JP4283085B2

JP4283085B2 - レベル自動調整式浮体装置

Info

Publication number: JP4283085B2
Application number: JP2003359428A
Authority: JP
Inventors: 茂之寄神; 悦芳織田
Original assignee: 寄神建設株式会社
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: US6857155B2; JP2004231169A; US20040148715A1; NL1025147C2

Description

本発明は、たとえば海上に設置される浮橋、人工地盤などの上部構造物を、常時レベル（上下方向位置）の調整をしながら支持するレベル自動調整式浮体装置に関するものである。

従来、浮橋と陸上との間に長い可動式のスロープを配備して段差を緩和し、レベル調整を不要とするものが知られている。

また、浮橋のポンツーン部にバラストポンプを設け、注排水によってレベルを調整するものも知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１７２６２０号公報（段落番号０００９，図１）

上述した従来の装置は、いずれも次のような点で不都合がある。すなわち、
(i) 前者の場合には、スロープが大なり小なり傾斜することになるので、水平が要求される箇所では使用することができない。
(ii) 後者の場合には、常時ポンプを運転状態に保つ必要があるため、運転費やメンテナンス費などのランニングコストが多くかかる。

また、一般に海上などに建設される橋梁は堅牢な支持地盤上に橋脚の基礎を設ける必要があり、地盤が非常に軟弱である場合または水深が非常に深いなどの場所では建設費用が非常に高くなる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ディスプレッサー型浮体を利用することで、設備コストやランニングコストも低減できるようにしたレベル自動調整式浮体装置を提供するものである。

つまり、ディスプレッサー型浮体の浮きタンク内に設ける浮体の上に設置される上部構造物は、潮位などの変化に対しても常に一定のレベルを保つことができること、ディスプレッサー型浮体は浮力によって運動するから動力は必要としないことなどに着目して、本発明がなされたものである。、

上記の目的を達成するために、本発明は、水上の上部構造物を浮体にて下側から支持し、その浮体のレベルを自動的に調整するレベル自動調整式浮体装置であって、水底上に設置した支持体上あるいは水底上に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている固定ケーシングを設け、この固定ケーシング内の液体上にピストン本体を上下動可能に浮かべ、このピストン本体の左右両側あるいは外周側に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている浮きタンクをこのピストン本体と一体に設けて水上に浮かべ、その浮きタンク内の液面上に前記浮体を上下動可能に浮かべ、前記浮きタンク内と前記固定ケーシング内とを連通管にて液体が移動可能に連通することを特徴とする。

このようにすれば、たとえば水面の潮位が上昇したとすると、これに伴って浮きタンクが上昇する（これと同時に、ピストン本体も上昇する）。これにより、固定ケーシング内の液面は浮きタンク内の液面より低くなり、それらに充填されている液体は浮きタンクより固定ケーシング内に流入（移動）する。これによって、浮きタンク内の液面は相対的には下がることになる。

つまり、固定ケーシング内のピストン本体の上昇に伴って浮きタンク内の浮体下の液体が固定ケーシング内に流入し、浮きタンク内で浮体が沈降する。浮きタンクの水面の潮位の上昇量と、浮体が浮きタンク内で沈降する量が概ね一致するから、結果として浮体の上下方向のレベルは変化せず、ほぼ一定に保たれる。同様にして、水面の潮位が下降したときにも浮体のレベルもほぼ一定に保たれる。

このように、ピストン本体と浮きタンクとを有するディスプレッサー型浮体が上下すると、連通路によって固定ケーシングと浮きタンクとの間で液体の移動が生じ、固定ケーシング内の液面と浮きタンク内の液面が同じレベルになる。

また、固体ケーシングは水底上に直接あるいは支持体を介して設置する必要があるが、支持体上には浮体装置の荷重の一部しか作用しないので（いいかえればピストン本体は浮きタンクとともに浮きタンクに作用する浮力を受けるので）、支持体には固定ケーシングの荷重程度しか負荷が作用しない。よって、支持体の構造を簡略化することができる。

このように、支持体の構造を簡略化することができるので、水底に構造物を設置する場合に比べて、支持体の強度を下げて軽量化できるとともに、水底の地盤が軟弱な場合にも、大規模な地盤改良等で補強することなく設置できる。

