JP2015513364A - 水流制御用の水理構造物 - Google Patents

Abstract

水理構造物は、流れている表面水内に下流狭窄通路を創り出す壁（１）を含んでなる。壁（１）の下流端（４）にはエッジが設けてあり、渦流（２）を発生させ、この渦流はエッジ（４）の下流側で消滅する。これが、通路の入口と出口との間の水位差によって創り出された流れのエネルギを散逸させる。選択図：図１

Description

本発明は、請求項１の前文部分に記載の水理構造物に関する。さらに、このような構造物の２つ以上の配置に関する。

水流を制御するための堰その他の障害物は周知である（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、洗掘を減らし、水位を維持するに際して、流れの状態（流れ特性）を、例えば、深くて幅の狭い流路から幅広の平らな川床へ変換できる水理構造物を提案している。このレイアウトの原理は、ＭＥＬ（最小エネルギ損失構造物）と呼ばれている。

従来の落差工構造物の建造には、たとえ堰まわりの水がしばしば比較的に穏やかに見えたとしても、下流側の循環パターン（代表的には「水理学パターン」と呼ばれる）がいつまでも人を水中に沈めておく可能性があるので、そこは小舟、水泳者、水中歩行者にとっては極めて危険な場所となり得るという問題がある。この現象は、川で時間を過ごすカヌーの漕ぎ手、カヤックの漕ぎ手、その他の者には非常に良く知られており、彼らは、堰を「溺死マシン（drowning machine）」という痛ましい名前ですら呼んでいる。この設計においてはこのような水平方向の渦（eddy）がないので、これらの問題およびその他の多くの、従来用いられていた堰がゴミその他の堆積物が溜まる場所になり得るという問題も解決する。「溺死マシン」として知られるような水面下構造物（submerging）は、本発明の構造では決して生じることはない。

米国特許第３５９３５２７号明細書

したがって、本発明の一目的は、浸食による影響が少なく、危険な流れ動態の少ない水理構造物を提案することにある。

このような水理構造物が、請求項１に定義されている。さらなる請求項が、このような水理構造物の好ましい実施形態および配置を定義している。

構造物の平面図。 図１の構造物の横断面図。 多くの異なった流れ制御フェイス（phase）を有する完全なシステムの原理の一例を示す平面図。

本発明は、米国特許第３，５９３，５２７号に示されるような最小エネルギ損失（ＭＥＬ）構造物を含み、水位を下げ、構造物の後の流れ形態の急な変化によって渦流を制御する落差工構造物に関する。それによって、エネルギ線が低下させられ、エネルギの大部分が構造物それ自体からも自然のままの地盤（地山）（natural ground）からも離れた水中の渦として散逸させられる。一連の比較的穏やかな渦が河岸（堤防）（river bank）付近に発生するが、これが主として河岸浸食を防ぐ比較的穏やかな反流（counter current）を増強する。したがって、河岸を、浸食しやすい。かくして、より天然物のような材料で構築できる。上述の構造物は、そのままで大流量における充分な機能を有し、水のピーク流れエネルギが重要な問題となる場所、すなわち比較的高い水頭を持つ余水路洪水チャンネルまたはシュート（spillways flood channels or chutes）において非常に有用である。

もし通常の状態や低水量状態においても釣り合いの取れた掃流土砂（bed road）運搬を河川に持たせたいならば、これらの流れのエネルギ制御を他の方法、すなわち、タービンおよび／または魚梯（階段式魚道）で達成しなければならない。これらのタービンは、一般的に、比較的低い水頭で機能できるはずである。これにより、河川形態（河相）が「自然のまま」という状態となる。自然は、常に、流れを最小エネルギ損失状態（フルード数Ｆｒ＝１）に戻そうとする。このことは、流れが未臨界である場合、堆積が生じ、臨界超過である場合、浸食が生じるということを意味する。

このバランスは、臨界の流れ状態で見いだされる。

本設計は、構造物のところで水面レベルをなんら高めることなく最大設計洪水（氾濫）レベルでの流れを可能にする。実際のところ、通常、このような洪水レベルの低下がある。この構造物は、劇的な洪水を招くこともなく、また、設計目標値よりもかなり大きい（２０％〜５０％）流量を確保しながらも安全に機能できる。そして、起こりうる唯一の可能性ある損傷は、構造物それ自体の表面侵食が増大するということである。したがって、決定的な流れがしばしば発生するならば、臨界流れ状態の下で構造物を設計するのが賢明である。こうすることで、フルード数の有効範囲も０．７〜１．０となる。

