JP6472104B2 - 水門 - Google Patents

Description

本発明は、流水や船舶の水路に設けられる水門に関する。水門は、高潮、津波、高水、本川から支川への逆流 波浪流木流入等に対応するものである

高潮や津波などに対応するための大型の水門は、公知である。

水門には、薄肉閉断面の扉体（捩り構造）のフラップゲートがある。前記扉体は、扉体に取り付けられた軸式支承により基礎地盤に支えられるとともに、その軸を中心に回転運動するものが一般的であるが、前記扉体が水底のコンクリート構造で直接支えられるものがあり、この支持方式が、簡単構造で、コスト的に非常に有利である（非特許文献１、特許文献１）。

図１はフラップゲートがコンクリート構造で支持される例を示す断面図である。

１は扉体（実線、全閉状態）、２は扉体（点線、全開状態）、３は扉体１の回転中心、４はコンクリート構造、５は木座である。

木座５は扉体１、２に固定されている。

水門を使用していないとき、扉体（全開状態）２は、点線で示すように水面下に水平状態で格納されている。使用時は、扉体（全開状態）２は回転中心３を中心に回転して起立し、実線の扉体（全閉状態）１の位置にきて、木座５を介してコンクリート構造４で支持される。

スイング移動方式は公知の扉体開閉方式であり、段落０００３で記述したフラップゲートの構造的利点はこの方式で生かすことができる。

図２は、開閉式防潮水門のスイング移動方式を示す。図２は防潮水門の海洋側から見た水門の左半分を表す。
図２ａは平面図である。図２ｂは正面図である。

６は全閉状態の扉体を示す。７は全開状態の扉体である。図２の水門は６又は７いずれかの状態をとる。

８は扉体６のスイング中心、９は扉体７の格納岸壁、１０は防潮水門の中心線である。

全開状態の扉体７は格納岸壁９に係留されている。使用時に、スイング中心８を中心にスイング運動して、全閉状態の扉体６の位置に移動する。

特開昭５０−１６３３４号公報 国際公開公報WO2014/037987A1

寺田溥、重永憲明、ドック用トーションタイプフラップゲートの開発、三菱重工技報 Vol. 16 No. 6、1979

捩り構造はコスト面で圧倒的利点を持つが、従来、水門への適用は軸式支承で地盤に固定されたフラップゲートに限られていた。この発明は、捩り構造をスイング移動式の防潮水門に適用することを可能とし、これにより捩り構造のコスト的優位性が更に高まる。径間２００ｍ〜６００ｍ級の超大型防潮水門にも適用できる。

この発明は、下記の課題について解決手段を開示し、スイング移動式捩り構造防潮水門の実現に寄与しようとするものである。
課題１：扉体着床時の復原力
課題２：開閉操作時の扉体運動
課題３：潮位差利用の扉体操作
課題４：扉体底部支持座の反力と衝撃力

課題１：扉体着床時の復原力
格納岸壁に係留されている扉体は、使用時に、スイング運動で、全閉位置に移動する。スイング移動中の扉体は水面に浮いた状態にあり、船舶復元理論に従った復原力機能を備えている。全閉位置では浮力タンクへの注水により浮力を放出して水底に着床する。着床状態では復原力機能が総て消滅する可能性があり、その様な場合は扉体は水底で転覆する。

課題２：開閉操作時の扉体運動
稼働中の防潮水門は荒天時の波浪中の開閉が一つの重要な操作条件である。スイング移動中の扉体は水面に浮いた状態にあるので、波浪中の船舶と同様に、動揺が発生する。動揺の主なものは横揺（ローリング）、縦揺（ピッチング）、上下揺（デッピング）である。これらの運動をスイング中心で総て拘束すると周期性のある拘束力が発生するので、構造強度の面から好ましくない。

課題３：潮位差利用の扉体操作
扉体の両側（海側、港側）に潮位差がある状態で扉体の開閉操作を行うことは避けて通れない。潮位差が小さくて扉体搭載の推力機械（サイドスラスター）や操作用タッグボート等で扉体コントロールが可能な範囲は扉体操作に不具合はない。これを越えた潮位差の下で閉操作を行う場合はコントロールが可能なスイング角度内で扉体を水底に着床させ、海側潮位を利用して全閉操作を行う。又、陸側潮位を利用した開操作も可能である。潮位差利用の扉体操作での課題
は（３．１）扉体の横傾斜、（３．２）衝撃エネルギーである。以下に各々の課題について説明する。

