JP4823196B2 - 排砂方法及び渦動排砂装置 - Google Patents

Description

本発明は、沈砂池の底部に堆積する土砂等を排出するための排砂方法及び渦動排砂装置に関するものである。

河川水を水力発電所に供給する水路には土砂等が流入するために、水路の途中に水路の一部分を拡幅して水の流速を低下させ、流水中の土砂等を沈下させるための沈砂池が設けられている。この沈砂池の底部に堆積した土砂等を排出するための排砂技術として、本発明者らは、例えば、特許文献１にて、スリットを有する渦動排砂管を沈砂池の底部に設置する方法を開示した。これは、沈砂池の底部に設置した渦動排砂管に所定の間隔で複数のスリットを設け、このスリットを介して沈砂池に堆積した土砂等を渦動排砂管内に吸い込み、管下流へ排出するものである。
特開２００５−１４６６０３号公報

上述した特許文献１に記載の渦動排砂管を沈砂池に設置する場合においては、大雨等で短期間に多量の土砂等が沈砂池に流入したり、長期間にわたって土砂等の排砂を行わなかったときに、沈砂池に堆積した土砂等が自重により圧密されて固化し、渦動排砂管のスリットを開放しても土砂等が渦動排砂管内に流入せず、排砂されないときがあるという問題点があった。

そして、この沈砂池に堆積した土砂等を排砂するためには、水路内を断水し、人が水路内に入って人力にて残った土砂等を排出していた。したがって、多大な労力及び時間を要するという問題点があった。

さらに、人が水路内で排砂作業を行う場合は、水路内の水をすべて排水するために、この水路に接続されている発電機へ水を供給することができなくなる。したがって、沈砂池の土砂等を排出する際は発電機を停止しなければならず、発電機の稼働率が低下するという問題点があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、沈砂池に堆積した土砂等を排砂するとともに、水力発電所の発電機を稼働させた状態で排砂することが可能な排砂方法及び渦動排砂装置を提供することを目的としている。

上記問題を解決する本発明の排砂方法は、沈砂池に堆積した土砂等を該沈砂池の底部に設置した渦動排砂管から排出する排砂方法において、前記土砂等を液状化するために繰り返し載荷する荷重を算出し、該荷重を前記土砂等に載荷して前記土砂等を液状化し、前記土砂等を前記渦動排砂管に排砂することを特徴とする（第１の発明）。

第２の発明は、第１の発明において、前記荷重の算出は、前記沈砂池に堆積した前記土砂等のサンプルを採取する工程と、前記サンプルの粒度分布を測定して、この粒度分布が所定の範囲内であることを確認する工程と、該確認において前記サンプルの粒度分布が所定の範囲内である場合に、前記サンプルの相対密度を測定して、該相対密度が所定の範囲内であることを確認する工程と、該確認において前記サンプルの相対密度が所定の範囲内である場合に、所定の値に前記相対密度を乗じて繰り返しせん断応力比を算出する工程と、該繰り返しせん断応力比と静止土圧係数と鉛直有効応力とから繰り返しせん断応力の振幅を算出する工程と、該振幅と重力加速度と鉛直全応力と低減係数とから加速度を算出する工程と、該加速度から前記荷重を算出する工程とを備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記サンプルの粒度分布を測定して、該粒度分布が所定の範囲内であることを確認する工程に際し、前記粒度分布が所定の範囲外の場合においては、前記土砂等を液状化させないことを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、前記サンプルの相対密度を測定して、該相対密度が所定の範囲内であることを確認する工程に際し、前記相対密度が所定の範囲外の場合においては、前記土砂等を液状化させないことを特徴とする。

第５の発明の渦動排砂装置は、沈砂池に堆積した土砂等を排砂する排砂装置であって、前記土砂等を内部に堆積する器部と、前記器部を往復運動させて、荷重を前記土砂等に繰り返し載荷する載荷装置と、前記土砂等を排砂する渦動排砂管とを備えることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記載荷装置は、前記器部を往復運動させる載荷手段と、該載荷手段を駆動する駆動手段と、前記載荷手段の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、沈砂池に堆積し、固化した土砂等に荷重を繰り返し載荷して液状化させることにより、効率良く土砂等を排砂することが可能となる。また、沈砂池に堆積している土砂等を確実に排出することが可能となるために、水路内を断水し、人が水路内に入って土砂等を排出する必要がなくなる。

そして、水路内の水をすべて排水する必要がなくなり、水路内に水を流水させた状態にて土砂等を排出することが可能となる。したがって、土砂等を排出すると同時に水路内に水を流水させて発電機に水を供給することが可能となり、土砂等の排出時も発電機を稼働させることが可能となる。