一般原理
ゴードンマッケイ（Gordon Mckay）が、その著書「最小エネルギ暗渠の設計」（１９７１年１０月）の「序文」で一般原理をうまく説明している。
１００年以上にわたって、水路設計の基準は、水路境界状態および流れの状態に依存する、チェッツイ（Chezy）の次式、

の或る形であった（ここで、νは流速、Ｒは水力半径、Ｓはエネルギ線の傾き、Ｃは変数である）。それ以来、「Ｃ」を定義しようとしてかなりの努力、時間が費やされてきた。この努力の多くは、水路境界にのみ依存する定数「ｎ」を導くことに向けられてきた。

このような式の適用に対する最優先の条件は、「長い」または「一様な」および定常流を定義することなく、長くて一様な水路にのみ適用するということである。自然水路に関する計算は、同様の根拠に基づいて実施されてきており、そこでは、長さは、エネルギ勾配が一定であり、かつ河床および水面に対して平行であると考えられている或る短い長さに制限されている。明らかに、短い長さおよび非一様性が基本的な分析要件を満たすことがないので、そのままでは矛盾がある。理にかなった答えを得るために、係数（或る程度任意に選択される）が適用される。

１９３２年、ボリス バクマテフ（Boris Bakmateff）が、特定のエネルギの概念、すなわち、開放水路の流れと関連した内部エネルギの概念を導入した。バクマテフは、或る特定の放流について、１つの特別な条件、すなわち臨界深さを除いて流れが２つの深さのところで生じ得ることを示した。穏やかな勾配においては、小さな収縮部（constriction）が深さを減らし、それに対応して速度を高める原因となり、その結果、流れの全内部エネルギが一定に留まった。バクマテフは、このエネルギを独創的な河床から測定した。この概念は「水位急上昇（跳水）」を説明しているが、混合設備として跳水部を使用することは別にして、あるいは、或る特定の場所で水頭を減らすために、この概念はごくわずかしか実際に使用されていなかったのである。

常に、速度の増大が「摩擦」損失増大の原因であり、その結果、速度のこのような増大を引き起こす制限部（restriction）がエネルギ損失率の増大の原因となるはずであり、その結果、それを良い状態に保つためには、上流側水位の増加を必要とするはずであると看做されてきた。これは、いかなる他の変化も生じなければ、おそらく当たっている。

自然の流れはいつでも一様ではない。「勾配」を測定したり、定義したりすることは、極めて困難である。横断面は、しばしば急速に、次から次へと変化する。断面形態の変化と境界粗さとを区別することはしばしば困難である。最初に定数として導入された「ｎ」が、ステージと共に、また、同じ流れにおけるセクション毎（from section to section）に根本的に変化することが示されてきた。チョウ（Chow）が、ステージと共に可能性あるｎの変化を発表している。図１は、クイーンランド（Queensland）の主要沿岸河川についてのステージ毎（against stage）のｎのプロットである。基本図形は、潅漑・給水委員会から得た。おそらく、これらの基本図形は、適正な精度をもって測定されたものである。「ｎ」は信頼できる乗数であるから、或る特定のｎ値を使用するいかなる計算にもひどい間違いないに違いない。

総体的に、１セクションのところでの特定エネルギは、次式によって与えられる。

ここで、Ａは、流れの横断面積（流体力学において定義されるように、速度に対して垂直（直角）に測定されている）であり、
Ｂは、水面幅であり、
Ｑは、吐出量（discharge）である。

特定のエネルギがセクションからセクションへ矛盾のない（compatible）場合を除いて、エネルギ散逸、すなわち、乱流が生じるはずである。したがって、単に、セクション形態（境界粗さではない）の変化からエネルギ損失が生じ得る。同時に、垂直エレメントは、常に、

であり、ここで、ｙは、垂直エレメントの深さであり、νは、深さ−平均速度である。その結果、横断流は、より深い深さ位置（高エネルギ）からより浅い深さ位置（低エネルギ）まで起こりそうである。この横断流（これも乱流を発生させる）は、エネルギを散逸させることになる。したがって、横断面形状は、境界状態に関わりなくエネルギ散逸率をかなり変える可能性がある。

