JP2002167740A - 水力発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダムに土砂と有機物を堆積させえることが、
ダム機能の低下と環境破壊の原因になっており、そのた
めに土砂と有機物を導水管で吸引して排出し、一切ダム
に堆積させないようにする。その際 問題は吸引された
砂礫を水車に入る前に簡易な方法で分離することと、落
差を最大化して発電量を増加したことにより導水管長さ
が長くなり、水撃が増大することの二つの課題を同時に
解決する。 【解決手段】 導水管１ａの長さが在来法より長いの
で、導水管１ａ内を流れ下る過程で砂礫５の多くが管１
ａの下部に沈下して掃流状態で流れ下る。その現象を利
用して掃流状態の砂礫５は、その慣性力で排砂管２ａ内
に流れ込むように水車に入る前に導水管１ａを分岐さ
る。強大な水撃を吸収する方法として、排砂管２ａとサ
ージタンク３内に静止している砂礫５に水撃の衝撃を加
えると同時に排砂管先端の弁４を開いて流れを起こし、
水撃のエネルギ−で砂礫５を遠距離の砂礫集積場まで流
送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水力発電、揚水
発電、洪水防御、利水、砂防の諸機能を有する水力発電
方法に関する方法に係り、更には、分水嶺上まで揚水し
て多雨地帯の水を水力発電しながら乾燥地帯まで流送を
するためにも用いられ水力発電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の大規模ダムの水力発電は、流下す
る土砂でダム湖に堆砂し、貯水量が年々減少し、そのた
め電力調節、洪水調節、利水、揚水発電、砂防などの諸
機能が年々低下している。またダムは流下する有機物を
ダムで塞き止め、ダム湖を富栄養化し、植物プランクト
ンんのアオコを多発させてたり悪臭を放ち水道水として
の水質を低下させ、またダム下流は貧栄養化させ、プラ
ンクトンを、それを餌にする魚介類を激減させ、食物連
鎖の切断、生態系の破壊、沿岸漁業を衰退させている。
また大規模ダムは広大な森林、農地、住宅地を水没させ
る。このため流域住民や環境保護団体の反対運動が激し
く、今後の大規模ダムの建設は著しく困難になっいる。
一方小規模はダムは数年でダム湖が埋まり、これらダム
湖の持つ諸機能は失われ、豊水期、洪水時の水は発電に
使われることなく無効放流されている。これが発電コス
トが高い一因になっていて、発電コストは３０円／ＫＷ
ｈと石油火力発電の６円／ＫＷｈと高い。これらの諸問
題を解決するため、本発明者は平成１２年２月３日に出
願した特願２０００−２６５６０号明細書、発明の名称
『ダム施工方法、水力発電方法』で次の提案をした。

【０００３】（１）ダム湖の上流まで突出した取水用導
水管で土砂および有機物は優先的に吸引して排出して下
流に流し、ダム湖には一切土砂や有機物を堆積させな
い。

【０００４】（２）ダム建設前に河川敷に昔から堆積し
た土砂も排出して、ダム湖の河床が逆勾配になる程に上
流部を浚渫して、貯水効率を最大化する。

【０００５】（３）河川敷の巨礫はクラッシャで破砕し
て、導水管に容易に吸引し排出できるようにする。

【０００６】（４）理論包蔵水力に可能な限り近付くた
め、本流、支流の最上流部にダムを造り、そこから山地
の麓の水力発電所まで導水本管を延長し、その途中に多
数の小規模ダムを階段状に造り、そのダムの水を前記導
水本管に弁を介して合流させる。その水系に大規模ダム
を造った場合を想定し、それと比較して集水流域は同
等、貯水量も同等にし、落差は前記大規模ダムの数倍に
なるようにする。そすると発電力は数倍になり、発電コ
ストを大規模ダムより安くする。

【０００７】（５）小規模ダム総てに電力調節、洪水防
御、利水、揚水発電、砂防、魚道などの諸機能を持たせ
るようにする。以上を提案した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これを実施する上で次
の二つの問題点を解決しなければならない。

【０００９】（１）前記の提案の新しい水力発電方法の
導水本管の長さは在来の導水トンネルと水圧鉄管による
導水長さと比べると、高落差の場合、何十倍を大きい。
それだけ発電停止時の水撃が大きい。水撃の緩和吸収対
策が必要である。

【００１０】（２）砂礫が水車に流入すると短期間に摩
耗してしまう。そこで砂礫を混入した水を水車に入る前
に砂礫分離タンクで分離する方法を考案し、特願２００
０−２６５６０を出願した。しかし、その砂礫分離装置
は次の問題点がある。

