JP3357982B2 - 地下排水施設の排水ポンプ - Google Patents
地下排水施設の排水ポンプInfo
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Description
に流入する雨水等の流入水を地下に設けられた流入水路
に集め、この集めた流入水をポンプ機場に導いて放流先
の河川等に放流する地下排水施設の技術に属する。
を流下させる各立坑から、その排水を集めてポンプ機場
に導く大深度地下に配設された地下水路に空間を保持し
ながら運用する開水路運用と、地下水路を満管にして運
用する閉水路運用の両方の運用方法がある。
る説明図である。開水路運用は地下水路101への急激
な流入により立坑102から地上へ溢流するリスクを最
小にする為、地下水路101の径を例えば12.5mと
大容量化をはかりかつ出来るだけ水位を低く保持する。
終端に設置するポンプ107の羽根車設置レベルは、地
下水路101が常に空になるように運転するため地下水
路101の排水運転の最低水位以下とする必要があり、
通常最低水位L.W.Lは地下水路101の底近傍レベ
ルに設定する。そして、ポンプ107は角形ポンプ場に
配置され、ポンプ107の起動・停止は予め規定された
ポンプ井106の水位にて行なっている。
01を満水状態にし、更に図30の立坑102まで水位
が上昇した状態でポンプを運転し、ポンプの排水能力を
越えた流入量がある時にそのような状態になる。
より降雨量を算出し、この降雨量と降った雨が河川に流
れる割合を表す係数である流出係数から立坑への流入量
を算出し、それぞれの立坑への流入量を集計して求めて
いる。
うポンプ機場のポンプはその設定位置を地下水路の底近
傍レベルとしているため、図30における吐出水槽10
8の水位と最低水位L.W.L間の揚程Haが大きく、
そのためポンプ107の全揚程が大きくなりポンプ10
7及び駆動機を含むポンプ機場設備費が高くなる。ま
た、地下水路101の水位を低く保持するので貯留効果
が小さく、すぐ水位が低下してポンプを停止し、短時間
で水位が回復するので再起動しハンチングを起こすこと
が多い。
1の径が大きいので大深度地下排水施設の建設費の殆ど
を占める地下水路掘削工事費が高くなる。そしてポンプ
107の設置位置が地下大深度なのでポンプ機場の掘削
工事費も高くなる。
て地下水路の水位が高いのでポンプ107の全揚程が小
さくなりポンプ107及び駆動機を含むポンプ機場設備
費が少なくなるが立坑から地上へ溢流するリスクが大き
い。
時に、降雨間隔が短いと雨が地中に浸透することなく排
水施設へ流入し、流入量が多くなることに配慮が無く、
降雨パターン間隔が変化することに対しての立坑への流
入量の推定精度が低くなり適切なポンプ機場の運転が行
われず立坑から溢流する恐れがある。
減を図ることを解決課題とする。
水が流入される地下水路の下流端に設けられた排水ポン
プ機場の吸水槽に吸込口が連通され、前記吸水槽から水
を揚水して放流先の河川等に放流する排水ポンプであっ
て、前記吸水槽の底面が前記地下水路の下流端の上端位
置と地表との間に位置され、前記排水ポンプの吸込口が
前記吸水槽の底面以上の高さ位置に位置されてなる排水
ポンプとすることにより、解決できる。
の下流端と地表との間に位置させたことから、排水ポン
プを地下水路下流端の上端位置よりも地下の浅い位置に
設けることができるとともに、吸水槽の底面レベルが浅
いので、排水ポンプの最高揚程をおさえてコストを低減
できる。また、吸水槽の設置位置を浅くできるので、そ
の掘削工事費はもとより、排水ポンプ機場の掘削工事費
や建設費を低減できる。なお、本発明に係る地下水路
は、少なくとも所定の排水時には、地下水路の下流端の
内部が水で満たされた状態で運用される、いわゆる閉水
路運用となる。
明する。
の基本的な構成を斜視図で示す。図示のように、大深度
地下排水施設は、地下の深いところに地下水路101が
埋設され、これに立坑102を介して放水路、管渠等か
ら雨水等が流入する。地下水路101の下流端はポンプ
機場に連通し、ポンプ機場に流入する流入水を、ポンプ
107により放流先の河川に排水するように構成してい
る。
度地下排水施設の特徴部構成について説明する。図2
は、本発明の開水路・閉水路共存運用を行う大深度地下
排水施設の構成を説明する説明図である。図示のよう
に、地下の深いところに地下水路101が埋設され、こ
れに立坑102を介して放水路103、管渠104、河
川105等から雨水等が流入する。地下水路101の下
流端はポンプ機場のポンプ井106に連通し、ポンプ井
106に流入する流入水を、ポンプ107により放流先
の吐出水槽108に排水する。従来の開水路運用におけ
るポンプ設置レベルは地下水路101の底部としている
が、図2の例の開水路運用ではポンプ107を地下水路
101の中心部に設置し、排水可能な最低水位L.W.
Lが地下水路101の中心部となる。開水路・閉水路共
存運用のうちの開水路運用では地下水路101の水位を
最低水位L.W.Lに保持し、地下水路101はその中
心部から天井迄に空間を有する開水路となる。一方閉水
路運用では地下水路101を満管にして閉水路とし、立
坑102迄水位を上昇させることを許容する。
ンプ全揚程Hについて説明する。図3は、図2の例にお
いて、開水路・閉水路共存運用を行う場合のポンプ起動
水位を説明する説明図である。図4は、この場合と従来
技術とのポンプ特性を説明する図である。
Haに吐出管路損失を加えた値であり、次の式で表すこ
とが出来る。
W.L+吐出管路損失例えば図4の実線で示すようにポ
ンプ実揚程Haが57m、吐出管路損失が3.5mとす
れば全揚程Hは 60.5m=57m+3.5m となる。図4の点線で示すように従来の開水路運用では
この最低水位L.W.Lから揚水する全揚程Hで定格流
量が得られるように計画されている。しかし開水路・閉
水路共存運用の場合には地下水路101が満管になり立
坑102迄水位が上昇した閉水路の場合に定格流量での
排水が要求される。図3(a)に示すように閉水路の最
高水位H.W.Lからのポンプ実揚程Haを35.5m
とすれば吐出管路損失の3.5mは同じであるから全揚
程Hは 39.0m=35.5m+3.5m となり、39.0/60.5=0.644で64.4%に
低減できる。
運用の開水路の場合にポンプ起動時の水位W.Lは最低
水位L.W.Lとなりポンプ実揚程Haは大きくなる
が、水位が低くリスクが小さいから定格流量は必要が無
くその時の全揚程Hで得られる流量でポンプを運転すれ
ば良い。そして、最低水位L.W.Lは地下水路101
の管径10m、ポンプ107の起動時の水位W.Lを管
径の30%〜90%とした場合、ポンプ設置位置を従来
の3mないし9m上方に設置でき掘削工事費が低減され
る。このように、定格流量でポンプを起動する時の水位
W.Lが従来の最低水位L.W.Lから最高水位H.
