JP6622502B2 - 水底地盤の地下水吸引装置、水底部の泥土及びヘドロの減容化方法、海底地盤中のメタンハイドレート回収装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底等の水底地盤の地下水位を低下させる装置と、その装置を用いて水底部の泥土及びヘドロを減容化する方法と、海底地盤中のメタンハイドレートを回収する装置と、その装置を用いてメタンハイドレートを回収する方法に関する。

特許文献１において、地盤圧密工法が提案されている。
この工法は、地盤に地下水位低下装置を埋設し、次いで、地盤表面を気密シートで覆い、その後、地下水位低下装置により地下水位を低下させることで、地下水面と気密シートとの間の気圧を低減させ、地下水面と気密シートとの間の気圧と大気圧との差分の圧力を、気密シートを介して地盤に作用させ、地盤の圧密を行うものである。

また、従来の大部分の地盤改良は、各種バーチカルドレーンを打設し、計画盛土＋サーチャージ（余盛）にて加圧しながら間隙水圧を高め、沈下させる方法であった。

そして、特許文献２において、地盤の改良工法が提案されている。
この工法は、ＳＷＰ（スーパーウェルポイント）を用いて飽和地下水を負圧伝播で揚水することで、主に目的のエリアのみ集中してスポット的に水位低下が望め不飽和ゾーンを作り出す。その後、ＳＷＰのバキユームポンプや、ボルテックスポンプを用いて、不飽和ゾーンの範囲で真空気化を促進して水分の除去やＶＯＣｓ（揮発性有機化合物）、油分など気化性のものを地中から除去し、地盤改良や土壌浄化を進める。
以上、従来の地盤改良工法の基本は、地下水を真空吸引で強制排水し、不飽和ゾーンを形成して真空気化を促し、脱水及び乾燥を促進させる工法である。

特開２００７−２４７１８４号公報 特許第４１１４９４４（特開２００７−３０３０９５）号公報

しかし、従来の真空気化脱水工法及び乾燥工法を、例えば海面下や水面下の泥土及びヘドロの乾燥や脱水に応用した場合、海上や水上での囲まれたヤードの地下水を低下し、ドライワークを目的とした場合、供給量が無限大であるので、不飽和ゾーンの形成は困難となる。

本発明の課題は、水底のヘドロ、泥土等の減容化、浚渫土砂の減容化を可能にして、航路確保、供給水量を確保することである。
また、本発明は、海底地盤中のメタンハイドレートを回収することも課題とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
水底地盤に下端が打設されて水面上に上端が突出したガイド管と、
前記ガイド管に前記水面上に突出した上端から挿入されて、前記ガイド管の下端から突出して前記水底地盤に埋設された下端に透水性のストレーナ部を有して、前記ガイド管の上端から突出した上端を有するストレーナ管と、
前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端の外周に形成されたフィルターと、
前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内に配置された排水ポンプと、
前記ストレーナ管内に配置され、前記排水ポンプにより吸引される地下水を前記水面上に排出する排水管と、
前記排水管内から前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内を吸引して前記水底地盤中の地下水を前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内に流入させる真空ポンプと、
を備える、水底地盤の地下水吸引装置を特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の水底地盤の地下水吸引装置であって、
前記ガイド管の前記水底地盤に打設された下端部内周と前記ストレーナ管の外周との間に充填される防水キャップ層を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の水底地盤の地下水吸引装置であって、
前記水底地盤に下端が打設されて前記水面上に上端が突出し、前記水底地盤中に下端から圧気を送り込む送気管と、前記水底地盤中の空気を下端から吸引する吸気管と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１から３のいずれか一項に記載の水底地盤の地下水吸引装置であって、
前記水底地盤の対象領域の外側において、前記水底地盤中に打設されて下端から前記水底地盤中に圧気を送り込む第２の送気管を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１から４のいずれか一項に記載の水底地盤の地下水吸引装置を用いて、
前記水底地盤の対象領域の外側において、水底に前記対象領域を囲む土堰堤を構築し、
前記土堰堤で囲まれた水底に、前記土堰堤の外側の水底上から浚渫した泥土及びヘドロを投入して堆積し、
前記泥土及びヘドロを減容化する、水底部の泥土及びヘドロの減容化方法を特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載の水底部の泥土及びヘドロの減容化方法であって、
前記対象領域の水底地盤中に、前記真空ポンプの吸引により負圧を伝播させて減圧するとともに、前記土堰堤で囲まれた水底に投入して堆積した前記泥土及びヘドロを圧密沈下させることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、
請求項５又は６に記載の水底部の泥土及びヘドロの減容化方法であって、
前記対象領域外側の前記水底地盤中に前記第２の送気管の下端から圧気を送り込むことで、前記対象領域外側の前記水底地盤中に、止水性を具備するエアーカーテンを形成することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の水底地盤の地下水吸引装置と、
海面上に配置されて前記ガイド管の上端を保持するフロート台船と、を備えて、
海底地盤中のメタンハイドレートを前記真空ポンプにより前記ストレーナ管から吸引して前記フロート台船上に回収する、海底地盤中のメタンハイドレート回収装置を特徴とする。

