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配管水路の計算、オリフィス流量計算、堰ダム落差工の計算をチェックしてみた
流量と流速、管径は、互に比例した関係にあります
管径は、流量と流速に大きく影響し、管の延長や曲がり部分が多いほど損失水頭が大きくなります。流量と流速、管径は、互に比例した関係にあります。流量は、管の断面積×流速により求めます。流速は、流量÷管の断面積となり、管の断面積は、流量÷流速として求めます。管の断面が円形であることから、管の断面積は、1/4×π×管の直径^2 で求まります。
水頭と流速の関係は、ベルヌーイの定理により、流速、重力加速度、基準水面からの高さである位置水頭、その点の圧力、水の単位体積重量などの値を用いて計算します。
管内を流れる水は、口径、延長、取付器具などの摩擦抵抗によりエネルギーが失われます。 この損失を水頭で表し、摩擦損失水頭といいます。 水頭と流速の関係は、ベルヌーイの定理により、流速、重力加速度、基準水面からの高さである位置水頭、 その点の圧力、水の単位体積重量などの値を用いて計算します。
摩擦損失水頭は、管の形状や流況と、次のように関係します。摩擦損失水頭は、管の長さに比例します。 摩擦損失水頭は、管内面の粗雑度に比例します。摩擦損失水頭は、管内の流速の2乗に比例します。 摩擦損失水頭は、管の直径に反比例します。また、摩擦損失水頭は、管内の水圧に関係しないとされています。
分水施設の設計について知っておきたいポイント
分水施設の設計については、横越流堰方式と、直接分水方式が採用されています。 横越流堰方式と直接分水方式の管渠形状は、ともに、直線区間、一様勾配区間、一様断面区間になります。 越流量の計算については、外水位により、完全越流、不完全越流、もぐり状態による流量係数などを用いて計算されます。 流量係数は、一般には本間の式、沖式の値が採用されます。
堰とは、水路の途中や水槽の溢れ口に設けられた板のことで、堰を溢れる水の高さと平均流速の関係は、ほぼ一様になります。この場合の越流水深を計測して流量を計算します。流量計算の自体はそれほど難しくないのですが、実際には越流時の水頭損失や側壁面、切り欠き深さと影響があるため、多くの実験に基づいて、計算式が定められています。
越流量の計算については、外水位により、完全越流、不完全越流、もぐり状態による流量係数などを用いて計算されます。流量係数は、一般には本間の式、沖式の値が採用されます。
横越流堰方式は、分水形態がピークカットになり、管渠断面は矩形断面で、分水施設規模は堰長が水路幅の2倍程度になるのが特徴です。 直接分水方式は、管渠断面が円形断面で、分水施設規模は分水管径が本管の1/2程度になります。 管渠勾配は、ともに、1‰程度の流れが安定した常流となる勾配になります。
高水敷保護工は、流水の作用による高水敷の洗掘を防止できる構造として設計します。 魚道は、魚類の遡上・降下などに対応した形状とし、流水作用に対して安全な構造として設計します。 遮水工は、鋼矢板構造、コンクリート構造のカットオフとして計画し、上下流の水位差で生じる揚圧力、 パイピング作用に対応できる構造として設計します。
水叩き工は、コンクリート構造が標準で、水叩きは本体を越流する 水の浸食作用、 下面から働く揚圧力に対して安全な構造として設計します。 基礎工は、上部荷重を良質な地盤に安全に伝達する構造として設計します。 護岸工は、流水の作用に対して堤防、河岸を保護できる構造とし、 河川環境にも配慮して設計することが重要です。
砂防施設、砂防ダムの設計計算について、算出する具体的な方法とは
砂防施設の設計計算の清水の対象流量は、合理式を用いて、1/360×流出係数×降雨強度×流域面積、により算出します。ここで用いる降雨強度は、日雨量・24時間雨量より算出するのが一般的です。土石流の流速と水深の計算は、土石流の流下断面から算出します。
砂防施設の設計流量の計算については、土石流ピーク流量、清水の対象流量、土石流の流速と水深、 土砂含有などを考慮した設計流量の計算が必要になります。 土石流ピーク流量の計算は、土石流総流量より求める経験式、降雨量に基づく理論式の内、 大きい数値を採用するのが一般的です。 砂防施設の水通しの設計については、土石流ピーク流量に対する越流水深、最大礫径に対する水通し高さにより、断面形状を算出します。
砂防ダムの設計については、水通しの設計、本体のり勾配の検討、本体の安定計算、袖部ブロックの設計、水叩きの設計、側壁護岸の設計などを行います。
砂防ダム本体の安定計算については、次のような項目を評価します。えん堤高15m未満のダムの非越流部、越流部の計算を行い、のり勾配やカットオフ断面など最も経済的な断面を検討します。荷重の組合せは、平常時、洪水時、土石流時について行います。
袖部の設計については、設計外力は、袖部の自重、土石流流体力、礫の衝撃力、流木の衝撃力を比較して大きい衝撃力を採用します。補強鉄筋の計算は、必要鉄筋量、付着応力度、コンクリートに作用するせん断応力度、必要定着長などから算出します。
床止め工は、通常の流水作用に対しての安全性が求められるとともに、魚類の遡上・降下などの河川環境を十分考慮した設計が重要になります。床止め工は周辺の河岸、河川管理施設の構造に支障のないような構造とします。
護床工は、河川構造物の上下流での局所洗掘を防止するために、必要な長さと構造をもつように計画し、屈とう性を有する構造として設計します。
遮水工は、鋼矢板構造、コンクリート構造のカットオフとして計画し、上下流の水位差で生じる揚圧力、パイピング作用に対応できる構造として設計します。
防波堤ケーソンの設計では耐衝撃設計を忘れずに
防波堤ケーソンは、穴あき被災が生じる部位として、防波堤の断面変化部、防波堤の隅角部、防波 堤の堤頭部、消波ブロックの被覆範囲が変化する区間、が過去に被災事例として報告されています。 このような防波堤、ケーソン側壁については、耐衝撃性が必要とされます。
防波堤ケーソンの設計において、耐衝撃性が必要とされる範囲は、消波ブロックへの衝突を想定して、範囲を設定します。ケーソンの耐衝撃設計断面の範囲は、耐衝撃性が必要とされる範囲で設定します。穴あき被災が生じやすい防波堤として、消波ブロックで被覆されている防波堤、外面に面している防波堤があげられます。また、過去に被災事例のある防波堤、過去に被災した防波堤が比較的近辺にある防波堤については、穴あき被災が生じやすいと考えられます。
衝撃設計断面とは、衝撃荷重による局部損傷に対して安全性を考慮したケーソン壁の断面をいいます。また、通常設計断面とは、衝撃荷重による局部損傷に対して安全性を考慮していないケーソン壁の断面になります。
防波堤ケーソンを設計する場合の主鉄筋は、 支間方向と平行に配置される鉄筋であり、配力筋は、支間直角方向と平行に配置される鉄筋です。 圧縮側は、ケーソン壁が外部から衝撃荷重を受けて曲げ変形する時に圧縮応力が発生する側になり、 引張側は、同様に引張応力が発生する側のことをいいます。