課題３．１ 扉体の横傾斜
潮位差利用の開閉操作では扉体は水底に着床した状態にあり、扉体の移動に伴い着床面に摩擦力が作用する。潮位差と摩擦力は作用高さが異なり、方向が逆であるから、扉体には回転モーメントが作用して大きな横傾斜が発生する。着床した扉体は復原力機能が消滅していて転覆する可能性がある。

課題３．２ 衝撃エネルギー
利用する潮位差が大きくて扉体搭載の推力機械（サイドスラスター）や操作
用タッグボート等で扉体コントロールが不可能な状態で閉操作を行う場合は、コントロール可能なスイング角度内で扉体を水底に着床させ、海側潮位を利用して全閉操作を行う。扉体は海側潮位に押されて陸側に移動を始め、移動速度を徐々に上げて全閉位置に至り、水底のコンクリート構造に衝突する。衝突時のエネルギーは扉体が着床位置から全閉位置に移動する間に扉体に蓄えられた運動エネルギーであり、この量が大き過ぎて衝突力が大きくなると扉体及び水底コンクリート構造が破損する可能性がある。

課題４．扉体底部支持座の反力と衝撃力
潮流の中で扉体閉操作が行われる時に底部支持座が水底コンクリート構造に当たり、扉体慣性力の反力が支持座に作用するとともに扉体断面の回転起動に伴う衝撃力が作用する。反力と衝撃力による扉体底部支持座の損傷を回避する必要がある。

コスト的に優れた捩り構造体を使用したスイング移動方式の開閉式水門を実現するために、スイング中心支持機構、摩擦靴、扉体底部支持座、及び、潮流中の操作ステップを提供する。支持機構は３軸方向回転自由且つ移動拘束で引き力が作用する。摩擦靴は潮流エネルギーを扉体損傷回避レベル迄減勢する。扉体底部支持座の柔軟性と高強度で衝撃力が低減し反力に耐える。操作ステップの摩擦力強度選定により適切な潮流エネルギー減勢が行われる。

または、スイング中心支持機構は２軸方向回転自由且つ３軸方向移動拘束である。

水底コンクリート構造で支えられる捩り構造ラップゲートの例である。 スイング移動方式の説明図である。 防潮水門の計画データ事例である。 実施例１の全体図。スイング移動式水門扉の実例である。 図４の浮力タンク配置と扉体作用力を示す。 図５の操作タンクの拡大図で、浮力と予備浮力の区分を示す。 図５および図６の計算結果である。 実施例１のスイング中心支持機構の説明図である。 実施例１の摩擦靴の詳細図である。 摩擦靴の説明図で傾斜前の外力作用図である。 摩擦靴の説明図で傾斜後の外力作用図である。 摩擦靴の靴底形状事例である。 扉体単位巾に作用する外力モーメント（捩りモーメント）である。 サイドスラスターのコントロール限界である。 実施例１で潮流操作を行う扉体の設置現場平面図である。 実施例１の潮流操作のステップを示す。 実施例２のスイング中心支持機構の説明図である。 実施例３の底部支持座の説明図である。

図３は防潮水門の計画データ事例である。

図４は、図３のデータに基づいた実施例でスイング移動式防潮水門を示す。図４は防潮水門の海洋側から見た水門の左半分を表す。
図４ａは平面図である。図４ｂは正面図である。

６は全閉状態の扉体を示す。７は全開状態の扉体である。図４の水門は６又は７いずれかの状態をとる。

８は扉体６のスイング中心、９は扉体７の格納岸壁、１０は防潮水門の中心線、１１はスイング中心支持機構、１２はサイドスラスタ−、１３は摩擦靴である。

全開状態の扉体７は扉体内浮力タンクの浮力で水面に浮上していて、格納岸壁９に係留されている。使用時に、サイドスラスタ−１２の推力でスイング中心８を中心にスイング運動して全閉状態の扉体６の位置に移動し、浮力を放出して着床する。

