JP5780855B2 - 地下水揚水装置 - Google Patents

Description

この発明は、地下水揚水装置に関し、より詳細には小口径で簡易な設備で済み、しかも高揚程での地下水汲み上げが可能な揚水装置に関する。

構造物基礎のための根伐りや、盛土、トンネル施工等の際に実施される地下水位低下工法として、釜場排水やディープウェルに代表される重力排水工法と、ウェルポイントやバキュームディープウェルに代表される強制排水工法が知られている。これら工法のうち、帯水層が浅い場合には主にウェルポイントが適用され、帯水層が深い場合（６ｍ以深）にはディープウェルやバキュームディープウェルが適用される。釜場排水は、地下水があまり豊富でなく、比較的根伐り深さが浅い場合に適用される。

しかしながら、ウェルポイント工法は、集水管に真空度をかけることにより地下水を排水する工法であるので、真空度によって地下水の吸引深さに限度があるうえ、真空システムの煩雑な維持管理が必要であるという難点がある。ディープウェル工法は、排水ポンプを井戸内に設置して地下水を排水する工法であるので、設置井戸が大口径になって、揚水システムも大掛かりなものとなる。また、揚水による周辺地域への影響も無視できない。さらに、重力式なので対象とする帯水層の透水係数が大きくないと地下水位低下が見られない。

バキュームディープウェル工法は、この透水係数の問題をクリアするために開発されたもので、ストレーナー管内に真空度をかけて強制的に地下水を排水する工法である。しかしながら、この工法の場合、井戸内を真空にして地下水を排水ポンプの吸い込み口まで集めなければ排水できない。また、ストレーナー管内に真空度をかけるので、設備が大掛かりなものとなる。釜場排水工法は、掘削部に浸透してくる地下水を、掘削底面よりやや深い位置に設けた釜場に集め排水ポンプで排水する工法であるので、地下水とともに流出した土粒子が排水ポンプを埋没させてしまうことや、透水係数の大きい帯水層の場合には予め地盤の透水係数を小さくしておかないと、パイピングの原因となるという難点がある。

地下水を汲み上げる機構として、ジェットポンプを用いた揚水装置も提案されている。例えば、特許文献１には外管内に、ベンチュリ部を有する内管とエア管とを設け、エア管の先端部をベンチュリ部ののど部に上向きに開口するようにした揚水装置が開示されている。しかしながら、この揚水装置は内管及びエア管がそれぞれ独立して外管内に挿入される構造であるので、所要の揚水量を得るためには外管径すなわち井戸径を大きくしなければならない。

特開２００８−５７２０１号公報

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、小口径でしかも深部での地下水を揚水することができる揚水装置を提供することにある。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、地盤に埋設されて地下水を流入させる外管と、外管内に配置された内管と、内管内に配置された揚水管との三重管を備えた地下水揚水装置であって、
前記外管及び内管はそれらの上端が閉鎖され、
前記外管は中間部に外部ストレーナー管を有し、
前記内管は下端部に前記外部ストレーナー管よりも下方に位置する内部ストレーナー管を有し、
前記揚水管の下端と前記内管との間が閉鎖されて、これら２つの管の間に加圧流体を供給するための環状流路が形成され、
前記内部ストレーナー管と前記環状流路との間に、前記環状流路から加圧流体が供給されてジェット流体を発生し、このジェット流体により前記外部ストレーナー管から外管内に流入する地下水を前記内部ストレーナー管を経て前記揚水管に導き揚水するためのエジェクタ機構が設けられ、
前記エジェクタ機構は、前記揚水管の下端部と前記内部ストレーナー管の上端部とを連結するように配置されるエジェクタ本体と、
このエジェクタ本体に設けられ、中間部に絞り部を有する地下水の導入路と、
前記絞り部近くに一端が開口し、他端が前記環状流路に開口する複数の加圧流体の吐出流路とを備えていることを特徴とする地下水揚水装置にある。

前記加圧流体としては、圧縮空気あるいは加圧水を用いることができる。前記加圧流体として圧縮空気を用いる場合は、次のような構成を採用することもできる。すなわち、前記エジェクタ本体は、その上部に前記揚水管内に入り込んでいる截頭円錐形部を有し、この截頭円錐形部の基部近くの前記揚水管に圧縮空気の吐出口が複数設けられている構成である。また、前記エジェクタ機構の上方の揚水管内に前記環状流路から供給される圧縮空気を吐出させる増幅器が設けられている構成を採用することもできる。前記外管と前記内管との間の環状空間に真空ポンプが連結されている構成を採用してもよい。

