JP2018197470A - リチャージ工法 - Google Patents

Abstract

【課題】注水井戸の注水性能を長期にわたって好適に維持することを可能にし、効率的且つ効果的な運転を可能にするリチャージ工法を提供する。【解決手段】対象水Ｗ１をろ過装置１１でろ過して対象水Ｗ１中の不溶性物質を除去し、不溶性物質を除去処理した後の対象水Ｗ２を注水井戸４から地中に注水するリチャージ工法であって、不溶性物質を除去処理した後の対象水Ｗ２を一定流量で注水井戸に注水するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、掘削工事等で用いられるリチャージ工法に関する。

一般に、地下掘削工事においては、掘削工事部分の水分を適度に抑えるため、掘削前に予め掘削部分の地下水を地表近くに汲み上げ、地下水位を低下させた状態で掘削を行うケースが多い。このとき、地下水放流量を削減するとともに、現場周辺の水位低下による影響を低減するために、汲み上げた地下水を再び地中に戻すリチャージ工法が多用されている。

一方、従来のリチャージ工法においては、注水井戸（リチャージウェル）のスクリーン近傍の地盤の目詰まり現象が発生しやすく、注水井戸の通水性能／注水性能を長期にわたって維持することが難しい。このため、地表に汲み上げた地下水に含まれる目詰まり物質を取り除くための種々の技術が提案、実用化されている。

例えば、特許文献１には、筒状の中空管体と、中空管体内の中心部に設けられた筒状のフィルター部とを備えた目詰まり防止装置（リチャージシステム）が開示されている。

この目詰まり防止装置では、中空管体の内周とフィルター部の外周との間に環状空間を形成し、環状空間内に、工事発生水、雨水や地下水等が含まれた排出水を接線方向から水平線に対して下方を向くような旋回流が起こるように導入する。このとき、遠心力と重力差とにより排出水中の重量の大きな異物が落下するとともに重量の小さい異物が上方に浮上し、これら異物をフィルター部でろ過して除去することができる。

しかしながら、上記の目詰まり防止装置は粘土粒子等の浮遊物質（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｓｏｌｉｄｓ：ＳＳ）成分の除去を主な目的としたものであるため、この目詰まり防止装置を用いたとしてもリチャージ工法の目詰まり現象の発生を十分に抑えることが難しい。

また、注水井戸の通水性能を回復させるために、リチャージを中止して時間をかけて注水井戸の逆洗を行った場合でも、注水井戸近傍の地盤が目詰まりしていると、通水性能を初期の状態まで回復させることが難しい。

これに対し、本願の発明者ら／出願人は、鋭意検討を行い、注水井戸付近の地盤の目詰まりが土粒子等のＳＳ成分の他に、地下水（排出水）に含まれる鉄成分が大きく関与していることを突き止め、例えば注水井戸の注水部（スクリーン）近傍に三価鉄が到達すること防止するための地下水の処理方法を発明し、既に特許出願を行っている（特願２０１６−０７５４１７）。

また、本願の発明者ら／出願人は、バネ式フィルターの表面にプリコート材を付着させ、このバネ式フィルター及びプリコート材で地下水をろ過することにより、精密なろ過を高速、且つ低圧で実現できるとともに三価鉄等を好適に除去できることを見出している。

特許第４３７９０８６号公報

ここで、従来のリチャージ工法では、一般に、粘土粒子等のＳＳ成分などを除去した後の地下水を注水井戸に不定流量で供給し、地盤に戻すようにしている。このように不定流量で地下水を注水することによって、必然的に注水井戸内の水位が上下に大きく変動し、スクリーン及びスクリーンの近傍の地盤に生じる水圧、注水圧に大きな変動が生じる。この注水圧の大きな変動に起因して、スクリーン近傍の地盤が圧密したり、地盤中の土粒子が移動して地盤の間隙に目詰まりが生じやすくなり、注水性能の悪化を招くおそれがあった。

また、注水井戸が目詰まりしてきた際には、早めにそれを検知し、注水井戸を逆洗して注水性能の回復を図るようにしているが、地下水を注水井戸に不定流量で供給することにより目詰まりの程度を正確に捉えることが難しく、目詰まりが進行し過ぎて逆洗を行っても十分にその性能を回復させることが困難になるケースがあった。さらに、地下水を注水井戸に不定流量で供給し、上記のように地盤に圧密が生じると、やはり逆洗を行っても十分にその性能を回復させることが難しくなってしまう。

