JP2540078B2 - 深層地下河川オ―バ―フロ―マンホ―ル発電構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】 この発明は、既存の地表河川と深層人工地下河川（流
水路）を取水口を有するオーバーフローホール（増水時
取水する垂下筒体流水路）で接続して、地表河川の流水
を流し込み前記オーバーフローホール内や深層人工地下
河川内を河川水が流下する運動エネルギーで発電するこ
とを特徴とする深層地下河川オーバーフローホール発電
構造に関する。 地表河川水の豪雨や集中増水の場合などの流水を分流
するので治水を行なうとともに発電所となる大深度の深
層人工地下施設の基本構造を提案するものである。

【従来の技術と問題点】

従来、地表河川を利用した発電方式は、一般水力と揚
水式水力に大別され、地表河川自体の標高差や導水管を
用いた地表面のみの落差及びダムの築造による地上での
水力発電方式のみである。 それゆえに地表のみを利用した水力発電に関して開発
が重視されて、ダムを築造する地形立地が国内では既に
施工され尽くされてしまい供給電力に限界が生じ、現状
としてダム建設の施工箇所が無くなってしまった。 又そのダム自体を建設するに当たってさえ、その地域
での自然破壊、地域環境の激変及び地形選定の限界に直
面しているのが現在の水力発電の現状である。 現在施工技術を応用した発電経費の安い施工法が開発
されていないことは、他の発電施設である原子力発電に
移行されなければ安定した電力供給が得られない現状を
作ってきた大きな要因となっている。 一方、河川のもたらす洪水等の災害の防御や水資源の
河川の持つ効用を十分に拡大する要請がある。 大河川や中小河川の流域は、河川改修による治水投資
の蓄積により開発が促進され流域内に住宅・舗装道路等
が密集してきた。 その為に道路や側溝等の集水が早まる反面透水、貯留
能力が激減し、豪雨や台風による雨水が短時間で河川へ
集中流入してくるので、洪水のピーク流量が増大し洪水
等の水害になりやすい状況になっている。 また流域内の資産が増加したために、一度水害が発生
するとその被害額が大きく国や市町村等の責任や管理能
力が問題となり重大化してきた。 そこでその対策として、河川改修や貯水池、遊水池、
調整池の新設を進め、また堤防、護岸のある河道では計
画高水位が高いと築堤高が大きくなり氾濫の危険が高い
ので、河床を掘り下げて計画高水位をできるだけ低く
し、できれば既往洪水の最高水位以下に設定して対処し
ている。 しかし、ただ河床を下げるだけの工事などでは限度が
あり、そのほか河川の現状維持のまま改修を促進するに
は河道周辺の環境が住宅密集地帯のため、用地取得が困
難であり、河道拡幅等の改修工事が殆ど不可能に近い状
態である。 流域の自然条件と社会条件に調和し、技術的経済的に
合理性のある治水の施策が急務である。 なお実開昭59−84033号に開示された地下水を利用す
るものがある。 着想としては、天然地下河川に地下水門設けこれを閉
塞して、地上の空間に自然力で地下水を揚水し、さらに
これを落下させて発電することが記載されている。 しかしこの着想は、地表河川の流水ではなく、地下水
を利用するものでまた落下エネルギーを得るために自然
力といえども「揚水」という過程を必要とするもので、
全く異なる技術である。

