(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水場所における堆積物が堆積した水底面に対向して開口された吸込口部、該吸込口部から鉛直方向へ延びる鉛直管部、および該鉛直管部上部から横方向にほぼ水平に延び、貯水場所よりも低位にある放出部に向けて開口された水平管部を有し、該水平管部が前記貯水場所の水位よりも低い位置に設けられた孔部を液密に貫通するように配置されると共に、貯水場所内の水中に動水勾配線よりも下方となる位置に支持され、さらに、堆積物の搬送時、昇降装置により、前記吸込口部が貯水場所の水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動される搬送管と、
前記搬送管の吸込口部に設けられ、該吸込口部が上下方向に移動可能に進入する、下方に開放された形状をなすカップ状体と、
該カップ状体内に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記カップ状体内に圧縮気体を供給する圧縮気体供給部とを具備することを特徴とする堆積物搬送機構。
【請求項２】
前記カップ状体と共に前記吸込口部側が下降され、吸込口部が水底面に食い込んで該吸込口部が急閉塞されることによって、前記搬送管内の流体の慣性力により吸込口部側の圧力が低下して膨張波が発生し、搬送管内の低濃度部に吸込口部側より順次水柱分離が発生し、
次いで前記カップ状体に対して吸込口部が上昇され、吸込口に進入した高濃度部がプラグとして吸引されると共に、前記圧縮気体供給部から少量の圧縮気体が前記カップ状体内に供給され、前記水蒸気供給部から圧縮気体よりも大量の水蒸気が前記カップ状体内に供給されることによって、水底の高濃度の堆積物、カップ状体内の水、圧縮気体および水蒸気が吸込口部内に流入して、高濃度の堆積物からなるプラグおよびガスプラグが形成されて前記鉛直管部を上昇し、
次いで前記カップ状体が上昇され、前記圧縮気体および水蒸気の供給が停止されることによって、ガスプラグ部の水蒸気が凝縮し、ガスプラグの体積が減少し、前記吸込口部が急開され、これにより吸込口部内に清水が流入され、吸込口部側の圧力が上昇して圧力波が発生し水柱分離部を凝縮させるサイクルが繰り返されることによって、前記搬送管内に、固・液・気よりなる連成振動子状流れを作り出して堆積物を前記放出部に搬出することを特徴とする請求項１記載の堆積物搬送機構。
【請求項３】
前記圧縮気体供給部が、圧縮空気もしくは炭酸ガスを供給することを特徴とする請求項１または２記載の堆積物搬送機構。
【請求項４】
前記貯水場所に浮かべられる台船を有し、該台船に、前記搬送管を支持する吊持装置と、該搬送管を、前記吸込口部が水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動させる昇降装置と、前記水蒸気供給部と、前記圧縮気体供給部が配置されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の堆積物搬送機構。
【請求項５】
前記搬送管内と連通して設けられ、搬送管内の圧力の増減を吸収する圧力吸収部を設けたことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の堆積物搬送機構。
【請求項６】
貯水場所における堆積物が堆積した水底面に対向して開口された吸込口部、該吸込口部から鉛直方向へ延びる鉛直管部、および該鉛直管部上部から横方向にほぼ水平に延び、貯水場所よりも低位にある放出部に向けて開口された水平管部を有し、該水平管部が前記貯水場所の水位よりも低い位置に設けられた孔部を液密に貫通するように配置されると共に、貯水場所内の水中に動水勾配線よりも下方となる位置に支持され、さらに、堆積物の搬送時、昇降装置により、前記吸込口部が貯水場所の水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動される搬送管と、前記搬送管の吸込口部に設けられ、該吸込口部が上下方向に移動可能に進入する、下方に開放された形状をなすカップ状体と、該カップ状体内に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記カップ状体内に圧縮気体を供給する圧縮気体供給部とを具備する堆積物搬送機構を用い、
前記カップ状体と共に前記吸込口部側を下降させ、吸込口部を水底面に食い込ませて該吸込口部を急閉塞することによって、前記搬送管内の流体の慣性力により吸込口部側の圧力を低下させて膨張波を発生させ、搬送管内の低濃度部に吸込口部側より順次水柱分離を発生させ、
次いで前記カップ状体に対して吸込口部を上昇させ、吸込口に進入した高濃度部をプラグとして吸引させると共に、前記圧縮気体供給部から少量の圧縮気体を前記カップ状体内に供給し、前記水蒸気供給部から圧縮気体よりも大量の水蒸気を前記カップ状体内に供給することによって、水底の高濃度の堆積物、カップ状体内の水、圧縮気体および水蒸気を吸込口部内に流入させて、高濃度の堆積物からなるプラグおよびガスプラグを形成して前記鉛直管部を上昇させ、
