(57)【要約】【課題】従来の膜式水門と比べて優れた膜式水門を提供する。【解決手段】流水や船舶の水路を横切る方向に設けられた一対の支持柱と、前記一対の支持柱に固定され前記一対の支持柱により支えられて展張される膜構造体と、前記一対の支持柱の上部に両端がそれぞれ固定される頂部圧縮梁、及び、前記一対の支持柱の下部に両端がそれぞれ固定される底部圧縮梁のいずれか一方又は両方を備え、平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の撓みδ０が０であるように前記膜構造体が展張されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流水や船舶の水路を横切る方向に設けられた一対の支持柱と、前記一対の支持柱に固定され前記一対の支持柱により支えられて展張される膜構造体と、前記一対の支持柱の上部に両側がそれぞれ固定される頂部圧縮梁、及び、前記一対の支持柱の下部に両側がそれぞれ固定される底部圧縮梁のいずれか一方又は両方を備え、
少なくとも、水位差の生じていない状態である平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の初期撓みδ０が０であるように前記膜構造体が展張され、
少なくとも、津波や高潮などの水位差の生じている状態において、前記頂部圧縮梁及び／又は前記底部圧縮梁は、前記膜構造体から前記一対の支持柱に入った張力の一部を受けてこれをその内部で相殺する、ことを特徴とする膜式水門。
【請求項２】
前記一対の支持柱の少なくとも一方に、前記膜構造体を巻き込む巻き込み機構を備え、
前記巻き込み機構は、前記平水時において、前記δ０が０であるように前記膜構造体を巻き込み、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の膜張力の上昇に対応して前記膜構造体を繰り出す、ことを特徴とする請求項１記載の膜式水門。
【請求項３】
前記巻き込み機構は、反力トルクを発生する反力トルク機構であり、
前記反力トルクは、前記δ０が０になるまで前記膜構造体を巻き込むように定められ、
前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の張力が増加してこれが前記反力トルク機構の前記反力トルクに打ち勝ち、前記反力トルク機構に巻き取られていた前記膜構造体が繰り出される、ことを特徴とする請求項２記載の膜式水門。
【請求項４】
前記巻き込み機構は、前記膜構造体の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の膜式水門。
【請求項５】
前記一対の支持柱をそれぞれ支える一対の石柱を備え、
前記一対の石柱には、前記一対の支持柱を支えるための溝であって、上部から下部に向かうにつれて狭くなっている傾斜戸溝がそれぞれ設けられ、
前記一対の支持柱は、前記水位差の生じている状態において、前記傾斜戸溝により水位の低い方へ向かって倒れる、ことを特徴とする請求項１記載の膜式水門。
【請求項６】
前記水位差の生じている状態において前記一対の支柱の倒れる角度は、前記水位差により前記膜構造体に作用する力の鉛直成分と前記膜構造体に加わる浮力とが相殺するように定められている、ことを特徴とする請求項５記載の膜式水門。
【請求項７】
前記膜構造体の剛性を上部から下部に向かって増加させることにより、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の中間部分の断面が膨らむようにする、ことを特徴とする請求項１記載の膜式水門。
【請求項８】
前記膜構造体は、その剛性を支える要素として水平方向に延びる複数のケーブルを備え、前記複数のケーブルの剛性を、上部から下部に向かって増加させることを特徴とする請求項７記載の膜式水門。
【請求項９】
前記膜構造体の底部から上部にかけての少なくとも一部分について、前記巻き込み機構を構成する回転部の半径を前記膜構造体の底部から上部にかけて増すことにより、少なくとも前記一部分について前記δ０が前記膜構造体の上部に向かって増加するようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４いずれかに記載の膜式水門。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流水や船舶の水路に設けられる水門に関する。対象となる水門は高潮、津波、高水（本川から支川への逆流）、波浪（静穏化）、流木流入（港内等への）等に対応するものであり、また、陸閘門も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
高潮や津波などに対応する為の大型水門が数多く設置されている。既設大型水門のほとんどは鋼製の水門扉を用いている。
これに対して、下記先行技術文献に記載されているように、膜構造体を用いた膜式水門が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３４３１公報「防潮・防波堤」  海側と川側の境界で、川の両側の防波堤にそれぞれ杭基礎を設け、同両側の杭基礎間には、各杭基礎に端部を係止され、深さ方向で水面上に一部を突出して全水深に亘って延びると共に幅方向で前記両側の杭基礎間に亘って延び、前記両側の防波堤で入口を規制された水路を開閉する遮蔽体を設けたものである。前記遮蔽体は、水深方向に所定間隔を有して配置され川幅に亘って延びた複数のケーブルワイヤーと、同ケーブルワイヤーの長手方向に所定間隔を有して係止され水深方向に亘って延びた複数の梁部材と、同ケーブルワイヤー及び梁部材により川側から係止された膜部材とよりなる膜構造体である。あるいは、前記遮蔽体は、複数の膜部材を水深方向に延びるヒンジにより連結し、同ヒンジにより蛇腹状に屈伸する膜構造体である。あるいは、前記遮蔽体は、複数の鋼製トラスを水深方向に延びるヒンジにより連結し、海側に膜部材を係止した膜構造体である。あるいは、前記遮蔽体は、水深方向及び川幅方向に複数の鋼製箱を連結した複数の鋼製箱型構造体を水深方向に延びるヒンジにより連結したものである。
【特許文献２】特開２００４−１７６４５２公報「防潮・防波堤の展張方法」  膜構造体を用いた膜式水門において、水路中央部に位置し水深方向及び長手方向に畳まれた状態の膜構造物の両端を水路の両岸に展張させ、次いで深さ方向に展張することで、防潮・防波堤を展張する。
【特許文献３】特開２００５−３５０９０３公報「膜式防潮体」  両端部を支柱に支持された防水膜を仕切膜の最下部に地面に接して設置し、該防水膜により前記貯水部内から外部に漏洩する水の通流を遮断する。ケーブル繰出装置及びテンショナーによりケーブルの張力を調整し該ケーブルを介して仕切膜の下端部と地面との間の水の流れを遮断し、ケーブル繰出装置によって張力ケーブルの繰り出し量を変化させて仕切膜の上端部を上下動せしめる。
【特許文献４】特開２００６−２６５９４６公報「膜式堤防」  防水膜１と複数本の補強用繊維ロープ２からなる膜構造体５を必要に応じて展張することで防潮・防波堤１１の開口部１２を閉鎖し得るようにした膜式堤防において、膜構造体５による開口部閉鎖時の水圧作用下で膜構造体５をアーチ状に展張・支持し得る展張手段を設けると共に、該展張手段として、複数本の補強用繊維ロープ２のうち少なくとも最上段の繊維ロープ２に沿って設けられた当該繊維ロープ２より長さが短い形状補助用繊維ロープ３と、該形状補助用繊維ロープ３の端部に連結された引張りばね４と、を有する。
【特許文献５】特開２００６−２９９８０４公報「防潮・防波堤」  水路の両側にそれぞれ基礎を設け、同両側の基礎間には、各基礎に端部を係止され、深さ方向全水深に亘って伸びると共に幅方向で前記両側の基礎間に亘って延びる膜構造物を設け、前記膜構造物の水路方向一側の水底には、前記膜構造物の下部を支持する段構造物を設ける。あるいは、水路の水底は、前記膜構造物が水路方向一側から他側に水圧を受けた場合の該膜構造物の下縁形状に合わせた形状とされている。
【特許文献６】特開２００９−１９１６０９公報「膜式堤防」  膜式堤防において、膜構造体による開口部閉鎖時の水圧作用下で膜構造体をアーチ状に展張・支持し得る展張手段を設けると共に、前記展張手段として、膜構造体の膜端部を定着させる定着機構を堤防の開口縁部に設け、前記定着機構は、膜構造体の膜端部を堤防の開口縁部側に押圧する押圧体と、該押圧体を昇降させるべく堤防の開口縁部側に支持部材を介して支持された昇降手段と、該昇降手段の下降の際に押圧体を堤防の開口縁部側に付勢すべく当該押圧体と堤防の開口縁部側に設けられた支持部材との間に設けられた楔機構と、を有する。
