フィルダム

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背景

ダムは、人間が共同で使用するために建てた最も古い建造物の1つです。ダムは、川や小川の向こう側に建設される障壁であり、飲料水や灌漑用の水を供給したり、洪水を制御したり、発電したりするために、水を抑制または貯水することができます。ダムの主な種類は、アースフィル、ロックフィル、コンクリート重力、コンクリートアーチ、アーチ重力です。最後の3つのタイプはすべて、コンクリート、鉄筋コンクリート、または石積みで作られています。 （組積造という用語は、コンクリート、レンガ、または掘削された岩のブロックを意味する場合があります。）フィルダムには、一緒に圧縮された土の材料（土と岩）で作られたすべてのダムが含まれます。尾鉱ダムと呼ばれるフィルダムの1つのタイプは、採掘中に岩石を処理することから生じる微細な廃棄物で構成されています。鉱山現場では、この土壌のような廃棄物が圧縮されて、採掘および製粉プロセスのために水を保持する堤防を形成するか、尾部自体を水中に保持します。

上記のダムの主なカテゴリーのうち、すべてが古代から建設されてきましたが、19世紀から20世紀にかけて、エンジニアリング技術が向上した多くの改良が開発されました。漏水したダムは、単に水を保持できないか、ダムから浸透した水がダムの内部から物質を食い尽くして構造的に機能しなくなったために、機能していません。現代では、ほとんどの盛土ダムは、粘土の中心またはコア、フィルターと排水層、粘土のコアを挟む粗い材料、侵食を防ぐための上流（水）面の岩などのゾーンで構築されています。これらのゾーンは、ダムの上流側から下流側に断面を切り取ったときにはっきりと見ることができます。すべてのフィルダムは、安定性を維持するために重量に依存しています。

盛土は通常、コンクリートダムよりも建設費が安くなります。現場には土や岩があり、建設技術は複雑ですが、コンクリート建設よりも費用がかかりません。入手可能な材料、低コスト、および質量に対する安定性のこれらの理由により、フィルダムは多くの場合、広い水路にまたがって建設されます。また、コンクリート構造物よりも柔軟性があり、ダムの下の基礎材料がダムと水の重量で圧縮された場合、必ずしも失敗することなく変形することができます。

歴史

当然のことながら、初期のダム建設業者は、砂、木材、ブラシ、砂利などの豊富な材料を使用することから始めました。彼らの工法は、かご一杯で材料を運び、盛土をゆるく捨てることで構成されていたので、これらのダムの多くはほんの数年しか生き残れなかったかもしれません。科学者たちは、最も初期のダム建設の日付を正確に特定することはできませんでしたが、食糧が栽培され、洪水が発生しやすい地域にダムが必要であることを知っています。

フィルダムの設計は経験に基づいています。失敗は不幸で時には壊滅的ですが、彼らは最高の教師でもあり、多くの工学的進歩は以前の失敗の注意深い研究に基づいています。古代インドとスリランカのエンジニアは、フィルダムの設計と建設の最も成功したパイオニアであり、アースダムの残骸はまだ両方の国で見ることができます。スリランカでは、灌漑用水を貯めるためにタンクと呼ばれる長い堤防が建設されました。カラバララ戦車は、その周囲の長さが37マイル（60 km）でした。

最近建設された最も有名なアースフィルダムは、1970年から1980年にエジプトのナイル川を渡って建設されたアスワンハイダムです。 1976年6月、アイダホ州のティートンダムがダム内のゾーンの設計が正しくなかったために、下流の谷の浸透、故障、洪水が発生したため、アースフィルダムも壮大な故障の犠牲になりました。アースダムは短くて広い傾向がありますが、タジキスタンのヌレークダムの高さは984フィート（300 m）です。

原材料

フィルダムの建設に使用される材料には、土や岩が含まれます。土壌は、粘土と呼ばれる最小の超微細粒子からの粒子サイズによって分類されます。シルト、これも非常に細かいです。細かい砂から粗い砂まであり、細かい粒子は私たちの目で見ることができる最小の土壌粒子です。と砂利。玉石や岩と呼ばれる粗い破片もダム建設に使用されますが、通常は保護外層として使用されます。

