JP2015135056A - ダム堆砂集積装置と集積方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よくダムの堆砂を集積できる装置と方法を提供する。【解決手段】ダム堆砂の集積方法は、長尺の鋼材などで構成した集積体１に対して、陸上に設置したウインチで移動力をあたえてダム湖の湖底を摺動させる。集積体１の移動が阻害された場合には浮力調整体によって集積体１に浮力を与えて浮上させて回避する。【選択図】図６

Description

本発明は、ダム堆砂集積装置と集積方法に関するものである。

ダムの堆砂を浚渫などで除去する場合に、産業廃棄物処理による費用が大きく、また下流側河川、あるいは海岸域への供給は土砂の運搬などの費用が大きいという問題が存在している。
そのためにダム堆砂問題は緊急の課題であるにもかかわらず進展していないのが現状である。
堆砂の除去量をどの程度にするかを考えると、年間に堆積する堆砂量をＶとすると、１年間でＶを上回るＶ＋αの除去ができれば、数年から数十年かけてダム堆砂量を低減することができる。
その場合にαが非常に大きいと、下流の河川環境を急変させることになり、周辺環境へ与える影響が大きい。
したがって下流環境へ与えるインパクトと堆砂除去量の両者をバランスさせた持続可能な堆砂除去対策は、小さなαを選択して時間をかけて除去することになる。
例えば１０年かけて堆砂量を５０％削減するといった方法である。
本願発明はこのような観点を背景に、長期戦となるダム堆砂対策として省力化した、かつ単純な構成で確実に堆砂を減量するために開発したものである。

そこで現在の技術を検討すると、ダム底に堆積した堆砂を集積する方法として次のような技術が知られている。
＜１＞ ダムの水位が下がった状態で、ブルドーザやバックフォーを用いて土砂を掘削して撤去したり、浚渫船で土砂を掬って撤去する方法。
＜２＞ サイフォンの原理を利用して堆砂を排出する方法。（特許文献１）
＜３＞ シートを利用して広範囲の土砂を吸引して堆砂を排除する方法。（特許文献２）
＜４＞ ダム底に排砂管を設置し、この管で広範囲の土砂を吸引して排除する方法。（特許文献３）
＜５＞ ドラッグラインでダム底の土砂を掬いあげる方法。（特許文献４）

特開２０００−１２００５１号公報。 特開２００６−２１４０９２号公報。 特開２００５−３６４６１号公報。 特開平５−２０６４１８号公報。

前記した従来のダム堆砂集積方法において、浚渫や吸引によって堆砂を撤去する方法は、次のような問題点がある。
＜１＞ ピンポイントで堆砂を撤去する方法であるために、きわめて効率が悪い。
＜２＞ 撤去位置を移動する回数が多く、広域の堆砂除去には向かない。
＜３＞ 浚渫船などの装備が必要となり、不経済である。

また前記した方法で、ドラッグライン掘削による方法は、次のような問題点がある。
＜１＞ バケットの開口部が砂礫によって閉塞してしまう場合が多く、そのたびに閉塞した砂礫などを撤去するという手数を要する。
＜２＞ 大量掘削を行うためには、クレーンなどの施設を大型化せざるを得ず、不経済である。
＜３＞ バケットに転石や流木が引っ掛かった場合に転倒しやすく、その際にはいちいち復元する作業が必要となり不経済である。
＜４＞ ドラグラインを操作するための駆動力のエネルギー消費量が多く、運転コストが高い。
＜５＞ 一度に線状に大量の掘削をするために、掘削跡が「わだち」のようになり、隣接するラインを掘削する際にバケットが安定せず転倒しやすい状態となる。
＜６＞ バケットが一度転倒すると、その後の姿勢制御が困難である。

上記のような課題を解決するために、本発明のダム堆砂集積装置は、長尺の鋼材などで構成した集積体と、集積体に対してワイヤを介して移動力を与えるウインチと、集積体に対して浮力を与える浮力調整体とにより構成したことを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂集積装置は、集積体に移動力を与えるワイヤの折り返し用に、重錘をそなえたことを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂集積装置は、長尺の鋼材などで構成した集積体に移動力を与えるワイヤを、集積体の両端に固定し、各ワイヤを別のウインチに連結したことを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂集積装置は、集積体に対して浮力を与える浮力調整体は、集積体に取り付けた空気袋と、この空気袋に陸上、水上から空気を供給するコンプレッサーとにより構成したことを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂集積装置は、集積体に対して浮力を与える浮力調整体は、集積体に設けた空気室と、この空気室に空気か水を供給できるポンプとによって構成したことを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂集積装置は、集積体に取り付けた超音波ソナーや水中カメラと、それらからの信号を受ける観測装置によって構成したことを特徴としたものである。