さらに、表面にプリコート材を付着させ、プリコート層を設けたバネ式フィルターを用いて地下水をろ過してＳＳ成分や鉄分などを除去し、ろ過した地下水を注水井戸から地盤に戻すシステムでは、不定流量の地下水をバネ式フィルターでろ過することでプリコート層が剥離／剥落することがあった。

本発明は、上記事情に鑑み、注水井戸の注水性能を長期にわたって好適に維持することを可能にし、効率的且つ効果的な運転を可能にするリチャージ工法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のリチャージ工法は、対象水をろ過装置でろ過して対象水中の不溶性物質を除去し、前記不溶性物質を除去処理した後の対象水を注水井戸から地中に注水するリチャージ工法であって、前記不溶性物質を除去処理した後の対象水を一定流量で前記注水井戸に注水するようにしたことを特徴とする。

本発明のリチャージ工法によれば、注水井戸の注水性能を長期にわたって好適に維持することを可能にし、効率的且つ効果的な運転が可能になる。

本発明の一実施形態に係るリチャージシステムを示す図である。 リチャージ運転のモニタリング結果を示す図である。 リチャージ開始時の注水量と注入井戸内水位の関係を示す図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係るリチャージ工法について説明する。

はじめに、本実施形態は、例えば、掘削工事等を行う現場に設置され、揚水井戸によって地中の帯水層内から地下水を揚水して地下水位を制御するとともに、汲み上げた地下水を所望の位置に設置した注水井戸（リチャージウェル）に導き、この注水井戸から地中に注水して戻すリチャージ工法、及びリチャージ工法のシステムに関するものである。
なお、本発明は、リチャージ工法が適用可能であれば、地盤の構造や揚水位置、注水位置を特に限定する必要はない。

また、本実施形態のリチャージシステムは、例えば、揚水した地下水に酸化剤を添加し、この本発明における対象水の地下水に溶存する二価鉄を酸化させて不溶性／難溶性の三価鉄とし、この三価鉄を地下水からろ過して除去した後に地下水を地中に戻すように構成されている。

具体的に、本実施形態のリチャージシステムＡは、図１に示すように、本実施形態の対象水である地下水を揚水するための揚水井戸（不図示）と、揚水井戸から汲み上げた地下水Ｗ１に酸化剤Ｐを添加する酸化剤添加手段１と、酸化剤Ｐを添加した後の地下水Ｗ１を一時的に貯留する原水タンク２と、原水タンク２から地下水Ｗ１を導入し、地下水Ｗ１中に存在するＳＳ成分等（不溶性物質）を除去する除去処理手段３と、除去処理手段３で処理した後の地下水Ｗ２を地中の帯水層に注水して返送するための注水井戸４とを備えて構成されている。

揚水井戸は、地中の帯水層から地下水を地上に汲み上げるための設備であり、例えば、土留めによって区画された掘削領域内に設けられたディープウェルを備えて構成されている。また、揚水井戸は、地下水位以深の帯水層内に配設されるスクリーン（集水部）を備え、このスクリーンを通じて地下水を内部に流入させ、集水可能に構成されている。

ここで、揚水井戸から揚水した地下水Ｗ１には一般に鉄が二価鉄として溶存しており、この地下水Ｗ１中に溶存した二価鉄が空気（酸素）に触れると不溶性／難溶性の三価鉄に変化する。このため、本実施形態のリチャージシステムＡでは、揚水井戸から酸化剤添加手段１までの間を揚水管で接続し、揚水井戸から地上に汲み上げた地下水Ｗ１が空気に触れることを防止し、地下水Ｗ１中の二価鉄が三価鉄に変化しないように構成されている。

酸化剤添加手段１は、揚水管で送られた地下水Ｗ１に酸化剤Ｐを添加し、主に、地下水Ｗ１中に溶存する二価鉄を三価鉄に酸化させるためのものであり、地下水Ｗ１に酸化剤Ｐを添加／供給するための酸化剤供給装置と、酸化剤Ｐを添加した地下水Ｗ１を撹拌する撹拌装置（混合装置）５とを備えている。なお、酸化剤添加手段１は、地下水Ｗ１に酸化剤Ｐを供給することが可能であれば、特にその構成を限定する必要はない。