【特許文献７】特許第３９１３０４７号公報「防潮ダム」  水平方向に伸張する面体と、潮位差の水圧に基づいて水平方向に張力を受ける前記面体の両側部位を水平方向に引張して支持する両側の支持体と、前記支持体に配置された昇降機構と、を具備し、前記面体は、前記水圧の方向に膨らんでアーチ面を形成するアーチ形成面体と、前記アーチ形成面体に横方向に接合する複数の横方向軸索線とを有し、前記昇降機構は、前記複数の横方向軸索線のそれぞれの端部を鉛直方向に昇降させる。
【特許文献８】特許第３９１７９２４号公報「防潮・防波堤」  水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設される膜構造物とを備え、前記膜構造物が、前記水路を閉じる際に、前記各係止基礎間に架設されるケーブルと、該ケーブルによって補強され、前記水路を閉じる膜体とを備え、前記ケーブルが、前記各係止基礎のうちの何れか一方、もしくは両方と着脱可能で、かつ浮力を備えた連結体を備えることを特徴とする防潮・防波堤。
【特許文献９】特許第３９５８１５１号公報「防潮・防波堤」  膜構造体により形成された防潮・防波堤において、前記膜構造体は、水路の幅方向に亘って設けられて水深方向に間隔を隔てて複数設けられたワイヤと、これらワイヤによって支持された膜体とを備え、前記各ワイヤのうち、水深方向中間部のワイヤが最も長く、他のワイヤは上昇及び下降するに従い短くなる。また、前記ワイヤのうち、水深方向中間部のワイヤの両端は、他のワイヤの両端よりも、前記水路に沿って膜が膨らむ方向寄りに固定されている。
【特許文献１０】特許第３９５８１７７号公報「防潮・防波堤」  水路の両側にそれぞれアンカレイジを設け、同両側のアンカレイジ間には、各アンカレイジに端部を係止され、深さ方向全水深に亘って伸びると共に幅方向で前記両側のアンカレイジ間に亘って延びる膜構造物１を設ける。前記膜構造物１は、長手方向に亘って設けられた中空のチューブケーブル６を備える。
【特許文献１１】特許第３９５８１７８号公報「防潮・防波堤」  水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設されるとともに前記水路を閉じる膜体を備えた膜構造物と、該膜構造物を上に載せて前記係止基礎間を行き来して、該膜構造物を前記係止基礎間に展開する浮体とを備え、前記各係止基礎が、前記浮体を収容する凹部と、該凹部内に前記浮体を連結する連結手段とを備える。
【特許文献１２】特許第３９５８１７９号公報「防潮・防波堤」  海側と港側とをつなぐ水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設される膜構造物とを備え、前記膜構造物が、前記各係止基礎間に設けられて前記水路を閉じる際に、前記各係止基礎のうちの何れか一方もしくは両方に設けられた第１連結部に対して連結される第２連結部を備え、前記第１連結部が、海側から来る波浪に対して港側を向いて開口し、連結時の前記第２連結部を波浪より覆う凹所を有する。
【特許文献１３】特許第３９５８１８１号公報「防潮・防波堤」  水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設されて前記水路を閉じる膜体と、前記膜体に固定されて、前記水路に浮かぶ浮体とを備え、前記浮体を一方向に回転させて、該浮体に前記膜体を巻き付け、他方に回転させて、前記膜体を送り出す回転手段を備える。
【特許文献１４】特許第３９９３４９８号公報「防潮・防波堤」  水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設される膜構造物とを備え、前記膜構造物が、前記水路を閉じる膜体と、該膜体の両側縁に設けられた連結体とを備え、前記各係止基礎が、前記連結体を受け入れる開口を有するとともに、上下方向に延在するガイド溝を備え、前記ガイド溝には、前記膜体を補強するケーブルを収納するケーブル溝が設けられ、前記各係止基礎が、前記膜体の両側縁に対向する対向面と、該対向面に対して前記膜体の両側縁を押し付ける圧接手段とを備える。
【特許文献１５】特許第４０３１６９４号公報「防潮・防波堤」  水路を間に挟む一対の係止基礎と、これら係止基礎間に架設される膜構造物とを備え、前記各係止基礎が、上下方向に延在するガイド溝を備え、前記膜構造物が、前記水路を閉じる膜体と、水圧を受ける複数のケーブルワイヤと、該ケーブルワイヤの両側に設けられて前記各ガイド溝内を上下方向に転動する回転連結体とを備え、前記膜構造物を引き上げる昇降装置をさらに備え、前記昇降装置が、前記膜構造物の下端に連結された索条体と、該索条体の巻き上げ及び巻き戻しを行う牽引手段とを備える。あるいは、昇降装置が、前記膜構造物の両側に設けられたピストンと、前記各係止基礎側に設けられた、前記ピストンを昇降させるシリンダと、前記シリンダ内に液体を注入排出するポンプとを備える。
【特許文献１６】特許第４１１９８５７号公報「陸上設置型膜式堤防」  膜式堤防において、前記膜構造体による開口部閉鎖時の水圧作用下で、膜構造体をアーチ状に展張・支持し得る展張手段を設け、前記展張手段は、外部保管されて取り出された膜構造体の左，右両側縁部から導出された索条端部をそれぞれ係止すべく開口部の左，右両縁部に設けられたフック部材と、前記膜構造体の左，右両側縁部と前記開口部の左，右両縁部間にそれぞれ設けられたファスナー機構と、を有する。あるいは、前記展張手段は、膜構造体の左，右両側縁部をそれぞれ係止して基端部においてそれぞれ地面格納部と開口縁部との間で起倒自在に支持された左右一対の支柱と、前記支柱を起倒させるワイヤ巻取り装置と、を有する。
【特許文献１７】特許第４１３８４６４号公報「防潮・防波堤」  水路の両側にそれぞれ基礎を設け、同両側の基礎間には、各基礎に端部を係止され、深さ方向全水深に亘って伸びると共に幅方向で前記両側の基礎間に亘って延びる膜構造物を設け、該膜構造物は、膜体と、膜体の長手方向に亘って設けられたケーブルと、前記膜体の一側面の端部に該膜体の端部から長手方向に延びる補助膜部材を備え、前記膜体と前記補助膜部材とを合わせた長さが前記ケーブルよりも長手方向に長く、前記ケーブル両端が前記基礎に固定され、前記補助膜部材が水圧により基礎に押し付けられた場合には水漏れが防止され、逆に、補助膜部材が基礎から離脱して隙間が生じた場合には水を逃がす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記先行技術文献に記載された膜式水門の膜構造体は、水平方向にケーブルを配置し、そのケーブルをいろいろな方法で一体化して一枚の幕に仕上げたものであり、この構造により必要な水密機能を確保している。前記膜構造体によれば、高強度のケーブル内のフープテンションで水圧に直接抵抗することができる。膜式水門は、低コストで建設できる。フープテンションとは、円筒状の構造物に圧力が作用したときに、円筒面に発生する円周方向の引張力をいう。
【０００５】
しかしながら、上記先行技術文献記載の発明を、改めて現実のニーズに照らしてその効果を検証すると、未だに多数の技術的課題が存在する。例えば、下記（１）〜（３）について改善の余地がある。
【０００６】
（１）課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない。
流水や船舶の水路に設けられる水門や閘門は、その開閉を迅速に行う必要がある。
水門（閘門も含む、以下同じ）は、高潮、津波、高水（本川から支川への逆流）、波浪（静穏化）、流木流入（港内等への）等に対応するためのものである。しかしながら、例えば、津波発生の規模的、場所的、時間的予測技術は未完成であるし、高潮発生に関わる台風の成長・到達場所・到達時刻の予測技術は不十分である。津波や高潮の発生の予測が不完全である以上、津波や高潮による災害を防止して社会的損失を避けるためには、津波や高潮の発生を検知するシステムを整備し、これが実際にその発生を検知したら直ちに水門を閉じるという手段しか取り得ない。
【０００７】
しかし、このやり方には、必要な措置を講じるまでに許された時間がごく僅かであるという問題がある。即ち、前記システムで高い確度の情報を得ることができ、それを通信手段で迅速に水門の管理者に伝達することができたとしても、発生状況によっては、津波や高潮は水門にすぐに到達することがある。一般的に、予測困難な自然現象に対応するための防災施設には、当該現象の発生を直前に受けたとしても、迅速に必要な措置を講じることができるものでなければならない。そこで、この種の防災施設は通信手段を備え、コンピュータにより迅速な設備操作を行うことができるようになっている。
【０００８】
上記先行技術文献に記載された膜式水門について検討すると、「水門の開閉を迅速に行えること」という要請に充分に応えることができているとは言い難い。上述のように、水門は、その開閉をコンピュータ制御あるいはボタン操作により迅速に行われなければならないところ、上記先行技術文献に記載された膜式水門の膜構造体の展張・撤収・格納は短時間に行うことができず、上記要請に応えることができない。
