JP6395392B2 - 土砂排出装置及び土砂排出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダム湖、湖沼その他の水域（以下、本説明では「湖沼等」ともいう。）の、水底に溜まる堆積土砂を除去するための、土砂排出装置及び土砂排出方法に関するものである。

近年、必要な水源の確保を図る手法として、新たなダムの建設を行うことなく、既存ダムの貯水能力を回復させることが望まれており、ダム湖の水底の堆積土砂を除去するための技術が開発されている。
一例としては、図４に示されるように、埋設型有孔管による固定式浚渫装置を用いた堆積土砂の除去工法が挙げられる。この固定式浚渫装置１は、管の長手方向に沿って、適宜間隔で管の一部に孔を設けてなる有孔部を有する有孔管１ｂを用いるものである。この有孔管１ｂは、水面下の堆積土砂２の中に鉛直に埋設される有孔管の有孔部１ｃと、有孔部１ｃの上流側に配設され水中３の水を管内に吸水する吸水部１ｄと、有孔部１ｃの後端から折り返され堆積土砂２の上に配置され浚渫地域の外部へと土砂を排砂する、有孔部１ｃの下流側に配設される輸送部１ｅとを備えている。そして、吸水部１ｄからの吸水により、有孔部１ｃの上位置の孔１ａから下位置の孔１ａへと、順に土砂を排砂する。この際、図４に示されるように、大きな土厚の堆積土砂２を何層かに分割して、例えば、図中の安定（安息）線２ａ，２ｂ，２ｃ，‥に示すように分割して排砂する。こうして、大きな土厚の堆積土砂においても、浚渫作業を行うことを目指すものである（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−２２９５２８号公報

ところで、従来の埋設型有孔管による固定式浚渫装置を用いた堆積土砂の除去工法は、堆積土砂２が、透水性の高い低粘性の土砂（砂等）である場合には、堆積土砂２の除去を円滑に行うことが可能である。しかしながら、透水性の低い高粘性の土砂に対しては、図５に示されるような、有孔部１ｃの孔１ａによる土砂の吸引が進行せず、堆積土砂の除去が滞る場合がある。これは、本発明者らの鋭意研究の結果、堆積土砂２の吸引開始時に、吸水部１ｄから管内への水の流入が生じても、孔１ａへの土中からの透水による水の供給が無いために、孔１ａ周辺部の土砂の崩壊が生じないことに起因することが確認されている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ダム湖に限らず、湖沼その他の水域において、堆積土砂の除去が必要な場合であっても、堆積土砂の性状に影響を受けることなく、堆積土砂の除去を円滑に行うことを可能とすることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）水底の堆積土砂を除去するための土砂排出装置であって、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管を備え、該管は、入口側端部が堆積面から水中部へと突出し、かつ、前記開口部の上端が堆積土砂の堆積面よりも高い水中部に露出した状態で、堆積土砂内部を深部方向へと延び、所定深さにおいて前記開口部の下端が定められており、該開口部の下端の先で折り返されて堆積面方向へと延び、水面下で折れ曲がり、出口側端部が浚渫地域の外部に設置されている土砂排出装置（請求項１）。

本項に記載の土砂排出装置は、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管が、開口部の上端が堆積土砂の堆積面よりも高い水中部に露出した状態で、入口側端部が堆積面から水中部へと突出するようにして、堆積土砂に対し埋設されており、固定式浚渫装置を構成するものである。
この、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管は、堆積土砂内部を深部方向へと延び、所定深さにおいて開口部の下端が定められ、開口部の下端の先で折り返されて堆積面方向へと延び、更に水面下で折れ曲がり、出口側端部が浚渫地域の外部に設置されている。そして、ポンプによる排水により、或いは、管の出口側端部が浚渫地域の水面よりも下方に位置する場合には、管の出口側端部と水面との間の水位差により、湖沼等の貯水は、管の入口側端部から吸引されて管内を流れ、管の出口側端部へと排出される。

