JP2020029646A - 浚渫装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の重機を用いることなく水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫装置及び方法を提供する。【解決手段】浚渫装置は、水底に着底されて閉鎖領域を形成する浚渫ロッドと、浚渫ロッド内の水を外部に排水するとともに浚渫ロッド内を浚渫する排水ポンプ４と、浚渫ロッド内にジェット水を吐出するジェットノズル５と、浚渫ロッドを水底に貫入させる際の貫入抵抗に応じた押込力である浚渫ロッド内外の差圧を生じさせるように排水ポンプ４の排水量とジェットノズル５の吐出量とを制御する制御装置と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫装置及び方法に関するものである。

河川、ダム及び海等の水底に堆積した土砂を浚渫するものとして、ポンプ浚渫やグラブ浚渫等が知られている。特に、浚渫時の浚渫層厚が薄い薄層浚渫では、水底表面を薄く均一に浚渫することが要求される。このような薄層浚渫を行う浚渫装置として、特許文献１には、油圧ショベルの先端に設けられた集泥装置を水底に降ろし、水底に対して所定角度だけ傾斜した状態で集泥装置の下端の掘削爪を水底に貫入し、集泥装置が水平に移動するようにラダーを操作することにより、集泥室内に泥土を掻き入れるものが開示されている。

特許第３９００５３２号公報

しかしながら、特許文献１記載の浚渫装置では、油圧ショベルを用いて集泥装置の下端を水底に降ろす必要があり、浚渫装置が重量化、大型化しがちであるという問題があった。

そこで、大型の重機を用いることなく水底に堆積した土砂を浚渫するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、本発明に係る浚渫装置は、水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫装置であって、前記水底に着底されて閉鎖領域を形成する浚渫ロッドと、前記浚渫ロッド内の水を外部に排水する排水手段と、前記浚渫ロッド内に水を供給する給水手段と、前記浚渫ロッドを水底に貫入させる際の貫入抵抗に応じた押込力である前記浚渫ロッド内外の差圧を生じさせるように前記排水手段の排水量と前記給水手段の送水量とを制御して制御手段と、を備えている。

この構成によれば、浚渫ロッドの閉鎖領域内に負圧を発生させ、水底の貫入抵抗より大きい押込力を生じさせることにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドの下端を水底に貫入させることができる。また、浚渫ロッド内に給水して閉鎖領域内を昇圧することにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドを水底から簡便に引き抜くことができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記排水手段が、前記水底に堆積した土砂を浚渫するポンプであることが好ましい。

この構成によれば、水底に堆積した土砂を浚渫するポンプを排水手段として兼用することにより、新たな装置を追加することなく浚渫ロッド内の水を排水できるため、浚渫装置の構成を簡素化することができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記給水手段が、ジェット水を吐出するジェットノズルであることが好ましい。

この構成によれば、水底土砂を拡散するジェット水を給水手段として兼用することにより、新たな装置を追加することなく浚渫ロッド内に水を供給できるため、浚渫装置の構成を簡素化することができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記排水手段が、平面から視て前記浚渫ロッドの略中央に配置され、前記給水手段が、平面から視て前記浚渫ロッドの周縁に略等間隔で複数設けられていることが好ましい。

この構成によれば、給水手段が浚渫ロッドの周縁から水を供給し、排水手段が浚渫ロッドの略中央で排水を行うことにより、浚渫ロッドの外側から内側に向かって水がバランス良く流れるため、水平状態を維持したまま浚渫ロッドを水底に貫入することができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記浚渫ロッド内外の差圧を測定する差圧測定手段をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、差圧測定手段が浚渫ロッド内外の差圧を測定することにより、浚渫ロッド内の負圧を正確に把握できるため、浚渫ロッドの押込力を適切に管理することができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記浚渫ロッドが、水面に浮遊するフロートに吊り下げられていることが好ましい。

この構成によれば、浚渫ロッドをスムーズに移動させることができるため、浚渫範囲を任意に設定することができる。

また、本発明に係る浚渫装置は、前記浚渫ロッドの開口部が、平面から視て略矩形状に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、施工範囲を浚渫ロッドの開口部に応じた略矩形状に設定することにより、隣り合う施工範囲が重複することなく且つ隙間なく設定できるため、水底を連続且つ効率的に浚渫することができる。