本発明においては、前記連通路は、伸縮可能な可撓性の連通管で構成されることが望ましい。

このようにすれば、浮きタンクと固定ケーシングとの相対変位が大きくても、連通路（連通管）はそれに追従し、破損するのが回避される。

また、本発明は、距離をあけて複数基設置し、それぞれの浮体上の間に跨って上部構造物を設け、浮体と上部構造物との間に、浮体と上部構造物との相対変位を許容する連結機構を設けている構成とすることができる。

このようにすれば、浮体と上部構造物との間に連結機構を設けているので、距離をあけた浮体上の間に跨って上部構造物を設けても、連結機構によって浮体と上部構造物との相対変位が許容される。

また、浮体が潮位によって上下方向において変位しても浮体は常に一定レベルを保つためには、浮力による浮体の上下量と液面の上下量の合成により決定されるため、それらを必要に応じて決定すればよいが、ピストン本体の横断面積ａと浮きタンクの内部横断面積ｂの比（ａ／ｂ）がほぼ１であることが望ましい。

このようにすれば、浮きタンク内の液面（浮体）の絶対的な動きは、ピストンの横断面積ａと浮きタンクの内部横断面積ｂの比によって決定されるので、その比が１のときには、上下量は零となる。したがって、ディスプレッサー型浮体が潮位によって上下しても、その浮体は常に一定のレベルに保たれる。

前記上部構造物は、浮橋とすることができる。これにより、上部構造物である浮橋のレベル調整を容易に行うことができる。

本発明は、水上の上部構造物を浮体にて下側から支持し、その浮体のレベルを自動的に調整するレベル自動調整式浮体装置であって、水底上に設置した支持体上に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている環状の固定ケーシングを設け、この固定ケーシング内の液面上に環状のピストン本体を上下動可能に浮かべ、このピストン本体の中心側に、上端が開放され内部に液体が充填されている浮きタンクをこのピストン本体と一体に設けて水上に浮かべ、その浮きタンク内の液面上に浮体を上下動可能に浮かべ、前記浮きタンク内と前記固定ケーシング内とを連通路にて液体が移動可能に連通する構成とすることも可能である。例えば、海上などの水上に設けられる人工地盤を支持するのに用いることができる。

前記支持体は、水底に固定されるアンカーと、このアンカーと固定ケーシングとを連結するチェーンあるいはワイヤロープとを有するテンションアンカーで構成されるようにしてもよい。

本発明は、レベル調整にポンプ等の機械設備を必要としないので、電力等の動力源を必要としない。これによって運転費やメンテナンス費などのランニングコストを大幅に削減することができる。

特に、本発明のディスプレッサー型浮体（ピストン本体、浮きタンク）は地盤に固定されていないため、橋梁の基礎を建設する一般の橋梁に比べて、地震の影響が少ない。また、地盤に建設される固定ケーシングも地下水位等を考慮して建設することにより、大きな支持力を必要としないため、地盤が非常に軟弱である場合や水深が非常に深いなどの場所では経済的である。

以下、図面について本発明の実施の形態を説明する。

図１及び図２はそれぞれ本発明に係る第１の実施の形態であるレベル自動調整式浮体装置を示す図で、図１は同装置の干潮時の断面図、図２は同装置の満潮時の断面図である。

図１及び図２に示すように、水底Ｓの突出部Ｓ１上に、上端を大気に開放した筒状（円筒状）である鋼製の支持水槽３（固定ケーシング）が設けられる。この支持水槽３は、突出部Ｓ１の上面に固定される底板部３ａと、この底板部３ａの周縁より鉛直上方に延びその上端部が海面よりも上方に突出している筒状（円筒状）の周回壁部３ｂとを有し、内部に液体８が充填されている。

この支持水槽３内に、支持水槽３（周回壁部３ｂ）の内径より外径が若干小さい円柱体形状のピストン本体１が上下動可能に嵌挿され、このピストン本体１がケーシング３内の液体上に浮いている。ピストン本体１の上端部分は、海面上よりも上方に（すなわち大気中に）突出している。このピストン本体１の下端部には、周回壁部３ｂ内をスライド可能に移動するピストン部１ａが設けられ、上端部には、ピストン本体１の左右両側に延びる左右の連接アーム部１ｂが設けられている。この左右の連接アーム部１ｂは、周回壁部３ｂ及び突出部Ｓ１を超えて半径方向外方に延び、その左右側端部に、上端を大気に開放した左右の浮きタンク２が設けられている。左右の浮きタンク２は、支持水槽３と同様に内部に液体が充填されており、下側部分の大部分が海中に浸けられ、突出部Ｓ１の左右の海上（水上）に昇降可能に浮遊している。ここで、ピストン本体１と、このピストン本体１の両側に対称に設けた２槽の浮きタンク２とによって、ディスプレッサー型浮体Ｆが構成される。なお、ピストン部１ａは、必ずしも必要なく、省略可能である。

