JP2008259943A - 土砂スラリーの処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開水路方式による砂分の分級、回収を、回収率の低下や分級精度の悪化を招くことなく長期的に連続して行うことができる土砂スラリーの処理装置を提供する。
【解決手段】一端側の流入部１１から他端側の流出部１２へ浚渫スラリー（土砂スラリー）２５を流す開水路１３の底に、流入部１１に隣接する部位から流出部１２に隣接する部位にわたって、砂の安息角度を超える角度で陥没する複数のＶ字断面の砂溜り１７を連設し、各砂溜り１７の底部には、該砂溜り１７内に堆積した砂２６を排出するための砂排出口１９と該砂排出口１９を開閉するバルブ２０とを設ける。ポンプ浚渫船からポンプ圧送された浚渫スラリー２５を流入部１１に下向きに供給して、開水路１３内を一定流速で流し、砂２６を砂溜り１７内に沈降、堆積させて分級し、レベルセンサ２１Ａ，２１Ｂによりその堆積量を監視して、バルブ２０の操作により堆積した砂２６を排出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ポンプ浚渫された浚渫スラリー等、土砂を含む土砂スラリーから砂分を分級、回収するための土砂スラリーの処理装置に関する。

従来、ポンプ浚渫された浚渫スラリーの処理は、一般には排砂管により沈砂池へ搬送し、沈砂池内で砂分を沈降および堆積（分級）させた後、バックホウ、クラムシェル等で回収する方法で行われていた。しかし、このような処理方法では、砂分が所定量堆積するごとに、バックホウ等による回収作業を行わなければならないため（並行作業ができないため）、大量に発生する浚渫スラリーを処理するには、大型の沈砂池を複数設置しなければならず、用地確保が困難な状況にある最近の事情から、これに代わる新たな処理方法、装置が望まれていた。

そこで、特許文献１には、図７に示すように、一端側の流入口１から他端側の流出口２へ浚渫スラリー（土砂スラリー）を流す水路（開水路）３を備え、開水路３の底３ａを流入口１側から流出口２側へ次第に深くすると共に、流出口２に隣接して、砂排出口４ａを底部に有する砂溜り４を設け、砂溜り４に砂５が適当量堆積するごとに、砂排出口４ａに設けた開閉バルブ６を開いて砂５を適当量排出する浚渫スラリー処理装置が記載されている。この処理装置によれば、砂分の分級と砂の回収とを並行して行うことができるので、上記した沈砂池における問題点を解決できることになる。
特開２００１−７３４０２号公報（図５、図６）

しかしながら、上記特許文献１に記載の浚渫スラリー処理装置によれば、開水路３の底３ａが緩傾斜となって、砂の安息角度（３０度）よりも小さくなっているため、開水路３の途中で沈降、堆積した砂５の、下流側（砂溜り４側）へ流動が困難となる。そして、砂の下流側への流動が困難となる結果、同じく図７に示すように、長期的に開水路３の底３ａに堆積する砂５の量が増し、この堆積した砂５を除去するためのメンテナンスが必要になって、連続処理（並行作業）が不可能になる。また、開水路３の途中に堆積した砂５によって水路断面が変化して水路内流速が（低速から高速へ）変化し、分級しきれない砂が流出口２から多量に流出し、砂分の回収率が低下してしまう。なお、この回収率の低下に対処するには、砂の堆積量を考慮して、予め開水路３の深さを深くする考え方もあるが、この場合は、初期段階での水路内流速が小さくなるため、粘土やシルトなどの細粒分の分級（沈降、堆積）も進み、砂分の分級精度が悪化してしまう。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、開水路方式による砂分の分級、回収を、回収率の低下や分級精度の悪化を招くことなく長期的に連続して行うことができる土砂スラリーの処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、一端側の流入部から他端側の流出部へ土砂スラリーを流す開水路を有する水路構造物を備え、前記開水路の底には、前記流入部に隣接する部位から前記流出部に隣接する部位にわたって、砂の安息角度を超える角度で陥没する複数の砂溜りを連設し、前記各砂溜りの底部には、該砂溜り内に堆積した砂を排出するための砂排出口と該砂排出口を開閉するバルブとを設けたことを特徴とする。

