JP6296936B2 - 浚渫システム - Google Patents

Description

本発明は浚渫システムに関し、さらに詳しくは、水深の深い水底地盤を浚渫する際に吸引ヘッドの振れを抑制して効率よく浚渫することを可能にした浚渫システムに関するものである。

近年、日本の排他的経済水域（ＥＥＺ）の深海底の泥中に高濃度のレアアース（希土類）が大量に含まれていることが判明した。このようなレアアースが存在している深海底は、例えば水深６０００ｍ程度であり非常に深い位置である。レアアースはハイテク電子機器等に不可欠な鉱物資源であるため、レアアースを含む泥を浚渫して揚泥できれば産業にとって非常に有益である。

従来、浚渫方法としては例えば、船から吸引ヘッドをワイヤによって水底地盤まで吊り下げて、吸引ヘッドの底面に設けられた吸引口から水底地盤上の泥を吸引する方法が知られている（特許文献１、２参照）。レアアースが存在している水底は非常に深いので、この浚渫方法を用いた場合、吸引ヘッドを吊り下げているワイヤの長さも相応に長くなる。それ故、吊り下げた吸引ヘッドが振れ易く、また、振れた場合はその振れが収束するまでに多大な時間を要するという問題があった。吸引ヘッドが振れていると、水底地盤の表層の泥を吸引することができないため作業効率が著しく低下する。このような問題は、レアアースを含んだ泥を浚渫する場合だけでなく、水深の深い水底地盤の表層を浚渫する場合にも同様に当てはまる。

特開２００９−４９６８９号公報 特開２００９−４９７００号公報

本発明の目的は、水深の深い水底地盤を浚渫する際に吸引ヘッドの振れを抑制して効率よく浚渫することを可能にした浚渫システムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の浚渫システムは、ケーシングの底面に吸引口が形成された吸引ヘッドと、この吸引ヘッドに接続される輸送管と、この輸送管の内部を吸引する吸引手段と、前記輸送管の昇降を行なう昇降装置とを備え、前記輸送管を介して前記吸引ヘッドを浮体から水中に吊り下げて、前記昇降装置の駆動を制御することにより前記吸引ヘッドの上下位置を調整しつつ、前記吸引口から水底地盤の表層を吸引する浚渫システムであって、前記輸送管を、上端側管部と下端側管部とこれら管部どうしを連結する連結管部とで構成し、前記上端側管部に長手方向一端部が回転可能なリンク機構を介して固定され、前記下端側管部に長手方向他端部が回転可能なリンク機構を介して固定されて長手方向に伸縮するダンパが備わることを特徴とする。

本発明によれば、浮体から吊り下げられる輸送管を、上端側管部と下端側管部とこれら管部どうしを連結する連結管部とで構成し、上端側管部と下端側管部とに、長手方向に伸縮するダンパの長手方向のそれぞれの端部をリンク機構を介して固定したので、吸引ヘッドが振れた場合には、ダンパの伸縮によって振れが減衰される。したがって、深海底のような水底地盤を浚渫する際に、吸引ヘッドを吊り下げる輸送管の長さが長くなる場合であっても吸引ヘッドは振れ難くなり、振れた場合も短時間で振れが収束する。それ故、水底地盤の表層を吸引できない時間ロスを抑制することができ、効率よく浚渫することが可能になる。

本発明の浚渫システムを例示する説明図である。 図１の吸引ヘッド周辺を例示する正面図である。 図１の吸引ヘッドの底面図である 図１の連結管部の一部を断面にしてダンパ周辺を例示する説明図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 水底地盤の表層を浚渫している状態を例示する説明図である。 図４の吸引ヘッドが振れた時のダンパの動きを例示する説明図である。 吸引ヘッドの変形例を示す説明図である。

本発明の浚渫システムおよび浚渫方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図５に例示する本発明の浚渫システムには、吸引ヘッド１と、この吸引ヘッド１に接続される輸送管５と、この輸送管５の内部を吸引する吸引手段１０と、輸送管５の昇降を行なう昇降装置１１とが備わっている。吸引ヘッド１を構成するケーシング２の底面には吸引口３が形成されている。