W.Lにすることにより、ポンプの能力を低減でき、ポ
ンプを駆動するディゼルエンジンの出力も低減でき燃料
消費も少なくなる。
ることから、大容量の一時貯留効果を有し、例えば管径
10m、路長10kmで約40万m3の容積を持ち、能
力200m3/Secのポンプで約30分間の貯留時間
を有し、この時間の余裕がポンプ107を上方に設置可
能とし、地下水路101の管径を水位上昇のリスクが小
さくなるから従来の12.5mから10mに縮小するこ
とができる。地下水路101の管径の縮小により大深度
地下排水施設の建設費の殆どを占める地下水路101の
掘削工事費を低減できる。また、貯留効果によりポンプ
107の頻繁な発停が発生するハンチングを防止でき
る。
運用に適したポンプ特性を説明する。同図の実線で示す
曲線のように、開水路・閉水路共存運用に適したポンプ
は、閉水路運用の場合100%の定格流量で最高水位
H.W.Lからの揚水が可能な全揚程Aと、例えば40
%の最少流量で開水路水位からの揚水が可能な全揚程B
となる全揚程H−吐出量Q特性を具備したことにより、
低い全揚程で定格流量の揚水が要求される閉水路水位時
と、高い全揚程で最少流量の揚水で十分な開水路水位時
の双方を同じポンプで運用でき、ポンプ設置台数の増加
を抑制することが可能となる。
来の開水路運用をおこな行うポンプは定格流量で最低水
位L.W.Lからの揚水が可能な全揚程Cが得られる場
合に最高効率となるように計画されているが、ポンプの
効率を閉水路時と開水路時との中間の吐出流量例えば8
0%で最高となるように定めることにより開水路・閉水
路中間運用を行うポンプ及び駆動機の設備費を低減でき
る。そして、上記ポンプに定格流量で閉水路水位からの
揚水が可能な全揚程と、最少流量で開水路水位からの揚
水が可能な全揚程とを翼のピッチを可変する型を用いる
ことにより、閉水路水位時と開水路水位時の双方を同じ
ポンプで運用でき、ポンプ設置台数の増加を抑制するこ
とが可能となる。更に、上記ポンプに定格流量で閉水路
水位からの揚水が可能な全揚程と、最少流量で開水路水
位からの揚水が可能な全揚程のそれぞれに対応した翼を
備えた2段翼型を用いることにより、閉水路水位時と開
水路水位時の双方を同じポンプで運用でき、ポンプ設置
台数の増加を抑制することが可能となる。このようにし
て地下水路が閉水路の時にポンプを定格流量で運転し、
地下水路が開水路の時ポンプを最少流量で運転する閉水
路・開水路共存運転を行うことにより、地下水路の状態
に拘らず大深度地下排水施設の安定運用が可能となる。
う大深度地下排水施設の実施の形態について説明する。
図6は、本発明の閉水路運用を行う大深度地下排水施設
の構成を説明する説明図である。同図に示すように閉水
路運用を行う大深度地下排水施設のポンプ井106とポ
ンプ107の間に大容量吸水槽61を設けたことによ
り、その貯留効果から地下水路101より地上へ溢流す
るリスクが低減され、地下水路101の径を縮小でき
る。また、大容量吸水槽61の貯留効果により閉水路運
用における大深度地下排水施設の安定運用が可能とな
る。そして、ポンプ機場の建設にあたり敷地取得が困難
な場合は、大容量吸水槽61を必要としない開水路・閉
水路共存型を選択し、大容量吸水槽61設置のための敷
地取得が容易な場合は、ポンプ揚程が小さい閉水路型を
選択することにより、最少建設費の大深度地下排水施設
を選択できる。
及び制御する技術について説明する。上述した地下水路
の一時貯留効果もポンプ機場への流入量を正確に予測及
び制御を行い、ポンプ機場への流入量に見合った安定運
用を行なうことが前提であり、その前提が成立しないと
立坑及びポンプ井から溢流が発生する。
量を正確に予測及び制御する場合の構成を説明する説明
図を示す。同図に示すように雨量レーダ71からのデー
タにより降雨量を予測し、各ポイントに配置した雨量計
から降雨量データを収集し、降雨量予測値と降雨量デー
タから地中に浸透せず立坑102に流入する流出量解析
を行って流出量を算出する。各立坑102に流入する流
量を集計し地下水路101内の流れ解析を行い地下水路
101の流量と水位を算出する。地下水路101の流量
からポンプ井106への流入量解析を行いポンプ井10
6への流入量と水位を算出する。ポンプ井106への流
入量と水位からポンプの運転シミュレーションを行いポ
ンプの運転台数、吐出量、発停のタイミングを決めポン
プを制御すると共に地下水路101内の流れ解析ステッ
プへフィードバックする。
する方法のうち、降雨情報すなわち降雨量の時間変化に
対し、立坑への流入量を正確に予測する場合について説
明する。図8は、降雨からポンプ排水決定に到る手順の
フローチャートを示す。図9は、時間と降雨量、時間と
流入量の関係を示す図である。排水の対象となる地域に
降雨が有った場合、ステップ1で降雨情報例えば1時間
当り何mmといった値から時間の変化に対する降雨量を
求め、降雨と降雨の時間間隔ΔTにより土中への水の浸
透度が大幅に異なるため立坑への流入量が変化するから
流出係数を降雨パターンにより変更する。例えば、図9
のΔTにより流出係数を0.3〜0.9に変化させる。ス
テップ2でこの流出係数と降雨量から立坑への流入量を
求め、ステップ3でこの立坑への流入量からポンプ機場
への流入量予測手段によりポンプ機場への流入量求め、
ステップ4でこのポンプ機場への流入量とポンプ運転方
案とによりポンプ排水量、即ち運転するポンプ台数と吐
出量を決める。図9に示すようにそれぞれの時間の変化
に対する流入量の変化パターンは遅れて行くからその予
測も同じに行う。
過と共に増加しピークを経て下降しゼロとなり、次の降
り始め迄の時間間隔により土中への浸透度が異なり、例
えば時間間隔が短いと土中へ浸透せず立坑への流入量が
多くなる。この降雨パタンと降雨パタンの時間間隔で流
出係数を変えて降雨量と演算して立坑への流入量を求
め、ポンプ機場への流入量を精度良く予測することによ
り、適切なポンプ機場の運転管理を行い大深度地下排水