酸化剤添加手段１で供給する酸化剤Ｐは、地下水Ｗ１に一般的に含有されている二価鉄を酸化させて三価鉄を析出させることができれば特に限定を必要としないが、例えば、この酸化剤Ｐとしては、次亜塩素酸ナトリウム、過酸化水素、塩素酸ナトリウム、オゾン、塩素等を挙げることができる。

また、鉄と同様、マンガンも目詰まりを引き起こすことが本願の発明者らによって確認されているため、酸化剤Ｐは、二価鉄だけでなく、地下水Ｗ１に溶存するマンガンも酸化し、水和二酸化マンガンなどとして析出させることが可能な物質を含むことが好ましい。

撹拌装置（混合装置）５は、スタティックミキサー等であり、酸化剤Ｐを添加した地下水Ｗ１が流通するとともに地下水Ｗ１と酸化剤Ｐを混合可能に構成されている。なお、地下水Ｗ１と酸化剤Ｐとを所望の状態に混合可能であれば、特にその構成（混合方法）を限定する必要はない。

次に、原水タンク３は、酸化剤添加手段１で酸化剤Ｐを添加処理した地下水Ｗ１を一時的に貯留するためのものであり、除去処理手段３のフィルター／ろ過装置のメンテナンス時に揚水井戸から汲み上げた地下水Ｗ１を一時的に受け入れて貯留可能な容量を有する貯留部６を備えている。

さらに、本実施形態の原水タンク３は、酸化剤添加手段１から送られた地下水Ｗ１を受ける供給口７ａ、及び供給口７ａから供給されて流通した地下水Ｗ１を貯留部６に送出するための排出口７ｂを有し、供給口７ａから供給された地下水Ｗ１が排出口７ｂから貯留部６に排出されるまでの流路長／容積が必要流路長／容積以上となるように形成された反応部７を備えている。本実施形態では、原水タンク２内を区画する複数の仕切板８を備え、これら複数の仕切板８を所定位置に配設することによって反応部７が形成されている。

また、原水タンク２は反応部７の流路Ｒ内を流通する地下水Ｗ１の流通方向、流速（時間当たりの流量）を制御するための処理対象水流通制御手段を備えている。本実施形態では、この処理対象水流通制御手段が軸線周りに回転する撹拌スクリューなどの撹拌機を備えて構成されている。

そして、撹拌装置５で酸化剤Ｐと混合した地下水Ｗ１が原水タンク２の反応部７の供給口７ａから供給され、処理対象水流通制御手段の駆動によって反応部７の流路Ｒを順次供給口７ａから排出口７ｂに流通する。このとき、反応部７の流路Ｒが所定の必要流路長／容積を備えて形成されていることにより、流路Ｒ内における酸化剤Ｐと地下水Ｗ１中に溶存する二価鉄やマンガンなどとの反応時間が十分に確保される。

すなわち、本実施形態の原水タンク２は、地下水Ｗ１中のほぼ全量の二価鉄やマンガンが反応部７で三価鉄や水和二酸化マンガンなどとして析出するように構成されている。

除去処理手段３は、原水タンク２の貯留部６から送られた地下水Ｗ１中のＳＳ成分や、酸化剤Ｐによって酸化された鉄及びマンガンをはじめとする不溶性／難溶性の酸化金属を除去するための設備であり、バネ式ろ過器を有するろ過装置１１を備えて構成されている。

バネ式ろ過器は、例えば、非常にさびにくい材質からなるステンレス（ＳＵＳ）を、特殊な線の形状に加工し、固いバネ線材をコイル状に巻いたバネ式フィルターの表面にプリコート材を付着させ、このプリコート材の堆積層（プリコート層）をフィルターとして地下水をろ過するように構成したものである。

また、バネ式フィルターを伸縮／弾性変形させるだけで、バネ式フィルターの表面に付着したプリコート材を剥落させて除去することができる。すなわち、地下水Ｗ２中のＳＳ成分や三価鉄等の酸化金属といった除去残留物をろ過して捕捉した段階でプリコート材を剥落させることにより、除去残留物をプリコート材ごと一緒に分離して回収できるように構成されている。