輸送管５は、上端側管部５ａと下端側管部５ｃとこれら管部５ａ、５ｃどうしを連結する連結管部５ｂとで構成されている。輸送管５は所定長さの管体が順次接続されることにより全長が長くなる。輸送管５の長手方向中途の位置（連結管部５ｂに該当する範囲）にはダンパ６が備わっている。吸引手段１０としては、サンドポンプやエアリフトを用いることができる。

吸引ヘッド１は、輸送管５を介して船等の浮体１３から水中に吊り下げられる。そして、昇降装置１１の駆動を制御することにより吸引ヘッド１の上下位置を調整しつつ、吸引口３から吸引手段１０の吸引力によって水底地盤Ｇの表層を吸引する構成になっている。昇降装置１１の駆動（運転および停止、昇降方向）は制御装置１２によって制御される。この実施形態では、吸引手段１０が浮体１３に設置されているが、ケーシング２の内部に設置することもできる。輸送管５を下方に延ばすには、昇降装置１１によって所定長さの管体を順次接続して全長を延ばしつつ降下させる。輸送管５を引き上げるには、昇降装置１１によって輸送管５を上昇させつつ接続されている所定長さの管体を順次、分離させる。

ケーシング２は、半球状の上ケーシング２ａと下ケーシング２ｂとで構成され、互いを接合することで球状になっている。ケーシング２の外径は、例えば１．５ｍ程度を中心にして１ｍ〜４ｍ程度であるが、この範囲に限定されるものではない。

上ケーシング２ａおよび下ケーシング２ｂは、フランジ部どうしが接合されているが、フランジ部を設けずに接合して滑らかな表面にすることもできる。ケーシング２（下ケーシング２ｂ）の底面の形状は、平面視の中央部が下方に突出する形状であればよく、球状に限らず、例えば多角錐状等にすることもできるが、なるべく下方に突出する曲面形状がよい。

吸引口３は、ケーシング２の底面の平面視の中央部に設けられている。この吸引口３は例えば、多数の貫通孔３ａを有する多孔状に形成される。貫通孔３ａの大きさは、例えば直径相当で１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。すべての貫通孔３ａは同じ大きさにすることもできるが、異なる大きさの貫通孔３ａを混在させることもできる。貫通孔３ａの数は、適宜決定されるが、例えば５〜１００個程度である。

このケーシング２の外表面には、吸引口３から上方に延びる複数本の溝４ａが形成されている。この複数本の溝４ａは、吸引ヘッド１（ケーシング２）の底面視で、吸引口３を中心にして均等な中心角度で放射状に配置されている。溝４ａを設けることは任意であるが、後述するように溝４ａによって一段と円滑な浚渫が可能になる。

輸送管５は、連結管部５ｂに上端側管部５ａおよび下端側管部５ｃが外嵌された構成になっているが、上端側管部５ａおよび下端側管部５ｃが内嵌された構成にすることもできる。連結管部５ｂと、上端側管部５ａおよび下端側管部５ｃはＯリング等のシール部材９を介在させて嵌合されている。

ダンパ６は、シリンダ６ａと、シリンダ６ａに内挿されて長手方向に進退移動するロッド６ｂとで構成されている。ダンパ６としては、ロッド６ｂが進退移動（ダンパ６が伸縮）することでエネルギを減衰させるものであればよく、エアダンパやオイルダンパ等、様々なタイプのダンパを用いることができる。