施設の安定運用が可能となる。そしてポンプ場への流入
量の予測手段として次の手段が挙げられる。
する手段について詳細に説明する。図10は、排水シス
テムの鉄砲水検知と到達時間の予測の手順の一例を示す
フローチャートである。図11は本例に係る排水システ
ムの全体構成図を示す。図11に示すように、本例の排
水システムは、放流先河川の近傍に排水ポンプ機場51
を配置し、排水対象地域に配設された小河川を含む排水
路52によって雨水等の排水を集め、この排水を排水ポ
ンプ機場51に導き、ここから河川に放流するようにし
ている。排水路52は、幹線管路53と複数の枝管路8
a〜dから形成されている。排水ポンプ機場51は、図
示のように、幹線管路53から流入される排水を貯留す
る図示せざるポンプ井と、そのポンプ井の排水を汲み上
げて放流先の河川等に放流するポンプ107と、このポ
ンプ107の運転を制御するポンプ制御装置54を含ん
で構成されている。
下流の地点bに、それぞれ水位検出器16a,16b
が、また枝管路8bの上流地点eとその下流地点fに、
それぞれ水位検出器16e、16fが設置されている。
これらの水位検出器は、枝管路内の水位を検出するもの
であり、静電容量式や超音波式等の周知の構成のものが
適用できる。水位検出器により検出された各地点の水位
検出値は、図示していない通信設備によりポンプ制御装
置54に伝送されるようになっている。なお、他の枝管
路8c,8dには水位検出器を設けていないが、必要に
応じて設けてもよい。すなわち、流量の大きい鉄砲水
で、かつ最も早く排水ポンプ機場51に到達する鉄砲水
を検知し、その到達時間を予測できればよいことから、
本例では排水系の全体構成や地形等を考慮し、排水ポン
プ機場51に近く、大きな排水対象地域をカバーする枝
管路を対象とし、その枝管路にて鉄砲水を検知するよう
にしたのである。
て、通常は、ポンプ制御装置54の働きにより、排水ポ
ンプ機場51の内水位を基準に、排水ポンプP1,
P2,P3の運転台数と回転数などの排水能力を自動的
に制御して排水量を調整する。また、周知の流入量予測
に基づいて自動制御するようにする。
と、鉄砲水のポンプ地点への到達時間の予測に係る詳細
構成について、動作と共に説明する。基本的に、鉄砲水
の検知と到達時間の予測は、水位検出器16aとb,1
6eとfにより検出された水位データに基づき、ポンプ
制御装置14にて実行される。ポンプ制御装置54はコ
ンピュータを含んで構成され、水位検出器16a〜fか
ら伝送される水位データを所定のサンプリング周期ごと
に取り込み、通常の入力信号処理を施した後、メモリの
データテーブルに格納し、この格納された水位データを
適宜読み出して、図10に示すような処理を実行するよ
うになっている。
かかる処理を示す。なお、枝管路8bについても同様の
処理になるので、ここでは枝管路8aについてのみ説明
する。鉄砲水の発生(流下)はステップ31と32の処
理で検出する。鉄砲水の場合の水位の変化パターンは、
急激に増大するパターンである。そこで、本例では、上
流地点aの水位検出値ha(t)をサンプリングし、数式1
により1周期前の水位検出値ha(t+1)との差を演算し
て、水位の増加率Δha(t)を求める(ステップ31)。
定値k以上か否かにより鉄砲水の発生を検知する(ステ
ップ32)。この判定が否定のときはステップ31に戻
って次のデータに対して同一の処理を繰り返す。肯定の
ときは、ステップ33にて、鉄砲水の最高水位hmを検
出する。この検出は、前記データテーブルの水位検出値
ha(t)の変化を監視し、極大値を示した検出値を最高水
位として特定することにより行う。最高水位を検出した
ときタイミングにタイマをセットして、その鉄砲水が下
流の地点bに到達する時間の実測を開始する(ステップ
34)。なお、鉄砲水を検知したとき、その検知信号に
より警報などを発したり、グラフィックパネル等の表示
装置にその旨と発生地点とを表示するようにしてもよ
い。また、鉄砲水の検知は、上記の水位増加率のほか、
水位そのものが所定の設定値を超えたこと、又は排水の
濁度が異常に高くなったことを条件として検出できる。
は、水理計算による鉄砲水の到達時間の予測の精度を上
げるための補正係数αを求めるステップである。到達時
間の予測に用いる原理として、周知の水理モデルから種
々の方法が考えられるが、ここでは予測の処理時間を考
慮して簡便な段波モデルによる方法を適用した。この段
波モデルによる鉄砲水の伝播速度(流下速度)ωは数式
2によって表される。なお、このモデルは、長方形管路
の場合であるが、円形管路の場合はそれに合わせて変数
を変形して適用すればよい。
水位hoのときの初期流速で、数式3により求める。ま
た、gは重力加速度である。
ある。従って、流下速度ωを求めれば、同一排水管の下
流地点に到達する到達時間は、そこまでの距離をωで割
算すれば求められる。
点aにおける初期流速Vaを数式3により求める。次
に、ステップ36で数式2により流下速度ωaを求め
る。そして、ステップ37において、数式4により、距
離Labだけ離れた下流の地点bまでの到達時間の予測値
T'abを演算する。
鉄砲水検知と、最高水位hmを検出する。この処理内容
は前記ステップ31から33と同一であるから説明を省
略する。ステップ40で地点bに鉄砲水の最高水位が到
達したことを検知したタイミングで、前記タイマを停止
させ(ステップ41)、地点aからbまでの到達時間の実
測値Tabを求める(ステップ42)。そして、ステップ4
3にて、次式5により、予測時間の補正係数αを演算す
る。
ら、α≦1.0である。
到達する予測時間T'bdを、数式6により演算する。
的に数式2,3,4を用いる。但し、幹線管路6は枝管
路8aと管径などの管路条件が異なるので、初期水位h
oと最高水位hmは、地点aの検出値に基づき、比例計
算により推定する。この場合、初期水位hoには、他の
枝管路8b〜d等から合流点cに流入している排水量を
も考慮する必要がある。したがって、合流点cに水位検
