらし、急速な融雪を引き起こし、4日後、洪水吐が放水路に注がれていました。

オースティンダムのすべての技術的側面は貧弱でした。建設の失敗は明白であり、氷点下の天候で不適切に硬化したコンクリートに配置された弱くて特大の骨材の使用が含まれていました。 1910年1月の故障が発生したとき、それはダム構造と基礎岩盤が故障したことを示していました。所有者/オペレーターがエンジニアの推奨する修理を無視したのは、致命的な封印でした。

原材料

コンクリートダムの主な原材料は、コンクリート自体と鉄筋です。専門業者によって製造された他の多くの材料やコンポーネントは、ダムの建設に使用でき、鋼製のゲートとトンネルライナー、ゴム製の止水板、水の移動を禁止するプラスチック製のジョイント充填コンパウンド、電気制御と配線、サイフォン、バルブ、発電機などがあります。 、さまざまな機器、さらには乱流やキャビテーション（渦巻く水による損傷）を防ぐために水出口構造を裏打ちするテフロンシートもあります。

コンクリート自体は、セメント、水、砂や砂利からなる骨材と総称される材料でできています。セメントには、セメントの選択、ダムの設計、建設のタイミングを考慮する必要がある独自の特性があります。セメントと水を混ぜると化学反応が起こり、コンクリートが硬くなりますが、熱も放出されます。これにより、コンクリートの塊の内部の温度が明らかに上昇し、コンクリートが冷え始めると、コンクリートが収縮してひび割れ、漏れが発生する可能性があります。これらの影響を制限するために、気温が低いときにコンクリートを配置し、低熱セメントを使用し、コンクリート内のパイプに水を循環させることができます。さらに、コンクリートは浅いリフト（つまり、一度に数フィートまたは数メートルしか追加されない）と狭いブロックに配置する必要があります。次に、熱が放散するように、指定された最小時間で硬化させる必要があります。ダムの設計に応じて、エンジニアはコンクリート混合物（セメントと骨材の種類を含む）を非常に慎重に選択します。薄いアーチダムは、大規模な重力式ダムとは異なるコンクリートの組み合わせで設計されています。

デザイン

コンクリートダムの設計は、ダムの目的とダムが建設される場所の構成によって異なります。ダムには2つの一般的なタイプがあります。オーバーフローダムは小川の流れを遮断し、水を利用して発電したり、航行を改善したり、灌漑用水を供給したりします。オーバーフローダムのコンポーネントは、水を放出し、一連の水門、余水吐、または出口トンネルによって貯水池の水位を調整できるように設計されています。非オーバーフローダムは、飲料水の供給、灌漑、または電力のために水を貯水します。余水吐もありますが、洪水時に水位をすばやく下げるための緊急時の使用は制限されています。貯水された水を放出する方法は、オーバーフローダムよりもはるかに制限されており、ダム自体に出口構造が含まれていない可能性があります。代わりに、例えば、貯水池の一部から、灌漑のために水を汲み出すことができます。

一部のサイトは、特定のタイプのダムに最適です。アーチダムは、構造形状のアーチが強度を提供する高くて狭い峡谷での建設に最も適しています。しかし、アーチは、ダムの基部での摩擦などの他の効果が強度と動きへの抵抗を追加する、より広い峡谷を横切って構築することもできます。同様に、重力ダムは浅くて広い峡谷の典型的な選択ですが、それがある程度の曲率で構築されている場合、アーチ作用はまた、狭くて高い峡谷の重力ダムを強化します。河床が非常に広い場合、ダムはいくつかのスパンを持つように設計され、それぞれが基礎材料のバリエーションに応じて異なる工学的特性を持ちます。個別のスパンは通常、バットレスまたは複数のアーチの延長曲線によって下流（空気）側でサポートされます。複数のスパンダムのスパンは、橋脚で支えられたコンクリートスラブまたは鋼板で構成されている場合があります。

フィルダムと同様に、コンクリートダムは、サイトを選択して探索し、保持される水の量とその価値（電源または供給源として）とプロジェクトのコストを評価するために、予備設計と実現可能性調査の広範なラウンドを通過します。予想される操業年数、環境の変化などの他のさまざまな影響を考慮し、最適なサイズと構成のダムを選択する。これらの研究には何百もの要因が関わっており、そのプロセスは通常反復的です。設計が選択され、1つ以上の要因を満たさなくなるまでこれらすべての要因に対してテストされ、設計の次のバリエーションが選択され、失敗するか合格するまで調査されます。