【０００９】
以下、上記先行技術文献に記載された膜式水門の膜構造体の展張・撤収・格納が短時間に行うことができない点について説明を加える。
【００１０】
上記先行技術文献に記載された膜式水門の構造（全ての先行技術に共通する構造）は、図２１に示すものである。図２１は膜式水門の概略平面図であり、図中、符号Ｐは水路の両岸に設けられた一対の支持柱、符号Ｑは膜構造体（平水時の膜構造体の状態）、符号Ｒは支持柱Ｐを支持するためアンカーレッジ、符号Ｓは護岸である。アンカーレッジＲは、膜構造体Ｑの張力をその基礎構造で受け止め、地盤に伝達する役割を持つ。このため、アンカーレッジＲの基礎およびその地盤は強固なものでなければならない。Ｂは水路幅、Ｌは膜構造体Ｑの実長、δ０は膜構造体Ｑの平水時における径間中央の初期撓み、を示す。平水時とは、津波や高潮などが発生しておらず、膜構造体Ｑの両側で水位差が生じていない状態を指す（言い換えればΔｈ＝０の場合である。Δｈの意味については図４などを参照されたい）。
【００１１】
同図において、平水時の膜構造体Ｑは港内へ膨らんだ状態を示している。これは説明の便宜上であって、平水時には他の形態も取り得る。なお、水位差があるときは、同図の符号Ｑ’ように低水位の側へ膨らむ。δ０は、同図のように膜構造体Ｑが港内へ円弧状に膨らんだと仮定した場合（荷重が若干でも加わったときは円弧状になる）における、支持柱ＰとＰを結ぶ直線と水路の中央に位置する膜構造体Ｑまでの水平距離（平面図における距離）である。言い換えれば、平面図における、支持柱ＰとＰを結ぶ直線から、その垂直二等分線と膜構造体Ｑの交点までの距離である。なお、上記先行技術文献に記載された膜式水門では、δ０は高さによらずほぼ一定である。言い換えれば、膜構造体Ｑは鉛直断面内でほぼ直線形状である（図５参照、ただし図５は水位差がある場合を示している）。
【００１２】
符号Ｑ’は高潮時の膜構造体の状態を示す。高潮時は港外から港内へ圧力が加わるので膜構造体Ｑが延び、符号Ｑ’は符号Ｑよりも港内側へ膨らんでいる。これに対し、特に断らない限り、符号Ｑは膜構造体そのものを指すが、符号Ｑ’との対比及び形状の点について符号Ｑは平水時の膜構造体の状態を意味するものとする。
【００１３】
図２１において、平水時の符号Ｑは円弧状をなしているが、平水時においては膜構造体Ｑで区分された水路の港内と港外の圧力差は僅かであり、膜構造体Ｑに生じる張力は小さいため、実際はところどころたるみが生じて図２１のような円弧状にならない。これは、次に述べるように、膜構造体Ｑの実長Ｌが水路幅Ｂよりも長いためである。これに対し、高潮時は膜構造体Ｑの符号Ｑ’のようになり、たるみは生じない。
【００１４】
上記特許文献５：特開２００６−２９９８０４公報によれば、膜構造体Ｑの実長Ｌと水路幅Ｂの比Ｌ÷Ｂ、は１０５％〜１２５％であることが好ましいとしている。当該比率の場合に、膜構造体Ｑの歪み発生が小さく、そのテンションＴも小さく抑えることができ、高い遮水性能を得ることができる、としている。
【００１５】
上記特許文献５の上記記載の比Ｌ÷Ｂを膜構造体Ｑの平水時における径間中央の初期撓みδ０と水路幅Ｂの比δ０／Ｂに換算すると１４％〜３２％となる。すなわち、水路の中央部において、水路幅Ｂの１４％〜３２％程度のたるみが生じ得るし、他の箇所でもたるみが生じ得る。平水時においては膜構造体Ｑに加わる圧力は小さいから、その任意の箇所でたるみが生じるのである。したがって、上記先行技術文献に記載された膜式水門においては、平水時における膜構造体Ｑの形状は不確定である、という結論が導かれる。
【００１６】
平水時において膜構造体Ｑの取り得る形状の例を、図２２に示す。膜構造体Ｑは同図（ａ）（ｂ）のように港外あるいは港内へ大きくはみ出すことがあるとともに、同図（ｃ）のように蛇行したり、同図（ｄ）のように一方の端に大きくはみ出すことがある。
【００１７】
水門の展張・撤収・格納の操作は平水時に行われるが、上述のように上記先行技術文献の膜式水門の膜構造体Ｑの形状は不確定であり、膜構造体Ｑをそのまま引き上げたり、倒したりすることはできない。膜構造体Ｑのたるんだ部分が船舶や水路の構造物などに接触するおそれが生じるためである。図２２の例からもわかるように、２つのアンカーレッジＰを結ぶ直線（図２２の点線）を中心として港内と港外側へそれぞれ概ね水路幅Ｂの３割に相当する領域（合計で水路幅Ｂの６割になる）において障害物があると、水門の展張・撤収・格納の際に膜構造体Ｑが当該障害物に接触することがある。これは、水門の展張・撤収・格納における大きな制約となってしまう。
【００１８】
特許文献１６：特許第４１１９８５７号公報には、膜構造体Ｑを両側から支える支柱を起倒自在に支持し、ウインチ等のワイヤ巻取り装置（展張手段）で互いに連動して起倒させるようにしたものが記載されているが、膜構造体Ｑにたるみがあると他の物体と接触するおそれがあるから、このやり方は実際には使用できない。膜構造体Ｑの形状が不確定であるという事実が、迅速な展張・撤収・格納の最大の障壁なのである。
【００１９】
他に、上記先行技術においては、膜構造体Ｑを曳航船で牽引して展張・撤収・格納するやり方、膜構造体Ｑに多数のヒンジを設けて折り畳むようにして展張・撤収・格納するやり方、水路中央部に位置し水深方向及び長手方向に畳まれた状態の膜構造物の両端を水路の両岸に展張させ、次いで深さ方向に展張するやり方、膜構造体Ｑをワイヤで牽引して格納するやり方、が記載されているが、いずれも、膜構造体Ｑのたるみが他の物体と接触するおそれがあり、実用的ではない。
【００２０】
要するに、上記先行技術において、水門の展張・撤収・格納を行う前には膜構造体Ｑのたるみの除去作用が必要になり、そのため、その展張・撤収・格納を短時間で行うことができない。したがって、上記先行技術文献の膜式水門は、「水門の開閉を迅速に行えること」という要請に応えることができない。
【００２１】
（２）課題２：アンカーレッジに加わる荷重が大きくなり過ぎる。
上記先行技術文献に記載された膜式水門では、膜構造体Ｑに発生する張力はアンカーレッジＲで吸収することになるが、我が国の港湾の海底は粘性土質が多いことを考えると、アンカーレッジ荷重が増大すると膜構造体Ｑに発生する張力をアンカーレッジＲで吸収しきれなくなる事態が憂慮される。
【００２２】
例えば、図２１に示すように高潮時は膜構造体Ｑの形状は符号Ｑ’のように通常よりも港内へ膨らむようになる。このとき、膜構造体Ｑに発生する張力はアンカーレッジＲで吸収されなければならない。
【００２３】
図２３（ａ）は、アンカーレッジＲに加わる力（アンカーレッジ反力）の説明図である。同図（ｂ）は、比較例である、通常の鋼鉄製水門の構造様式である梁構造体のアンカーレッジ反力の説明図である。
【００２４】
図２３（ａ）において、Ｒａはアンカーレッジ反力を示し、Δｈは高潮時に構造体Ｑに作用する水位差を示し（矢印は水位差による圧力を示す）、Ｒは膜構造体Ｑの高潮時の曲率半径Ｒである。
【００２５】
ここで、図２３（ａ）のアンカーレッジ反力Ｒａの大きさは以下の式で与えられる。
膜構造体のアンカーレッジ反力：Ｒａ＝Δｈ×Ｒ
【００２６】
次に、図２３（ｂ）において、Ｒａはアンカーレッジ反力を示し、Δｈは高潮時に構造体Ｑに作用する水位差を示し、Ｂは水路幅を示す。
【００２７】
ここで、図２３（ｂ）のアンカーレッジ反力Ｒａの大きさは以下の式で与えられる。
梁構造体のアンカーレッジ反力：Ｒa＝Δｈ×Ｂ÷２
【００２８】
上記２つの式いずれにおいても、計算値は構造体の高さ１ｍ当たりの値である。
【００２９】
膜構造体Ｑの曲率半径Ｒは、水路幅Ｂの半分より小さくなることはないから、膜構造体のアンカーレッジ反力は、梁構造体のアンカーレッジ反力よりも常に大きくなる。膜構造体のアンカーレッジ反力が梁構造体のアンカーレッジ反力と比べてどの程度大きくなるかは、初期撓みδ０や水路幅Ｂなどにより変わるが、計算上、膜構造体の反力は梁構造体の反力よりも大きくなる（その２倍以上となり得る）ことが確認されている。すなわち、上記先行技術文献に記載された膜式水門のアンカーレッジは、通常の鋼鉄製水門の構造様式である梁構造体のアンカーレッジと比べてより大きな力に耐えるものでなければならない。その実現は困難であるし、あえて実現するためには大きなコストを要する。
【００３０】
上記先行技術文献に記載された膜式水門では、膜構造体のアンカーレッジ反力が大きくなることに加えて、その反力方向が水路と交差していることがさらに条件を厳しくしている。
【００３１】
（３）課題３：漏水の問題
（３ａ）課題３ａ：膜構造体上部の変形により漏水する。
上記先行技術文献に記載された膜式水門では、膜構造体Ｑの実長Ｌが水路幅Ｂよりも長いため、膜構造体Ｑの中央部が両端部に対して捩れることがある。このことにより膜構造体Ｑの頂部が垂れ下がり、ここから越波・越流が発生して漏水する可能性がある。
