JP6083729B2

JP6083729B2 - 土砂輸送システム及びこれを用いた覆砂工法

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Publication number: JP6083729B2
Application number: JP2012148390A
Authority: JP
Inventors: 敏行天明; 俊男岡部; 中村　雄二; 雄二中村; 裕也山上; 睦宏加来; 哲也角
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Kyoto University; Hazama Ando Corp
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Kyoto University; Hazama Ando Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: JP2014009543A

Description

本発明は、ダムの貯水池、湖沼、海、河川などに土砂を輸送、撒布するのに使用する土砂輸送システム及びこれを用いた覆砂工法に関する。

近年の地球温暖化や気候変動により降雨量が増大するなどその影響の深刻度が増す中で、発電時にＣＯ²を排出しない水力発電の重要性の高まりや治水安全面の向上の必要性などの観点から、既存のダム機能を確保、向上させることの重要性が高まっている。そして、既存のダム機能を確保、向上させるための具体的対策として、洪水時にダム貯水位を低下させることによる、（１）洪水時の掃流力を利用した排砂、通砂、流水掃砂などのダム堆砂対策、（２）洪水時のさらなる治水安全度の確保などが計画、実施されている。
ところで、洪水時にダム貯水位を低下させる際の課題の一つとして、既存のダム貯水池に粘土やシルトなどの細粒土砂が堆積していると、ダム貯水位の低下に伴い、ダム貯水池内の流速が増加するため、これまでは生じていなかった細粒土砂の巻上げが発生し、ダム下流河川域にこれまで以上の濁水を発生させることが指摘されている。
この細粒土砂の巻上げを抑制し、ダム下流河川域への濁水の影響を軽減させる方法として、細粒土砂の巻上げが想定される地点を粒径の粗い砂礫で覆う、覆砂対策が有効であると考えられる。
また、ダム貯水池の他、湖沼、海、河川などの水域で、水底に底泥（ヘドロ）が堆積している状態では、ヘドロの巻上げが起こると、濁水が発生する。また、ヘドロの中の有機物が嫌気分解して酸素を消費するため、ヘドロからリンや窒素などを含む栄養塩が水中に溶出して水質汚染を進行させ、濁水の長期化を招く。さらに、このヘドロの分解によって水中の溶存酸素が消費されるために、水草や底生生物など水中生物の生育・生息環境の悪化を引き起こす。
このような水域においても覆砂対策を取ることにより、その底質、水質の改善を期待することができる。すなわち、水底に粒径の大きな石を含む砂礫土砂を敷均すことにより、ヘドロの巻上げを抑制し、また、栄養塩の溶出量、溶存酸素の消費量を共に削減して、水質を良好に維持することができる。そして、この水質の維持により、水草や底生生物の生活基盤を確保でき、生物相の回復を図ることができる。

この種の覆砂対策では、一般に、土砂を改善対象の水域から離れた土砂採取現場で採取し、この土砂は、土砂採取現場付近に一旦仮置きした後ダンプカーに積載して輸送したり、土運船に積み込んで運搬したりして、改善対象の水域に移送し、改善対象の水域において、クレーン船などによりグラブで土砂を掴み、水底に投入して敷均すことが行われているが、土砂の輸送をダンプカーや土運船により行うため、土砂の間欠的な輸送にならざるを得ず、輸送効率が悪い、また、覆砂工法をクレーン船でグラブを用いて土砂を水底に投入することにより行うため、高い施工能力を期待することができない、さらに、土砂の輸送と撒布を別々の工程で行っているため、施工上効率が悪いなど、改善を求められる点が多い。

また、この種の覆砂対策では、土砂の輸送を効率よく行うために、土砂の輸送始点と輸送終点との間に輸送管を設置し、空気圧送により、土砂を連続的に輸送する輸送システムが知られている。この種の輸送システムは例えば特許文献１などにより提案されている。
この輸送システムは、水を含み粘性を有するスラリ状の土砂を搬送する装置で、土砂の輸送始点と輸送終点との間に形成される輸送管ラインと、輸送管ラインの輸送始点の輸送管内に土砂を投入するための土砂供給装置と、輸送管ラインの輸送始点の輸送管に圧縮空気を送給し、当該輸送管内に投入される土砂を輸送終点に向けて圧送する空気圧送式の圧送装置とを備え、輸送管ラインの輸送始点で土砂に圧縮空気を連続的に混入することにより、輸送管ラインの内部で土砂の流れにプラグ流を発生させ、このプラグ流によって、土砂と輸送管内面との間の見かけ上の摩擦力を低減して、比較的小さなエネルギーで土砂を効率よく大量輸送するようになっている。
この土砂輸送システムでは、土砂を輸送始点から輸送終点まで直接輸送できる点で、一般の覆砂対策に比べて、土砂の輸送、撒布を効率よく行うことができる。

