(57)【要約】【課題】  安価で、軽量で、かつ所定強度を有し、メンテナンスを不要とするゲートおよび該ゲートを備える水門を提供する。【解決手段】  本発明のゲートは、港口および河口に設けられる水門に用いられ、海水の流入方向に対向して突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
港口および河口に設けられる水門に用いられるゲートであって、海水の流入方向に対向して突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備える、ゲート。
【請求項２】
前記扉体は、一定曲率を有する表面および裏面を備える複数のセグメントを連結して前記アーチ状に形成される、請求項１に記載のゲート。
【請求項３】
前記扉体は、平板からなる複数の鉄筋コンクリート構造物を、前記アーチ状に連結して形成される、請求項１に記載のゲート。
【請求項４】
前記水門の門柱に設けられる戸溝内で回動し、前記扉体の昇降を容易にする回動手段と、前記戸溝に密接する水密部材とを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のゲート。
【請求項５】
港口および河口に設けられる水門であって、
海水の流入方向に対向して突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備えるゲートと、
前記ゲートを昇降させ、前記港口および河口を開閉する開閉装置とを含む、水門。
【請求項６】
前記扉体は、一定曲率を有する表面および裏面を備える複数のセグメントを連結して前記アーチ状に形成される、請求項５に記載の水門。
【請求項７】
前記扉体は、平板からなる複数の鉄筋コンクリート構造物を、前記アーチ状に連結して形成される、請求項５に記載の水門。
【請求項８】
前記水門の門柱に設けられる戸溝内で回動し、前記扉体の昇降を容易にする回動手段と、前記戸溝に密接する水密部材とを備える、請求項５〜７のいずれか１項に記載の水門。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、津波による港への大量の海水の流入および河川への海水の逆流を防止するためのゲートおよび水門に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球表面は、大小数十個のプレートがモザイク状に敷き詰められた構造をしており、そのプレートの移動により、歪みを生じ、プレートがはね上がるなどして地震が発生する。このプレートのはね上がりによって高波が発生し、その波が四方に伝わり、それが沿岸に押し寄せることにより津波が発生する。この津波は、住宅やビルを浸水させ、また、損壊させるなどの災害をもたらす。津波は、地震に限らず、台風や低気圧などによっても発生し、海水面が異常に上昇して高潮である風津波となり、同様の災害をもたらす。
【０００３】
津波による害を防ぐために、防波堤や防潮堤が設けられ、港への大量の海水の流入や、河川への海水の逆流を防止するため、港口および河口には水門が設けられている。水門には、直接水圧を受ける扉であるゲートの種類によって、通常の河川の上流から下流への流れの水圧により自動開閉するフラップゲート方式、ゲートとそのゲートを移動可能にするレールの役割を果たす戸当りとを備え、ゲートをスライドさせて開閉するスライドゲート方式、ゲートにローラーが設けられ、ワイヤで釣り上げ、下降させるローラーゲート方式の水門がある。
【０００４】
スライドゲート方式の水門としては、例えば、鋼製の扉体を有し、外海からの津波や高潮の外力（水圧、波圧）に対して抵抗するアーチ型防潮水門が提案されている（特許文献１参照）。このアーチ型防潮水門は、水路の両側から２つのアーチ扉体をスライドさせ、水路中央でこの２つのアーチ扉体を連結し、水路を閉鎖するものである。２つの連結したアーチ扉体は、外海側に突出するように湾曲した形状であるため、全体にほぼ均一にかかる荷重に対して強いという利点を有している。アーチは、圧縮の力を受け、例えば、棒部材に圧縮力をかけると、つぶれる前に曲がる座屈と呼ばれる状態を生じる。このアーチは、全体に均一にかかる荷重には座屈しにくいものの、１点に集中してかかる荷重には弱いという欠点を有する。このことから、この水門では、各アーチ扉体を支持するためのアーチ扉体支持トラスが設けられている。なお、スライドゲート方式の水門は、ゲートと戸当りとが直接接触して荷重を伝達し、開閉荷重が大きくなることから、大型水門にはあまり使用されず、規模の小さいものに採用される。