このように構成した土砂スラリーの処理装置においては、開水路の底にその流れ方向に沿って複数の砂溜りが連設されているので、砂溜りの上方域が水路断面となり、したがって、水路内流速は砂溜りの影響を受けることなく安定する。また、砂溜りは、砂の安息角度を超える角度で陥没すると共に、流れ方向に連接して設置されているので、土砂スラリー中の砂分が砂溜り内に確実に沈降および堆積し、したがって、開水路の底に堆積する砂によって水路断面が変化することはなくなり、水路内流速は長期的にも安定する。そして、水路内流速が安定する結果、砂の分級が促進されて回収率が増大すると共に、分級精度も高まる。しかも、開水路の底に砂が堆積することがなくなるので、水路底に堆積した砂を除去するためのメンテナンスも不要になり、長期的に連続処理が可能になる。さらに、砂粒子の沈降速度は粒径の２乗に比例するので、上流側の砂溜りほど粒径の大きい砂が堆積し、したがって砂溜り単位で異なった粒径分布の砂を回収できる。

本発明において、上記砂溜りの断面形状は任意であるが、開水路の流れ方向に沿ってＶ字断面とするのが望ましい。このようにＶ字断面とする場合は、Ｖ字断面の最深部に集中的に砂が集まるので、該最深部に砂排出口を設けることで、砂排出口からの砂の排出を円滑に行うことができる。

また、本発明は、土砂スラリーが、開水路の流入部に対して下向きに供給されるようにするのが望ましい。この場合は、開水路に供給される土砂スラリーの勢いが流入部で減勢されるので、流入部より下流側の水路内流速に対する影響が小さくなり、水路内流速は安定する。

また、本発明は、開水路が幅広に形成されており、土砂スラリーが、前記開水路の流入部に対し、該開水路の幅方向に分配して供給される構成としてもよい。このように構成した場合は、処理能力を高めるべく開水路を幅広としても、開水路内の流速分布は一様となり、安定して砂分の分級を行うことができる。

本発明に係る土砂スラリーの処理装置によれば、開水路方式による砂分の分級、回収を、回収率の低下や分級精度の悪化を招くことなく長期的に連続して行うことができ、大量に発生する浚渫スラリーの処理に向けて好適となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１、２は、本発明に係る土砂スラリーの処理装置の一つの実施形態を示したものである。本実施形態としての処理装置１０は、ポンプ浚渫された浚渫スラリーから砂分を分級、回収するもので、一端側の流入部１１から他端側の流出部１２へ浚渫スラリー（土砂スラリー）を流す開水路１３を有する水路構造物１４を備えている。水路構造物１４の一端側には、後述のポンプ浚渫船３０（図３）から延ばした排砂管３１に一端を接続したスラリー管３２が取回されており、開水路１３の一端側の流入部１１には、該スラリー管３２から下向きに浚渫スラリーが供給されるようになっている。本実施形態において、開水路１３は幅広に形成されており、スラリー管３２は、前記排砂管３１から分岐する形態で複数本（ここでは、４本）設けられ、それぞれは、開水路１３の幅方向に等間隔に配列されている。また、排砂管３１の先端部には流量調整弁３３が設けられており、開水路１３には、この流量調整弁３３で調整された所定流量の浚渫スラリーが供給される。

開水路１３の流出部１２は、堰（角落とし）１５を有する堰構造となっており、開水路１３内の浚渫スラリーはこの堰１５をオーバーフローして外部へ流出するようになっている。堰１５の高さは、開水路１３の幅方向に一定高さとなっており、これにより流入部１１に供給された浚渫スラリーは、開水路１３内を幅方向に一定した流速分布を保って流出部１２へ向けて流れる。なお、流出部１２の外側には、堰１５をオーバーフローした浚渫スラリーを受ける受樋１６が配設されている。

上記開水路１３の底１３ａには、流入部１１に隣接する部位から流出部１２に隣接する部位にわたって、流れ方向にＶ字断面をなす複数（ここでは、３つ）の砂溜り１７が連設されている。各砂溜り１７は、砂の安息角度（３０度）よりも大きい角度で壁面１７ａが傾斜するようにそのＶ字角度が設定されており、開水路１３内を流入部１１から流出部１２へ浚渫スラリーが流れる間に、該浚渫スラリー中の砂分がこの砂溜り１７内に沈降および堆積するようになっている。各砂溜り１７は、開水路１３の底１３ａから直接陥没する形態で設けられており、砂溜り１７の相互間の連接部（天端）１８は開水路１３の底１３ａと同じ高さレベルとなっている。これにより開水路１３の断面（水路断面）は砂溜り１７の存在によらず一定となり、この結果、開水路１３内を流れる浚渫スラリーの流速（水路内流速）は、砂溜り１７の影響を受けることなく一定となる。

