JP6080298B2 - 貯水池死水域への効率的な堆積土砂等移動システム - 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。なお、本発明で移送対象となる土砂には、ダム貯水池有効容量を侵す堆砂として既に有効容量を侵す位置に堆積しているものと、今後洪水などによって流入してくるものの両方を含むものとする。

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、流水および土砂を、ダム貯水池直上流にて堰き止め、土砂を含む流水を輸送する土砂輸送管へと流水を分派するための分派堰と、前記分派堰の堤体に設けた呑口を経由し、分派堰が堰き止めた前記流水および土砂をダム貯水池における死水域上の水面まで導く土砂輸送管とを含むことを特徴とする。

これによれば、洪水などの自然の掃流力を利用して、ダム貯水池直上流付近から死水域上水面までの短距離で土砂移送がなされることとなり、良好な移送効率の下、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、大幅な土砂撤去費用の削減を図ることが可能となる。また併せて、堆積する土砂を土砂輸送管内に圧送することで、死水域への土砂移送によって有効貯水容量の復元が可能となり、発電貯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堆砂を、効率的かつ低コストで死水域に移送可能となる。

なお、上述の土砂移送設備は、前記土砂輸送管を陸上にて一定間隔で支持する架台と、前記土砂輸送管をダム貯水池の水上にて一定間隔で支持するフロートとを含むとしてよい。これによれば、ダム貯水池における水位変動に対してフロートで追随することが可能となり、土砂輸送管の吐出口が水中深く沈下した状態を防止し、吐出効率が低下する事態等を抑止出来る。

また、上述の土砂移送設備において、前記土砂輸送管は、前記呑口から前記吐出口に至る間で１／２００程度以上の勾配が確保されたものであるとしてもよい。これによれば、土砂輸送管内が射流開水路となり、一定の土砂掃流力を確保することが可能であり、土砂移送が更に効率的なものとなる。なお、上述のように水上における土砂輸送管をフロートにて支持する構成とした場合、ダム貯水池における最高水位時に、この１／２００の勾配を確保出来るよう、各架台の配置場所とフロートの高さについては予め設定しておくこととなる。

また、上述の土砂移送設備において、前記土砂輸送管が複数本備わっており、各土砂輸送管の呑口は、前記分派堰の堤体において、鉛直方向に互いに離間して配置されているものであるとしてもよい。これによれば、導水路を流れる水量が変動する状況にあっても、その水流毎に対応した量の水を呑口で受け入れて、死水域上の水面に導くことが可能となる。

また、上述の土砂移送設備において、死水域上の水面に位置する前記土砂輸送管の吐出口を覆う鞘管とその周囲を囲むシルトフェンスを含むとしてもよい。土砂輸送管の吐出口から下向きにダム貯水池内に投下された土砂流は、まとまった状態で湖底に向かうと想定されるが、上述のシルトフェンスによって細粒分の移動を阻止し、ダム貯水池内への濁水拡散を防止することが出来る。

また、本発明の土砂移送方法は、ダム貯水池直上流に設置した分派堰において、土砂を含む流水を堰き止めて、当該分派堰の堤体に呑口を設けた土砂輸送管により、前記分派堰が堰き止めた前記土砂を含む流水をダム貯水池における死水域上の水面まで導いて吐出口から吐出させるものであり、前記流水の含む所定粒径以下の細粒分を、前記吐出口の周囲を囲むシルトフェンスで遮断するとすれば好適である。これによれば、濁水の拡散を防止することができる。

本発明によれば、ダム貯水池有効容量を侵す土砂、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平面図である。 本実施形態における土砂移送設備の構成例を示す縦断図である。 本実施形態における土砂輸送管の呑口配置構造例を示す断面図である。 本実施形態におけるフロート配置例を示す図である。 本実施形態におけるフロート構成例を示す図である。 本実施形態におけるフロートのフレーム構成例を示す図である。 本実施形態の土砂移送設備が含む導水勾配調整装置の構成例を示す図である。 本実施形態における土砂移送設備でのフロート標高制御手順を示すフロー図である。

