(57)【要約】【課題】落水による泡の発生を抑制するにあたり、潜り堰型の堰本体の抵抗によって上流側の水位を保持しつつ、堰本体の開度を自動的に調整することで、落水の発生を防止し且つ流量変動による上流側の水位変動を緩和することが可能な、可動堰の提供を提供する。【解決手段】水路１に介設する可動堰Ｗであって、可動堰Ｗは少なくとも堰本体２と、堰本体２に設けられた回転可能な回転支承３と、を少なくとも含み、可動堰Ｗの可動範囲における重心が回転支承３より水路１の下流側Ｙ通過すること。【選択図】図１
2020079503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路に介設する可動堰であって、
前記可動堰は少なくとも堰本体と、
前記堰本体に設けられた回転可能な回転支承と、を少なくとも含み、
前記可動堰の可動範囲における重心が前記回転支承より前記水路下流側を通過することを特徴とする可動堰。
【請求項２】
前記堰本体は矩形版状に形成された堰部と、
該堰部の上部に接続された錘部と、からなり、
前記錘部は前記堰部が鉛直方向に配置された状態で該堰部の法線方向に対して前記水路下流側に傾斜した状態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可動堰。
【請求項３】
前記堰部及び／又は前記錘部が前記回転支承より水路上流側から支持部材により回転が規制されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可動堰。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水路に介設する可動式の堰に関し、より詳細には、流量の増減に関わらず、水路の上流側と下流側との間の水位差を略一定に維持可能な可動堰に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所の放水路等では、上流側の水位を下流側（例えば、海面）の水位よりも高く保持することを要する場合がある。
この場合、水路内に堰等の抵抗体を設置して上流側と下流側の水位差（以下、単に「水位差」という。）を確保することが一般的だが、この水位差に起因する落水によって下流側への気泡の混入が問題となっている。
これらの水面発泡を防止するための方法を大別すると、次の２種類のアプローチがある。
（ａ）落水を許容しつつ、発泡の発生量を低減する方法。
（ｂ）落水現象そのものを発生させない方法。
これらの方法を採用する発明として、以下の特許文献に記載の発明がある。
【０００３】
前記（ａ）に相当する特許文献１に記載の放水ピットは、従来の越流堰に加え、上流水槽と下流水槽の間に有孔板とシルを介在させて、落水の勢いを弱めて泡の発生量を低減するものである。
【０００４】
前記（ｂ）に相当する方法としては、従来から用いられているスルースゲート（オリフィス）や回転ゲートが一般的である。他に、放水路に可動弁を設け機械的に流量を調整する方法等もある。
また、特許文献２には、記載の放水施設のように、下流側の放水路の放水口に、水位調整手段としてフラップ式のゲートを設置し、放水の流量変化により、所定の水位差を超えた場合に、水圧によってゲートが自動で開くようにし、当該ゲートの開度の変動によって、上流側の水位を調整する方法が記載されている。これは、従来の潜り堰による抵抗は概略流速の二乗に比例するため、流量の増加に対する上流側水位の上昇勾配が高いという問題が回避できる点で有効とされている。
さらに、その他の方法として、特許文献３には、上流水位を一定の計画水位に保持する無動力の矩形形状開水路用自動調節ゲートとして、矩形形状開水路の左右の壁上に計画上流水位と同じ高さの軸受部を対設し、軸受部に回動軸を横架し、回動軸より上流側アームを突設しこの突設端に開水路の内壁に係合し回動軸より所定半径長さの円弧状の第一スキンプレートを設け、第一スキンプレートの下部寄りに第一スキンプレートに垂直に受圧底面を突設し、この受圧底面の突設端より上方に向かって第一スキンプレートと同芯の所定半径長さの第二スキンプレートを有する所定巾のフロート部を付設し、回動軸より突設した下流側アームの突設端に前後バランス体を横架し、回動軸の上部に上流水位を一定の計画水位に保持するバランス体を設ける構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−００４７８７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２９５２０号公報
