JP4553979B1 - 膜式水門 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流水や船舶の水路を横切る方向に設けられた一対の支持柱と、前記一対の支持柱に固定され前記一対の支持柱により支えられて展張される膜構造体と、前記一対の支持柱の上部に両端がそれぞれ固定される頂部圧縮梁、及び、前記一対の支持柱の下部に両端がそれぞれ固定される底部圧縮梁のいずれか一方又は両方を備え、平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の撓みδ0が0であるように前記膜構造体が展張されている。
【選択図】図1
Description
これに対して、下記先行技術文献に記載されているように、膜構造体を用いた膜式水門が提案されている。
流水や船舶の水路に設けられる水門や閘門は、その開閉を迅速に行う必要がある。
水門(閘門も含む、以下同じ)は、高潮、津波、高水(本川から支川への逆流)、波浪(静穏化)、流木流入(港内等への)等に対応するためのものである。しかしながら、例えば、津波発生の規模的、場所的、時間的予測技術は未完成であるし、高潮発生に関わる台風の成長・到達場所・到達時刻の予測技術は不十分である。津波や高潮の発生の予測が不完全である以上、津波や高潮による災害を防止して社会的損失を避けるためには、津波や高潮の発生を検知するシステムを整備し、これが実際にその発生を検知したら直ちに水門を閉じるという手段しか取り得ない。
上記先行技術文献に記載された膜式水門では、膜構造体Qに発生する張力はアンカーレッジRで吸収することになるが、我が国の港湾の海底は粘性土質が多いことを考えると、アンカーレッジ荷重が増大すると膜構造体Qに発生する張力をアンカーレッジRで吸収しきれなくなる事態が憂慮される。
膜構造体のアンカーレッジ反力:Ra=Δh×R
梁構造体のアンカーレッジ反力:Ra=Δh×B÷2
(3a)課題3a:膜構造体上部の変形により漏水する。
上記先行技術文献に記載された膜式水門では、膜構造体Qの実長Lが水路幅Bよりも長いため、膜構造体Qの中央部が両端部に対して捩れることがある。このことにより膜構造体Qの頂部が垂れ下がり、ここから越波・越流が発生して漏水する可能性がある。
(3b)課題3b:膜構造体下部の変形により漏水する。
特許文献9:特許第3958151号公報の段落0004には、「上記従来の防潮・防波堤では、張力を分散させるため、水路幅に対して膜構造体1(ケーブルワイヤー10b)を長くしている。しかし、膜構造体1の長さをL、水路幅をBとおくとき、L/Bが大きいと、膜構造体1が立った姿勢で保つことが困難となり、ねじれが発生しやすくなる。ねじれが発生すると、潮が膜構造体1の上または下を乗り越えてしまうという問題があった。」と記載されている。要するに「L/Bが1より大きい」ために「ねじれ」が発生し、「潮が膜構造体1の上または下を乗り越える」というのである。
「潮が膜構造体1の上を乗り越える」というのは、上記課題3aと同じことである。
これに対し、「潮が膜構造体1の下を乗り越える」ということは、膜構造体が水底から浮かび上がり、膜構造体の下端と水底の間に隙間が生じるということを意味するが、これが「L/Bが1より大きい」ことに起因するとは理解できない。なぜなら、膜構造体は、水中にあっても重力を受けており、「L/Bが1より大きい」ためにたるみが生じ、全体として水底に近づくことはあっても、水底から浮かび上がることはないからである。したがって、特許文献9における課題の認識は誤っていると思われる。
特許文献9は、潮・波の乗り越えの防止を目的としその対策を開示しているが、その原因は「L/Bが1より大きい」ためとしている。それが誤りである可能性がある以上、そこで開示している解決手段では、「潮が膜構造体1の下を乗り越える」ことを解決できないと思われる。
詳しくは後述するが、発明者は、膜構造体下部の変形(浮かび上がり)は、鉛直方向断面で見た場合、膜構造体に加わる水圧は一様ではなく(深いほど高い)、このため膜構造体の弾性変形が下部ほど大きく、いわば下側が膨らむようになり、このことにより生じる浮力により膜構造体下部が上昇するためであることを発見した。
少なくとも、水位差の生じていない状態である平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の初期撓みδ0が0であるように前記膜構造体が展張され
少なくとも、津波や高潮などの水位差の生じている状態において、前記頂部圧縮梁及び/又は前記底部圧縮梁は、前記膜構造体から前記一対の支持柱に入った張力の一部を受けてこれをその内部で相殺する、ものである。