（３ｂ）課題３ｂ：膜構造体下部の変形により漏水する。
特許文献９：特許第３９５８１５１号公報の段落０００４には、「上記従来の防潮・防波堤では、張力を分散させるため、水路幅に対して膜構造体１（ケーブルワイヤー１０ｂ）を長くしている。しかし、膜構造体１の長さをＬ、水路幅をＢとおくとき、Ｌ／Ｂが大きいと、膜構造体１が立った姿勢で保つことが困難となり、ねじれが発生しやすくなる。ねじれが発生すると、潮が膜構造体１の上または下を乗り越えてしまうという問題があった。」と記載されている。要するに「Ｌ／Ｂが１より大きい」ために「ねじれ」が発生し、「潮が膜構造体１の上または下を乗り越える」というのである。
「潮が膜構造体１の上を乗り越える」というのは、上記課題３ａと同じことである。
これに対し、「潮が膜構造体１の下を乗り越える」ということは、膜構造体が水底から浮かび上がり、膜構造体の下端と水底の間に隙間が生じるということを意味するが、これが「Ｌ／Ｂが１より大きい」ことに起因するとは理解できない。なぜなら、膜構造体は、水中にあっても重力を受けており、「Ｌ／Ｂが１より大きい」ためにたるみが生じ、全体として水底に近づくことはあっても、水底から浮かび上がることはないからである。したがって、特許文献９における課題の認識は誤っていると思われる。
特許文献９は、潮・波の乗り越えの防止を目的としその対策を開示しているが、その原因は「Ｌ／Ｂが１より大きい」ためとしている。それが誤りである可能性がある以上、そこで開示している解決手段では、「潮が膜構造体１の下を乗り越える」ことを解決できないと思われる。
詳しくは後述するが、発明者は、膜構造体下部の変形（浮かび上がり）は、鉛直方向断面で見た場合、膜構造体に加わる水圧は一様ではなく（深いほど高い）、このため膜構造体の弾性変形が下部ほど大きく、いわば下側が膨らむようになり、このことにより生じる浮力により膜構造体下部が上昇するためであることを発見した。
【００３２】
津波の襲来の際に、防潮水門の漏水量が許容値を超えれば、寄せ波時に後背地に浸水が発生し、引き波時に港内船舶が座礁・転覆する可能性がある。高潮時に漏水量が許容値を超えれば、港内水位の異常上昇から後背地に浸水が発生する可能性がある。水門の過大な漏水はこのような問題を引き起こすので、水門の漏水量は少ない方が良く、しかも一定限度に抑えられなければならない。上記先行技術文献に記載された膜式水門は、このような要請に応えることができない。
【００３３】
本発明は上記課題１〜３を解決するためになされたものである。
【００３４】
すなわち、水門の展伸・撤収・収納を迅速化でき、その開閉をコンピュータ制御あるいはボタン操作により迅速に行うことができるようにすることで「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」を解決し、アンカーレッジに加わる荷重を低減することで「課題２：アンカーレッジに加わる荷重が大きくなり過ぎる」を解決し、膜構造体の変形を適切に管理することで「課題３：漏水の問題」を解決する、ことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
この発明に係る膜式水門は、流水や船舶の水路を横切る方向に設けられた一対の支持柱と、前記一対の支持柱に固定され前記一対の支持柱により支えられて展張される膜構造体と、前記一対の支持柱の上部に両側がそれぞれ固定される頂部圧縮梁、及び、前記一対の支持柱の下部に両側がそれぞれ固定される底部圧縮梁のいずれか一方又は両方を備え、
少なくとも、水位差の生じていない状態である平水時において、前記一対の支持柱間の略中央における前記膜構造体の初期撓みδ０が０であるように前記膜構造体が展張され
少なくとも、津波や高潮などの水位差の生じている状態において、前記頂部圧縮梁及び／又は前記底部圧縮梁は、前記膜構造体から前記一対の支持柱に入った張力の一部を受けてこれをその内部で相殺する、ものである。
【００３６】
膜構造体の実長を水路幅と実質的に同じとし、膜構造体の平水時における径間中央の初期撓みδ０を実質的にゼロとすることで、膜構造体のたわみをなくすことができるので、水門の展伸・撤収・収納を迅速化でき、「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」を解決できるとともに、膜構造体上部の変形をなくすことができるのでそこからの漏水がなくなり、「課題３ａ：膜構造体上部の変形により漏水する」を解決することができる。
【００３７】
課題１及び課題３ａを解決する手段である、平水時に行われる膜構造体の展張において初期撓みδ０を０とすることを「δ０=０展張」と命名する。「δ０=０展張」によれば、膜構造体が展張・撤収・格納操作される平水時に於ける膜構造体の形状が確定するので、ボタン操作による膜構造体操作が可能になる。δ０=０は、撓みが実質的にゼロであることを意味する。
【００３８】
その両端部が、膜構造体の支持柱に剛接された圧縮梁を設けることで、膜構造体のたわみをなくすことができるので、水門の展伸・撤収・収納を迅速化でき、「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」を解決できるとともに、膜構造体に発生する張力を圧縮梁で吸収するようになるので「課題２：アンカーレッジに加わる荷重が大きくなり過ぎる」を解決することができる。
【００３９】
課題１及び課題２を解決する手段である、その両端部が、膜構造体の支持柱に剛接された圧縮梁を設けることを「圧縮梁構造」と命名する。「圧縮梁構造」によれば、膜構造体から支持柱に入った張力の径間方向分力の一部が圧縮梁（下記の頂部圧縮梁及び／又は底部圧縮梁）の内部で相殺されるので、アンカーレッジの荷重が軽減される。
【００４０】
圧縮梁構造には、頂部に圧縮梁構造を設ける「頂部圧縮梁構造」と、底部に圧縮梁を設ける「底部圧縮梁構造」と、頂部圧縮梁構造と底部圧縮梁構造に加えて、頂部圧縮梁と底部圧縮梁を支持柱に剛接して形成した「枠組み圧縮梁構造」とがある。これら３種の圧縮梁構造によれば、膜構造体から支持柱に入った張力の径間方向分力が頂部圧縮梁と底部圧縮梁の内部で相殺されるので、アンカーレッジの荷重は梁構造体である通常の鋼製水門と同じレベルになる。
「頂部圧縮梁構造」に、さらに底部圧縮梁を設けるようにしてもよく、このような構成も説明の便宜上「頂部圧縮梁構造」に含むものとする。例えば、図１では、底部圧縮梁が回転支承を介して支持柱に接続され、剛接されてはいないので、図１の構造は「頂部圧縮梁構造」である。図１の構造では、回転支承を通して所定の力が伝達され、それが底部圧縮梁の内部で相殺されるので、「枠組み圧縮梁構造」と類似の作用を果たす。なお、「頂部圧縮梁構造」に、底部圧縮梁を設けない構造、及び、底部圧縮梁を設けるがこれが「頂部圧縮梁構造」に連結されていない構造も含むことは言うまでもない。
上記「頂部圧縮梁構造」と同様に、「底部圧縮梁構造」に、さらに頂部圧縮梁を設けるようにしてもよく、このような構成も説明の便宜上「底部圧縮梁構造」に含むものとする。
【００４１】
上述のように「δ０=０展張」により、「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」を解決することができた。ところで、一般に、δ０／Ｂを減少させることで膜張力は増加するので、膜構造体の膜張力は「δ０=０展張」により上昇する。このことは膜構造体の強度を増す必要があることを意味し重量やコストの増加につながるので、膜張力はなるべく小さい方がよい。そこで、展張・撤収・格納は平水時に行われ、高潮や津波が襲来したときには行われることがないこと、及び、高潮や津波時において特に膜張力が上昇する点に着目し、水位差が一定以上になる高潮や津波時においては「δ０=０展張」を止め、δ０／Ｂ＞０とすることで膜張力が上昇しても膜構造体が耐えられるようにする。例えば、（膜張力の上昇）≦（膜張力の減少）となるようにδ０／Ｂを増加させる。この手段を「δ０巻き込み」と命名する。例えば、膜構造体の一端を固定し、他端を反力トルク機構の持つ回転部に連結する。膜構造体の両端を回転部に連結するようにしてもよい。
【００４２】
前記膜式水門において、前記一対の支持柱の少なくとも一方に、前記膜構造体を巻き込む巻き込み機構を備え、
前記巻き込み機構は、前記平水時において、前記δ０が０であるように前記膜構造体を巻き込み、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の膜張力の上昇に対応して前記膜構造体を繰り出す、ようにする。
【００４３】
前記膜式水門において、前記巻き込み機構は、反力トルクを発生する反力トルク機構であり、
前記反力トルクは、前記δ０が０になるまで前記膜構造体を巻き込むように定められ、
