JP4528920B2 - 止水ゲートの開閉構造 - Google Patents

Description

本発明は、中山間地域の水路に設けられる止水ゲートの開閉構造に関する。

河川を水源とする中山間地域の水路では、洪水が発生すると、河川から大量の水が流入し、溢水による水路崩壊が起こる。また、大量の水とともに土砂が水路内に流入する。これを防ぐためには、河川と水路の接続部である取水口をゲートで閉め切って止水する操作が必要となる。しかし、中山間地域は、過疎化による農業従事者の減少の影響で、ゲートの操作は高齢者によって行われていることが多く、洪水時の操作は危険を伴う。従って、十分なゲート操作が行われていないのが現状であり、洪水後には、崩壊した水路の復元と堆積した土砂の浚渫作業が必要となる場合が多い。また、中山間地域では、ゲート操作を行う者が居住する集落と、取水口とが離れていることが多く、これらを結ぶ水路は延長数kmに及ぶ。例えば、既存の手動式スライドゲートを止水ゲートとして建設した場合、ゲート操作者は、溢水のために足場の悪くなった水路脇を歩いて取水口まで行くことが必要となる。前述のとおり、操作者は高齢者がほとんどであることから、大変な危険を伴う。

このため、本発明者らは、設計水位以上の水位に達すると、自動的にゲートを閉じる止水ゲートを提案した（非特許文献１参照）。この止水ゲート１０２は、図１３および図１４に示すように、水路床がほぼ平坦に形成された水路１０３に設けられ、高さａ以下の水位の時は水路１０３を開いて通水を許容し、高さａ以上の水位に達すると、水路１０３を遮断して上流側（図１３の左側）からの流入水を阻止するようになっている。この止水ゲート１０２は、水路１０３の幅方向両側に設置された両支持脚１０４Ａ、１０４Ｂと、これら両支持脚１０４Ａ、１０４Ｂ間に架け渡されて回動自在に支持される回転軸１０５と、この回転軸１０５に上下流側に延長して取り付けられ回転軸１０５と一体回動するアーム１０６と、このアーム１０６の上流側一端に取り付けられ、揺動端部１０７Ａが高さａで開状態に保持され、回転軸１０５の回動に応じて水路を開閉する板状の扉体１０７とを備えている。アーム１０６は、回転軸１０５を中心に１４０°の角度で折曲される。アーム１０６の他端には、カウンタウェイト１０８が設けられる。アーム１０６を上記角度にしているのは、カウンタウェイト１０８の取り外しがし易くなるように、カウンタウェイト１０８の位置が水路１０３の天端より上になるよう設計している。カウンタウェイト１０８は、常時、扉体１０７が開方向（図１３の回転軸１０５を中心にした時計回り方向）に回転する力Ｍｏを与えるようになっている。水路１０３の側壁１０９には、扉体１０７に当接するストッパ１１０が設けられる。このストッパ１１０は、扉体１０７を、閉動作を開始する水位に保持するとともに、扉体１０７を風などの外力により開状態位置から上方へ変位するのを規制するようになっている。扉体１０７は、開状態位置で揺動端部１０７Ａに流入水が当たるように上流側の面を上流側に向けた傾斜状態に保持され、閉状態位置で水路断面を傾斜して塞ぐよう構成されている。開口高さａは、扉体１０７が開状態位置にあるときの扉体下端部１０７Ｃと水路１０３の床面との間の距離であり、洪水時の水位ｈ１より低く設定される。

そして、水路１０３に高さａ以上の水流が流入し、揺動端部１０７Ａが流入水の水圧を受け、開方向のモーメントＭｏに打ち勝つ力を受けると、扉体１０７は閉動作を開始し、さらに流入水の圧力を受けて水路１０３を閉じるようになっている。一旦、扉体１０７が水路１０３を閉じると、扉体１０７の下流側水位は低下する一方、扉体１０７の上流側面は上流側の高い水位による水圧を受け続けて、閉じた状態を維持するようになっている。そして、扉体１０７の開方向のモーメントＭｏが上流側水位の水圧に打ち勝つまで低下しないと、扉体１０７は開かれないようになっている。すなわち、扉体１０７の上流側水位が数cmまで低下しないと、扉体１０７は開動作しないようになっている。このとき、扉体１０７の上流側水位に打ち勝つ開方向のモーメントを増加させるためカウンタウェイトの重量を増大させると、扉体１０７は開状態位置にあるとき、閉動作しなくなってしまう。このため、扉体１０７が開状態位置にあるとき、流入水のわずかな水圧を引き金として円滑に閉動作させるには、開方向のモーメントＭｏと閉方向のモーメントＭｃとをバランスさせ、開方向のモーメントＭｏがわずかに上回るよう設定している。
島武男、田中良和、中達雄、川尻裕一郎、片山秀策著「農業土木学会誌第７０巻第２号」独立行政法人農業工学研究所発行、２００２年２月、ｐ．１２１−１２４

