JP6063779B2 - ダム放流エネルギー活用による貯水池内堆積土砂の移動排出システム - Google Patents

Description

本発明は、土砂移送設備および土砂移送方法に関するものであり、具体的には、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能とする技術に関する。

ダム貯水池において流入土砂が堆積すべき計画上の場所は、ダム直上流近辺が主体の死水域である。一方、洪水等で河川上流からダム貯水池に流れ込む土砂混じりの流水は、ダム貯水池端部のダム貯水池流入部付近に到達すると急激に流速を落とし、それまでに含んでいた掃流砂の大部分および一部の浮遊砂を堆積・沈降させる。このようにして堆積した土砂は上述の死水域まで到達出来ず、その大部分は貯水池有効容量内に堆積してしまう。このため、ダム貯水池の有効容量が減少すると共に、土砂の堆積位置によっては取水設備や放流設備に悪影響を与え、ひいてはダムや発電の各種機能を阻害することにもつながりかねない。

そこで、そうしたダム貯水池有効容量内の堆砂を死水域へと移送し、ダム貯水池の有効容量を回復する措置として様々な手法が提案されてきた。例えば、浚渫船等によりダム貯水池にて堆積土砂の掘削・除去を行い、陸上部に搬出する方法や、ダム上流部に貯砂ダムを設けて流入土砂をトラップ堆積させ、これを排砂する方法などがある。また、ダム堤体に大規模な排砂路および排砂ゲート設備を設けた上で貯水位を低下させて開水路状態を生み出し、これにより掃流力を増加させ、貯水池内の堆積土砂を排出する方法などもある。更に、ダム貯水池上流に貯砂ダム、分派堰、土砂バイパストンネル等よりなる恒久堆砂対策施設により、貯砂ダム等で粒径の大きい材料が捕捉された後の掃流砂の一部および浮遊砂・ウォッシュロードを含む洪水濁水をバイパストンネルによってダム貯水池を迂回しダム直下に導く方法などもある。

特開平８−１３４８７７号公報

しかしながら従来技術においては、土砂の掘削・搬出用の機器（浚渫船やダンプトラック等）の導入と定常的な運用、或いは、排砂路やゲート設備、バイパストンネルなどの各種恒久的施設の建設と維持管理等が必要となり、導入、建設および維持管理のコストや期間が大きく、更には煩雑な運用管理が必要になるなど課題があった。

そこで本発明は、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する土砂移送設備は、ダム貯水池における堆砂位置から死水域へ堆砂を移動させるための土砂輸送管と、ダム堤体を貫通する放流管内に設置され、放流水により回転する第１水車と、前記土砂輸送管内において前記第１水車と同軸で連結され、前記第１水車の回転力で回転して前記堆砂位置から前記死水域の方向に向けた送流力を発生させる第２水車と、を備えることを特徴とする。

これによれば、特に動力を手当することなく、ダムにおける維持放流水等の放流エネルギーを利用して、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を死水域まで移送可能となる。そのため、洪水発生時等の悪天候時には水上の各施設の危険を伴う浚渫船やダンプトラック等の搬送手段の導入、運用も不要となり、大幅な堆砂撤去費用の削減を図ることができる。また、死水域への堆砂移送によって有効貯水容量の復元が可能となり、発電等利水容量の増大に寄与することにもつながる。したがって、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能となる。

なお、前記土砂輸送管が、前記堆砂位置に配置した土砂吸引部先端から延びてダム堤体を貫通し、当該ダム堤体下流側に突出した後、屈曲して再び前記ダム堤体を貫通してダム貯水池における死水域中に吐出口を配置した形態を備えるものであり、前記第２水車が、前記土砂輸送管における前記ダム堤体下流側の部位に設置され、前記放流管内の前記第１水車と同軸で連結されているものであるとしてもよい。これによれば、ダム堤体の躯体内等ではなく、ダム堤体外の土砂輸送管内に第２水車を設置することとなり、設置作業が容易なものとなり、作業効率や維持管理も良好となる。

また、本発明の土砂移送方法は、ダム貯水池における堆砂位置から死水域へ堆砂を移動させるための土砂輸送管を設置し、ダム堤体を貫通する放流管内に設置した第１水車を、放流水により回転させ、前記土砂輸送管内において前記第１水車と同軸で連結された第２水車を、前記第１水車の回転力で回転させ、前記土砂輸送管において前記堆砂位置から前記死水域の方向に向けた送流力を発生させ、前記堆砂位置の堆砂を前記土砂輸送管を介して前記死水域に吐出させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能となる。