この、管内の水の流れにより、上端が堆積土砂の堆積面よりも高い水中部に露出した開口部に負圧が生じ、開口部から管内へと水が吸引される。そして、開口部から管内への水流が、堆積土砂にせん断力を付与し、堆積土砂の表層部から開口部を介して管内へと堆積土砂が吸引される。即ち、開口部から管内部への流入水が、堆積土砂を崩して管内へと吸引するきっかけを生むこととなる。堆積土砂の表層部の管内への吸引が一旦始まると、堆積土砂の深部へと侵食が進行して行き、侵食進行に伴い、堆積土砂中の開口部が深部方向と開放され、侵食範囲が更に深部へと広がり、堆積土砂の管内への吸引が更に深部へと進行していく。なお、管の所定深さにおいて開口部の下端が定められていることから、上述の水及び堆積土砂の吸引作用は、管の折り返し部よりも上方に位置する、開口部の下端の近傍に進行するまで得られるものである。
そして、管内に吸引された堆積土砂は、管内を流れる水と共に、堆積土砂の深部方向へと流れ、所定深さにおいて折り返されて堆積面方向へと流れた後に水面下で折れ曲がり、管の出口側端部から排出される。

（２）上記（１）項において、前記管の内部流量を制御するバルブを備える土砂排出装置（請求項２）。
本項に記載の土砂排出装置は、管の内部流量を制御するバルブを備えることから、通常時はバルブを閉じておくことで、管内の水流が不十分な状態において管内に土砂が吸引され、管の閉塞を来たすことを回避するものである。又、湖沼等がダム湖である場合には、ダム湖の放水時にバルブを開放して、放水される貯水と共に堆積土砂を排出するというような、ダム湖の運用上の観点からも、堆積土砂の排出に適したタイミングで、土砂排出作業を行うものである。又、バルブ開放時に、管内に脈動流を発生させるように、バルブ開度を変化させることで、堆積土砂による管内閉塞を回避、改善すると共に、堆積土砂の輸送、排出を促すものである。

（３）上記（１）（２）項において、前記管には、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を開閉する蓋が設けられている土砂排出装置。
本項に記載の土砂排出装置は、通常時は蓋によって開口部を閉じておくことで、管内に堆積土砂が不用意に流れ込み、管の閉塞を来たすことを、回避するものである。又、堆積土砂の排出時には、蓋を開放することにより、開口部からの管内部への水および堆積土砂の吸引を促すものである。

（４）前記管には水を吸引するためのポンプを備える土砂排出装置。
本項に記載の土砂排出装置は、ポンプによって管内部へと水を吸引することによっても、上記作用を得るものである。
（５）前記管の長手方向に沿って連続するスリット状の開口部の幅が、上端から下端に向かうに従い、狭くなるように形成されている土砂排出装置。
本項に記載の土砂排出装置は、管の開口部の幅が、上端から下端に向かうに従い、狭くなるように形成されていることで、堆積土砂の深部への侵食が進行するに従い、開口部の開放幅を狭め、開口部から吸引される水の流速を増大させ、堆積土砂のその時点における表層部に対しせん断力を効率的に付与し、堆積土砂の侵食を更に促すものとなる。
（６）前記管の長手方向に沿って連続するスリット状の開口部の対向する端部をつなぐ連結部が、所々に設けられている土砂排出装置。
この構成により、管に開口部が形成されることによる強度の低下を抑え、管に最低限必要な強度を確保するものである。

（７）水底の堆積土砂を除去するための土砂排出方法であって、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管を、入口側端部を堆積面から水中部へと突出させ、かつ、前記開口部の上端を堆積面よりも高い水中部に露出させた状態として、堆積土砂内部を深部方向へと延ばし、所定深さにおいて前記開口部の下端を定めた後に、該開口部の下端の先で折り返して堆積土砂内部を堆積面方向へと延ばし、更に、水面下において折り曲げて、出口側端部を浚渫地域の外部に設置し、前記開口部から水と共に堆積土砂を吸引し、前記出口側端部から排出する土砂排出方法（請求項３）。