しかしながら、上記従来の止水ゲート１０２では、水路に設定した高さａ以上の水が流入し、一旦、扉体１０７が水路１０３を閉じてしまうと、扉体１０７の上流側水位が数cm程度まで低下しないと、扉体１０７が開方向のモーメントＭｏにより自ら開動作することはない。このため、止水ゲート１０２は、洪水時には、流入水の圧力により自動的に閉じるものの、洪水後、設定水位以下の通常の水位に復帰しても、上流側水位が数cm程度まで低下しないと扉体１０７は閉じられたままとなってしまい、操作者は設置場所まで出かけて手動により扉体を開かなければならないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、流入水が設定水位以上に達すると流入水の圧力を利用して自動的に閉じ、流入水が設定水位以下の通常の水位に復帰すると自動的に開いて通水を許容するとともに、動力を用いることなく自動的に開閉させる止水ゲートの開閉構造を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る止水ゲートの開閉構造は、止水ゲートを、水路に架け渡され回動自在に支持される軸と、この軸の上流側に設けられて一体回動し水路を開閉する開閉部材と、この軸の下流側に設けられたカウンタウェイトとを備えて構成するとともに、流入水が所定の高水位に達すると閉じ、所定の上下流水深差で開く止水ゲートの開閉構造において、開閉部材が閉じる水路床面の下流側をこの床面より高くしたものである。

請求項１に係る止水ゲートの開閉構造では、止水ゲートを、水路に架け渡され回動自在に支持される軸と、この軸の上流側に設けられて一体回動し水路を開閉する開閉部材と、この軸の下流側に設けられたカウンタウェイトとを備えて構成するとともに、流入水が所定の高水位に達すると閉じ、所定の上下流水深差で開く止水ゲートの開閉構造において、開閉部材が閉じる水路床面の下流側をこの床面より高くしたことにより、水路に流入する流入水の水位が上昇し所定の高水位に達すると、開閉部材の揺動端部に流入水の水圧が作用し、この水圧が開閉部材の開方向のモーメントを越えると、開閉部材は閉動作を開始し、閉動作に従って開閉部材の上流側面が流入水の流水圧を受けて、水路を閉じる。このとき、開閉部材の上流側面は流入する流入水の水位に応じた水圧を受ける一方、開閉部材の下流側は徐々に水位が低下し、高い床面に応じた水位が維持される。上流側水位が下流側水位より高いと、開閉部材の上下流側で水位差が発生する。上流側の流入水の水位が低下して、開閉部材の下流側の水位近くまで低下し、開閉部材の上下流側間の水位差による上流側からの水圧が開方向のモーメントより低下すると、開閉部材に生じる浮力と相俟って開閉部材の開方向のモーメントにより開閉部材は開動作を開始し、元の開状態位置に復帰する。このため、開閉部材は、上流側からの流入水が開状態の高さ以上の水位に達すると、流入水の圧力を利用して自動的に閉じ、流入水が通常の水位に復帰し上下流側の水位差が小さくなると、動力を用いることなく自動的に開いて通水を許容する。

また、請求項２に係る止水ゲートの開閉構造は、開閉部材より下流側の水路床に通常時の通水を許容する堰を設けたものである。

請求項２に係る止水ゲートの開閉構造では、開閉部材より下流側の水路床に通常時の通水を許容する堰を設けたので、簡素な構成で下流側の水位を所定の水位に維持することができるとともに、堰の高さを変えるだけで維持すべき下流側水位を決定することができる。

さらに、請求項３に係る止水ゲートの開閉構造は、水路側壁には、開閉部材に当接し、開閉部材が閉動作を開始する水位に保持するストッパを設けたものである。

請求項３に係る止水ゲートの開閉構造では、水路側壁には、開閉部材に当接し、開閉部材が閉動作を開始する水位に保持するストッパを設けたことにより、開閉部材が閉動作を開始する水位をストッパにより決定することができる。また、開閉部材の開状態時、風雨など天候による外力の影響を抑えることができる。