【０００５】
ローラーゲート方式の水門は、ゲートにローラーが取り付けられていることから、上下移動時の摩擦抵抗が小さく、開閉荷重が、上記スライドゲート方式の水門に比べ、小さくできるという特徴を有している。このことから、大型水門に多く採用されている。ゲートは、上下移動させるため、平板とされる。このローラーゲート方式の水門を建造する場合、ゲートは鋼製となる。これは、津波などの発生時に、ゲートを移動させなければならず、また、地震を受けることを考慮すれば、軽量で、かつ充分な強度を有する必要があり、さらには、コスト的に有利でなければならないからである。ゲートが平板である場合、長手方向の中央部分の応力が大きくなる。例えば、径間が２０ｍで、津波による水圧８ｔ／ｍ２を受けた場合の、ゲートに作用する曲げモーメントは、高さ１ｍあたり、最大で４００ｔｍ／ｍとなる。鉄筋コンクリートでこの強度を確保するためには、ゲートの厚さを約１．６ｍとし、ゲートの自重を約７００ｔにする必要がある。これに対し、鋼製のゲートでは、その自重が約１００ｔで対応可能である。鉄筋コンクリートは、鋼より安価であるにしても、上記の自重のゲートを支持するための基礎や門柱が高価となるため、結果的に、鉄筋コンクリート製のゲートを有する水門は、鋼製のゲートを有する水門より高価になる。このことから、軽量で、かつコスト的に有利な鋼製のゲートが使用されている。
【０００６】
しかしながら、鋼製のゲートは、メンテナンスが必要で、腐蝕するため、交換しなければならないといった問題があった。また、既存の水門において、ゲートのみを交換する場合、ゲート自重を考慮し、同程度の強度を確保するためには、同じ鋼製のゲートに交換しなければならなかった。
【特許文献１】特開２００３−２５３６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ローラーゲート方式の水門において、安価で、軽量で、かつ所定強度を有し、メンテナンスを不要とするゲートおよび水門を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋼製のゲートに代えて、安価な鉄筋コンクリート製のゲートにするために鋭意検討した結果、アーチ状に形成することで、津波発生時において最も荷重がかかる長手方向の中央部分における応力を低減させることができ、これにより、ゲート厚さを薄くしても所定強度を確保することができ、ゲート自重を軽減できることを見出した。上記課題は、本発明のゲートおよび水門を提供することにより達成される。
【０００９】
本発明の請求項１の発明によれば、港口または河口に設けられる水門に用いられるゲートであって、海水の流入方向に対向して突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備える、ゲートが提供される。
【００１０】
本発明の請求項２の発明によれば、前記扉体は、一定曲率を有する表面および裏面を備える複数のセグメントを連結して前記アーチ状に形成される、ゲートが提供される。
【００１１】
本発明の請求項３の発明によれば、前記扉体は、平板からなる複数の鉄筋コンクリート構造物を、前記アーチ状に連結して形成される、ゲートが提供される。
【００１２】
本発明の請求項４の発明によれば、前記水門の門柱に設けられる戸溝内で回動し、前記扉体の昇降を容易にする回動手段と、前記戸溝に密接する水密部材とを備える、ゲートが提供される。
【００１３】
本発明の請求項５の発明によれば、港口または河口に設けられる水門であって、
海水の流入方向に対向して突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備えるゲートと、
前記ゲートを昇降させ、前記港口または河口を開閉する開閉装置とを含む、水門が提供される。
【００１４】
本発明の請求項６の発明によれば、前記扉体は、一定曲率を有する表面および裏面を備える複数のセグメントを連結して前記アーチ状に形成される、水門が提供される。
【００１５】
本発明の請求項７の発明によれば、前記扉体は、平板からなる複数の鉄筋コンクリート構造物を、前記アーチ状に連結して形成される、水門が提供される。
【００１６】