コンクリートダムの設計プロセスには、通常、フィルダムの設計よりも幅広い分野の専門家が関与します。コンクリートダムの設計に専門知識を提供する技術専門家には、地質学者、地震学者、環境科学者、地質工学（土壌）エンジニア、土木技師、構造技師、コンピューターアナリスト（ダムの強度と安全性を調べるソフトウェアアプリケーションの専門家）が含まれます。ダムを発電に使用する場合は、水文学者、水力エンジニア、機械エンジニア、電気エンジニア。さらに多くの専門家が、コンクリートや鉄骨構造の腐食などの側面を研究する可能性があります。ダムの設計と建設に必要なチームワークは、これらのプロジェクトの莫大な費用だけでなく、安全性のためにも重要です。 典型的なコンクリートアーチ重力式ダム計画の例。下流の人と財産の数は完璧を要求します。

建設プロセス

1. ダムの建設を開始する前に、河床の水を迂回させるか、サイト内を流れるのを止める必要があります。フィルダムの場合と同様に、コッファダム（水を貯水するための一時的な構造物）を建設するか、ダムサイトの下流にある別の水路または地域に水を迂回させる必要があります。大規模なプロジェクトの場合、この建設はダムの建設が始まる数シーズン前に行われる可能性があります。水の流れは最後の瞬間に遮断されます。

2. ダムの最初のコンクリートを配置する前に、コンクリートダムの基礎領域を完全にする必要があります。フィルダムの場合、これは、基礎の「フットプリント」全体と両方の橋台（ダムの端を形成する峡谷の側面）で岩を掘削、清掃、および修復する詳細なプロセスです。ダムのすぐ下流にある発電所、静止盆地、またはその他の構造物用のサイトも準備する必要があります。

   一部のサイトでは、大規模な作業が必要になる場合があります。ダムとその貯水池による荷重、地震活動、または岩の特性のために、基礎または橋台の岩が破壊されやすい場合は、ロックボルトまたはアンカーボルトの大規模なシステムを設置する必要があります。潜在的な断裂帯を通って岩にグラウトしました。ダムの上の橋台では、大きな岩の破片がダムに落下するのを防ぐために、ロックボルトとネットのシステムが必要になる場合があります。地下水位、関節の動き、浸透の可能性、斜面の動き、地震活動を監視するための機器は、基礎準備の初期段階からダムの完成まで設置されます。

   カットオフ壁を岩の奥深くに掘削するか、ダムに伸びてダムの最初のリフト内の鋼に結び付けられる鉄筋と呼ばれる鉄筋を設置するために基礎に穴を開けることができます。アイデアは、ボウルのように、その周囲に等しく健全な貯水池を構築することです。水はダムで最も深くて重いので（貯水池が容量に近いとき）、ダムとその基礎はその周囲の弱点にはなり得ません。

3. ダムの各セクションの端に沿って、木または鋼で作られたフォームが作成されます。鉄筋はフォームの内側に配置され、以前に取り付けられた隣接する鉄筋に関連付けられます。次に、コンクリートが注入またはポンプで注入されます。コンクリートの各リフトの高さは通常、わずか5〜10フィート（1.5〜3 m）であり、ユニットとして注入される各ダムセクションの長さと幅はわずか約50フィート（ 15メートル）。ダムがセクションごとに持ち上げられ、リフトごとに持ち上げられるため、このように建設が続けられます。いくつかの主要なダムは、隣接するブロックと構造用鋼の接続をリンクするキーまたはインターロックを備えたブロックと呼ばれるセクションに組み込まれています。

   このプロセスは、ダムの内部スペースがはるかに少ないことを除けば、建物の建設によく似ています。しかし、意外なことに、主要なコンクリートダムにはさまざまなレベルの観測ギャラリーがあるため、ダムの内部の状態を観察して浸透と移動を確認することができます。入口トンネルや出口トンネルなどの構造物もコンクリートダムを通過するため、ダムの質量を貫通する構造物ができるだけ少ないフィルダムとは大きく異なります。