（８）上記（７）項において、前記管の内部流量を制御するバルブを設け、バルブの開閉により前記出口側端部から排出する堆積土砂量を制御する土砂排出方法（請求項４）。
そして、上記（７）（８）項記載の土砂排出方法は、上記（１）（２）項記載の土砂排出装置によって実行されることで、上記（１）（２）項記載の土砂の投入装置と同様の作用が得られるものである。

本発明はこのように構成したので、堆積土砂の性状に影響を受けることなく、堆積土砂の除去を円滑に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態に係る土砂排出装置の全体構成を示す模式図であり、（ａ）堆積土砂の排出初期の状態を、（ｂ）は堆積土砂の排出が進行した状態を示すものである。 図１に示される土砂排出装置による、堆積土砂の排出の仕組みを説明する図であり、（ａ）は堆積土砂の排出開始時を、（ｂ）は堆積土砂の排出の進行中を示すものである。 図１に示される土砂排出装置による、堆積土砂の排出時の、堆積土砂に生じるせん断力分布とせん断耐力分布との関係を示す模式図である。 従来の土砂排出装置の全体構成を示す模式図である。 図５の土砂排出装置において、堆積土砂の除去が滞る場合がある理由について説明する模式図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分は同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
図１（ａ）には、本発明の実施の形態に係る、土砂排出装置１０の全体構成を概略的に示している。本実施の形態は、湖沼等の一例としてのダム湖１２に、土砂排出装置１０を設置した場合を例示して説明するものである。そして、ダム湖１２の水底の、浚渫地域の堆積土砂１４を除去するために、堆積土砂１４に対して設置される管２０を有している。この管２０は、水面下の堆積土砂１４の中に鉛直に埋設される吸引部２２と、吸引部２２が堆積土砂の所定深さまで延びた位置にて折り返され、堆積土砂１４の上に配置されて浚渫地域の外部へと土砂を排砂する、輸送部２４とを備えている。
管２０の堆積土砂１４に対する設置深さは、堆積土砂１４の必要な排出深さを考量して適宜決定される。又、堆積土砂１４の必要な排出量を考慮して、管２０を複数箇所に設置することとする。

より具体的には、管２０の吸引部２２には、管２０の長手方向に沿って連続するスリット状の開口部２２ａが形成されている。又、管２０の吸引部２２は、開口部の上端２２ａＵが堆積土砂１４の堆積面１４Ｓよりも高い水中部１６に露出した状態で、管２０の入口側端部２０Ａが堆積面から水中部１６へと突出するように設置されている。管２０の入口側端部２０Ａは、図示の例では上方に向けて開口しているが、これに限定されるものではない。又、吸引部２２は、堆積土砂１４の内部を深部方向へと延び、所定深さにおいて開口部の下端２２ａＬが定められている。
なお、開口部の上端２２ａＵは、管２０の入口側端部２０Ａよりも下位置に定められている。又、必要に応じ、吸引部２２の開口部２２ａの対向する端部をつなぐ連結部が、所々に設けられている。これらの構成により、吸引部２２に開口部２２ａが形成されることによる管２０の強度の低下を抑え、管２０に最低限必要な強度を確保するものである。

そして、管２０は、開口部２２ａの下端２２ａＬが定められた場所の更に深部寄りの位置で折り返されて、輸送部２４へと連続している。輸送部２４はその基端部となる折り返し部２４ａから、鉛直部２４ｂが堆積面１４Ｓへと延びた後、折れ曲がり部２４ｃにおいて水面下で折れ曲がり、更に延長部２４ｄが堆積面１４Ｓに沿って延びている。図示の例では、水面下の折れ曲がり部２４ｃが、堆積面１４Ｓと一致するように配置され、延長部２４ｄは、堆積面１４Ｓに接地する態様で延びている。そして、延長部２４ｄの端部、即ち、管２０の出口側端部２０Ｂが、ダム湖１２の外部かつ水面ＷＬよりも下方に位置するように、設置されている。本実施の形態では、延長部２４ｄがダム湖１２の堤体２６を貫通し、延長部２４ｄの端部即ち管２０の出口側端部２０Ｂが、ダム湖１２の外部に設置されている。