ダム内のゾーンを建設するには、特定の土壌タイプとサイズ範囲が必要であり、ダムの設計だけでなく建設資材の場所を特定するために、ダムの基礎エリア、貯水池、および周辺エリアの調査が行われます。 。盛土建設のコストは、材料が運搬される距離とともに劇的に上昇します。潜在的な建設資材のサンプルは、粒子サイズ、含水率、乾燥密度（重量）、可塑性、および浸透性について土壌実験室でテストされます。粘土はサイズが非常に細かいだけでなく、それらがくっつく原因となる化学的特性を持っています。細かいサイズと塑性挙動の組み合わせにより、粘土の水透過性も低下します。サイトの近くに粘土が利用できる場合、ダムは、水がダムを通過するのを防ぐ不浸透性のコアまたは中央ゾーンで構築できます。それ以外の場合、ダムは、ゾーン内のさまざまな材料の組み合わせから水がゆっくりと安全に浸透できるように設計する必要があります。

水も原料です。さまざまな種類の土壌には、実験室で決定して建設中に使用できる締固め特性があります。土壌は、圧縮努力と呼ばれる水分と重量および衝撃を加えることにより、最高の機能密度に圧縮することができます。大きな振動ローラーは、最適な量の水が追加された後、土の薄層を所定の位置に押し込みます。水と重りが土壌粒子を結合し、小さな粒子を大きな粒子間のスペースに押し込むので、ボイドを排除するか、浸透を制限するために可能な限り小さくします。

ますます、フィルダムにはジオテキスタイルとジオメンブレンも含まれています。ジオテキスタイルは、丈夫で耐パンク性のある不織布です。ダムを持ち上げて弱い材料を強化するときに、リフトの間に配置できます。それらはまた、粗い排水岩を包み、細かい土の排水材料への移動を制限するためのフィルターファブリックとしても使用されます。防音シートは高密度ポリエチレン（HDPE）プラスチックでできており、不浸透性です。それらは、フィルダムの上流面を裏打ちするために、あるいは貯水池全体を裏打ちするためにさえ使用することができます。

実現可能性と
予備設計

ダムの特定の必要性は、それが給水、尾鉱または他の材料の保管、または洪水制御であるかどうかにかかわらず、フィルダムの設計と建設のプロセスを刺激します。ニーズと場所は通常密接に関連しているため、いくつかのサイトが検討される場合があります。実現可能性調査中に、エンジニアはこれらのサイトを特定し、予備的なコスト比較を行い、考えられる設計を決定し、探索に最適なサイトを選択します。実現可能性とは確かにダム建設の費用を指しますが、現場の適合性、設計、建設、および長期的な保守と安全性の技術的実用性も含まれます。

実行可能な場所が選択された後、ダムの予備設計が開発されます。ダムの位置は地形図に重ねられているので、隣接する丘の頂上に対するダムの頂上の寸法と提案された水位、および小川のダムの底の範囲を示すことができますチャネル。提案された水位の上昇は、貯水池の範囲を示し、流域の形状とともに、貯水池が保持する水の量を決定します。貯水量とダム建設に使用された材料は、プロジェクトの価値とそのコストを決定するのに役立ちます。サイトの選択、事前設計、およびコスト見積もりを複数回繰り返す必要がある場合があります。理想的には、ダムの下の基礎エリアは、浸透を防ぐために多くの掘削やグラウトを必要とせず、貯水池エリア内の材料を掘削してダムを構築するために使用できるため、土壌や岩石と同時により多くの貯水池を確保できます堤防を建設するために発掘されます。

紙の上で最適な場所が選択されると、探査プログラムが開発され、実行されます。探査中、ダムの軸の線に沿って、提案された幅を横切って、ダムの提案された上流および下流のつま先に沿って、またはその近くで、提案された余水吐の場所で、および貯水池エリアに、テストボーリングが掘削されます。ボーリングは、その強度と浸透性（浸透の可能性）の特性を評価するために、基礎の奥深くまで掘削されます。ボーリングは、上にある土壌にドリルで穴を開けるときに、実験室でサンプリングおよびテストされるため、ダム建設資材の候補として評価できます。透水性のフィールドテストは、ダムのサイトと貯水池エリアでも実行されます。建設資材の供給源である場合は、利用可能な土壌の量（および関連するコスト）を見積もることができるように、貯水池エリアにもテストピットが掘られます。