また本発明のダム堆砂の集積方法は、長尺の鋼材などで構成した集積体に対して、陸上に設置したウインチで移動力をあたえてダム湖の湖底を摺動させ、集積体の移動が阻害された場合には浮力調整体によって集積体に浮力を与えて回避することを特徴としたものである。
さらに本発明のダム堆砂の集積方法は、集積体に移動力を与えるワイヤの折り返し用の重錘を、ダムの排砂ゲート付近に設置して行うことを特徴としたものである。

本発明のダム堆砂集積装置と集積方法は以上説明したようになるから次のような効果を得ることができる。
＜１＞ 集積体が単純な形状の長尺の鋼材などで構成したから、複雑な駆動部などがなく、きわめて経済的に構成することができる。
＜２＞ 集積体を長尺の鋼材、コンクリートなどで構成したから、一度の移動で広域の作業ができるようになり、移動回数も少なくなる。しかもバケットのように転倒する可能性がなく、操作が不能になったり、回復作業に時間をかけることがなく迅速な作業を行うことができる。
＜３＞ 集積体の移動跡が轍のような溝になっても、集積体を長尺の鋼材などで構成したから、隣接した除去作業で集積体が転倒することがない。
＜４＞ 集積体は浮力調整機構を備えているから、ダム湖底で障害物に当たった場合には集積体に浮力を与えて鉛直方向に回避させることができ、円滑な作業を継続することができる。
＜５＞ ダム湖底が軟弱な泥土であった場合にも、集積体に浮力を与えて集積体の泥土への潜り込みを回避することができる。
＜６＞ 集積体の一往復の帰路に、集積体に浮力を与えて戻せば、集積体が障害物に当たらないだけでなく、浮遊体を引き寄せるだけになるので、動力にかける負担を大きく減らすことができる。

本発明のダム堆砂集積装置の集積体の説明図。 ダム堆砂の集積方法の実施例の説明図。 集積体とウインチと重錘の配置の実施例の説明図 浮力調整装置の実施例の説明図。 浮力調整装置の他の実施例の説明図。 集積体に重量体を取り付けた実施例の説明図。 集砂量の比較のグラフ。 集積体にヒンジを設けた実施例の説明図。 ヒンジタイプの浮遊時の状態の説明図。 集積体に刃を設置した実施例の説明図。 刃を設置した集積体と設置しない集積体の掻集砂量の比較図。

以下図面を参照にしながら本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。

＜１＞本発明の基本構成
本発明は複数の部材、すなわち集積体１とワイヤ２とウインチ３と浮力調整体４によって構成する。

＜２＞集積体（図１）
集積体１は、ダムの堆砂を集積するための部材である。
そのために集積体１は、基本的には単純な角柱のような長尺の部材で構成する。
集積体１の素材は、鋼材だけでなくコンクリート，ＦＲＰ、非鉄金属などで構成することができる。
集積体１は、一定の高さと、一定の幅があればよく、水平に寝かした柱体、断面がＨ型のＨ型鋼のような市販の鋼材、プレハブのコンクリート柱、梁などを転用して使用することができる。
その形状は、図１（ｂ）に示すように角柱の下の縁に刃１５を突設した形状、（ｄ）に示すように角柱の一部に空室１６を設けた形状、（ｅ）に示すように前面に曲面を設けた形状を採用することができる。
あるいは砂利が主体の堆砂の場合には、（ｆ）に示すように、鋼棒を籠１８状に組み立てたものを採用することもできる。

＜３＞移動装置（図２、３）
上記の集積体１に対してワイヤ２を介して移動力を与えるためにウインチ３と、ワイヤ２を折り返すためのシーブ５を設置する。
ウインチ３とシーブ５とは、集積体１をはさんで反対側に設置し、シーブ５はダム堤体などの不動点に設置する。
このウインチ３は回転ドラムでワイヤ２を巻き取ったり、巻き出す構造の市販の公知のものであり、それを地上に設置して使用する。
集積体１を平面的に見た場合の両端部にワイヤ２を取り付け、別々のワイヤ２を介して別々のウインチ３で移動力を与えることもできる。
すると長尺の鋼材などで構成した集積体１が湖底の障害物に衝突した場合にも、平面的に傾斜しにくく、あるいは断面的に転倒しにくく、安定した堆砂の集積作業を行うことができる。
反対に、同様の理由で自在に平面的な向きを制御することもできる。
あるいは集積体１に移動力を与えるワイヤ２の折り返し用に、湖底に沈めた重錘６と、その重錘６に取り付けたシーブ５を利用することもできる。
重錘６を排砂ゲートの近くに設置すれば、その付近に向けて堆砂を効率よく集積することができる。
集積体１とワイヤ２を直接に接合せず、鋼材などの重量を有するチェーン２１を介在させると集積体１により湖底を抑えつける大きい力が作用するから、より効率的である。