【００１１】（ａ）高圧に耐える大型の砂礫分離タンク
が必要で建設費が高い。

【００１２】（ｂ）大型構造物であるため、工場製作が
できず、現地溶接組み立てになり工期が長くなる。

【００１３】（ｃ）広い建設場所を必要とし、山岳地帯
ではそのような場所が取りにくい。

【００１４】（ｄ）流体が篩に衝突し、圧力損失が大き
く、篩が激しく摩耗し、それを取替えのため発電を停止
ししなければならないという問題点があった。本発明は
これらの問題点を解決するためのものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ダム
湖に沈積する砂礫および有機物をダムより上流の突出し
た導水管で積極的に吸引し排出させながら水力発電をす
る方法において、次の工程を含むことを特徴とする水力
発電方法である。水が水車に入る前に導水管１ａを導水
管１ｂと排砂管２ａに分岐させ、排砂管のサージタンク
３を設置し、その更に先端部に弁４を設置し、弁４は常
時は閉じられた状態にしておき、排砂管２ａ内の水は滞
水状態にし、水力発電時、導水管１ａ内を掃流状態で流
れ下る砂利および粗砂５は、その慣性力と重力の作用で
排砂管内に流れ込ませ、導水管１ａ内を浮遊状態で流れ
下る細砂６は、分岐部で生ずる渦流７に慣性力で巻き込
まれ、その遠心力で渦流の外に細砂８のように弾き出さ
れて排砂管内に落下させて分離し、細砂より粒径の小さ
いシルト、粘土および比重の軽い有機物による水車摩耗
は軽微であり分離されずに導水管１ｂを経由して水車の
方に流す。

【００１６】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
の水力発電方法において、導水管１ａより分岐された排
砂管２ａは砂礫貯留に必要な長さは勾配を急にして分離
された砂礫が重力の作用で傾斜面を滑動しやすくしてサ
ージタンク３に流れ込ませ、砂礫を貯留させ、サージタ
ンク３は水撃を吸収緩和すると共に、そのサージタンク
に前記排砂管２ａより外径の小さい排砂管２ｂを複数本
取付け、複数か所の砂礫集積場まで配管し、その先端に
弁４を設置し、排砂管内に沈積した砂礫の排出は電力需
要がオフピ−クになり水力発電停止時の水撃を利用し、
水力発電停止と同時に弁４を開いて砂礫を排出し、水撃
が収まり排砂量が減少すれば、再び弁４を閉じるように
した水力発電方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。図１は導水管の分岐管による砂礫分離の説明図、
図２は砂礫分離装置の全体図、図３は砂の粒径と砂の静
水中の沈降速度のデータである。

【００１８】第１の発明は、掃流状態で流れ下った砂礫
は、その慣性力と重力で排砂管内に流れ込ませるよう
に、また沈下せずに浮遊状態で流れ下った砂は、分岐部
に発生する渦流に衝突して巻き込まれ、その遠心力で渦
の外に弾き出され分離できるように、図１に図示のよう
に導水管１ａを分岐管１ｂを付けて下り勾配を変化さ
せ、導水管１ａの延長上に排砂管２を接続するという構
造にした。そうしたのは新水力発電方法は在来法と比べ
導水管長さが長く、それだけ長い導水管を流れ下る過程
で砂礫が管の底に沈下し掃流状態で流れる割合が増える
からである。

【００１９】図３は砂の粒径と砂の静水中の沈降速度の
デ−タ（野崎次男、「水車の摩耗を考慮した沈砂池の容
量および断面積の決定に就いて」電力土木、Ｎｏ.２１
８，１９８９）である。これから次のことが判る。

【００２０】（１）粒径の大きい砂利（粒径２．０ｍｍ
以上）や粗砂（粒径２．０〜０．４２ｍｍ以上）は長い
導水管を流れ下る過程で管の底に沈み、図１の掃流状態
の砂礫５の状態で流れ下り、分岐部で排砂管２ａの方へ
慣性力で流れ込む。

【００２１】（２）粒径０．４２〜０．０７５ｍｍの細
砂の水中沈降速度は４〜０．４ｃｍ／ｓｅｃで、長い導
水管路を流れ下る過程で管の底を掃流状態になって流れ
るものもあるが、かなり細砂は浮遊状態で流れ下る。こ
の浮遊状態の細砂は流れ下る慣性力で分岐部で起こる渦
流７に巻き込まれ、その遠心力で比重が水より重い細砂
を渦流の外に付図８のように渦流の外に弾き飛ばされて
排砂管内に落ちる。

【００２２】水車の型式と除くべき砂の粒径は次の通り
である。

【００２３】 水車の型式 除くべき砂の粒径（ｍｍ） カプラン １〜３以上 フランシス ０．４〜１以上 ペルトン ０．２〜０．４以上 落差（ｍ） 除くべき砂の粒径（ｍｍ） 100 〜200 ０．６〜１．０以上 200 〜300 ０．５〜０．６以上 300 〜500 ０．３〜０．５以上 500 以上 ０．１〜０．３以上

【００２４】上記のデ−タ−から細砂まで除かななけれ
ばならないのは高落差で導水管の長いペルトン水車だけ
である。導水管長さが長いので大部分の砂礫は管の下部
に沈み掃流状態で流れ下り、排砂管に流れ込む。残りの
一部の細砂はなお浮遊状態で流れ込むが、それは分岐管
で発生する渦流に巻き込まれ、遠心力で排砂管の下部に
弾き出され分離される。