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は本実施形態の土砂移送設備１０の構成例を示す平面図であり、図２は本実施形態における土砂移送設備１０の構成例を示す縦断図である。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流入土砂および堆積土砂を、効率的かつ低コストで死水域４に移送可能とするものとなる。なお、死水域４とは、ダム貯水池１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、平面的に見ると図１に示すようにダム貯水池１のうち、ダム堤体８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土砂移送設備１０は、ダム貯水池上流２にあたる支川５に設置された貯砂ダム１１を含んでいる。この貯砂ダム１１は、出水時などの流水６が含む所定粒径以上の礫等（流木を含む）を捕捉する一方で、比較的粒径の小さな土砂（例：径４０〜５０ｍｍ以下）を含む流水については下流に通過させるダムである。こうした貯砂ダム１１としてはスリット式或いは大暗渠式のダムを採用できる。貯砂ダム１１の直下流からは、導水路１２が支川５の河床にそって設けてあり、貯砂ダム１１を通過した流水、すなわち通過流水１３を分派堰１４まで導いている。この通過流水１３は、貯砂ダム１１で粗粒土石が捕捉された後の、掃流砂、浮遊砂、ウォッシュロードを含む洪水濁水である。

分派堰１４は、導水路１２により導かれた上述の通過流水１３を所定量堰き止めつつ、一定量以上の水量については導水路１２周囲に設けられた横越流堰３６より越流させる堰となる。この分派堰１４では、分派堰上流側に呑口１６を設け、そこに土砂輸送管１７を配置し、これを分派堰下流に向けて堤体１５内に布設し、下流側へと配置する。土砂輸送管１７は、分派堰１４が堰き止めた通過流水１３、すなわち小粒径の土砂を含む水をダム貯水池１における死水域４上の水面７まで導く管路となる。

土砂輸送管１７は、例えば直径１５００〜３０００ｍｍで所定長の管を用いて構成されており、呑口１６から吐出口１８までの土砂輸送管全長に応じて、複数本の管をジョイントして用いる。こうした土砂輸送管１７の管径は、出水時、ダム貯水池１に土砂を伴って流入してくる河川流量に依存する。しかし流入洪水の全量を分派導水する必要はなく、年間平均流入土砂量のかなりの部分をダム貯水池１に導ける流量を分派対象流量と考え、その流量は最大３〜４ｍ３／ｓ／ｋｍ２程度とする。一方、土砂輸送管１７の材質としては、土砂混じりの水が流下する状況を踏まえ、耐摩耗性に優れた性質が求められる。また、屋外に載置されるために十分な耐候性を有する必要もある。従来、発電所等の沈砂池に溜まった土砂の排出にＦＲＰ材管路を採用したり、或いは、コンクリートの練り混ぜ・運搬に使用する管の内面をゴムライニングして耐摩耗性を確保した事例があり、硬度の大きい鋼材やコンクリート製品より局所的変形に追随する材料の方が耐摩耗性にすぐれているといえる。

また、ダム貯水池１の水面７上に土砂輸送管１７を這わせ、ケーブル操作による水面移動（後述）操作も想定していることから、土砂輸送管１７の材質としては耐摩耗性および曲げ配管性に優れた高密度ポリエチレン管が有利である。また、土砂輸送管１７のジョイントは、フランジ接続又は溶着継手とする。

上述したように、分派堰１４の堤体１５に呑口１６を設けた土砂輸送管１７は、ダム貯水池１における死水域４上の水面７に至るまで、通過流水１３を自然流下させるため、図２に示すように所定の勾配を有している必要がある。土砂輸送管１７において水流が効率良く流下するためには射流開水路が有利であり、そのためには土砂輸送管全長に亘る勾配を１／２００程度以上とすれば好適である。このような水路勾配を確保するため、土砂輸送管１７は、土砂輸送管全長における一定間隔ごとに、該当箇所で必要な適宜な高さを備えた架台２０ないしフロート２１で支持されている。

架台２０は陸上に設置され、一定の高さで土砂輸送管１７を固定的に支持する構造物であり、設置箇所の地面の標高に当該架台２０の高さを合算した値が土砂輸送管１７の標高値となる。一方、フロート２１は、ダム貯水池１の水面７に設置され、十分な浮力を有する発泡樹脂や空気等の適宜な気体を封入したバルーン等で構成されている。このフロート２１の浮遊箇所の水面７の標高に当該フロート２１の高さ（厚み）を合算した値が土砂輸送管１７の標高値となる。