このようなバネ式ろ過器は、例えば、特開平８−１９６８２１号公報に開示されている液体ろ過フィルターエレメントや特許１８２２３１７号公報等に開示されているバネ式フィルターろ過装置等を挙げることができ、特に優れた自浄効果、逆洗再生機能を有している。

なお、上記のバネ式フィルターは、従来、排水（濁水）処理を主な目的として用いられているが、ろ過処理にあたり、最初の段階でバネ式フィルターにコーティングするプリコート材（ろ過助剤）を適切に選択することにより、バネ式フィルターでろ過される粒子径（ろ過精度）を定めることができ、精密なろ過を高速、且つ低圧で実現することができる。このような自浄効果を利用し、三価鉄が含まれる水をバネ式フィルターでろ過することで、三価鉄などを好適に除去することができる。すなわち、バネ式ろ過器には凝集剤等の添加物が不要である。

注水井戸４は、リチャージウェル、すなわち、地下水を帯水層内に注水ための公知の注水設備である。注水井戸４は、地下水位以深の地盤（帯水層）内に埋設されたスクリーン（注水部）４ａを備え、スクリーン４ａから注水井戸４内の地下水Ｗ２が帯水層内に注入できるように構成されている。また、注水井戸４の上端に蓋が取り付けられ、注水井戸４は密閉されている。

上記構成からなる本実施形態のリチャージシステムＡにおいては、揚水井戸から揚水された地下水Ｗ１に酸化剤添加手段１で酸化剤Ｐが添加され、地下水Ｗ１中の二価鉄（やマンガン）を酸化し、三価鉄として析出させる。

析出された三価鉄やマンガン等の酸化金属を粘土粒子等のＳＳ成分とともに除去処理手段３でろ過し地下水Ｗ１から除去する。これにより、除去処理手段３によって地下水Ｗ１に含まれる目詰まり起因成分を除去することができる。

揚水井戸から揚水された地下水Ｗ１を注水井戸４付近の地盤Ｇの目詰まりの原因となる成分を除去して良好な状態にすることで、本実施形態のリチャージシステムＡ及びリチャージ工法によれば、地盤Ｇや注水井戸４のスクリーン４ａの目詰まりを防止し通水性能を良好に保持しつつ、汲み上げた地下水Ｗ１を地盤Ｇ中に戻すことができる。

一方、本実施形態のリチャージシステムＡにおいては、制御手段１０を備え、注水井戸４の早期逆洗による運転管理を目的とし、この制御手段１０が以下のような制御を行うように構成されている。

除去処理手段３のろ過装置１１のポンプ１２をインバーター制御し、除去処理手段３で処理した地下水Ｗ２を一定流量で注水井戸４に注水する。また、このとき、注水井戸４内に水圧計１３を設置し、注水井戸４内の水位を常時観測し、この観測結果に基づいて制御手段１０で注水量を制御する。さらに、注水井戸４内に逆洗用のポンプ１４設置しておく。

そして、本実施形態のリチャージシステムＡ及びリチャージ工法においては、一定流量で注水した場合の注水井戸４内の初期水位上昇量をΔｈ_０とした場合に、注水井戸４が徐々に目詰まりしてくると、一定の注水量に対する注水井戸４内の水位が上昇してくる。例えば、２Δｈ_０（予め設定した水位の管理値）まで注水井戸４内の水位が上昇するとともに、注水井戸４の注水性能、言い換えれば注水井戸４近傍の透水性が半分になったと判断できる。このように水位の変化のみで即時に注水井戸４の注水性能を捉えることは不定流量でリチャージしてしまうと難しく、一定注水量でリチャージしていないと判断できないことである。

さらに、洗浄のタイミングを決める水位の管理値を例えば４Δｈ_０と設定しておくと、その水位まで達するとともに制御手段１０によって自動洗浄をするようにリチャージシステムＡを制御することが可能になる。

また、この洗浄時に、本実施形態では洗浄水を原水タンク２に戻し、逆洗浄水を再度除去処理手段３で処理してリチャージすることができ、従来のように洗浄水を下水放流することなく注水井戸４の洗浄が可能になる。