乱流の持続性は、とりわけ、渦サイズの関数である。小さな渦は急速に消散するが、大きい渦はかなりの時間、それ故、かなりの距離にわたって持続する。したがって、境界のところで発生した小さな渦は、急速に消滅し、影響は局所的である。形態変化または横断面形状によって生じた大きい渦は、下流に残存し、下流域を一見して「ラフ（rough）」な状態にする。渦のサイズは、単独で、エネルギ散逸率を示さない。渦の数は同様に重要である。

しかしながら、特定エネルギがセクション毎に矛盾しないならば、乱流を発達させることなくかなりの断面変化が生じる可能性がある。すなわち、見渡せる範囲（reach）が比較的「円滑な状態」になる可能性がある。

おそらく、自然の流れにおいて、優勢になっている条件では、形態損失が流れのパターンを支配し、境界「摩擦」が全エネルギ損失のうち小さい部分となる。「ｎ」値の範囲は、乱流中の固体（物体）（たとえば、平らな円板）の、同じ直径（１．０〜０．１）の流線型の物体に比べての、抗力係数の変化に匹敵する。

本発明は、エネルギ散逸が横断面の制御した変化と共に生じ、したがって、エネルギが、種々の流水量、流速と共に等しく効率的に散逸させられ、しかも、常に堆積作用または浸食に伴う大きい問題がないという事実に関する。したがって、流れ状況の大部分において、掃流砂輸送（bed load transportation）も釣り合い状態に保たれ得る。構造物を寸法決めする選定した流れの場合、水路／河川を通じて流れがＦＲ＝１である可能性がある。ここで、流れが、実際に、渦領域に仮想境界を有し、これが、たとえ実際の質量で行われた計算がこのような結果を与えなくても、流れが渦領域の外側で実際に臨界にあるということを意味することに注目されたい。これは、跳水が効率的なエネルギ散逸に対して非常に浸食性の高いＦＲ＞５または最終的にはＦＲ＞９を必要とする古い構造物との大きい差異であり、あるいは、越流ダムが使われるときには、大きい流量で同じ散逸効率を達成するのにより高い水頭が必要となる。もちろん、これは、魚の移動の妨げになるので、受け入れることはできない。

液体の流れのエネルギを制御するためのこのような構造物は、流れに対して垂直なあらゆる横断面のところでの水頭、深さ、幅、全流量の間の或る特定の関係によって特徴付けられ、その結果、浸食を最小にするが、掃流砂輸送のバランスを保ち、水のエネルギを散逸させる効率的かつ無害な方法を提供する。より詳しくは、この関係は、ＭＥＬ原理で決まる。

さらに、図を参照しながら好ましい実施形態によって本発明を以下に説明する。
図１は、構造物の平面図であり、図２は、図１の構造物の横断面図であり、図３は、多くの異なった流れ制御位相を有する完全なシステムの原理の一例を示す平面図である。

流れの方向は、左から右である。
これらの図においては、以下の記号を用いている。
（Ｙｃ−１）：水理構造物の上流側の水深
（Ｙｃ−２）：水理構造物の下流側の水深
（Ｂ−１）：水深（Ｙｃ−１）の水面での流れの幅
（Ｂ−２）：水深（Ｙｃ−２）の水面での流れの幅
（Ｈ）：落差工の高さ、すなわち、水頭
（Ｌ）：２つの構造物間の長さ。
（Ｌ−ｌ）：収斂部および落差工構造物の長さ
（Ｌ−２）：渦領域の長さ
（Ｌ−３）：主渦流[２]の衝撃荷重に耐えなければならない河床の長さ
（Ｙｃ−１）：（Ｂ−１）での臨界水深
（Ｙｃ−２）：（Ｂ−２）での臨界水深

１） 米国特許第３，５９３，５２７号における式６で計算された、（Ｂ−１）と（Ｂ−２）との間で生じる収斂部（付録を参照）；
２） 渦流（３４ｐｃｓの円）の近似描写。
３） 渦領域の境界。水位が渦領域において、わずかに低くなることに注意。
４） 流れ形態での急激な変化。
５） 収斂部１で河床をどのように構成すべきかを表す。
６） 水面
７） 説明のために単純化した構造物の一部の例。実際には、たとえば河岸と構造物との間が曲線的に移行することが好ましく、そうすると、構造物の性能が大幅に向上する（主として最大流量に関して）。曲線状の移行による改善は、５〜１０％になり得る。
８） 構造物を支えるのにおそらく必要とされる河床部位。
９） 「越流堰」、すなわち、散逸領域
１０） １と９で構成される越流堰の高さ。
１１） 浸食防止手段、すなわち、反流
１２） 「跳水部」、すなわち、散逸領域
１３） 階段式魚道
１４） 低／中流量水路
１５） 魚スクリーン／レーク。
１６） タービン流出ガイド
１７） タービン取水口
１８） タービン
１９） タービンディフューザ