図５は図４の扉体７のスイング運動中を示し、扉体７の浮力タンク配置と扉体７の作用力を示す。図６は図５の操作タンクの拡大図で、浮力と予備浮力の区分を示す。

図５のタンク配置は操作タンク、均衡タンク、直立タンクの３種、作用力は操作浮力、均衡浮力、直立浮力、扉体自重Ｗ、引き力Ｓの５種であり、また、図４の扉体７は図６の操作タンクの予備浮力で水面に浮いている。各タンクの役割は以下の通りである。
直立タンク：引き力Ｓと対を成して扉体の直立性を維持する。
均衡タンク：扉体自重の過半数と均衡させ、操作タンクの容積削減を計る。
操作タンク：注排水により扉体を沈降および浮上操作する。

図７は図５と図６に示す作用力、及び、タンク容積の計算結果である。計算結果は鋼排水量無視、浮力作用点は各浮力タンク中心、タンク内の自由表面影響無視、水比重＝１等の仮定を含む概算値である。均衡タンクと直立タンクは中心高さはほぼ扉体重心高さと一致している。両タンクは常時水没しているので予備浮力は０であり、スイング運動中は操作タンクの予備浮力のみで水面に浮いている。図４の扉体７が全閉状態の扉体６の位置に移動した後に操作タンクに予備浮力（1126tf）分だけ注水するとタンク浮力−引き力Ｓ＝9000tfとなり、扉体自重Ｗと釣り合う。この時に扉体７をそっと押し下げると扉体７の非支持端は沈降を開始し 図４の摩擦靴１３が水底に到着して（着床）、図４の扉体６の位置に納まる。この状態での摩擦靴１３の荷重は０である。操作タンクに更に注水し、その量が浮力（1074tf）に到達した時に摩擦靴１３の荷重が1074tfとなる。この時の扉体６の転覆モーメントは靴荷重に比例し、直立モーメントは引き力Ｓに比例するので、安全率は約2.7となって扉体６の転覆が回避される（前述の課題「課題１：扉体着床時の復原力」に対応。）

図４のスイング中心支持機構１１は水底に固定された支持点であり、支持の条件は３軸方向回転自由且つ移動拘束で水門稼働中は常に引き力が作用する。図８はこの支持条件を満たす事例を示す。建設時、保守点検時、補修時、更新時は水門非稼働中であり、水門稼動中（in working condition）とは、前記以外の時期のことである。図８ａはスイング中心支持機構１１の正面図である。図８Ａは図８ａのＡＡ断面である。図８Ｂは図８ＡのＢＢ断面である。図８Ｃは図８ＢのＣＣ断面である。図８Ｄは図８ＣのＤＤ断面である。図８Ｅは図８ＤのＥＥ断面（金物）である。図８ａの端部支持キーはスイング中心支持機構１１の機能的心臓部であり、図８Ａ〜図８Ｅは端部支持キーの詳細を示す。図８Ｂのキ−の断面は図８Ｄに示す十文字であり、上半分は図８Ｂに示すキー球頭を形成している。図８Ｅに示す海底コンクリート埋設のアンカーレージにキー受けが固定されていて、図８Ｂで示す様にキーの下半分がキー受けに挿入され、両者はワイヤークリップで結合される。以上の如く海底に固定されたキー球頭は図８Ｂに示す扉体側に固定された球座で覆われる。球座の内側とキー球頭の外側がベアリング面となり、荷重伝達機能と摺動機能を果たす。球座の下半分は溶接で扉体側に固定され、上半分はメンテナンスの必要からボルト取り外し式である。球座の下半分には、常時、上向きの引き力Ｓが作用する。

図４のスイング中心支持機構１１の支持条件は３軸方向回転自由且つ移動方向拘束である。一方、波浪中のスイング運動に伴う扉体動揺は横揺（ローリング）、縦揺（ピッチング）、上下揺（デッピング）等である。扉体の動揺運動はスイング中心支持機構１１の支持点位置で回転要素と移動要素を持つ。移動要素は３軸方向移動拘束の支持点で拘束されるが、回転要素は３軸方向回転自由の支持点で拘束されることが無く、扉体動揺の構造強度への影響が著しく緩和される（前述の課題「課題２：開閉操作時の扉体運動」に対応）。