次いで前記カップ状体を上昇させ、前記圧縮気体および水蒸気の供給を停止することによって、ガスプラグ部の水蒸気を凝縮させ、ガスプラグの体積を減少させ、前記吸込口部を急開し、これにより吸込口部内に清水を流入させ、吸込口部側の圧力を上昇させて圧力波を発生させ水柱分離部を凝縮させるサイクルを繰り返すことによって、前記搬送管内に、固・液・気よりなる連成振動子状流れを作り出して堆積物を前記放出部に搬出することを特徴とする堆積物搬送方法。
【請求項７】
前記圧縮気体供給部から、圧縮空気もしくは炭酸ガスを前記カップ状体内に供給することを特徴とする請求項６記載の堆積物搬送方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は堆積物搬送機構および堆積物搬送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
浚渫機構として特許第３２７７４８９号に示される機構がある。
この浚渫機構は、
排出管を、貯水場所の水位よりも低い位置に設けた堰堤孔部を貫通させて配置すると共に、該排出管を、貯水場所に浮かべられた台船により、貯水場所の水位よりも低い位置に位置するように吊持し、
前記台船に設けられた昇降装置によって、排出管を、吸い込み口が貯水場所の水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動させて、脈動する吸込流である脈動流を得ると共に、堆積物が高い濃度で混合された流れと低い濃度で混合された流れとを交互に発生させるプラグ流を得るようにしたものである。
この浚渫機構によれば、堆積物を排出管の管壁に実質的に抵抗となるように接触させることなく、固液二相流として効率よく排出することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２７７４８９号公報（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の浚渫機構にも応用でき、さらに効率よく堆積物を搬送できる堆積物搬送機構および堆積物搬送方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る堆積物搬送機構は、貯水場所における堆積物が堆積した水底面に対向して開口された吸込口部、該吸込口部から鉛直方向へ延びる鉛直管部、および該鉛直管部上部から横方向にほぼ水平に延び、貯水場所よりも低位にある放出部に向けて開口された水平管部を有し、該水平管部が前記貯水場所の水位よりも低い位置に設けられた孔部を液密に貫通するように配置されると共に、貯水場所内の水中に動水勾配線よりも下方となる位置に支持され、さらに、堆積物の搬送時、昇降装置により、前記吸込口部が貯水場所の水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動される搬送管と、前記搬送管の吸込口部に設けられ、該吸込口部が上下方向に移動可能に進入する、下方に開放された形状をなすカップ状体と、該カップ状体内に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記カップ状体内に圧縮気体を供給する圧縮気体供給部とを具備することを特徴としている。
そして、前記カップ状体と共に前記吸込口部側が下降され、吸込口部が水底面に食い込んで該吸込口部が急閉塞されることによって、前記搬送管内の流体の慣性力により吸込口部側の圧力が低下して膨張波が発生し、搬送管内の低濃度部に吸込口部側より順次、固体表面の低圧部で発生した水蒸気で水柱分離が発生し、次いで前記カップ状体に対して吸込口部が上昇され、吸込口に進入した高濃度部がプラグとして吸引されると共に、前記圧縮気体供給部から少量の圧縮気体が前記カップ状体内に供給され、前記水蒸気供給部から圧縮気体よりも大量の水蒸気が前記カップ状体内に供給されることによって、水底の高濃度の堆積物、カップ状体内の水、圧縮気体および水蒸気が吸込口部内に流入して、高濃度の堆積物からなるプラグおよび圧縮気体と水蒸気よりなるガスプラグが形成されて前記鉛直管部を上昇し、次いで前記カップ状体が上昇され、前記圧縮気体および水蒸気の供給が停止されることによって、ガスプラグ部の水蒸気が凝縮し、ガスプラグの体積が減少し、前記吸込口部が急開され、これにより吸込口部内に清水が流入され、吸込口部側の圧力が上昇して圧力波が発生し水柱分離部を凝縮させるサイクルが繰り返されることによって、前記搬送管内に、固・液・気よりなる連成振動子状流れを作り出して堆積物を前記放出部に搬出することを特徴としている。
高粘着力のある流体（ビンガム流体）の場合、管壁や固体表面に厚い流体膜が付着し、流れにくくなるが、本発明では、上記構成により、この流体膜の粘着力発生構造を、水柱分離部のキャビテーションによる激しい振動による剪断力で低下させ（チキソトロピー効果）、さらに流体膜中に生じた微小ガス流（マイクロバルーン）が分散したエマルション流れ（エマルション状の流れ）のキャビテーションによる局所的高圧力により、固体と固体を接触させることなく、固体間に流体を介在させ、常に流体膜を流体潤滑状態の動摩擦係数状態に保ち、高密度、高粘着力体積物であっても高効率で搬送することを可能とする。
【０００６】
また、本発明では、前記圧縮気体供給部が、圧縮空気もしくは炭酸ガスを供給することを特徴とする。