設計の原理
設計に必要なデータは、以下の通りである：
ａ： 吐出流量（Ｑ）
ｂ： 落差工部の高さ、すなわち、水頭（Ｈ）
ｃ： 所望構造物の限界寸法、
（Ｂ−１）水面における流れの最大幅；及び
（Ｌ） 落差工部から落差工部への距離、または
（Ｉ） エネルギ勾配。

計算の大多数は、既に米国特許第３，５９３，５２７号に説明されており、したがって、ここで再び開陳する必要はない。唯一の新しいものは、落差工部から落差工部への距離（Ｌ）またはエネルギ勾配（Ｉ＝Ｈ／Ｌ）である。これらは、共に、実際に同じ情報を与える。距離が小さすぎる場合には、エネルギ勾配も高すぎることになり、渦流のためのスペースが不充分となる。

原理は３つの計算例によって説明されるが、これらの計算例は、各与えられたデータで見いだされる特有の解が常に１つであることを同時に示す。種々の水頭およびエネルギ勾配についての最小長さ（Ｌ）は、詳細なモデル・テストで見いだされるはずである。まさに図１、２に示され、かつ、実施例１に記載されている構造物で行われた１：３６モデル・テストは、渦流について必要な長さ（Ｌ−２）がおよそ少なくとも１．２×（[Ｂ−１]−[Ｂ−２]）であることを示している。したがって、これらのシステムについての最小長さ（Ｌ）が０．８ｍ水頭（Ｈ）で２５ｍであり、かくして、より複雑な散逸解が受け入れられない場合には、最高勾配（Ｉ）が約０．０３３であると考えるべきである。これらの渦流の衝撃力も計算または検討され、構造物および河床の荷重に加えなければならない。河床材料がこの荷重を支えるのに十分に安定していない場合には、余分な支持構造物８を追加しなければならない。

他のこのような散逸解は、跳水部１２として自動的に（Ｂ−２）の背後に現れる。この跳水部それ自体は、河岸または構造物に接触することがないので、いずれにしても、浸食を起こすことはない。したがって、或る場合には、中間流量ＦＲ−１、かくして高流量ＦＲ＞１．０について構造物の（Ｂ−２）部分を寸法決めすると有用であるかもしれない。これは、生態学的な問題を回避するために極めて急激な中間流量変化を制御する必要がある揚水水力発電に対する実際に支持できる解決策を与えるかもしれない。この場合、構造物は、これらの急激な中間流量変化の負の影響をなくすように寸法付けしなければならず、したがって、氾濫状況は他の方法により解決されなければならない。普通の越流堰９として機能するような方法で構造物１の高さ１０を寸法決めすることができる。この高さ１０が一定／均一でないことに注目すべきである。これは、最終的にはこの１つの単純な構造物１を３つの散逸相を持つように寸法決めすることが可能であるということを意味する。すなわち、まず、渦２が常にあり、第２に、左右の渦２間の領域（Ｌ−２）において跳水部１２が発生するはずであり、第３に、領域（Ｌ−１）に越流堰１、９があるということを意味する。

特に、短い領域（Ｌ−１）、（Ｌ−２）および（Ｌ−３）が望まれるときに、計算および機能をモデル・テストによって証明することを強く勧める。これらのテストが行われない場合、また、長さ（Ｌ−２）および（Ｌ−３）が設定流（設計対象の流れ）のエネルギを散逸させるには短すぎると後にわかる場合でも、もはや氾濫の危険はない。これは、流れの中間でより高い流速を生じさせ、かくして、水位６のところで落差（落差工）を生じさせるという原因になるだけである。もちろん、流速が大きくなるということは、構造物の表面浸食の原因となり、したがって、期待した寿命は達成されないかもしれない。この状況は、設定流量が急激な大洪水によって増大した場合に起きることとまったく同じである。流量が増大すると、もちろん、水位は上がるが、実施例が示すように、変化は比較的小さい。実施例２は、実質的に実施例１と同じであるが、流量は３３％増大している。これらの実施例においては、水位６が１．３７ｍから１．６５ｍまで、すなわち０．２８ｍ上がるが、現実には、実施例１に示すように設計が行われたときには水がより大きな速度で流れることになるため、上昇はもっと少なくなる。

