JP4476205B2

JP4476205B2 - 排砂促進装置、排砂促進方法、排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及びこの排砂促進装置を備えてなる構造物

Info

Publication number: JP4476205B2
Application number: JP2005297801A
Authority: JP
Inventors: 友一河内
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: JP2007107229A

Description

本発明は、例えば河川や水力発電所の取水路などに堆積する砂を流すための排砂促進装置、排砂促進方法、排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及びこの排砂促進装置を備えてなる構造物に関する。

例えば、河川や水力発電所の取水路のような流路では、水の浸食・運搬作用によって流路周辺の地盤などより次第に土砂が運ばれて堆積する。このような堆積土砂を放置しておくと流路面積が小さくなるため、河川においては水の流下能力が低下して洪水などの災害を引き起こす原因となったり、水力発電所の取水路においては取水量が低下して発電効率が低下するなどの種々の問題が発生する。従来、このような堆積土砂を押し流すための方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、流路内に排砂門を設置する方法が知られている。
特許第３３１２４２７号

しかしながら、排砂門を利用しただけでは土砂を下流側へ押し流すことができず、流路内に大量の土砂が堆積していた。これは排砂門上流側の特定の領域に集中的に土砂が堆積すると、排砂門を設置した下流側において充分な流量が得られないことに起因すると考えられている。ところが、このような土砂の除去作業は、重機や人手を要し、コストがかかるため、あらかじめ土砂の堆積を防ぐことが必要とされている。

そこで本発明は、自然の流下能力を利用して効率よく排砂を促進することができる排砂促進装置、排砂促進方法、排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及びこの排砂促進装置を備えてなる構造物を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の排砂促進装置は、流路内に堆積した土砂の排出を促進する装置であって、前記流路内に立設した支点部と、当該支点部に回転可能に設置された板材と、前記土砂の平均粒径に基づいて限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出部と、前記限界摩擦速度に基づいて前記流路内の底面付近の流速を算出する流速算出部と、前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定する排砂可能範囲判定部と、前記排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御する回転角制御部と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の排砂促進装置は、請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の流路内での設置位置に応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする。

また、請求項３に記載の排砂促進装置は、請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の前記板材の枚数に応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする。

また、請求項４に記載の排砂促進装置は、請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の前記板材の大きさに応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする。

また、請求項５に記載の排砂促進装置は、請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記板材の回転角と前記流体の流速分布との対応関係を格納した記憶部を備え、前記排砂可能範囲判定部が、前記記憶部に格納された対応関係を利用して、板材の回転角を決定することを特徴とする。

また、請求項６に記載の排砂促進装置は、請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記回転角制御部は、時間の経過と共に前記板材の回転角を所定範囲で変化させることを特徴とする。

また、請求項７に記載の排砂促進装置は、請求項１から６のいずれかに記載の排砂促進装置であって、前記堆積した土砂を排砂するのに要する時間を算出する排出時間算出部を備えることを特徴とする。

また、請求項８に記載の構造物は、請求項１〜７のうち何れか１項記載の排砂促進装置を備えてなることを特徴とする。

また、請求項９に記載の排砂促進方法は、流路内に立設した支点部と、当該支点部に回転可能に設置された板材とを備える排砂促進装置を用いた排砂促進方法であって、前記土砂の平均粒径から限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出する工程と、前記限界摩擦速度から前記流路内の底面付近の流速を算出する流速を算出する工程と、前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定する工程と、排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御する工程と、を含むことを特徴とする。

また、請求項１０に記載のプログラムは、流路内に立設した支点部と、当該支点部に回転可能に設置された板材とを備える排砂促進装置を用いた排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記土砂の平均粒径から限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出するステップと、前記限界摩擦速度から前記流路内の底面付近の流速を算出する流速算出するステップと、前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定するステップと、排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、自然の流下能力を利用して効率よく排砂を促進することができる排砂促進装置、排砂促進方法、排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及びこの排砂促進装置を備えてなる構造物を提供することができる。

上記知見に基づき完成した本発明を実施するための形態を、実施例を挙げながら詳細に説明する。

排砂促進装置は、例えば水力発電所の取水路や河川などの流路内において、特定の場所に集中的に土砂が堆積するのを防止すべく設置する装置である。特に、水力発電所の取水路においては、排砂門の上流側に設置して排砂門の近くへ土砂を流下させ、流路内に堆積した土砂の排砂を促すのに用いられる。まず、排砂促進装置の構成を説明する。なお、本明細書中において排砂とは、排砂門へ土砂を流下させることだけでなく、単に下流側に土砂を流下させることも意味する。