左右の連接アーム部１ｂ及び浮きタンク２は、ピストン本体１に対し左右対称な位置関係で一体に設けられ、その各浮きタンク２内に、浮きタンク２の内径より外径が若干小さい円柱体形状の浮体４が上下動可能に嵌挿され、この浮体４が浮きタンク２内の液体上に浮いている。

浮きタンク２の内部と支持水槽３の内部とは、フレシキブルホース（例えばポリエチレン製）等の、伸縮可能な可撓性連通管５（連通路）を通じて、それら内部の液体が移動可能に連通している。つまり、連通管５を通じて、支持水槽３と浮きタンク２との内部に充填されている液体がそれらの間で自由に移動できる状態となるようになっている。

さらに、左右対称に配置された浮体４上には、シュー等の連結装置７を介して、浮橋６（上部構造物）が左右対称に搭載され、バランスよく支持されている。この連結装置７は、浮体４と浮橋６との相対変位を許容するものである。

よって、浮きタンク２が浮かんでいる海の潮位の変化により、ディスプレッサー型浮体Ｆ（ピストン本体１，浮きタンク２）が上下動すれば、それに伴ってピストン本体１が浮いている支持水槽３内の液体の液面も上下することになる。その液面の上下と同時に、連通管５によって液体の移動が起こり、その移動によって浮きタンク２内の液面も同様に上下することになる。そして、支持水槽３と浮きタンク２との内部の液体の液面は常に同じ高さに調整されることになる。なお、この液面の上下移動量は、ピストン本体１の横断面積と浮きタンク２の内部横断面積との比によって決定される。

そして、浮きタンク２内に浮かぶ浮体４（すなわち、浮橋６の左右の支持部）の上下移動量も同様に、前記断面積比によって決定され、上下量もこれによる。

また、ディスプレッサー型浮体Ｆ（ピストン本体１、浮きタンク２）は液面のレベルが変化する海面に浮くように配置され、ディスプレッサー型浮体Ｆの浮力によって上下するため、動力は必要としない。なお、海面だけでなく、湖面あるいは水槽に浮くように配置した場合も同様である。

よって、上記装置によれば、たとえば海面（水面）の潮位が上昇したとすると、これに伴って、海面に浮かんでいる浮きタンク２が上昇し、その浮きタンク２に一体に連接されているピストン本体１も一緒に上昇する。

この支持水槽３内のピストン本体１の上昇に伴って、浮きタンク２内の浮体４下の液体が支持水槽３内に流入（移動）し、浮きタンク２内で浮体４が沈降する。

このとき、水面の潮位の上昇による浮きタンク２の上昇量と、浮体４が浮きタンク２内で沈降する量が概ね一致するから、それらが相殺される。よって、浮体４の上下方向のレベルは変化せず、一定に保たれる。同様にして、水面の潮位が下降したときにも浮体４（浮橋６）のレベルは一定に保たれる。

このように、水面の潮位が上昇しても下降しても浮体４の上下方向のレベルは一定に保たれるので、浮体４上の浮橋６のレベルは水位の変化に拘わらず常に一定である。よって、水面を挟んで陸地間をつなぐ浮橋６であっても、水位が変化しても、浮橋６のレベルは変わらず、常に一定のレベルに保持される。したがって、当初に浮橋６が水平であれば、水平に保たれることになる。

前記実施の形態では、レベル自動調整式浮体装置（支持水槽３）は、水底上に設けているが、水底上に設置した支持杭上に支持水槽を設けるようにすることも可能である。例えば、図３及び図４に示すように、海９に面した陸地（岸壁）１１の一部を掘り込んで凹所１２を形成し、この凹所１２内において水底（海底）Ｓ上に円柱状の支持杭１３（支持体）を、それの軸線がほぼ鉛直方向になるように設ける。そして、支持杭１３上に支持水槽３を固定する。支持水槽３は平面視で円形状で、ピストン本体１の下端部のピストン部１ａは支持水槽３内に嵌挿可能な円形状に形成する（この場合も、ピストン部１ａは省略できる）。浮橋６と陸地１１との間には、連結板１４が配設されている。

