JP4658880B2 - ダムの堆積物排出システム - Google Patents

Description

本発明は、ダムの貯水池に溜まった堆積物を排出するシステムに関する。

ダムの貯水池には、上流から土砂や濁水が流入し、水底に泥や土砂等の堆積物が蓄積される。ダムの貯水池は、このような堆積物の容量を予め計算したうえで、設計されるものであるが、予期せぬ自然環境の変化などの要因により、予想を上回る容量の堆積物が溜まることがある。このような堆積物による影響として、一般的に貯水池容量の減少、上流河床の上昇、下流河床の低下や海岸線の後退、生物環境への影響などが指摘されている。

また近年、ダム貯水池の堆積物の問題は、流砂系の総合的な土砂管理の視点から対策を実施することが求められており、ダムにより遮断された土砂を下流へ排出する等、適切な土砂管理によってその連続性を回復させようとする方法や装置が提案されている。
つまり、ダム下流の河床や海岸線の保全、魚類の生息環境の改善等のために、砂の定期的なダム下流河川への供給が必要であり、こうした下流への土砂還元が各分野で研究されている。ダムは一般的には山岳部にあり、土砂を市街地や港湾へ運搬しようとすると、運搬コストが大きくなるため、河川濁度が高い洪水時に放流する下流への土砂還元方法が提案されている。
このような方法としては、第一に、貯水池の底を掘削して浚渫し、土砂をダム下流まで運搬して仮置きし、洪水時に河川に放流する方法であり、これは、多くのダムで試験施工されている。また第二に、ダムの貯水池の上流に分派堰を設け、洪水時にバイパストンネルを通して放流するものがあり、旭ダムや美和ダムで実施されている。第三に、堤体ゲートから下流に排出する方法があり、宇奈月ダムや出し平ダムで実施されている。

しかしながら、前記第一の方法では、山岳地の狭隘道路で陸上運搬能力が不足し易く、陸上運搬に伴う環境への悪影響があり、ダム下流に土砂を仮置きする場所が少なく、仮置きした土砂が完全に流れないといった多くの問題がある。
前記第二の方法では、バイパストンネルが長くなるという問題があり、例えば、佐久間ダムの貯水池を完全にバイパスしようとすると、そのトンネル延長は概ね２０ｋｍにも及ぶものとなる。また使用される水量に比べて排出される土砂量が少ないため、排砂効率が悪く、洪水後に分派堰の粗粒分を陸上運搬により処理する必要もある。
前記第三の方法では、堤体に排出口を形成するための建設コストが高く、また粗粒分は排出し難いという問題がある。
また第一の方法から第三の方法まで共通する問題として、既に貯水池に堆積してしまっている土砂は処理が困難であり、洪水時には貯水池から土砂を採取する作業が実施不可能である。

なお、バイパストンネルを設ける排砂方法は特許文献１に記載されており、堤体に排砂設備を設けるものは特許文献２及び特許文献３に記載されている。これら特許文献に記載された発明に関しても、上述した課題を十分に解決するものではない。
特開２００１−７３３４９号公報 特開平１１−９３１４７号公報 特開２００５−２２６３０１号公報

以上のような現状を鑑みて本発明の目的は、土砂の陸上運搬に伴う環境公害がなく、仮置きした土砂を十分に下流へ流すことができて、従来のものよりトンネル延長距離を短くすることが可能であり、排砂効率が良好なダムの堆積物排出システムを提供することにある。

本発明では、ダム貯水池の堆積物を水と共に下流まで流すため、ダム貯水池の底付近に設けられた呑口からダム下流の吐口まで連通し、途中に開閉可能なゲートが設けられた排出トンネルと、当該排出トンネルの呑口へ堆積物を水と共に導くためダム貯水池の底に設けられた潜堤と、前記排出トンネルに連通するようにダムの岸からほぼ垂直に形成された立坑と、貯水池の底から浚渫された堆積物を仮置きするため、立坑の在る岸に設けられた堆積物置場と、当該堆積物置場の堆積物を圧送して立坑に投入するための手段とを備えることを特徴とするダムの堆積物排出システムが提供される。