出器を設置して、初期水位hoを検出するのが好まし
い。しかし、枝管路8aの鉄砲水が最も早く合流点cに
到達する場合は、他の枝管路から合流点cに流入する量
は、通常時の流量であるから、過去の各枝管路の流量割
合の実績データ等に基づく相関係数を設定しておき、地
点aの初期水位にその相関係数を乗じて、合流点cの初
期水位を推定することができる。上記例では、この方法
によっている。なお、本例では、基本的に最も早く排水
ポンプ地点に到達する鉄砲水についての到達時間を予測
すればよいから、枝管路8aよりも枝管路8bに発生し
た鉄砲水が最も早く合流点cに到達する場合は、枝管路
8bの鉄砲水について到達時間T'fdを予測する。
基づいて、ステップ45において、排水ポンプの運転台
数とその運転開始タイミングについて決定すると共に、
その決定にしたがって鉄砲水に対する先行待機運転の制
御を行う。通常、排水ポンプは複数台設けられているか
ら、鉄砲水の強さに応じて運転する台数を決める。
上流地点aにて排水路の水位を検出し、その増加率が急
激であるか否かを判断していることから、鉄砲水が発生
を素早く検知できる。これにより、排水ポンプの対応運
転を余裕を持って行うことができる。
と、鉄砲水の検知地点から排水ポンプ地点までの距離
と、排水路条件とに基づき、水理理論に従って排水ポン
プ地点までの鉄砲水の到達時間を予測演算していること
から、更に余裕を持って排水ポンプの対応運転を行うこ
とができる。そして、その予測結果に基づいて排水ポン
プを先行して運転する台数や運転開始タイミングを決定
していることから、鉄砲水の到来に容易に対応できる。
間は、ポンプ軸受の冷却システム等により制限を受ける
が、上記予測により先行待機運転時間を最適化でき、ポ
ンプ軸受の損傷を防止できる。立坑及びポンプ機場への
流入量制御手段として下記の手段が挙げられる。
制御手段について詳細に説明する。図12に示す地下排
水システムのように、河川や排水路から立坑102への
導水路に可動の流入量調整装置55を設けた。これによ
り、各河川や排水路から地下水路101への流入量を調
整し、各河川や排水路の水位や流入量に応じて各河川や
排水路から立坑102への流入量を別々に調節すること
ができる。
入量制御について説明する。図13は、図12における
可動の流入量調整装置55を可動堰109で構成したも
のである。可動堰109としては、図13に示すように
上下に堰高さを調節しうるものや、スウィング式のもの
が考えられるが、大規模なシステムでは、制御動力を小
さくでき、しかも異物のひっかかりにくい図13のほう
が良い。図14は、河川や排水路から立坑102への導
水路を管路とし、図12における流量調整装置55をバ
ルブとしたものである。この場合バルブとしては、流量
調節可能であり、比較的大形のものも製作可能なバタフ
ライバルブが適している。
ステムの運用方法について説明する。すなわち、ポンプ
107の運転状態、地下水路101の水位、全体の流入
量、あるいはその予測結果と各河川や排水路の水位か
ら、当該河川や排水路からの最適な流入量を決定し、流
量調整装置55により最適値に調整する。例えば、気象
条件などにより、ある特定の河川や排水路への流入が多
く冠水の恐れが生じた場合には、ポンプ107の運転状
態、地下水路101の水位及び全体の流入量の許す限
り、優先的に当該河川や排水路から排水することによ
り、冠水被害を防止することができ、排水システムとし
て最大限の能力を発揮させることができる。
排水路からの最適な流入量を決定し、最適値に調整する
流量調整装置のブロック図を示す。同図に示すように、
地下排水施設によって複数の河川A、排水路B及び管渠
Cを制御している状態を想定する。制御装置56は、河
川A、排水路B及び管渠Cの水位、立坑102への流入
量Q、地下水路101の水位、排水ポンプの排水量ΣQ
などが常時監視できるものとする。
位が上昇している場合には、地下水路101の水位、ポ
ンプ107の排水量などからポンプの運転状態を把握
し、ポンプの容量に余裕がある場合には、河川Aの流量
調節装置55に制御信号を送り、河川Aからの流入量Q
aを増加させる。この時、仮にポンプ107の容量に余
裕がない場合でも、河川Aの水位上昇速度が大きく、冠
水の恐れがある場合には、他の排水路B,管渠Cの水位
に余裕がある場合には、それらの流量制御装置55に制
御信号を送り流入量Qb,Qcを減少させ、しかる後に
河川Aからの流入量Qaを増加させるように制御装置5
6を構成しておけば、当該排水システムの機能を最大限
に発揮させ、排水システムとしての信頼性を向上させる
ことができる。
いは、その予測結果をもとに、急激な流入が予想される
河川、排水路から予め優先的に地下水路101に導き、
ポンプの運転可能最低水位まで水位を上昇させ、しかる
後にポンプを起動し、排水運転を行い、当該河川や排水
路の水位を最低水位付近まで下げておけば、河川や排水
路自体の貯留効果を利用し、急激な流入に備えてポンプ
の待機運転を行うことができる。
プ或いは回転数制御可能なポンプで構成し、低流量排水
運転とすれば、当該河川や排水路の自然流下による排水
能力を最大限に利用でき、効率的な待機運転が可能とな
る。
01に可動堰111を設けたものである。このように構
成することにより、流入初期における初期汚水がポンプ
井106に流入するのも防止でき、ポンプ107の信頼
性をさらに向上することができる。
運用される場合には、地下水路101の勾配θにもよる
が、例えばポンプ107の不具合などでポンプ107の
立上りが遅れた場合には、可動堰111を閉じて地下水
路101の貯留効果を最大限に利用できる。
排水路からの流入量或いは、その予測結果に応じて可動
堰111の高さを調節することにより、ポンプ井106
の水位を安定化させ、従ってポンプ107の運転を安定
化させることができるので、特に大規模ポンプシステム
場合には、ポンプ107の信頼性を高めることができ
る。
状態に有る時の排水について説明する。流入水路が閉水