特開２００７−３３２６００公報

しかしながら、上記の土砂輸送システムの場合、スラリ状の土砂を輸送対象として、空気圧送式を採用しており、しかも、土砂を長距離輸送するためには、輸送管ラインの途中に補助圧縮空気を投入するための補助圧縮空気投入部を必要とするため、この土砂輸送システムでは、粒径の大きな石を含む砂礫土砂を連続的に効率よく長距離に亘って輸送することは極めて難しい、という問題がある。
また、このような輸送管ラインを用いた土砂の輸送に関する他の技術文献を見る限り、現在のところ、例えば粒径１５０ｍｍ程度の石を含む砂礫土砂を対象として、１０００ｍもの距離を輸送することのできる技術がなく、このため、粒径の大きな石を含む砂礫土砂を改善対象の水域に広範囲に効率よく輸送、撒布する工法は確立されていないのが現状である。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、ダム貯水池他各水域で採取される（例えば、粒径１５０ｍｍ程の）大きな礫を含む土砂を連続的に効率よく、（例えば、１０００ｍ程の）長距離に亘って輸送することのできる新たなポンプを用い、砂礫土砂を改善対象のダム貯水池他各水域に広範囲に効率よく輸送、撒布するのに有用で、各水域の底質、水質の改善に資する土砂輸送システム及びこれを用いた覆砂工法を提供すること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、土砂の輸送始点と輸送終点との間に略６００ｍ〜略１０００ｍの距離の輸送管ラインが形成され、前記土砂の輸送始点に土砂を圧送するためのポンプを備え、前記土砂の輸送始点から前記ポンプにより圧送対象として最大粒径１５０ｍｍ程度の礫を含む土砂を前記土砂の輸送終点へ輸送する土砂輸送システムであって、前記ポンプは、揚程１．４ＭＰａ、流量１０ｍ ³ ／分以上の能力を有し、高圧の動力水を送給する超高圧ポンプと、一端にノズル接続口、他端に内管接続口をそれぞれ有し、周面に吸引口を有する外管、前記外管のノズル接続口に嵌め込み固定され、高圧水を発生させるためのノズル、及び前記外管の前記内管接続口に嵌め込み固定されて、高圧水を受ける内管とからなり、最大粒径１５０ｍｍ程度の礫を含む砂礫土砂を吸引、圧送可能に、前記ノズルの直径を６０ｍｍ以上、前記内管の直径を２００ｍｍ以上、前記ノズルから前記内管までの距離を１５０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲、前記内管の長さを５００ｍｍ〜２０００ｍｍの範囲とし、前記超高圧ポンプから送給される動力水により駆動され、土砂を吸引、圧送するエジェクターと、前記輸送管ラインに１気圧換算で１０〜８０ｍ ³ ／分の空気量の圧縮空気を送入し、前記輸送管ラインに土砂のスラグ流を発生させるコンプレッサーとを備え、前記超高圧ポンプが前記エジェクターの前記ノズルに接続され、前記エジェクターの前記内管と前記輸送管ラインが接続されるとともに、前記コンプレッサーが送入管を介して前記エジェクターの前記内管の先０〜２０ｍの位置に接続されて構成され、前記エジェクターを前記コンプレッサーとともに駆動し、前記土砂の輸送始点の前記エジェクターの前記吸引口に投入される土砂を当該土砂に含まれる最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫とともに、前記コンプレッサーにより送入する前記圧縮空気と混合し、最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫を含む土砂を前記輸送管ラインを通して水、土砂、空気の３層流として前記輸送終点へ圧送する、ことを要旨とする。
また、本発明は、覆砂対策を講じる水域の土砂撒布地点で土砂を撒布する覆砂工法において、土砂の輸送始点となる地点と輸送終点となる地点との間に上記の土砂輸送システムを設置して、前記土砂の輸送始点から前記ポンプにより砂礫土砂を前記輸送管ラインを通して前記輸送終点へ直接輸送する、ことを要旨とする。
この場合、土砂の輸送終点に減衰器を設置し、前記減衰器を土砂撒布地点に位置決めして、輸送管ラインで輸送された砂礫土砂を前記減衰器により減衰して前記土砂撒布地点に撒布することが好ましい。

本発明の土砂輸送システムによれば、上記の構成により、エジェクターをコンプレッサーとともに駆動し、土砂の輸送始点のエジェクターの吸引口に投入される土砂を当該土砂に含まれる最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫とともに、コンプレッサーにより送入する圧縮空気と混合し、最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫を含む土砂を輸送管ラインを通して水、土砂、空気の３層流として輸送終点へ圧送するようにしたので、ダム貯水池他各水域で採取される粒径１５０ｍｍ程の大きな礫を含む土砂を連続的に効率よく、６００ｍ〜１０００ｍ程の長距離に亘って輸送することができ、これにより、砂礫土砂を底泥が堆積する改善対象のダム貯水池他各水域に広範囲に効率よく輸送、撒布することができ、各水域の底質、水質の改善に資することができる、という格別な効果を奏する。
また、この土砂輸送システムを用いた覆砂工法によれば、ダム貯水池他各水域で採取される最大粒径１５０ｍｍ程度の大きな礫を含む土砂を連続的に効率よく、６００ｍ〜１０００ｍもの長距離に亘って輸送することができるので、砂礫土砂を底泥が堆積する改善対象のダム貯水池他各水域に広範囲に効率よく輸送、撒布して、各水域の底質、水質を改善することができる、という格別な効果を奏する。