「頂部圧縮梁構造」に、さらに底部圧縮梁を設けるようにしてもよく、このような構成も説明の便宜上「頂部圧縮梁構造」に含むものとする。例えば、図1では、底部圧縮梁が回転支承を介して支持柱に接続され、剛接されてはいないので、図1の構造は「頂部圧縮梁構造」である。図1の構造では、回転支承を通して所定の力が伝達され、それが底部圧縮梁の内部で相殺されるので、「枠組み圧縮梁構造」と類似の作用を果たす。なお、「頂部圧縮梁構造」に、底部圧縮梁を設けない構造、及び、底部圧縮梁を設けるがこれが「頂部圧縮梁構造」に連結されていない構造も含むことは言うまでもない。
上記「頂部圧縮梁構造」と同様に、「底部圧縮梁構造」に、さらに頂部圧縮梁を設けるようにしてもよく、このような構成も説明の便宜上「底部圧縮梁構造」に含むものとする。
前記巻き込み機構は、前記平水時において、前記δ0が0であるように前記膜構造体を巻き込み、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の膜張力の上昇に対応して前記膜構造体を繰り出す、ようにする。
前記反力トルクは、前記δ0が0になるまで前記膜構造体を巻き込むように定められ、
前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の張力が増加してこれが前記反力トルク機構の前記反力トルクに打ち勝ち、前記反力トルク機構に巻き取られていた前記膜構造体が繰り出される。
前記巻き込み機構は、前記膜構造体の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを備えるようにしてもよい。
前記一対の石柱には、前記一対の支持柱を支えるための溝であって、上部から下部に向かうにつれて狭くなっている傾斜戸溝がそれぞれ設けられ、
前記一対の支持柱は、前記水位差の生じている状態において、前記傾斜戸溝により水位の低い方へ向かって倒れる、ようにする。
また、前記巻き込み機構に関して、前記膜構造体の底部から上部にかけての少なくとも一部分について、前記巻き込み機構を構成する回転部の半径を前記膜構造体の底部から上部にかけて増すことにより、前記δ0が、前記膜構造体の上部に向かって増加するようにしてもよい。なお、増加範囲は必ずしも最上部まで到達する必要はない。この手段を「δ0調整」と命名する。これによれば、前記膜構造体の垂直中央断面の変位は前屈みとなり、作用水圧は下向きになるので、「膜剛性調整方式」と同様の効果を奏する。
発明の実施の形態1について、図1及び図2を参照して説明する。
図1(a)は、発明の実施の形態1に係る膜式水門の正面図、図1(b)は、同じく平面図である。図2は、図1のA−A矢視断面図である。図2(a)は、膜構造体3を起立させた状態(膜構造体3が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態)を示し、図2(b)は、膜構造体3を倒伏させた状態(膜構造体3が水底で概ね水平方向へ広がり、水路の水流を遮っていない状態)を示す。
なお、発明の実施の形態に係る膜式水門を、波浪を遮断することで港内を静穏化するための手段、あるいは、河川の表層の流れを遮断することで流木などを押しとどめるいわゆる流木対策の手段として用いる場合には川底の漏水は何ら支障ないから(図4のようになっても構わない)、課題3bは問題とならない。この場合は、課題3aを解決できれば充分である。
発明の実施の形態2(底部収納方式)について、図6及び図7を参照して説明する。
図6(a)は、発明の実施の形態2に係る膜式水門の正面図、図6(b)は、同じく平面図である。図7は、図7のA−A矢視断面図である。図7(a)は、膜構造体3を引き出して起立させた状態(膜構造体3が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態)を示し、図7(b)は、膜構造体3を下方へ収納した状態(膜構造体3が水底下に引き込まれ、水路の水流を遮っていない状態)を示す。
他の収納方式について説明を加える。
図8は、この方式の説明図である。図8(a)は展張状態(図7(a)に相当)、図8(b)は撤収状態(図7(b)に相当)を示す。
図9は、この方式の説明図である。図9(a)は展張状態の平面図、同図(b)は展張状態の正面図、同図(c)は撤収状態の平面図、同図(d)は撤収状態の正面図を示す。
図10は、この方式の説明図である。図9は平面図を示す。実線が展張状態を示し、点線が撤収状態を示す。