路の状態で計画水量を排水可能とし、開水路においても
締切運転にならないポンプをポンプ井に配置する。この
ポンプは可動翼ポンプとし、翼角最小付近で排水待機運
転し、ポンプ井の水位上昇又はその水位上昇速度に応じ
てポンプの翼角を調整し、排水量調整を行なう。また、
このポンプを回転数制御型とし、低速回転で排水待機運
転し、ポンプ井の水位上昇又はその水位上昇速度に応じ
て回転数を調整し、排水量調整を行なっても良い。ま
た、ポンプ井に、地下流入水路が開水路の状態で計画水
量を排水可能でありかつ排水待機運転される小容量高揚
程ポンプと、閉水路の状態で計画水量を排水可能な大容
量低揚程ポンプとを組合せても良い。ポンプ吐出側にバ
ルブを設置せず越流堰又はサイホンを形成して流量制御
を行うこともできる。
安定運用について下記の手段が挙げられる。 (1)ポンプ翼角・回転数制御による排水待機運転 (2)ポンプの先行待機運転 (3)小容量・高揚程、大容量・低揚程ポンプの組合せ (4)排水優先運転アルゴリズムの適用 (5)ポンプ井水位の上昇・下降速度によるポンプのオ
ン、オフ水位補正 (6)一時貯留・事前放流の為のポンプ近傍に設けたサ
ージ防止用貯水池。
よる排水待機運転の詳細は上述のとおりであるが、ポン
プ機場の安定運用にも有効である。また、(2)ポンプ
の先行待機運転とは吸水槽への流入水の流入予測に従っ
て流入水が吸水槽に到達する前に放流路の弁を開き、ポ
ンプの運転を始める操作を指す。
で示す。同図に示すように地下貯水池110から地下水
路101に連通させた放流管路112に弁113が挿入
されている。地下水路101の終端にポンプ井106が
設けられ、ポンプ井106内にポンプ107が浸漬され
ている。ポンプ107の吐出管57の吐出弁58よりも
上流側から分岐して地下貯水池110に連通させた還流
路59が設けられ、この還流路59に弁60が挿入され
ている。降雨があるとポンプ井106への流入予測が行
われ、流入水がポンプ井106に到達する前に放流路1
12の弁113を開きポンプ井106へ地下貯水池11
0の貯留水を供給する。一定時間遅れて放流水がポンプ
井106へ到着しポンプ井106の水位がポンプ107
の運転可能な値に上昇した時ポンプ107の運転を開始
する。このようにして放流水が流入し始めた段階で本格
的な放流水の流入に先行して待機運転を行うことができ
る。
揚程ポンプの組合せについて説明する。図18は、この
場合の排水施設の構成を示す縦断面図である。一般に、
地下水路101の埋設深さが深くなると、ポンプ井10
6の低水位LWLと高水位HWLの差が大きくなる。ま
た、地下排水施設ではポンプ井106の水位が低い場合
は排水量は少なくてよく、水位が高くなるにつれて排水
量を増大すればよい。そこで、図18に示すように、必
要排水量を賄う排水ポンプを分割して階層状に設置し、
下の階層に高揚程ポンプ8Aを、上の階層に低揚程ポン
プ8Bを設置することが望ましい。この場合、低揚程ポ
ンプ8Bは少なくとも地下貯留池110の底面よりも下
のレベルに設ける。
低揚程ポンプ8Bは設置レベルが高い分だけ放流先河川
62の水位Hoとの差が小さくなるから、その分だけ必
要揚程が小さくなるので、排水動力を節減できることに
なる。特に、上階層の低揚程ポンプ8Bの定格を低揚程
・大容量のものにし、水位の上昇に応じて運転を開始す
るようにすれば、低揚程大容量のポンプは広い範囲にわ
たってポンプ効率が高いので、排水動力の節減効果が著
しい。また、ポンプ井106の水位が低いときはそれほ
ど速やかに排水する必要はないから、低い階層の高揚程
ポンプ8Aは高揚程ではあるが、小容量でよい。
の階層状に設置したことから、必要な地下ポンプ建家の
建築面積を小さくすることができる。これにより、地下
掘削作業を含む作業量を低減でき、建設費の増大を抑え
ることができる。
によるポンプのオン、オフ水位補正について説明する。
図19は、この場合のポンプ井水位上昇速度を示したも
のである。実線は水位上昇速度大、点線は通常の速度、
一点鎖線は水位上昇速度小の場合を示す。また、図20
は、ポンプ井水位上昇速度が大きい場合の起動パタンを
示したものである。起動水位は従来に比較し低い水位B
2で起動する。また、全台(今回の例は3台)起動する
迄の水位差はA2であり従来に対し小さくなる。すなわ
ち、水位上昇速度が大きい場合、低い水位で1台目が立
ち上がり、かつ全台立ち上がる水位も低く急激な水位上
昇に対し早く対応が出来る。
合の起動パタンを示したものである。1台目起動の水位
はB3だけ高く、停止時も低水位で停止するようにす
る。すなわち、起動と停止の水位差を従来に比較し、大
きく(C3)出来るのでハンチング防止に効果がある。
プ近傍に設けたサージ防止用貯水池について説明する。
図22は、この場合の地下排水施設の概念構成を示す縦
断面図である。図示のように、地下水路101の比較的
下流側に、地表と地下水路101の中間に位置させて、
一定の容積を有する地下貯留池110が埋設されてい
る。この地下貯留池110は立坑102を介して地下水
路101に連結されている。この立坑102の地下貯留
池110との連通部のレベル(入口レベル)は、貯留池
底面よりも高いレベルの側面部に位置されている。地下
貯留池110の底部は貯留水の放流管路12を介して立
坑102に連結されている。この放流管路112には管
路を開閉する開閉弁又はゲート弁(以下、開閉弁と総称
する)113が設けられている。ここで、放流管路11
2は地下水路101に直接連結することも可能である。
また、地下貯留池110の底部に連通させて揚水ポンプ
115が設けられ、貯留水を地上に汲み揚げ可能になっ
ており、これにより必要に応じてその貯留水を消防用
水、道路や公園の散水用等に有効利用できるようにして
いる。一方、地下貯留池110の上部は空気孔114を
介して大気に開口され、地下貯留池110に対応する地
表面には公園117や運動場等の公共施設が、更に地表
と地下貯留池110との間のスペースを利用して地下駐