図１から図３は、排砂促進装置１の一実施形態を示す図である。図１において、排砂促進装置１は、流路底面８０に形成されたコンクリート地盤３上に立設した支点部１０と、この支点部１０に設置された板材１５とを備えて構成されている。板材１５は、例えばヒンジ２０などで回動可能に取り付けられており、モーターなどの駆動手段２２を設けて適宜回転角を変化させることができるようにしてもよい。

図２は、排砂促進装置１の第二実施形態を示す図である。この図は、駆動手段２２として、巻き取り機３５を用いた場合を想定したものである。この場合、板材１５にはワイヤー７５が固定されており、流路５の両岸に設置された巻き取り機３５でワイヤー７５を巻き取ることで回転角を変えることができる。駆動手段２２は、通信線７７を介して制御室７９内に設置されたコンピュータ７０にプログラムを実行させることにより制御される。前記通信線７７は、有線の他無線であってもよい。

図３は、排砂促進装置１の第三実施形態を示す図である。図３において板材１５を備えた支点部１０は、梁２５に一体に取り付けられており、この梁２５は、当該梁２５を支持する脚部２７と、当該脚部２７を立設させる基部２９と一体的に構成されている。すなわち、支点部１０は梁２５から下方へ延伸し、その下端部をコンクリート地盤３上に支持されている。板材１５の動作は、支点部１０に取り付けられた駆動手段２２によって制御されている。

排砂促進装置１は、板材１５の回転角を変えて流路５における流れの方向を変化させることにより人工的に流速の大きい領域を流路内に発生させる。この領域内に堆積した土砂３０は、流速が大きくなった流れにより下流側へ土砂３０を流下される。

また、排砂促進装置１は、例えば図４に例示するような構成とすることが考えられる。図４は、排砂促進装置１の一構成例を示す図である。排砂促進装置１は、上記構成に加えて、測定された土砂３０の平均粒径に基づいて限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出部４５と、限界摩擦速度に基づいて流路底面８０の近傍の流速を算出する流速算出部５０と、排砂促進装置１の板材１５の回転角に応じて排砂可能範囲（流速が限界摩擦速度以上となる領域）を判定する排砂可能範囲判定部５５と、流速や板材１５の回転角などの条件と排砂可能範囲との対応関係を格納した記憶部６０と、排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、板材１５の回転角を制御する回転角制御部６５と、堆積した土砂３０を排砂するのに要する時間を算出する排出時間算出部６７と、を備えている。これらはＣＰＵを備えるコンピュータ７０によって構成されており、ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現されている。なお、駆動手段２２は、前記コンピュータ７０により決定した回転角の情報に応じて前記板材１５を回転させる。

上記構成によれば、堆積した土砂３０や流路５内の流れの状態に応じて板材１５の回転角を設定することができるので、より効率よく排砂を促進することが可能になる。以下、排砂促進装置１の動作を詳細に説明する。まず、図５を参照して排砂のメカニズムを説明する。

図５は、流路底面８０の近傍における流速分布を模式的に示す断面図である。図中の矢印の長さは、流速の大きさを表している。同図に示すように、流速は流路底面８０に近づくにつれて小さくなる。これは、流路底面８０の近傍では、土砂３０などからの摩擦力の影響を受け易くなることに起因している。排砂は、土砂３０表面上の流速が限界摩擦速度を超えると発生する。

次に、図６を参照して、排砂促進方法の処理手順の一例を説明する。図６は、排砂促進装置１の設定を決定するまでの手順の一例を示す流れ図である。

排砂促進装置１を設定するにあたっては、まず、流路５内に存在する土砂３０の平均粒径を測定し、限界摩擦速度を算出する（Ｓ１）。なお、前記平均粒径の測定は、排砂促進装置１が自動で行ってもよいし、測定結果を他装置より取得するとしてもよい。

この限界摩擦速度は、下記の式１（岩垣式）で与えられる。
［式１］岩垣式

すなわち式１によれば、堆積した土砂３０の平均径d (cm/s)から限界摩擦速度u_*c(cm/s)を求めることができる。限界摩擦速度算出部４５は、式１に基づいて限界摩擦速度u_*c(cm/s)を算出する（Ｓ２）。