本発明の一実施の形態における土砂輸送システムの構成を示すブロック図同システムに用いるエジェクターの構成を示す図同システムを用いた輸送試験において、輸送距離別の輸送管始点の圧力Ｐ２と土砂輸送量Ｓの関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、土砂輸送量と始点圧力Ｐ２を距離Ｌで除した値の関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、推定始点圧力Ｔと始点圧力Ｐ２の関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、距離別の推定始点圧力Ｔと土砂輸送量Ｓの関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、推定始点圧力Ｔを距離Ｌで除したＴ／Ｌと土砂輸送量Ｓの関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、輸送距離と土砂輸送量の関係を示す図同システムを用いた輸送試験において、３００ｍ以下の距離を修正した推定輸送量を示す図同システムを用いた覆砂工法のイメージを示す図同システムを用いた覆砂工法の効果に関する解析結果（粒径０．１ｍｍ以下の土砂のＳＳ濃度−ダム地点の流量の関係）を示す図

以下、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１に土砂輸送システムの構成を示している。図２にこのシステムに用いるエジェクターを示している。図１に示すように、土砂輸送システムＳは、土砂の輸送始点と輸送終点との間に輸送管ラインＬが形成され、輸送管ラインＬの輸送始点で土砂を投入し、輸送管ラインの輸送始点から輸送終点へ土砂を圧送する形式のシステムで、このシステムＳのポンプは、高圧の動力水を送給する超高圧ポンプ１と、噴射口２２、吸引口２１３、及び吐出口２３を有し、超高圧ポンプ１から送給される動力水により駆動され、土砂を吸引、圧送するエジェクター２と、輸送管ラインＬに圧縮空気を送入する空気送入装置３とを備え、超高圧ポンプ１がエジェクター２の噴射口２２に接続され、エジェクター２の吐出口２３と輸送管ラインＬの輸送始点が接続され、空気送入装置３が輸送管ラインＬの輸送始点側に接続されて構成される。

この土砂輸送システムＳでは、最大粒径（直径）１５０ｍｍ程度までの大きさの石を含む砂礫土砂を圧送対象として、輸送管ラインＬ、ポンプ機器（超高圧ポンプ１、エジェクター２、空気送入装置３）がそれぞれ製作され、ポンプ機器は例えば貯水池の土砂受入ヤードに近接する地点に係留される台船上に設置され、また、この台船上には土砂をポンプ機器のエジェクター２に定量的に連続して供給するためのホッパー５、振動フィーダ６及びベルトコンベアー７が併せて設置される。この台船上を土砂の輸送始点とし、貯水池の土砂の撒布地点を土砂の輸送終点として、この輸送地点と輸送終点との間に輸送管ラインＬがユニットフロートを介して配管される。

輸送管ラインＬは複数の輸送管が連結されて形成される。各輸送管は鋼管が使用され、この輸送管内に最大粒径１５０ｍｍ程度の石を含む砂礫土砂を排送可能に、１本の鋼管の直径を４００ｍｍ又はそれ以上（この場合、４００ｍｍ）、長さを６ｍとし、複数の鋼管をそれぞれ、ゴムジョイントを介して、各鋼管のフランジをボルト止めすることにより連結して、延長を２００ｍ〜１０００ｍ（この場合、１０００ｍ）とする。この輸送管を水に浮かせて配管するため、鋼管１本につき２個のフロートを設置する。

超高圧ポンプ１は、エジェクター２で最大粒径１５０ｍｍ程度の石を含む砂礫土砂を吸引、圧送するのに必要な高い圧力で大容量の動力水をエジェクター２に供給可能に、揚程１．４ＭＰａ、流量１０ｍ³／分以上の能力が必要で、この場合、ポンプ性能として１８００回転／分で揚程１．５ＭＰａ、流量５ｍ³／分程度の送水が可能な大型の両吸込渦巻ポンプ１１、１２が２台使用され、これらのポンプ１１、１２が並列に連結されて、揚程１．５ＭＰａ、流量１０ｍ³／分程度の能力を有する。また、この場合、両吸込渦巻ポンプ１１、１２の動力はモーターでもよいが、エンジンが採用され、２２０ｋｗ相当のエンジンが取り付けられる。なお、エンジン式の超高圧ポンプにしたことで全体がコンパクトになる。

エジェクター２は、図２に示すように、一端にノズル接続口２１１、他端に内管接続口２１２をそれぞれ有し、周面に吸引口２１３を有するエジェクター本体をなす外管２１と、外管２１のノズル接続口２１１に嵌め込み固定されて、高圧水（ジェット水）を発生させるため噴射口をなすノズル２２と、外管２１の内管接続口２１２に嵌め込み固定されて、高圧水を受ける吐出口をなす内管２３とからなり、このエジェクター２内に最大粒径１５０ｍｍ程度の礫などを含む砂礫土砂を吸引、圧送可能に、ノズル２２の直径を６０ｍｍ以上、内管２２の直径を２００ｍｍ以上（この場合、２５０ｍｍ）とし、ノズル２２から内管２３までの距離を１５０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲、内管２３の長さを５００ｍｍ〜２０００ｍｍの範囲とする。なお、このエジェクター２は大型の超高圧ポンプ１に対応する大型のもので、自動制御された最適空気を外部から導入する（この場合、ノズル部付近に少量の空気を取り込む構造とする）点、絞りのない内管２３を用いて真空を発生させる点で通常のエジェクターと異なり、その他管の磨耗に強い、管の閉塞や詰まりに強い、高濃度で輸送できる、などの利点を有する。また、このエジェクター２はノズル２２及び内管２３が外管２１に嵌め込まれる仕組みになっているため、ノズル２２及び内管２３の交換が容易であり、ノズル２２の直径や内管２３の直径を種々に変えることにより、ポンプとしての揚程や流量を種々に変えることができる。
このエジェクター２は吸引口２１３が上方に向けて開口され、この吸引口２１３に土砂受けホッパー２４が取り付けられる。
このようにして、ホッパー５、振動フィーダ６及びベルトコンベアー７により定量的に連続して供給される土砂が土砂受けホッパー２４を介してエジェクター２の吸引口２１３から内部に投入され、エジェクター２の内部に発生する真空吸引力により、内管２３を通して輸送管ラインＬへ噴出される。

