JP2015158126A - 地表水を地盤に注入する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下層土に地表水を注入して、滞留する表面水や洪水により引き起こされる湿潤状態を取り除く装置および方法を提供する。
【解決手段】複数の孔をドリルすると共に、細長い注排水流路部材１２Ａ、１２Ｂを土壌の下方に延在するそれぞれの孔に挿入する。注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは縦方向に伸びる開口溝を有する一体形成された流路機構の集合体を備える。地表水は水の土壌への移動が増大されるように、注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂを流れ落ちて帯水層を再充水する。水が土壌深くにより早く注入されるように、長い注排水流路部材１２Ｂは短い注排水流路部材１２Ａの間に配置されるパターンで差し込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地表水の下層土への注入に関する。

一般的に雨水の一部分は土壌に浸透するが、その大部分は地面の傾斜によって流れ落ちて蒸発することで拡散される。流れ落ちる雨水は低く横たわる領域に洪水を生じさせる。浸透率が不十分な場所には地表水が滞留し、特に地下空間に入ることができる建物の周囲に集められると問題となる。

一般的に、建物から地表水を遠ざけるために傾斜が用いられている。水が排水土管を通り抜けて排出されることで土台の周囲に集められることを防ぐために、排水溝は基礎土台の周囲に配設されている。

これらの方法は、特定の土壌の状態や地面の地質等によって有効でない場合がある。

流れ落ちて蒸発する水は、乾燥状態が広がる際に干ばつを緩和しようと土壌の上層部に移動するので、下層土に捕集されて保持されれば渇水状態の緩和に用いることができる。土壌への速い速度の透水により流出する雨水の大きな吸収が達成されると、帯水層の大きな再充水がもたらされる。

多孔性の土壌の乾燥した限定的な領域には、フレンチ配水管（French drains）や乾式壁体が用いられるが、この手法は広範囲に渡る大量の土壌には適さない。

本発明の目的は、下層土への吸水率を上げて地表水の流れ落ちや蒸発を低減することで、下層土に地表水を注入して滞留する表面水や洪水により引き起こされる湿潤状態（wet conditions）を取り除くことにある。

以下の実施形態やクレームにより明らかになる上述の目的や他の目的は、地盤に孔のパターンをドリルし、土壌にドリルされた孔に細長く形成された注排水流路部材を差し込み、それぞれの孔が注排水流路部材を受け入れることで達成される。注排水流路部材は地盤にドリルされた孔に挿入されて十分に固定される。注排水流路部材は、土壌中の水を受け入れて下方に流すことを許容する縦長溝により外側に開口された縦長の流路機構によって、下層土に流れ落ちる水の移動を促進させる。注排水流路部材は、土壌の流入を遮断すると共に水を流路内に流し落として排出させる流路機構を規定する可塑性部分の変形により、地盤が拡張及び収縮されることで、土壌を取り除かれた状態に維持される。

注排水流路部材は、一本の長い部材の両側に二本の短い部材を配置した三本の部材のパターンを繰り返すことで集合して配設される。短い部材は、多少の水が流路に流れ込む前に上層の土壌で濾過されるように地表から短い距離に配置された閉塞した上端部から地盤の４フィート下方にあるレベルに達するように、十分に長く形成される。短い部材は、上層の土壌に流入する水の吸収を促進させる。中間の長い注排水流路部材は、短い部材の流路を流れ落ちてその下端部の周囲の土壌中に集められた水を受け入れるように、短い部材の下端部と隣接するレベルに位置される閉塞された上端部を有する。

長い流路部材は、十分に深いレベル、すなわち１０〜１４フィートもしくは傾斜に応じてより深く下方に拡張される。

言及したように、流路機構は流路部材の全長に沿って流路への水の流入を許容し、かつ、流路を通して下層土への排出を早めることで下層土への水の吸収を増加させる縦長溝により外側に開口する。これにより、注排水流路部材の周りに円錐状のパターンで陥没した領域で土壌が乾燥されて、土壌の表面に滞留する水を早急に吸収する。

上層の土壌中の水分は、長い部材の上端に流入して縦長の流路機構を満たす。流路の中で縦長になった水は、下方の土壌に水を注入する流路の下端部に水圧を生じさせる。さらに、周囲の土壌は含水して膨張し、内方に変形した耐久性のある変形可能なプラスチックからなる湾曲した壁部分を規定する流路を押圧して、長い注排水流路部材の上部から下部に向けて水を流し落として下層土に排出しようとする更なる圧力を生じさせる。