本実施形態において、各砂溜り１７のＶ字断面の最深部（頂部）には複数（ここでは、５つ）の砂排出口１９が設けられている。各砂排出口１９には開閉バルブ２０が取付けられており、この開閉バルブ２０の開弁に応じて砂溜り１７内に堆積した砂が外部へ排出される。また、各砂溜り１７の壁面１７ａには、砂溜り１７内に堆積した砂の量を検知する一対のレベルセンサ２１Ａ、２１Ｂが上下方向に離間して設置されている。この一対のレベルセンサのうち、上側のレベルセンサ２１Ａは砂の堆積量の上限を検知する上限センサ、下側のレベルセンサ２１Ｂは砂の堆積量の下限を検知する下限センサとしてそれぞれ機能し、これらレベルセンサ２１Ａ、２１Ｂの信号に応じて開閉バルブ２０を開閉することで、砂溜り１７内における砂の堆積量が調整される。一方、各砂溜り１７の下方には、前記砂排出口１９から落下する砂を受けるコンベヤ２２が配設されている。コンベヤ２２は、ベルトコンベヤからなっており、その上に受けた砂を本処理装置１０の側方へ搬送する。さらに、開水路１３の上方には、該開水路１３内を流れる浚渫スラリーの液面高さを検知する液位センサ２３が設置されている。本実施形態においては、該液位センサ２３の検出結果に基づいて、一定の液位となるように前記排砂管３１内の流量調整弁３３をフィードバック制御する。

本処理装置１０は、一例として図３に示すように、陸上の沈殿池３４に隣接して受泥槽３５と一緒に設置される。ポンプ浚渫船３０は、ラダー３６の先端から浚渫スラリー（浚渫土砂）を船上に吸引する吸引ポンプ３７と浚渫スラリーを前記排砂管３１内に圧送する圧送ポンプ３８とを備えており、浚渫スラリーは本処理装置１０へ連続供給される。一方、受泥槽３５は本処理装置１０に付設した前記受樋１６と配管３９により接続され、また、受泥槽３５と沈殿地３４との間はポンプ４０を有する配管４１により接続されている。これにより開水路１３をオーバーフローした浚渫スラリーは、一旦受泥槽３５に蓄えられた後、沈殿池３４へポンプ圧送される。

ここで、本処理装置１０内の開水路１３内の流速（水路内流速）をＵ、砂粒子の沈降速度をＵ１、流入部１１に隣接する部位から流出部１２に到る開水路１３の長さ（水路長）をＬとすると、砂粒子が流出部１２に到達する時間ｔ１は下記（１）式により、砂粒子が流出部１２に到達するまでに沈降する量ｈ１は下記（２）式によってそれぞれ決まる。
ｔ１＝Ｌ／Ｕ （１）
ｈ１＝Ｕ１×ｔ１＝Ｕ１×Ｌ／Ｕ （２）
これより、砂粒子の沈降量ｈ１が開水路１３の端部の落差（水深）Ｈより大きければ（ｈ１＞Ｈ）、砂分は開水路１３内で沈降し、砂溜り１７内に堆積することになる。この場合、砂粒子の沈降速度ｈ１は粒径の２乗に比例するので、粒径の大きい砂分ほど流入部１１に近い側の砂溜り１７内に、粒径の小さい砂分ほど流出部１２に近い側の砂溜り１７内に沈降する。

一方、水路内流速Ｕは、浚渫スラリーの流入量Ｑと水路断面（水路幅×水深）Ｓとの関係で、下記（３）式によって決まる。
Ｕ＝Ｑ／Ｓ （３）
この場合、ポンプ浚渫船３０から圧送される浚渫スラリーの量、すなわち開水路１３内への浚渫スラリーの流入量Ｑは、ポンプ浚渫船３０の能力によって決まり、また、水路断面Ｓは、前記流入量Ｑを処理可能な大きさとなる。本実施形態においては、開水路１３内が一定の液位となるように排砂管３１内の流量調整弁３３を制御するので、前記流入量Ｑおよび水路断面Ｓは自ら決まり、したがって、これら流入量Ｑおよび水路断面Ｓに基づいて（３）式から水路内流速Ｕが求まり、これを上記（２）に代入すれば、砂分の分級に必要な水路長Ｌが分かる。