空気送入装置３は、空気を供給するコンプレッサー３０と、コンプレッサー３０と輸送管ラインＬの始点側との間に接続される送入管３１とからなり、エジェクター２の吐出口２３の先０〜２０ｍの範囲内の所定の位置に接続される。この場合、エジェクター２の吐出口２３に空気挿入管３２が配管されて、輸送管ラインＬはエジェクター２の吐出口２３に空気挿入管３２を介して接続され、空気送入装置３の送入管３１はこの空気挿入管３２に接続される。なお、空気挿入管３２は逆流防止用の逆止弁が設置される。このシステムＳの運転中は、輸送管内に大量の空気が溜まり、非常に高い圧力になるため、ポンプが停止されたときに土砂の逆流を防止して、安全を確保する必要があるためである。
この空気送入装置３の、空気挿入管３２に挿入する空気量は、土砂の輸送距離が長くなるほど多くの空気量を必要とするため、１気圧換算で１０〜８０ｍ³／分（輸送距離が６００ｍ程度ならば１０〜４０ｍ³／分、１０００ｍ程度ならば３０〜８０ｍ³／分）とし、輸送管ラインＬ内に土砂のスラグ流を発生させるようにする。
このようにして空気送入装置３は空気挿入管３２を介して輸送管ラインＬの輸送始点の輸送管に接続され、この空気送入装置３により輸送管ラインＬ内に空気を混入し、砂礫を含む土砂を水、土砂、空気の３層流として輸送する。

この土砂輸送システムＳはこのような輸送管ラインＬと、超高圧ポンプ１、エジェクター２、空気送入装置３からなるポンプとを備え、超高圧ポンプ１がエジェクター２の噴射口２２に接続され、エジェクター２の吐出口２３と輸送管ラインＬの輸送始点が接続され、空気送入装置３が輸送管ラインＬの輸送始点側に接続されて構成され、エジェクター２を空気送入装置３とともに駆動して、輸送管ラインＬの輸送始点に投入される土砂を当該土砂に含まれる圧送対象とする所定の大きさ（最大粒径（直径）１５０ｍｍ程度）までの礫とともに、空気送入装置３により送入される空気と混合し、輸送管ラインＬを通して輸送終点へ圧送するようになっている。
なお、このシステムＳでは、土砂の輸送終点である例えば貯水池の土砂の撒布地点で、砂礫土砂を撒くので、輸送終点に撒布台船がウインチを用いて移動可能に設置され、この台船上に減衰器としてディストリビュータ４が搭載されて、輸送管ラインＬの終端がこのディストリビュータ４に連結される。このようにして輸送管ラインＬの輸送終点に輸送された砂礫土砂がディストリビュータ４により減衰されて土砂の撒布地点に撒布される。

この土砂輸送システムＳでは、超高圧ポンプ１を駆動することにより、この超高圧ポンプ１から高圧の大容量の動力水がエジェクター２に送給され、この動力水がエジェクター２のノズル２２で絞られて秒速５０ｍを超える流速でエジェクター２の内部に内管２３に向けて噴射され、これによってエジェクター２の内部に高い負圧が発生し、エジェクター２の吸引口２１３を介してエジェクター２の外部から内部に向けて真空吸引力が働く。併せて、空気送入装置３を駆動し、エジェクター２の吐出口２３の先方の空気挿入管３２に圧縮空気が挿入される。
このようにシステムＳを駆動した状態から、エジェクター２内に土砂を投入する。この場合、土砂受入れヤードでバックホウにより砂礫土砂を掻き出し、台船上のホッパー５に投入する。ホッパー５に投入された砂礫土砂は、ホッパー５下部の振動フィーダ６を介して、ホッパー５の下部からエジェクター２の土砂受入れホッパー２４の直上まで延びるベルトコンベアー７により搬送され、エジェクター２の土砂受入れホッパー２４に投入される。このようにして砂礫土砂が定量的に連続してエジェクター２内に投入される。これらの砂礫土砂は、エジェクター２内部に働く真空吸引力により、エジェクター２の吸引口を通してエジェクター２内部に連続的に吸引され、内管２３、空気挿入管３２を通じて輸送管ラインＬへ圧送される。この場合、既述のとおり、超高圧ポンプ１による高い圧力と大容量の動力水の送給能力と、これに対応可能な大口径の内管２３を有する大型の特殊エジェクター２とにより、エジェクター２は粒径１５０ｍｍ程度の石を吸引、圧送することができるので、エジェクター２の吸引口２１３から吸入される砂礫土砂の中に直径１５０ｍｍ程度の大きさの石が含まれていても、エジェクター２内部へ送られ、内管２３を通して輸送管ラインＬへ噴出され、輸送管ラインＬ上を圧送される。また、この場合、エジェクター２の内管２３の先０〜２０ｍの位置でエジェクター２と輸送始点の輸送管との間に配管された空気挿入管２４に空気送入装置３により空気が送入されて、輸送管ラインＬ内に圧送される砂礫土砂に空気が混合され、これにより砂礫土砂にスラグ流を発生させて、粒径の大きな石を含む砂礫土砂でも長距離輸送が可能となり、輸送終点へ確実に排送される。そして、輸送終点まで排送された砂礫土砂は撒布台船上のディストリビュータ４を介して減衰され、貯水池の所定の位置で濁水の発生を抑制しつつスムーズに沈下される。