デザイン

現場調査と実験室試験が完了した後、エンジニアリングチームは、予備的な仮定、現場での調査結果、および現場調査結果に基づく設計または経済性の変更に基づいて、ダムの最終設計を開始します。フィルダムを設計する際、エンジニアは5つの重要な考慮事項を検討します。ダムを安定させるためのダムの質量。ダムからの浸透を防ぐためのコアおよびその他の内部ゾーンの設計。ダムの下の遮断壁またはその他の浸透防止の設計。上流面の侵食保護;と経済学。

盛土ダムは通常、三角形のような形をしており、ダムの上部または頂上に頂点または点があり、小川の水路の床に広い底があります。断面のベースの幅は、滑りを防ぐための摩擦を提供し、ダムの総質量は、ダムの背後にある水の重量に耐えるのに十分な強度を備えています。基礎領域は、柔らかく、浸透性があり、圧縮可能な土壌が除去されています。そして、遮断壁は岩や固い土に切り落とされます。遮断壁は鋼矢板またはコンクリートで構築することができますが、1960年頃以降に建設されたほとんどの盛土ダムでは、遮断壁は単に粘土コアの延長です。基礎岩や土に空隙や割れ目が含まれている場合は、基礎に一連の穴を開け、コンクリートグラウトを穴に注入して割れ目を密閉し、浸透を遮断します。

フィルダムのゾーンは、ダムの中心から水に向かって上流に移動するいくつかの別個の層と、下流に移動する中心からの異なる層のセットで構成されている場合があります。ゾーンの材料は、強度特性と透磁率特性のために選択され、あるゾーンの隣への配置は、これらの特性に基づく一連の計算によって慎重に管理されます。ダムの内部に到達することに成功した水がコアの周りに運ばれ、ダムの底にある排水層を通って出て行くように、フィルターと排水ゾーンが含まれています。

ダムの上流（水）面は、コンクリートスラブまたはアスファルト面で保護されている場合があります。より一般的には、石畳と岩のサイズの石が水面近くのこの面に配置されます。この面はリップラップと呼ばれ、水面での波の作用がダムの建設資材を侵食するのを防ぎます。緊急放水路のように、水位とダム内またはダム上での水の移動を制御するための他の施設も、ダムの場所、用途、建設の種類と材料、および貯水池への水の流入のために特別に設計されています。

ダム建設の経済性は、設計プロセス全体を通して考慮されます。建設資材は、現場またはその近くで入手できる必要があります。岩は土よりも急な角度で配置でき、重量も大きくなります。そのため、ほとんどが岩でできているダムは、設計セクションで小さくすることができます。ただし、岩石の掘削と移動は土壌よりも費用がかかる可能性があるため、設計エンジニアはコスト要因を考慮する必要があります。アスファルト、コンクリート、鋼、グラウト用セメントなどの他の材料も高価です。安全性と経済性の適切なバランスは、エンジニアが決定する必要があります。大型の土工機械により、ゾーン化されたダムの建設がさらに進んだ 典型的なフィルダムの断面図。多くの場所でコンクリートダムを建設するよりも経済的です。