請求項４に係る止水ゲートの開閉構造は、カウンタウェイトを、回転モーメントを調整可能に構成したものである。

請求項４に係る止水ゲートの開閉構造では、カウンタウェイトを、回転モーメントを調整可能に構成したことにより、水路の設置場所に適した回転モーメントを設定することができ、設計の自由度を増大させることができる。

請求項５に係る止水ゲートの開閉構造は、水路床面には、開閉部材が閉じた際の衝撃を緩和する緩衝材を設けたものである。

請求項５に係る止水ゲートの開閉構造では、水路床面には、開閉部材が閉じた際の衝撃を緩和する緩衝材を設けたことにより、開閉部材がたとえ急激に閉じられても、閉じた瞬間の衝撃が緩和されるので、はね返りによる不安定な動作を抑えることができる。

本発明に係る止水ゲートの開閉構造では、止水ゲートを、水路に架け渡され回動自在に支持される軸と、この軸の上流側に設けられて一体回動し水路を開閉する開閉部材と、この軸の下流側に設けられたカウンタウェイトとを備えて構成するとともに、流入水が所定の高水位に達すると閉じ、所定の上下流水深差で開く止水ゲートの開閉構造において、開閉部材が閉じる水路床面の下流側をこの床面より高くしたので、流入水が所定の高水位に達すると動力なしで自動的に閉じ、通常の水位に復帰し上下流間の水位差が小さくなくなると動力なしで自動的に開いて通水させることができる。このため、自動で水路の開閉操作が行われるので、現場に行く必要がなくなり省力化を図ることができる。また、駆動装置を用いることなく開閉操作を行うことができるので、コストダウンを図ることができる。

現場に行かないで、かつ、駆動装置を用いることなく自動的に水路の開閉操作を行うという目的を、水路の両側に設置した支持部間に回動軸を架け渡して回動自在に支持させ、この回動軸にアームを上下流側に取り付け、アームの上流側端部に扉体を、下流側端部にカウンタウェイトをそれぞれ取り付けて止水ゲートを構成し、この止水ゲートの扉体揺動端部を開状態で水路の上流側上部に臨ませ、閉状態で水路断面を傾斜状態で塞ぐよう、カウンタウェイトを調整して扉体の回転モーメントを設定し、扉体の下流側には、水路床に堰を設け、扉体の下流側を所定の水位に維持することにより実現した。

以下、図面に示す実施例により本発明を説明する。図１は、本発明に係る止水ゲートの開閉構造が設置される場所の一例を示す説明図、図２および図３はそれぞれ、第１の実施例に係る止水ゲートの開閉構造の平面図および縦断面図である。本実施例に係る止水ゲートの開閉構造は、図１に示すように、河川Ｒｖから取水口Ｓｇを介して河川水が受益地Ａに導入される水路３に設けられる。止水ゲート２の上流側には、水路３と河川Ｒｖとを結ぶ放水路Ｄｃが設けられ、洪水時、止水ゲート２が閉じられると、流入水を河川Ｒｖに戻すようになっている。

止水ゲート２は、図２および図３に示すように、水路３の両岸３Ａ、３Ｂに水路の幅方向両側に設置された支持脚４Ａ、４Ｂと、これら両支持脚４Ａ、４Ｂ間に架け渡されて水路３の上方で回動自在に支持される回動軸５と、この回動軸５に取り付けられて水路の上下流方向に延び、回動軸５を中心に上流側と下流側とが所定の角度θ１（本実施例では、θ１＝１４０°）を有する折曲アーム６と、このアーム６の上流側端部に取り付けられ、水路断面を塞ぎ所定の傾斜角度θ２（本実施例では、θ２＝６０°）で水路３を閉じる板状の扉体（開閉部材）７と、アーム６の下流側他端に設けられるカウンタウェイト８とを備えて構成される。カウンタウェイト８は、常時、扉体７に開方向（図３の回動軸５を中心に時計回り方向）に回転する回転モーメントＭｏを付与するとともに、重量が調整可能になっており、開方向の回転モーメントＭｏを変化させることができるようになっている。扉体７の開方向の回転モーメントＭｏは、閉方向の回転モーメントＭｃとほぼ釣り合い開方向の回転モーメントＭｏがごくわずかに勝るように設定されており、扉体７が閉方向（図３の回動軸５を中心に反時計回り方向）にわずかな力を受けても閉方向の動作を開始することができるようになっている。