本願出願人はこの土砂輸送システムＳを用いて、次のとおり、土砂の輸送試験を行い、次のような結果を得た。
１．対象土砂
対象土砂はダム貯水池内に堆砂している砂礫である。予めふるいを用いて分級し、洗浄したものを用いた。洗浄の目的は濁水の発生を防止するためである。使用した土砂は１２０ｍｍのふるい目で分級した粒径１５０ｍｍ、８０ｍｍのふるい目で分級した粒径１００ｍｍの２種類である。
２．試験方法
（１）試験ケース
試験は輸送距離、土砂の粒度、エジェクターのノズルや内管の直径を変えて行った。主な試験ケースを表１に示す。

（２）測定項目
測定項目は、電磁流量計による超高圧ポンプの流量Ｑ（ｍ³／ｍｉｎ）、駆動水の水圧Ｐ１（ＭＰａ）、輸送管始点、終点での圧力Ｐ２、Ｐ３（ＭＰａ）、空気量Ａ（Ｎｍ³／ｍｉｎ）である。また、ホッパーにボールを投入して輸送管内の速度を測定した。
３．試験結果
（１）土砂輸送量
試験結果を表２に示す。

輸送距離別の輸送管始点の圧力Ｐ２と土砂輸送量Ｓの関係を図３に示す。距離別では、始点圧力と土砂輸送量は比例の関係にある。輸送管の始点で高い圧力を示したケースほど土砂輸送量は大きい結果であった。
また、土砂輸送量と始点圧力Ｐ２を距離Ｌで除した値の関係を図４に示す。土砂輸送量は始点圧力が高いほど増加するが、輸送距離には反比例することが分かる。
エジェクターポンプの最大揚程をノズルと内管の面積比と駆動ポンプの圧力に比例するものと仮定し、ノズルと内管の面積比Ｄｎ²／Ｄｉ²と駆動ポンプの圧力Ｐ１を乗じたものに係数αを加えたものを推定始点圧力Ｔとする。推定始点圧力Ｔは式（１）で

ここでα＝０．０６７とすると、推定始点圧力は測定された始点圧力Ｐ２とほぼ一致する。推定始点圧力Ｔと始点圧力Ｐ２の関係を図５に示す。
距離別の推定始点圧力Ｔと土砂輸送量Ｓの関係を図６に示す。
また、推定始点圧力Ｔを距離Ｌで除したＴ／Ｌと土砂輸送量Ｓの関係を図７に示す。
図６より、推定始点圧力Ｔと土砂輸送量Ｓは距離別に比例する関係があることが分かる。また、図７より土砂輸送量ＳはＴ／Ｌと相関があり、土砂輸送量Ｓは以下の式（２）を用いて近似できる。

式（２）に式（１）を代入すると式（３）となる。

式（３）より、土砂輸送量Ｓは駆動ポンプの圧力Ｐ１、ノズル・内管の直径Ｄｎ・Ｄｉ、輸送距離Ｌをパラメータとした式で推定することが可能といえる。
式（１）と式（２）より、Ｔについて整理すると式（４）となる。

Ｐ１について整理すると、式（５）が得られる。

式（５）を用いて現在のシステムでの必要な駆動ポンプの圧力の試算が可能となる。例えば、輸送距離１０００ｍで５０ｍ³／ｈの輸送能力が必要な場合の駆動ポンプの圧力Ｐ１は、３．１ＭＰａであり、Ｓ＝４０（ｍ³／ｈ）とすると、Ｐ１＝２．３ＭＰａとなる。
土砂輸送量、システム、輸送距離に必要な駆動ポンプの圧力の計算例を表３に示す。