【問題点を解決するための手段】

この発明は、前記需要および課題に有効に対処するも
のであり、地表河川の河川水で発電し電力を供給するこ
とを目的としている。 ここに本発明は、既存の地表河川の深層地下に深層人
工地下河川（流水路）を設け、さらに前記地表河川に連
通する流水の取水口を有する地中に垂下した増水時取水
する筒体流水路であるオーバーフローホールを適宜数構
築して、前記地表河川と深層人工地下河川（流水路）と
をオーバーフローホールで接続し、そのオーバーフロー
ホールの下方内部や深層人工地下河川（流水路）内にタ
ービンを設け、このタービンに接続する発電機やそれに
関連する発電機室や送電システムの諸施設を接続施工
し、地表河川から必要に応じて分流するとともにオーバ
ーフローホールの落下流水あるいは深層人工地下河川
（流水路）の流水で水力発電をすることを特徴とする深
層地下河川オーバーフローホール発電構造を提供するも
のである。 既存の地表河川の改修だけではなく、深層地下に人工
河川（流水路）を作り、両者を接続して、河川水をその
人工地下河川に分流するので余裕のある治水が可能であ
る。 また地表河川に、深層人工地下河川を接続するにあた
っては、調整自在な水門や堤によって取水口を設け、そ
れに接続した取水口を有するオーバーフローホールや後
述の導水管等を設ける構成により、流水量を調整自在に
する。 取水口は、地表河川の流水を調節取水する調整機構を
備えた流水の取入れ口を意味する。 地表河川の流水を分流して地表河川水を深層人工地下
河川に導水して得られる落水エネルギーを利用して発電
するものである。 なお深層人工地下河川の最下流は、巨大なホールが立
設され、ポンプ施設を設けて連続的に地表に揚水し、流
水を強制的に海や湖にそのまま或は浄水して流してゆく
構造である。この人工地下河川の末端施設は河口や人工
島などに設置することができる。 深層人工地下河川の深さは、河川水の落下エネルギー
がタービンを回す程度の深度であることが必要で、でき
るかぎり深いほうが好ましいが特に制約はない。 深層人工地下河川は複数の既存の地表河川に接続する
こともできる。