前記貯水場所に浮かべられる台船を有し、該台船に、前記搬送管を支持する吊持装置と、該搬送管を、前記吸込口部が水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動させる昇降装置と、前記水蒸気供給部と、前記圧縮気体供給部が配置されていることを特徴とする。
また、前記搬送管内と連通して設けられ、搬送管内のウォーターハンマーによる激しい圧力の増減を吸収する圧力吸収部を設けると好適である。
【０００７】
また本発明に係る堆積物搬送方法では、貯水場所における堆積物が堆積した水底面に対向して開口された吸込口部、該吸込口部から鉛直方向へ延びる鉛直管部、および該鉛直管部上部から横方向にほぼ水平に延び、貯水場所よりも低位にある放出部に向けて開口された水平管部を有し、該水平管部が前記貯水場所の水位よりも低い位置に設けられた孔部を液密に貫通するように配置されると共に、貯水場所内の水中に動水勾配線よりも下方となる位置に支持され、さらに、堆積物の搬送時、昇降装置により、前記吸込口部が貯水場所の水底面に対して所要のサイクルで接離するように上下動される搬送管と、前記搬送管の吸込口部に設けられ、該吸込口部が上下方向に移動可能に進入する、下方に開放された形状をなすカップ状体と、該カップ状体内に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記カップ状体内に圧縮気体を供給する圧縮気体供給部とを具備する堆積物搬送機構を用い、前記カップ状体と共に前記吸込口部側を下降させ、吸込口部を水底面に食い込ませて該吸込口部を急閉塞することによって、前記搬送管内の流体の慣性力により吸込口部側の圧力を低下させて膨張波を発生させ、搬送管内の低濃度部に吸込口部側より順次水柱分離を発生させ、次いで前記カップ状体に対して吸込口部を上昇させ、吸込口に進入した高濃度部をプラグとして吸引させると共に、前記圧縮気体供給部から少量の圧縮気体を前記カップ状体内に供給し、前記水蒸気供給部から圧縮気体よりも大量の水蒸気を前記カップ状体内に供給することによって、水底の高濃度の堆積物、カップ状体内の水、圧縮気体および水蒸気を吸込口部内に流入させて、高濃度の堆積物からなるプラグおよびガスプラグを形成して前記鉛直管部を上昇させ、次いで前記カップ状体を上昇させ、前記圧縮気体および水蒸気の供給を停止することによって、ガスプラグ部の水蒸気を凝縮させ、ガスプラグの体積を減少させ、前記吸込口部を急開し、これにより吸込口部内に清水を流入させ、吸込口部側の圧力を上昇させて圧力波を発生させ水柱分離部を凝縮させるサイクルを繰り返すことによって、前記搬送管内に、固・液・気よりなる連成振動子状流れを作り出して堆積物を前記放出部に搬出することを特徴としている。
また、前記圧縮気体供給部から、圧縮空気もしくは炭酸ガスを前記カップ状体内に供給することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、堆積物搬送機構の一例としての浚渫機構を示す断面図である。
この浚渫機構は巨大なダム湖に適用した例を示す。
１０は長い搬送管たる排出管であり、土砂等の堆積物２２が堆積したダム湖等の貯水場所２０の水底（湖底２９）に対向して開口された吸込口部１２と、その吸込口部１２から鉛直上方に延びる鉛直管部１３と、鉛直管部１３上部から横方向にほぼ水平に延び、貯水場所２０よりも低位にあるバイパストンネル等の放出部（放出水路）３０に開口する吐出口１８を有する水平管部１４とを具備する。
【０００９】
図２は、長野県にある美和ダムにおけるバイパストンネルの機構を示す。
ダム堤３１の上流側に、分派堤３３と貯砂ダム３４とを設けてある。貯砂ダム３４と分派堤３３では、粗い土砂を堰き止め、下流のダム湖に流入する固体量を低下させ、かつ沈積した固体を洪水後に取り出すことを容易にする。これら粗い土砂は、これまでのように機械的に運び出され、コンクリートの材料などに有効利用される。
洪水時には、分派堤３３近くに設けたバイパス水路（図示せず）のゲート（図示せず）をあけ、細かい土砂（直径がおよそ０．１ｍｍ程度）を洪水と共にバイパス水路を経てバイパストンネル３０に流し、細かい土砂がダム湖に堆積しないようにする。したがって、ダム湖には主としてウォッシュロードと称する極めて粒径の小さな堆積物が堆積することになる。
【００１０】
本実施の形態では、バイパストンネル３０に通じる補助トンネル（補助水路）３２を利用して、浚渫した堆積物を排出する。
前記排出管１０の排出端側は、この補助トンネル３２内に堰堤孔部２４を通じて導かれる。
【００１１】
堰堤孔部２４は、貯水場所２０の水位２１よりも低い位置を排出管１０が通るように、貯水場所２０の堰堤２５に開口して設けられている。
排出管１０の鉛直管部１３の上部でほぼ直角に曲げられてほぼ水平方向に延びる水平管部（堰堤孔部２４側が若干低くなるように設定される）１４は、堆積物の排出時、水中であって、動水勾配線よりも下方となる位置を通るように配置される。
これにより、水頭差エネルギーによって、排出管１０内を水流が満たされた状態で流下することとなる（清水の場合）。
清水とは、ρ（平均密度）≦１．０４４の場合のニュートン流体とみなされるものをいう（長野県の美和ダム湖底粘土浚渫の場合）。
なお、１．５＞ρ＞１．０４４の場合を高濃度流体といい、ビンガム流体的特性を示す。粘性の高いものを特にビンガム流体という。また、固相率３０％以上の場合には、ρ≧１．５となり、粘土の場合を塑性流体といい、固体相の集中している部分（プラグ）が間欠的に存在している場合をプラグ流という。プラグ流の場合、プラグの表面にカプセルのような粘土の膜（流体膜）ができる場合があり、これをカプセル流体という。