なお、延長部２４ｄの強度が確保される限り、延長部２４ｄは必ずしも堆積面１４Ｓに接地する態様で延びる必要は無いが、水面ＷＬよりも低い位置に配置されることが望ましい。又、管２０の出口側端部２０Ｂを、ダム湖１２の外部かつ水面ＷＬよりも下方に位置させるまでの経路として、延長部２４ｄがダム湖１２の堤体２６を貫通することなく、堤体２６を乗り越えるようにして、或いは堤体２６を迂回して、ダム湖１２の外部へと延長されるように設置しても良い。又、延長部２４ｄを、排砂トンネル、土砂バイパストンネル等の、ダム湖１２に設置されている既設トンネルへと伸ばし、出口側端部２０Ｂを既設トンネルに配置して、既設トンネルを介してダム湖１２の外部へと土砂を排出しても良い。更に、管２０の延長部２４ｄがダム湖１２の堤体２６を貫通することなく、堤体２６近傍の死水域に出口側端部２０Ｂを配置し、土砂を一時的に死水域へと移動させることとしても良い。又、管２０の適切な位置に、管２０の内部流量を制御するバルブを備えることとしても良い。更に、管２０の適切な位置に水Ｗを吸引するためのポンプを備えることとしても良い。
又、応用例として、管２０の吸引部２２に、開口部２２ａを開閉する蓋を設けることとしても良い。
更に、管２０の吸引部２２の、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部２２ａの幅が、上端２２ａＵから下端２２ａＬに向かうに従い、狭くなるように形成されていることとしても良い。

上記構成をなす、本発明の実施の形態に係る土砂排出装置１０は、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部２２ａを設けた管２０を、開口部２２ａの上端２２ａＵが堆積土砂１４の堆積面１４Ｓよりも高い水中部１６に露出した状態で、入口側端部２０Ａが堆積面１４Ｓから水中部１６へと突出させるようにして、堆積土砂１４に対し埋設された、固定式浚渫装置を構成するものである。
そして、長手方向に沿って連続するスリット状の開口部２２ａを設けた管２０は、堆積土砂１４内部を深部方向へと延び、所定深さにおいて開口部２２ａの下端２２ａＬが定められている。そして、開口部２２ａの下端２２ａＬの先で折り返されて堆積面１４Ｓ方向へと延び、更に水面ＷＬ下で折れ曲がり、堆積面１４Ｓに沿って延びて、管２０の出口側端部２０Ｂがダム湖１２の堤体２６を貫通するように設置されている。従って、管２０の出口側端部２０Ｂとダム湖１２の水面ＷＬとの間の水位差Ｈにより、ダム湖１２の貯水は、管２０の入口側端部２０Ａから吸引されて管２０内を流れ、管２０の出口側端部２０Ｂからダム湖２０の外へと排出される。

このとき、図２（ａ）にも示されるように、管２０内の水Ｗの流れにより、上端２２ａＵが堆積土砂１４の堆積面１４Ｓよりも高い水中部１６に露出した、開口部２２ａに負圧が生じ、開口部２２ａから管２０内へと水Ｗが吸引される。そして、開口部２２ａから管２０内への水Ｗの流れが、堆積土砂１４にせん断力Ｔを付与し、堆積土砂１４の表層部１４Ｓから開口部２２ａを介して管２０内へと堆積土砂１４が吸引される。即ち、開口部２２ａから管２０の内部へ流入する水Ｗが、堆積土砂１４を崩して管２０内へと吸引するきっかけを生むこととなる。堆積土砂１４の表層部１４Ｓの管２０内への吸引が一旦始まると、堆積土砂１４の深部へと侵食が進行して行く。そして、図２（ｂ）に示されるように、侵食進行に伴い、堆積土砂１４中の開口部２２ａが深部方向と開放され、侵食範囲が更に堆積土砂１４の深部へと広がっていく。そして、図１（ｂ）に示されるように、堆積土砂１４の管２０内への吸引が更に進行していく。