さらに、扉体７は、傾斜角度θ２で閉じた場合、上下流側から静水圧を受ける条件で、扉体７にかかる上下流側水深差が数cm（２〜４cm）の水深差となると、開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃに打ち勝つよう設定される。この設定は、後述するモデルを用いた実験結果から、開動作開始係数βを導き、どの程度の水深差で開動作を開始するか決定するようになっている。水深差がない場合、すなわち、扉体７の上下流側水位がほぼ等しい場合、開動作開始係数βに関係なく、扉体は開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃに打ち勝つようになっている。

水路３の側壁９上部には、扉体７に当接するストッパ１０が設けられる。このストッパ１０は、扉体７を、閉動作を開始する水位ｈ１に保持するとともに、扉体７を風などの外力により開状態位置から上方へ変位するのを規制するようになっている。また、このストッパ１０は、扉体７が、常時カウンタウェイト８側から与えられる、閉方向のモーメントＭｃよりわずかに大きい開方向のモーメントＭｏ（Ｍｏ＞Ｍｃ）によって上方へ変位しようとするのを規制するようになっている。また、扉体７は、開方向のモーメントＭｏと閉方向のモーメントＭｃとの差がきわめて小さい場合、カウンタウェイト８側とほぼ釣り合った状態、すなわち、やじろべえのような状態となり、わずかな外力でも受けると、振り動いてしまう。その場合でも、扉体７は、ストッパ１０に当たることにより振り動きが防止される。そして、扉体７は、ストッパ１０に当接した開状態で、揺動端部７Ａが上流側に向き傾斜状態で水路の上部に臨むようになっている。扉体７は、開状態位置における最下端部７Ｃと水路床３Ｃとの間の開口高さａを、洪水時の水位ｈ１より低く設定している。

このため、図５に示すように、上流側からの流入水ＦＬが、開口高さａの水位を越え、予め設定された洪水時の水位ｈ１に達すると、扉体７の揺動端部７Ａは水没して流水圧Ｆ１を受け、この流水圧がカウンタウェイト８による開方向のモーメントＭｏに打ち勝つと、扉体７は回動軸５を中心に閉方向に回り始め、一旦回り始めると扉体７の上流側面に一気に流水圧を受け、水路断面を塞いで水路３を閉じるようになっている。水路床面３Ｃには、緩衝材１１（図３参照）が設けられ、扉体７が閉じた際の衝撃を緩和するようになっている。扉体７には、図４に示すように、下流側面に桁材７Ｂが形成され、この桁材７Ｂを介してアーム６に溶接される。このように止水ゲート２は、予め設定された洪水時の水位ｈ１未満で水路３を開いて通水を許容し、設定水位ｈ１以上の水位に達すると、水路３を遮断して上流側からの流入水を阻止するようになっている。

ところで、この止水ゲート２には、図３に示すように、扉体７の下流側の水路床３Ｃに所定の高さＨｄを有する堰２０が設けられる。つまり、扉体７が閉じる水路床面３Ｄの下流側をこの床面３Ｄより高くしている。堰２０は、扉体７の開閉状態に関係なく、常時、その上流側で高さＨｄに応じた所定の水位Ｌ１（Ｌ１≒Ｈｄ）を維持するようになっている。つまり、通常時、水路３に流れ込む流入水が洪水時の水位ｈ１未満の場合であって、堰２０の高さＨｄに応じた水位Ｌ１より高い水位の場合、堰２０より下流側への通水を許容し、水位Ｌ１より低い場合、下流側への通水を阻止するようになっている。そして、図７の（Ａ）に示すように、止水ゲート２の上流側水位が洪水水位ｈ１に達して、扉体７が閉じると、水路断面は遮断される。水路３が遮断されると、閉状態の扉体７の下流側水位Ｌ２が徐々に下がり始め（水位Ｌ２＜水位ｈ１）、やがて、図７の（Ｂ）に示すように、扉体７の下流側が水位Ｌ１まで下がると、堰２０によりその水位Ｌ１が維持される。このとき、扉体７の上流側水位が高い状態（洪水水位ｈ１）にあると、下流側水位Ｌ１との間では、水深差が大きくなり、扉体７に上流側から水圧Ｆ２が作用し、止水ゲート２は扉体７が閉状態のままとなる。その後、図７の（Ｃ）に示すように、扉体７の上流側水位Ｌ３が徐々に下がり始め（水位Ｌ３＜水位ｈ１、水位Ｌ３＞水位Ｌ１）、やがて、図７の（Ｄ）に示すように、扉体７の上下流側水深差が小さくなると、扉体７は、閉方向のモーメントＭｃと開方向のモーメントＭｏとが次第に釣り合いだし、上下流側水深差が数cm（２〜４cm）に縮まると、開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃを上回り、開方向に動作を開始し、元の開状態位置に復帰し、ストッパ１０に当接するようになっている。扉体７の上下流側水位差がなくなり、上下流側水位とも堰２０と同じ水位Ｌ１まで低下したときには、扉体７の開方向のモーメントＭｏは閉方向のモーメントＭｃを完全に上回るようになっている。この開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃを上回る水深差は、後述するモデルによる実験結果から導かれた係数に基づいて求められる。この開動作を開始する水深差が決まると、この水深差に基づいて水路３の設計寸法を考慮して堰２０の高さＨｄが決められるようになっている。この堰２０の高さＨｄは、水路３の通常時の通水に影響を与えない程度に設定されるようになっている。