式（２）を用いて求めた距離別の土砂輸送量を表４に、輸送距離と土砂輸送量の関係を図８に示す。図には実測値も示す。輸送距離が３００ｍ以下の範囲では多少乖離する。

３００ｍ以下の距離を修正した推定輸送量を図９に示す。
（２）空気量
圧送で使用した空気量は６００ｍ、１０００ｍで３６Ｎｍ³／ｍｉｎ〜５４Ｎｍ³／ｍｉｎであった。水量が約１０ｍ³／ｍｉｎであるから、空気量は水量の３〜６倍となる。
４．まとめ
この試験の結果、粒径の大きな砂礫土砂を長距離輸送するために、使用する水量の３〜６倍にもなる大量の空気（堆積で大気圧換算）を輸送管に導入し、輸送管内に水と空気の混合からなる「スラグ流」を発生させることが有効であり、直径４００ｍｍの輸送管を用いた場合、配管延長６００ｍで約５０ｍ³／ｈ、１０００ｍで約３０ｍ³／ｈの輸送能力があることを確認した。
また、土砂輸送量Ｓは駆動ポンプの圧力、ノズル・内管の直径、輸送距離をパラメータとした式で推定できることが分かった。

以上説明したように、この土砂輸送システムＳでは、輸送管ラインＬの輸送始点に土砂を圧送するためのポンプを備え、このポンプは超高圧ポンプ１、エジェクター２、空気送入装置３を備え、超高圧ポンプ１がエジェクター２の噴射口に接続され、エジェクター２の吐出口２３と輸送管ラインＬの輸送始点が接続され、空気送入装置３がエジェクター２の吐出口２３の先、所定の位置に接続されて構成され、エジェクター２を空気送入装置３とともに駆動して、輸送管ラインＬの輸送始点に投入される土砂を当該土砂に含まれる圧送対象とする所定の大きさまでの礫とともに、空気送入装置３により送入される空気と混合し、輸送管ラインＬを通して輸送終点へ圧送するので、ダム貯水池などで浚渫される大きな礫を含む土砂を連続的に効率よく、長距離に亘って輸送することができる。
この土砂輸送システムＳの場合、特に、超高圧ポンプ１による高い圧力と大容量の動力水の送給能力と、これに対応可能な大口径の内管２３を有する大型の特殊エジェクター２とにより、エジェクター２は粒径１５０ｍｍ程度の石を輸送管ラインＬに吸引、圧送することができ、併せて、エジェクター２の吐出口２３の先、所定の位置から輸送管ラインＬに空気送入装置３により圧縮空気を強制的に送入し、空気量の多いスラグ流を発生させるので、エジェクター２の吸引口２１３から吸入される砂礫土砂の中に直径１５０ｍｍ程度の大きさの石が含まれていても、エジェクター２内部へ連続的に吸引し、輸送管ラインＬへ圧送して、１０００ｍもの長距離でも輸送することができる。この場合、エジェクター２のジェット水の圧力が十分に強いので、従来のように、輸送管ラインＬの途中で空気を補助的に入れる必要がない。
なお、この土砂輸送システムＳによると、輸送距離が２００ｍ程度で短い場合は、空気送入装置３による圧縮空気の輸送管ラインＬへの送入は不要で、エジェクター２のノズル２２から噴出されるジェット水の流速のみで、砂礫土砂を輸送始点から輸送終点まで輸送することが可能である。

図１０にこの土砂輸送システムＳを用いた覆砂工法を示している。この覆砂工法では、土砂の輸送始点となる地点、例えば覆砂対策を講じる水域（この場合、ダム貯水池とする。）の土砂撒布地点から離れた土砂受入ヤードあるいは土砂採取現場（この場合、土砂受入ヤードとする。）と、土砂の輸送終点となる地点、すなわちダム貯水池の土砂撒布地点との間に土砂輸送システムＳを設置して、土砂受入ヤードから輸送管ラインＬに砂礫土砂を投入し、土砂撒布地点へ輸送して、土砂撒布地点で土砂を撒布する。