ここで、図２（及び図３参照）は実際に本実施形態のように制御管理してリチャージ運転を行った際のデータの一例を示している。この図から、本実施形態のように制御管理することにより、早期に目詰まりし、著しく注水性能が低下した注水井戸４の注水性能が逆洗を行うことで、従来では到底不可能な初期状態近くにまで回復することが実証された。

したがって、本実施形態のリチャージ工法及びリチャージシステムＡにおいては、ろ過装置１１のフィルター目詰まりの程度にかかわらず一定流量で注水を行うことで、注水井戸４内の水位観測によって注水井戸４の目詰まりの程度を定量的に評価することが可能になる。

これにより、目詰まりが深刻にならない早期の段階を見極め、この段階で効果的に注水井戸４の逆洗を行うことが可能になる。よって、注水井戸４の機能回復を容易に行うことが可能になる。

また、一定流量で地下水Ｗ２を注水することによって、従来のように注水井戸４内の水位が大きく上下に変動することがなく、注水井戸４のスクリーン４ａ近傍の地盤Ｇに過大な圧密が生じにくくなる。これにより、従来と比較し、地盤Ｇの間隙に目詰まりが生じにくく、この点からも逆洗によって注水井戸４の機能回復を容易に行うことが可能になる。

さらに、表面にプリコート材を付着させ、プリコート層を設けたバネ式フィルターを用いて地下水Ｗ１をろ過してＳＳ成分や鉄分などを除去し、ろ過した地下水Ｗ２を注水井戸４から地盤Ｇに戻す場合であっても、一定流量の地下水Ｗ１をバネ式フィルターでろ過するため、従来のようにプリコート層の剥離／剥落が生じることを防止できる。

また、注水井戸４の逆洗浄水を原水タンク２に戻して再度ろ過することにより、逆洗浄水を下水放流することなく注水井戸４の性能を回復できる。

よって、本実施形態のリチャージ工法及びリチャージシステムＡによれば、注水井戸４の注水性能を長期にわたって好適に維持することが可能になる。また、効率的且つ効果的なリチャージ運転が可能になる。

以上、本発明に係るリチャージ工法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本実施形態では、掘削工事等を行う現場に揚水井戸を設置し、揚水井戸から汲み上げた地下水Ｗ１を処理して注水井戸４から地中の帯水層に戻すものとして説明を行ったが、本発明は、例えば、汚染した地下水を地上に汲み上げて浄化処理した後に地中に戻したり、地上で排水などの水を処理し、地中に注水する際に適用してもよく、特にその用途を限定する必要はない。

さらに、必要量を上回る酸化剤Ｐを添加し、除去処理手段３で処理された地下水Ｗ２中の酸化剤Ｐの残量（すなわち、地下水の酸化還元電位として検知される酸化剤の量）が所定値以下になるまで還元剤を添加する還元剤添加手段を設け、還元剤を添加した後の地下水Ｗ２を注水井戸４から帯水層に注水するように構成してもよい。

また、本実施形態では、バネ式フィルター及びプリコート材を用いて地下水をろ過するものとしたが、地下水からＳＳ成分などの不溶性物質を除去する構成を本実施形態のように限定する必要はない。

１ 酸化剤添加手段
２ 原水タンク
３ 除去処理手段
４ 注水井戸
４ａ スクリーン
５ 撹拌装置（混合装置）
６ 貯留部
７ 反応部
７ａ 供給口
７ｂ 排出口
８ 仕切板
１０ 制御手段
１１ ろ過装置
１２ ポンプ
１３ 水圧計
１４ ポンプ
Ａ リチャージシステム
Ｇ 地盤
Ｐ 酸化剤
Ｗ１ 地下水（対象水）
Ｗ２ 処理後の地下水

Claims (1)

1. 対象水をろ過装置でろ過して対象水中の不溶性物質を除去し、
   前記不溶性物質を除去処理した後の対象水を注水井戸から地中に注水するリチャージ工法であって、
   前記不溶性物質を除去処理した後の対象水を一定流量で前記注水井戸に注水するようにしたことを特徴とするリチャージ工法。

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