この高流量設計の実施例。
説明を簡単かつ明確にするために、矩形横断面における流れ条件についての実施例を示す。任意の横断面形状（幾何学的または他の形状）について同じ計算を行うことはできるが、一般的にはより複雑な計算が行われる。（水理学で知られるように）流速および横断面積がもはや険しいものではない（perpendicular）ため、この簡単すぎる実施例が、例えば図中のポイント７に問題をもたらすので、これらの複雑な形態および計算が最終的には常に使われるべきである。それでも、構造物を寸法付ける原理は変わらない。この問題を解決する易しい解決策は、（Ｙｃ）の線形変化と（Ｂ）からの線形変化との代わりに構造物の始まり（beginning）を計算するか、または、これら２つの方法の組み合わせを計算することである。

［実施例１］
Ｑ＝１００ｍ^３／ｓ、Ｂ＝２０ｍ、水頭Ｈ＝０．８ｍ、エネルギ勾配Ｉ＝０．０２を有する矩形の水路または河川においては、
Ｑ／Ｂ＝５．０ｍ^３／ｓ／ｍ
と計算されることになる。

落差（落差工）の始まりの水深は、米国特許第３，５９３，５２７号の式（３）から計算される通りであり、１．３７ｍである。同じポイントのところでの流速は、式（３Ａ）から計算することになり、３．７ｍ／ｓである。

ここで、水位は、０．８ｍまで（by）下がるに違いない。落差の終りのところでの流速が５．４ｍ／ｓであるに違いないことは式（４）などから計算することができ、水深が２．９７ｍに違いないことは式（３Ａ）から計算できる。次いで、（Ｂ）が落差の終りのところで６．２５ｍに違いないことは式（１）から計算できる。ここで、エッジを計算するときには、開始点から終点までの形態１の変化は式（６）で計算できる。
落差間の距離（Ｌ）は、０．８／０．０２＝４０ｍであり、変えることはできない。

［実施例２］
Ｑ＝１００ｍ^３／ｓ、Ｂ−１＝１５ｍ、水頭Ｈ＝０．８ｍおよびエネルギ勾配Ｉ＝０．０２を有する矩形水路または河川においては、
Ｑ／Ｂ＝６．７ｍ^３／ｓ／ｍ
と計算される。

落差の始まりでの水深は１．６５ｍである。同じポイントのところでの流速は、４．０ｍ／ｓである。

ここで、水位は０．８ｍまで（by）下がるに違いなく、それで、落差の終りのところでの流速は５．７ｍ／ｓ、水深は３．２５ｍであるに違いなく、次いで、再び、（Ｂ）は落差の終りのところで５．４４ｍに違いないと計算できる。エッジを計算するときには、開始点から終了点までの形態１の変化は式（６）によって計算できる。

落差間の距離（Ｌ）は、０．８／０．０２＝４０ｍであり、実施例１と同じであるが、図１からわかるように、相対的長さはより大きくなっており、エネルギ散逸は実施例１よりも良好であることが期待でき、同じ流れがより小さなスペースに移動させられ得る。これは、水深がより深くなり、したがって、渦流もより多くなり、必要な領域がより小さくなるという事実に基づいている。

［実施例３］（同じ横断面における２つの構造物）
Ｑ＝２×５０ｍ^３／ｓ、Ｂ−１＝２×１０ｍ、水頭Ｈ＝１．０ｍおよびエネルギ勾配Ｉ＝０．０２５を有する矩形水路または河川においては、
Ｑ／Ｂ＝５ｍ^３／ｓ／ｍ
と計算される。

落差の始まりでの水深は１．３７ｍである。同じポイントのところでの流速は３．７ｍ／ｓである。

ここで、水位は１．０ｍまで（by）下がるに違いなく、落差の終りのところでの流速は５．７ｍ／ｓ、水深は３．３７ｍであるに違いない。次に、式（３）から、（Ｂ−２）が落差の終りのところで２×２．５９ｍであるに違いないと計算できる。ここで再び、エッジを計算するときには、開始点から終了点までの形態１の変化は式（６）によって計算できる。