水は流路の下端から抜け出るので、水を長い部材の上方にある土壌から流入させて部材の下方へと流し落とすと共に、周囲の土壌へと注入させる真空状態が部材の上部に生じる。

この水の移動は、流路を土や岩屑がない状態に保ち、メンテナンスの負担を解消する自己浄化作用を与える。

上述したように、地表水は流路部材の下端にある地盤の中に速やかに注入される。

流路を規定する注排水流路部材の内方に湾曲した部分は、土壌の水分の増加に応じて内方に変形可能であり、また、土壌が流路機構の沈泥を縮小するように乾燥すると外方に拡張される。

乾燥状態で土壌が干上がる時に水分が地表に水溜まりや滞留水を作ることなく下層土から上層土へ透過するように、水蒸気は流路を上昇して部材の上端の周囲にある土壌の中に拡散される。

本発明によれば、下層土への吸水率を上げて地表水の流れ落ちや蒸発を低減することで、下層土に地表水を注入して滞留する表面水や洪水により引き起こされる湿潤状態を取り除くことができる。

図１は注排水流路部材の配列が予めドリルされた孔に差し込まれた状態を示す土壌領域の断面図である。 図２は注排水流路部材が舗装領域から隣接して差し込まれた状態を示す概略図である。 図３は湿った土壌の状態に適用された本発明による注排水流路部材の周り及び、注排水流路部材を流れ落ちる水分の流動パターンを示す概略図である。 図４は流路機構の中に水が集められた注排水流路部材を示す拡大断面図である。 図５は乾いた土壌に差し込まれた注排水部材の周り及び、その注排水部材を上昇する水蒸気の流動パターンを示す概略図である。 図６は注排水流路部材から排出される水蒸気の流れを示す拡大断面図である。 図７は傾斜が変化する地盤に傾斜の増加に応じて長さを増加させた注排水部材の集合が差し込まれた状態を示す断面概略図である。 図８は本発明による注排水流路部材が差し込まれる連続する三つの孔を集合させたパターンを同時にドリルするための掘削装置を示す斜視図である。 図９は連続する三つの部材の集合を差し込んだ状態を示す平面概略図である。 図１０は周囲の土壌中の水分量を変えることにより、圧縮の程度を変化させる地盤の孔に差し込まれた注排水流路部材を示す拡大断面図である。 図１１は周囲の土壌中の水分量を変えることにより、圧縮の程度を変化させる地盤の孔に差し込まれた注排水流路部材を示す拡大断面図である。 図１２は周囲の土壌中の水分量を変えることにより、圧縮の程度を変化させる地盤の孔に差し込まれた注排水流路部材を示す拡大断面図である。 図１３は注排水流路部材を受け入れるドリル孔で使用される好ましいドリル先端部の形状を示す破断側面立面図である。

以下の詳細な説明において、特定の技術用語が本発明の理解を容易にする目的で使用され、具体的な実施形態が米国特許法第１１２条の要求を満たすために示されているが、本発明は特許請求の範囲に規定される範囲内の多くの形態や変形例があり得るのもので、同一のものに制限されず限定して解釈されるべきものではない。

図１，２に示すように、本発明の方法によって土壌中に流れ落ちる水の速度が速められるように地盤領域１０が整備されている。この整備は、地盤領域１０に予め分散して形成された孔に、細長い注排水流路部材（pumping/drainage channel members）１２Ａ，１２Ｂを差し込むことで構成されている。好ましくは、これら注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは、短い部材１２Ａの列の中間位置に長い部材１２Ｂの列を配置するパターンで設けられている。このパターンは必要に応じて横方向に繰り返されてもよい。

地表水は地下水の混入を防ぐように、地下水位に到達する前に土壌の十分な深さを透過して完全に浄化されるべきなので、部材１２Ａ，１２Ｂは地下水位１５よりも上方の不飽和透水層（vadose zone）に配置されている。

部材１２Ａ，１２Ｂの間隔は土壌の排出特性によって決まる。すなわち、図９に示すように所望の透過率を備えた円錐状領域１４が互いに接するように、目の粗い土壌についてはより離間され、密度の高い土壌については互いに隣接して配置される。

注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは互いに同形状に形成されており、その長さが異なるだけである。注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは、好ましくはプラスチック押出品からなり、本発明の目的に添うように可塑性のポリエチレンプラスチックからなり、弾性的に屈曲すると共に土壌の中で劣化しないように不活性を備え、かつ、岩屑を捕集しないように滑らかに仕上げられている。