【００１２】
堰堤孔部２４では、水密構造にする必要があるが、この構造を図３により説明する。
４２はローラ状の受部材であり、堰堤孔部２４内に複数個配設され、排出管１０を軸線方向に滑らかに移動可能に受けている。
５０はシール部材であり、例えばゴム材でエアバック状に形成されていて、内部に空気が注入されている。このシール部材５０は、堰堤孔部２４と排出管１０との間（排出管１０の上下）に配設され、堰堤孔部２４と排出管１０との間を液密にシールする。
【００１３】
シール部材５０内の空気を抜くことで、排出管１０への締め付けが解除され、排出管１０は軸方向に移動可能となる。
上記受部材４２は、堰堤の躯体４４上に、シール部材５０を挟む両側に配設されている。
５２は水門板である。水門板５２は、堰堤部２５（図１）に上下方向に設けた溝部５３（図１）内に移動可能に配設され、動力によって上下駆動され、水門（堰堤孔部２４）を開閉できるようになっている。
水門板５２を下降させ、シール部材５０を介して排出管１０を挟むことで堰堤孔部２４を液密にシールする。
【００１４】
次に、３６は台船であり（図１）、クレーン３７が配設され、クレーン３７によって、排出管１０を鉛直管部１３が鉛直となるように、また水平管部１４が動水勾配よりも下方となるように吊り下げている。鉛直管部１３と水平管部１４との間の曲折部も水中に位置する。クレーン３７によって、自在に排出管１０の吊り下げ位置を変更することができる。
また、図４に示すように、台船３６上には、鉛直管部１３、したがって吸込口部１２を上下動させる昇降装置３８を備える。昇降装置は、鉛直管部１３に連結したチエーン６２を上下動させるように、例えばクランク装置で構成され、クレーン３７によって吊り下げられている排出管１０を、その鉛直管部１３を約２ｍ程度持ち上げて後、鉛直管部１３を自然落下させるように構成されている。
【００１５】
昇降装置はクランク装置に限られず、鉛直管部１３を上下動させ得るものならばよい。昇降装置の駆動部（図示せず）は、モータやシリンダ装置等を採用できる。
また、クレーン３７でなくとも、排出管１０を上記のように吊り下げることができるものであればよい。
また、台船３６ではなく、場合によってはダム湖内に、支持台（図示せず）を立設し、この支持台により排出管１０を支持したり、支持台上に昇降装置を設けてもよい。
この排出管１０を支持する支持台としては、水中に浮かぶフロート（図示せず）に構成してもよい。フロート内にエアーを給排して排出管１０の高さ調節ができるようにする。また、この場合に、フロートに水密の電動モータ（図示せず）を取り付け、この電動モータにより鉛直管部１３を上下動させるようにする。電動モータへの電気の供給は漏電を避けるためにフロートへのエア供給管（図示せず）の中に沿わせて設けた配線（図示せず）より行うようにする。
【００１６】
次に、図５は吸込口１２部分の一例を詳細に示す説明図である。
図５に示されるように、吸込口部１２は内筒（排出管１０）とカップ状体６０との二重筒構造となっている。
カップ状体６０は上端側が蓋６１によって閉塞されてカップ状をなし、排出管１０の下端部（以下内筒ということがある）が、この蓋６１を上下動自在に、液密、かつ気密に貫通して、カップ状体６０内に進入している。カップ状態６０の若干上方となる排出管１０の部位に連結具６２が固定されていて、この連結具６２にチエーン６３が連結され、チエーン６３が上記昇降装置に連繋されることによって、排出管１０が昇降可能となっている。
【００１７】
カップ状体６０は、液密状態で、内筒１０に対して相対的に上下動自在になっている。カップ状体６０の蓋６１と連結具６２との間がコイルスプリング６５で連結され、このコイルスプリング６５の伸縮する範囲でカップ状体６０が内筒１０に対して移動する。したがって、内筒１０が水底よりも上方に引き上げられているときは、カップ状体６０はコイルスプリング６５が延びた状態で連結具６２から吊り下げられた状態となる。
【００１８】
カップ状体６０内は、孔明き板６６によって仕切られ、この孔明き板６６を内筒１０が移動自在に貫通している。
孔明き板６６よりも下方の内筒１０上の部位にはストッパ６７が固定され、このストッパ６７と孔明き板６６との間には、ホイールを外したタイヤからなるクッション材６８が介挿されている。ストッパ６７によって、カップ状体６０は、内筒１０上に抜け止めして保持される。
【００１９】
カップ状体６０の下端側には、上に凸の断面半円状をなすグレーチング板（孔明き板）７０が固定されている。内筒１０の下端側は、このグレーチング板７０の中央に設けられた孔を貫通して上下動可能となっている。
カップ状体６０の孔明き板６６上、およびグレーチング板７０上には、適宜重量調節用の球体が収納されている。この球体はカップ状体６０内で転がり、粘土塊を砕き、スラリー化する作用もする。粘土塊中に微小ガスが含まれるときは、この微小ガスが放出され、後記するマイクロバルーンとして機能する。
カップ状体６０の外周上には、周方向に等間隔をおいて３つのチゼル７２が配設されている（図では１つのみ図示）。