上記凹所１２の海９側開口部には、仕切壁（図示せず）を立設して波が凹所１２内に入り込むのを防止し、浮きタンク２が揺動しないようにすることが望ましい。その他の構成については、上記した第１の実施の形態と共通するので、同一の符号を用いて示し、説明を省略する。

なお、浮きタンク２は平面視で正方形に形成し、ピストン本体１の両側に一体に連設しているが、例えば、浮きタンクを半円弧形状に形成し、ピストン本体の外周側の海側部分に一体に連設することもできる。本実施の形態のように、水底上に設置した支持杭上に支持水槽を設けるのは、水底Ｓが軟弱な場合に好適である。

また、前記第１の実施の形態や第２の実施の形態は、ピストン本体１の両側に浮きタンク２を左右対称に一体に設けるようにしているが、ピストン本体の外周側に、浮きタンクを対称に設けるようにしてもよい。

例えば図５（ａ）（ｂ）に示すように、水底上に複数本の支持杭１３Ａ（例えば鋼管杭）を円周上に一定間隔をもって配置し、支持杭１３Ａ上に環状の支持水槽３Ａを固定する。支持水槽３Ａ内に上下動可能に嵌挿されるピストン本体１Ａも環状で、それの中心側に配置される筒状の浮きタンク２Ａに連接されて、ディスプレッサー型浮体Ｆ’が構成されている。この浮きタンク２Ａ内の液体上に浮体４Ａが上下動可能に浮いている。適当数の可撓性連通管５Ａにて、浮きタンク２Ａと支持水槽３Ａとが相互に連通されている。なお、図５（ａ）は同装置の干潮時の断面図、図５（ｂ）は同装置の満潮時の断面図である。

続いて、本発明を利用した浮体式人工地盤に適用した例について説明する。この例において、人工地盤は、平面視矩形状で、その４隅付近に、図５（ａ）（ｂ）に示すレベル自動調整式浮体装置がそれぞれ配置されている。

図６に示すように、浮きタンク２Ａ内の浮体４Ａに、人工地盤２１及びそれの下側のプラットホーム２２が支持される構成となっている。また、プラットホーム２２（人工地盤２１）の下面には、支持柱２３を介して別の浮体２４Ａ，２４Ｂによっても下側から支持されている。なお、支持水槽３Ａとプラットホーム２２との間には十分なクリアランスを確保して、地震などのときの支持水槽３Ａの振動がプラットホーム２２に伝達されないようになっている。

図７（ａ）（ｂ）に示すように、浮体４Ａの外周面と浮きタンク２Ａの内周面との緩衝、ピストン体１Ａの外周面と支持水槽３Ａの内周面との緩衝（ディスプレッサー型浮体Ｆ’の片寄り）を回避するために、浮きタンク２Ａの内周面及び支持水槽３Ａの内周面に防舷材３１，３２が設けられている。

支持杭１３Ａの上端部にはエアーパッド式ケーシングジャッキ３２が設けられている。つまり、支持杭１３Ａの上端に筒状の可動部材３２ａがスライド可能に設けられ、その可動部材３２ａに複数のエアパッド３２ｂが設けられ、袋状のエアパッド３２ｂを（加圧空気を供給して）膨張させることで可動部材３２ａを支持杭１３Ａ上の所定の位置に固定できるようになっている。よって、支持杭１３Ａの不同沈下などで支持水槽３Ａのレベルに変位が発生した場合には、ケーシングジャッキ３２のエアパッド３２ｂを一度解放し、支持水槽３Ａを浮力により上昇させ、再度加圧（膨張）・ホールディングすれば、初期状態に戻すことができ、短時間でレベル調整が可能である。なお、支持水槽３Ａの沈下が大きい場合には、支持杭１３Ａの上の長さを長くするために、それの上側に継ぎ杭１３Ａ’を設ける必要がある（図７（ｂ）参照）。