4. ダムのかなりの部分が建設されるとすぐに、貯水池を満たすプロセスが始まるかもしれません。これは高度に制御された方法で行われ、ダムへの応力を評価し、ダムの初期の性能を観察します。ダム建設に複数の建設シーズンがかかる場合、一時的な緊急放水路が建設されます。長い建設は通常、段階と呼ばれる段階で行われますが、各段階はそれ自体で完全に完了しており、運用ダムです。上流のコッファダムは一時的な予防策としてそのままにしておくことができますが、通常、最小限の小川の流れと降雨量を超えるように設計されておらず、できるだけ早く解体されます。設計によっては、一部のダムは、建設が本質的に完了するまで埋められません。

5. ダムを運用可能にする他の構造物は、ダムが上昇するにつれてそれらの場所の標高に達するとすぐに追加されます。最後のコンポーネントは、ダムの上流（水）側（場合によっては出口構造の基部の下流）の侵食防止、ダムの頂上（上部）に沿った計器、道路、歩道、街灯、擁壁です。壁。フーバーダムのような主要なダムは、その頂上に沿って本格的な道路があります。小さなダムには、車両の単一ファイルアクセスのみを許可するメンテナンス道路があります。

   典型的なコンクリートアーチ重力式ダムの断面。高さは280フィート（85 m）です。厚さは、上部の16フィート（4.9 m）から下部の184フィート（56 m）に増加します。

   ダム自体から離れて、発電所、計器の建物、そしてダムの常駐オペレーターのための家さえも完成しています。ダムのすべての施設の初期試験が実施されます。

6. ダムが稼働するにつれ、建設の最終的な詳細がまとめられます。ダムの耐用年数の開始も設計項目として慎重に計画されていたため、たとえば、供給システムが下流にポンプで送水する準備ができたらすぐに貯水池で水を利用できるようになりました。ダムが存在する限り、運用、定期保守、リハビリテーション、安全チェック、機器監視、および詳細な監視のプログラムが継続され、法律で義務付けられています。

品質管理

集中的な品質管理なしにダム建設はありません。単独で建設するプロセスには、建設労働者だけでなく一般市民にとっても重機と危険な状態が伴います。ダムの下流に住む人々は、構造物自体を保護する必要があります。これらのプロジェクトを設計および構築する専門家は、安全に絶対的に取り組んでおり、ダム安全部門、米国陸軍工兵隊、開拓局などの地方、州、および連邦政府機関によって監視されています。

副産物/廃棄物

プロジェクトを機能させるために他の多くの関連施設または支援施設が必要になる可能性がありますが、ダムの設計または建設に副産物はありません。材料が高すぎて廃棄物を許可できないため、廃棄物も最小限に抑えられます。また、場所は離れていることが多く、廃棄物を現場から運び去って処分するプロセスは法外なものです。基礎エリア、下流サイト、橋台、または貯水池の一部から掘削される可能性のある土壌や岩石は、通常、プロジェクトサイトの他の場所で使用されます。切り取られた、または充填として配置された材料の量は、バランスをとるために慎重に計算されます。

未来

コンクリートダムの将来については、多くの議論が交わされています。毎年、洪水で10万人以上の命が失われ、洪水調節は、ダムを建設するだけでなく、河口を洪水から保護し、航行を改善する主な理由です。ダムは灌漑用水や飲料水に水を供給し、水力発電は汚染のない電力源であるため、生活にも恩恵があります。山池は、レクリエーション、観光、漁業にも利用されています。

しかし、ダムは環境にも悪影響を及ぼしています。それらは、生態系を変え、森林や野生生物（絶滅危惧種を含む）を溺れさせ、水質や堆積パターンを変え、農地や肥沃な土壌を失い、河川の流れを調整し、病気を広めることができます（病気を引き起こす昆虫が生息する大きな貯水池を作ることによって） ）、そしておそらく気候にも影響を与えます。人口が移動し、十分に再定住していないため、社会的悪影響もあります。

1994年に中国の長江三峡の建設が開始される前の何年もの間、世界中の環境保護主義者は、この巨大なプロジェクトを止めようとする抗議を組織しました。彼らは成功していませんが、このプロジェクトをめぐる論争は、提案されたすべてのダムが将来直面するであろう議論の代表です。水、電力、洪水制御に対する人間のニーズを満たすことと、人間の根絶や侵入から環境を保護することとの間のバランスを慎重に検討する必要があります。