【実施例】

次に本発明に係る深層地下河川オーバーフローホール
発電構造を示す実施例を図面に基づいて説明する。 基本構造は、既存の地表河川７の深層地下に、深層人
工地下河川（流水路）４を設け、取水口11を有するオー
バーフローホール１（増水時取水する垂下筒体流水路）
で接続し、そのオーバーフローホール１内や深層人工地
下河川４内にタービン５（発電機用水車）を設け、さら
にそれに関連する発電機や発電機室や送電システムの諸
施設を接続施工したものである。 実際のスケールは、例えば利根川を地表河川７とし
て、その付近の深層地下に巨大な人工地下河川４を築造
する例が予想される。 第１図から第４図は、地表河川７に設けられている護
岸12に取水口11を設け、それには集中管理室で操作可能
なコンピューター制御等による開閉装置付きの水門扉10
や他の開閉手段を構成する。 地表河川７の下位に深層人工地下河川４を設ける。こ
れは巨大な地下流水路である。深層人工地下河川４の位
置は、地表河川７に必ずしも並行でなくてもよい。 この施工は、シールド工法、ケーソン、沈理開削工法
等現在技術を駆使して築造される。地下河川の断面形状
は円形、卵形など形状は問はない。 前記護岸12には取水口11を備え内部下方にタービン
（発電機用水車）５を設けたオーバーフローホール１を
接続する。 オーバーフローホール１は、地表河川７の河川水を取
水落下させて深層人工地下河川４へ導水するように地中
に垂下した筒体であり、河川水がタービン５へ落下エネ
ルギーを付与するように少なくともおおきな傾斜、ある
いは垂直に立設して設けられる。 河川水は落下過程において、タービン５を回転作動さ
せる。 オーバーフローホール１には地下発電用通路２を併設
する。 またタービン５に連動して発電する発電機の機器を設
置する機械室になる発電施設室３を築造している。 その中へは図示していないが配電盤室やケーブル室等
の発電所としての機能を備え、地上或は地下の送電線に
電力を供給する構造になっている。 勿論、発電施設室３内部へは人の出入りが可能なよう
に発電所入口15を設け、エレベーターや階段が設けられ
ている。 第３図のオーバーフローホール１は、洪水などの増水
時に護岸12に設けられた水門扉10の開閉調整により取水
口11から地表河川７の河川水を取り入れ、下底部に曲が
りを持たせた導水路的構造として圧力水頭を速度水頭に
変化させながらタービン５を作動させ電力を発生させる
構造である。 発電施設室３はタービン５上部とオーバーフローホー
ル１の側面に同一構成されている。 その他のオーバーフローホール１は水門扉10から取水
口11を介して垂直に地表河川７の河川水を落下させてタ
ービン５を作動させる構造で、発電施設室３を構成する
地下発電用通路２は側面に構築されている。 オーバーフローホール１へは、落水が容易に取水出来
るように空気孔９を構成している。 第５図から第６図は深層人工地下河川４内に於いて発
電を行う構造で、その下底部に深層人口地下河川４より
取り入れ接続されたバイパス管路８を構成し、絞り込ま
れた部分にタービン５を構成し、その上部へ発電機６や
他の発電施設を構成した発電施設室３のある地下発電用
通路２が構築された構造である。 深層人工地下河川４自体にてタービン５を作動させる
構造として、サイフォン工法、加圧管路としても良く、
地下利用施工の利点を生かした深層人工地下河川４の流
下勾配を利用した流下エネルギーも放置することなく活
用すれば、発電構造も容易であるので、発電効率を向上
させることが可能である。 第７図は地表河川７が土手16より成っていて、既往洪
水水位に達した危険水位にのみ自然と取水口11に設けら
れたゴミ除去装置のスクリーン17を通してオーバーフロ
ーホール１に取水がされる構造で、それぞれのタービン
５を作動させる構造になっている。 取水口11の構造は、河道河敷内に立ち上げられた危険
水位高さに取水口11を持つ取水塔式のオーバーフローホ
ール１と河川敷内の一定増水水位に達すると取水する開
口型の取水口11から構成されたオーバーフローホール１
構造からなっている。 地下発電用通路２は勿論接続施工されている。 また全体において図示していないが、取水口11も複数
にしたり形状変化させ、オーバーフローホール１も斜坑
とした構造も施工し、地下発電用通路２は必ずしもオー
バーフローホール１に隣接して施工されなくても構わ
ず、オーバーフローホール１も地表河川７の取水条件や
施工上の問題により地表河川７に隣接されなくても施工
可能な箇所まで導水管等により地表河川水を導水して深
層人工地下河川４に接続施工すればよい。 タービン５の回転力を高めるためにオーバーフローホ
ール１内に落水圧を高める加圧管や螺旋管を用いる構造
とすることも可能である。 オーバーフローホール１や地下発電用通路２の形状は
丸、四角、楕円形やその他の構造でも適正な設計施工で
あれば形状は問題としない。 タービン５も横軸形又は縦軸形とする。導水の仕方に
よりタービン水車の形式も衝動水車や反動水車等と使い
分けて施工する。 取水口11も無圧式、圧力式として取水方式も一般取水
方式と選択取水方式と使い分ける。さらに深層人工地下
河川４より生じる管路内の風力を利用したり、発生する
メタンガスやそのガス類によるエネルギーや深層人工地
下河川４の河川水熱利用による発電やオーバーフローホ
ール１に発生する蒸気や地下と地表の温度差やこの構造
以外から発生する自然エネルギーを複合活用して原動機
を始動させる事が施工上可能である。

【作用】

本発明は、既存の地表河川７に、深層人工地下河川４
を、取水口を有する前記オーバーフローホール１で接続
し、そのオーバーフローホール１や深層人工地下河川４
にタービン５と発電機を設けた構造であるので、地表河
川７の河川水は、取水口11の調節で所定の水量を深層人
工地下河川４に分流できる。 また同時に、地表河川７と深層人工地下河川４との落
差や地下河川の流下勾配による流水で水力発電をするこ
とになる。