チゼル７２は、内筒１０、カップ状体６０が落下したとき、水底面に突き刺さるように、下端が先鋭に形成されている。また、このチゼル７２にも、適宜引き上げ用のチエーンが連結され、台船３６上からこのチエーンを操作しうるようになっている。
【００２０】
台船３６上には、図４に示すように、水蒸気供給部（水蒸気発生装置：ボイラー）７３と、圧縮気体供給部たる圧縮空気供給部（コンプレッサー）７４が配設されている。
水蒸気供給部７３で発生した水蒸気および圧縮空気供給部７４で調整された圧縮空気は、フレキシブルな二重パイプ７５を通じて、カップ状体６０内上部に供給可能になっている。
【００２１】
二重パイプ７５は、図６に示すように、外筒７６と内筒７７とからなる。この二重パイプ７５の一端側から二重パイプ内に圧縮空気と水蒸気とが供給される。すなわち、外筒７６内には、接続口７８からパイプ７９を通じて圧縮空気が導入され、内筒７７内には接続口８０ａからパイプ８１ａを通じて水蒸気が導入される。
二重パイプ７５は、両管端を除いた中途部が、長尺で、かつフレキシブルな、ゴム等の気密な素材から形成された二重パイプをなし、貯水場所の湖底に十分到達可能な長さを有し、かつ屈曲可能になっている。
【００２２】
二重パイプ７５の他端側は、カップ状体６０の蓋６１に連結され、カップ状体６０内に圧縮空気、水蒸気が導入されるのである。
なお、外筒７６内には、断熱性に優れる圧縮空気が導入され、水蒸気は内筒７７内に導入されるので、水蒸気の冷却による凝結は極力防止される。
また、圧縮気体供給部７４からは、二重パイプ７５を通じて炭酸ガスをカップ状体６０内に供給するようにしてもよい。炭酸ガスは、高圧状態のときは水によく溶解し、低圧になると発泡する。これによりスラリーからなる流体膜中によく分散したマイクロバルーンが作り出され、流体の摩擦抵抗を低減させる。
【００２３】
次に浚渫作業について説明する。
浚渫開始前は、吸込口部１２が水底より約２ｍほどの高さとなるように引き上げておく。排出管１０は、動水勾配よりも下方となるように配設されているから、水（清水）は、水頭差５．０ｍ以上ならばＬ／Ｄ＝１０００でも排出管１０内を満杯になって流下し、秒速３．６ｍ以上の十分な流速、したがって、十分な慣性力を有するものとなる。
本実施の形態で、基本的には、排出管１０を上記のように動水勾配よりも下方となるように配設したことにより、水頭差により浚渫が可能となる。そして、以下に述べる操作を加えることにより、およびこの操作により生じる現象によって、粘土質の堆積物や、短径が管断面の７０％程度の石等の重量の大きなものであっても搬送、排出をより効果的に行えるものである。実際、普通の状態では沈降してしまって流れない、鉄（ρ＝７．４）でできたボルトなども搬送、搬出されたことが確認された。
【００２４】
上記のように、排出管１０内に十分な流速の水流が得られてから浚渫を開始する。
すなわち、まず、昇降装置３８を緩めることによって、吸込口部１２をカップ状体６０と共に自然落下させる。水底までの距離が２ｍの場合には、約３秒で吸込口部１２が水底に到達し、ウォッシュロードなどの非常に粒径の細かい、圧密された硬い粘土状の堆積物の場合には、吸込口部１２が０．１秒ほどで約３０ｃｍ程度水底の粘土層に食い込む。
【００２５】
これにより、吸込口部１２が急閉塞されることとなり、一方、排出管１０内の水は慣性力によってなおも流れようとするから、高濃度部分との境界部に低圧部分が生じ、膨張波となって下流側に伝播する。この粗密波の伝播速度は、パイプラインを弾性係数がＥ＝４ＧＰａの硬質ゴム製とすると、約２００ｍ／ｓｅｃとなる。また、低圧部分が生じることから、水中に溶解していた気体が分離し、ときには、圧力が降下してその水温の飽和蒸気圧になって水が蒸発する、水蒸気よりなる空泡、すなわち水柱分離が起こる。この場合キャビテーション（空泡の潰れ）も一部に起こる。すなわち空泡（キャビティ）の発生と潰れが同時に起こる。
水柱分離状態の下流部のところでは、水蒸気の発生とつぶれが同時に激しく起こっている。この水柱分離は、排出管１０内の高濃度部分の直下の下流で順次連続して起こるのであり、この水柱分離の下流への伝播速度はほぼ２０ｍ／ｓｅｃとなる。この水柱分離の伝播は、高圧部、低圧部が交互に発生して伝播することから、あたかもロープの端を持ってロープ端を上下に振ることによりロープにロープの横波が伝わるように、水平管部１４に、ロープと同様に、管の軸線方向と交差する方向への波打ち現象を発生させる。この波打ち現象による外部エネルギーは、排出管１０（パイプライン）内を、流体を下流に運ぶエネルギーの一つとなる。また、このように水平管部１４が大きく波打つことによって、管底に重力沈降しようとする固体を浮上させ、これにより固体を遠方まで搬送する効果も生じる。
【００２６】
この状態で、内筒（カップ状体６０内の鉛直管部１３の部位）１０をカップ状体６０に対して引き上げつつカップ状体６０内に圧縮空気または炭酸ガスを送り込み、次いで水蒸気を送り込む。これにより、また下流側が負圧になっていることと相俟って、吸込口部１２内に食い込んでいた、粘土が高い濃度で混合された部分（高濃度部分、すなわちプラグ）が内筒１０内を急上昇する。同時に、カップ状体６０内のスラリー（場合によっては清水）が内筒１０内に入ると共に、内筒１０内に圧縮空気、次いで水蒸気が入る。これにより、ガスプラグが形成され、密度差によるエアーリフト状態が作り出されるので、粘性の高い粘土プラグであっても、鉛直管部１３内を簡単に上昇するのである。