このように水上においてはフロート２１で土砂輸送管１７を支持するとすれば、ダム貯水池１の水位変動に追随して土砂輸送管１７を浮上させ、土砂輸送管１７の完全な水没を防止できる。このようにフロート２１はダム貯水池水位と共に標高を変えるため、フロート２１を採用した場合には、土砂輸送管１７の導水勾配が一定とはなりにくい。従って、ダム貯水池水位が最も高い時に土砂輸送管１７の水路勾配が１／２００程度を確保できるよう、架台２０の高さ、およびフロート２１の厚み等を予め設定しておくものとする。

なお、図１の平面図で示すように、上述の土砂輸送管１７の途中に設けた合流部４２に対し、圧送管４０を接続するとしてもよい。この圧送管４０は、台船等に配置したバックホーあるいはフローティングバックホー４１が掘削したダム貯水池１の堆砂を土砂輸送管１７に供給する管路である。このように、既存の土砂移送手段、設備により除去した土砂を土砂輸送管１７に供給し処理するとしてもよい。

なお、土砂輸送管１７は図１にて示すように複数本で構成されているとすれば好適である。この場合、各土砂輸送管１７の呑口１６は、図３にて示すように、堤体１５の上流側において、鉛直方向に互いに離間して配置されている。このように呑口１６を鉛直方向に互いに離間して配置すれば、導水路１２を流れる水量に確実に対応した量の水を死水域４上の水面７に導くことが可能となる。すなわち、導水路１２において水位ａの水量が流れている場合、最下段の土砂輸送管１７の呑口１６が通過流水１３を受け入れ、より高い水位ｂの水量が流れている場合、最下段と中段の２本の土砂輸送管１７の呑口１６が通過流水１３を受け入れ、横越流堰３６を越流するほどの水位の水量が流れている場合、最下段、中段、最上段の全３本の土砂輸送管１７の呑口１６が通過流水１３を受け入れることになる。また、各土砂輸送管１７を水平に並べる場合と比べ、水位に応じて１つの土砂輸送管１７が満水になる可能性が高まる。土砂輸送管１７が満水状態となれば、それだけ該当土砂輸送管１７における流量が増大し、水流に含まれる土砂が管内に沈降しにくくなり、土砂の移送効率が高まる。

一方、土砂輸送管１７の吐出口１８は、死水域４の水面７付近に達し、そこで水面下に向け開口している。つまり土砂輸送管１７は水面下に上述の通過流水１３を排出する。吐出口１８を覆う所定の鞘管とその周囲、約５〜１０ｍの範囲は、濁水拡散防止用のシルトフェンス１９で囲まれており、細粒分を多く含む通過流水１３すなわち濁水がダム貯水池１内に拡散することが防止される。シルトフェンス１９は、水面７から水深５ｍ程度まで配置する。

また、吐出口１８からの放流により土砂が堆砂位（死水域上面水位）付近に達したら、吐出口１８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、吐出口１８の移動手段として、定置式のワイヤーウィンチ３４を吐出口１８の四方に配置している。ワイヤーウィンチ３４は、ダム貯水池１の湖岸やダム堤体８上などに設置され、水面７から所定の高さだけ離間するアーム３５と、このアーム３５に沿って延びて吐出口１８に先端を固定したワイヤー３３とを備えている。この場合、左右それぞれの湖岸やダム堤体８に設置したワイヤーウィンチ３４がワイヤー３３を巻き取り、或いは送り出しの動作を行うことによって、吐出口１８を横行、走行させることができる。ワイヤーウィンチ３４に代えてＨ型クレーンを採用しても良い。