【効果】

本発明は、現在の技術で国内河川のどのようなスケー
ルにも十分に対応施工できる河川の画期的発明であり、
次のような特有な効果を有するものである。 地表河川に対して深層人工地下河川を接続築造し、オ
ーバーフローホールを接続築造でき得る堅坑を施工でき
れば、地表面での環境変化に何ら支障をきたさずに施工
が行える構造であるため、施工条件に制約がすくなく、
たいていの地表河川に適用できる。 施工箇所が限定されず、広域に渡って掘り進む技術が
要請されるが、公知のシールド工法等で容易に行える。 地下空間に深層人工地下河川を設け、その地表河川と
大深度内の地下空間での勾配が自由に取れる事により、
流下速度或は流下エネルギーの調整が出来る。 深層人工地下河川の勾配は、未開発な深さの地下空間
につくるので比較的自由に選定施工できる。また流下方
向も自由に選択できる。 地下空間を利用していることとクリーンな落下エネル
ギーであるので都市部での発電方式としては、極めて安
全でありかつ送電経済上も有望である。 水位の落差を地表河川と深層人工地下河川によって容
易に何処でも発生させる事が可能である。 人工落差であるので、設計段階で発電量の計画化など
も容易であり、追加発電施設の建設も可能性がある。 あらゆる施設が、深層地下に施設されるので工事自体
も人間の目に触れる事無く、今まで通りの生活環境で、
洪水の発生の防止や貯水などの施策が達成できる。 地表の環境には何等の変化もきたさない為環境保護に
もなる。 また工事の施工も支障なく遂行できる。 大深度地下であるので、法律的手当をすれば用地買収
などをしなくても公共の利益に照らし経済的に利用でき
る可能性もある。 発電に必要な有効落差は地表河川と深層地下河川で容
易に得ることが可能となるため、地下発電用マンホール
にて電力を発生させ膨大な電気量を安定供給が出来るこ
とになるのであるから、市街地において地下へダムを作
ったのと同じ成果、効果がある。 また、発電した電力を一部使用して深層人工地下河川
の汲み上げポンプ用に再利用することなども可能であ
る。 この場合、深層人工地下河川に浄化槽を設けて、浄化
水をポンプで地表河川に再び戻すことなども可能であ
る。 以上のように、本発明は、施工部分が大深度地下であ
るため、広域工事形態としても適応性が広く、全国規模
の21世紀型改良河川として将来性、発展性が有る地下施
設を提供するものである。 地表河川本来の自然美及びその周辺の環境との調和に
何等支障をきたさず現状維持のまま工事施工が行え、過
密都市内を流れる河川に治水の効果と発電施設を内蔵し
てクリーンエネルギーを供給するもので、エネルギー利
用や土地の再開発利用の観点からも極めてすぐれた有効
な地下発電構造の発明というべきである。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係る深層地下河川オーバーフローホー
ル発電構造の一実施例を示すものである。 第１図は、平面図 第２図は、そのＡ−Ａ線断面図 第３図は、同じくそのＢ−Ｂ線断面図 第４図は、その斜視図 第５図は、他の実施例の正面断面図 第６図は、その側面断面図 第７図は、他の実施例の正面断面図 である。 符号の簡単な説明 １……オーバーフローホール ２……地下発電用通路 ３……発電施設室 ４……深層地下河川 ５……タービン ６……発電機 ７……地表河川 ８……バイパス管路 ９……空気孔 10……水門扉 11……取水口 12……護岸 13……護岸基礎 14……護岸基礎坑 15……発電所入口 16……土手 17……スクリーン

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】既存の地表河川の深層地下に深層人工地下
   河川（流水路）を設け、さらに前記地表河川に連通する
   流水の取水口を有する地中に垂下した筒体流水路である
   オーバーフローホールを構築して、前記地表河川と深層
   人工地下河川（流水路）とをオーバーフローホールで接
   続し、そのオーバーフローホールの下方内部や深層人工
   地下河川（流水路）内にタービンを設け、このタービン
   に接続する発電機やそれに関連する発電機室や送電シス
   テムの諸施設を接続施工し、オーバーフローホールの落
   下流水あるいは深層人工地下河川（流水路）の流水で水
   力発電をすることを特徴とする深層地下河川オーバーフ
   ローホール発電構造。