鉛直管部１３を過ぎて水平管部１４に流入すると、水蒸気が凝縮し、周辺の密度が大きくなるため、エアーや炭酸ガスは圧縮され、小粒となってスラリー中に分散する。このようにエアー等が小粒となって分散することによって、エアーロック状態の発生も防止できる。なお、エアーロック状態とは、水平管部１４に上に凸の屈曲部が生じた場合、この凸部にエアーが溜まると、流動圧がエアーの膨張、収縮作用に吸収され、流れなくなる状態をいう。
上記エアーや炭酸ガスの小粒が、次に膨張波が発生すると、水の表面張力を破壊する源となり、簡単に水柱分離状態を作り出すのである。
【００２７】
次いでカップ状体６０が引き上げられる（内筒１０が所要高さまで引き上げられるとストッパ６７によってカップ状体６０も引き上げられる）。カップ状体６０内が水蒸気と圧縮空気で満たされる状態となっているので、浮力が働き、カップ状体６０は容易に引き上げられ、初期の状態に戻る。
カップ状体６０を引き上げた直後に水蒸気と圧縮空気の吹き込みを中断すると、水蒸気が凝縮して０．５気圧以下の低圧に急激になることから、１．５気圧以上の吸込口周囲の高圧の清水が急激に流れ込む。すなわち、弁の急開状態となって、これにより、排出管１０内に圧力波が発生する。これが排出管１０内を伝播する。
【００２８】
圧力波が発生することによって、ガスプラグは急激に圧縮されることとなり、また、ガスプラグ中の水蒸気が凝結して水に取り込まれることも相俟って、流体間に衝突が起こり、ガスプラグはさらに圧縮され、急激に圧力が高くなる。このときには、体積の弾性変化を伴う水撃現象が生じると同時に、プラグとガスプラグおよび液体との間で、相対速度差が秒速１００ｍにもなる物体間の非弾性衝突状態が現出され、排出管１０中に、固・液・気の三相よりなる、加速度の急変化を有する連成振動子状の流れが生じ、プラグの輸送が効率的になされる。
特に、慣性流体中の物体に密度差があり、衝突と表現されるような加速度の急変（急発進、急停止）は物体間に圧力差を発生させ、鉄塊のようなものの輸送まで可能にするのである。
なお、水撃現象とはウォーターハンマー現象のことを言い、水であっても圧縮され、体積が小となることを無視できないような衝突現象を言う。
【００２９】
上記の吸込口部１２の落下、上昇サイクルが繰り返されることによって、排出管１０内を流れる流体は、粘土が高い濃度で混合しているプラグ部（高濃度部）と、低い濃度で混合している部分（上記清水部分およびガスプラグ部分。水蒸気ガスプラグ部分は下流側にいくと外部の水により冷やされて消失し、上流部を真空吸引する。）とが交互に発生するプラグ流となる。
【００３０】
また、上記のように、高濃度部と高濃度部との間の低濃度部に膨張波（真空波：膨張する波）と圧力波（粗密波）が交互に生じる状況となって、流体は排出管１０内で激しく振動する振動流状態で流れ、高い濃度の粘土が、排出管１０の管壁にほとんど接触することなく、すなわち、管路抵抗が低い状態で流れるので、排出管１０が長くても良好に粘土（土砂）の運搬がなされる。Ｌ（長さ）／Ｄ（直径）が、１０００〜１５００くらいの長い管路であっても、平均流速１．３ｍ／ｓｅｃで十分良好に高濃度の土砂の排出ができることが確認されたことからもわかる。因みに、水頭差が５．０ｍで、Ｃv＝７ｖｏｌ％、ρ＝１．１の粘土スラリーをＬ／Ｄ＝１００で流したとき、スラリーの管内壁付着とスラリー自身の粘性により管閉塞が起こり、流速が０となった。
なお、流体が排出管１０内で激しく振動しつつ流れる状況は、排出管１０の一部を透明にして観察した結果、各所の水柱分離長さが５０ｃｍにも達し、その負圧により数秒間の逆流現象が生じ、次に上流部からの圧力回復により水柱分離が消失し、長さが０ｃｍになるとき、秒速１００ｍにも及ぶ急加速された流体が下流部に衝突する。このように管内を激しく振動しながら流下することが確認された。
図９に管路損失と真体積濃度（固相率）との相関図を示す。λはシステム全体の抵抗係数を示す。なお、計算式上、流動に関する係数が数十個になり、解が発散するため、実用上問題のないλにまとめた。図９は、排出管に、直径１５ｃｍ、長さ１５０ｍのものを用いて、水頭差５．０ｍ、動水勾配ｉ＝０．０３３で、種々の固相率の流体の搬送（浚渫）を行った結果を示すものである。
流体がニュートン流体の場合には、流速３．６ｍ／ｓｅｃで支障なく流れる。
ビンガム流体の場合には、本実施の形態のような操作（鉛直管部１３の昇降操作等）を行わない（図で脈動無し条件としている）と、まもなく管閉塞が生じ、流れなくなる。
本実施の形態の上記操作を行うことによって、抵抗係数はそれ程増大せず、ビンガム流体はもとより、固相率が３０％程度の塑性流体であっても、排出、搬送することができた。
【００３１】
上記のように、排出管１０内に間隔をおいて発生しているプラグ部間の低濃度部に、膨張波（液状あるいは気体状）、圧力波（液状）が交互に発生して、固・液・気（水柱分離を含む）の三相状態で流れることは、あたかも、長い下り坂を重力で降下中の、連結器（低濃度部）で連結された多数車輌の貨車（高濃度部）が機関車により坂の途中で急発進、急停車されるときの状況と似ており、多数の連結器の延び、縮みの働きによって、少ないエネルギーで、発進あるいは停車できるのと同様に、少ないエネルギー、すなわち坂の勾配による重力の水平分力と小さな慣性力のシナジー効果（相乗効果）で、高濃度、高粘性流体が排出管１０内を、沈降、堆積することなく平均１．３ｍ／ｓｅｃの低速で排出口へ流れるのである。