図11(a)は、初期撓みδ0に対する水路幅B6の比率δ0/B、と膜構造体3に発生する張力の関係を示す計算例である。膜構造体3の規模、剛性、作用水位差等により計算結果は若干異なるが、δ0/Bの増加に伴い張力が急激に減少する傾向に変わりがない。この事実は、上記「δ0=0展張」が膜張力上昇の原因となることを意味している。
しかし、発明の実施の形態4はこれに限定されない。
また、トルクヒンジによらず、例えば、張力計、コンピュータ、モータによる制御系を構成し、張力に基づきコンピュータで回転部20を所定角度回転させるようにしてもよい。
なお、上記計算例は図1の構造に基づくものである。図1は、定量的な計算に基づき、本発明の実施の形態に係る膜式水門がその効果を適切に発揮できるように設計されたものを示しており、図1において、各部の長さ・幅等は正しいプロポーションを反映している。例えば、図1において、支持柱2、2の直径はいずれも3.7mであり、径間Bは75mである(径間Bと支持柱2、2の直径の比は、20:1程度である)。上記数値例は、図1のプロポーションに基づくものである。
本発明の実施の形態のトルクヒンジには、非常に大きな力(単位長さ(m)当たり何トンもの力)が加わるため、膜構造体を幾重にも巻き取るといった機構を実現することは非常に困難である。したがって、実際上は90度程度の回転がせいぜいである。回転角度が小さいほど、本発明の実施の形態に係るトルクヒンジの実現は容易になるから、トルクヒンジを用いる場合、トルクヒンジが30度程度回転し、このときδ0/B=10%となることが好ましい。δ0/B=10%であっても、図11によれば張力は半分になるから、その効果は大きい。
トルクヒンジの回転角度の上限が、例えば30度になるようにストッパを設けるようにしてもよい(発明の実施の形態7参照)。
図15(a)は、発明の実施の形態5に係る膜式水門の正面図(部分図)、図15(b)は、図15のB−B矢視断面図である。
発明の実施の形態6に係る膜構造体3について説明する。この膜構造体3の説明図を図17に示す。同図(a)は膜構造体3(ケーブルCA)の高さ方向の剛性の変化を示す模式図であり、同図(b)は膜構造体3の断面図を示す。膜構造体3はL0の高さをもつものとする。
発明の実施の形態4の回転部(巻き込み機構)20に、膜構造体3の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを設けるようにしてもよい。例えば、回転部20の回転角度が所定値(例えば30度)になったときに、その回転を停止させる回転止め機構を設けるようにする。この種の機構は公知であるので、その具体的な構成に係る説明は省略する。
発明の実施の形態7に係る膜式水門によれば、膜構造体3の荷重が、図示しないストッパ、回転部20、固定部19、支持柱2を介して圧縮梁に伝達され、そこで相殺される。
発明の実施の形態7に係る膜式水門によれば、膜構造体に所定の水圧が加わるとすぐに膜構造体が繰り出され、ストッパでそれが停止される。ストッパで回転を止めることで膜構造体の張力を圧縮梁に伝達することができるのである。また、発明の実施の形態7に係る膜式水門は、発明の実施の形態4と同じ効果を奏する。
また、膜構造体3の水平方向構成材(例えばワイヤ)の径間中央(水路中央)における初期撓みδ0が、膜構造体3の底部から上部に向かって増加するようにしてもよい。
膜構造体3は水平方向に超高強度材料で形成した数多くのケーブルを配置し、そのフープテンションで水圧差に耐える構造である。初期撓みδ0により膜構造体3の垂直中央断面に形状変化が生じる。図19の符号20’のように、支持柱2の回転部20の半径を、膜構造体3の底部から上部に向かって増加するように設定することにより(あるいは、同図符号20’’に示すように回転部20の水底寄りの一部について底部から上部に向かって増加するように設定してもよい)、膜構造体3の水平方向構成材の初期撓みδ0が膜構造体3の底部から上部に向けて増加する。δ0の量を垂直中央断面の底部から上部に向けて増加させることにより、垂直中央断面の変位は前屈みとなり、膜構造体3に作用する水平力は下方向に向きを変える(図18参照)。したがって、このようなδ0の調整は発明の実施の形態6と同様の効果を奏する。水位差分布は時間とともに変化するので、様々な水位差分布と膜剛性の変化の組み合わせにより膜構造体3の垂直中央断面の形状も様々となる。δ0調整の効果確認には、変形形状に作用する浮力及び加工力を適切に把握することが不可欠である。