建設プロセス

1. フィルダムは、河川や小川の水位が低く、フィル材料の供給源への降雨が少なく、大型建設機械の操作に適した乾季に建設されます。実際に建設が始まる前に、サイトを調査して、既存の地面のダムの配置、掘削されるエリア、および建設に使用される土や岩の借用エリアまたはソースを特定します。建設管理施設が設置されています。通常、建設マネージャー（長年の同様の経験を持つフィールドエンジニア）は、現場でトレーラーを使用して作業します。現場によっては、隣接する山腹などのダム建設の影響を監視し、基礎や周辺の建設中の地下水位を測定するための計器を設置する必要があるかもしれません。そしてもちろん、サイトを介して堰き止められているストリームの流れを停止する必要があります。これは、おそらく隣接する水路を通って流れるように小川を迂回させることや、一時的なダムやコッファダムで上流に止めることなど、さまざまな方法で行うことができます。
2. ダムの建設を開始する前に、基礎エリアを準備する必要があります。まれに、水路の床にある既存の材料の上にダムを直接建設することができます。ほとんどの場所で、これらの材料は圧縮性（そしてダムを不規則に沈下させる）と浸透性（水がダムの下を通過することを可能にする）です。基礎エリアには、ダムの両端を形成する丘の中腹である橋台も含まれます。土壌と軟弱または高度に破砕された岩石は掘削され、種類別に分類され、ダム建設で後で使用するために備蓄されます。基礎岩盤の表面は驚くほどきれいになっています。それは、ボイドや不規則性が見えるように、そして柔らかい土をきれいにするために、ほうきと水でホースでつながれています。基礎は、建設工事の前に注意深く検査されます。財団の状態について質問がある場合は、追加の探索的掘削が行われる場合があります。岩が割れているか、ボイドや穴が含まれている場合、これらは歯科治療と呼ばれるプロセスで小径のドリル穴から注入されるセメントグラウトで密封されます。
3. ダムの土台は、ダムが上に上がる前に地面に下がらなければなりません。ダムの全幅（水路を横切る）であるトレンチは、固い岩に切り込まれます。トレンチはキー溝またはカットオフウォールと呼ばれ、岩にいくつかのベンチまたはノッチがある場合があります。ダムが滑らかな土台に沿って滑るのを防ぎ、また、浸透がダムの下を流れようとするためのより長い経路を作成します。ダムのコアを構成する不浸透性の粘土は、キー溝に配置され、キー溝の上部または基礎の大部分の基部に到達するまで、層ごとに圧縮および持ち上げられます。
4. キー溝とダムのすべてのゾーンの土壌は、同時に同じレベルに引き上げられます。傾斜路を切る必要があるかもしれません 計画されているフィルダムの空中写真。建設機械のキー溝エリアに入れ、ダムの上昇する上部の作業面まで構築する必要があります。可能な限り、ダムの両側（橋台）から道路を切り込み、最も簡単にアクセスできるようにします。最終的には、ダムの頂上にアクセス道路が建設され、これらの橋台まで延長されます。

   大型の土工作業員は、作業中のダムのゾーンを上げるために必要な特定の種類の土を運搬します。土壌は薄い層に広がり、通常は厚さ6〜8インチ（15.2-20.3 cm）で、適切な含水率になるまで水を噴霧し、シープフットローラー（ローラーの周りに列をなして取り付けられた動物のひづめに似たプロングを備えたコンパクトローラー）で圧縮されます。土をしっかりと押して振動させます）。砂利を建設に使用する場合は、振動ローラーを使用して粒子を一緒に振動させ、それらの角度がかみ合い、開口部を残さないようにします。

   締固めプロセス全体を通して、検査官は現場で運搬され、ダムの特定のゾーンに運搬される土壌を承認します。それらは、草、根、ゴミ、または他の破片で汚染された物質を拒絶します。また、ダムのそのゾーンに適切な粒径ではないように見える土壌も拒否します。品質管理のために、サンプルが収集され、さまざまな分類テストのためにラボでテストされます（大きなダムの場合、オンサイトの土壌ラボが建設トレーラーに設置されます）。一方、検査官は、核密度計を使用して、土壌を配置して圧縮したときの密度と含水率をテストします。核密度計は、非常に小さな放射線源を使用して放射性粒子を土壌に放出します。粒子は検出器プレートに跳ね返り、所定の位置にある土壌の水分と密度を示します。このプロセスは、環境やオペレーター（放射線被曝を監視するためにバッジを着用している）に害を及ぼすことはなく、発掘やサンプリングを行うことなくデータを提供します。締固めの要件が​​満たされていない場合は、その土壌の層を掘削して再度配置し、水分と密度が適切になるまで再締固めします。