前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の張力が増加してこれが前記反力トルク機構の前記反力トルクに打ち勝ち、前記反力トルク機構に巻き取られていた前記膜構造体が繰り出される。
【００４４】
「δ０巻き込み」によれば、平水時に反力トルクで膜構造体が巻き取られてδ０=０展張を実現でき、「δ０=０展張」による効果を奏するとともに、高潮時などには膜構造体の張力により膜構造体が引き出されてδ０≠０の状態になり、膜構造体の張力上昇を回避するとともに底部上昇（詳細は後述）を緩和できる。底部上昇が緩和されれば、発明の実施の形態５や６などの、底部上昇の回避策の実現が容易になる。
【００４５】
膜構造体上部の変形による漏水を防止するために、さらに、前記膜構造体の上部を前記頂部圧縮梁から吊るための懸垂装置を備えるようにしてもよい。
前記巻き込み機構は、前記膜構造体の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを備えるようにしてもよい。
【００４６】
膜式水門においては、「膜構造体の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水」という課題３ｂが生じる（詳細は後述）が、当該課題は、支持柱を支える石柱上の戸溝面を、支持柱が倒れる方向に傾斜させることにより解決することができる。膜構造体に加わる力の方向を下方へ向け、この鉛直成分で浮力を相殺することにより、膜構造体に加わる力の合力の方向を、水平または下方向に変えることができる。合力が水平または下方向にあれば膜構造体底部の上昇は起こらない。この手段を「傾斜戸溝式」と命名する。
【００４７】
前記膜式水門において、前記一対の支持柱をそれぞれ支える一対の石柱を備え、
前記一対の石柱には、前記一対の支持柱を支えるための溝であって、上部から下部に向かうにつれて狭くなっている傾斜戸溝がそれぞれ設けられ、
前記一対の支持柱は、前記水位差の生じている状態において、前記傾斜戸溝により水位の低い方へ向かって倒れる、ようにする。
【００４８】
前記水位差の生じている状態において前記一対の支柱の倒れる角度は、前記水位差により前記膜構造体に作用する力の鉛直成分と前記膜構造体に加わる浮力とが相殺するように定める。
【００４９】
「傾斜戸溝式」によれば、膜構造体の作用水圧力が水平方向よりも下方向に変化するので膜構造体の底部の上昇が起こり難くなる。合力が水平または下方向であれば底部上昇は起こらないので、底部止水が容易になる。
【００５０】
上述のように膜式水門においては、「膜構造体の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水」という課題３ｂが生じるが、当該課題は、膜構造体の水平方向構成材の剛性を膜構造体の底部から上部に向けて減少させることにより解決することができる。このように剛性を調整することで、高潮時などにおいて膜構造体が前屈みに膨らむので、その部分の重力で浮力を相殺することにより、膜構造体に加わる力の合力の方向を、水平または下方向に変えることができる。合力が水平または下方向にあれば膜構造体底部の上昇は起こらない。この手段を「膜剛性調整方式」と命名する。
【００５１】
前記膜式水門において、前記膜構造体の剛性を上部から下部に向かって増加させることにより、前記水位差の生じている状態において、前記膜構造体の中間部分の断面が膨らむようにする。
【００５２】
前記膜構造体は、その剛性を支える要素として水平方向に延びる複数のケーブルを備え、前記複数のケーブルの剛性を、上部から下部に向かって増加させる。
【００５３】
「膜剛性調整方式」によれば、膜構造体の垂直中央断面の変位は前屈みとなり、作用水圧力は下方向に向きを変えるので、膜構造体の底部の上昇が起こり難くなる。合力が水平または下方向であれば底部上昇は起こらないので、底部止水が容易になる。
また、前記巻き込み機構に関して、前記膜構造体の底部から上部にかけての少なくとも一部分について、前記巻き込み機構を構成する回転部の半径を前記膜構造体の底部から上部にかけて増すことにより、前記δ０が、前記膜構造体の上部に向かって増加するようにしてもよい。なお、増加範囲は必ずしも最上部まで到達する必要はない。この手段を「δ０調整」と命名する。これによれば、前記膜構造体の垂直中央断面の変位は前屈みとなり、作用水圧は下向きになるので、「膜剛性調整方式」と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】発明の実施の形態１に係る膜式水門の正面図（図１（ａ））及び平面図（図１（ｂ））である。
【図２】発明の実施の形態１に係る膜式水門のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）は膜構造体の起立状態を示し、図２（ｂ）は倒伏状態を示す。
【図３】発明の実施の形態１に係る膜構造体の底部を水底に密着させるための底部水密装置の説明図である。
【図４】発明の実施の形態１に係る膜式水門における、水位差があるときの膜構造体の断面形状を示す。
【図５】先行技術文献に記載された膜式水門における、水位差があるときの膜構造体の断面形状を示す（比較例）。
【図６】発明の実施の形態２（底部格納方式）に係る膜式水門の正面図（図２（ａ））及び平面図（図２（ｂ））である。
【図７】発明の実施の形態２（底部格納方式）に係る膜式水門のＡ−Ａ断面図である。図７（ａ）は膜構造体の展開状態を示し、図７（ｂ）は収納状態を示す。
【図８】発明の実施の形態３（上部格納方式）に係る膜式水門のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）は膜構造体の展開状態を示し、図８（ｂ）は収納状態を示す。
【図９】発明の実施の形態３（側部格納方式）に係る膜式水門の平面図（図９（ａ）（ｃ））と正面図（図９（ｂ）（ｄ））である。図９（ａ）（ｂ）は膜構造体の展開状態を示し、図９（ｃ）（ｄ）は収納状態を示す。
【図１０】発明の実施の形態３（スイング方式）に係る膜式水門の平面図である。実線が膜構造体の展開状態を示し、点線が収納状態を示す。
【図１１】図１１（ａ）は膜式水門の膜構造体における、初期撓み率δ０／Ｂと張力減少率を示すグラフである。図１１（ｂ）は張力と繰り出し量の関係の説明図である。
【図１２】発明の実施の形態４（δ０巻き込み方式）に係る膜式水門の正面図（図１２（ａ））及び平面図（図１２（ｂ））である。
【図１３】発明の実施の形態４（δ０巻き込み方式）に係る膜式水門のＢ−Ｂ断面図である。この図は膜構造体の展開状態を示す。
【図１４】発明の実施の形態４（δ０巻き込み方式）に係る膜式水門の回転部の必要回転角度とδ０／Ｂの関係を示す計算例である。
【図１５】発明の実施の形態５（傾斜戸溝方式）に係る膜式水門の部分正面図（図１５（ａ））及びＢ−Ｂ断面図（図１５（ｂ））である。これらの図は膜構造体の展開状態を示す。
【図１６】発明の実施の形態５に係る傾斜戸溝の説明図である。
【図１７】発明の実施の形態６（膜剛性調整方式）に係る膜構造体３の説明図である。図１７（ａ）は膜構造体（ケーブル）の高さ方向の剛性の変化を示す模式図であり、図１７（ｂ）は膜構造体の断面図を示す。
【図１８】発明の実施の形態６（膜剛性調整方式）に係る膜式水門における、水位差があるときの膜構造体の断面形状を示す。
【図１９】発明の実施の形態８の説明図である。
【図２０】発明の実施の形態に係る膜式水門に閘門を併設した構成の一例を示す図である。
【図２１】先行技術文献に記載された膜式水門の構造（全ての先行技術に共通する構造）を示す平面図である。
【図２２】先行技術文献に記載された膜式水門の膜構造体の平水時の状態の説明図である。
【図２３】図２３（ａ）は、先行技術文献に記載された膜式水門のアンカーレッジに加わる力（アンカーレッジ反力）の説明図、図２３（ｂ）は、梁構造体のアンカーレッジに加わる力（アンカーレッジ反力）の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１について、図１及び図２を参照して説明する。
図１（ａ）は、発明の実施の形態１に係る膜式水門の正面図、図１（ｂ）は、同じく平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。図２（ａ）は、膜構造体３を起立させた状態（膜構造体３が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態）を示し、図２（ｂ）は、膜構造体３を倒伏させた状態（膜構造体３が水底で概ね水平方向へ広がり、水路の水流を遮っていない状態）を示す。
【００５６】
図１及び図２において、膜式水門を構成する要素を示し、水路、その底や堤防、護岸Ｓなどの表示は省略している。
【００５７】
符号２は、水路の両側に設けられた一対の支持柱である。一対の支持柱２、２は、それぞれ鉛直に設けられている。
【００５８】