【特許文献３】登実３０３６２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記した従来の方法では、以下に示す問題のうち、少なくとも一つの問題を有する場合がある。
（１）水位調整機能の観点
スルースゲートでは、上流側水位を一定に保つには、流量が少ない時には人為的にゲート開度を調整する必要があり、回転ゲートでは、流量が多くなり水位差が大きくなると、ゲートの開度が自動的に大きくなるため、流量の増加に伴う水位差の増加は緩和されるが、上流側水位を一定に保つほどの効果は期待できない。放水路に可動弁を設け機械的に流量を調整する方法も含め、これらの方法は、いずれも人為的、機械的な調整が必要となる方法である。
また、特許文献２のように、フラップ式のゲートを設置する方法の場合であっても、水位変動量は低減するものの、ゲートの開度を大きくするためには、ゲートに働く力（上流側の水圧）も大きくする必要がある。したがって、流量の増加とともに、上流側と下流側の水位差も必然的に大きくなってしまい、水位の変動幅に応じた壁高としなければならない。よって、流量が増加しても、上流側と下流側の水位差が小さい状態を維持することのできる方法の実現が望まれている。
特許文献３に係る水位自動調整ゲートでは、確かに矩形形状開水路内の上流水位を一定の計画水位に保持する機能を有するが、ゲートからの流出が射流になり、ゲートの背面側に水圧が生じない状況を想定している。しかしながら、このような状況はごく限られた条件でしか生じ得ないため、適用範囲が著しく狭くなる。
（２）発泡抑制機能の観点
特許文献１に係る方法では、気泡の混入の低減に留まり、水面発泡を完全に防止することはできない。
（３）維持管理性の観点
放水路に可動弁を設け機械的に流量を調整する場合、流量により開度を制御する方法やメンテナンスが必要であり、維持管理に手間とコストを要する。
【０００７】
すなわち、本発明は、落水による泡の発生を抑制するにあたり、潜り堰型の堰本体の抵抗によって上流側の水位を保持しつつ、堰本体の開度を自動的に調整することで、落水の発生を防止し且つ流量変動による上流側の水位変動を緩和することが可能な、可動堰の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の可動堰は、水路に介設する可動堰であって、前記可動堰は少なくとも堰本体と、前記堰本体に設けられた回転可能な回転支承と、を少なくとも含み、前記可動堰の可動範囲における重心が前記回転支承より前記水路下流側を通過することを特徴とする。
前記堰本体は矩形版状に形成された堰部と、該堰部の上部に接続された錘部と、からなり、前記錘部は前記堰部が鉛直方向に配置された状態で該堰部の法線方向に対して前記水路下流側に傾斜した状態に形成されていても良く、前記堰部及び／又は前記錘部が前記回転支承より水路上流側から支持部材により回転が規制されていても良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の可動堰によれば、以下に記載する効果のうち、少なくともいずれか一つの効果を得ることができる。
（１）水位調整機能の観点
堰本体が上流側と下流側の水位差に応じて自動で浮上又は沈降するため、従来の方法と異なり、上流側の流量の増加に伴う、上流側と下流側の水位差の変動幅が小さい。
よって、上流側の流量の増減の影響を受けずに、ほぼ所定の水位差を維持することができるため、上流側設備での水位変動に対して有利となる。
（２）発泡 抑制機能の観点
前記と同じ理由により、上流側の水位が堰本体の天端を越えることが無い。
よって、堰本体の高さを必要以上に高くしたり、底部のゲートなどの開閉機構を設ける必要がない。
（３）維持管理性の観点
堰本体が上流側と下流側の水位差に応じて自動で浮上又は沈降するため、従来の方法のように、可動弁やフラップなどの制御機構のメンテナンス等を要しない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の可動堰の側面図である（図２のＢ−Ｂ矢視、未回転時）。
【図２】本発明の可動堰の平面図である（図１のＡ−Ａ矢視、未回転時）。
【図３】本発明の可動堰の側面図であり、堰部に作用する水圧差を示す概念図であり、（ａ）未回転時、（ｂ）θ回転時である。
