JPH11336052A - 高密度・近長方形型ラビリンス堰 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲に適用でき、かつその利点を十分生か
すことができる高密度・近長方形型ラビリンス堰を提供
すること。 【解決手段】 ラビリンス堰の放流特性に影響を与える
諸元の一つの垂直縦横比Ｗ／Ｐについて実験検討したと
ころ、ラビリンス堰の流下方向長さｌが固定された条件
では、これまでのラビリンス堰（Ｗ／Ｐが２以上）に比
べて、垂直縦横比を２＞Ｗ／Ｐ≧１．５の範囲にするこ
とによって放流能力、表面取水効果の向上が図れること
が確認できた。また、ラビリンス堰の流下方向長さｌが
固定された条件では、越流幅Ｗと端辺長Ａとの比である
端辺比Ａ／Ｗをラビリンス堰の平面形が台形状から長方
形状となる０．０７６５＜Ａ／Ｗ≦０．１の範囲にする
ことによって、従来（Ａ／Ｗ≦０．０７６５）に比べ放
流能力の向上が図れることが確認できた。これらによ
り、ラビリンス堰の持つ放流能力、表面取水効果、曝気
効果、減勢効果（撹拌効果）などの利点を十二分に生か
したラビリンス堰を得ることができ、かつその適用範囲
を拡張できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高密度・近長方
形型ラビリンス堰に関し、ラビリンス堰の放流能力、表
面取水効果、曝気効果、減勢効果（撹拌効果）を向上さ
せ、河川、水源施設、取水施設から水路など幅広い工種
へ有効に適用できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、越流部の平面形状が、三角形
や台形状で上下流方向（前後）に交互に突出するように
屈曲形成した凹凸状を複数連続させたラビリンス堰と呼
ばれる堰が知られており、流路を直線的に塞ぐ直線堰に
比較してジグザグの平面形状になっている分だけ堰頂長
さを長くでき、これにより、単位越流幅当たりの放流量
（流量係数）、すなわち放流能力を大きくすることがで
きる。

【０００３】このようなラビリンス堰は、一般に同一放
流量に対する直線堰との比較では越流幅（流路幅）を小
さくでき、一方、同一の越流幅では越流水深を小さくで
きるとともに、流入量の増減に伴う越流水位の変動を小
さく抑えることができるなど利点を備えている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ラビリンス堰を実際に適用しようとすると、その形状設
計が困難となる。これはラビリンス形状そのものは単純
であるにも拘らず、越流流況が横断方向で異なることか
ら設計上必須の放流特性、すなわち形状と越流水位、越
流量の関係などの把握が数値解析では困難なこと、実験
によって放流特性を把握しようとしても形状諸元が多く
膨大な数の実験が必要になってしまうことに依る。現状
では、ごく一部の範囲の検討結果があるにすぎず、過去
の事例をそのまま流用して形状設計を行うか、試行錯誤
の模型実験によって形状を確定しており、ラビリンス堰
の利点を十分に生かすことが出来ないという問題があ
る。

【０００５】特にラビリンス堰の密度、平面形について
は、図２に示す如く設計図表の範囲がごく限られてい
る。これは従来の知見では、図３及び図４に示すように
過度に高密度や長方形に近い形状では流下損失（縮流損
失、拡幅損失）が増し、ラビリンス堰の効果は得られな
いとされているためである。

【０００６】このため、図２に示すように垂直縦横比Ｗ
／Ｐ≧２、端辺比Ａ／Ｗ≦０．０７６５の低密度かつ三
角形〜近三角形の形状が実用上の限界とされ、ラビリン
ス堰の設計図表もこの範囲でしか得られていない。

【０００７】この発明はかかる従来技術の課題に鑑みて
なされたもので、高密度、近長方形のラビリンス堰の効
果を明示し、より広範囲に適用して利点を生かすことが
できるラビリンス堰を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】従来の知見では図５に示
すラビリンス堰の流下方向長さ（ｌ）についての考慮が
なされていなかった。

【０００９】ところが、流下方向長さ（ｌ）が固定され
た条件下では、図２の上図に示す如く高密度化もしくは
長方形化するほどラビリンス堰のセキ頂長さ（Ｌ）は長
くなる。このセキ頂長さの増大も考慮すれば、高密度化
や長方形化に伴う流下損失の増大があってもラビリンス
堰の効果（放流能力など）は高まりうると考え、本発明
の高密度・近長方形型ラビリンス堰を完成したものであ
り、その具体的な構成は、以下の通りである。