本発明の請求項８の発明によれば、前記水門の門柱に設けられる戸溝内で回動し、前記扉体の昇降を容易にする回動手段と、前記戸溝に密接する水密部材とを備える、水門が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のゲートを提供することにより、同じ鉄筋コンクリート製の平板からなるゲートに比較し、所定の強度を確保しつつ、軽量化を図ることができ、安価で提供することができる。また、既存の水門において鋼製のゲートのみが損傷した場合、ゲートのみの交換が可能となる。本発明のゲートおよび水門を提供することにより、鉄筋コンクリート製であるため、メンテナンスが不要で、交換も不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を、図面を参照して説明するが、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。まず、本発明のゲートについて、図１を参照して説明する。本発明のゲート１０は、図１に示すように、所定方向に突出するようにアーチ状に形成し、長手方向の中央部分の応力を低減させた鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備えるものである。このゲートは、港口や河口に設けられる水門に用いられるものであり、矢線Ａに示す海水の流入方向に対向して突出するように設置される。なお、図１では、扉体のみが示されている。
【００１９】
津波によって与えられる水平荷重は、ほぼ等分布荷重である。ゲートは、その両端のみが門柱によって支持されるものであるため、等分布荷重であるにしても、長手方向の中央部分の応力が最も大きくなる。本発明のゲートのように、アーチ状に形成すると、最も突出する中央部分の流体から受ける抵抗が小さくなる。このため、この中央部分の応力を低減させることができる。これにより、所定の強度を確保するために必要とされるゲート厚さを、鉄筋コンクリート製の平板からなるゲートに比較して薄くすることができ、ゲート自重を小さくでき、軽量化を図ることが可能となる。
【００２０】
アーチ状に形成した場合、上述したように、全体にほぼ均一にかかる荷重については強いという利点を有するものの、１点に集中してかかる荷重については座屈し、損壊するおそれがある。津波発生時に、ゲートの１点に集中して荷重がかかるということはないが、本発明では、荷重に対して強度を持たせるべく、鉄筋コンクリートから製造する。鉄筋コンクリートは、圧縮力に強いコンクリートに、引張力に強い鉄筋１１を補強として埋め込んで一体としたもので、耐久性、耐火性、耐震性のある建造物を構築するために用いられるものである。鉄筋１１は、コンクリート内部に埋設されるため、海水に浸漬させても、腐蝕されることはない。本発明のゲートは、所定形状の型枠にコンクリートを流し込み、鉄筋１１を所定位置に埋め込み、コンクリートを硬化させることにより製造することができる。図１では、鉛直方向に向けて埋設されているのが示されているが、アーチ状に形成された扉体に対応し、水平方向に延びるようにアーチ状に湾曲した棒鋼を埋設することもできる。また、高い強度を持たせる場合、間隔を狭くしてより多くの鉄筋を網目状に配置し、コンクリート内部に埋設させることができる。
【００２１】
本発明では、図２に示すように、複数のセグメント２０から構成することもでき、複数のセグメント２０を互いに連結して、ゲートに一定曲率を与え、アーチ状に形成することもできる。複数のセグメント２０から構成する場合、セグメント間の強度が低くなるおそれがあり、また、破損しやすくなるといった欠点はあるものの、以下に説明する金具を用いて連結することで、強度を高めることができ、また、運搬が容易で、安価で製造することができる点から、複数のセグメント２０から構成することが好ましい。このセグメント２０には、一方の連結面に雄金具２１が、他方の連結面に図示しない雌金具が設けられ、セグメント２０同士を互いの連結面にて突き合わせ、雄金具２１を雌金具に挿嵌させることにより連結させることができる。なお、雄金具２１と雌金具による連結のみでは、隙間を生じ、金属から製造されるこれら金具を腐蝕させるため、この隙間は、モルタルなどによって埋めることができる。本発明では、この雄金具２１および雌金具は、これまで知られたいかなる形状および構造であってもよい。また、これら金具を使用せず、単にモルタルなどで接合したものであってもよい。
【００２２】