また、本発明に係る浚渫方法は、水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫方法であって、前記水底に浚渫ロッドを着底されて閉鎖領域を形成する着底工程と、前記浚渫ロッド内の水を排水手段で外部に排水する排水量を前記浚渫ロッド内に水を供給する供給量以上に設定し、前記浚渫ロッドを水底に貫入させる際の貫入抵抗に応じた押込力である前記浚渫ロッド内外の差圧を生じさせ、前記浚渫ロッドを水底に貫入させる貫入工程と、前記浚渫ロッド内を浚渫する浚渫工程と、前記浚渫ロッドを水底に貫入させた状態で前記供給量を前記排水量以上に設定し、前記浚渫ロッドを水底から引き抜く引抜工程と、を含む。

この構成によれば、浚渫ロッドの閉鎖領域内に負圧を発生させ、水底の貫入抵抗より大きい押込力を生じさせることにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドの下端を水底に貫入させることができる。また、浚渫ロッド内に給水して閉鎖領域内を昇圧することにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドを水底から簡便に引き抜くことができる。

また、本発明に係る浚渫方法は、前記排水手段が、前記浚渫ロッドが着底する前に揚水を開始することが好ましい。

この構成によれば、浚渫ロッドが水底に着底する前に、浚渫ロッド内の排水を開始することにより、浚渫ロッドが着底した衝撃で水底に堆積した土砂を周囲に飛散することが抑制することができる。

本発明によれば、浚渫ロッドの閉鎖領域内に負圧を発生させ、水底の貫入抵抗より大きい押込力を生じさせることにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドの下端を水底に貫入させることができる。また、浚渫ロッド内に給水して閉鎖領域内を昇圧することにより、重機等を用いることなく浚渫ロッドを水底から簡便に引き抜くことができる。

本発明の一実施例に係る浚渫装置を示す正面図。 図１に示す浚渫装置の側面図。 図１に示す浚渫装置の平面図。 本発明に係る浚渫装置を用いた浚渫方法の手順を示す模式図。 押込力及び貫入抵抗を算出する際の各種数値を示す模式図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、浚渫装置１の正面図である。図２は、浚渫装置１の側面図である。図３は、浚渫装置１の平面図である。浚渫装置１は、ため池、河川域、湖沼、河口域、ダム及び海等の水底に堆積した土砂を浚渫する装置である。浚渫の目的に応じて、浚渫装置１が浚渫する深さや浚渫する土砂の粒径等は異なる。

浚渫装置１は、水面に浮遊する台船フロート２の中央に配置されている。台船フロート２は、平面視で略矩形状に形成されており、その中央には開口部２１が設けられている。

浚渫装置１は、浚渫ロッド３と、排水手段としての排水ポンプ４と、給水手段としてのジェットノズル５と、を備えている。

浚渫ロッド３は、平面から視て開口部２１に対応する位置に配置され、台船フロート２に設置された架台２２に吊設されている。浚渫ロッド３と架台２２との間には、ウインチ２３が介装されている。浚渫ロッド３は、上端が閉塞された筒状の上部ケーシング３１と、上部ケーシング３１の下部に連続する底部スカート３２と、を備えている。底部スカート３２は、下端に開口部３３が形成されている。開口部３３は、略矩形状に形成されている。

排水ポンプ４は、浚渫ロッド３の下部中央に設けられている。排水ポンプ４が揚水した土砂を含む泥水は、排水管４１を通って外部に排水される。なお、排水ポンプ４の排水量は、任意に変更可能である。

ジェットノズル５は、浚渫ロッド３内に複数台設けられている。ジェットノズル５は、図示しない給水源から給水管５１を介して供給されるジェット水を吐出する。なお、ジェットノズル５は、ジェット水を水平又は斜め下方に向けて吐出する。ジェットノズル５は、平面から視て浚渫ロッド３内の周縁に略等間隔に配置されるのが好ましい。これにより、ジェット水が浚渫ロッド３の周縁から内側に向かって均等に行き渡る。なお、ジェット水の水圧や吐出量は、任意に変更可能である。

また、浚渫ロッド３の内部には、ミキサー６が設けられている。２台のミキサー６は、排水ポンプ４を挟んで反対側に配置されている。ミキサー６は、浚渫ロッド３内の泥水を攪拌するものである。

また、浚渫ロッド３には、圧力センサ７が設けられている。圧力センサ７は、浚渫ロッド３内外の差圧を計測するものである。

浚渫装置１は、制御装置８によって動作制御されている。制御装置８は、例えば台船フロート２に搭載されたパーソナルコンピュータである。制御装置８は、図示しない入力部及び出力部を備えており、台船フロート２に乗船したオペレータが制御装置８を操作したり浚渫ロッド３の水中位置を確認することができる。

次に、浚渫装置１で水底に堆積した土砂を浚渫する手順について、図４、５に基づいて説明する。なお、後述する工程の順番は一例に過ぎず、各工程の先後は適宜変更可能である。