管の摩耗量は、流速の２乗に比例する実測値から判断しても、システム全体の耐久性が数倍向上していることは明らかである。
【００３２】
また、上記のように、水蒸気は凝結して水中に取り込まれる。一方吹き込まれた圧縮空気は、一部は水中に溶解するが、大部分は排出管１０の管壁と固体との間の流体膜中に小粒子（マイクロバルーン）となって分散し、流体と共に排出される。このように空気が排出管１０の管壁に付着する流体膜中に分散することによって、ますます流体の管路抵抗を減じ、流体が良好に排出される一因となる。圧縮気体として炭酸ガスを用いると、高圧のときは水に溶解し、低圧のときは発泡するので、上記の連成振動子状態の流れをより作りやすくなる。
このようにして、固相率が３０％程度の高濃度ウォッシュロードが圧密された硬くて、かつ非常に粘性の高い堆積物であっても良好に排出できる。
【００３３】
なお、圧縮気体供給部７４、水蒸気供給部７３から、圧縮気体および水蒸気を供給あるいは遮断するのは図示しない電磁バルブによって行い、この電磁バルブの開閉のタイミングは、上記吸込口部１２の昇降のタイミング、すなわち、クランク機構等によって構成される前記昇降装置３８の駆動のタイミングに合わせて行われるよう制御される。
【００３４】
また図示しないが、排出管１０の内面にスパイラル状の突起を設け、リブレットを形成することによって（溝部と突起が交互に螺旋状に連続する）、ライフル銃の玉が回転しながら発射されてより抵抗が少なくなるのと同様にして、パイプライン内のプラグおよび流体が回転することによってプラグの抵抗がさらに減少し、堆積物がよりスムーズに排出される。また、膨張波発生によって、管断面が増減するが、この管断面増減が上記の回転を一層高める（スピン効果）ことになる（管断面減少により、プラグの回転速度が増し、流体膜間の剪断速度差が大きくなる）。
【００３５】
ところで、上記のように、流体中にキャビテーションや水撃現象が生じ、排出管１０に作用する破壊力が大きくなる。これによる排出管１０の損傷を防止し、システムの耐久性を高めるための機構の一例を図７および図８により説明する。
まず、基本的には、排出管１０に作用する破壊力を排出管１０自らによって吸収できるように、排出管１０には、有機物質で弾性係数Ｅが、Ｅ＝４ＧＰａ程度のゴム等の弾力性の大きい材料のものを用いるとよい。
なお、管径が１００ｃｍ以上となる大径の排出管１０を使用する場合には、鉄板で補強した断面台形状のゴム板を鉄板側を外側にしてスパイラル状に巻いて接合したフレキシブルなパイプ構造に形成したものを用いるとよい（図１０参照）。
【００３６】
図７で、８０はフロートであり、排出管１０の鉛直管部１３と水平管部１４との間の屈曲部に位置して配置され、排出管１０に浮力を付与している。フロート８０は、パイプ８１により、台船３６上の前記圧縮空気供給部７４に接続され、圧縮空気の給排がなされる。
８２は圧力吸収部であり、排出管１０内と連通し、排出管１０内の増圧、減圧を吸収し、排出管１０に加わる上記破壊力を軽減するようになっている。圧力吸収部８２は、排出管１０の水平管部１４の適宜箇所に設けられるものであり、図示の例では３基連結されている。
【００３７】
図８は圧力吸収部８２の具体例を示す。
この例では、圧力吸収部８２は車のタイヤに類似した構造を用いている。
８４はアルミニウム、鉄等の金属からなる保持リングであり、この保持リング８４内を排出管１０が挿通している。この保持リング８４は適宜手段により排出管１０外周上に固定されている。また保持リング８４は、孔８５を通じて、排出管１０内と液密、気密に連通している。
【００３８】
８６は外チューブであり、車のタイヤと同じように、保持リング８４外周に嵌め込まれて、保持リング８４と共に、密閉したチューブ空間を構成する。８７は内チューブであり、外チューブ８６内に配設されている。
外チューブ８６内には、保持リング８６に設けたバルブ８８、連結ホース８９を通じて圧縮空気および水蒸気が供給される。３基の圧力吸収部８２の外チューブ８６間は連結ホース８９によって連通され、最端部の圧力吸収部８２の外チューブ８６内には、図６に示すのと同じ構造の二重パイプ７５を通じて圧縮空気および水蒸気が供給される。二重パイプ７５は、台船９０（図７）上に設けられた圧縮空気供給部７４および水蒸気供給部７３に接続パイプを介して接続される。
【００３９】
内チューブ８７には、保持リング８４に設けたバルブ９１、内チューブ８７に設けたバルブ９２、これらを連結するホース、さらにはホース９３を介して圧縮空気が供給される。ホース９３は、台船９０上に設けた圧縮空気供給部９５に接続される。また３基の圧力吸収部８２の内チューブ８７間は、連結ホース９６によって連通されている。
【００４０】
圧力吸収部８２は上記のように構成されている。
内チューブ８７内の圧力は、外チューブ８６内空間の圧力と平衡状態となり、外チューブ８７を潰れないように保持する役目をするが、場合によっては内チューブ８７は設けなくともよい。