本発明では、図３に示すように、平板からなる複数の鉄筋コンクリート構造物３０を製造し、それらをアーチ状に連結することにより形成することもできる。この場合、その鉄筋コンクリート構造物３０間を、モルタル３２などによって接合して連結することもができるし、上述したように、雄金具３１および図示しない雌金具を設け、これらによって連結することもできる。
【００２３】
ここで、雄金具および雌金具の１つの実施例を図４に示す。図４（ａ）に雄金具を、図４（ｂ）に雌金具を示す。図４（ａ）に示す雄金具は、セグメントの連結面４０にボルトを埋め込んで、セグメントと一体成形されている。ボルトは、拡張した先端部４１と、それに連続する軸部４２とを備えている。図４（ｂ）に示す雌金具は、先端部４１が挿通可能な第１開口部５０と、第１開口部５０に連続し、軸部４２が挿通可能な第２開口部５１と、第１開口部５０および第２開口部５１に連続し、先端部４１を収容し、かつ先端部を嵌合する嵌合部５２とを備えている。セグメントの連結は、図４（ａ）に示す連結面４０と、図４（ｂ）に示す連結面５３とを突き合わせ、先端部４１を、第１開口部５０を通して挿入し、矢線Ｂに示す方向にスライドさせ、先端部４１を嵌合部５２に、軸部４２を第２開口部５１に挿入することにより行うことができる。
【００２４】
図５に示すように、本発明のゲートは、水門の門柱に設けられる戸溝内で回動し、扉体６０の昇降を容易にする回動手段６１と、戸溝に密接する水密部材６２とを備えることができる。回動手段６１としては、ローラーを挙げることができ、例えば、津波によって水圧を受ける面を、表面とすると、その裏側の裏面の両縁部に設けられる。図５に示す実施の形態では、門柱７０に戸溝７１が形成され、戸溝７１内に、扉体６０の縁部が収容される。縁部に設けられる回動手段６１も戸溝７１内に収容され、回動手段６１は、戸溝７１の１つの面である戸当り７２を回動し、ゲートの昇降を容易にする。また、水密部材６２は、表面の縁部に設けられ、回動手段６１が回動する戸溝７１の１つの面に対向する面の戸当り７３に密接し、水密性を保つ。
【００２５】
水密部材６２としては、水密ゴムや金属を用いることができ、これらをボルト止めなどすることにより配設することができる。水密ゴムとしては、クロロプレンゴムなどの合成ゴムや天然ゴムから作製されたＰ型ゴム、平型ゴムを用いることができる。金属としては、錆を生じにくい、銅合金、ステンレス鋼などを用いることができる。
【００２６】
図６を参照して、本発明の水門を説明する。水門は、図１〜図３に示すゲートと、ゲートを昇降させ、港口または河口を開閉する開閉装置とを含んで構成される。図６（ａ）は、正面図を、図６（ｂ）は、切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図を、図６（ｃ）は、切断線Ｄ−Ｄで切断した断面図をそれぞれに示す。ゲート８１は、図１〜図３に示すような、アーチ状に形成された鉄筋コンクリート構造物からなる扉体を備える。開閉装置は、例えば、ゲートに連結するワイヤロープと、ワイヤロープを巻き取るウィンチドラムから構成することができる。その他、ゲートに連結する、ねじ切りされている棒からなるスピンドルと、スピンドルを駆動するためのナットとから、また、ゲートに連結するラック棒と、それにかみ合うピニオンギアとから構成することもできる。また、油圧シリンダのみとし、ゲートを油圧シリンダに連結し、上下移動させることもできる。また、油圧シリンダとゲートとの間にワイヤロープを介在させ、ワイヤロープを介して上下移動させることもできる。さらに、油圧モータと、ウィンチドラムと、ワイヤロープとを用い、油圧モータから出力される回転力でウィンチドラムを回転させ、ワイヤロープを巻き取り、ゲートを上下移動させることもできる。
【００２７】
図６に示す水門８０は、ゲート８１、開閉装置のほか、水門８０を固定するための複数のアンカー８２を埋設させた基礎８３と、基礎８３上に構築され、ゲート８１を昇降可能に支持する門柱８４とさらに備える。門柱８４には、ゲート８１の端部を収容する図５に示すような戸溝が設けられ、戸溝の１つの面は、ゲートの縁部に設けられる水密部材と密接して閉鎖し、また、その１つの面に対向する面は、ゲートに設けられた回動手段を導いて昇降可能にさせる。また、門柱８４上には、開閉装置が設けられ、開閉装置を設置し、操作する管理室８５が設けられる。水門８０に用いるゲート８１は、１段に限らず、２段以上で構成し、１つのゲートをコンパクトにすることができる。なお、図６（ａ）に示す実施の形態では、２段に設けられている。２段以上設ける場合、海水面の高さに応じて、ゲートを降下させ、閉鎖することができる。例えば、高さ９ｍのゲートを２段設け、高潮時には１段のみで閉鎖し、津波が発生した場合には２段のゲートで高さ１８ｍの壁を形成して閉鎖することができる。