ここで、堆積物置場の堆積物を圧送して立坑に投入するための手段は、堆積物置場の堆積物を収容する集積槽と、ダム貯水池の水を集積槽付近まで比較的高い圧力で供給する高圧水供給管と、当該高圧水供給管から高圧水の供給を受け、前記集積槽から延びる吸引管が接続され、空気導入孔が設けられたエジェクタと、当該エジェクタから噴き出される水、空気及び前記堆積物の混合物を通過させて前記立坑まで導く吐出し管とを含む構成とすることが可能である。

本発明では、平常時に貯水池の底から堆積物を浚渫して堆積物置場に仮置きする。この堆積物置場では、堆積物の粒径による選別を行うことが可能である。また出水時には、排出トンネルのゲートを開くことにより、粘土、シルト及び土砂を含む堆積物が潜堤により呑口へ導かれて排出トンネルに流入する。このとき、堆積物置場に仮置きされている堆積物、特に下流への土砂還元に必要とされる砂分を主体とする土砂を立坑に投入すれば、土砂は排出トンネルを流れる泥水に合流し、洪水ともに下流に流すことができる。
したがって、本発明のシステムでは、土砂を排出トンネルへ投入する作業を降雨等の天候に左右されることなく、比較的高い安全性と信頼性のもとに進めることが可能である。
また本発明のシステムは、ただ単に立坑を有するだけではなく、この立坑まで堆積物を圧送して投入する手段をも有するものであるため、比較的大量の土砂を短時間に排出トンネルへ投入することが可能になり、貯水池から放出される水量に比べて排出土砂量を多くできて、従来のシステムよりも排砂効率を格段に向上させることができる。
さらに、本発明のシステムは、呑口を貯水池の最上流部ではなく、貯水池の中間部の任意の地点に設けるものであるため、排出トンネルを従来の排砂システムのものより短くすることが可能になった。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明のダムの堆積物排出システム１０は、図１の平面図及び図２の断面図に示したように、排出トンネル１１と、潜堤１２と、立坑１３と、ストックヤード１４と、堆積物を立坑１３に投入するための堆積物圧送装置３０とを主要な構成として備えるものであり、平常時、すなわち洪水時以外の時にダム貯水池２０の底にある堆積物２１を浚渫し、この堆積物２１をストックヤード１４に仮置きし、この堆積物２１を洪水時に立坑１３を通して排出トンネル１１に投入し、ダム貯水池２０の下流に放出し得るものである。

ここで、前記排出トンネル１１は、洪水時にダム貯水池２０の堆積物２１を水と共に下流まで通過させるためのものであり、ダム貯水池の底付近に設けられた呑口１１ａからダム下流の吐口１１ｂまで連通している。排出トンネル１１の呑口１１ａは、ダム貯水池２０における中間部の任意の地点で上流からの洪水流を無理なく導き入れる位置に設けられ、ダム下流の吐口１１ｂは、ダム堤体より下流で排水トンネルから出る洪水流が下流河川に無理なく合流できるような位置に設けられる。排出トンネル１１には、立坑１３との接続部よりも上流に開閉可能なゲート１１ｃが設けられる。
なお、排出トンネル１１の施工方法については、特に限定されるものではないが、呑口予定箇所付近に仮締切り（図示せず）を構築することにより作業空間を確保し、吐口側から作業空間に向けて地山を掘削してトンネルを形成することが可能である。

前記潜堤１２は、上流からダム貯水池２０に流入した粘土、シルト及び土砂を含む堆積物２１を堤体２２に達する前に堰き止めると共に、排出トンネル１１の呑口１１ａへ導くためのものである。潜堤１２はダム軸に直交しないような角度、且つ排出トンネル１１の呑口１１ａに向けて角度付けられるように左右の地山２３ａ，２３ｂ間に設けられる。また潜堤１２は、ダム貯水池２０における中間部の任意の位置で、貯水池２０の形状と洪水流の流れ方等を考慮して、洪水流を呑口１１ａへ無理なく導けるように配置される。