本発明による排砂方法を用いることにより、沈砂池に堆積した土砂等を効率良く排出するとともに、水力発電所の発電機を稼働させることが可能となる。また、沈砂池に堆積する土砂を確実に排出することができるために、人が水路内に入って土砂等の排出作業を行う必要がなくなり、手間及びコストを削減することが可能となる。

本発明は、沈砂池に堆積した土砂等を液状化させて排砂する排砂方法及び渦動排砂装置に関するものである。以下、本発明に係る好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係る渦動排砂装置を示す側断面図である。図１に示すように、水力発電所用の沈砂池に堆積する土砂等を排出する渦動排砂装置１は、土砂等２が内部に堆積する箱形の器部３と、この器部３を往復運動させる載荷装置９と、液状化した土砂等２を排砂する渦動排砂管５とを備える。

載荷装置９は、器部３を水平方向（図１中の矢印方向）に往復運動させる載荷手段１１と、この載荷手段１１を駆動する駆動手段１３と、載荷手段１１が載荷する荷重、加速度、振幅、周期、時間等を制御する制御手段１５とを備える。本実施形態において、載荷手段１１は油圧にて伸縮可能なシリンダを用い、駆動手段１３はこのシリンダの作動圧を発生させる油圧ポンプを用い、制御手段１５はＰＣを用いる。

そして、この載荷装置９にて器部３を往復運動させることにより器部３内の土砂等２に荷重Ｆを繰り返し載荷して土砂等２を液状化させる。

次に、土砂等２に載荷する荷重Ｆの算出方法について説明する。
図２は、本実施形態に係る土砂等２に載荷する荷重Ｆを決定するためのフロー図、図３は、本実施形態に係る粒径加積曲線を示す図である。

まず、図２のＳ１において、沈砂池に堆積した土砂等２のサンプルを採取する。
次に、図２のＳ３において、採取した土砂等２のサンプルの粒度分布を測定して、この粒度分布が所定の範囲内であることを確認する。図３に示すように、本実施形態において、粒度分布の所定の範囲は、例えば、粒径加積曲線の斜線部分（土質工学ハンドブック、社団法人土質工学会編、１９７４年発行）とした。

ここで、採取した土砂等２のサンプルの粒度分布が粒径加積曲線の斜線部分以外であって、粒度分布が所定の範囲外である場合は、図２のＳ４において、土砂等２を液状化させずに排砂する方法を検討する。

そして、採取した土砂等２のサンプルの粒度分布が所定の範囲内である場合は、図２のＳ５において、サンプルの相対密度Ｄｒ（％）を測定して、この相対密度Ｄｒが所定の範囲内であることを確認する。本実施形態において、所定の範囲は、例えば、３０％以上７０％以下とした。

ここで、サンプルの相対密度Ｄｒが、所定の範囲外の３０％未満又は７０％より大きい場合は、図２のＳ６において、土砂等２を液状化させずに排砂する方法を検討する。

サンプルの相対密度Ｄｒが所定の範囲内である場合は、図２のＳ７において、所定の値の０．００３５と相対密度Ｄｒとから繰り返しせん断応力比（σ_ｄｌ／２σ’_０）を式（１）にて算出する。
〔σ_ｄｌ／２σ’_０〕_Ｎ＝２０ ＝ ０．００３５Ｄｒ ・・・（１）
ここで、σ_ｄｌ：軸差応力（Ｐａ）、σ’_０：初期有効拘束圧（Ｐａ）、Ｎ：繰り返し載荷回数（回）（後述する）である。

そして、図２のＳ９において、式（１）にて算出した繰り返しせん断応力比（σ_ｄｌ／２σ’_０）と静止土圧係数と鉛直有効応力とから繰り返しせん断応力の振幅τ_１（Ｐａ）を式（２）にて算出する。
τ_１／σ_ｖ’ ＝ （１＋２Ｋ_０）／３・〔σ_ｄｌ／２σ’_０〕 ・・・（２）
ここで、σ_ｖ’：鉛直有効応力（Ｐａ）、Ｋ_０：静止土圧係数である。

さらに、図２のＳ１１において、式（２）にて算出した振幅τ_１と重力加速度と繰り返しせん断応力と鉛直全応力と低減係数とから加速度ａ_ｍａｘ（ｍ／ｓ^２）を式（３）にて算出する。
ａ_ｍａｘ ＝ （ｇ・τ_１）／（γ_ｄ・σ_ｖ） ・・・（３）
ここで、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）、γ_ｄ：低減係数γ_ｄ＝１−０．０１５ｚ、ｚ：堆積深さ（ｍ）、σ_ｖ：全応力（Ｐａ）である。