請求項９に記載の発明は、
請求項８に記載の海底地盤中のメタンハイドレート回収装置を用いて、
前記海底地盤の対象領域中に、前記真空ポンプの吸引により負圧を伝播させて減圧するとともに、その減圧により前記海底地盤中のメタンハイドレートの蒸発ガス化を促進させて、そのガス化したメタンハイドレートを回収する、海底地盤中のメタンハイドレート回収方法を特徴とする。

本発明によれば、水底のヘドロ、泥土等の減容化、浚渫土砂の減容化を可能にして、航路確保、供給水量を確保することができる。

また、海底地盤中のメタンハイドレートを回収することもできる。

本発明を適用した一実施形態の工法を示すもので、海底泥土及びヘドロの減容化及び圧密促進の例を示した断面図である。 実施形態２の工法を示すもので、海底直下のメタンハイドレート層の減圧蒸発促進の例を示した断面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本発明を適用した一実施形態の工法として海底泥土及びヘドロの減容化及び圧密促進の例を示すもので、Ｗは海中、Ｇは海底地盤、Ｄは土堰堤、１は地下水低下装置、２は送気管、３は吸気管、４は外側の送気管である。

実施形態では、港湾内において、図示のように、砂層による海底地盤Ｇには、海中Ｗを経て少なくとも対向配置による二組（あるいは円周方向の等間隔配置による三組以上）の地下水低下装置１がボーリングにより深く埋設される。
そして、その二組（あるいは三組以上）の地下水低下装置１の間に、送気管２と吸気管３が各々複数本ずつ海底に近い比較的浅い位置にそれぞれ埋設されている。

また、海底には、海底地盤Ｇの対象領域を囲む土堰堤Ｄが構築されている。
そして、海底地盤Ｇの対象領域の外側において、土堰堤Ｄの外側には、円周方向の等間隔配置による複数本の送気管４が深く埋設されている。

地下水位低下装置１は、海底地盤Ｇに深く埋設されるストレーナ管１１と、その内部の排水ポンプ１４及び排水管１５と、図示しない地上に配置される真空ポンプと、を備えて構成される。
ストレーナ管１１は、下端に透水性のストレーナ部１２を有し、外周にフィルター１３が形成されて、内部に排水ポンプ１４が配置されている。この排水ポンプ１４により海底地盤Ｇ中の地下水が排水管１５を経て海上に排水される。
また、真空ポンプでストレーナ管１１内を吸引して排気することにより、海底地盤Ｇ中の地下水がストレーナ管１１内に流入する。

なお、図１において、フィルター１３を切り欠いて、その内部の排水ポンプ１４及び排水管１５を露出させて示している。

すなわち、地下水位低下装置１はＳＷＰで、矢印で示したように、海底地盤Ｇに深く埋設されたストレーナ管１１内を地上の真空ポンプで吸引排気することにより、下端のストレーナ部１２及び周囲のフィルター１３を介して海底地盤Ｇ中の地下水をストレーナ管１１内に流入させる。
そして、その流入した地下水をストレーナ管１１内の排水ポンプ１４で吸引することにより、排水管１５を通して地上に排水する。

このようなＳＷＰによる地下水位低下装置１の設置は、海底地盤Ｇに下端が打設されて海面上に上端が突出したガイド管１６に、海面上からストレーナ管１１を挿入することにより行う。
そして、セメント系薬液で二重管注入方式の超瞬結注入材を、ガイド管１６から注入して充填することで、そのガイド管１６の下端部とストレーナ管１１との間に防水キャップ層１７を形成する。