前記ストックヤード１４は、貯水池２０の底から浚渫された堆積物２１を仮置きするための場所であり、ここから堆積物２１が立坑１３に送り出される。したがって、ストックヤード１４は左右岸のいずれか一方における、貯水池２０に極めて近接した位置、且つ立坑１３に可能な限り近い位置に設けることが好ましい。ストックヤード１４には、砂分を主体とする土砂を他の成分から選別したり、あるいは堆積物を粒径により選別したりする装置（図示せず）を設けることが可能であり、この場合、下流への土砂還元に必要とされる砂分を主体とする土砂を効率的にダム下流へ供給できる。また堆積物２１を選別する装置に加えて、ストックヤード１４には、ブルドーザ１６等の堆積物を移動させる装置を設けることが好ましく、このブルドーザ１６等により堆積物２１が後述の土砂投入ホッパー３１に投入される。
またストックヤード１４に近接させ得る付加的な設備としては、例えば、台船１７等の浚渫装置を接岸し、台船１７等から堆積物を荷揚げするための構台１８が挙げられる。この構台１８には、クレーン１９等の荷揚げ機械を設置すれば、これにより堆積物を台船１７上から荷揚げし、そのままストックヤード１４へと荷降ろしすることが可能なる。

前記立坑１３は、呑口１１ａから吐口１１ｂまでの排出トンネル１１の途中に連通するようにダムの岸からほぼ垂直に形成されるものであり、ストックヤード１４に仮置きされた堆積物２１を排出トンネル１１に投下するための通路である。立坑１３の地上開口は、特に限定されるものではないが、ストックヤード１４に近く配置することが望ましい。なお、立坑１３の施工方法については、特に限定されるものではないが、排出トンネル１１の所定位置においてリーミング機械等（図示せず）によりほぼ垂直上方に向けて掘削すれば、立坑１３を構築することが可能である。

前記堆積物圧送装置３０は、ストックヤード１４に仮置きされた堆積物２１を圧送して立坑１３に投入するための手段であり、土砂投入ホッパー３１と、高圧水供給管３２と、エジェクタ３３と、吐出し管３４とを主要な構成として備えるものである。

ここで、堆積物圧送装置３０の各構成について、さらに詳細に説明すれば、土砂投入ホッパー３１は、ストックヤード１４に仮置きされた堆積物２１をブルドーザ等により移動して投入し、一時的に収容するためのものであり、ストックヤード１４内、あるいはストックヤード１４に隣接して設けられるものである。この土砂投入ホッパー３１の下端には配管３５を介してエジェクタ３３が接続される。

高圧水供給管３２は、ダム貯水池内からストックヤード付近まで延設された管体であり、その途中あるいはダム貯水池内にエンジンポンプ３２ａが設けられたものである。エンジンポンプは、ダム貯水池の水を高圧力でストックヤード付近まで供給するためのものである。

エジェクタ３３は、従来から圧縮機や真空ポンプとして慣用されている機器であり、高圧噴射水を駆動源とし、機械的駆動部の無い真空ポンプであり、その原理は、ノズルから高圧水を噴出させ、その運動エネルギーにより他の流体（ここでは、土砂）を吸引し、圧送するものである。すなわち、図５に示したように、本体部３３ａの上流端にノズル３３ｂが設けられ、ノズル３３ｂよりも若干下流側に空気導入孔３３ｃ及び吸引管３３ｄが設けられ、本体部３３ａ内には内装管３３ｅが固定され、下流端３３ｆに吐出し管３４が接続されている。ノズル３３ｂは、高圧水供給管３２を通して送られてきた高圧水を噴き出すノズルである。空気導入孔３３ｃからは、自動制御されて最適量の空気が導入され、キャビテーションの抑制に効果的である。吸引管３３ｄには、土砂投入ホッパー３１の下端付近から延びる配管３５が接続され、高圧水の噴出による吸引エネルギーを土砂まで伝達し、これにより、土砂をエジェクタ３３の本体部３３ａまで吸引する。内装管３３ｅはその取換えの容易性から、本体部３３ａの管体の磨耗対策として効果的なものである。
エジェクタ３３の本体部３３ａ内では土砂、空気及び水が混合され、この混合物が、さらに吐出し管３４を介して立坑１３まで圧送され、立坑１３の地上開口から投入される。