【図４】本発明の可動堰の側面図であり、自重の合力作用位置の概念図である。
【図５】本発明の可動堰の回転根拠を示す計算式の変数を示すモデル図である。
【図６】従来の堰の側面図であり、（ａ）スルースゲート（オリフィス）、（ｂ）回転ゲート及び（ｃ）本発明の可動堰である。
【図７】各堰の方式の流量に対する上流側の水位変化を示す計算結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
＜可動堰＞
図１に、本発明の可動堰の側面図（図２のＢ−Ｂ矢視、未回転時）、図２に、本発明の可動堰の平面図（図１のＡ−Ａ矢視、未回転時）をそれぞれ示す。
本発明の可動堰Ｗは、堰本体２の開度が流量によって自動的に変動することによって、水路の上流側Ｘと下流側Ｙとの水位差を略一定に保つことを主たる目的とする構造物である。
【００１２】
本実施形態に係る水路１は、底版１１と、底版１１の両側面に立設された側壁１２，１２とからなる開水路である。底版１１及び側壁１２，１２はともに、鉄筋コンクリートで構築された矩形版状の躯体であり、少なくとも可動堰Ｗの可動範囲に該当する側壁１２，１２平行に形成されている。
【００１３】
可動堰Ｗは、水路１に介設するものであって、堰本体２と、堰本体２に設けられた回転支承３とを少なくとも含んで構成されている。堰本体２は、回転支承３を介して、側壁１２に回転可能に固定されている。
堰本体２は、矩形版状に形成された堰部２１と錘部２２とからなり、錘部２２は堰部２１が鉛直方向に配置された状態で堰部２１の法線方向に対して下流側Ｙに傾斜角αを傾斜させた屈曲した状態で堰部２１と一体に形成されている。
堰部２１は、いわゆる潜り堰として、水圧に対する抵抗によって水路１内の水位差を一定に保持するための部材であり、公知の構造、形状を採用しており、詳細な説明は省略する。
錘部２２はアーム体２２１と錘体２２２とからなり、アーム体２２１の長さＬ及び傾斜角αを変化させることで、カウンターウェイトとしての錘体２２２の位置を調整することができる。
回転支承３は、水路１を跨ぐように側壁１２，１２にそれぞれ固定されている。回転支承３を中心に、堰本体２は回転可能であるが、側壁１２，１２からそれぞれ突設するように設けられた凸状の複数の支持部材１３によって、堰本体２の回転は所定の可動範囲内に規制されている。
具体的には、堰部２１が鉛直方向に配置された状態で、上流側Ｘから下部支持部材１３２（１３），１３２（１３）を堰部２１に当接させることによって、堰本体２が上流側Ｘへの回転（紙面反時計回り）することを規制している。以降、堰部２１が下部支持部材１３２（１３），１３２（１３）によって支持されている状態を堰本体２の未回転時とする。
同様に、堰本体２が未回転時から紙面時計回りに所定の回転をした状態で、上流側Ｘから上部支持部材１３２（１３），１３２（１３）を錘部２２に当接させることによって、堰本体２が上流側Ｘへの回転（紙面時計回り）することを規制している。
本実施形態では、堰本体２の未回転時に、堰本体２が水路１の底面から離れるように、開口Ｏが設けられているが、水路１の底面に接するように堰本体２が配置されていても良い。
また、堰部２１と側壁１２，１２との間からの漏水を避けるため、両者間に過度な摩擦が生じない程度に、不図示で公知の漏水処置を施しても良い。
【００１４】
＜可動堰に作用する起動モーメント＞
図３に、本発明の可動堰の側面図であり、堰部に作用する水圧差を示す概念図を示す。
水の速度水頭やエネルギー損失等を無視し、堰部２１に静水圧が作用すると仮定すると、堰本体２を回転させる起動力は、上流側Ｘおよび下流側Ｙから堰部２１にそれぞれ作用する水圧ＰUとＰLとの水圧差による。同図（ａ）に、堰本体２の未回転時における堰部２１に作用する水圧差を示す。堰部２１には、回転支承３の中心から鉛直下向きにｙ1の位置に、水圧差の合力Ｆが上流側Ｘから水平に作用している。これにより、堰本体２には、堰部２１を介して、上流側Ｘから紙面時計回りにＦとｙ1との積に相当する起動モーメントが生じる。
また、同図（ｂ）に、堰本体２のθ回転時における堰部２１に作用する水圧差を示す。上記と同様に、堰部２１には、回転支承３の中心から鉛直下向きにｙ1’の位置に、水圧差の合力Ｆ’が上流側Ｘから水平に作用している。堰本体２には、堰部２１を介して、上流側Ｘから紙面時計回りにＦ’と ｙ1’との積に相当する起動モーメントが生じる。