この発明によれば、揚水装置が外管、内管及び揚水管の三重管とエジェクタ機構で構成されるので、揚水井戸を小口径化することができ、狭隘地での強制排水工法が適用できるようになる。また、揚水機構はエジェクタ機構であるので水中ポンプなどに比べて高い揚程を得ることができるだけでなく、駆動系のトラブルが少なくメンテナンスの労力が軽減される。

この発明による揚水装置の全体構成を示す断面図である。 揚水装置の下部を拡大して示す断面図である。 複数の揚水装置の配置と、地上に設置される配管類との関係を示す図である。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明による地下水揚水装置の全体構成を示している。揚水装置は、外管１と、外管１内に配置された内管２と、内管２内に配置された揚水管３との三重管を備えている。地下水の揚水対象となる地盤の例として、表層４の下方に帯水層５を有し、さらにその下方に不透水層６を有する地盤が示されている。

この地盤を不透水層６に至る深度まで掘削し、井戸孔７が形成される。外管１はこの井戸孔７に設置される。井戸孔７の孔壁と外管１との間には、帯水層５部分を含むこれより以深の部分に硅砂や豆砂利等からなるフィルター材８が充填され、その上方に粘土等からなる遮水材９、さらに埋め戻し材（砂、発生土）やモルタル等からなる密封材１０が設けられている。

外管１及び内管２の上端はフランジ１１によって閉鎖されている。揚水管３はフランジ１１に設けられた連結管１２を介して集合管（図３参照）に連結されている。外管１の中間部には外部ストレーナー管１３が設けられている。このストレーナー管１３は、周知の巻線によるもので帯水層５に対応する位置に設けられている。内管２の下部には外部ストレーナー管１３よりも下方に位置するように、内部ストレーナー管１４が設けられている。

図２は、揚水装置の下部を拡大して示す断面図である。揚水管３は、その下端が外部ストレーナー管１３の下端近くに位置する長さのものである。この揚水管３の下端と内管２との間は閉鎖され、これにより揚水管３と内管２との間に加圧流体の環状流路１５が形成されている。この環状流路１５と内部ストレーナー管１４との間にエジェクタ機構１６が設けられている。

エジェクタ機構１６はエジェクタ本体１７を有し、このエジェクタ本体１７は揚水管３の下端部と内部ストレーナー管１４の上端部との間を連結するように配置されている。エジェクタ本体１７は、内管２の外径に等しい外径を有する主部１７ａと、その上部に連なり揚水管３の内径に等しい外径を有する縮径部１７ｂと、その上部に連なる截頭円錐形部１７ｃとを備え、縮径部１７ｂ及び截頭円錐形部１７は揚水管３内に入り込んでいる。

エジェクタ本体１７にはその軸線に沿って地下水の導入路１８が形成され、この導入路１８は縮径部１７ｂと截頭円錐形部１７ｃとの境界付近で絞られた絞り部１９を有している。またエジェクタ本体１７には、絞り部１９近くに一端が上向きに開口し、他端が環状流路１５に開口する加圧流体の吐出流路２０が周方向に間隔を置いて複数形成されている。

揚水管３には截頭円錐形部１７ｃの基部近くにおいて、圧縮空気の吐出口２１が周方向に間隔を置いて複数設けられている。さらに、エジェクタ本体１７の上方の揚水管３内には増幅器２２が設けられている。増幅器２２は圧縮空気の吐出口２３が複数形成されたチャンバボックス２４を有し、このチャンバボックス２４は連結管２５を介して環状流路１５に連結されている。

図３に示すように、上記のような揚水装置を備えた揚水井戸は、地下水位を低下させる施工現場の規模に応じて複数本設置される。各揚水装置の揚水管３は連結管１２を介して、地上に設置された集合管３０に連結される。地上にはまた、加圧流体供給管３１とバキューム管３２とが設置される。加圧流体としては、例えば圧縮空気や加圧水を使用することができ、加圧流体供給管３１はコンプレッサーや加圧ポンプに連結される。この加圧流体供給管３１に各装置の環状流路１５が連結管３３を介して連結される。バキューム管３２は、各装置の外管１と内管２との間の環状空間３５（図１参照）に連結管３４を介して連結され、環状空間３５を負圧にするためのもので、必要に応じて設置される。このバキューム管３２は真空ポンプに連結される。

次に、上記揚水装置の作用について説明する。環状流路１５には圧縮空気や加圧水などの加圧流体が供給される。この加圧流体は複数の吐出流路２０を通って、地下水の導入路１８の絞り部１９付近で上向きに噴出される。噴出された加圧流体はジェット流体となって流速が増大し、そのぶん圧力が低下する。この圧力低下により、外部ストレーナー管１３を通って外管１内に入り込み、さらに内部ストレーナー管１４を通ってその内部に入り込んだ地下水が、導入路１８に吸い込まれ、瞬時にジェット流体と混合する。その後、地下水を伴ったジェット流体は導入路１８の流路が拡がるエジェクタ−出口に向かって拡散され、ジェット流は収束し、圧力に再転換される（ベルヌーイ効果）。このようにして、地下水が揚水管３に導入され、揚水される。