【００１０】すなわち、本発明の請求項１記載の高密度
・近長方形型ラビリンス堰は、少なくとも越流部上縁の
平面形状が、上下流方向に交互に突出する凹凸状に屈曲
形成されたラビリンス堰であって、この凹凸状の１サイ
クルにおける越流幅Ｗと堰高Ｐとの比である垂直縦横比
Ｗ／Ｐを２＞Ｗ／Ｐ≧１．５の範囲にしてなることを特
徴とするものである。

【００１１】また、本発明の請求項２記載の高密度・近
長方形型ラビリンス堰は、請求項１記載の構成に加え、
前記凹凸状の１サイクルにおける越流幅Ｗと端辺長Ａと
の比である端辺比Ａ／Ｗを台形状から長方形状の０．０
７６５＜Ａ／Ｗ≦０．２５の範囲にしてなることを特徴
とするものである。

【００１２】本発明の請求項１及び請求項２に記載の高
密度・近長方形型ラビリンス堰について実験検討した。

【００１３】その結果、流下方向長さ（ｌ）が固定され
た条件では、図６に示す如くこれまでの垂直縦横比Ｗ／
Ｐ≧２の低密度のラビリンス堰よりも２＞Ｗ／Ｐ≧１．
５の比較的高密度のラビリンス堰のほうが放流能力の向
上が図れることが確認できた。また、同様に流下方向長
さ（ｌ）が固定された条件下では、表１に示す如くこれ
までの端辺比Ａ／Ｗ≦０．０７６５の三角形及び近三角
形の平面形のラビリンス堰よりも０．０７６５＜Ａ／Ｗ
≦０．２５の長方形及び近長方形のラビリンス堰のに近
いほうが放流能力の向上が図れることが確認できた。

【００１４】以上により、ラビリンス堰の持つ放流能力
の増大、曝気効果、表面取水効果、減勢効果（撹拌効
果）などの利点を十二分に生かしたより効果の高いラビ
リンス堰を得ることができ、かつラビリンス堰の適用範
囲の拡張を図ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面に基づき詳細に説明する。まず、ラビリンス
堰の放流特性の一つである１サイクル当たりの放流量
は、図１に示したラビリンス堰の平面図、断面図に記載
したラビリンス堰各部の記号を用いることで次式で求め
ることができる。

【００１６】Ｑ＝Ｃｗｒ・Ｗ・Ｈ１．５ ここで、Ｑはラビリンス堰１サイクル当たりの放流量
（ｍ３／ｓ） Ｃｗｒはラビリンス堰１サイクル当たりの流量係数（実
験値） Ｗはラビリンス堰１サイクルの隅角部を除いた越流幅
（実越流幅、ｍ） Ｈは越流水頭（ｍ）である。

【００１７】したがって、ラビリンス堰全体の全放流量
は上記のＱにサイクル数（ｎ）を乗じることで求めるこ
とができる。

【００１８】なお、流量係数Ｃｗｒは越流水頭比Ｈ／
Ｐ、垂直縦横比Ｗ／Ｐ、端辺比Ａ／Ｗ、セキ長比Ｌ／Ｗ
などの諸元に影響される。ここでＰはセキ高、Ｌはラビ
リンス堰１サイクルの隅角部を除いたセキ頂長さ（実セ
キ頂長さ）、Ａは図１に示す端辺長である。

【００１９】ラビリンス堰は平面形状をジグザグにする
ことで、平面形状が直線の通常の堰（直線堰）に比べ、
同じセキ幅でのセキ頂長さを長くでき、これによって放
流能力（越流幅当たり）の増大を図るものである。ま
た、セキ頂長さをジグザグ形状で伸ばす分、セキ頂長さ
当たりの放流能力は低下するので、これによりセキ近傍
の上昇流速（吸い上げ流速）が低下して表層取水効果が
向上する利点もある。さらに、越流幅当たりの放流能力
の増大とセキ頂長さ当たりの放流能力の低減という２つ
の作用から大流量を長大セキ頂、小越流水深で拡散放流
すること、及び両側の側壁から自由落下した水脈が衝突
することによって、直線堰よりも高い減勢効果（撹拌効
果）、曝気効果を有することになる。

【００２０】しかし、従来の設計図表における具体的な
形状は、図２の下図に示す如く比較的凹凸形状の密度が
低密度（Ｗ／Ｐ≧２）で、かつ平面形も三角形及び近三
角形（０≦Ａ／Ｗ≦０．０７６５）のものに限られてい
た。