以上のごとく、本発明の実施の形態によれば、管２０の、堆積土砂１４の堆積面１４Ｓよりも高い水中部１６に露出する開口部２２ａから、管２０の内部へと水Ｗを積極的に流入させることで、堆積土砂１４の崩壊と、管２０内への堆積土砂の吸引とを、土砂の粘性の如何にかかわらず促すことが可能となる。そして、堆積土砂１４の管２０内への吸引が中断することなく侵食が進行することによって、堆積土砂１４の深部へと、土砂の排出を確実に進めることが可能となる。
そして、管２０内に吸引された堆積土砂１４は、管２０内を流れる水Ｗと共に、堆積土砂１４の深部方向へと流れ、折り返し部２４ａにおいて折り返されて、鉛直部２４ｂを堆積面１４Ｓ方向へと流れた後に、水面下の折れ曲がり部２４ｃで折れ曲がる。
更に、堆積面１４Ｓに沿って延長部２４ｄを流れて堤体２６を貫通し、管２０の出口側端部２０Ｂからダム湖１２の外へと排出されることとなる。

なお、上述したような、開口部２２ａにおける水Ｗ及び堆積土砂１４の吸引作用は、管２０の折り返し部２４ａよりも上方に位置する、開口部２２ａの下端２２ａＬに進行するまで得られるものであるが、より厳密には、図３に示される、堆積土砂１４の深部方向のせん断力Ｔの分布と、せん断耐力Ｖｕの分布との、大小関係が影響するものである。すなわち、堆積土砂１４の表層部１４Ｓでは、せん断力Ｔがせん断耐力Ｖｕを上回ることから、開口部２２ａにおける水Ｗ及び堆積土砂１４の吸引作用が十分に発揮されるものである。
一方、堆積土砂１４の深部へ行くに従いせん断耐力Ｖｕが増大し、せん断耐力Ｖｕがせん断力Ｔを上回ると、上述の吸引作用は十分に発揮されなくなる。従って、堆積土砂１４の所望の排出深さまで、せん断力Ｔがせん断耐力Ｖｕを上回るように、開口部２２ａの開口幅や、管２０内を流れる水Ｗの流速等の条件を調整することが望ましい。

又、本発明の実施の形態に係る土砂排出装置１０に、管２０の内部流量を制御するバルブを設けることとすれば、通常時はバルブを閉じておくことで、管２０内の水Ｗの流れが不十分な状態において管２０内に堆積土砂１４が吸引され、管２０の閉塞を来たすことを回避することができる。又、ダム湖１２の放水時にバルブを開放して、放水される貯水と共に堆積土砂１４を排出するというような、ダム湖１２の運用上の観点からも、堆積土砂１４の排出に適したタイミングで、土砂排出作業を行うことが可能となる。又、バルブ開放時に、管２０内に脈動流を発生させるように、バルブ開度を変化させることで、堆積土砂１４による管２０内の閉塞を回避、改善すると共に、堆積土砂１４の輸送、排出を促すことが可能となる。
なお、バルブの開閉操作は、バルブの設置場所にもよるが、適宜遠隔操作により行うことが望ましい。

又、土砂排出装置１０に、開口部２２ａを開閉する蓋を設けることとすれば、通常時は蓋によって開口部２２ａを閉じておくことで、管２０内に堆積土砂１４が不用意に流れ込み、管２０の閉塞を来たすことを、回避することができる。又、堆積土砂１４の排出時には、蓋を開放することにより、開口部２２ａからの管２０内部への水Ｗおよび堆積土砂１４の吸引を促すことができる。蓋の構造や開閉機構については、適宜最適なものを採用することとする。