そして、送気管２は、図示しない地上に設置される大型コンプレッサーに接続されて、矢印で示したように、海底地盤Ｇ内への圧気の送り込みを行う。

吸気管３は、図示しない地上に設置されるブロアポンプに接続されて、矢印で示したように、海底地盤Ｇ内を吸気乾燥する。

これら吸気管２及び吸気管３による送気と吸気によって、海底地盤Ｇ内に水みちを形成し、透水性の改善を行う。

このように、港湾内の海底地盤Ｇにおいて、その地下水をＳＷＰ工法にて真空吸引した場合、地盤や土質内に負圧伝播し、すなわち、図示のように、負圧が横方向に進む縦波として迅速に伝播し、海底下でありながら、スポット的に減圧化することができ、真空吸引効果と真空気化が促進される。

そして、港湾内で浚渫した泥土を、環境要因により湾外への搬出ができない場合には、図示のように、土堰堤Ｄを設けて浚渫した泥土をストックする。
すなわち、土堰堤Ｄで囲まれた海底に、土堰堤Ｄの外側の海底上から浚渫した泥土及びヘドロを投入して堆積し、その泥土及びヘドロを減容化する。

つまり、土堰堤Ｄで囲まれた海底に投入して堆積される泥土の含水量は多いが、その下の海底地盤Ｇの真空吸引と真空気化乾燥により圧密沈下を促進できる。
すなわち、ＳＷＰによる地下水位低下装置１の真空ポンプの吸引により、対象領域の海底地盤Ｇ中に負圧を伝播させて減圧することで、その上の土堰堤Ｄで囲まれた海底に投入して堆積した泥土及びヘドロを、図示のように、第１圧密沈下層から第４圧密沈下槽まで順次圧密沈下させることができる。

また、海上での囲まれたヤードの地下水を低下し、ドライワークを目的とした場合、供給量が無限大であることから、ヤード外周に第２の送気管４を設けて、コンプレッサーの圧気圧により、図示のように、第２の送気管４の周囲にエアーカーテンを形成させて不飽和ゾーンにし、止水性の高いエリアを設けることができる。
従って、ＳＷＰによる地下水位低下装置１の井戸本数を少なくすることでコストダウンが図れる。

なお、その時のコンプレッサー圧は水深相当＋送気抵抗圧の範囲内とし、海上へのエアーブローをできるだけ少なくする。
また、コンプレッサー圧のコントロールは、タンク内圧力のセンサーによって自動化運転で行う。

以上、実施形態の海底地盤ＧのＳＷＰによる地下水位低下装置１を用いた海底部の泥土及びヘドロの減容化方法によれば、港湾の海底において、浚渫したヘドロ及び泥土を減容化できるため、港湾において、航路を確保して、供給水量を確保することができる。

（変形例）
以上の実施形態においては、対象を海底地盤としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ダム湖等の湖底地盤や川底地盤等の水底地盤であってもよい。

（実施形態２）
図２は実施形態２の工法として海底直下のメタンハイドレート層の減圧蒸発促進の例を示すもので、前述した実施形態と同様、Ｗは海中、Ｇは海底地盤、１はＳＷＰによる地下水低下装置、１１はストレーナ管、１２はストレーナ部、１３はフィルター、１４は排水ポンプ、１５は排水管、１６はガイド管、１７は防水キャップ層であって、５はフロート台船である。

実施形態２では、沖合において、図示のように、海底地盤Ｇには、例えば水深１０００ｍ程度の深い海中Ｗを経て少なくとも対向配置による二組（あるいは円周方向の等間隔配置による三組以上）の地下水低下装置１がボーリングにより深く埋設される。
地下水位低下装置１はＳＷＰで、深い水深に対応して長いストレーナ管１１、排水管１５及びガイド管１６が用いられる。
また、ストレーナ管１１内に配置される排水ポンプ１４は、例えば揚程６００ｍ程度の能力を具備している。

なお、図２において、フィルター１３を切り欠いて示すとともに、ストレーナ管１１の海中部を切り欠いて、その内部の排水ポンプ１４及び排水管１５を露出させて示している。

そして、ガイド管１６の上端は、海面上に配置されるフロート台船５に固定して保持される。
そのフロート台船５の上において、ストレーナ管１１の上端には、ガスタンクまたはガスパイプラインが接続される。

このように、沖合の深い海底地盤Ｇにおいて、その地下水をＳＷＰ工法にて真空吸引して、図示のように、負圧が横方向に進む縦波として迅速に伝播し、深い海底下でありながら、スポット的に減圧化することができ、真空吸引効果と真空気化が促進される。