この場合、土砂輸送システムＳのうち、超高圧ポンプ１、エジェクター２、空気送入装置３、ホッパー５、振動フィーダ６及びベルトコンベアー７を土砂受入ヤードに近接する地点に係留する台船上に設置し、エジェクター２に接続する複数の輸送管をフロートを介してダム貯水池に配管設置し、輸送管ラインＬを土砂撒布地点まで延長する。他方、土砂撒布地点には撒布台船８を設置し、撒布台船８の４隅から、ウインチ８０から繰り出されたワイヤーロープ８１を前後方向に延ばし、適宜の固定位置に固定して、これらのワイヤーロープ８１をウインチ８０で巻き取ることにより、撒布台船８を縦方向又は横方向に移動し、位置決めするようにする。この撒布台船８の先端に減衰器であるディストリビュータ（サイクロン）４を取り付け、土砂受入ヤードから延ばされた輸送管ラインＬの終端を撒布台船８に乗せてディストリビュータ４に連結する。
このようにして土砂受入ヤード側で超高圧ポンプ１を駆動すると、この超高圧ポンプ１から高圧の大容量の動力水がエジェクター２に送給され、この動力水がエジェクター２のノズル２２で絞られて秒速５０ｍを超える流速でエジェクター２の内部に内管２３（図２参照）に向けて噴射され、これによってエジェクター２の内部に高い負圧が発生し、エジェクター２の吸引口２１３を介してエジェクター２の外部から内部に向けて真空吸引力が働く。併せて、空気注入装置３を駆動すると、エジェクター２の吐出口の先方の空気挿入管３２に圧縮空気が挿入される。
かかるシステムＳの駆動状態から、バックホウ９により砂礫土砂をホッパー５に投入する。ホッパー５に投入された砂礫土砂はホッパー５の下部から、振動フィーダ６の振動案内により、ホッパー５の下部からエジェクター２の土砂受入れホッパー２４（図１参照）の直上まで延びるベルトコンベアー７により搬送され、エジェクター２の土砂受入れホッパー２４に投入される。このようにして砂礫土砂を定量的に連続してエジェクター２内に投入すると、これらの砂礫土砂は、エジェクター２内部に働く真空吸引力により、エジェクター２の吸引口を通してエジェクター２内部に連続的に吸引され、内管２３、空気挿入管３２を通じて輸送管ラインＬへ圧送される。この場合、既述のとおり、超高圧ポンプ１による高い圧力と大容量の動力水の送給能力と、これに対応可能な大口径の内管２３を有する大型の特殊エジェクター２とにより、エジェクター２は粒径１５０ｍｍ程度の石を吸引、圧送することができるので、エジェクター２の吸引口から吸入される砂礫土砂の中に直径１５０ｍｍ程度の大きさの石が含まれていても、エジェクター２内部へ送られ、内管２３を通して輸送管ラインＬへ噴出され、輸送管ラインＬ上を圧送される。また、この場合、エジェクター２の内管２３の先０〜２０ｍの位置でエジェクター２と輸送始点の輸送管との間に配管された空気挿入管３２に空気送入装置３により空気が送入されて、輸送管ラインＬ内に圧送される砂礫土砂に空気が混合され、これにより砂礫土砂にスラグ流を発生させて、粒径の大きな石を含む砂礫土砂でも長距離輸送が可能となり、輸送終点へ確実に排送される。そして、輸送終点まで排送された砂礫土砂は撒布台船８上のディストリビュータ４を介して減衰され、貯水池の所定の位置で濁水の発生を抑制しつつスムーズに沈下される。このようにして土砂撒布地点の水底に粒径１５０ｍｍ程度の石を含む砂礫土砂を厚さ１ｍ程度で略均一に敷均す。そして、この撒布台船８を縦方向、横方向に直線的に移動しながら、同様の施工を繰り返す。

本願出願人はこの覆砂工法による濁水発生抑制効果を実証するための解析を行った。この解析においては、現状の洪水時の運用ではダム貯水位を比較的高い状態に保つことが行われており、この条件では細粒土砂の巻上がりは発生しないが、洪水時にダム貯水位を低下させると、細粒土砂が巻上がり、ダム下流域に濁水の影響を及ぼすことが想定される実際のダム地点を対象とした。また、解析手法は一次元河床変動解析を用いて、解析対象としたダム地点における現状の河床条件（地形、堆砂厚さ、粒径分布など）を適切にモデル化した。洪水モデルについては、１０年に１回程度生じる確率規模の実際の波形を用いた。
この場合、解析ケースは、現状の河床条件の下、覆砂対策を行わない場合（ケース１）及び現状の河床の上位に１ｍの厚さで覆砂対策を行った場合（ケース２）とした。なお、覆砂対策に用いる砂礫材料としては、解析対象としたダム地点の上流にあるダムに堆積されている最大粒径１５０ｍｍ、平均粒径７ｍｍの砂礫を想定し、その粒径分布条件を与えた。
解析結果として、粒径０．１ｍｍ以下の土砂のＳＳ濃度−ダム地点の流量の関係を図１１に示す。なお、この図１１には、現状において、出水時に採水し、０．１ｍｍ以下の土砂のＳＳ濃度を測定した結果も併せて示している。この結果に示すように、特に流量が２００ｍ³／ｓから４００ｍ³／ｓ程度の低流量時において、覆砂対策を行わない場合（ケース１）では、現状の堆積している細粒土砂の巻上げにより、粒径０．１ｍｍ以下の細粒土砂成分のＳＳ濃度が現状の出水時調査結果の２倍程度となるが、覆砂対策を行うこと（ケース２）により、細粒土砂の巻上げの抑制効果により、現状の出水時調査結果のレベルまで、ＳＳ濃度を低減することができる。また、流量が増加した状況においても、覆砂対策を行わない場合（ケース１）よりも覆砂対策を行う場合（ケース２）の方がＳＳ濃度が低く、流量が２，０００ｍ³／ｓを超えるような大流量時においても、その効果は持続する結果となっている。
以上から、覆砂対策により、洪水時のダム貯水位低下操作において、現状の堆積している細粒土砂の巻上げを抑制し、ダム下流域の濁水の影響を低減できる効果が明らかとなった。