また、式２によれば、式１により求めた限界摩擦速度u_*c(cm/s)から、流路底面８０より粒径の数倍の距離(αd)離れた位置における流速u_b(cm/s)を求めることができる。
［式２］

流速算出部５０は、式２に基づいて流路底面８０の近傍の流速u_b(cm/s)を求める（Ｓ３）。

排砂可能範囲判定部５５は、仮決定された排砂促進装置１の設置位置にしたがって（Ｓ４）板材１５の種々の回転角に対する流速分布を数値解析し、流速が、式２に基づいて算出された流速u_b(cm/s)以上となる領域（排砂可能範囲）を求め（Ｓ５）、この排砂可能範囲が適当かどうかを判定する（Ｓ６）。排砂可能範囲が適当かどうかの判定基準としては、例えば、排砂可能範囲が土砂３０の存在する領域を含んでいるかどうかを基準として判定する。

回転角制御部６５は、排砂可能範囲が適当となるように板材１５の回転角を制御する。排砂可能範囲が適当でない場合は、所望の排砂可能範囲が得られるように板材１５の回転角、枚数、大きさなどを変更してもよい（Ｓ７）。例えば、板材１５の回転角を変えたら、その板材の回転角に対する流路５内の流速分布を数値解析し、排砂可能範囲が適当かどうかの判定を再度行う。すなわち、上記処理手順（Ｓ４）に戻り、適当な排砂可能範囲が得られるように各種設定を変更する。

一方、排砂可能範囲が適当であった場合、排出時間算出部は、下記の式３（マイヤーペーター・ミューラー式）などを用いて堆積した土砂３０を流下するのに要する時間を算出する（Ｓ８）。このような処理を行うとすれば、例えば板材１５を設定後、前記排出時間を経過したら、排砂促進装置１の設定位置などを適宜変更可能とする、といった運用ができる。
［式３］マイヤーペーター・ミューラー式

次に、図７及び図８を参照して板材１５の動作説明をする。
図７及び図８は、流路底面８０から水面方向に５（ｃｍ）離れた位置における流速分布のシュミュレーション結果を示す図である。図７は、板材１５の回転角を、流れと平行（この板材１５の位置を回転角０度の状態とする）に設定したときの結果を示し、図８は、板材１５を時計回りに３０度回転させたときの結果を示している。なお、この流路５は、幅５（ｍ）、水深１．５（ｍ）、平均流速０．９（ｍ／ｓ）であり、流路５内に存在する土砂３０の平均粒径は１（ｃｍ）である。

式１によれば、流路底面８０から５（ｃｍ）離れた位置において土砂３０を押し流すための限界摩擦速度u_*c(cm/s)は、約１．１３（ｍ／ｓ）以上と求めることができる。ところが、図７によれば、流路５内に流速１．１３（ｍ／ｓ）以上となる領域が存在しない。従って、板材１５を流線に対して平行に配置したのでは土砂３０を効率よく流下することができない。

一方、図８では、板材１５の下流側に部分的に流速の速い領域が発生している。特に、図中に太線で囲んだ領域８２に注目すると、流速が約１．１３（ｍ／ｓ）以上となっており土砂３０を流下するのに十分な流速である。このため、この排砂可能範囲内に堆積した土砂３０は下流側へ流下され易くなる。

これらの図から分かるように、排砂可能範囲は、板材１５の回転角が変化すればその分布が変化する。従って、土砂３０をより効果的に流下するためには、板材１５の回転動作を適切に行うことが望ましい。

板材１５の回転動作としては、例えば時間の経過と共に回転角を変化させることが考えられる。具体的には、板材１５を一定の回転角の範囲内で往復させることが想定できる。このように板材１５を動かせば、排砂可能範囲が時間の経過と共に変化するので、土砂３０が特定の場所のみに堆積しなくなることが予想される。

或いは、排砂可能範囲は、流量、平均流速などの流れの状態と板材１５の回転角などの対応関係が分かれば予測できると考えられるので、これらの対応関係を記憶部６０に格納しておき、この格納されたデータに基づいて板材１５の回転角を決定してもよい。例えば、流量及び平均流速が一定値に制御されている流路５であれば、板材１５の回転角と排砂可能範囲との対応関係を格納しておけばよい。このようにすれば、板材１５の回転角を決めると排砂可能範囲を予測できるので、より効率良く排砂を促進することができると考えられる。