次に、開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃを上回る上下流側水深差を導く過程を実機を用いた実験結果に基づいて説明する。まず、図８および図９に示すように、設計された水路に基づいて、水路３のモデルＭ３と扉体７に開方向のモーメントを与えるウェイト８を連結した止水ゲートのモデルＭ２とを用い、開動作を開始する時の開動作開始係数β＝Ｍｏ／Ｍｃを求める。この開動作開始係数βについて開動作を開始するのはウェイト８の重量を変えることにより、水路３の通常時の通水に影響を与えない程度の堰２０の高さＨｄに応じた水位Ｌ１であって、扉体７の水没時の深さが最も浅くなる時である。この時の上下流の水位を測定するなどしてウェイト８の開方向のモーメントＭｏと扉体７にかかる静水圧による開方向のモーメントＭｃを計算し、開動作開始係数βを求めた。その結果、開動作開始係数βは、１．０２ないし１．１４の範囲が最も好ましいことがわかった。こうして、この最も好ましい係数βに基づいて、それぞれ設計された水路と止水ゲート２の構造とから、扉体７に開動作させる上下流水深差を導くようになっている。

同様に、扉体７が開状態位置から閉動作を開始する閉動作開始時の水位ｈ１についても水路３のモデルＭ３と止水ゲートのモデルＭ２とを用い、実験を行った。これらモデルＭ３、Ｍ２を用いて、扉体７が開状態位置から閉動作を開始する時の閉動作開始係数α＝Ｍｏ／Ｍｃを求める。この閉動作開始係数αについて、ウェイト８の重量を変えることにより、それぞれ閉動作を開始する時の上下流水位や流速を測定し、ウェイト８の開方向のモーメントＭｏと扉体７にかかる流水圧による閉方向のモーメントＭｃを計算によって求めた。その結果、閉動作開始係数αは、１．０２ないし１．０９の範囲が最も好ましいことがわかった。こうして、この最も好ましい係数αに基づいて、それぞれ設計された水路と止水ゲート２の構造とから扉体７の開状態位置（つまり、開状態位置の揺動端部７Ａの高さとそれを決定するウェイト重量など）を決定するようにしている。

次に、本実施例に係る止水ゲートの開閉構造の作用について説明する。水路３に流入する流入水が、図５に示すように、開口高さａを越えると、扉体７の揺動端部７Ａに流入水の水圧（このときの流入水ＦＬの流速ｖ１）が作用し始め、水位が設定水位ｈ１に達し、この水圧Ｆ１が扉体７の開方向のモーメントＭｏを越えると、扉体７は閉動作を開始し、閉動作に従って扉体７の上流側面が流入水ＦＬの流水圧を受けて、水路３を閉じる（図３および図６参照）。このとき、扉体７の上流側面は流入する流入水ＦＬの水位に応じた水圧Ｆ２を受ける一方、扉体７が閉じているため、図７の（Ａ）に示すように、扉体７の下流側は徐々に水位Ｌ２が低下する。やがて、図７の（Ｂ）に示すように、扉体７の下流側は水位Ｌ１まで下がると、堰２０によりその水位Ｌ１で維持されるようになっている。このとき、扉体７の上流側水位が高いままの状態にあると、下流側水位Ｌ１との間では、水深差が大きくなり、上流側からの水圧Ｆ２により止水ゲート２は扉体７が閉状態で維持される。その後、図７の（Ｃ）に示すように、扉体７の上流側水位Ｌ３が徐々に下がり、やがて、図７の（Ｄ）に示すように、扉体７の上下流側水深差が小さくなると、扉体７は、閉方向のモーメントＭｃと開方向のモーメントＭｏとが次第に釣り合いだし、上下流側水深差が数cm（２〜４cm）に縮まると、開方向のモーメントＭｏが閉方向のモーメントＭｃを上回り、開方向に動作を開始し、元の開状態位置に復帰する。このように、止水ゲート２は、下流側を堰上げしているので、水路３の流入水ＦＬが所定水位ｈ１に達すると、扉体７が流入水の圧力Ｆ１を受けて自動的に閉じ、閉じた後、流入水ＦＬが通常の水位に復帰し上下流側の水位差が小さくなると、動力を用いることなく自動的に開いて通水を許容するようになっている。このため、洪水時にも、洪水後の通常時にも、現場に出かけてゲートを操作する必要がなくなる。動力も使用することがないので、点検保守の作業を省力化することができ、不要でコストダウンを図ることができる。