符号３は、一対の支持柱２と２の間に展張された膜構造体である。膜構造体３の水路両側の両端（鉛直に位置する端）は支持柱２、２にしっかりと固定されている。これに対し、膜構造体３の上下端（水平に位置する端）は、頂部圧縮梁１１と底部圧縮梁１２のいずれにも固定されていない。図１によれば、頂部圧縮梁１１と膜構造体３の上端の間には、隙間Ｘが存在している。膜構造体３の下端は底部圧縮梁１２に接触しているが、固定されているわけではない。
【００５９】
発明の実施の形態に係る膜式水門では、膜構造体３の実長を水路幅と実質的に同じとしている点で、従来技術とは大きく異なる（従来技術では、（膜構造体の実長）＞（水路幅）であり、その比Ｌ÷Ｂは１０５％〜１２５％であった）。膜構造体３の実長を水路幅と実質的に同じにするとは、膜構造体３の平水時における径間中央の初期撓みδ０を実質的にゼロとするように、膜構造体３の実長を選択することを意味する（前記「δ０=０展張」）。「δ０=０展張」により膜構造体３のたわみをなくし、平水時に於ける膜構造体３の形状が確定する。
【００６０】
膜構造体の実長、水路幅の意義、初期撓みδ０については、図２１及びその説明を参照されたい。
【００６１】
符号３’は高潮時の膜構造体の状態を示す。高潮時は港外から港内へ圧力が加わるので膜構造体３が延び、符号３’は符号３よりも港内側へ膨らんでいる。これに対し、特に断らない限り、符号３は膜構造体そのものを指すが、符号３’との対比及び形状の点について符号３は平水時の膜構造体の状態を意味するものとする。平水時とは津波や高潮が生じていない通常の水路の状態を意味する。
【００６２】
符号１１は、その両端が支持柱２、２の上端にそれぞれ剛接された頂部圧縮梁である。頂部圧縮梁１１は水平に設けられている。膜構造体３を起立した状態において、頂部圧縮梁１１は水面よりも上に位置する。
【００６３】
符号１２は、水路の水底に埋設された底部圧縮梁である。底部圧縮梁１２の上面は、水底に露出している。支持柱２、２の下端は、回転支承１３、１３を介してそれぞれ底部圧縮梁１２に剛接されている。回転支承１３を備えない場合は直接剛接してよい。なお、底部圧縮梁１２が、頂部圧縮梁１１と同様の形状であれば、その両端を支持柱２、２の下端にそれぞれ剛接するようにしてもよい。
【００６４】
圧縮梁とは、圧縮に耐性を有する梁のことである。梁とは、水平方向に架けられる部材のことである。本明細書において、圧縮梁は、水平方向の圧縮力に対して耐性を有する部材、例えば、鋼鉄などの金属、コンクリートなどの部材を意味する。
【００６５】
なお、頂部圧縮梁１１又は底部圧縮梁１２のいずれか一方を備えなくてもよい。頂部圧縮梁１１又は底部圧縮梁１２のいずれか一方で膜構造体３の張力に耐え、「δ０=０展張」が可能であればよい。
【００６６】
符号１３は、支持柱２、２の一対の回転支承である。回転支承１３、１３は、それぞれ底部圧縮梁１２の上面に設けられている。回転支承１３、１３の底面は、いずれも底部圧縮梁１２に剛接されており、回転支承１３、１３の回転軸側の部材は支持柱２、２に剛接されている。これにより、支持柱２、２と頂部圧縮梁１１による構造は、回動自在に支持される。図１の構造は、頂部圧縮梁１１を支持柱２，２に剛接して形成した「頂部圧縮梁構造」に相当する。図１では、底部圧縮梁が回転支承を介して支持柱に接続され、剛接されてはいないので、「頂部圧縮梁構造」であるが、回転支承１３，１３を通して一定の力が伝達され、それが底部圧縮梁１２の内部で相殺される。  
【００６７】
符号１４は、支持柱２を倒伏状態から起立状態へ引き上げるための駆動設備である。駆動設備１４は、例えば、石柱１５の上面に設けられたウインチであり、それで巻き上げられるロープあるいは鎖の端は支持柱２の上部に結びつけられている。
【００６８】
符号１５は、一対の石柱である。石柱１５，１５は、水路の両岸に設けられた水門の構成要素である。石柱１５，１５は護岸Ｓにつながっている。
【００６９】
なお、図２の符号Ｔは水底（海底）を示す。
【００７０】
また、図１の符号Ｆｔは膜構造体３による張力を示す。張力Ｆｔは、支持柱２に対してこれと膜構造体３の接点における膜構造体３の接線方向に加わる力である。張力Ｆｔは、本来、膜構造体３の支持柱２の接合点に加わるが、図面を見やすくするためにそこから離れた位置に記載している。実際に力の加わる箇所については、図２３（ａ）も参照されたい。符号Ｆ１は張力Ｆｔの水路幅方向の分力（圧縮梁１１，１２に加わる力）であり、符号Ｆ２は張力Ｆｔの水位差方向（水の流れる方向、船の通行する方向）の分力である。
【００７１】
なお、図中には右側の張力のみを示し、左側の張力の表示を省略している。図１（ｂ）の平面図から理解できるように本膜式水門の形状は左右対称であり、膜構造体３の中央を通る水位差方向（膜構造体３，圧縮梁１１，１２に直交する方向）の直線に対して張力Ｆｔは左右対称に現れる。分力Ｆ１、Ｆ２についても同じである。
【００７２】
図１の膜式水門は、「頂部圧縮梁構造」であり、膜構造体３は初期撓みδ０＝０で展張されている。その結果、膜構造体３の平水時における形状が確定するので、その展張・撤収を、従来の鋼製水門扉の如くボタン操作が可能である。支持柱２、２、頂部圧縮梁１１及び膜構造体３からなる構造系は、従来の鋼製水門扉の如く、回転支承１３の軸を中心に運動することが可能となる。即ち、駆動設備１４で支持柱２、２が起立すると膜構造体３は展張され、支持柱２、２が海底に倒伏すると膜構造体３は撤収され、海底面に格納状態となる。
【００７３】
また、高潮時に膜構造体３から支持柱２、２に作用する張力Ｆｔの水路幅方向の分力Ｆ１は、支持柱２、２の剪断剛性により頂部圧縮梁１１と回転支承１３に伝達され、回転支承１３に入った分力は底部圧縮梁１２に伝達される。頂部圧縮梁１１と底部圧縮梁１２には水路の両岸から大きさが等しく、方向が反対の２つの分力Ｆ１（分力の一つは図示せず）が伝達されるので、水路幅方向の分力はバランスし、水路幅方向の分力と直交する水位差方向分力Ｆ２のみが残る。水位差方向分力は石柱１５に入るが、その大きさは、図２３（ｂ）の梁構造体のアンカーレッジ反力Ｒａに等しいので、膜式水門においても、梁構造レベルのアンカーレッジ荷重を実現したことになる。即ち、δ０=０展張、頂部圧縮梁、および、底部圧縮梁の採用により課題１（膜構造体の操作）および課題２（アンカーレッジの荷重）を解決することができた。
【００７４】
すなわち、δ０=０展張により、展張・撤収・格納操作される平水時に於ける膜構造体３の形状が確定するので、ボタン操作による膜構造体操作が可能になる、圧縮梁１１，１２を設けることで、膜構造体から支持柱に入った張力の径間方向分力の一部又は全部が頂部圧縮梁及び／又は底部圧縮梁の内部で相殺され、アンカーレッジの荷重が軽減される。
【００７５】
δ０=０展張を実現するためには圧縮梁は必須である。δ０=０の状態において、膜構造体３の曲率半径Ｒ（図２３及びその説明参照）は大きくなり、これに伴い膜構造体のアンカーレッジ反力Ｒaが大きくなる。これに対抗するためのアンカーレッジの荷重も大きくなるが、我が国の港湾の海底は粘性土質が多いことを考えると、膜構造体３に発生する張力をアンカーレッジＲで吸収しきれなくなる。必要なアンカーレッジを用意できないのであれば、圧縮梁を備えない膜式水門（例えば先行技術記載のようなもの）においてδ０=０展張を実現することはできない。
【００７６】
図２（ａ）は膜構造体３の起立状態（展張状態）を示す。駆動設備１４は、そのロープで支持柱２を引き寄せ、石柱１５に接するように起こしている。この状態で、膜構造体３はほぼ鉛直に立っている。
【００７７】
図２（ｂ）は膜構造体３の倒伏状態（撤収乃至格納状態）を示す。支持柱２と圧縮梁１１を含む膜構造体３の重心が海側に位置している場合は、駆動設備１４がそのロープを伸ばす（ゆるめる）ことで、膜構造体３は図２（ａ）の状態から、徐々に図２（ｂ）の状態に移行する。なお、例えば、膜構造体３を海側へ引っ張る駆動機構を設けるようにすれば、重心の位置によらず、倒伏状態（撤収乃至格納状態）に移行させることができる。
【００７８】
尚、駆動装置１４はワイヤーロープ巻き取り式、油圧駆動式、浮力タンク式等様々な方法が考えられる。また、平水時における膜構造体の形状的安定度を増す目的でδ０=０展張において若干の初期張力を与えるようにしてもよい。
【００７９】
漏水防止の点からは、膜構造体３の下部が水底Ｔに密着していることが好ましい（剛接はされていない）。このための底部水密装置の一例を図３に示す。
【００８０】
同図の左図は膜構造体３の底部断面を示し、膜構造体３の底部に遮水シートを介してヒンジ付きの綱製アームが、一対、取り付けられ、そのアームの先端に止水ゴムが取り付けられる。同図の右図は膜構造体が水底に倒伏した時の綱製アームの変形状態を示す。水底に凹凸がある場合、膜構造体底部に若干の上昇がある場合などはこの様な底部水密装置で漏水を減らすことができる。