＜４＞浮力調整体（図２、４、５）
集積体１に対して浮力を与えるために浮力調整体４を取り付ける。
この浮力調整体４として、例えば集積体１に取り付けた空気袋１１と、この空気袋１１に陸上、水上から空気を供給するエアチューブ１２を取り付け、このエアチューブ１２をコンプレッサと接続する。
この空気袋１１は、集積体１に取り付けた袋体や、集積体１に設けた空室１６（図１ｄ）によって構成する。
この空気袋１１や空室１６に陸上、あるいは水上の船などから空気をコンプレッサーなどの加圧機によって供給する。
すると空気の浮力で集積体１を浮上させることができる。
空気の供給によって集積体１を湖底から浮き上がらせれば、障害物を回避することができ、あるいはヘドロの中への沈降を阻止することもできる。
さらに湖底からわずかでも離せば、集積体１の引き戻し時の抵抗をきわめて小さくすることもできる。
空気袋１１や空室１６に供給するのは空気だけでなく、水の供給も行えるように注排水チューブ１４を連結し、別に排気チューブ１３を連結しておけば、両者の量を調整することによって、より微妙な浮力の調整が可能となる。

＜５＞その他の装置
さらに、集積体１に超音波ソナーや水中カメラを取り付け、陸上にはそれらからの信号を受ける観測装置を設置して構成することもできる。
このように構成することによって、集積体１の移動軌跡の確認、記録などが可能となり、集積作業の取り残しや、重複作業の回避を行うことができる。

＜６＞堆砂の集積
上記の集積体１を使用して堆砂を集積する方法を説明する。
陸上のウインチ３に巻きつけたワイヤ２を、対象位置のシーブ５で反転してウインチ３に戻す。
対象位置のシーブ５は陸上に設置することになるので、そのままでは集積体１を持ちあげる力が作用する。
そこで湖底に重錘６を設置し、ワイヤ２は重錘６に設けた固定シーブ５を介在させる。
こうしてウインチ３を回転させることによって、集積体１の湖底面を移動させ、湖底面を引きずることで堆砂を掻き集めることができる。
掻き集めた堆砂は、排砂ゲートの近くに集積して、排砂ゲートを開放した際に下流に排出する。
またゲートではなく、サイフォンやポンプを利用する排砂の場合にはそれらの吸引口の周辺に堆砂を集めておき、操作時に下流に排出する。
集積体１を移動する際に、平面視で集積体１の両端に別のワイヤ２、ウインチ３、シーブ５を取り付けることによって、ワイヤ２の張力、巻き取り量を調整して集積体１の姿勢を制御できる。
特に湖底面の硬さや凹凸などで集積体１が傾いたり転倒しやすい場合には２本のワイヤ２を操作する構成では回収率が向上して有効である。
上記したように重錘６を排砂ゲートの近くに設置すれば、その付近に堆砂を効率よく集積することができるが、重錘６を排砂ゲートを挟む位置に設置すれば集積する効率がさらに向上する。

＜７＞浮力の調整
集積体１は、湖底での集積作業中では重量が必要である。
しかし湖底に存在する障害物を回避する場合、あるいは湖底への沈降を阻止する場合、さらには集積体１を引き戻す場合には重量が大きいことはマイナスである。
そこで、そのような場合には浮力調整体４を作用させて集積体１に浮力を与える。
浮力を与えて集積体１が湖底から離れると、障害物を乗り越えることができ、あるいは軟弱な湖底への沈降を阻止することができる。
集積体１にセンサーを取り付け、その信号で位置を把握しておけば、集積体１の湖底への潜り込みを迅速に検知できる。
集積体１は湖底で往復させて集積作業を行うから、帰路において浮力を与えて水中での引き戻しのエネルギーを少なくすることができる。
さらに集積体１に不具合があった場合に、水面まで浮上させれば、ボートで接近して維持管理、不具合部分の修理を行うことも可能である。