車場116などの施設が設けられている。また、地下貯
留池110の容量は、流入量予測と排水ポンプの排水能
力等の排水システムの条件から要求される貯留能力か
ら、地下水路101の貯留能力を差し引いた量以上に設
定する。
施設の動作及び運転方法を説明する。雨が降って河川等
の水位が上昇すると地下水路101に流入する水量が増
加し、雨量の程度に応じて地下水路101の水位が上昇
する。集中豪雨などのような流入水の急激な増大が生ず
ると、地下水路101が満水状態になり、地下貯留池1
10の立坑102の水位が急激に上昇し、図22に示し
た動水勾配120に従って、水位が地下貯留池110の
入口レベルに達する。水位がこのレベルに達すると、地
下貯留池110の貯留効果が発揮されるため、それ以降
の急激な水位の上昇が緩和される。したがって、流下水
がポンプ井106に到達してから、ポンプ107の運転
を開始するまでの時間を十分にとることができる。つま
り、地下貯留池110の入口レベルに水位が到達してか
らポンプ107を運転開始しても、上流側水路の放水路
103、管渠104、河川105又は空気孔114から
流入水が逆流して生ずる冠水を防止できる。
量予測に基づいて定められるが、通常は、単位時間当た
りの流入量に応じた総排水能力に設定される。従って、
地下貯留池110に水位が達してからポンプ107を運
転開始すれば、水位の上昇を抑えられるのである。
そのものの小型化、原動機の小型化により、ポンプ機場
の省スペース化を図っているが、他に下記のような手段
が挙げられる。
形に配置した例について説明する。図23に、この場合
の排水ポンプ機場の概念構成を縦断面図で示す。図24
は図23の部分詳細図である。排水対象区域に配設され
た地下水路101により集められた雨水などの流入水は
ポンプ井106に流入される、ポンプ井106内の流入
水は排水ポンプ群71によって汲み揚げられ、集合吐出
管路72と排水路73を介して放流先の河川62に排出
されるようになっている。排水ポンプ群71は設置レベ
ルを異ならせて2階層状に配置された複数の排水ポンプ
PL1〜n(nは自然数)とPH1〜nから構成されて
いる。ここで、排水ポンプPHには低揚程・大容量のポ
ンプが適用され、排水ポンプPLには高揚程・小容量の
ポンプが適用されている。これらの排水ポンプPH,P
Lは階層別にそれぞれ円形状に設置されている。各排水
ポンプPH,PLの吸込管路76、77は環状の集合吸
込管路74,75を介してそれぞれポンプ井106に連
通されている。集合吸込管路74,75は排水ポンプの
円形配置に合わせてそれぞれ環状に形成されている。各
ポンプの吸込管路76、77にはそれぞれ吸込仕切り弁
78、79が設けられている。集合吐出管路73は排水
ポンプ群71の中心に縦型に設けられ、各排水ポンプP
H,PLの吐出管路80,81が連結されている。集合
吐出管路73の上部は排水路73によって河川62に連
通されている。また、集合吐出管路72の管径は階層ご
との排水ポンプの排水量に合わせ、下層に行くほど細く
形成されている。上記の排水ポンプ群71が設置される
地下ポンプ建家82の外形は、上方に広がる円錐台状に
形成されている。このような形状にしたのは、下層の階
に設置される高揚程・小容量の排水ポンプPLは、上層
の階に設置される低揚程・大容量の排水ポンプPHに比
べて設置面積が小さくて済むからである。なお、地下ポ
ンプ建家82は図24のように下層部のみ円錐台状に
し、上層部は円柱状にしてもよい。また、地下ポンプ建
家82内には排水ポンプPH,PLおよび電動機83、
84などを保守するための保守エリアが設けられてい
る。なお、図に示すように、集合吐出管路72の上端を
地上に露出させ、その部分に例えば噴水又は滝85を設
けたり、地下ポンプ建家82の地上部分を公園86等と
して利用できるようにしてもよい。
24の排水ポンプ機場によれば、上層階の排水ポンプP
Hは設置レベルが高い分だけ放流先河川62の水位Ho
との差が小さくなるから、その分だけ必要揚程が小さく
なるので、排水動力を節減できることになる。特に、高
い階層の排水ポンプPHの定格を低揚程・大容量のもの
にすれば、低揚程大容量のポンプは広い範囲にわたって
ポンプ効率が高いので、排水動力の節減効果が著しい。
水位が低い場合は排水量は少なくてよく、ポンプ井の水
位が高くなるにつれて排水量を増大させればよいから、
例えば図23に示すようにLWL(例えば、Ho−60
m)とHWL(例えば、Ho−15m)の中間に運転台
数制御用の中間水位MWL1,2(例えば、Ho−45
m,Ho−30m)を設定し、水位が上昇するにつれて
順次高い階層の排水ポンプを運転するようにすれば、排
水動力を効果的に節減できる。
の階層状に設置したことから、必要な地下ポンプ建家の
建築面積を小さくすることができる。これにより、地下
掘削作業を含む作業量を低減でき、建設費の増大を抑え
ることができる。特に、排水ポンプを円形に配置したの
で地下ポンプ建家82の外形も円形にすることができ、
建設費低減の効果が著しい。
それほど速やかに排水する必要はないから、低い階層の
排水ポンプPLは高揚程ではあるが、小容量でよい。従
って、地下建家の各階層の面積は下層になるほど小面積
でよく、少なくとも下部外形が上に広がる円錐台状に形
成すれば、特に深いところにおける掘削量を低減できる
ので、建設費等の低減効果が著しい。
について説明する。図25に、立軸駆動多重ポンプを配
置したポンプ機場を縦断面図で示す。本図に示すよう
に、1はポンプ羽根車(図示せず)の駆動源となる駆動
機であり、その主軸17は鉛直方向にある。2は大容量
で低揚程のポンプであり、3は小容量で高揚程のポンプ
で、鉛直方向に配設されている。4は、回転トルクの伝
達・不伝達が可能な継手であり、前記駆動機1の主軸1
7は、継手4によって鉛直方向に配設した2台のポンプ
2,3の各主軸18と連結している。すなわち、駆動機
1は、鉛直方向に配設した2台のポンプ2,3の間に位