【００８１】
次に、「課題３：漏水の問題」に関連して、膜式水門の漏水傾向について検討を加える。
【００８２】
以下の例は、変形量を厳密な二次元計算と幾何学的考察から近似的に求めた例であるが、相対的関係は再現されていて、充分実用に耐えるものと考えられる。
【００８３】
図４は、発明の実施の形態に係る膜式水門の膜構造体の変形と作用力の説明図である。同図は、水路の中央を通る鉛直面で切断したときの膜式水門の断面図を示している。図面左側が港内であり、右側が港外である。同図において、同一又は相当部分については、図１及び図２と同一符号を付している。
【００８４】
同図において、符号Ｆｈは膜構造体３に加わる水平方向の力（水平力、膜構造体３に直交する方向に力が加わる）、符号Ｆｂは膜構造体３に加わる垂直方向の浮力、符号Ｆｇはそれらの合力、符号αは高さ位置ごとの川側と海側の水位差を示す（言い換えれば、水位差αは高さによる圧力の変化を示す）。また、逆三角形の記号は水面の位置を示す。
【００８５】
図４は、δ０=０展張、つまり平水時においてδ０／Ｂ＝０％である膜構造体３の水位差Δｈ＝５．５ｍにおける変形形状を示す。
【００８６】
水位差Δｈは川側と海側のレベルの差であり、この差に応じて圧力が生じる。水平力Ｆｈは膜構造体３の高さ位置に応じて変化し、図中の水位差αと同様に変化する。すなわち、より低い川側の水位の高さで水平力Ｆｈは最大となり、より高い海側の水位の高さ（符号Ｙの位置）で水平力Ｆｈは最小（＝０）となる。この間において、水平力Ｆｈは線形に変化する。このため、膜構造体３の下端は最も大きく外側（川側）へ膨らみ、図１（ｂ）の符号３’のようになるが、位置が高くなるにつれ膨らみは少なくなる。そして、より高い海側の水位の高さ（符号Ｙの位置）で膨らみはゼロ（水圧差Δｈによる頂部の弾性変位量は０）、つまり平水時と同じくδ０／Ｂ＝０％となる。言い換えれば、水位差Δｈが存在しても、膜構造体３の上端はピンと張った状態のままであり垂れ下がることはないから、「課題３ａ：膜構造体上部の変形により漏水する」を解決することができた。
【００８７】
ところで、膜構造体３は水中にあるから、水による浮力Ｆｂを受けている。浮力は、重力とは反対方向に働く力であり、図４の上側に向いている。膜構造体３には水平力Ｆｈとともに浮力Ｆｂが作用するので、その合力Ｆは上向き成分を持つことになる。したがって、膜構造体３は全体として浮かび上がろうとする。
【００８８】
浮力Ｆｂは、図４の斜線で示した領域に存する膜構造体３’について作用する。浮力は水圧によって生じるものである。斜線の領域では膜構造体３’に対して水位差に基づく水圧が鉛直上方向にも加わるが、膜構造体３’の上側には水が存在しないため当該鉛直方向への水圧は相殺されない。このため、上側に向く力（浮力）が発生することになる。このことからわかるように、膜構造体３’が下方で膨らんでいること（水位差によって膨らみが同じでないこと）から浮力が発生している。仮に、膜構造体３の断面が鉛直方向に直線上に伸びている場合には水位差に基づく水圧の鉛直成分はゼロとなって、浮力は生じない。このことから、斜線の領域の面積が大きいほど浮力が大きくなると考えられる（図４を図５と比較されたい）。
【００８９】
これに対して、膜構造体３の端部辺に作用する支持反力は、合力Ｆと釣り合う為に下向き成分が必要である。図４の符号Ｚのように膜構造体３の底部が上昇することで膜構造体３内の水平強度を受け持つ部材（ケーブル、ワイヤ、繊維など）が傾斜し、これにより下向き成分が発生する。その量は下部ほど大きくなる。
【００９０】
以上のように、合力Ｆと膜構造体３の支持反力が釣り合うが、その結果、符号Ｚの箇所で膜構造体３と水底Ｔの間に隙間が生じることになる。発明の実施の形態に係る膜式水門によれば、膜構造体上部の変形により漏水することはないが、膜構造体３の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水があり得る。
【００９１】
なお、水位差Δｈがゼロであれば、膜構造体３の底部は垂れ下がって図４の符号Ｚ’の位置にあり、浮力は重力と釣り合い打ち消されるので、膜構造体３の下端が浮かび上がることはない。
【００９２】
参考までに、先行技術に記載された膜式水門の膜構造体の変形と作用力について説明する。図５はその説明図である。
【００９３】
同図は、水路の中央を通る鉛直面で切断したときの膜式水門の断面図を示している。図面左側が港内であり、右側が港外である。同図において、同一又は相当部分については、図２１と同一符号を付している。Ｆ、Ｆｂ，Ｆｈなどの符号は、図４のものと同じである。
【００９４】
図５は、δ０／Ｂ＝１０％の時の水位差Δｈ＝５．５ｍによる変形形状を示す。δ０＝７．５ｍである。膜構造体３には水平力Ｆｈと浮力Ｆｂが作用し、その合力は上向きとなり、底部は上昇するが、その量は、図４に比較して小さい。
【００９５】
水圧差Δｈによる頂部の弾性変位量は０であるが、δ０／Ｂ＝１０％であるので垂れ下がりの発生が予想される（符号Ｙの位置）。ここから漏水が発生する。
【００９６】
図４と図５の比較から、膜構造体３の底部上昇と頂部垂れ下がりの量はδ０／Ｂの値に大きく支配され、δ０／Ｂが大きい程底部上昇量が減少し、頂部垂れ下がり量が増加する傾向にあることが予見できる。膜構造体３の底部上昇は、その伸縮性（エラスティック）に起因している。したがって、本発明の実施の形態、先行技術のいずれの膜式水門においても発生しうるが、δ０=０展張の場合にはその傾向は著しい。  
【００９７】
発明の実施の形態１によれば、「課題３ａ：膜構造体上部の変形により漏水する」を解決することができた。他方、課題３ｂ：膜構造体の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水があり得るが、この課題の解決手段については後述する。
なお、発明の実施の形態に係る膜式水門を、波浪を遮断することで港内を静穏化するための手段、あるいは、河川の表層の流れを遮断することで流木などを押しとどめるいわゆる流木対策の手段として用いる場合には川底の漏水は何ら支障ないから（図４のようになっても構わない）、課題３ｂは問題とならない。この場合は、課題３ａを解決できれば充分である。
【００９８】
発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２（底部収納方式）について、図６及び図７を参照して説明する。
図６（ａ）は、発明の実施の形態２に係る膜式水門の正面図、図６（ｂ）は、同じく平面図である。図７は、図７のＡ−Ａ矢視断面図である。図７（ａ）は、膜構造体３を引き出して起立させた状態（膜構造体３が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態）を示し、図７（ｂ）は、膜構造体３を下方へ収納した状態（膜構造体３が水底下に引き込まれ、水路の水流を遮っていない状態）を示す。
【００９９】
図６及び図７において、膜式水門を構成する要素を示し、水路、その底や堤防、護岸Ｓなどの表示は省略している。
【０１００】
図６及び図７において、図１及び図２と同一又は相当部分については同一符号を付し、その説明は省略する（以下、特に断らない限り、同様である）。
【０１０１】
符号１６は、海底に設けられた底部格納スペースである。底部格納スペース１６は概ね直方体の形状をしており、その幅、奥行き及び高さは、支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁と膜構造体３からなる構造系を収納するに充分な大きさである（例えば、前記構造系よりも少しだけ大きい）。なお、図面を見やすくするために、底部格納スペース１６は実線で示してある（底部圧縮梁１２も同様）。
【０１０２】
石柱１５には、支持柱２が嵌り込む溝（支持柱が摺動という点で一種の戸溝と言える）βが設けられている。溝は上下（鉛直）方向に長く延びており、支持柱２をその中で上下に移動可能に保持するとともに、前後（川側、海側）へは動かないように保持している。石柱１５の溝βは、底部格納スペース１６と連通している。溝βと底部格納スペース１６の内面はほぼ同じ平面上になるように配置されており、その接続面は段差がないように滑らかに接続している。このため、図示しない駆動機構により、前記構造系は溝βと底部格納スペース１６の間を問題なく上下することができる。図示しない駆動機構は、例えばウインチのようなものである。
【０１０３】
発明の実施の形態２では、底部圧縮梁１２を支持柱２、２と同一系材料で形成し、回転支承１３を介さずに、支持柱２に剛接している。これにより、図６及び図７に示す支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁が形成される。
【０１０４】