また、加圧流体として圧縮空気を用いる場合、この圧縮空気が吐出口２１から噴出される。噴出された圧縮空気は揚水管３に導入された地下水と混合し、エアリフト効果により地下水の揚水を促進させる。さらに、エジェクタ機構１６の上方にある増幅器２２の吐出口２３からも圧縮空気が噴出され、同様のエアリフト効果により地下水の揚水がさらに促進される。

上記のような揚水装置によれば、外管１、内管２及び揚水管３の三重管とエジェクタ機構で構成されるので、揚水井戸を小口径化することができ、狭隘地での強制排水工法が適用できるようになる。また、揚水機構はエジェクタ機構であるので水中ポンプなどに比べて高い揚程を得ることができるだけでなく、駆動系のトラブルが少なくメンテナンスの労力が軽減される。

外管１と内管２との間の環状空間３５は密閉された空間であるので、地下水が揚水されることによりその水位が低下し、自然と負圧状態になるので、地下水の外管１への流入をさせることができる。特に土粒子が細かい、透水層と不透水層とが多層・互層になっていて、より大きな負圧状態が要求される場合には、この密閉された環状空間３５に真空ポンプを接続し対応することができる。

内部ストレーナー管１４は外部ストレーナー管１３よりも下方の深度に位置しているので、エジェクタ−機構１６のロスによる水位低下不足を浸水率により補うことができる。また、仮にこれら内外部ストレーナー管１３，１４が同じ深度位置にあるとすると、外部ストレーナー管１３を通って流入する地下水の流速が大きくなり、地盤から流砂が外管内に流入するが、このような流砂の流入を防止することができる。

上記実施形態は例示にすぎず、この発明は種々の態様を採ることができる。例えば、ストレーナー管は、巻線形のものに限らず、多孔管を用いることができる。また、エジェクタ機構の形状、取付け態様も図示のものに限定されるものではない。

１ 外管
２ 内管
３ 揚水管
４ 表層
５ 帯水層
６ 不透水層
７ 井戸孔
８ フィルター材
９ 遮水材
１３ 外部ストレーナー管
１４ 内部ストレーナー管
１５ 環状流路
１６ エジェクタ機構
１７ エジェクタ本体
１７ａ 主部
１７ｂ 縮径部
１７ｃ 截頭円錐形部
１８ 導入路
１９ 絞り部
２０ 吐出流路
２１ 吐出口
２２ 増幅器
２３ 吐出口

Claims (4)

1. 地盤に埋設されて地下水を流入させる外管と、外管内に配置された内管と、内管内に配置された揚水管との三重管を備えた地下水揚水装置であって、
   前記外管及び内管はそれらの上端が閉鎖され、
   前記外管は中間部に外部ストレーナー管を有し、
   前記内管は下端部に前記外部ストレーナー管よりも下方に位置する内部ストレーナー管を有し、
   前記揚水管の下端と前記内管との間が閉鎖されて、これら２つの管の間に加圧流体を供給するための環状流路が形成され、
   前記内部ストレーナー管と前記環状流路との間に、前記環状流路から加圧流体が供給されてジェット流体を発生し、このジェット流体により前記外部ストレーナー管から外管内に流入する地下水を前記内部ストレーナー管を経て前記揚水管に導き揚水するためのエジェクタ機構が設けられ、
   前記エジェクタ機構は、前記揚水管の下端部と前記内部ストレーナー管の上端部とを連結するように配置されるエジェクタ本体と、
   このエジェクタ本体に設けられ、中間部に絞り部を有する地下水の導入路と、
   前記絞り部近くに一端が開口し、他端が前記環状流路に開口する複数の加圧流体の吐出流路とを備えていることを特徴とする地下水揚水装置。
2. 前記加圧流体は圧縮空気であって、前記エジェクタ本体は、その上部に前記揚水管内に入り込んでいる截頭円錐形部を有し、この截頭円錐形部の基部近くの前記揚水管に圧縮空気の吐出口が複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の地下水揚水装置。
3. 前記加圧流体は圧縮空気であって、前記エジェクタ機構の上方の揚水管内に前記環状流路から圧縮空気が供給され、これを吐出させる増幅器が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の地下水揚水装置。
4. 前記外管と前記内管との間の環状空間に真空ポンプが連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の地下水揚水装置。

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