発明者らは、洪水時に水路内の水位が上昇すると自動的に閉じて全量をカットし、洪水後に水位が低下すると、自動的に水路を開いて送水を開始する止水ゲートの鋼製の実機を、図８および図９に示すように、上記実施例に基づいて製作して実験を行うとともに、実験により作動特性を確認した。

水路幅０．７ｍ、高さ１．０ｍの水路に設置することを想定し、設計、製作を行った。設計は社団法人農業土木事業協会発行の「鋼構造物計画設計技術指針（水門扉編）」（１９９９年）に従って行い、ゲートの強度は水路のオーバーフロー時の水圧や土砂圧に耐えるものとした。ゲートの部材は、プレート７やカウンタウェイト８に一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）、回転レバー６や回動軸５にＨ鋼や炭素鋼鋼管（ＳＧＰ）、軸受４Ａ，４Ｂにピローブロック型を使用するなど、一般的に入手可能なものとした。カウンタウェイト８は分銅の形状とし、管理者が容易に付け外しできる重量とした。ゲートの総重量（カウンタウェイト８の重量は除く）は８３．４kgとなった。実機Ｍ２の機構は、（ａ）平水時は、回動軸５を中心として上流側の扉体７下流側のカウンタウェイト８がバランスを保ち、扉体７は開放した状態で静止する。（ｂ）扉体７の開きは、洪水の規模に合わせてカウンタウェイト８の量で調節する。（ｃ）洪水時は、流量の増加とともに扉体７に作用する力が増加し、扉体７は閉じる（図９の（Ｂ）参照）。（ｄ）洪水後は、流量の減少とともに扉体７に作用する力が減少し、扉体７は開く（図９の（Ａ）参照）。水路底３Ｃには、扉体７の閉鎖時の衝撃を緩和する緩衝材（ゴム）１１を取り付け、水路Ｍ３の側壁には、風などの影響を考慮し、扉体７のバランス時の状態を保持するストッパ１０を取り付ける。

実験装置および実験方法について
実験で使用した水路Ｍ３は、幅１ｍ、高さ１ｍ、長さ６５ｍのコンクリート水路である。上流から２５ないし４５ｍの間は、水路Ｍ３内を幅１０cmの隔壁３０で分割し、７０cmの水路幅の側を主水路Ｍ３ｍ、２０cmの水路幅の側を側水路（扉体７閉鎖時に生じる余水を放流するためのもの）Ｍ３ｓとした。主水路Ｍ３ｍにゲート５、６、７、８（回動軸５、アーム６、扉体７およびカウンタウェイト８）を取り付け、隔壁３０に余水吐（図示せず）を取り付けた。また、扉体７から上流側２ｍの位置を計測断面Ｘ、下流側３ｍの位置を計測断面Ｙとして、それぞれの断面にサーボ式水位計（図示せず）と電磁流速計（図示せず）を設置した。

実機Ｍ２の閉動作を確認する実験は、カウンタウェイト８の増減によって扉体７の開放高さａを２０〜５０cmの範囲に限定し、上流から流量を段階的に増加させ、扉体７が閉動作を開始した時の計測断面Ｘ、Ｙでのそれぞれの水深ｈ１、ｈ２と流速ｖ１、ｖ２などを計測して行った。扉体７の開動作を確認する実験は、閉状態にある扉体７の上流側の水深を余水吐からの流出をポンプによる汲み出しによって下げてゆき、扉体７が開動作を開始したときの計測断面Ｘ、Ｙの水深ｈ’１、ｈ’２などを計測して行った。なお、実験水路の最下流端に設けた堰２０の高さを調整することで、下流側水深ｈ２、ｈ’２を変化させた。実験条件を図１０に示す。