図９は図４の示す摩擦靴１３の詳細図である。図９ａは図４ｂに示す扉体（実線、全閉状態）６の拡大図である。図９Ａは図９ａのＡＡ断面である。図９Ｂは図９ＡのＢＢ断面である。

６は扉体、８はスイング中心、１３は摩擦靴、１４は摩擦靴１３のアッパー、１５は摩擦靴１３の靴底に貼り付けられた摩耗材、１６は扉体６の底部支持座（水密部）、１７は摩耗材１５の先端部、１８は先端部１７の円弧半径である。

図９Ａに示す摩擦靴１３の靴底に張り付けられた摩耗材１５の先端部１７は半径１８の円弧形状を成す。

図１０と１１は潮位差Δｈと靴摩擦力の偶力が作用している状態を示し、扉体傾斜発生前が図１０、発生後が図１１である。図１０では重心に作用する靴荷重の真下に靴反力と靴摩擦力（＝靴反力×摩擦係数）が作用し、図１１では靴反力と靴摩擦力（＝靴反力×摩擦係数）が半径１８の位置に移動している。扉体にはβ°の傾斜により潮位差Δｈの水平成分と垂直成分が作用している。その結果、靴反力と靴摩擦力は靴荷重に潮位差Δｈの垂直成分が加算されている。扉体は潮位差Δｈの水平成分と靴摩擦力および潮位差Δｈの垂直成分と靴反力の偶力による傾斜モーメントと靴荷重と靴反力および引き力Ｓと直立浮力による直立モーメントが釣り合って傾斜角度β°で安定する。更に、摩擦係数が小さい場合（例えば摩擦係数＜０．３）は靴荷重と靴反力の偶力が靴摩擦力と潮位差Δｈの水平成分の偶力より格段に大きくて傾斜が発生することなく、扉体は直立状態を保ったまま全閉位置迄移動する（前述の課題「課題３．１扉体の横傾斜」に対応）。

直立状態或いは小さい傾斜角度β°で移動できる靴底形状は種々考えられる。図１２はその事例を示す。事例の形状組み合わせは湾曲部配置が両端部と片端部、両端壁形状が垂直と傾斜、湾曲部形状が円弧と自由曲線であるが、共通点は先端部１７が凸形湾曲形状である。

世界の潮流の速さは、瀬戸内海等に見られる特殊な地形を除けば、１．０〜３．０Ｋｔ（≒０．５〜１．５ｍ／ｓ）が一般的である。潮流中の扉体閉操作即ち、潮流操作はこのレベルの流速の中で行われる。

図１３は扉体の単位巾に働く外力モーメント（捩りモーメント）を高潮時と潮流操作に於ける衝突時について示している。これ等は図３のデータに基づいて算出した結果である。衝突時の外力は扉体と付加質量の慣性力で、慣性力の大きさは扉体に発生する歪みエネルギーが高潮時の歪みエネルギーに等しくなるよう設定されている。高潮時の歪みエネルギーが降伏点応力に対応したものであれば、対応する衝突時外力モーメントが近似的に扉体の構造的限界であり、その時の扉体先端速度が１〜１．５ｍ／ｓ、扉体底部支持座の衝撃力が３２１ｔｆ／ｍと算出された。速度の値巾は算入付加質量の差である。

潮流操作による扉体損傷を回避する為に潮流エネルギーの減勢が必要となる場合が考えられる。その手段は摩擦靴の摩擦力、サイドスラスター、タッグボート等である。摩擦力は靴荷重が１０７４ｔｆ、摩擦係数が０．１である場合は約１０７ｔｆとなる。図１４は扉体搭載用サイドスラスターのコントロール限界事例であり、扉体が静止状態を保つことができる限界を流速と潮位差で示している。