堰本体２の回転により、開口Ｏは大きくなり、より多くの流量Ｑを流下させることが可能になる。一方、回転に伴い、堰部２１に水圧が作用する受圧面積が小さくなるため、堰本体２を紙面時計回りに回転させようとする起動モーメントも小さくなる。
具体的には、未回転時と比べ、θ回転時では、堰部２１に作用する水圧はＰU2―ＰU2’に相当する分だけ小さくなるため、それに伴い水圧差の合力Ｆ’も小さくなる。さらに、受圧面積の減少に伴い、回転支承３の中心から鉛直下向きに水圧差の合力の作用位置までの距離も小さくなる（ｙ1＞ｙ1’）。つまり、起動モーメントは、Ｆ’とｙ1’との積であるから、堰本体２の回転に伴い起動モーメントも小さくなるのである。
【００１５】
＜可動堰に作用する抵抗モーメント＞
図４に、本発明の可動堰の側面図であり、自重の合力作用位置の概念図を示す。
回転支承３の回転による摩擦抵抗や、側壁１２と堰部２１との摩擦抵抗等を無視すれば、堰本体２の回転を戻そうとする抵抗力は、堰部２１の自重ｍと錘部２２の自重Ｍとの合力（以下、「自重合力」とする。）ｍ＋Ｍであり、自重合力作用位置Ｇに鉛直下向きに作用している。自重合力作用位置Ｇは、回転支承３の中心から下流側Ｙに向かって水平長さｘ（以下、「自重合力作用長さ」とする。）に位置する。すなわち、堰本体２の回転を戻そうとする紙面反時計回りの抵抗モーメントは、ｍ＋Ｍとｘとの積によって算出される。なお、自重合力作用位置Ｇは、自重Ｍと自重ｍの作用位置とを結ぶ直線上にあり、自重Ｍ作用位置からｍ：Ｍの位置で求められる。
【００１６】
同図は、堰部２１と錘部２２とのなす角がα1時、錘部２２の自重Ｍ１時であり、未回転時からθ回転時にかけて、自重合力作用位置Ｇの遷移を例示したものである。自重合力作用位置Ｇは、堰本体２の回転に伴い、半径ｒ１の円周上を遷移する。本事例では、堰本体２の自重合力作用長さｘは、未回転時にｘ1（＝ｒ1）となり、θ回転時にｘ1’（＜ｒ1）の位置まで移動する。すなわち、回転に伴い自重合力作用長さｘが減少するので、ｘと自重合力ｍ＋Ｍ1との積である抵抗モーメントも減少する。すなわち、自重合力作用位置Ｇが回転支承３の中心より上方でかつ下流側の領域Ｚの範囲内に位置するように堰本体２の自重バランスを調整すれば、回転に伴って抵抗モーメントを低減させることが可能となる。
ここで前述した通り、本事例では、起動モーメントも堰本体２の回転により減少する。つまり、回転に伴って、起動モーメント及び抵抗モーメントともに同程度に低減することができれば、堰本体２に作用する起動及び抵抗モーメントの差分はほぼ０となり、堰本体２の回転の大きさによって左右されないようにすることが可能となる。すなわち、上流側Ｘから供給される流量Ｑが増えて、堰本体２が回転しても、堰本体２に作用する起動及び抵抗モーメントの変化の差を小さく抑えることができれば、上流側Ｘの水位をほぼ一定に保つことが可能になる。
【００１７】
＜可動堰の作動原理の計算例＞
以下、本発明に係る可動堰が、水位差の変動によって回転動作に遷移する根拠に係る計算式を示す。
図５は、以下の計算式に用いる変数を表したモデル図である。
幾何学的に、次式の関係が成り立つ。
2020079503.tif 000003
水圧、カウンターウェイト、堰重量による回転支点周りに働くモーメントはそれぞれ、上流側Ｘの水圧による起動モーメント−下流側Ｙの水圧による抵抗モーメント
2020079503.tif 000004
錘部２２の自重Ｍによる抵抗モーメント
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堰部２１の自重ｍによる抵抗モーメント
2020079503.tif 000006
であるから、モーメントの吊り合いより次式が成り立つ。
(2)＝(3)＋(4)
2020079503.tif 000007
また、開口部での損失係数をｆとすると、
下流側Ｙの全エネルギー水頭＋損失水頭＝上流側Ｘの全エネルギー水頭
2020079503.tif 000008
であるから、式(1)，(5)，(6)よりそれぞれ次式が得られる。
2020079503.tif 000009
下流側水位ｈ０及び流量Ｑが決まると、未知数はｈ1，ｈ2，θの３つなので、解が導かれる。
【００１８】
＜異なる流量での水位差遷移試計算結果＞
図６に、従来の堰の側面図であり、（ａ）スルースゲート（オリフィス）、（ｂ）回転ゲート及び（ｃ）本発明の可動堰を示す。