続いて、上述のフロート２１の構成について説明する。図４は本実施形態におけるフロート配置例を示す図であり、図５は本実施形態におけるフロート構成例を示す図である。ここで示すフロート２１は、ダム貯水池１の水位変動に対応して、フロート内の空き容量制御が可能な構成となっており、土砂輸送管全長で上述した好適な導水勾配を維持するよう機能するものである。この場合のフロート２１の各々は、当該フロート２１の標高を計測するＧＰＳユニット２２、当該フロート２１が支持する土砂輸送管１７の勾配を計測する水平器２３、ＧＰＳユニット２２および水平器２３の計測値をネットワーク１２０に送信する通信ユニット２５、当該フロート２１の厚みを制御するためのエアポンプ２８、このエアポンプ２８に空気を圧送する空気圧送管２７を備えている。また、フロート２１と土砂輸送管１７とは金属製等の固定バンド２６で互いに巻回され、固定されている。なお、通信ユニット２５は、ネットワーク１２０が無線ネットワークであれば無線ユニットであり、ネットワーク１２０が有線のネットワークであれば有線通信のユニットとなる。

また、フロート２１はラバーダム状のバルーン３２で主として構成されているが、このままでは土砂輸送管１７を常に安定した形態で支持することが難しい。そのため、自身でも水に浮く強化プラスティック製の管材で構成したフレーム構造中に、上述のバルーン３２を収めた構造をもってフロート２１を構成するものとする。

バルーン３２を収めるフレーム構造は、図６にて示すように、管材を矩形格子状に組んで構成されたものであり、下部フレーム３１と、当該下部フレームの縦部材開口３０に対し、下端が上下動可能に嵌入する上部フレーム２９とから構成されている。

空気圧送管２７からバルーン３２に対して空気が注入されると、バルーン３２は膨張しようとするが当該フレーム構造で制約を受けて、下部フレーム３１から上部フレーム２９を離間させる向き、すなわち上方向に主として膨張する。この上方向の膨張により上部フレーム２９が上方向に移動し、フロート２１の厚みが大きくなる。他方、空気圧送管２７によりバルーン３２から空気が抜去されると、バルーン３２は収縮し、上部フレーム２９を下方向に移動させることになり、フロート２１の厚みが小さくなる。つまり、バルーン３２に、空気を注入・抜気することでフロート２１の厚み調整が可能である。

続いて、上述のフロート２１の厚みをコントロールし、土砂輸送管１７の導水勾配を適切なものに調整する、導水勾配調整装置１００について説明する。この導水勾配調整装置１００は、各フロート２１より、該当フロート２１の標高と、該当フロート２１が支持する土砂輸送管１７の勾配とに関する各計測値を、ＧＰＳユニット２２、水平器２３からそれぞれ取得し、当該取得した標高および勾配の計測値に基づいて、土砂輸送管全体における勾配が所定基準値となる各フロート２１における目標標高を算定し、当該算定した各フロート２１の目標標高に応じて、該当フロート２１における厚みの制御手段（エアポンプ２４）に対し、所定量の厚み調整指示を行う情報処理装置となる。

図７は本実施形態の土砂移送設備が備える導水勾配調整装置のハードウェア構成例を示す図である。図７に示すように、導水勾配調整装置１００は、ハードディスクドライブなど適宜な不揮発性記憶装置で構成される記憶装置１０１、ＲＡＭなど揮発性記憶装置で構成されるメモリ１０３、記憶装置１０１に保持されるプログラム１０２をメモリ１０３に読み出すなどして実行し装置自体の統括制御を行なうとともに各種判定、演算及び制御処理を行なうＣＰＵなどの演算装置１０４、ネットワーク１２０と接続し、フロート２１の通信ユニット２５、およびエアポンプ２４との通信処理を担う通信装置１０５、を備える。なお、記憶装置１０１内には、本実施形態の導水勾配調整装置１００として必要な機能を実装する為のプログラム１０２の他、導水勾配の基準値のデータ（例：１／２００）、および、ダム貯水池水位毎に基準勾配を達成する際の各フロート２１の目標標高のデータが、少なくとも記憶されている。

図８は本実施形態における土砂移送設備１０においてフロート２１の標高を制御する手順を示すフロー図である。まず、導水勾配調整装置１００は、ネットワーク１２０を介し、各フロート２１のＧＰＳユニット２２および水平器２３より、該当フロート２１の標高、支持する土砂輸送管１７の勾配に関する計測値を取得する（ｓ１００）。