本処理装置１０は、上記のようにして求められる水路長Ｌに対して、その流れ方向に連接して必要数の砂溜り１７を設置する。この場合、砂の安息角度（３０度）よりも大きい角度で陥没すること、水路断面Ｓに影響を与えない開口面積を有することが前提となるので、これらの点を考慮して砂溜り１７として必要な寸法、形状並びに設置数を決定する。

以下、上記のように構成した処理装置１０による浚渫スラリーの処理方法を、図４も参照しながら説明する。

浚渫スラリーの処理に際しては、排砂管３１の先端部に設けた流量調整弁３３を操作して、開水路１３に供給される浚渫スラリーの量を一定とする。ポンプ浚渫船３０からポンプ圧送された浚渫スラリー２５は、図４に示されるように、複数のスラリー管３２から開水路１３の一端側の流入部１１に下向きに供給され、開水路１３内を所定の流速で他端側の流出部１２へ向けて流れ、堰１５をオーバーフローする。このとき、流入部１１に対しスラリー管３２から下向きに浚渫スラリー２５が供給されるので、スラリー管３２からの吐出流の勢いが該流入部１１で減勢され、これにより流入部１１より下流側の流速に対する吐出流の影響が小さくなり、水路内流速は安定する。また、開水路１３の幅方向に所定の間隔で配列した複数のスラリー管３２から浚渫スラリー２５が供給されるので、幅広の開水路１３内での流速分布は一様となる。

浚渫スラリー２５が開水路１３内を流入部１１から流出部１２へ流れる間、該浚渫スラリー２５中の砂（砂分）２６が砂溜り１７内に沈降および堆積する。開水路１３の長さ（水路長）は、上記したように水路内流速との関係で、砂分の分級に必要な長さに設定されているので、浚渫スラリー２５中に含まれる砂２６の大部分が砂溜り１７内に沈降、堆積する。このとき、粒径の差により、上流側の砂溜り１７ほど粒径の大きい砂２６が、下流側の砂溜り１７ほど粒径の小さい砂２６が堆積する。

そして、時間の経過とともに、砂溜り１７内における砂２６の堆積量が増加し、遂には図４（ｂ）に示すように、一部の砂溜り１７内の砂２６の高さが上限センサ（レベルセンサ）２１Ａの位置に達する。すると、上限センサ２１Ａが作動するので、その信号に応じて開閉バルブ２０が開かれ、これにより砂溜り１７内に堆積していた砂２６が、砂排出口１９を通過して下方のコンベヤ２２上に落下し、次第にその高さを減じる。砂溜り１７内の砂２６の高さが下限センサ（レベルセンサ）２１Ｂの位置まで下がると、該下限センサ２１Ｂが作動し、その信号に応じて開閉バルブ２０が閉じられる。上限センサ２１Ａは開水路１３の底１３ａより低いレベルに設置されており、したがって、開水路１３の底１３ａのレベルを超えて砂２６が堆積することはない。この結果、水路断面は一定に維持され、浚渫スラリー２５からの砂分の分級も円滑に進む。一方、下限センサ２１Ｂの位置は、砂排出口１９よりもかなり高位にあり、したがって、開閉バルブ２０を閉じた段階では砂溜り１７内にかなりの砂２６が滞留する。この結果、浚渫スラリー２５が不用意に砂排出口１９から流出することはなく、本処理装置による処理は安定する。なお、開閉バルブ２０の操作は、手動で行っても自動で行ってもよい。

このようにして各砂溜り１７内に砂２６が所定量堆積するごとに、各砂溜り１７から適当量の砂２６が排出され、この排出された砂２６は、コンベヤ２２により本処理装置１０の外へ搬送され、砂溜り１７別に回収される。上記したように上流側の砂溜り１７から回収された砂２６と下流側の砂溜り１７から回収された砂２６とでは粒径分布が異なっているので、砂溜り１７別に砂２６を回収することで、要求される品質に適した用途に回収砂を向けることができる。なお、回収砂の用途は任意であり、覆砂、干潟造成、藻場造成等の材料として利用しても、埋立材や盛土材として利用しても、あるいはサンドコンパクション、サンドドレーン等の地盤改良材として利用してもよい。