ダンパ６の長手方向両端部はそれぞれリンク機構７ａ、７ｂを介して輸送管５の外周面に固定されている。詳述すると、上端側管部５ａ、下端側管部５ｃのそれぞれの連結管部５ｂとの接続位置の近傍に固定アーム８ａ、８ｂが突設されている。これらの固定アーム８ａ、８ｂに、回転可能なリンク機構７ａ、７ｂを介してダンパ６の長手方向一端部（図４ではシリンダ６ａの上端部）、他端部（図４ではロッド６ｂの下端部）が固定されている。即ち、ダンパ６は上端側管部５ａ、下端側管部５ｃに対して回転可能に接続されている。この実施形態では、３本のダンパ６が輸送管５の外周側に周方向に均等の間隔で配置されている。

この浚渫システムを用いて水底地盤Ｇの表層を浚渫する場合の手順を以下に説明する。

まず、昇降装置１１から輸送管５を下方に延ばしつつ降下させて吸引ヘッド１を、輸送管５を介して浮体１３から水中に吊り下げ、吸引ヘッド１の吸引口３を地盤Ｇの表層に近づける。ここで、昇降装置１１の駆動によって吸引ヘッド１の上下位置を調整しつつ、吸引ヘッド１の水底地盤Ｇに対する接地圧を適切に維持する。このような状態で図２に例示するように、吸引手段１０による吸引力によって吸引口３から水底地盤Ｇの表層の泥や土砂を水分とともに輸送管５に吸引して水上に揚送する。吸引口３の全範囲が水底地盤Ｇによって同時に塞がれると吸引が困難になるので、吸引ヘッド１の上下位置の調整は重要である。

そして、浮体１３を移動させることにより、図６に例示するように吸引ヘッド１を水平移動させて、水底地盤Ｇの所望の範囲の表層を浚渫する。浚渫する水底地盤Ｇの水深に応じて浮体１３から延びる輸送管５の長さが異なり、水底地盤Ｇの水深が深い程、浮体１３から吊り下がる輸送管５の長さは増大することになる。

例えば、水深６０００ｍ以上の深い水底地盤Ｇの表層を浚渫する場合、輸送管５が相応に長くなるので、浮体１３を移動させる際や、波、潮流によって吸引ヘッド１が意図しない方向に振れ易くなる。また、吸引ヘッド１が振れた場合に振れが収束するまでに要する時間が長くなる。このような場合、吸引ヘッド１を所望の位置に配置することが困難になるので浚渫を行なうことができず、作業効率が著しく低下する。即ち、深海底のレアアースを含んだ泥を浚渫する場合等には、作業効率が非常に悪くなることが想定される。

本発明では輸送管５に備わったダンパ６によって吸引ヘッド１の振れが低減する。詳述すると、図７に例示するように吸引ヘッド１が左方向に振れた場合、輸送管５も左側に屈曲した状態になる。この時、吸引ヘッド１の振れ側にある左側のダンパ６のロッド６ｂは後退して左側のダンパ６は収縮し、吸引ヘッド１の反振れ側にある右側のダンパ６のロッド６ｂは前進して右側のダンパ６は伸長する。

これらダンパ６の伸縮によって吸引ヘッド１を振らすエネルギが減衰されるので、左方向への振れ幅が減少し、その後の右方向への振れ幅も減少する。このようにダンパ６による減衰効果によって吸引ヘッド１は振れ難くなり、振れた場合も短時間で振れが収束する。それ故、吸引ヘッド１の振れに起因して水底地盤Ｇの表層を吸引できない時間ロスが抑制され、効率よく浚渫することが可能になる。したがって、深海底のレアアースを含んだ泥を浚渫する場合であっても効率的に作業を行なうことが可能である。

それぞれのダンパ６は、その長手方向両端部がリンク機構７ａ、７ｂによって輸送管５に対して回転可能に接続されているので、ねじり力や曲げ力が作用し難くなっていて、概ね軸力のみが作用するので、円滑に伸縮し易くなっている。また、上端側管部５ａおよび下端側管部５ｃは、シール部材９を介在させて連結管部５ｂと嵌合しているので、吸引した泥や土砂が輸送管５の外部に漏れ難くなっている。