以上説明したように、この覆砂工法では、土砂の輸送始点となる地点、この場合、覆砂対策を講じるダム貯水池の土砂撒布地点から離れた土砂受入ヤードと、土砂の輸送終点となる地点、すなわち覆砂対策を講じるダム貯水池の土砂撒布地点との間に土砂輸送システムＳを設置して、土砂受入ヤードで輸送管ラインＬに砂礫土砂を投入し、土砂撒布地点へ輸送して、土砂撒布地点で砂礫土砂を撒布するものとし、土砂輸送システムＳの有する作用により、河川などで採取される粒径の大きな礫を含む土砂を連続的に効率よく、長距離に亘って輸送するので、この砂礫土砂を底泥が堆積する改善対象のダム貯水池に広範囲に効率よく輸送、撒布することができる。
そして、ダム貯水池の水底に粒径の大きな石を含む砂礫土砂を敷均すことで、水底の細粒土砂の巻上げを抑制し、濁水の発生を可及的に防止することができる。
また、この場合、ダム貯水池に粒径１５０ｍｍ程の砂礫により厚さ１ｍ程の覆砂を行うことにより、土砂の流出操作において濁水の発生を効果的に防止することができる。
さらに、この工法では、輸送管ラインＬの終端にディストリビュータ４を設置して、輸送管ラインＬで輸送された砂礫土砂を減衰して土砂撒布地点に撒布するようにしたので、ダム貯水池の土砂撒布地点で濁水の発生を抑制しつつ砂礫土砂をスムーズに沈下させることができる。

また、この覆砂工法は、ダム貯水池の他、湖沼、海、河川などで、水底にヘドロが堆積している状態の各水域の覆砂対策に同様に適用することができ、水底に粒径の大きな石を含む砂礫土砂を敷均すことにより、水底のヘドロの巻上げを抑制し、栄養塩の溶出量、溶存酸素の消費量を共に削減して、各水域の水質、底質を良好に維持することができる。そして、この水質の維持により、水草や底生生物の生活基盤を確保して、生物相の回復を図ることができる。特に、湖や河川では、砂礫の洗浄効果により濁水の発生が少なくなり、底質の細粒分が除去されるので、鮎などの産卵床に適した湖底や河床を作り出すことが可能である。

Ｓ土砂輸送システム
Ｌ輸送管ライン
１超高圧ポンプ
２エジェクター
２１１ノズル接続口
２１２内管接続口
２１３吸引口
２１外管
２２ノズル（噴射口）
２３内管（吐出口）
２４土砂受入れホッパー
３空気送入装置
３０コンプレッサー
３１送入管
３２空気挿入管
４ディストリビュータ（減衰器）
５ホッパー
６振動フィーダ
７ベルトコンベアー
８撒布台船
８０ウィンチ
８１ワイヤーロープ
９バックホウ

Claims

土砂の輸送始点と輸送終点との間に略６００ｍ〜略１０００ｍの距離の輸送管ラインが形成され、前記土砂の輸送始点に土砂を圧送するためのポンプを備え、前記土砂の輸送始点から前記ポンプにより圧送対象として最大粒径１５０ｍｍ程度の礫を含む土砂を前記土砂の輸送終点へ輸送する土砂輸送システムであって、
前記ポンプは、
揚程１．４ＭＰａ、流量１０ｍ ³ ／分以上の能力を有し、高圧の動力水を送給する超高圧ポンプと、
一端にノズル接続口、他端に内管接続口をそれぞれ有し、周面に吸引口を有する外管、前記外管のノズル接続口に嵌め込み固定され、高圧水を発生させるためのノズル、及び前記外管の前記内管接続口に嵌め込み固定されて、高圧水を受ける内管とからなり、最大粒径１５０ｍｍ程度の礫を含む砂礫土砂を吸引、圧送可能に、前記ノズルの直径を６０ｍｍ以上、前記内管の直径を２００ｍｍ以上、前記ノズルから前記内管までの距離を１５０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲、前記内管の長さを５００ｍｍ〜２０００ｍｍの範囲とし、前記超高圧ポンプから送給される動力水により駆動され、土砂を吸引、圧送するエジェクターと、
前記輸送管ラインに１気圧換算で１０〜８０ｍ ³ ／分の空気量の圧縮空気を送入し、前記輸送管ラインに土砂のスラグ流を発生させるコンプレッサーと、
を備え、
前記超高圧ポンプが前記エジェクターの前記ノズルに接続され、前記エジェクターの前記内管と前記輸送管ラインが接続されるとともに、前記コンプレッサーが送入管を介して前記エジェクターの前記内管の先０〜２０ｍの位置に接続されて構成され、
前記エジェクターを前記コンプレッサーとともに駆動し、前記土砂の輸送始点の前記エジェクターの前記吸引口に投入される土砂を当該土砂に含まれる最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫とともに、前記コンプレッサーにより送入する前記圧縮空気と混合し、最大粒径１５０ｍｍ程度の大きさまでの礫を含む土砂を前記輸送管ラインを通して水、土砂、空気の３層流として前記輸送終点へ圧送する、
ことを特徴とする土砂輸送システム。
覆砂対策を講じる水域の土砂撒布地点で土砂を撒布する覆砂工法において、
土砂の輸送始点となる地点と輸送終点となる地点との間に請求項１に記載の土砂輸送システムを設置して、前記土砂の輸送始点から前記ポンプにより砂礫土砂を前記輸送管ラインを通して前記輸送終点へ直接輸送する、
ことを特徴とする覆砂工法。
土砂の輸送終点に減衰器を設置し、前記減衰器を土砂撒布地点に位置決めして、輸送管ラインで輸送された砂礫土砂を前記減衰器により減衰して前記土砂撒布地点に撒布する請求項２に記載の覆砂工法。