一方、流出部１２から流出する浚渫スラリー（泥水）は、シルトや粘土等の細粒分を多く含んでいるが、ここでは、前記受泥槽３５に一旦貯留された後、沈殿池３４へ送られ、沈殿処理される。ただし、この砂分を分級した後の泥水の処理は任意であり、周知の機械脱水処理を行ってもよいことはもちろんである。

上記したように本処理装置１０によれば、開水路１３の底１３ａに砂が堆積することがないので、水路底に堆積した砂を除去するためのメンテナンスが不要になり、長期的に連続処理が可能になって、ポンプ浚渫された浚渫スラリーのように大量に発生する土砂スラリーの処理に向けて好適となる。

表１に示すように砂とシルト・粘土とを所定の配合比で配合して含泥率１０％（体積比）の泥水を調泥し、これを図５に示す模型水路構造物５０に供給して分級実験を行った。模型水路構造物５０は、上記実施形態における水路構造物１４と同じく、一端側の流入部５１から他端側の流出部５２へ泥水を流す開水路５３を備えているが、ここでは、開水路５３の底５３ａに流れ方向にＶ字断面をなす砂溜り５４を２つ連設した構造とした。なお、各部の寸法については図に併記している。実験は、サンドポンプを用いて泥水を下向きに流入部５１に供給し、流量を０．２ｍ³／ｍｉｎに設定して、表１に示す所定の泥水量を流す方法で行い、処理後、砂溜り５４に堆積した堆積土を回収し、該堆積土（分離砂）に含まれる砂分およびシルト分を計測した。

表２は、上記した堆積土についての計測結果を示したものである。これより、試料泥水中における砂分の配合量によらず、９０％以上の砂分を回収でき、本処理装置は、砂分の回収能力が著しく高いことが分った。また、回収した堆積土に含まれるシルト分は、試料泥水中におけるシルト分の配合量によらず、２％以下と極めてわずかであり、本処理装置は、砂分の分級精度に著しく優れていることが分った。なお、図６は、砂分を５０％含む試料泥水（試料）を用いて行った実験ケースＢについての粒径加積曲線であり、この粒径加積曲線からも、砂分の分級精度に著しく優れていることが分る。

本発明に係る土砂スラリーの処理装置の一つの実施形態を示す断面図である。 図１に示した処理装置の平面図である。 本処理装置をポンプ浚渫された浚渫スラリーの処理に適用した場合の実施形態を模式的に示す系統図である。 本処理装置による浚渫スラリーの処理過程を順を追って示す断面図である。 本発明の実施例で用いた模型水路構造物を模式的に示したもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の実施例で用いた試料と回収後の分離砂との粒径加積曲線を示すグラフである。 従来周知の浚渫スラリーの処理装置を示す模式図である。

符号の説明

１０ 処理装置
１１ 流入部、 １２ 流出部
１３ 開水路、 １４ 水路構造物
１５ 堰、 １７ 砂溜り
１９ 砂排出口、 ２０ 開閉バルブ
２１Ａ，２１Ｂ レベルセンサ
３０ ポンプ浚渫船、 ３１ 排砂管
３２ スラリー管、 ３３ 流量調整弁

Claims (5)

1. 一端側の流入部から他端側の流出部へ土砂スラリーを流す開水路を有する水路構造物を備え、前記開水路の底には、前記流入部に隣接する部位から前記流出部に隣接する部位にわたって、砂の安息角度を超える角度で陥没する複数の砂溜りを連設し、前記各砂溜りの底部には、該砂溜り内に堆積した砂を排出するための砂排出口と該砂排出口を開閉するバルブとを設けたことを特徴とする土砂スラリーの処理装置。
2. 砂溜りが、開水路の流れ方向に沿ってＶ字断面をなし、砂排出口が前記Ｖ字断面の最深部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の土砂スラリーの処理装置。
3. 土砂スラリーが、開水路の流入部に対して下向きに供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の土砂スラリーの処理装置。
4. 開水路が幅広に形成されており、土砂スラリーが、前記開水路の流入部に対し、該開水路の幅方向に分配して供給されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の土砂スラリーの処理装置。
5. 土砂スラリーが、ポンプ浚渫された浚渫スラリーであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の土砂スラリーの処理装置。

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