図１５は扉体設置現場の平面図で、潮流操作を行う場合の扉体の着床位置、全閉位置、着床角度θc、潮流方向、及び、スイング中心を示している。

図１６は潮流操作に於ける扉体閉鎖ステップである。ステップ２の摩擦力＝靴荷重×摩擦係数であり、靴荷重＝１０７４−操作浮力であるので、操作浮力の適切な選定により摩擦力強度が選定される。操作浮力の選定は選定チャートによる。選定チャートはプロジェクト毎に模型水理実験と実機検証試験を行い用意する。段落００４１〜００４３に潮流レベル、扉体衝突速度、及び、減勢力レベルを示したが、全閉位置に到達した扉体の運動エネルギーは図１６の閉操作ステップによって限界値以下に維持されていて、そこで歪みエネルギーに変換されて扉体損傷と破壊的衝撃力発生が回避される（前述の課題「課題３．２衝撃エネルギー」に対応）。

図１６のステップ３は潮流力による扉体の移動を意味する。潮流力は摩擦力で減勢されながら扉体を全閉位置迄移動して到着時速度が限界値以内に維持されるが、摩擦力＝靴荷重×摩擦係数であって摩擦係数は経年変化の可能性性があるので、操作中の扉体先端速度センシングと、要すれば、サイドスラスター等による限界値維持が必要である。又、ステップ８で浮力防止装置がセットされるが、この後、操作タンクへの空気注入で扉体に浮力を持たせ、潮位低減に伴う逆方向潮流による開操作に備える。

図１７は図８に示すスイング中心支持機構の別の実例であり、図８が３軸方向回転自由且つ３軸方向移動拘束の支持条件を満たす事例を示すのに対し、図１７は２軸方向回転自由且つ３軸方向移動拘束の支持条件を満たす事例を示す。

図１７ａはスイング中心支持機構１１の正面図である。図１７Ｆは図１７ａのＦＦ断面である。図１７Ｇは図１７ＦのＧＧ断面である。図１７Ｈは図１７ＧのＨＨ断面である。図１７ａの端部回転軸は図８ａに追加された機構であり、図１７Ｆ〜図１７Ｈは端部回転軸の詳細を示す。図１７ａの端部支持キーの詳細は図８Ａ〜図８Ｅに示す端部支持キーの詳細を適用する。図１７Ｆに示す丸軸は水門支柱に固定されていて、長め軸孔は扉体側に固定されていて、丸軸は長め軸孔に挿入セットされている。図１７Ｇは扉体側に固定された長め軸孔と長め軸孔に挿入セットされた丸軸を示す。丸軸の中心線はスイング中心と一致している。図１７Ｈは水門支柱に固定された丸軸が扉体に固定された長め軸孔に挿入セットされた状態を示す。尚、長め軸孔は端部支持機構を中心とした扉体の縦揺（ピッチング）を許容する方向に長めであり、それと直角方向の横揺（ローリング）を拘束する方向は丸軸の径に対して若干のゆとりを持った径として扉体全閉時に扉体に作用する衝撃荷重や水圧荷重の支持を端末支持キーと端部支持ブラケットに委ねるよう配慮している。

スイング運動中の扉体は図６に示す操作タンクの予備浮力のみで水面に浮いている。図４の扉体７が全閉状態の扉体６の位置に移動した後に操作タンクに予備浮力（1126tf）分だけ注水するとタンク浮力−引き力Ｓ＝9000tfとなり、扉体自重Ｗと釣り合う。この時に扉体７をそっと押し下げると扉体７の非支持端は沈降を開始し、図４の摩擦靴１３が水底に到着して（着床）図４の扉体６の位置に納まる。この状態での摩擦靴１３の荷重は０である。操作タンクに更に注水し、その量が浮力（1074tf）に到達した時に摩擦靴１３の荷重が1074tfとなる。この時の扉体６の転覆モーメントは靴荷重に比例した大きさとなるが、図１７の丸軸により転倒が拘束されているので引き力Ｓの直立モーメントに依存することなく扉体６の転覆が回避される（前述の課題「課題１：扉体着床時の復原力」に対応 。 ）

波浪中のスイング運動に伴う扉体動揺は横揺（ローリング）、縦揺（ピッチング）、上下揺（デッピング）等である。扉体の動揺運動はスイング中心支持機構１１の支持点位置で回転要素と移動要素を持つ。移動要素は３軸方向移動拘束の支持点で拘束されるが、回転要素は２軸方向回転自由の支持点で縦揺は拘束されることが無く、上下揺の一部は縦揺に変換される。大きな横揺（ローリング）は図１７の丸軸により拘束されるので構造強度への影響が若干大きくなるが、横揺の拘束力は小さいので、適切な配慮で影響を緩和することが可能である（前述の課題「課題２：開閉操作時の扉体運動」に対応）。