実験結果について
無動力止水ゲートＭ２の閉動作は、流量の増加とともに扉体７にかかる水深ｈ１−ａ（上流側水位ｈ１と揺動端部７Ａの開口高さａとの差）、または扉体７に作用する流速ｖ１が大きくなることで開始された。図１１に示すように、両者は反比例の関係にある。流速ｖ１が６０cm/s前後の条件（Case４、Case８）では、水深ｈ１−ａは、０．５cm程度で閉動作が開始された。また水深ｈ１−ａが１４cm以上の条件（Case１１、Case１２）では、流速ｖ１は２５cm/s程度で閉動作が開始された。また、閉動作開始から閉鎖までの所要時間は３〜８秒となった。実機Ｍ２の開動作は、流量の減少とともに上流側水深ｈ’１が小さくなり、下流水深ｈ’２との水深差が２〜４cmとなった時に開始された。

実機Ｍ２の実験係数について
止水ゲート２が動作するときには、扉体７や回動部分（ヒンジ部分）に摩擦などが生じる。これらの影響を考慮し、実験結果から閉動作・開動作が開始されるための条件を示す閉動作開始係数α、開動作開始係数β（図５および図６のＭｏ／Ｍｃ（実施例１のＭｏ／Ｍｃに対応する。）を求めた。閉動作は、回動軸５を中心として上流側の閉方向のモーメントＭｃ（止水ゲート２に作用する力ＦのモーメントＭｇｃ＋扉体７のＨ鋼重量のモーメントＭｗｃ）が、下流側の開方向のモーメントＭｏ（カウンタウェイト８のモーメント＋Ｈ鋼重量のモーメント）を上回ると開始される（図５参照）。関係式を数１および数２に示す。

実験結果から、α＝Ｍｏ／Ｍｃは、１．０２〜１．０９となった。よって、ゲート重量や洪水時の水深、流速などから求めたαがこの値の範囲にあれば、無動力止水ゲートＭ２は閉鎖されると考えられる。開動作は、開方向のモーメントＭｏ（カウンタウェイト８のモーメント＋Ｈ鋼重量のモーメント）が閉方向のモーメントＭ’ｃ（止水ゲート２に作用する静水圧ＦのモーメントＭ’ｇｃ＋扉体７のＨ鋼重量のモーメントＭｗｃ）を上回ると開始される（図６参照）。関係式を数３に示す。

実験結果から、β＝Ｍｏ／Ｍ’ｃは、１．０２〜１．１４となった。よって、ゲート重量や洪水後の水深、流速などから求めたβがこの範囲内にあれば無動力止水ゲートは開放すると考えられる。

以上の実験結果により、閉動作開始係数αから、設計された水路と設計予定の止水ゲートの開状態位置（扉体７の揺動端部位置と傾斜角度）を、開動作開始係数βから、閉状態の扉体７を開動作させる止水ゲート２の上下流水深差をそれぞれ求めることができる。求められた上下流水深差により、堰２０の高さＨｄ（下流側水位Ｌ１）を通常水位を考慮して決めるようになっている。

次に、上記実施例の変形例に係る止水ゲートの開閉構造について図１２に基づいて説明する。この変形例に係る止水ゲート５２は、上記第１の実施例に係る止水ゲート２では、水路３の床面をほぼ平坦な面３Ｃに形成し、堰２０により止水ゲート２の下流側水位Ｌ１を確保するようにしているのに対し、この変形例に係る止水ゲート５２では、水路床面５３Ｃのうち、河川Ｒｖの取水口Ｓｇから止水ゲート５２の下流側の所定の位置Ｐ１までの取水口敷５３Ｄを、水路床面５３Ｃより低くし、扉体５７が水没する深さＬｄを確保するようにした点が異なっている以外は、上記第１の実施例とほぼ同一の構成を有している。すなわち、この変形例に係る止水ゲート５２では、水路５３に流入する流入水が、設定水位を超えて水路５３の上部に達し、扉体５７の揺動端部５７Ａに流入水の水圧が作用し、扉体５７の開方向のモーメントＭｏを越える力に達すると、扉体５７は閉動作を開始し水路５３を閉じる。このとき、扉体５７の上流側面は流入する流入水の水位に応じた水圧を受ける一方、扉体５７が閉じているため、扉体５７の下流側は徐々に水位が低下する。そして、上流側水位が低下し、取水口敷５３Ｄにおいて扉体５７の上下流側水位差が小さくなり、数cmになると、扉体５７に生じる浮力と相俟って扉体５７の開方向のモーメントＭｏにより扉体５７は開動作を開始し、元の開状態位置に復帰するようになっている。このため、たとえ、下流側の水路床面５３Ｃの水位が水路床近くまで低下しても、水路５３の下流側への通水を確保することができる。