なお、δ0調整の目的は下降力を増やすことにあり、δ0量の増加範囲は必ずしも膜頂部まで達する必要はない。例えば、底部においてδ0=0であり、膜構造体3の底部から中間高さである所定の高さ(例えば、全高の30%乃至50%のいずれかの高さ)までδ0が一定の割合kで増加していく。当該所定の高さでδ0=xになったとする。そこから、膜構造体3の頂部(上端)までδ0=xのままで一定である(あるいは一定の割合で減少させていってもよい。この場合、膜構造体3の頂部で再びδ0=0となるようにもできる)。このように膜構造体3の下側で選択的にδ0を増加させることで、発明の実施の形態6と同様の効果を奏するとともに、膜構造体3の頂部でのδ0を小さくでき、頂部からの漏水を抑制することができる。
3 膜構造体
11 頂部圧縮梁
12 底部圧縮梁
13 回転支承
14 駆動設備
15 石柱
16 底部格納スペース
17 枠組み圧縮梁
19 固定部
20 回転部
21 懸垂装置
22 傾斜戸溝
Claims (9)
- 流水や船舶の水路を横切る方向に設けられた一対の支持柱と、前記一対の支持柱に固定され前記一対の支持柱により支えられて展張される膜構造体と、前記一対の支持柱の上部に両側がそれぞれ固定される頂部圧縮梁、及び、前記一対の支持柱の下部に両側がそれぞれ固定される底部圧縮梁のいずれか一方又は両方を備え、
少なくとも、水位差の生じていない状態である平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の初期撓みδ0が0であるように前記膜構造体が展張され、
少なくとも、津波や高潮などの水位差の生じている状態において、前記頂部圧縮梁及び/又は前記底部圧縮梁は、前記膜構造体から前記一対の支持柱に入った張力の一部を受けてこれをその内部で相殺する、ことを特徴とする膜式水門。 - 前記一対の支持柱の少なくとも一方に、前記膜構造体を巻き込む巻き込み機構を備え、
前記巻き込み機構は、前記平水時において、前記δ0が0であるように前記膜構造体を巻き込み、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の膜張力の上昇に対応して前記膜構造体を繰り出す、ことを特徴とする請求項1記載の膜式水門。 - 前記巻き込み機構は、反力トルクを発生する反力トルク機構であり、
前記反力トルクは、前記δ0が0になるまで前記膜構造体を巻き込むように定められ、
前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の張力が増加してこれが前記反力トルク機構の前記反力トルクに打ち勝ち、前記反力トルク機構に巻き取られていた前記膜構造体が繰り出される、ことを特徴とする請求項2記載の膜式水門。 - 前記巻き込み機構は、前記膜構造体の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを備えることを特徴とする請求項2又は請求項3記載の膜式水門。
- 前記一対の支持柱をそれぞれ支える一対の石柱を備え、
前記一対の石柱には、前記一対の支持柱を支えるための溝であって、上部から下部に向かうにつれて狭くなっている傾斜戸溝がそれぞれ設けられ、
前記一対の支持柱は、前記水位差の生じている状態において、前記傾斜戸溝により水位の低い方へ向かって倒れる、ことを特徴とする請求項1記載の膜式水門。 - 前記水位差の生じている状態において前記一対の支柱の倒れる角度は、前記水位差により前記膜構造体に作用する力の鉛直成分と前記膜構造体に加わる浮力とが相殺するように定められている、ことを特徴とする請求項5記載の膜式水門。
- 前記膜構造体の剛性を上部から下部に向かって増加させることにより、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の中間部分の断面が膨らむようにする、ことを特徴とする請求項1記載の膜式水門。
- 前記膜構造体は、その剛性を支える要素として水平方向に延びる複数のケーブルを備え、前記複数のケーブルの剛性を、上部から下部に向かって増加させることを特徴とする請求項7記載の膜式水門。
- 前記膜構造体の底部から上部にかけての少なくとも一部分について、前記巻き込み機構を構成する回転部の半径を前記膜構造体の底部から上部にかけて増すことにより、少なくとも前記一部分について前記δ0が前記膜構造体の上部に向かって増加するようにしたことを特徴とする請求項2乃至請求項4いずれかに記載の膜式水門。
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