支持杭１３Ａ（可動部材３２ａ）の上端は、図８に示すように、１つ置きに、外方に延びる１対のダンパー３３を介してプラットホーム２２に連結されている。このダンパー３３は、通常時はホールド状態でプラットホーム２２の変位を最小限に保持する一方、地震などの過度の荷重が発生する際には、ダンパー３３を開放してフリー状態とし、プラットホーム２２に過度の荷重が伝達されるのを防止する。

また、深い谷間に設ける浮き橋などの場合には前述したような支持杭を設けるのが困難であるので、前述したような支持杭に代えて、テンションアンカーを用いることも可能である。例えば、図７に示すように、水底にアンカー４１を固定し、そのアンカー４１に支持水槽３Ａをチェーン部材４２を（あるいはワイヤーロープ部材）介して連結することも可能である。チェーン部材４２の上端は、支持水槽３Ａに締結装置４３によって固定される。

本発明の実施の第１形態に係るレベル自動調整式浮体装置の干潮時の断面図である。同装置の満潮時の断面図である。本発明の実施の第２形態に係るレベル自動調整式浮体装置の干潮時の断面図である。図３のレベル自動調整式浮体装置の端部を示す平面図である。（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の第３形態に係るレベル自動調整式浮体装置の干潮時及び満潮時の断面図である。本発明に係るレベル自動調整式浮体装置を利用した浮体式人工地盤に適用した例を示す説明図である。（ａ）は支持杭の上端部付近の正面断面図、（ｂ）は同側面断面図である。支持杭とダンパーとの関係を示す図である。テンションアンカーを用いた例を示す説明図である。

符号の説明

Ｆ，Ｆ’ ディスプレッサー型浮体
１ピストン本体
１ａピストン部
１ｂ連接アーム部
２浮きタンク
３，３Ａ支持水槽（固定ケーシング）
３ａ底板部
３ｂ周回壁部
４浮体
５連通管（可撓性連通路）
６浮橋（上部構造物）
７シュー
８液体
９海
１１陸地
１２凹所
１３支持杭
１４連結板
Ｓ水底

Claims

水上の上部構造物を浮体にて下側から支持し、その浮体のレベルを自動的に調整するレベル自動調整式浮体装置であって、
水底上に設置した支持体上あるいは水底上に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている固定ケーシングを設け、
この固定ケーシング内の液体上にピストン本体を上下動可能に浮かべ、
このピストン本体の左右両側あるいは外周側に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている浮きタンクをこのピストン本体と一体に設けて水上に浮かべ、
その浮きタンク内の液面上に前記浮体を上下動可能に浮かべ、前記浮きタンク内と前記固定ケーシング内とを連通管にて液体が移動可能に連通することを特徴とするレベル自動調整式浮体装置。
前記連通管は、伸縮可能で可撓性を有する材料で形成される請求項１に記載のレベル自動調整式浮体装置。
前記ピストン本体の横断面積ａと前記浮きタンクの内部横断面積ｂの比（ａ／ｂ）がほぼ１である請求項１又は２に記載のレベル自動調整式浮体装置。
距離をあけて複数基設置し、それぞれの浮体上の間に跨って上部構造物を設け、浮体と上部構造物との間に、浮体と上部構造物との相対変位を許容する連結機構を設けている請求項１〜３のいずれかに記載のレベル自動調整式浮体装置。
前記水上の上部構造物は、浮橋である請求項１〜４のいずれかに記載のレベル自動調整式浮体装置。
水上の上部構造物を浮体にて下側から支持し、その浮体のレベルを自動的に調整するレベル自動調整式浮体装置であって、
水底上に設置した支持体上に、上端が大気に開放され内部に液体が充填されている環状の固定ケーシングを設け、
この固定ケーシング内の液面上に環状のピストン本体を上下動可能に浮かべ、
このピストン本体の中心側に、上端が開放され内部に液体が充填されている浮きタンクをこのピストン本体と一体に設けて水上に浮かべ、
その浮きタンク内の液面上に浮体を上下動可能に浮かべ、
前記浮きタンク内と前記固定ケーシング内とを連通路にて液体が移動可能に連通することを特徴とするレベル自動調整式浮体装置。
前記水上の上部構造物は、人工地盤である請求項６に記載のレベル自動調整式浮体装置。
前記支持体は、水底に固定されるアンカーと、このアンカーと固定ケーシングとを連結するチェーンあるいはワイヤロープとを有するテンションアンカーで構成されるものである請求項６に記載のレベル自動調整式浮体装置。