［着底工程］
図４（ａ）に示すように、まずは、台船フロート２を航行させて、浚渫を行う水底の上方に浚渫ロッド３を移動させる。このとき、浚渫ロッド３は水面より上方に巻き上げられてもよく、または浚渫ロッド３の下端が水中に浸かっていても構わない。

次に、ウインチ２３を巻き下げて浚渫ロッド３を水底まで降ろし、底部スカート３２の下端を着底させる。浚渫ロッド３が水底に着底すると、浚渫ロッド３内は外部から隔絶された閉鎖領域となる。なお、浚渫ロッド３が水底に着底する前に、排水ポンプ４を起動させて、浚渫ロッド３内の排水を開始するのが好ましい。これにより、浚渫ロッド３が着底した衝撃で飛散した土砂を回収することができる。

［貫入工程］
次に、図４（ｂ）に示すように、制御装置８は、排水ポンプ４の排水量及びジェットノズル５の吐出量を調整し、浚渫ロッド３内外で水圧差を生じさせて、この水圧差に起因する負圧で浚渫ロッド３を水底に貫入させる。

具体的には、浚渫ロッド３を貫入させる場合には、上述した負圧による押込力Ｆｐが浚渫ロッド３を貫入させる際の貫入抵抗ＦＲを上回るように、排水ポンプ４の排水量をジェットノズル５の吐出量より多く設定する。一般的な押込力Ｆｐ及び貫入抵抗ＦＲの算出式は、例えば、「サクション基礎構造物技術マニュアル」（財団法人沿岸開発技術研究センター著）等に記載がある。以下では、一様な粘性土層に１ｍ程度貫入させる場合を例に説明する。押込力Ｆｐは、数式１によって算出される。

また、大気圧を０とした場合のサクション圧ｐは、数式２によって算出される。

水の単位堆積重量γｗは９．８ｋＮ／ｍ３であり、浚渫ロッド３内外の水位差ｈｓを１ｍとすると、数式２より、サクション圧ｐは９．８ｋＮ／ｍ２と算出される。なお、水位差ｈｓは、例えば圧力センサ７の測定値に基づいて設定されてもよいし、揚水ポンプ４の排水量及びジェットノズル５の吐出量から演算しても構わない。

また、浚渫装置１の内面積Ａは、底部スカート３２の水平方向断面積（１．８ｍ四方）から上部ケーシング３１の水平方向断面積（０．５ｍ四方）を減じた数値（２．９９ｍ２）である。有効重量Ｗは、浚渫装置１の重量（６．０ｋＮ）とする。また、浚渫装置１は浚渫ロッド３を貫入させるための重機を用いないため、荷重Ｑはゼロとする。したがって、数式１より、押込力Ｆｐは３５．３ｋＮと算出される。

次に、貫入抵抗ＦＲは、数式３によって算出される。

また、数式２中の周面抵抗Ｐｆ（周面抵抗Ｐｆｉ、Ｐｆｏ）は、数式４によって算出される。

付着力係数αｃは土層の粘着力Ｃｕに応じて決定する数値であり、例えば、粘着力Ｃｕが２ｋＮ／ｍ２の場合、数式４より、周面抵抗Ｐｆは１．２ｋＮ／ｍ２となる。

また、数式２中の先端抵抗ｑｔは、数式５によって算出される。

土層の粘着力Ｃｕと同様に、粘着力Ｃ0が２ｋＮ／ｍ２と仮定すると、数式５より、先端抵抗ｑｔは１０．３ｋＮ／ｍ２となる。

このようにして、数式３の周面抵抗Ｐｆｉ、Ｐｆｏが１．２ｋＮ／ｍ２であり、先端抵抗ｑｔが１０．３ｋＮ／ｍ３と算出される。そして、底部スカート３２の周面積Ａｆｉ、Ａｆｏを７．２ｍ２、底部スカート３２の先端面積を０．０７ｍ２とすると、数式３より、貫入抵抗ＦＲは１８．０ｋＮと算出される。

すなわち、一様な粘性土層の水底に着底した状態から浚渫ロッド３内に１ｍ程度の水頭差を発生させるだけで、重機等を用いることなく、浚渫ロッド３を水底から１ｍ貫入させることができる。なお、排水ポンプ４の排水量とジェットノズル５の吐出量を制御して浚渫ロッド３の貫入量を適宜調整することにより、過度な貫入及び過掘を抑制することができる。