最後に、図２のＳ１３において、式（３）にて算出した加速度ａ_ｍａｘから土砂等２に載荷する荷重Ｆを算出する。

上述した振幅τ１、加速度ａ_ｍａｘ、荷重Ｆの値はそれぞれ制御手段１５に入力される。そして、載荷装置９にて、器部３を所定の回数Ｎ以上、水平に往復運動させて荷重Ｆを土砂等２に繰り返し載荷する。本実施形態において、所定の回数Ｎを２０回（道路橋示方書・同解説Ｖ、日本道路協会、２００２年発行）とした。

所定の回数Ｎ以上に繰り返し荷重Ｆを載荷された土砂等２は、過剰間隙水圧が発生して初期有効応力と等しくなるためにせん断抵抗を失い、土砂の粒子間の噛み合わせが無くなり液状化する。そして、液状化した土砂等２を渦動排砂管５内に排砂する。

以上説明した本実施形態の排砂方法及び渦動排砂装置１によれば、沈砂池に堆積し、固化した土砂等２に荷重を繰り返し載荷して液状化させることにより、効率良く土砂等２を排砂することが可能となる。また、沈砂池に堆積している土砂等２を確実に排出することが可能となるために、水路内を断水し、人が水路内に入って土砂等２を排出する必要がなくなる。そして、水路内の水をすべて排水する必要がなくなり、水路内に水を流水させた状態にて土砂等２を排出することが可能となる。したがって、土砂等２を排出すると同時に水路内に水を流水させて発電機に水を供給することが可能となり、土砂等２の排出時も発電機を稼働させることが可能となる。

なお、本実施形態において、器部３の形状として箱形のものを用いる方法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、すり鉢状の器部７を用いてもよく、このすり鉢状の器部７内に堆積した土砂等２を液状化するためには、器部７の傾斜に対して垂直な方向（図４中の矢印方向）に荷重Ｆを載荷する。

また、本実施形態において、相対密度Ｄｒの所定の範囲を３０％以上７０％以下とする方法にてついて説明したが、これに限定されるものではなく、堆積した土砂等２の土質の状況によって適宜変更してもよい。

また、本実施形態において、繰り返し載荷する所定の回数Ｎを２０回とする方法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、建築基礎構造設計指針（社団法人日本建築学会、２００１年発行）に基づいて１５回としてもよい。

本発明の第一実施形態に係る渦動排砂装置を示す側断面図である。 本実施形態に係る土砂等に載荷する荷重を決定するためのフロー図である。 本実施形態に係る粒径加積曲線を示す図である。 本実施形態に係る器部の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 渦動排砂装置
２ 土砂等
３ 器部
５ 渦動排砂管
７ 器部
９ 載荷装置
１１ 載荷手段
１３ 駆動手段
１５ 制御手段

Claims (6)

1. 沈砂池に堆積した土砂等を該沈砂池の底部に設置した渦動排砂管から排出する排砂方法において、
   前記土砂等を液状化するために繰り返し載荷する荷重を算出し、
   該荷重を前記土砂等に載荷して前記土砂等を液状化し、
   前記土砂等を前記渦動排砂管に排砂することを特徴とする排砂方法。
2. 前記荷重の算出は、
   前記沈砂池に堆積した前記土砂等のサンプルを採取する工程と、
   前記サンプルの粒度分布を測定して、この粒度分布が所定の範囲内であることを確認する工程と、
   該確認において前記サンプルの粒度分布が所定の範囲内である場合に、前記サンプルの相対密度を測定して、該相対密度が所定の範囲内であることを確認する工程と、
   該確認において前記サンプルの相対密度が所定の範囲内である場合に、所定の値に前記相対密度を乗じて繰り返しせん断応力比を算出する工程と、
   該繰り返しせん断応力比と静止土圧係数と鉛直有効応力とから繰り返しせん断応力の振幅を算出する工程と、
   該振幅と重力加速度と鉛直全応力と低減係数とから加速度を算出する工程と、
   該加速度から前記荷重を算出する工程とを備えることを特徴とする請求項１に記載の排砂方法。
3. 前記サンプルの粒度分布を測定して、該粒度分布が所定の範囲内であることを確認する工程に際し、前記粒度分布が所定の範囲外の場合においては、前記土砂等を液状化させないことを特徴とする請求項２に記載の排砂方法。
4. 前記サンプルの相対密度を測定して、該相対密度が所定の範囲内であることを確認する工程に際し、前記相対密度が所定の範囲外の場合においては、前記土砂等を液状化させないことを特徴とする請求項２に記載の排砂方法。
5. 沈砂池に堆積した土砂等を排砂する排砂装置であって、
   前記土砂等を内部に堆積する器部と、
   前記器部を往復運動させて、荷重を前記土砂等に繰り返し載荷する載荷装置と、
   前記土砂等を排砂する渦動排砂管とを備えることを特徴とする渦動排砂装置。
6. 前記載荷装置は、前記器部を往復運動させる載荷手段と、該載荷手段を駆動する駆動手段と、前記載荷手段の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項５に記載の渦動排砂装置。

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