次に導水勾配調整装置１００は、上述のステップｓ１００において、各フロート２１から得られた標高、勾配の値と、予め記憶装置１０１に保持している、架台２０の標高値とに基づいて、土砂輸送管全体における現在の勾配を算定する（ｓ１０１）。導水勾配調整装置１００は、ここで算定した現在の勾配と、基準勾配（例：１／２００）とを比較し（ｓ１０２）、基準勾配を達成しているか判定する（ｓ１０３）。

上述の判定の結果、現在の勾配が、基準勾配を達成していた場合（ｓ１０３：Ｙ）、導水勾配調整装置１００は、処理を上述のステップｓ１００に戻し、導水勾配調整の手順を継続する。一方、現在の勾配が基準達成していなかった場合（ｓ１０３：Ｎ）、導水勾配調整装置１００は、ステップｓ１００で得ている、各フロート２１における現在の標高と、記憶装置１０１に保持している該当フロート２１の目標標高との差分をそれぞれ算定する（ｓ１０４）。

各フロート２１の目標標高からの差分を算定した導水勾配調整装置１００は、各フロート２１の目標標高からの差分が解消されるよう、バルーン３２への所定量の空気挿入、ないしバルーン３２からの所定量の空気抜去を行うべくエアポンプ２８を制御し、該当フロート２１の空気圧送管２７へ所定量の空気を挿入ないし抜去させる（ｓ１０５）。こうして各フロート２１の標高を制御し、ひいては土砂輸送管全体の勾配を基準勾配に保つことが出来る。

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。

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 ダム貯水池
２ ダム貯水池上流
３ ダム貯水池直上流
４ 死水域
５ 支川
６ 流水
７ 水面
８ ダム堤体
９ 水底
１０ 土砂移送設備
１１ 貯砂ダム
１２ 導水路
１３ 通過流水
１４ 分派堰
１５ 堤体
１６ 呑口
１７ 土砂輸送管
１８ 吐出口
１９ シルトフェンス
２０ 架台
２１ フロート
２２ ＧＰＳユニット
２３ 水平器
２５ 通信ユニット
２６ 固定バンド
２７ 空気圧送管
２８ エアポンプ
２９ 上部フレーム
３０ 縦部材開口
３１ 下部フレーム
３２ バルーン
３３ ワイヤー
３４ ワイヤーウィンチ
３５ アーム
３６ 横越流堰
４０ 圧送管
４１ フローティングバックホー
４２ 合流部
１００ 導水勾配調整装置
１０１ 記憶装置
１０２ プログラム
１０３ メモリ
１０４ 演算装置
１０５ 通信装置
１２０ ネットワーク

Claims (6)

1. 流水および土砂を、ダム貯水池直上流にて堰き止め、土砂を含む流水を輸送する土砂輸送管へと流水を分派するための分派堰と、前記分派堰の堤体に設けた呑口を経由し、分派堰が堰き止めた前記流水および土砂をダム貯水池における死水域上の水面まで導く土砂輸送管とを含むことを特徴とする土砂移送設備。
2. 前記土砂輸送管を陸上にて一定間隔で支持する架台と、前記土砂輸送管をダム貯水池の水上にて一定間隔で支持するフロートとを含むことを特徴とする請求項１に記載の土砂移送設備。
3. 前記土砂輸送管は、前記呑口から前記吐出口に至る間で１／２００程度以上の勾配が確保されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の土砂移送設備。
4. 前記土砂輸送管が複数本備わっており、各土砂輸送管の呑口は、前記分派堰の堤体において、鉛直方向に互いに離間して配置されているものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の土砂移送設備。
5. 死水域上の水面に位置する前記土砂輸送管の吐出口を覆う鞘管とその周囲を囲むシルトフェンスを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の土砂移送設備。
6. ダム貯水池直上流に設置した分派堰において、土砂を含む流水を堰き止めて、当該分派堰の堤体に呑口を設けた土砂輸送管により、前記分派堰が堰き止めた前記土砂を含む流水をダム貯水池における死水域上の水面まで導いて吐出口から吐出させる、ことを特徴とする土砂移送方法。

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