次に、本発明の堆積物排出システム１０の稼動方法及び作用について説明する。
本発明のシステムでは、平常時にダム貯水池２０の底から堆積物２１を浚渫してストックヤード１４に仮置きする。堆積物２１からは下流への土砂還元に必要とされる砂分を主体とする土砂を選別することが可能であり、この土砂をストックヤード１４における立坑１３に近い区画、あるいは土砂投入ホッパー３１に近い区画に配置しておく。
一方、出水時には、排出トンネル１１のゲート１１ｃを開放し、粘土、シルト及び土砂を含む堆積物と共に水を呑口１１ａから排出トンネル１１に流し込み、同時に、堆積物圧送装置３０を稼動させる。
すなわち、ストックヤード１４に仮置きした土砂をブルドーザ１６等により移動し、土砂投入ホッパー３１に投入する。このとき、エジェクタ３３の本体部３３ａには、高圧水供給管３２から高圧水が噴き出され、空気導入孔３３ｃから空気が導入され、これらにより生じた吸引力により、吸引管３３ｄを介して土砂投入ホッパー３１から土砂が吸引される。この吸引された土砂は、本体部３３ａ内で水と空気と混合されて吐出し管３４から送り出され、立坑１３に投入される。土砂は、エジェクタ３３により高圧で水と空気と混合されることにより流動性が高くなるため、かなり高い濃度でも圧送が可能になり、比較的大量の土砂を短時間に立坑１３に投入することが可能になり、ダム貯水池２０から放出される水量に比べて排出土砂量を多くできて、従来のシステムよりも排砂効率を格段に向上させることができる。
土砂は、立坑１３に投入されると、排出トンネル１１内を流れる洪水に合流し、吐口１１ｂからダム下流に放流される。

本発明にかかるダムの堆積物排出システムの平面図である。 本発明にかかるダムの堆積物排出システムの断面図である。 図１を部分的に拡大した平面図である。 図２を部分的に拡大した断面図である。 本発明に用いるエジェクタの側面図である。

符号の説明

１０ ダムの堆積物排出システム
１１ 排出トンネル
１１ａ 呑口
１１ｂ 吐口
１１ｃ ゲート
１２ 潜堤
１３ 立坑
１４ ストックヤード（堆積物置場）
２０ ダム貯水池
２１ 堆積物
３０ 堆積物圧送装置（堆積物を圧送して立坑に投入するための手段）
３１ 土砂投入ホッパー（集積槽）
３２ 高圧水供給管
３３ エジェクタ
３３ｂ ノズル
３３ｃ 空気導入孔
３３ｄ 吸引管
３３ｅ 内装管
３４ 吐出し管

Claims (2)

1. ダム貯水池の堆積物を水と共に下流まで流すため、ダム貯水池の底付近に設けられた呑口からダム下流の吐口まで連通し、途中に開閉可能なゲートが設けられた排出トンネルと、当該排出トンネルの呑口へ堆積物を水と共に導くためダム貯水池の底に設けられた潜堤と、前記排出トンネルに連通するようにダムの岸からほぼ垂直に形成された立坑と、貯水池の底から浚渫された堆積物を仮置きするため、立坑の在る岸に設けられた堆積物置場と、当該堆積物置場の堆積物を圧送して立坑に投入するための手段とを備えることを特徴とするダムの堆積物排出システム。
2. 前記堆積物を立坑に投入する手段が、堆積物置場の堆積物を収容する集積槽と、ダム貯水池の水を集積槽付近まで比較的高い圧力で供給する高圧水供給管と、当該高圧水供給管から高圧水の供給を受け、前記集積槽から延びる吸引管が接続され、空気導入孔が設けられたエジェクタと、当該エジェクタから噴き出される水、空気及び前記堆積物の混合物を通過させて前記立坑まで導く吐出し管とを含むことを特徴とする請求項１に記載のダムの堆積物排出システム。

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