＜８＞重量体付き集積体（図６）
長尺の鋼材などで構成した集積体に、それと一定の距離を離して重量体を取り付けて構成することができる。
そのために例えば集積体の移動方向に対して後方に支持材を取り付け、その支持材に重量体を取り付ける。（以下「前」「後」とは集積体の移動方向を前とした前後の意味である）
この重量体は鉄やコンクリートなどの重量を備えた塊体であればよい。
図６の実施例では、集積体とほぼ同一の長さを有する鋼材を、集積体と平行に位置させて重量体として採用したものである。
この重量体には、前記の実施例と同様に空気袋を取り付ける。
この空気袋にはエアチューブを介して水上あるいは陸上からエアを供給して膨張させ、重量体と集積体に浮力を与えて浮上させることができる。
集積体の下縁には移動方向に向けて刃１５を突設することもできる。

＜９＞重量体の機能
重量体の上方にワイヤやチェンを取り付けて前方に牽引すると、重量体は、その下縁を回転中心として前方に転倒しやすい。
しかし図６の実施例のように、回転中心から後方に一定の距離だけ離して重量体を取り付けておくと、回転に対する抵抗を大きくすることができる。
模型実験では、Ｈ型鋼を寝かしただけの集積体と、Ｃ型鋼の後方に重量体を取り付けた実施例のタイプとを牽引してその集砂量の比較を行った。
その結果図７に示すように、後方に重量体を設けた本実施例の構成では、それを設けない構成と比較して約３倍の量の砂を集めることができた。

＜１０＞ヒンジ付き集積体（図８）
集積体と重量体の間にヒンジ構造を設けることができる。
すなわち集積体の前面に、砂を押し出す前板を取り付ける。
そして前板と重量体支持材との間にヒンジを介在させて構成する。
そのような構成を採用すると、重量体に鉛直方向の浮力を与えた場合に、集積体の前板だけが堆砂中に残っても、ヒンジを介して重量体が先行して浮上できるから、前を堆砂の中から容易に引き出すことができる。（図９）
このように、集積体が堆砂に埋まった場合や、軟弱地盤で集積体が自沈してしまった場合でも、ヒンジを備えることによって浮上の際の抵抗を大幅に削減することができる。
ヒンジはドアで使う蝶番や、水平ピンを採用することができる。
さらに集積体の前板を、ヒンジを介して取り付けておくと、前板が摩耗した場合にその交換が簡単である、という効果も期待できる。

＜１１＞刃付き集積体（図１０）
集積体の後方に重量体を取り付け、さらに集積体の前方下部に刃を突設した構成を採用することもできる。
このように構成すると、後方に重量体を備えているが、しかし集積体に刃を設けていない構造との間で掻集砂量に明確な違いが発生することが分かる。
すなわち図１１では、例えば自重１ｋｇの集積体の上方を牽引するタイプでは、「刃なし」では掻集砂量は約２ｋｇ弱であるのに対して、「刃付き」では３ｋｇ強まで上昇した結果が出ている。
このように後方に重量体を取り付け、かつ前方に向けて刃を設けたタイプでは、砂の内部に潜り込まず、砂が覆い被さることがないから、根掛かりのリスクが減少し、浮上も容易である。

１：集積体
１１：空気袋
１２：エアチューブ
１３：排気チューブ
１４：注排水チューブ
１５：ブイ
１７：曲面
１８：籠
２：ワイヤ
２１：チェーン
３：ウインチ
４：浮力調整体
５：シーブ
６：重錘
７：重量体

Claims (6)

1. 長尺の鋼材などで構成した集積体と、
   集積体に対してワイヤを介して移動力を与えるウインチと、
   集積体に対して浮力を与える浮力調整体とにより構成した、
   ダム堆砂集積装置。
2. 集積体に対して浮力を与える浮力調整体は、
   集積体に取り付けた空気容器と、
   この空気容器に空気か水を供給する加圧機とにより構成した、
   請求項１記載のダム堆砂集積装置。
3. 集積体は、
   その移動方向の後方に支持材を介して重量体を備えて構成した、
   請求項１記載のダム堆砂集積装置。
4. 集積体は、
   堆砂を押し出す前板を備え、
   その移動方向の後方の支持材に、前面の前板をヒンジを介して取り付けて構成した、
   請求項１記載のダム堆砂集積装置。
5. 集積体に取り付けた超音波ソナーや水中カメラと、それらからの信号を受ける観測装置によって構成した、
   請求項１記載のダム堆砂集積装置。
6. 長尺の鋼材などで構成した集積体に対して、
   陸上に設置したウインチで移動力をあたえてダム湖の湖底を摺動させ、
   集積体の移動が阻害された場合などには浮力調整体によって集積体に浮力を与えて回避する、
   ダム堆砂の集積方法。

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