置し、詳細は図示しないが、両掛駆動構成となってい
る。9は地下導水路、10は、地下導水路9に接続して
設けられた取水縦坑、13は、吐出流路に係る吐出管で
ある。前記取水縦坑10と吐出管13との間に、鉛直方
向に配設された2台以上(図25では2台)のポンプか
らなる立軸駆動多重ポンプが配置されている。上方側の
ポンプ2の吸込管7−1は仕切弁8−1を介して取水縦
坑10の上部に接続し、下方側のポンプ3の吸込管7−
2は仕切弁8−2を介して取水縦坑10の下部に接続し
ている。また、前記ポンプ2,3の吐出側は仕切弁6−
1,6−2を介して吐出管13に接続している。
った水は、仕切弁8(8−1,8−2の総称)が開のと
き吸込管7(7−1,7−2の総称)に流入し、ポンプ
によって吐出管13に吐出される。吐出管13は大容量
で低揚程のポンプ2の吐出流が合流する位置から断面積
が拡大している。吐出側の仕切弁6(6−1,6−2の
総称)はポンプ停止時には閉となり、吐出流の逆流を防
止する。また、14,15は水流方向であり、11,1
2は水位を示す。
機場によれば、地下の排水ポンプ機場の平面スペース
を、従来のポンプの水平方向配置の場合よりも必要とし
ない。また、駆動機1の主軸17とポンプ2,3の主軸
18とは回転トルクの伝達・不伝達が可能な継手4によ
って連結されているので、必要なポンプ羽根車のみを回
転させることができ、エネルギーの浪費を防止できる。
プ2,3は、上方側が大容量で低揚程のポンプ2、下方
側が小容量で高揚程のポンプ3という構成にしたので、
取水縦坑10の水位が低い水位11のときには高揚程の
ポンプ3を運転し、取水縦坑10の水位が高い水位12
のときには低揚程のポンプ2を運転することができる。
また、それらの同時運転もできる。
成を簡単化した。また、流路断面積が下流方向に増加す
る吐出管を配備しているので、効率の良い運転を可能と
している。さらに、複数台のポンプに対して1本の吐出
管13の併用が可能なのでポンプ装置の構成が簡単とな
るという効果もある。
大容量で低揚程のポンプ2を運転しないとき、ポンプ2
の前後の仕切弁6−1,8−1を閉にして抜水し、ポン
プ2をフライホィールとして作動させることができ、省
エネルギーと水撃防止の効果もある。
を配置したポンプ機場を示す縦断面図である。図中、図
25と同一符号のものは、同等部であるから、その説明
を省略する。図示のように、鉛直方向に配設された3台
のポンプ20の羽根車回転軸は水平方向にあり、さら
に、3台のポンプ20は同一構造のものである。図にお
いて、1Aは、ポンプ(或いはポンプ羽根車)の駆動源
となる駆動機、17Aは、駆動機1の主軸、20は、鉛
直方向に配設された2台以上(図26の例では3台)の
軸流ポンプ、17Bは、これら軸流ポンプ20を鉛直方
向に連結する連結軸、21は、駆動機1の主軸17Aと
前記軸流ポンプ20の各連結軸17Bとを連結する軸継
手である。軸流ポンプ20は、軸流形の羽根車19と案
内羽根22,23を備えている。18Aは、羽根車19
の回転軸で水平方向にある。24は、連結軸17Bのト
ルクを上記各羽根車の回転軸18Aに伝達する直交伝達
機構に係る傘歯車、25は、軸流ポンプのケーシングに
設けた軸貫通用開口部である。各羽根車の回転軸18A
と傘歯車24とは、回転トルクの伝達・不伝達が可能な
継手4によって連結されている。地下導水路9に接続し
た取水縦坑10と吐出管13との間に、ポンプ室があ
り、鉛直方向に配設された2台以上(図26では3台)
の軸流ポンプ20からなる立軸駆動多重軸流ポンプが配
置されている。各軸流ポンプ20の上流側は仕切弁8を
介して取水縦坑10に、下流側は仕切弁6を介して吐出
管13に通じている。
場によれば、図25に示したものと同様、経済的なポン
プ機場構成およびポンプの効率的運転を可能とするほ
か、各ポンプの羽根車19の回転軸18Aを水平に配置
しているので、ポンプ羽根車として軸流形羽根車に限ら
ず、斜流形羽根車を組み込むことも可能である。
定であり、さらに、取水縦坑10の水は押し込みとして
作用するので、水位がどの高さにあっても上下方向の各
軸流ポンプ20に要求される揚程は同じであり、ポンプ
を同一構造とすることができる。また、各ポンプが同一
構造であるので、パッケージ式という考え方ができ、ポ
ンプの増設を容易にし、さらに、製品コストの低減が可
能という特有の効果がある。
容量が大きいことから大型になり、振動が大きいとポン
プ本体、配管系の疲労破壊の原因となり、振動は騒音の
発生原因でもあるから作業環境にも影響を与える。従っ
て振動を低減するために脈動を低減したポンプについて
説明する。図27〜図29に脈動を低減した片吸込遠心
型のディフューザポンプを示す。図27は、ポンプ回転
軸と直交する方向の断面図である。図28は図27のII
−IIから見た断面図である。図29は図27のIII−III
から見た断面図である。それぞれの図に示すように、片
吸込遠心型の羽根車1の外側にディフューザ3が設けら
れ、さらにその外側にボリュートケーシング10が設け
られている。このボリュートケーシング10にはポンプ
吐出口11が一体に形成されている。また、このボリュ
ートケーシング10に接続して、ポンプ吸込口15を有
する吸込ケーシング16が設けられ、これらによりディ
フューザポンプの流水部が構成されている。ディフュー
ザ3の側壁4A,4Bの中間に隔壁5が設けられてい
る。そして、隔壁5によりディフューザ3内の流路は、
軸方向に独立した2つの流路6A,6Bに分割されてい
る。この2つの流路6A,6Bにそれぞれディフューザ
羽根7A,7Bが配設されている。これらの羽根7A,
7Bは互いに回転角方向の位置をずらして配置されてい
る。また、一方の流路のディフューザ羽根の入口端の中
間に、他方の流路のディフューザ羽根の入口端が位置す
るように位置をずらしてある。図27の例では、羽根7
Bの入口端7B’は羽根7Aの入口7A’に対し、羽根
車の回転方向に角度ζ°だけずらしている。