   フィルダムの建設は、各ゾーンの高さ、そして最終的にはダムの頂上に達するまで、レイヤーごと、ゾーンごとに進行します。ダム全体を1つの建設シーズンで建設できない場合、ダムは通常、段階的または段階的に設計されます。建設段階（またはダム全体）を完了することは、多くの場合、時間、天候、およびプロジェクトの予算との戦いです。

5. 一部のアースダムには、盛土の配置と同時に計器が設置されており、計器は、盛土と同じように、層とゾーンで表面に構築されます。ダムの状態は、連邦、州、地方の法律および工学的慣行の基準によって要求されるように、その生涯を通じて監視されます。計器の種類はダムの場所によって異なります。ほとんどすべてのダムには、ダムの表面またはゾーンの沈下を測定するために調査される沈下記念碑、ダムの内部または表面の傾斜面が動いているかどうかを示す傾斜インジケーター、および水を監視する水位インジケーターがありますダムのゾーンのレベル。地震活動地域のダムには、地面の揺れを測定するための機器を装備することもできます。
6. フィルダムには、そのサイズ、用途、場所に応じて、他にもさまざまな施設があります。洪水水がダムの上部ではなく、避難経路上を流れることができるように、すべてのダムに緊急放水路が必要です。水力発電のための他の余水吐は、発電ダムで設計および建設される可能性があり、それらの目的のために建設された堤防で灌漑および飲料水供給のために水を放出するために入口および出口トンネルが必要です。盛土ダムでは、通常、これらの他の施設を基礎または橋台の岩を通る掘削に配置することが望ましい。実際に盛土を通過する構造物に対して土を圧縮するプロセスは注意が必要であり、浸透経路が可能になります。
7. 特に材木を収穫できる場合は、貯水池エリアを水で満たすときにもクリアされることがあります。すべての低木や草を取り除く必要はありません（そしてそれは非常に高価です）。貯水池を満たすプロセスは比較的遅いので、ほとんどの野生生物は水位が上がるにつれて移動します。懸念される分野には、希少種または絶滅危惧種の生息地が含まれ、これらの生息地の溺死は、多くのダムの建設において懸念されてきました。

ダムが完成すると、河川水路から迂回された水が貯水池を満たすことができます。水が上昇するにつれて、ダムの一部でも上昇し、貯水池の充填期間中、ダム内の機器が注意深く監視されます。計器と簡単な観察の両方によるダムの性能の監視は、定期的に実行されます。安全計画は地域の緊急サービスに提出され、機器の測定値の突然の変化やダムまたはその貯水池の外観が、下流の洪水の経路に住む人々に警告して避難させる行動を引き起こします。修理も定期的に行われます。

品質管理

フィルダムの建設には、コンクリートダムに必要な鋼やコンクリートよりも強度特性が低く、配置によって強度、浸透や沈下などの問題の可能性、そして最終的には性能と安全性が決まるため、品質工学が不可欠です。地盤工学プロジェクトエンジニアは、安全な製品を作るために設計と土の材料が一致することを確認するという重要な役割を担っています。しかし、地質学者、建設技術者、他のエンジニア、および監督機関の代表者を含む他の多くの専門家は、同じ目的に完全に取り組んでいます。

副産物/廃棄物

フィルダムの建設には副産物はありませんが、アクセス道路やその他の支持構造物を建設するためにフィルが生成されることがあります。無駄も最小限から存在しません。余分な土、特に岩石の掘削は、これらの材料を運搬するのと同様に非常に費用がかかるため、廃棄物は設計から除外されます。

未来

主に環境への懸念から、将来のダムの設計と建設は、多くの研究が行われ、物議を醸すプロセスになるでしょう。ただし、フィルダムは土の材料でできており、モノリシックコンクリート構造物よりも景観に溶け込むため、環境にやさしいと見なされる傾向があります。フィルダムは、人間の給水ニーズを満たすための有用で安価なソリューションであることが証明されており、エンジニアリングテクノロジーの大幅な改善により、20世紀後半の安全記録が改善されました。ダムの建設には多くのコストと課題を考慮する必要がありますが、フィルダムは、飲料水、灌漑供給、洪水制御を提供する必要性において同盟国であることを証明してきました。