潮位差Δｈを利用して開閉操作を行う過程で潮位差Δｈの水平成分と靴摩擦力および潮位差Δｈの垂直成分と靴反力の偶力による傾斜モーメントが扉体に作用するが、大きな傾斜は図１７の丸軸で拘束されるので、扉体は直立状態を保ったまま全閉位置迄移動する（前述の課題「課題３．１ 扉体の横傾斜」に対応）。

図１８は柔軟性と高強度を備えた底部支持座の事例を示す。図１８ａは底部支持座と扉体底部の関係位置を示す断面図である。図８Ａは図１８ａの詳細Ａである。図１８Ｂは図１８Ａの断面Ｂである。

潮位差Δｈを利用して扉体の閉操作を行う時に扉体が陸側海底のコンクリート構造に接触する箇所が底部支持座であり、支持座は衝突と同時に扉体断面の回転起動に伴う衝撃力を受け、又、運動エネルギーの歪みエネルギーへの変換に伴う反力を受ける。反力は慣性力に対応するもので零から始まり、エネルギー変換終了時点で最大値に達する。支持座は異なる性質の力に対応する為に柔軟性と同時に高強度が必要である。図１８Ａはゴム等の柔軟材の中に鋼等の剛材を埋め込んだ状態を示す。図１８Ｂは柔軟材と剛材が扉体の長さ方向に連続している状態を示す。この構造により支持座は衝突時の初期に柔軟性を維持する。柔軟材が圧縮を受けると剛材に囲まれた内部の柔軟材は３軸応力（静水圧応力）状態に近づく。物質は３軸応力状態で著しく降伏点が高まる性質がある。例えばローラとレールの接触面応力が破断強度を越えた状態で稼働するのはこの現象が背景である。衝突初期の柔軟性で扉体断面の回転起動に伴う衝撃力を和らげ、圧縮後の高強度で慣性力の大きな反力に耐えることができる（前述の課題 課題４ 扉体底部支持座の反力と衝撃力」に対応）。

１ 扉体（実線、全閉状態 （フラップ） ）
２ 扉体（点線、全開状態 （フラップ） ）
３ 回転中心（フラップ）
４ コンクリート構造（フラップ）
５ 木座（フラップ）
６ 扉体（実線、全閉状態 （スイング） ）
７ 扉体（点線、全開状態 （スイング） ）
８ スイング中心
９ 格納岸壁（スイング）
１０ 防潮水門の中心線（スイング）
１１ スイング中心支持機構
１２ サイドスラスタ−
１３ 摩擦靴
１４ アッパー（摩擦靴）
１５ 摩耗材（摩擦靴）
１６ 底部支持座（水密部）
１７ 先端部（摩耗材）
１８ 円弧半径（先端部）

Claims (5)

1. 流水や船舶の水路を横切る方向に設けられ、全開時は格納位置に係留され、全閉時は浮上状態でスイング活動により全閉位置に移動する扉体を備える水門において、
   前記扉体は、水底に固定された支持点を持ち、前記支持点の支持条件が３軸方向回転自由且つ移動拘束であることを特徴とする水門。
2. 流水や船舶の水路を横切る方向に設けられ、全開時は格納位置に係留され、全閉時は浮上状態でスイング活動により全閉位置に移動する扉体を備える水門において、
   前記扉体は、水底と前記扉体の上部に中心軸を共有する固定された支持点を持ち、前記支持点の支持条件が２軸方向回転自由且つ３軸方向移動拘束であることを特徴とする水門。
3. 水門稼働中において、前記支持点には引き力が作用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水門。
4. 前記扉体の底部に摩擦靴を備え、前記摩擦靴の靴底先端部が凸形湾曲形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水門。
5. 前記扉体が陸側海底の構造に接触する箇所に設けられる底部支持座を備え、前記底部支持座は柔軟材の中に剛材が埋め込まれ、柔軟且つ高強度に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水門。

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