なお、蓋の開閉方向を、管２０の長手方向とした場合には、堆積土砂１４の深部への侵食が進行するに従い、開口部２２ａの開放範囲を深部へ向けて広げていくことで、開口部２２ａから管２０内への水Ｗの流れにより、堆積土砂１４にせん断力Ｔを効率的に付与することが可能となる。
更に、開口部２２ａの長手方向の任意の位置を開閉できるように構成すれば、堆積土砂１４の深部への侵食が進行するに従い、開口部２２ａの開放範囲を深部へ向けて移動していくことで、堆積土砂１４のその時点における表層部に対し、せん断力Ｔを効率的に付与し、堆積土砂１４の侵食を更に促すものとなる。この場合、開口部２２ａの開口範囲は、限定的な孔状となることから、開口部２２ａから管２０内への水Ｗの流れの発生範囲も限定的かつ流速が高まることとなる。よって、堆積土砂１４が、透水性の高い低粘性の土砂（砂等）であるような場合には、特に有効となる。

又、管２０に水Ｗを吸引するためのポンプを設けることとすれば、このポンプによっても、管２０の内部へと水Ｗを吸引し、管２０の出口側端部２０Ｂを、ダム湖１２の外部かつ水面ＷＬよりも下方に設置しない態様であっても、上記作用を積極的に得ることが可能となる。
又、管２０の長手方向に沿って連続するスリット状の開口部２２ａの幅が、上端２２ａＵから下端２２ａＬに向かうに従い、狭くなるように形成した場合には、堆積土砂１４の深部への侵食が進行するに従い、開口部２２ａの開放幅を狭め、開口部２２ａから吸引される水の流速を増大させて、堆積土砂１４のその時点における表層部に対しせん断力Ｔを効率的に付与し、堆積土砂１４の侵食を更に促すことが可能となる。

なお、本発明の実施の形態では、ダム湖１２に土砂排出装置１０を設置した場合を例示して説明したが、本発明は、ダム湖に限定されること無く、湖沼その他の水域における、堆積土砂の除去に適するものであり、同様の作用効果が得られることは理解されるであろう。
更には、本発明特有の諸条件を満たす限り、河川等水の流れがある水域や港湾などの堆積土砂の除去にも適用可能であり、同様の作用効果が得られることは理解されるであろう。

１０：土砂排出装置、１２：ダム湖、１４：堆積土砂、１４Ｓ：堆積面、１６：水中部、２０：管、２２ａ：開口部、２２ａＵ：開口部の上端、２２ａＬ：開口部の下端

Claims (4)

1. 水底の堆積土砂を除去するための土砂排出装置であって、
   長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管を備え、
   該管は、入口側端部が堆積面から水中部へと突出し、かつ、前記開口部の上端が堆積土砂の堆積面よりも高い水中部に露出した状態で、堆積土砂内部を深部方向へと延び、所定深さにおいて前記開口部の下端が定められており、該開口部の下端の先で折り返されて堆積面方向へと延び、水面下で折れ曲がり、出口側端部が浚渫地域の外部に設置されていることを特徴とする土砂排出装置。
2. 前記管の内部流量を制御するバルブを備えることを特徴とする請求項１記載の土砂排出装置。
3. 水底の堆積土砂を除去するための土砂排出方法であって、
   長手方向に沿って連続するスリット状の開口部を設けた管を、
   入口側端部を堆積面から水中部へと突出させ、かつ、前記開口部の上端を堆積面よりも高い水中部に露出させた状態として、堆積土砂内部を深部方向へと延ばし、所定深さにおいて前記開口部の下端を定めた後に、該開口部の下端の先で折り返して堆積土砂内部を堆積面方向へと延ばし、更に、水面下において折り曲げて、出口側端部を浚渫地域の外部に設置し、
   前記開口部から水と共に堆積土砂を吸引し、前記出口側端部から排出することを特徴とする土砂排出方法。
4. 前記管の内部流量を制御するバルブを設け、バルブの開閉により前記出口側端部から排出する堆積土砂量を制御することを特徴とする請求項３記載の土砂排出方法。

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