【００２５】中落差、低落差の導水管長さは、落差にほ
ぼ比例して短くなるが、除かなければならない砂礫は粗
砂以上の大きい粒径で、沈降速度が速くので殆どが掃流
状態で流れ下るので分離は容易である。

【００２６】第２の発明は、強大な水撃を緩和吸収する
と共に、その水撃を利用して遠距離の複数の砂礫集積場
まで流送することを目的としている。排砂管２ａの勾配
を急にしているの排砂管内は滞水状態であり、重力と水
車の羽に当たる反力の圧力振動で液状化し、サージタク
３まで流れ込むようにするためである。液状化は細砂や
粗砂では起こりやすく僅かの勾配を付けるだけで流動す
るが、砂利など大きい粒径の礫が混じると液状化がやや
困難になり流動性が低下する。それを考慮して勾配を急
にする。サージタンク３より先は地形的に勾配が取れな
いので、そこから先は水力発電停止時の強大な水撃を利
用して流送する。

【００２７】導水管１と排砂管２ａは通常３ｍの大径鋼
管を使うが、サージタンク３より先の排砂管は、外径
１，０１６ｍｍまたは６１０ｍｍの鋼管を複数本使い、
複数の砂礫集積場まで配管し、その先端に弁４を設置す
る。水力発電の停止と同時に複数の弁４を一斉に開き、
排砂管内およびサージタンク３内の砂を水撃の衝撃波を
利用して排出する。水撃が収まり、排砂量が減少した時
を見計らって複数の弁４を順次へ閉じる。弁を閉じる時
も水撃が起こるが、複数の弁を一斉に閉じるのではな
く、一つづつ閉ざしていけば水撃は緩和される。

【００２８】導水管内を流れ下ってきた有機物は比重が
水との差が少ないので分離されずに導水管１ｂ、水車を
経由して河川に放流される。その有機物は河川の溶存酸
素により発酵分解して無機の栄養塩になり、植物プラン
クトン、次いで動物プランクトンを繁殖させ、正常な食
物連鎖が結ばれる。

【００２９】水力発電の負荷変動で水車の弁を調節し、
導水管内の流速が変化する時も水撃が生ずる。この時の
水撃は発電停止と比べ小さい。その水撃はサージタンク
３が吸収し水車、導水管、排砂管、弁などに作用するの
を緩和する。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果を奏する。 （１）水撃を利用して複数の砂礫集積場に分散して流送
できる。 （２）有機物が毎日下流に流され、食物連鎖が行われ、
生態系の破壊が起こらない。 （３）簡単な構造で砂礫が分離でき、大幅なコストダウ
ンができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】導水管の分岐管による砂礫分離の説明図であ
る。

【図２】砂礫分離装置の全体図である。

【図３】砂の粒径と砂の静水中の沈降速度の実験デ−タ
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダム湖に沈積する砂礫および有機物をダム
   より上流の突出した導水管で積極的に吸引し排出させな
   がら水力発電をする方法において、次の工程を含むこと
   を特徴とする水力発電方法。水が水車に入る前に導水管
   １ａを導水管１ｂと排砂管２ａに分岐させ、 排砂管のサージタンク３を設置し、 その更に先端部に弁４を設置し、 弁４は常時は閉じられた状態にしておき、 排砂管２ａ内の水は滞水状態にし、 水力発電時、導水管１ａ内を掃流状態で流れ下る砂利お
   よび粗砂５は、その慣性力と重力の作用で排砂管内に流
   れ込ませ、 導水管１ａ内を浮遊状態で流れ下る細砂６は、分岐部で
   生ずる渦流７に慣性力で巻き込まれ、その遠心力で渦流
   の外に細砂８のように弾き出されて排砂管内に落下させ
   て分離し、 細砂より粒径の小さいシルト、粘土および比重の軽い有
   機物による水車摩耗は軽微であり分離されずに導水管１
   ｂを経由して水車の方に流す。
2. 【請求項２】請求項１に記載の水力発電方法において、 導水管１ａより分岐された排砂管２ａは砂礫貯留に必要
   な長さは勾配を急にして分離された砂礫が重力の作用で
   傾斜面を滑動しやすくしてサージタンク３に流れ込ま
   せ、砂礫を貯留させ、 サージタンク３は水撃を吸収緩和すると共に、そのサー
   ジタンクに前記排砂管２ａより外径の小さい排砂管２ｂ
   を複数本取付け、 複数か所の砂礫集積場まで配管し、 その先端に弁４を設置し、 排砂管内に沈積した砂礫の排出は電力需要がオフピ−ク
   になり水力発電停止時の水撃を利用し、水力発電停止と
   同時に弁４を開いて砂礫を排出し、 水撃が収まり排砂量が減少すれば、再び弁４を閉じるよ
   うにした水力発電方法。