【００２８】
図６に示す水門８０には、ゲート８１と戸溝との間に、ゴミなどの浮遊物が挟まれ、ゲートの昇降を妨げ、開閉装置を故障させるため、スクリーンなどの防護柵を設けることもできる。また、必要によって、スクリーンで捕捉されたゴミなどを取り除く除塵機を設置することができる。
【００２９】
ここで、本発明のゲートに作用する曲げモーメントおよび剪断応力の分布を、図７に示す。ゲートを円弧として考え、横軸は、円弧によって形成される中心角（°）を示し、縦軸は、中心角によって定まる位置における曲げモーメント（ｔｍ／ｍ）および剪断応力（ｔｍ／ｍ）を示す。津波の水圧を８ｔ／ｍ２とし、径間を２０ｍ、ゲート高さを９ｍ、ゲートが形成するアーチを円弧とみなした場合の円の半径を１１ｍ、中心角を１３０°とした。鉄筋コンクリートからなるゲートを、コンクリート強度が３０Ｎ／ｍｍ２のコンクリートと、鉄筋としてＪＩＳ  Ｇ３１１２のＳＤ３４５−Ｄ３５を１ｍあたり４本用いて製造した。
【００３０】
図７に示すように、最大曲げモーメントが３０ｔｍ／ｍ未満となり、上述した平板の場合の最大曲げモーメント４００ｔｍ／ｍに比較して著しく減少する。また、同じ強度にした場合、平板では７００ｔのゲート重量であったものが、本発明のゲート構造にすることで、約２７０ｔに低減することができ、この場合のゲート厚さは、約０．５ｍとなった。
【００３１】
これまで、津波の水圧に基づいてゲート重量および厚さを決定してきたが、津波は地震によって生じる。そこで、ゲート重量および厚さは、地震時の慣性力からも評価しなければならない。地震により受ける力を水平方向への荷重として考慮する上で、その大きさをその自重に応じて受ける重力に対する比として表される、設計震度を使用する。上記の場合、設計震度が約０．２７である。ゲート厚さを約０．５ｍとすると、ゲートの体積が、約１１２ｍ３となり、鉄筋コンクリートの密度が約２．２ｔ／ｍ３であることから、ゲート重量は約２５０ｔとなる。
【００３２】
地震時の慣性力を評価する場合、水平荷重とモーメントを評価する。水平荷重は、ゲート自重と設計震度との掛算により得られる。今、ゲート自重が約２５０ｔであり、設計震度が約０．２７であることから、水平荷重は、約６７．５ｔと得られた。また、モーメントは、約１４９０ｔｍと得られた。津波の水圧を基に、水平荷重およびモーメントを求めると、約１４４０ｔ、約６４８０ｔｍと得られた。地震時の慣性力において算出される水平荷重およびモーメントは、津波の水圧に基づいて算出されるそれらの値に比較して小さくなるため、この結果から、津波の水圧に基づいて基礎構造を決定することができることを見出した。
【００３３】
以上に説明してきたように、ゲート構造を平板構造からアーチ構造にすることで、ゲート自重を大幅に減少させることができ、鋼製のゲートに近い自重にすることが可能となった。このことから、同じ基礎および門柱を使用することが可能になり、鋼製のゲートのメンテナンス時に、安価で、今後のメンテナンスが不要となる本発明のゲートに交換することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のゲートの第１実施形態を示した図。
【図２】本発明のゲートの第２実施形態を示した図。
【図３】本発明のゲートの第３実施形態を示した図。
【図４】連結に使用する雄金具および雌金具を例示した図。
【図５】回動手段および水密部材を例示した図。
【図６】本発明の水門を例示した図。
【図７】本発明のゲートに作用する剪断応力および曲げモーメントの変化を示した図。
【符号の説明】
【００３５】
１０…ゲート
１１…鉄筋
２０…セグメント
２１…雄金具
３０…コンクリート構造物
３１…雄金具
３２…モルタル
４０…連結面
４１…先端部
４２…軸部
５０…第１開口部
５１…第２開口部
５２…嵌合部
５３…連結面
６０…扉体
６１…回動手段
６２…水密部材
７０…門柱
７１…戸溝
７２、７３…戸当り
８０…水門
８１…ゲート
８２…アンカー
８３…基礎
８４…門柱
８５…管理室
【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】
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