図４，６に示すように、注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは、その中心部の周囲に縦長溝２０と複数の流路２２とが形成されるように、環状中心１８から径方向外方へ伸びると共に、中心に向けて折り返され、かつ、中心部の手前で終わる複数の容易に変形可能な部分１６を有する。

縦長溝２０が流路２２を開口するのと同様に、中心孔２４は地下水の流入と排出を許容するように縦長の径方向溝２６によって開口されている。

注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは、以下に述べる目的のために、その上端部に流路２２，２４の上端を閉塞するキャップ２６を備えている。

図３，５に示すように、短い注排水流路部材１２Ａは、その上端部が土壌の表面から数インチ下方に位置されるように、浅いドリル孔の中に挿入されている。上端部の上方にある土壌は、部材１２Ａに流れ込む水の中の岩屑を濾過して取り除く。

地中に存在する部材１２Ａは火害にさらされることはないが、ポリエチレンは温度が２００°Ｆまで上昇しても耐えることができ、かつ、−３０°Ｆまで降下してもひび割れないので、部材１２Ａは損傷に完全に耐えることができる。

図３に示すように、土壌の地表層にある水は短い注排水流路部材１２Ａに流れ込んで流路２２，２４を満たす。

その結果、飽水した土壌は部材１２Ａの周囲の地盤に深く侵入する。地盤が水で含浸されると、部分１６は水を流路２２，２４内に流し落とすように圧縮されて、後述するように流路２２，２４が沈泥で塞がれることを防止する。

水は流路２２，２４を満たすように流れ落ちて流路２２，２４の下端部に圧力ヘッド（pressure head）を生じさせ、流路２２，２４から水を図３に示す円錐状に形成された領域にある短い部材１２Ａの下端部の下方周囲にある土壌に排出しようとする圧力を生じさせる。これにより、部材１２Ａの上端部に周囲の土壌から水を吸い入れる僅かな真空状態が生じ、その結果、周囲の土壌から排出されて流路の上端に流入する水の浸透率が増加される。

正味の効果は、水の下層土への注入率により大幅に増加される。

図４は乾燥状態が表面領域の土壌を広がる際に、水分が下層土から排出される過程を示している。

水蒸気は流路２２，２４に入り込んで部材１２Ａの上部へと上昇し、流路から周囲の土壌へと排出される。

図１に示すように、これらの行程は地盤への深い注入が生じるように、長い注排水流路部材１２Ｂの上端が上方にある部材１２Ａの中を流れ落ちてきた水分を受け入れることで繰り返される。

図２に示すように、注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂのパターンは、舗装道路から距離にして７フィートほど離間して配置されている。

図７は、急勾配の傾斜を有する地盤領域に適用した方法の実施例を示している。この実施例において、地表水を速やかに地中深くに到達させて最上領域が飽水したときに引き起こされる地滑りを防ぐように、長い部材１２Ｂは傾斜の増加に応じて長く形成されている。

この方法は、地層表面にある土壌の完全な飽水による地滑りを防ぐように、上層領域を急速に排水して、地表水を十分に深いレベルに急速に到達させる。

水はこのようにして土壌中に保持され、そうでなければ失われる。帯水層をより大きな割合で再び満たすことができ、最大流出流量を減らすことで洪水の問題は緩和される。排出される地表水の大半を大きな地表領域に急速に吸収することができる。

注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂの容易な挿入を許容するように、孔は予めドリルされている。

一定のパターンが容易に達成されるように、多数の孔を集合させてドリルするのが有利である。図８には、フレーム２８に移動可能に置載された三つの油圧式ドリルモータ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを備えた掘削装置が示されている。フレーム２８は、二つのモータ２６Ａ，２６Ｃが載せられた二本の旋回アーム３０と、第三のモータ２６Ｂが載せられた中央固定部材３２とを含む。アーム３０は所望のパターンを達成するのに必要な特定の孔の間隔を設定するために、内と外に旋回して調節することができる。多孔性の土壌のために、広く離間する孔のパターンをドリルすることができ、気孔率の低い土壌のために互いに隣接する孔のパターンをドリルすることができる。

フレーム２８は、１０から１６フィートもしくはそれ以上深くドリルされる最も深い孔の深さまで、直立支持体３４を縦方向に移動することができる。支持体３４は、連続する地盤領域の上に速やかに配置されてこの地盤領域がドリルされるように、図示しない台車に搭載されている。