例えば、図７において点線で囲まれた領域８４に土砂３０が堆積しているとする。この領域に存在する土砂３０を排砂するためには、土砂３０のある領域が排砂可能範囲に含まれるようにすればよい。すなわち、記憶部６０に格納された板材１５の回転角と排砂可能範囲との対応関係からこのような条件を満たす回転角を検索し、板材１５を設定する。この例では、板材１５の回転角が例えば３０度であれば土砂３０の存在する領域を包含できる。

なお、本発明は、流量、平均流速などの流れの状態が変化するような流路５の場合であっても適用することができる。すなわち、このような場合は、これらの流れの条件と排砂可能範囲との対応関係をデータベースとして格納しておけばよい。

以上の構成によれば、自然の流下能力を利用して土砂３０を流下することができる。

また、本実施形態では流路５に対して一つの排砂促進装置１を設置することを想定して説明したが、複数の排砂促進装置１を設置してもよい。また、流路５は真っ直ぐでなくてもよく、曲折していてもよい。

また、本発明は、排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及び排砂促進装置を備えてなる構造物を含有する。

排砂促進装置の第一実施形態を示す図である。排砂促進装置の第二実施形態を示す図である。排砂促進装置の第三実施形態を示す図である。排砂促進装置の一構成例を示す図である。流路底面付近における流速分布を模式的に示す断面図である。排砂促進装置の設定が決定されるまでの手順の一例を示す流れ図である。流速分布の数値解析結果を示す図１である。流速分布の数値解析結果を示す図２である。

符号の説明

１排砂促進装置３コンクリート地盤
５流路１０支点部
１５板材２０ヒンジ
２２駆動手段２５梁
２７脚部２８空所
２９基部３０土砂
３５巻き取り機４５限界摩擦速度算出部
５０流速算出部５５排砂可能範囲判定部
６０記憶部６５回転角制御部
６７排出時間算出部７０コンピュータ
７５ワイヤー７７通信線
７９制御室８０流路底面

Claims

流路内に堆積した土砂の排出を促進する装置であって、
前記流路内に立設した支点部と、
当該支点部に回転可能に設置された板材と、
前記土砂の平均粒径に基づいて限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出部と、
前記限界摩擦速度に基づいて前記流路内の底面付近の流速を算出する流速算出部と、
前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定する排砂可能範囲判定部と、
前記排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御する回転角制御部と、
を備えることを特徴とする装置。
請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の流路内での設置位置に応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする装置。
請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の前記板材の枚数に応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする装置。
請求項１に記載の排砂促進装置であって、前記排砂可能範囲判定部は、前記排砂促進装置の前記板材の大きさに応じて、排砂可能範囲を判定することを特徴とする装置。
請求項１に記載の排砂促進装置であって、
前記板材の回転角と前記流体の流速分布との対応関係を格納した記憶部を備え、前記排砂可能範囲判定部が、前記記憶部に格納された対応関係を利用して、板材の回転角を決定することを特徴とする装置。
請求項１に記載の排砂促進装置であって、
前記回転角制御部は、時間の経過と共に前記板材の回転角を所定範囲で変化させることを特徴とする装置。
請求項１から６のいずれかに記載の排砂促進装置であって、
前記堆積した土砂を排砂するのに要する時間を算出する排出時間算出部を備えることを特徴とする装置。
請求項１〜７のうち何れか１項記載の排砂促進装置を備えてなる構造物。
流路内に立設した支点部と、当該支点部に回転可能に設置された板材とを備える排砂促進装置を用いた排砂促進方法であって、
前記土砂の平均粒径から限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出する工程と、
前記限界摩擦速度から前記流路内の底面付近の流速を算出する流速を算出する工程と、
前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定する工程と、
排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
流路内に立設した支点部と、当該支点部に回転可能に設置された板材とを備える排砂促進装置を用いた排砂促進方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記土砂の平均粒径から限界摩擦速度を算出する限界摩擦速度算出するステップと、
前記限界摩擦速度から前記流路内の底面付近の流速を算出する流速を算出するステップと、
前記排砂促進装置の板材の回転角に応じて排砂可能範囲を判定するステップと、
排砂可能範囲が所定範囲以上となるように、前記板材の回転角を制御するステップと、
を含むことを特徴とするプログラム。