そして、その真空吸引効果と真空気化促進によって、海底地盤Ｇ中のメタンハイドレートを真空ポンプによりストレーナ管１１から吸引して上端よりフロート台船５上のガスタンクまたはガスパイプラインに回収することができる。
すなわち、海底地盤Ｇの対象領域中に、真空ポンプの吸引により負圧伝播させて減圧するとともに、その減圧により海底地盤中Ｇのメタンハイドレートの蒸発ガス化を促進させて、そのガス化したメタンハイドレートをフロート台船５に回収することができる。

以上、実施形態２の海底地盤Ｇ中のＳＷＰによる地下水位低下装置１を用いたメタンハイドレート回収装置及び方法によれば、海底地盤Ｇ中のメタンハイドレート層の減圧蒸発を促進させて、メタンハイドレートを回収することができる。

（他の変形例）
以上の各実施形態において、各部の形状や寸法等は任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

Ｗ 海中（水中）
Ｇ 海底地盤（水底地盤）
Ｄ 土堰堤
１ 地下水位低下装置
１１ ストレーナ管
１２ ストレーナ部
１３ フィルター
１４ 排水ポンプ
１５ 排水管
１６ ガイド管
１７ 防水キャップ層
２ 送気管
３ 吸気管
４ 第２の送気管
５ フロート台船

Claims (9)

1. 水底地盤に下端が打設されて水面上に上端が突出したガイド管と、
   前記ガイド管に前記水面上に突出した上端から挿入されて、前記ガイド管の下端から突出して前記水底地盤に埋設された下端に透水性のストレーナ部を有して、前記ガイド管の上端から突出した上端を有するストレーナ管と、
   前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端の外周に形成されたフィルターと、
   前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内に配置された排水ポンプと、
   前記ストレーナ管内に配置され、前記排水ポンプにより吸引される地下水を前記水面上に排出する排水管と、
   前記排水管内から前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内を吸引して前記水底地盤中の地下水を前記ストレーナ管の前記水底地盤に埋設された下端内に流入させる真空ポンプと、
   を備えることを特徴とする水底地盤の地下水吸引装置。
2. 前記ガイド管の前記水底地盤に打設された下端部内周と前記ストレーナ管の外周との間に充填される防水キャップ層を備えることを特徴とする請求項１に記載の水底地盤の地下水吸引装置。
3. 前記水底地盤に下端が打設されて前記水面上に上端が突出し、前記水底地盤中に下端から圧気を送り込む送気管と、前記水底地盤中の空気を下端から吸引する吸気管と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の水底地盤の地下水吸引装置。
4. 前記水底地盤の対象領域の外側において、前記水底地盤中に打設されて下端から前記水底地盤中に圧気を送り込む第２の送気管を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水底地盤の地下水吸引装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の水底地盤の地下水吸引装置を用いて、
   前記水底地盤の対象領域の外側において、水底に前記対象領域を囲む土堰堤を構築し、
   前記土堰堤で囲まれた水底に、前記土堰堤の外側の水底上から浚渫した泥土及びヘドロを投入して堆積し、
   前記泥土及びヘドロを減容化することを特徴とする水底部の泥土及びヘドロの減容化方法。
6. 前記対象領域の水底地盤中に、前記真空ポンプの吸引により負圧を伝播させて減圧するとともに、前記土堰堤で囲まれた水底に投入して堆積した前記泥土及びヘドロを圧密沈下させることを特徴とする請求項５に記載の水底部の泥土及びヘドロの減容化方法。
7. 前記対象領域外側の前記水底地盤中に前記第２の送気管の下端から圧気を送り込むことで、前記対象領域外側の前記水底地盤中に、止水性を具備するエアーカーテンを形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の水底部の泥土及びヘドロの減容化方法。
8. 請求項１又は２に記載の水底地盤の地下水吸引装置と、
   海面上に配置されて前記ガイド管の上端を保持するフロート台船と、を備えて、
   海底地盤中のメタンハイドレートを前記真空ポンプにより前記ストレーナ管から吸引して前記フロート台船上に回収することを特徴とする海底地盤中のメタンハイドレート回収装置。
9. 請求項８に記載の海底地盤中のメタンハイドレート回収装置を用いて、
   前記海底地盤の対象領域中に、前記真空ポンプの吸引により負圧を伝播させて減圧するとともに、その減圧により前記海底地盤中のメタンハイドレートの蒸発ガス化を促進させて、そのガス化したメタンハイドレートを回収することを特徴とする海底地盤中のメタンハイドレート回収方法。

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