二つの外側のモータ２６Ａ，２６Ｃは、短い注排水流路部材１２Ａに対応する短いドリル用ビット３６Ａ，３６Ｃと関連して駆動する一方、中央のモータ２６Ｂは、長い部材１２Ｂに適合した深い孔に対応する長いドリル用ビット３６Ｂと関連して駆動する。

ドリル用ビット３６Ａ，３６Ｃは、土壌を地表に移動させるような通常の螺旋状の刃よりも、土壌を径方向に移動させて固めることで孔を形成することが好ましい。これにより孔の陥没を防ぐことができる。

大径の一体型スチールロッド３０（図１３参照）は、傾斜して溶着されて土壌を径方向外方へと押し出す螺旋状のフランジを有する。ドリルチップ４０は、ドリル用ビット３６Ａ，３６Ｃの自由端までネジ切り加工され、形成中の孔の内壁に土壌を押し付けて固める隣接面４４に設けられて径方向に分離されたチップ４２を備えている。

ドリルされた孔は陥没に対して十分な強度を備え、部材１２Ａ,１２Ｂの容易な挿入を許容する。

注排水流路部材１２Ａ，１２Ｂは、好ましくはプラスチック押出品からなる。示された形状は、金型から出された後の形状を安定させるように、押出成形機から押し出された成形品の注意深い冷却により作ることができる。

上述したように壁は強硬で、しかしながら加圧化で弾性的に変形可能である。

図１０〜１２は、周囲の土壌が徐々に含水した際に変形する状態を示している。

図１０は、部材を収容するように直径を約１．５インチに形成された孔５０に、部材を嵌合した状態を示している。

図１１は、土壌の水分の吸収より孔５０がより小さくなり、かつ、湾曲した壁部分１６，１８が更に内側へと変形した状態を示している。

図１２は、壁部分１６，１８が更に内側へと変形した状態を示している。

これにより、流路２２，２４は土壌の沈泥により塞がらないように維持される。

土壌が乾くと共に、湾曲した壁部分は外側に拡張される。

したがって、滞留水や上層土壌の飽水を防ぐ上述の注入行程、及び、水の流れ落ちや蒸発による損失を減らすことにより上述の利点を達成することで、地表水を土壌に深く吸収させる速度を大幅に加速することができる。

１０ 地盤領域
１４ 円錐状領域
１５ 地下水位
１２Ａ 短い注排水流路部材
１２Ｂ 長い注排水流路部材
１６，１８ 壁部分
２０ 縦長溝
２２，２４ 流路
２６ キャップ

Claims (3)

1. 連続して位置する離間して配置された三つの孔の組を地盤に同時にドリルするためのドリル掘削装置であって、
   前記地盤に亘る経路に沿って移動を行うために、前記経路に沿った位置で再配置することができるように、且つ、前記経路に沿った前記位置のそれぞれで連続する孔の組の配列をドリルすることができるように、台車に搭載された直立支持体と、
   縦方向の移動のために前記直立支持体に搭載されたフレームと、
   前記フレームに搭載された三つのドリルホルダであって、前記三つのドリルホルダは三角形パターンに配置され、前記三つのドリルホルダのうち二つのドリルホルダは離間して配置されるものの互いに前記経路を横切る方向に位置されると共に前記二つのドリルホルダの間に位置された中間のドリルホルダの反対にそれぞれ配置されるものの前記台車の移動の前記経路に沿った方向にオフセットされ、ドリルホルダのそれぞれは離間して配置された三つの孔の組のそれぞれを前記フレームの下方の前記地盤に同時にドリルすることができるように下方に突出すると共に関連するドリル駆動によって回転されるドリルビットのそれぞれを受け入れるように適応される三つのドリルホルダと、
   を含むドリル掘削装置。
2. 前記二つのドリルホルダのそれぞれは、前記中間のドリルホルダに対する前記二つのドリルホルダの位置の調整によって、前記地盤に同時にドリルされた組のそれぞれの前記三つの孔の間隔を変更することができるように、前記二つのドリルホルダの前記中間のドリルホルダから離れる方向への旋回運動を可能とするために、前記二つのドリルホルダの間の前記フレームに配置された前記中間のドリルホルダのいずれかの側の旋回アームのそれぞれに搭載され、前記位置の調整は、前記旋回アームの旋回によって実行される請求項１に記載のドリル掘削装置。
3. 前記フレームは、前記直立支持体上で１０から１６フィートの距離を垂直に上昇することができ、前記ドリルビットは、１０から１６フィートの深さの前記地盤に孔をドリルすることができる長さである請求項１に記載のドリル掘削装置。

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