なお、上記変形例に係る止水ゲートの開閉構造では、取水口敷５３Ｄを、水路床面５３Ｃより低くするよう構成しているがこれに限られるものではなく、水路床面をほぼ平坦な床面とし、この床面のうち、扉体５７の揺動端部５７Ａが閉じて水路を塞ぐ水路床の床面のみを他の床面より低い凹陥部として形成するようにしてもよい。上記各実施例および変形例に係る止水ゲート２、Ｍ２、５２では、開閉手段に重量を調整可能なカウンタウェイト８を用いているがこれに限られるものではなく、カウンタウェイトに代えてアームを開方向に引っ張るばねを用いるようにしてもよい。また、一端がアームに連結された索条をシーブに巻回させ、この索条の他端に錘を吊り下げるようにしてもよい。また、上記実施例では、外力の影響を阻止するためストッパを設けているがこれに限られるものではなく、アームの回動軌跡に沿ったガイドを設け、所定角度以上の開方向の回動を規制するとともに、外力の影響を極力排除してフラッタリングを抑え、扉体の開閉動作を円滑に行うようにしてもよい。さらに、扉体の開動作開始を早めるため扉体に浮きを設けるようにしてもよい。

本発明に係る止水ゲートの開閉構造が設置される場所の一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施例に係る止水ゲートの開閉構造の平面図である。（実施例１） 図２の止水ゲートの開閉構造の縦断面図である。 図２の止水ゲートの扉体を示す斜視図である。 図２の止水ゲートの閉動作を開始する際に作用する力を示す説明図である。 図２の止水ゲートが閉じた際に作用する力を示す説明図である。 （Ａ）ないし（Ｄ）はそれぞれ、図２の止水ゲートが閉じた状態から、下流側水位が変化し、開動作を始めるまでの上下流側水位の変化を順を追って示した説明図である。 図２の止水ゲートの開閉構造の構成に準じて製作された実機による実験装置を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図８の実機がバランスし閉動作を始める瞬間の状態を示す説明図および図８の実機が閉じた状態を示す説明図である。 図８の実機を用いて行った実験の条件を示す表である。 図８の実機を用いて行った実験の結果から、止水ゲートの上流側の流速と扉体が閉動作を開始する際の水没時の深さとの関係を示したグラフである。 本発明の変形例に係る止水ゲートの開閉構造を示す縦断面図である。（実施例２） 従来の止水ゲートの開状態を示す説明図である。 従来の止水ゲートの閉状態を示す説明図である。

符号の説明

３ 水路
５ 回動軸（軸）
７ 扉体（開閉部材）
８ カウンタウェイト（ウェイト）
２０ 堰
Ｌ１ 下流側水位

Claims (5)

1. 止水ゲートを、水路に架け渡され回動自在に支持される軸と、この軸の上流側に設けられて一体回動し水路を開閉する開閉部材と、この軸の下流側に設けられたカウンタウェイトとを備えて構成するとともに、流入水が所定の高水位に達すると閉じ、所定の上下流水深差で開く止水ゲートの開閉構造において、
   開閉部材が閉じる水路床面の下流側をこの床面より高くしたことを特徴とする止水ゲートの開閉構造。
2. 開閉部材より下流側の水路床に通常時の通水を許容する堰を設けたことを特徴とする請求項１に記載の止水ゲートの開閉構造。
3. 水路側壁には、開閉部材に当接し、開閉部材が閉動作を開始する水位に保持するストッパを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の止水ゲートの開閉構造。
4. カウンタウェイトを、回転モーメントを調整可能に構成したことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれかいずれか１に記載の止水ゲートの開閉構造。
5. 水路床面には、開閉部材が閉じた際の衝撃を緩和する緩衝材を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１に記載の止水ゲートの開閉構造。

Images