【００２１】これは、図３、図４に示すように高密度や
長方形に近い形状は流下損失が増して放流能力が低下す
るとされていたためである。

【００２２】すなわち、高密度の形状では１サイクルの
実越流幅Ｗが小さくなるのでラビリンス堰入り口での縮
流損失が増すので放流能力が低下する。また、平面形が
長方形に近づくにつれラビリンス堰の越流セキ頂での拡
幅損失が増し、これも放流能力の低下につながる。特に
密度の指標となる垂直縦横比Ｗ／Ｐが２未満となる形状
や平面形の指標となる端辺比Ａ／Ｗが０．０７６５を越
える形状では、放流能力が著しく低下するので、これら
の範囲は設計上避けるべきとされていた。

【００２３】しかし、ラビリンス堰の流下方向長さ
（ｌ）が固定された条件では、図２の上図に示すごとく
高密度や長方形に近い形状ほど実セキ頂長さ（Ｌ）が伸
びる。この効果により多少の流下損失があろうとも全体
としての放流効果が増すこともありうる。

【００２４】そこで、流下方向長さ（ｌ）固定条件下で
の高密度化や近長方形化に伴うセキ堰頂長さの増大に着
目して、ラビリンス堰の放流特性に影響を及ぼす諸元の
うち、垂直縦横比Ｗ／Ｐおよび端辺比Ａ／Ｗについて種
々の実験を行い、より高密度のラビリンス堰として１．
５≦Ｗ／Ｐ＜２の形状、及びより長方形のラビリンス堰
として０．０７６５＜Ａ／Ｗ≦０．２５の形状について
開発し、この発明を完成したものである。ここで、流下
方向長さの指標は図５に示す流下方向長比（ｌ／Ｐ）で
表される。

【００２５】図６は高密度ラビリンス堰の効果を示した
もので、流下方向長比（ｌ／Ｐ）が固定された条件下で
は、現地設計条件の指標である越流水頭比Ｈ／Ｐのほと
んどの範囲において、Ｗ／Ｐ＜２の高密度化により放流
能力、表層取水効果の向上が図られている。すなわち、
Ｗ／Ｐを２から１．５へと約１．３倍の高密度化をした
ものでは、４から２へと２倍の高密度化したものに比
べ、遜色のない放流能力、表面取水効果の向上を示す。

【００２６】一方、表１は近長方形〜長方形ラビリンス
堰の効果を示したもので、流下方向長比（ｌ／Ｐ）が固
定された条件下では、現地設計条件Ｈ／Ｐがある程度大
きい範囲まで長方形化に伴う放流能力の増大が見られ
る。

【００２７】

【表１】

【００２８】以上のように流下方向長比（ｌ／Ｐ）が固
定された条件下では、現地設計条件Ｈ／Ｐの広い範囲に
亘って高密度や近長方形〜長方形ラビリンス堰の効果が
あることが明らかである。実際には、可動堰にラビリン
ス堰を載荷して用いる場合など、従来行われていない工
種にラビリンス堰を用いる場合では、流下方向長ｌが制
約（固定）される条件下で用いざるを得ない場合が多
い。本発明はそのような場合に特に有効である。

【００２９】なお、本発明にかかる形状は、ジグザグ形
状の凸形状が上下流どちら向きでも良い。また、平面的
な凹凸形状の隅角部形状が曲線状であったり、セキの断
面形状も刃形、標準型、長方形、台形など適宜変更可能
である。側壁部分の平面的な角度αも同一サイクルの左
右側壁で異なっても良く、セキ体自体も傾斜していても
良い。要は流下方向長さｌが固定された条件下でのセキ
頂長さの延長により放流能力の増大が図れるものであ
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明の請求項１及び請求項２に記載の
ラビリンス堰により、ラビリンス堰の凹凸形状の密度を
示す垂直縦横比Ｗ／Ｐを２＞Ｗ／Ｐ≧１．５と従来より
も比較的高密度に、一方、ラビリンス堰の平面形を表す
端辺比Ａ／Ｗを０．０７６５＜Ａ／Ｗ≦０．２５と従来
よりも長方形に近い平面形もしくは長方形にでき、これ
らによりラビリンス堰の適用範囲を拡張できる。

【００３１】これらの形状は、流下方向長さ（ｌ）が制
限された条件下においては、従来の比較的低密度（Ｗ／
Ｐ≧２）で、かつ三角形もしくは近三角形の平面形（Ａ
／Ｗ≦０．０７６５）のラビリンス堰よりも放流能力の
増大や表面取水効果、曝気効果、減勢効果（撹拌効果）
の向上を図ることが出来る。

【００３２】特にラビリンス堰を可動堰やコンクリ−ト
ダム洪水吐、溜池・調整池洪水吐、取水塔に適用する場
合、可動堰、コンクリ−トダム洪水吐、取水塔では構造
条件から、また溜池・調整池洪水吐では現地地形条件か
ら流下方向長さ（ｌ）が制約される場合が多い。このよ
うな場合に本発明のラビリンス堰が特に効果を発揮でき
る。