吸引ヘッド１のあらゆる方向への振れを抑制するには、ダンパ６を輸送管５の外周側に周方向に均等の間隔で複数本配置することが効果的である。３本〜４本のダンパ６を、輸送管５を中心にして周方向に均等配置することがより効果的である。

吸引ヘッド１の振れを抑制するには、ダンパ６を吸引ヘッド１からあまり離れた位置に配置しない方が効果的である。それ故、ダンパ６を、輸送管５（下端側管部５ｃ）の吸引ヘッド１の上端との接続位置から１ｍ〜１０ｍの範囲の位置に配置するとよい。

また、ダンパ６の長手方向のストローク（ロッド６ｂの進退移動長さ）が短過ぎると減衰効果が小さくなり、長過ぎると装置が大掛かりになる。それ故、ダンパ６のストロークは例えば０．２ｍ以上１．０ｍ以下にするとよい。

水底地盤Ｇの表層を吸引口３から吸引する際には、適度な水分が必要であり、水分が不足すれば吸引効率が低下する。この実施形態では、ケーシング２の外表面に溝４ａが形成されているので、この溝４ａを通じて吸引口３の近傍に水分が供給される。そのため、安定した吸引を確保することができる。

図８に例示する吸引ヘッド１は、ケーシング２の外表面に、上述した溝４ａに代えて、この外表面に沿うように上下方向中間部から吸引口３の近傍に延びる複数本の水分供給パイプ４ｂを有している。この水分供給パイプ４ｂはケーシング２の内部に設置された水分供給ポンプに接続されている。そして、水分供給ポンプから供給された水分Ｗが水分供給パイプ４ｂを通じて吸引口３の周辺のケーシング２の外表面に供給される。このような水分供給パイプ４ｂを設けることは任意であるが、設けることにより吸引口３の近傍に、積極的に水分Ｗを供給することができる。そのため、安定した吸引を確保することができる。

尚、吸引ヘッド１には、溝４ａと水分供給パイプ４ｂの両方を設けることもできる。その際には、例えば、溝４ａと水供給パイプ４ｂとをケーシング２の周方向に交互に配置する。

１ 吸引ヘッド
２ ケーシング
２ａ 上ケーシング
２ｂ 下ケーシング
３ 吸引口
３ａ 貫通孔
４ａ 溝
４ｂ 水分供給パイプ
５ 輸送管
５ａ 上端側管部
５ｂ 連結管部
５ｃ 下端側管部
６ ダンパ
６ａ シリンダ
６ｂ ロッド
７ａ、７ｂ リンク機構
８ａ、８ｂ 固定アーム
９ シール部材（Ｏリング）
１０ 吸引手段
１１ 昇降装置
１２ 制御装置
１３ 浮体
Ｇ 水底地盤

Claims (4)

1. ケーシングの底面に吸引口が形成された吸引ヘッドと、この吸引ヘッドに接続される輸送管と、この輸送管の内部を吸引する吸引手段と、前記輸送管の昇降を行なう昇降装置とを備え、前記輸送管を介して前記吸引ヘッドを浮体から水中に吊り下げて、前記昇降装置の駆動を制御することにより前記吸引ヘッドの上下位置を調整しつつ、前記吸引口から水底地盤の表層を吸引する浚渫システムであって、
   前記輸送管を、上端側管部と下端側管部とこれら管部どうしを連結する連結管部とで構成し、前記上端側管部に長手方向一端部が回転可能なリンク機構を介して固定され、前記下端側管部に長手方向他端部が回転可能なリンク機構を介して固定されて長手方向に伸縮するダンパが備わることを特徴とする浚渫システム。
2. 前記ダンパが、前記輸送管の外周側に周方向に均等の間隔で複数本配置される請求項１に記載の浚渫システム。
3. 前記ダンパが、前記輸送管の前記吸引ヘッドの上端との接続位置から１ｍ〜１０ｍの範囲の位置に配置される請求項１または２に記載の浚渫システム。
4. 前記ダンパの長手方向のストロークが０．２ｍ以上１．０ｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の浚渫システム。

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