［浚渫工程］
浚渫ロッド３が土層に貫入した後に、水底の浚渫を行う。具体的には、ジェットノズル５から吐出されたジェット水が、水底の土砂を浚渫ロッド３内に舞い上がらせる。また、ミキサー６で浚渫ロッド３内の泥水を攪拌することにより、水底の土砂を浚渫ロッド３内に拡散することができる。そして、排水ポンプ４で浚渫ロッド３内の泥水を外部に排水することにより、水底の浚渫が行われる。

［引抜工程］
水底の浚渫が終了した後に、浚渫ロッド３内外の水圧差を解消するように、排水ポンプ４の排水量及びジェットノズル５の吐出量を制御することにより、浚渫ロッド３を水底から土層から引き抜くことができる。なお、引き抜き時の抵抗は、先端抵抗が減り、装置内側の浚渫による粘性力が低下して、貫入時の略半分程度まで小さくなることから、貫入時に比べて浚渫ロッド３を比較的容易に引き抜くことができる。

そして、図４（ｃ）に示すように、ウインチ２３を巻き上げて浚渫ロッド３を引き揚げて次の浚渫場所まで台船フロート２を移動させる。

なお、底部スカート３２が平面視で略矩形状であることから、開口部３３に対応する浚渫範囲も略矩形状に設定されるため、水底を隙間なく且つ効率的に浚渫することができる。

このようにして、本実施形態に係る浚渫装置１は、浚渫ロッド３内の水を排水ポンプ４の排水量とジェットノズル５の吐出量とを調整して、浚渫ロッド３の閉鎖領域内に負圧を発生させ、水底の貫入抵抗より大きい押込力を生じさせることにより、重機等を用いることなく浚渫ロッド３を水底に貫入させることができる。また、浚渫ロッド３の閉鎖領域内に給水して昇圧させることにより、重機等を用いることなく浚渫ロッド３を簡便に引き抜くことができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

例えば、本発明は、汚染土壌の除去やレアアース泥やメタンハイドレード等の海底資源の回収に適用することもできる。

１ ・・・浚渫装置
２ ・・・台船フロート
２１ ・・・開口部
２２ ・・・架台
２３ ・・・ウインチ
３ ・・・浚渫ロッド
３１ ・・・上部ケーシング
３２ ・・・底部スカート
３３ ・・・開口部
４ ・・・排水ポンプ（排水手段）
４１ ・・・排水管
５ ・・・ジェットノズル（給水手段）
５１ ・・・給水管
６ ・・・ミキサー
７ ・・・圧力センサ（差圧測定手段）
８ ・・・制御装置

Claims (9)

1. 水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫装置であって、
   前記水底に着底されて閉鎖領域を形成する浚渫ロッドと、
   前記浚渫ロッド内の水を外部に排水する排水手段と、
   前記浚渫ロッド内に水を供給する給水手段と、
   前記浚渫ロッドを水底に貫入させる際の貫入抵抗に応じた押込力である前記浚渫ロッド内外の差圧を生じさせるように前記排水手段の排水量と前記給水手段の送水量とを制御して制御手段と、
   を備えていることを特徴とする浚渫装置。
2. 前記排水手段は、前記水底に堆積した土砂を浚渫するポンプであることを特徴とする請求項１記載の浚渫装置。
3. 前記給水手段は、ジェット水を吐出するジェットノズルであることを特徴とする請求項１又は２記載の浚渫装置。
4. 前記排水手段は、平面から視て前記浚渫ロッドの略中央に配置され、
   前記給水手段は、平面から視て前記浚渫ロッドの周縁に略等間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の浚渫装置。
5. 前記浚渫ロッド内外の差圧を測定する差圧測定手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の浚渫装置。
6. 前記浚渫ロッドは、水面に浮遊するフロートに吊り下げられていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の浚渫装置。
7. 前記浚渫ロッドの開口部が、平面から視て略矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の浚渫装置。
8. 水底に堆積した土砂を浚渫する浚渫方法であって、
   前記水底に浚渫ロッドを着底されて閉鎖領域を形成する着底工程と、
   前記浚渫ロッド内の水を排水手段で外部に排水する排水量を前記浚渫ロッド内に水を供給する供給量以上に設定し、前記浚渫ロッドを水底に貫入させる際の貫入抵抗に応じた押込力である前記浚渫ロッド内外の差圧を生じさせ、前記浚渫ロッドを水底に貫入させる貫入工程と、
   前記浚渫ロッド内を浚渫する浚渫工程と、
   前記浚渫ロッドを水底に貫入させた状態で前記供給量を前記排水量以上に設定し、前記浚渫ロッドを水底から引き抜く引抜工程と、
   を含むことを特徴とする浚渫方法。
9. 前記排水手段は、前記浚渫ロッドが着底する前に揚水を開始することを特徴とする請求項８記載の浚渫方法。