落差間の距離（Ｌ）は、１．０／０．０２５＝４０ｍ、すなわち、実施例１と同じであるが、図１からわかるように、たとえ散逸エネルギの量がより大きくなっても、相対的長さはより大きくなっており、エネルギ散逸は実施例１よりも良好であることが期待できる。

低流量および中間流量対象の設計の原理および実施例
落差工構造物および水路全体は、氾濫、損傷なしに最高流水量（最高放流量）で機能するように寸法決めしなければならない。これらの設計対象の流量は、平均流量より５〜１０倍高くなり得、最小流量より５０倍高くなることさえあり得る。もちろん、年間の或るときには完全に干上がる河川もある。一例として、スイス、エングストリンゲンにおける河川、カンダー河、アーレ河、最終的にはライン川の流入河川がある。流水量（Ｑ）は、最小流量がわずか１．５ｍ^３／ｓであり、年間の大部分を通じて３〜１０ｍ^３／ｓで変化し、中間値は６ｍ^３／ｓである。先に述べたように、もし「自然のまま」の河川形態を作りたいならば、臨界流量ＦＲ＝１としても、最小エネルギ損失（ＭＥＬ）状況での流量を持たなければならない。これを最小流量条件内で達成するのは実質的には不可能であるが、浸食も起こらないので、実際には重要ではない。より重要なのは、流量が３〜１０ｍ^３／ｓであるときに、流れの状態が、年間２００日を超す流れ状態で要件を満たすことである。一例（図３）として、１ｍ^３／ｓ〜３ｍ^３／ｓで稼働することができ、したがって、流量２ｍ^３／ｓ〜６ｍ^３／ｓから全エネルギを散逸させることができる２台の水力発電マシン１５〜１９と、ほぼ１ｍ^３／ｓの階段式魚道１３とがある。

図３に５．７ｍ^３／ｓの全流量および０．４７ｍの最高水深で臨界流量に達する組み合わせが示してあり、階段式魚道（魚道）１３は１．２ｍ幅であり、平均流速はＶ＝１．８ｍ／ｓであり、Ｂ−１＝９．７ｍであり、横断面積はＡ＝３．１７２ｍ^２である。５．１ｍ^３／ｓをタービンを通過させて（turbined）電気を発生する（この流れは水力発電装置（たとえば、タービン）によって、電気エネルギに変換される）。

３ｍ^３／ｓの場合、フルード数は０．８４であり、最大水深はほぼ（〜）０．３８ｍであり、そして２．６ｍ^３／ｓをタービンを通過させる。１０ｍ^３／ｓの場合、フルード数は１．２であり、最大水深はほぼ０．５７ｍであり、そして６ｍ^３／ｓをタービンを通過させる。

もしこのようなタービンの組み合わせが、実施例１において説明したような落差工構造物と組み合わされているならば、理論的には、ＦＲ＝１の場合の最大流量は、約１０７ｍ^３／ｓであり、種々の流水量のすべてで流量はＦｒ＝１付近に留まる。したがって、水力発電および洪水防御を行うように充分に構築した河川でも、河川形態は常に「自然のまま」に留まる。低流量および中流量で河川形態に最良の安定性をもたらすには、他の構造物では、ＦＲ＝１状態における流れを領域（Ｌ−３）における構造物間でも保つ必要がある。これは、水路１４への開口がＦＲ＝１について寸法決めされている分割水中構造物８を構築することによって容易に達成される。これは、極端な形態変化が河川の（Ｌ２)部分に集中するので、河川の（Ｌ−３）部分を極端な形態変化から安全の状態にする。しかも、ここで、収斂部１が比較的薄い壁としてのみ構築され、石で満たされていないならば、収斂部１の背後に、真に穏やかな水領域を構築できるということに注目されるべきである。この穏やかな水領域は、非常に極端な流れ状態でも全体で河川生物にシェルターを与える。また、氷の層を急速に構築することになるので冷たい天候を防ぐシェルターも与える。

概要
今まで説明してきた原理では、水理構造物を河川内に構築することが可能である。ここで、水がほとんどの任意の流れ状況において、ほぼバランスの取れたエネルギを持って流れ、したがって、たとえ、狭くても、充分に増大されたスペースに流れが強制的に流されたとしても、河川は自然な生存環境を留める。この目標を充分に達成するためには、流れは、異なったフェイス（phase）で制御されなければならない。主フェイスのみを使用する場合には、このフェイスにおいてどんな流れが決定的かは、個別に決定しなければならない。