【００３３】なお、本発明のラビリンス堰は上記の工種
の他、フィルダム洪水吐や水路余水吐、沈砂池余水吐、
固定堰、分水工、沈砂池取水工など等、流下方向長さ
（ｌ）の制約が比較的小さい工種にも当然適用可能であ
る。

【００３４】本発明のラビリンス堰の効果の詳細は次の
とおりである。 （１） 放流能力の増大から次のような種々の効果が生
じる。 洪水吐や余水吐の放流量の増大を図ることができ、
ダム、調整池、溜池、水路などの安全性を向上すること
ができる。 洪水吐や余水吐の越流水深の低減をはかることがで
き、図７に示すように、堤高や水路側壁高（水路掘削
深）の低減を図ることができるとともに、同一堤高や同
一水路側壁高とする場合には、貯水量の増大を図ること
ができる。 洪水吐や余水吐の越流幅を低減でき、小規模化を図
ることができる。 流量変動に依らず越流水深を比較的一定化できるの
で高精度の水管理に役立つ。また、水位の一定化にゲー
ト等を要さないので無人無動力の低コストな水管理が図
れる。

【００３５】（２） 図８に示すように表層取水効果に
より沈砂池などでの土砂と水の分離や土砂排除に役立
つ。また、取水塔での温水取水にも有利である。

【００３６】（３） 曝気効果により水路や河川の水質
改善に役立つ。

【００３７】（４） 減勢効果や攪拌効果により固定堰
の堰直下の先堀の低減を図ることができるとともに、落
差工や温水化水路での攪拌混合による水路内全体の温水
化を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラビリンス堰の平面図、断面図とラビリンス堰
形状にかかる記号の説明図である。

【図２】流下方向長さが固定された場合のラビリンス堰
の凹凸形状の密度、平面形とセキ頂長さの関係を示す説
明図及び従来のラビリンス堰の適用範囲の説明図であ
る。

【図３】凹凸形状が高密度のラビリンス堰において流下
損失が増すことの説明図である。

【図４】平面形が長方形及び近長方形のラビリンス堰に
おいて流下損失が増すことの説明図である。

【図５】ラビリンス堰の放流特性に影響する因子（パラ
メータ）の説明図である。

【図６】流下方向長さが固定（制約）された条件下で
は、凹凸形状が高密度のラビリンス堰ほど放流能力の向
上、表面取水効果の向上が図れることを示すグラフであ
る。

【図７】本発明のラビリンス堰の一実施の形態にかかる
効果の説明図である。

【図８】本発明のラビリンス堰の一実施の形態にかかる
効果の説明図である。

【符号の説明】

Ｗ／Ｐ 垂直縦横比 Ｗ ラビリンス堰１サイクルの隅角部を除く越流幅（実
越流幅） Ｐ 堰高 Ａ／Ｗ 端辺比 Ａ 端辺長さ Ｌ／Ｗ セキ頂比 Ｌ ラビリンス堰１サイクルの隅角部を除くセキ頂長さ
（実セキ頂長さ） ｌ／Ｐ 流下方向長比 ｌ ラビリンス堰の流下方向長さ

フロントページの続き (72)発明者 常住 直人 茨城県つくば市観音台２丁目１−２ 農林 水産省農業工学研究所内 (72)発明者 加藤 敬 茨城県つくば市観音台２丁目１−２ 農林 水産省農業工学研究所内 (72)発明者 中西 憲雄 茨城県つくば市観音台２丁目１−２ 農林 水産省農業工学研究所内 (72)発明者 後藤 光寿 東京郡江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 北條 勝也 大阪府大阪市住之江区柴谷２丁目８番45号 株式会社栗本鐵工所住吉工場内 (72)発明者 上出 耕三 大阪府大阪市中央区谷町５丁目３−17 株 式会対丸島アクアシステム内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも越流部上縁の平面形状が、上
   下流方向に交互に突出する凹凸状に屈曲形成されたラビ
   リンス堰であって、 この凹凸状の１サイクルにおける越流幅Ｗと堰高Ｐとの
   比である垂直縦横比Ｗ／Ｐを２＞Ｗ／Ｐ≧１．５の範囲
   にしてなることを特徴とする高密度・近長方形型ラビリ
   ンス堰。
2. 【請求項２】 前記凹凸状の１サイクルにおける越流幅
   Ｗと端辺長Ａとの比である端辺比Ａ／Ｗを台形状から長
   方形状の０．０７６５＜Ａ／Ｗ≦０．２５の範囲にして
   なることを特徴とする高密度・近長方形型ラビリンス
   堰。