排出管１０内に膨張波が発生し、圧力が低下した場合には、外チューブ８６内から孔８５を通じて圧縮空気および水蒸気が排出管１０内に流入し、これにより排出管１０の急な変形が防止される。また、排出管１０内を比較的大きな石９７等が流れる場合には、排出管１０内に供給される水蒸気が潰れて圧力低下することにより、石９７の流れ方向側に低圧の水柱分離部９８が形成されやすくなり、前記固・液・気の三相よりなる連成振動子状の流れが生じるのを助長し、プラグや石等の輸送がさらに効率的になされる。
【００４１】
排出管１０内に圧力波が発生し、圧力が上昇した場合には、外チューブ８６内に水が流入し、排出管１０内の圧力の突発的な上昇を吸収することから排出管１０の急激な変形を防止できる。
このように、圧力吸収部８２を設けることにより、流体中にキャビテーションや水撃現象が生じても、圧力吸収部８２により圧力変化を吸収でき、固体輸送に必要な脈動状態を保つことができ、かつ排出管１０の損傷を極力防止できる。
【００４２】
上記圧力吸収部８２は、フロートの役目もするので、水平管部１４の適所に適宜間隔をおいて配設することで、水平管部１４を動水勾配以下の所に容易に配置できるようになる。
なお、圧力吸収部８２は上記構成には限定されない。例えば、単にフロート状に形成し、排出管１０内と孔もしくは適宜パイプを介して連通して、排出管１０内の圧力変化を吸収するようにしてもよい。
【００４３】
ダム湖等における浚渫の場合、大洪水時には、ダム湖内にも３ｍ／ｓｅｃ以上の急激な水流が発生し、排出管１０にも極めて大きな力が作用し、排出管１０が大きなダメージを受けるおそれがある。
このような大洪水の場合には、排出管１０全体を湖底に沈めるようにするとよい。
そのためには、台船３６からの吊りのワイヤーなどを緩め、また二重パイプ７５やパイプ８１、９３などを緩め、さらには、フロート８０や圧力吸収部８２内の気体を排出して、排出管１０を湖底に沈めるようにする。湖底は水流の流速が小さくなるため、排出管１０へのダメージを小さくすることができる。
【００４４】
上記実施の形態では、ダム湖に堆積した堆積物の浚渫を例に説明したが、これに限られるものではない。池や湖沼等の貯水場所や海における浚渫にも吸入側と排出側に水位差（圧力差）を付けることにより当然利用できる。
あるいは、タンカー内の積み荷である例えば石炭や鉄鉱石をタンカー内から排出する場合にも、タンカー内に水を注入した後、上記実施の形態と同様の構造でもって水流と共に石炭や鉄鉱石を外部に排出するなど、貯水場所内に堆積した堆積物を外部に搬送する、堆積物の搬送機構にも応用しうるものである。
また、ρ＝７．４の鉄塊を浚渫した事実より、パイプライン内の急な圧力差による急な加速度の変化を与える上記の機構は、深海の有用物質の採取やメタンハイドレードの採取機構としても応用しうる。
また、固、液、気の連成振動子状流れが生じることから、原油の長距離輸送にも好適である。
特に、パイプラインの吸込口での弁の急閉、急開によるパイプライン内の急な圧力の変化は心臓の脈動にも通じ、吸込口での膨張波の発生機構は、人工心臓の血液中の赤血球や血小板の輸送に応用でき、その際、赤血球の変形能や血小板の凝集能の活性化（刺激）にも寄与する。
【００４５】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、上述したように、搬送管内に間隔をおいて発生しているプラグ部間の低濃度部に、膨張波（液状あるいは気体状に発生する低圧部：真空波）、圧力波（液状）が交互に発生して、固・液・気（水柱分離を含む）の三相よりなる連成振動子状の流れが生じ、あたかも、連結器（低濃度部）で連結された貨車（高濃度部）が機関車により急発進、急停車されるときの状況と似ており、バネでできた連結器の延び、縮みの働きによって、少ないエネルギーで、発進あるいは停車できるのと同様に、少ないエネルギー、すなわち小さな慣性力であっても、重力（水頭差；圧力差）との相乗効果で、高濃度、高粘土の流体が搬送管内を長距離流れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダム湖での浚渫機構の例を示す説明図、
【図２】美和ダムの構造を示す説明図、
【図３】搬送管（排出管）の堰堤孔部での固定機構を示す説明図、
【図４】台船の説明図、
【図５】吸込口部分におけるカップ状体の構造を示す説明図、
【図６】二重パイプの構造を示す説明図、
【図７】圧力吸収部の説明図、
【図８】圧力吸収部のさらに詳細を示す説明図である。
【図９】管路損失と固相率との相関図である。
【図１０】排出管の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  排出管
１２  吸込口部
１３  鉛直管部
１４  水平管部
１８  吐出口
２０  貯水場所
２２  堆積物
２４  堰堤孔部
３０  放出部
３６  台船
３７  クレーン
３８  昇降装置
６０  カップ状体
７２  チゼル
７３  水蒸気供給部
７４  圧縮空気供給部
７５  二重パイプ
８２  圧力吸収部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003694503.tif 000008
【図８】
0003694503.tif 000009
【図９】
0003694503.tif 000010
【図１０】
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