本実施形態における土砂移送設備の構成例を示す縦断図である。 本実施形態における土砂移送設備の構成例を示す平面図である。 本実施形態における第１水車及び第２水車の連結構造例を示す図である。 本実施形態の土砂輸送管先端に備わる土砂吸引部の例を示す縦断図である。 本実施形態の土砂輸送管先端に備わる土砂吸引部の例を示す底面図である。 本実施形態の土砂輸送管先端に備わる土砂吸引部の例を示す断面図である。 本実施形態の土砂移送設備が含む土砂輸送管吐き出し部移動手段の例を示す平面図である。 本実施形態の土砂移送設備が含む土砂輸送管吐き出し部移動手段の例を示す側面図である。 本実施形態の土砂移送設備の他の適用形態例１を示す縦断図である。 本実施形態の土砂移送設備の他の適用形態例１を示す平面図である。 本実施形態の土砂移送設備の他の適用形態例２を示す縦断図である。 本実施形態の土砂移送設備の他の適用形態例２を示す平面図である。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態における土砂移送設備の構成例を示す縦断図であり、図２は本実施形態における土砂移送設備の構成例を示す平面図である。本実施形態の土砂移送設備１０は、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域６に移送可能とするものとなる。なお、死水域６とは、ダム貯水池２の最低水位（最も低い位置にある取水口の位置）以下の、利水対象とならない水の存在領域を意味し、図１に示すようにダム貯水池２のうち、ダム堤体１の直上流から貯水池中央部付近にかけて位置することが多い。

本実施形態におけるダム堤体１には、図１に示すように、法令で定められた維持流量をダム下流の河川等に放流するため或いは利水を下流へ放流するための放流管１１が予め備わっている。この放流管１１の管内には水車が設置されている。以降、この水車を第１水車１２と称する。

また、本実施形態における土砂移送設備１０は、ダム貯水池２における上流部などでダム貯水池有効容量を侵す堆砂５が生じている堆砂位置３から、ダム堤体１付近の死水域６に至る土砂輸送管１５を備えている。この土砂輸送管１５は、上述の堆砂位置３に配置した先端１９から、ダム貯水池２の湖岸に沿った水底４に適宜沿いつつダム堤体１に向かって延長されており、ダム堤体１を貫通してその下流側に突出した後、屈曲して再びダム堤体１を貫通してダム貯水池２における死水域６中に吐出口１７を配置した形態を備える。こうした土砂輸送管１５のうちダム堤体１の下流側に位置する部位には、管内に水車が設置されている。以降、この水車を第２水車１４と称する。

これら第１水車１２および第２水車１４は、図３にも示すように、互いの主軸１３を同軸とし適宜な増速機やフライホイール等の調整装置２５を介し連結しており、取水塔９を通って放流管１１に流れ込んで通過する放流水６０によって第１水車１２が回転すると、その回転力が主軸１３を介して第２水車１４に伝達される構成となっている。第１水車１２の回転力を得ることで第２水車１４が回転すると、土砂輸送管１５において、堆砂位置３から死水域６の方向に向けた流れが引き起こされ、ひいては、吸入孔２１で堆砂５（および周囲の水）を吸引する力が発生する。第２水車１４の回転による送流力で、堆砂位置３の吸入孔２１にて吸引された堆砂５混じりの水すなわち土砂流６１は、土砂輸送管１５を移動してついには吐出口１７に到達し、死水域６に放出されることになる。土砂吸引部１６の構造は、図４の縦断図、図５の底面図、および図６の断面図に示すとおり、その底面２０において、水底４の堆砂５に向けて開口した複数の吸入孔２１を列状に備えたものとなっている。なお、ここで示した土砂吸引部１６の構造はあくまで参考例であり、例えば、土砂吸引部１６において上述の吸入孔２１が備わっておらず、土砂輸送管先端１９の開口のみ備えるといった構造であってもよい。

なお、第２水車１４で生じた送流力で堆砂位置３から引き込まれ、吐出口１７から放出された土砂流６１は、その土砂分を死水域６の水底４に向けて排出させ、移送土砂７の堆積を形成する。死水域６で堆積した移送土砂７は、図１に示すように、土砂吸引設備３１によって吸引され、輸送管３２を通って排砂トンネル３０あるいはダム堤体１に設置された排砂管に放流され、外部に排出されることとなる。

また、第１水車１２および第２水車１４の回転方向や水車羽根の角度等は、上述した送流力を所定の強さで発生可能なように設定するものとする。また、第１水車１２および第２水車１４としては、プロペラ水車ないしＳ形チューブラ水車を採用できる。Ｓ形チューブラ水車は、水車ドラフト部をＳ字形に曲げてプロペラ水車軸を管路外部に貫通させた構造を備えるものであり、水車同士の接続や上述の調整装置２５の設置が容易である。

続いて、土砂輸送管１５の吐出口１７を平面移動させる構成について説明する。図７は本実施形態の土砂移送設備１０が含む土砂輸送管吐き出し部移動手段の例を示す平面図であり、図８は本実施形態の土砂移送設備１０が含む土砂輸送管吐き出し部移動手段の例を示す側面図である。図９において、吐出口１７からの土砂流６１をダム直上流近傍の死水域６に投入することにより、土砂流６１の含む土砂が堆砂位（死水域上面水位）付近に達したら、吐出口１７を平面的に移動させる必要が生じる。そこで本実施形態の土砂移送設備１０においては、土砂輸送管１５における吐出口１７の移動手段として、ケーブルクレーン５０を死水域６上の周囲湖岸４５に配置している。