主フェイスは、これらの垂直方向渦流を形成する構造物である。それは、１つの特定の流量でのみ寸法決めされ得る。これより小さな流量は、タービンおよび／または階段式魚道で制御されなければならないが、この目標を達成するために、マトリックスとして、並べた２つまたはそれ以上の異なった寸法の構造物を構築しても良い。この構造物自体が氾濫状況に最適化されていない場合には、この大きい流量のエネルギの一部は、上述したような計画した跳水および／または複合落差工構造物によって制御され得る。

好ましい実施形態のさらなる態様は、以下の通りである：
１．構造物によって創り出されるおよそ垂直方向の渦流は、流れの横断面についての制御された変化により、効率的にエネルギを散逸させ、河岸領域に穏やかな反流を構築し、したがって、河岸および河床をより明るく（lighter）することができ、構造物間をより自然のような状態で構成することができる。

２．構造物は、よりバランスの取れた掃流砂量（掃流砂輸送）（bed load transportation）条件を与えることができ、長さ（Ｌ−２）および（Ｌ−３）に関して正確に寸法決めされたときには、渦流は産卵している魚にとっても適切な河床領域さえ構築できる。このような一つの領域が、（Ｌ−２）から（Ｌ−３）への移行部付近に設けられている。ここには、急激な形態変化は存在せず、しかも、河床は一定ではあるが、小さな動きに留まる。

３．本構造物の流れは、新たに、「溺死マシン」として知られる強力な水中に沈ませる現象を創り出す。それによって、水泳者およびカヌーの漕ぎ手のような人々にとってのリスクが効果的に減る。

４．本構造物は、薄い壁だけで構築されたとき、すべての流れ状態で河川生物に穏やかなシェルターを与えることができる。このシェルターは、沈殿物で決して覆われることはなく、決して干上がることもない。寒季においては、容易に凍結することになり、したがって、極度の低温に対する保護も与える。

５．本構造物は、並べるかおよび／または重ね合わせて設置した２つまたはそれ以上の同様の構造物のマトリックスとして構築されるが、これらの構造物は、異なった寸法とされるかおよび／または異なった高さに構築され、このような構造物の１つだけで達成され得るよりも広い範囲にわたる流れ制御を行う。

６．本構造物は、最高の高さで生じる流れが構造物の後に跳水を生じさせるように、すなわち、別のエネルギ散逸フェイスを生じさせるように寸法決めできる。

７．寸法決めしたよりも大きな流れが生じるならば、構造物が普通の越流堰としても機能し、それでも別のエネルギ散逸フェイスを提供するように構造物の高さを寸法決めすることができる。

８．構造物では、渦流がもはや機能することができないほど低い流量も、エネルギを電気に変換することによって散逸させる水力発電機と階段式魚道との組み合わせで臨界状態に保たれ得る。したがって、水のほんの一部だけを伴って移送される落差工構造物領域で、また、全水量を伴って移送される落差工構造物間でも、掃流砂移送が結局（on balance）留まり得る。

９．タービンのちりよけは、通常の流れ状態で水面付近の水を捕らえており、これらのちりよけは、比較的高い水量で洗い流され、タービン内へ吸い込まれ得る堆積物、かくして河床−生物をもとどめる。

１０．水路を画成する壁が片側だけに設けられ、反対側が、例えば、河岸により構成されてもよい。すなわち、水の境界が水理構造物なしに提供されてもよい。

１１．水路を画成する壁は、厳密な意味で壁というよりも他の手段、たとえば、山をなした石で部分的に構成しても良い。重要なのは、渦流が発生する水路の端における少なくとも１つのエッジの存在である。

１２．垂直方向渦流を引き起こすエッジは、大きい角度範囲のものであっても良い。しかしながら、最も効果的なのは、少なくとも９０度の角度である。この角度の場合、そして特に鋭角の場合、渦流がより容易に増大し、特に壁の背面に広がる可能性がある。より急な角度は、短くなった長さ（Ｌ−２）部分で流れのエネルギを散逸させるより有効的な渦流を創り出す。非常に効果的な手段は、刃様エレメント、たとえば、鋼製ブレードであり、その場合、角度は１８０度にさえ近づく。

