三峡第III期RCC仮締切の水中破砕における流体–構造相互作用：ケーソン撤去の事例研究

仮締切を安全に爆破する

中国の長江にある三峡のような巨大ダムを築く際、作業区域を乾燥させるために「ケーソン」と呼ばれる仮締切が用いられます。最終的にそれらは撤去される必要があり、多くの場合は爆薬で取り壊されますが、本体ダムや発電に悪影響を与えないように行わなければなりません。本研究は、エンジニアが高度なコンピュータシミュレーションを用いて、巨大なコンクリート製ケーソンが爆破により水中でどのように破壊・転倒するか、そして周囲の水がその運動にどのように寄与するかを詳細に理解した過程を説明します。

水中で撤去が難しくなる理由

露天での岩石やコンクリートの爆破も複雑ですが、水中では格段に難しくなります。水は爆発の挙動を変えます：爆薬に圧力をかけ、強力な衝撃波を伝え、高圧ガスを亀裂内部へ押し込む働きをします。その結果、コンクリートの破砕過程や破片が河床上でどう移動するかは、陸上の爆破ルールだけでは正確に予測できません。それでも水中爆破は港湾や航路、発電事業、大型ドックなどで一般的であり、これらの場ではケーソンを主要構造物の近くで撤去する必要があります。エンジニアは、破片が飛ぶ方向や滑る挙動、沈殿のあり方を事前に予測して、近接するダムや発電所の安全を確保する手段が必要です。

深い水中にそびえる巨大な仮設壁

本研究の対象は、三峡プロジェクトの第III期ローラーコンパクテッドコンクリート（RCC）製ケーソンで、主ダムの約114メートル上流に並行して伸びる重力式の長い壁です。多くの仮設構造とは異なり、このケーソンは撤去を見据えて施工されました。建設時に内部に三つの装薬室と特別な“破砕”孔が設けられ、後の爆破で上部を切り離して制御された方向へ倒すことができるようになっています。課題は非常に大きく、約480メートルの区間で18万立方メートル以上のコンクリートを撤去しなければならず、水深は最大約40メートルに達しました。これはこれまでの世界のケーソン爆破例のほぼ2倍に相当し、本体ダムや発電所近傍の厳しい安全制限のもとで行われました。

個々のブロックと渦をすべてシミュレートする

この危険な作業を解析するために、著者らはケーソンを数千の個別コンクリート“粒子”で表現し、それらが結合した状態で水が周囲を流れて力を及ぼす詳細なコンピュータモデルを構築しました。流体の運動を追う計算流体力学（CFD）と、多数の固体片の運動・破壊を追う離散要素法（DEM）という二つの強力な手法を組み合わせ、これらを結合することで、爆発により高圧化した水がまず壁に切り欠きを作り、その後上部が亀裂を生じて回転・滑動し最終的に河床へ落下するまでの過程を、周囲の水の奔流や再循環、破片の減速・流向転換とともに追跡できました。

ケーソンが崩れる仕組み

シミュレーションは、撤去が主に三つの段階で進行することを示します。第一に、内部の装薬室と破砕孔を時刻を合わせて爆破すると、深く斜めの欠損が切り開かれ、上部の支持点が移動します。自重とケーソン内外の水位差の作用により、この上部ブロックはゆっくり倒れる扉のように回転し始めます。第二に、傾きながら上部ブロックは残存コンクリートの新たに形成された斜面に沿って滑動し、水はその前面を押し流れ下面にも流れ込みます。河床に滑り落ちた破片は周囲の水流を加速させ、縁付近の破片を減速させる逆流を生みつつ中央側の破片を速めます。最後に上部が斜面との接触を失って水中で自由落下し河床に着底し、渦や旋回流が沈降する破片の周りに生じます。モデルはまた、残存する下部ケーソンが概ね設計どおりの形状と高さを保つ様子もとらえています。

モデルの検証

コンピュータモデルは現実と一致して初めて有用です。三峡での実際の爆破時、主要ダム上のセンサーは転倒したケーソンが河床に衝突する際の振動を記録しました。最初の強い衝撃信号は起爆後約16.1秒に現れ、シミュレーションの予測と一致しました。水中地形の測量でも、撤去により生じたギャップと残存部分の高さが設計値および計算結果とよく一致していました。この一致は、結合モデルがコンクリートの破壊挙動と水の反応の双方を捉えられることに対する技術者の信頼を与えます。

今後のダムにとっての意義

専門外の方への要点は、本研究が高エネルギーで観察が難しい水中爆破を予測可能で可視化されたプロセスへと変えたことです。ケーソンを多数の結合ブロックとして扱い、河川を流動する流体として扱うことで、研究者らは水が爆発エネルギーを伝えるだけでなく、落下する破片を緩衝し、進路を変え、場合によっては減速させる役割を果たすことを明らかにしました。この手法は、大型ケーソンやその他の水中構造のより安全な撤去計画を立てるのに役立ち、主要ダムや発電所、作業員へのリスクを低減しつつ、爆薬と現場条件をより有効に活用する道を開きます。

引用: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

キーワード: 水中爆破, ケーソン撤去, 三峡ダム, 流体・構造連成, 数値シミュレーション