ケーブルクレーン５０は、ダム貯水池２の湖岸４５（或いはダム堤体１上）などから所定距離の高さで立設した４本の支柱５１と、湖岸４５を挟んで向かい合う一対の支柱５１各間に架設された横行ワイヤー５２と、各横行ワイヤー５２上を平行移動可能な一対の横行装置５３と、横行装置５３間に張り渡された走行ワイヤー５４と、走行ワイヤー５４上を移動する走行装置５５と、この走行装置５５から垂直移動可能に垂下され、玉掛けに用いるフックブロック５６と、フックブロック５６に玉掛けされ、土砂輸送管１５における吐出口１７周囲を把持する垂下ワイヤー５７とから構成されている。

土砂輸送管１５の吐出口１７を移動させる際には、横行装置５３を横行ワイヤー５２上で所定距離だけ平行移動させると共に、必要に応じて走行装置５５を走行ワイヤー５４上で移動させることによって、フックブロック５６ひいては吐出口１７を横行、走行させる。

図９は本実施形態の土砂移送設備１０を土砂湖内輸送設備に適用した適用形態例１を示す縦断図であり、図１０は本実施形態の土砂湖内輸送設備の適用形態例１を示す平面図である。本実施形態の土砂移送設備は、上述してきたように堆砂移送の用途に用いるのみならず、他の用途にも適用可能である。すなわち、洪水時のダム貯水池２における濁水長期化に際し、ダム貯水池２に流入する清水を、放流管１１の吸入口８付近、すなわちダム貯水池２の貯留水における下層４１に放流することにより、上水道や農業用水等の取水先である下流河川に清水を放流することが可能となる。従って洪水終了後速やかに下流河川に清水を供給できることとなる。

また他の適用例として、土砂輸送管先端１９から、ダム貯水池２の貯留水における上層４０の温かい水を吸引し、これを放流管１１の吸入口８付近、すなわちダム貯水池２の貯留水における下層４１に放流することにより、下流河川に温かい表層水を放流することが可能となる。この場合の土砂移送設備１０の構成においては、図１１、１２に示すように、土砂輸送管先端１９が土砂吸引部１６を備えておらず、ダム堤体１付近の水面２７に近い表層領域に配置されることとなる。

以上の本実施形態によれば、ダム貯水池有効容量を侵す土砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能となる。また、この形態を上下逆に運用すると、貯水池湖底付近に貧酸素領域が存在する場合は、貯水池上層の酸素を多く含んだ表層水を下層の貧酸素領域に送り込み、貧酸素状態を解消することも可能になる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ ダム堤体
２ ダム貯水池
３ 堆砂位置
４ 水底
５ 堆砂
６ 死水域
７ 移送土砂
８ 吸入口
９ 取水塔
１０ 土砂移送設備
１１ 放流管
１２ 第１水車
１３ 主軸
１４ 第２水車
１５ 土砂輸送管
１６ 土砂吸引部
１７ 吐出口
１８ 放流管
１９ 土砂輸送管先端
２０ 土砂吸引部底面
２１ 吸入孔
２５ 調整装置
２６ 水面
３０ 排砂トンネル
３１ 土砂吸引設備
３２ 輸送管
４０ 上層
４１ 下層
４５ 湖岸
５０ ケーブルクレーン
５１ 支柱
５２ 横行ワイヤー
５３ 横行装置
５４ 走行ワイヤー
５５ 走行装置
５６ フックブロック
５７ 垂下ワイヤー
６０ 放流水
６１ 土砂流

Claims (3)

1. ダム貯水池における堆砂位置から死水域へ土砂を移動させるための土砂輸送管と、
   ダム堤体を貫通する放流管内に設置され、放流水により回転する第１水車と、
   前記土砂輸送管内において前記第１水車と同軸で連結され、前記第１水車の回転力で回転して前記堆砂位置から前記死水域の方向に向けた送流力を発生させる第２水車と、
   を備えることを特徴とする土砂移送設備。
2. 前記土砂輸送管が、前記堆砂位置に配置した先端から延びてダム堤体を貫通し、当該ダム堤体下流側に突出した後、屈曲して再び前記ダム堤体を貫通してダム貯水池における死水域中に吐出口を配置した形態を備えるものであり、
   前記第２水車が、前記土砂輸送管における前記ダム堤体下流側の部位に設置され、前記放流管内の前記第１水車と同軸で連結されているものであることを特徴とする請求項１に記載の土砂移送設備。
3. ダム貯水池における堆砂位置から死水域へ土砂を移動させるための土砂輸送管を設置し、ダム堤体を貫通する放流管内に設置した第１水車を、放流水により回転させ、
   前記土砂輸送管内において前記第１水車と同軸で連結された第２水車を、前記第１水車の回転力で回転させ、前記土砂輸送管において前記堆砂位置から前記死水域の方向に向けた送流力を発生させ、前記堆砂位置の土砂を前記土砂輸送管を介して前記死水域に吐出させることを特徴とする土砂移送方法。

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