スルースゲート４の場合、上下流の水位差は開口Ｏの流速の２乗に比例する。開口Ｏの高さは一定のため、流量Ｑが増加すると流量Ｑの２乗に比例して水位差は大きくなる。
回転ゲート５の場合、流量Ｑが増加すると上下流の水圧差によりゲート５１の開度（開口Ｏ）が大きくなるため、スルースゲート４の場合よりも水位差の増加は抑制される。ただし、回転ゲート５は開度（開口Ｏ）が大きくなるほどゲート５１の重心の水平位置が下流側Ｙに変位し、ゲート５１の自重により閉じようとする抵抗モーメントは大きくなる。ゲート５１の開度（開口Ｏ）を大きくするためには、ゲート５１を開く力である水圧差を大きくする必要がある。したがって、オリフィス４ほどではないものの、流量Ｑの増加に伴い水位差は大きくなり上流側水位は高くなる。
一方、本発明の可動堰Ｗでは、前述の通り、堰部２１の下流側Ｙの斜め上方にカウンターウェイトとなる錘体２２２を、アーム体２２１を介して設置することにより、上流側Ｘから供給される流量Ｑが増えて堰本体２が回転しても、各部材の自重や作用位置を調整することで、堰本体２に作用する起動及び抵抗モーメントの差分に変化を小さく抑えることができ、結果的に上流側Ｘの水位をほぼ一定に保つことが可能になる。
図７は、図６（ａ）のスルースゲート４及び同図（ｂ）の回転ゲート５との比較により、本発明の可動堰Ｗの流量Ｑに対する上流側Ｘの水位変化を示す計算結果を示したものである。水路単位幅当たりの流量Ｑ＝５ｍ３／ｓ／ｍのときに上流側Ｘの水位ｈ1＝５ｍm（下流側水位を４ｍで一定としているため、水位差１ｍとなる。）となるように各諸元を設定し、流量Ｑを変化させて上流側Ｘの水位ｈ1を求めたものである。適切なカウンターウェイトである錘体２２２の自重を設定することにより、上流側Ｘの水位ｈ1を略一定に出来ることが示されている。
【００１９】
このように、本発明に係る可動堰Ｗは、堰部２１や錘部２２の自重や、両者の角度αを適切に設定することで、堰本体２の回転によらず、水路の上流側Ｘと下流側Ｙとの水位差によって堰本体２に生じる水圧差に起因する起動モーメントと自重に基づく抵抗モーメントの差をほぼ０にするよう構成することができる。
この可動堰Ｗによれば、上流側Ｘで水位が増加しても、堰本体２を乗り越えて落水が発生することは無い。また、流量Ｑの増減にかかわらず、上流側Ｘと下流側Ｙとの水位差を一定に保つことができる。
【００２０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、本実施例では、堰部２１が鉛直方向に配置された状態を未回転時としたが、堰部２１の下端を上流側Ｘの方向（例えば、図１の紙面反時計回り）に回転させた状態を未回転時としても良い。
この場合、堰部２１が鉛直方向を向くまでは、堰部２１の受圧面積は増加し、堰部２１の鉛直方向を境に漸減する。したがって、水圧差による起動モーメントも受圧面積と同様に増加、減少の傾向になるため、上流側Ｘの水位ｈ1を一定に保つためには、自重による抵抗モーメントも堰部２１の鉛直方向を境に、増加から減少するように調整する必要がある。これには、堰部２１の下端が上流側Ｘに傾いた未回転時に、自重合力作用位置Ｇが回転支承３の中心より下流側で、かつ下方に位置するようにし、堰部２１が鉛直方向に向いた時点で、自重合力作用位置Ｇが回転支承３の水平方向に位置するように各部材の自重や作用位置等を調整することで対応できる。
【符号の説明】
【００２１】
Ｗ          可動堰
Ｘ          上流側
Ｙ          下流側
Ｏ          開口
Ｚ          回転支承３の中心より上方でかつ下流側の領域
Ｇ          自重合力作用位置
１          水路
１１        底版
１２        側壁
１３        支持部材
２          堰本体
２１        堰部
２２        錘部
３          回転支承
４          スルースゲート
５          回転ゲート
【図１】
2020079503.tif 000010
【図２】
2020079503.tif 000011
【図３】
2020079503.tif 000012
【図４】
2020079503.tif 000013
【図５】
2020079503.tif 000014
【図６】
2020079503.tif 000015
【図７】
2020079503.tif 000016