付録
米国特許第３５９３５２７号の式
ｙ_ｃ ^３＝ｑ^２／ｇ （３）
ｖ_ｃ＝（ｇ ｙ_ｃ）^１／２ （３a）
ｙ＋（ｖ^２／２ｇ）＝Ｈ_ｓ （４）
Ｂ＞＝Ｑ／[ｇ^ｌ／２｛（２／３）（Ｈ_ｓ−ｈ）｝^３／２] （６）
ここで、
ｙ： 流れの深さ
ｙｃ： ＭＥＬによる流れの深さ
ｑ： 単位幅当たりの流量（Ｑ／Ｂ）
ｖ： 流速
ｖｃ： ｙ_ｃでの流速
Ｂ： 水面での流れの幅
Ｑ： 流量
ｇ： 重力加速度
Ｈ_ｓ： 水位上方のエネルギ
ｈ： 河床上方の構造物の高さ。

Claims (14)

1. 流れている表面水における水流制御用の水理構造物において、２つの壁部材（１）が、効率的に下流に向かって狭くなっている水路を構成し、表面水の河床の地盤（ground）（５）が、水路において、下流に向かって低下し、壁部材の少なくとも１つの下流側端部（４）が、エッジを構成しており、このエッジの後で河床の幅が、効率的に広げられ、その結果、上流側の河床の地盤と下流側の河床の地盤との間の高低差による流れのエネルギが、エッジのところまたはエッジ付近に創り出された本質的に垂直方向の渦流（２）によって散逸させられる、ことを特徴とする水理構造物。
2. 請求項１に記載の水理構造物であって、水路から成るセクションが、水面が意図したレベルまで低下してしまうまで最小エネルギ損失（ＭＥＬ）構造物として構築される、ことを特徴とする水理構造物。
3. 請求項１または２のうちの１つに記載の水理構造物であって、壁部材が、実質的に防水性である、ことを特徴とする水理構造物。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、壁部材（１）が、流れの方向に関してほぼ垂直方向に直立している、ことを特徴とする水理構造物。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、水路を創り出している壁部材（１）の前面が表面水の流れる方向に関してほぼ鏡面対称の形状を有する、ことを特徴とする水理構造物。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、壁部材の下流側端部のところのエッジが、流れの主方向に関して少なくとも３０度、好ましくは、少なくとも６０度、より好ましくは、少なくとも９０度の角度を有し、さらにいっそう好ましくは、実質的にブレード様エレメントによって構成される、ことを特徴とする水理構造物。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、壁部材（１）の下流側端部（４）の後で表面水の河床が、少なくとも水路の入口の幅まで広げられている、ことを特徴とする水理構造物。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、水路の狭窄および河床の地盤の傾斜が実質的に連続的である、ことを特徴とする水理構造物。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、壁部材が、水路に向かって本質的に凸状となっている、ことを特徴とする水理構造物。
10. 請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、壁の少なくとも１つの背面が、水の流れ方向に関して、壁部材の前面に対して、少なくとも８０度、好ましくは、９０度、より好ましくは、ほぼ平行に延在して、壁部材の背後に穏やかな水のスペースを創り出しており、角度が水の表面の平面で画成されている、ことを特徴とする水理構造物。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、水路に魚道（１３）が配置してあり、その底部が、低水量の場合でさえ、水が提供されれば、まず魚が通れるように水路に最も深い水位を構成する、ことを特徴とする水理構造物。
12. 平行配置、連続配置、および少なくとも２つの水理構造物が積み重ねて設置された配置のうち１つ以上の配置での、請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載の少なくとも２つの水理構造物を含んでなり、積み重ねられた水理構造物が異なった水位に対して配置されている、ことを特徴とする水理構造物配置。
13. 請求項１２に記載の水理構造物配置であって、少なくとも２つの水理構造物が、幅、長さ、深さのうち少なくとも１つにおいて異なっており、その結果、水理構造物配置が、表面水の拡大された範囲の流量または体積流量を処理できる、ことを特徴とする水理構造物配置。
14. 請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の水理構造物であって、水力発電装置（１８）が存在し、この水力発電装置が、水路の上流端にあるまたはさらに上流にある入口（１７）と、水路の下流端にあるまたはさらに下流にある出口（１６、１９）とを有し、その結果、水力発電装置が、水理構造物の上流と下流との異なった水位を用いて電流を発生できる、ことを特徴とする水理構造物。

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