ザポンプの動作について次に説明する。ポンプ吸込口1
5から流入した流れは、羽根車1の回転により流速が高
まり、ディフューザ3へ吐出される。ここで流れは減速
し、静圧を回復した流れはさらにボリュートケーシング
10を通り、ポンプ吐出口11から吐出される。羽根車
1の出口部の流れは、前述したように、羽根の厚み、羽
根車1内の羽根面に沿う流れの境界層の発達等の影響を
受けて、羽根車1の羽根間隔を1ピッチとする不均一な
流速分布になっている。そして、この不均一な流れがデ
ィフューザ羽根7A,7Bの入口を通過する際に、この
1ピッチの回転に要する時間を基本周期とする圧力脈動
が生ずる。発生した圧力脈動はボリュート出口に伝達さ
れ、それらの合成された圧力脈動波が吐出配管に伝達す
ることになる。また、一部は羽根車内を通って吸込配管
へ伝達することになる。
ば、ディフューザ流路を隔壁5により独立した流路6
A,6Bに分割し、かつそれらの流路のディフューザ羽
根入口端7A’,7B’の位置を、羽根車の回転方向に
対し、互いにずれた位置にしている。従って、羽根車流
路から流出する流体は、そのずれ量に応じた回転角の位
相角度ζ°がずれた関係で、2つのディフューザ流路6
A,6Bに流入して、流出することになる。従って、2
つのディフューザ流路6A,6Bの入り口部で発生した
圧力脈動は、その位相ずれに応じて出口部で互いに打消
され、ディフューザ流路出口部における圧力脈動が低減
される。
根の入口端7A’,7B’を、ほぼ羽根車の羽根ピッチ
の半分の角度だけずらせた場合は、各ディフューザ流路
6A,6Bで交互に発生する圧力脈動の位相が、互いに
1/2波長ずれるので、両流路の圧力脈動が打消しあっ
て圧力脈動を大幅に減少することになる。即ち、羽根車
の羽根枚数をZi、ディフューザの羽根枚数をZdと
し、前記角度ζ°について、下記の関係に設定した場
合、 ζ°=1/2×360°/Zi あるいは 360°/Zd−ζ°=1/2×360°/Zi となり、両流路206A,206Bから交互に発生する
脈動は、互いに位相が1/2波長ずれるため、両流路を
伝わる圧力脈動が干渉し、圧力脈動は著しく減少する。
A’,7B’の位置をずらせたことにより、これらの位
置とポンプ吐出口までの距離が異なってくる。しかし、
この距離の違いは、一般に圧力脈動の波長にくらべ著し
く小さいので、前記位相のずれに与える影響は無視でき
る。従って、上記式を満足するζ°だけずらせればよ
い。
ンプによれば、ディフューザ部の形状の工夫により脈動
低減を図ったのである。そして、隔壁5は円板状とな
り、ディフューザの羽根も通常2次元形状になる。これ
に対し、羽根車内の流路を隔壁により仕切り、この隔壁
の両側の羽根をずらして圧力脈動を減少させる従来技術
によれば、片吸込遠心型羽根車の場合の隔壁は流線に沿
った曲面形状となり、かつ羽根車の羽根は通常3次元曲
面に形成することが多い。従って、従来技術にくらべ、
ポンプの製作が容易となる。また、羽根車入口部に隔壁
を設けていないので、キャビテーション性能の悪化を生
じない。また、羽根車内の中央流線に沿った隔壁がない
ため、ポンプを小流量で運転するとき、羽根車内の遠心
流れおよび逆流の発生が抑制されず、ポンプ揚程曲線の
不安定化等の特性悪化を生ずることがない。
う大深度地下排水施設には下記のような効果がある。
含むポンプ機場の設備備費が小さくなる B.地下水路の掘削工事費が低減される C.長大な地下水路の貯留効果により地上へ溢流するリ
スクが小さくなる D.上記の貯留効果により大容量吸水槽を必要としない
から土地の取得が困難な都心にポンプ機場の建設ができ
る。
を説明したが、上記の各例の技術を適宜組み合わせて実
施することができる。
を低減できる。
示す斜視図である。
地下排水施設の構成の一例を説明する説明図である。
のポンプ起動水位を説明する説明図である。
説明する図である。
一例を説明する説明図である。
る場合の構成を説明する説明図である。
ローチャートを示す。
ある。
の手順の一例を示すフローチャートである。
全体構成図を示す。
である。
堰で構成した縦断面図である。
ブで構成した縦断面図である。
最適値に調整する流量調整装置の一例のブロック図であ
る。
設けた一例の縦断面図である。
である。
図である。
る。
タンを示した図である。
ンを示した図である。
成を示す縦断面図である。
断面図である。
一例を示す縦断面図である。
他の一例を示す縦断面図である。
を、回転軸と直交する方向の断面図で示した図である。
明する説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 大深度地下に配設され雨水等の排水が流
入される地下水路の下流端に設けられた排水ポンプ機場
の吸水槽に吸込口が連通され、前記吸水槽から水を揚水
して放流先の河川に放流する排水ポンプであって、前記
吸水槽の底面が前記地下水路の下流端の上端位置と地表
との間に位置され、前記排水ポンプの吸込口が前記吸水
槽の底面以上の高さに位置されてなる地下排水施設の排
水ポンプ。 - 【請求項2】 雨水等の排水が流入される地下水路の下
流端に設けられた排水ポンプ機場の吸水槽に吸込口が連
通され、前記吸水槽から水を吸水して放流先の河川ある
いは吐出水槽に放流する排水ポンプであって、前記吸水
槽の底部が縦水路を介して前記地下水路の下流端部に連
通され、前記排水ポンプのポンプ羽根車の位置が前記吸
水槽のほぼ底部レベルに位置されてなる地下排水施設の
排水ポンプ。 - 【請求項3】 雨水等の排水が流入される地下水路の下
流端に設けられる排水ポンプ機場の排水ポンプであっ
て、前記地下水路の下流端部の上端と地表との間に羽根
車が配置され、前記地下水路の下流端部に連通されかつ
該地下水路の下流端の上端レベルと放流先の水位レベル
との間のレベルに配置された吸水槽に吸込口が接続され
てなる地下排水施設の排水ポンプ。
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