支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁と膜構造体３からなる構造系はδ０=０展張により、課題１と課題２を解決している。発明の実施の形態１における構造系の運動方向が回転支承１３の軸周りであるのに対し、発明の実施の形態２における運動方向は上下方向であり、膜体構造３は底部格納スペース１６に撤収されてそこに格納される、点で相違する。即ち、支持柱２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁により膜構造体３の上下方向運動を可能とした例である。
【０１０５】
前記構造系の展張（図７（ａ）の状態）及び撤収（同図（ｂ）の状態）は、ウインチなどの機械式設備により行うやり方、前記構造系自体に浮力を持たせこれを利用するやり方、などが考えられる。後者の場合、支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２を中空構造にしておき、撤収時はそこに水などの流体を満たして沈むようにし、展張時はそこから流体を排除して浮かび上がるようにすることが考えられる。
【０１０６】
発明の実施の形態３．
他の収納方式について説明を加える。
【０１０７】
（１）上部格納方式
図８は、この方式の説明図である。図８（ａ）は展張状態（図７（ａ）に相当）、図８（ｂ）は撤収状態（図７（ｂ）に相当）を示す。
【０１０８】
上部格納方式は、支持柱２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁と膜構造体３からなる構造系が、水路の上部に引き上げられることにより、撤収状態となるものである。図示していないが、前記構造系を収納し保持するための格納容器（図７の底部格納スペース１６に相当するもの、上部格納スペース）及び格納機構を備える。
【０１０９】
図８において、図７と同一又は相当部分については同一符号を付し、その説明は省略する。
【０１１０】
図示しない駆動機構により、前記構造系は溝βと上部格納スペースの間を問題なく上下することができる。図示しない駆動機構は、例えばウインチのようなものである。
【０１１１】
発明の実施の形態３の（１）でも、底部圧縮梁１２を支持柱２、２と同一系材料で形成し、回転支承１３を介さずに、支持柱２に剛接している。これにより、支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁が形成される。
【０１１２】
支持柱２と２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁と膜構造体３からなる構造系はδ０=０展張により、課題１と課題２を解決している。
【０１１３】
前記構造系の展張（図８（ａ）の状態）及び撤収（同図（ｂ）の状態）は、ウインチなどの機械式設備により行うやり方が考えられる。
【０１１４】
（２）側部格納方式
図９は、この方式の説明図である。図９（ａ）は展張状態の平面図、同図（ｂ）は展張状態の正面図、同図（ｃ）は撤収状態の平面図、同図（ｄ）は撤収状態の正面図を示す。
【０１１５】
同図において、符号１７は支持柱２、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２からなる枠組み圧縮梁である。符号γは護岸Ｓに設けられた格納スペースである。格納スペースγは、護岸Ｓの内部に設けられている（一方の側面に沿うものでもよい）。格納スペースγは枠組み圧縮梁１７の延長上にあり、枠組み圧縮梁１７は直線運動することで容易に格納スペースγ内に移動することができる。このため、図示しない駆動機構により、枠組み圧縮梁１７は格納スペースγと水路の間を問題なく上下することができる。図示しない駆動機構は、例えばウインチのようなものである。
【０１１６】
（３）スイング方式
図１０は、この方式の説明図である。図９は平面図を示す。実線が展張状態を示し、点線が撤収状態を示す。
【０１１７】
同図において、符号Ｈは枠組み圧縮梁１７と護岸Ｓの接点のいずれか一方に設けられたヒンジ機構である。スイング方式では、枠組み圧縮梁１７と膜構造体３からなる構造系が、ヒンジ機構Ｈの垂直軸を中心に回転運動する。図示しないが、枠組み圧縮梁１７を回転させるための回転駆動機構が設けられている。
【０１１８】
展張状態においては、ヒンジ機構Ｈの設けられていない枠組み圧縮梁１７の端が、護岸Ｓに接している。ヒンジ機構Ｈを中心に枠組み圧縮梁１７が回転することで枠組み圧縮梁１７の端は護岸Ｓを離れていき、水路の前方または後方にある格納位置に枠組み圧縮梁１７が収納される（点線の状態）。
【０１１９】
発明の実施の形態４．
図１１（ａ）は、初期撓みδ０に対する水路幅Ｂ６の比率δ０／Ｂ、と膜構造体３に発生する張力の関係を示す計算例である。膜構造体３の規模、剛性、作用水位差等により計算結果は若干異なるが、δ０／Ｂの増加に伴い張力が急激に減少する傾向に変わりがない。この事実は、上記「δ０=０展張」が膜張力上昇の原因となることを意味している。
【０１２０】
上述のように「δ０=０展張」により、展張・撤収・格納操作される平水時に於ける膜構造体３の形状が確定するので、ボタン操作による膜構造体３の操作が可能になり、「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」を解決することができた。他方、図１１（ａ）に示すように膜張力は上昇する。膜張力が上昇するとこれに耐えるように膜構造体３の強度を高める必要があるが、このことは重量やコストの増加につながる。したがって、可能であれば、膜張力はなるべく小さい方がよい。
【０１２１】
ここで、展張・撤収・格納は平水時に行われ、高潮や津波が襲来したときには行われることがないこと、及び、高潮や津波時において特に膜張力が上昇する点に着目する。平水時において「δ０=０展張」を行える程度に膜構造体３の強度を設計しておく。高潮や津波時においては「δ０=０展張」を止め、δ０≠０とすることで膜張力が上昇しても膜構造体３が耐えられるようにすることができる。高潮や津波時における膜張力の上昇に合わせて、δ０／Ｂを増加させることで図１１（ａ）に示すように張力を減少させ、膜張力の上昇を相殺するのである。言い換えれば、（膜張力の上昇）≦（膜張力の減少）となるように、δ０／Ｂを増加させるのである。
【０１２２】
具体的には、膜構造体３を回転部に予め巻き取っておき、膜構造体３の膜張力の上昇に対応して膜構造体３を繰り出すようにする（言い換えれば、膜構造体３が引っ張り出される）。例えば、図１１（ｂ）に示すように、ある一定ｘ以上の張力が加わったときに、所定の量ｙを繰り出すようにする。この量ｙは、例えば、後に示す回転部の３０度の回転に相当する。横軸は膜構造体３の張力、縦軸は膜構造体３の繰り出し量を示すが、膜構造体３の繰り出し量の増加に伴い、δ０／Ｂは増加する。
【０１２３】
δ０／Ｂの増加は、例えばトルクヒンジを用いて自動的におこなうやり方、張力の測定結果に応じてδ０／Ｂの増加量を計算し、その分だけ自動又は手動で膜構造体３を伸ばすやり方のいずれでも対応可能である。
【０１２４】
この方式を「δ０巻き込み」と命名する。発明の実施の形態４はこの方式に関するものである。
【０１２５】
発明の実施の形態４について、図１２及び図１３を参照して説明する。
【０１２６】
図１２（ａ）は、発明の実施の形態４に係る膜式水門の正面図、図１２（ｂ）は、同じく平面図である。図１３は、図１２のＡ−Ａ矢視断面図である。
【０１２７】
図１２（ａ）は、膜構造体３を引き出して起立させた状態（膜構造体３が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態）を示している。膜構造体３が水底下に引き込まれ、水路の水流を遮っていない状態の図示は省略した。
【０１２８】
図１２及び図１３において、膜式水門を構成する要素を示し、水路、その底や堤防、護岸Ｓなどの表示は省略している。
【０１２９】
図１２及び図１３は、展伸・撤収の点において、発明の実施の形態２の底部収納方式を採用したものであるが、これには限定されず、上部格納方式・側部格納方式・スイング方式などの方式を採用することができる。
【０１３０】
図１２及び図１３に係る膜式水門の膜構造体３の実長は水路幅より大きい。ただし、膜構造体は支持柱２’の回転部２０の作用により、「δ０=０展張」が可能である。すなわち、回転部２０が許される張力の範囲内で強く膜構造体３を引っ張ることでδ０=０となり、この状態から張力を弱めて（引っ張る方向とは反対側へ回転部２０を回転させることにより）膜構造体３を展伸させることでδ０≠０となる。δ０／Ｂが最大どの程度になるかは膜構造体３の実長により決まる。実長が長ければ長いほどδ０／Ｂの上限は大きくなる。他方、δ０／Ｂの下限はゼロである。したがって、要求されるδ０／Ｂの最大値に合わせて膜構造体３の実長を定めることができる。
【０１３１】
符号２’は、図１２の左側の支持柱２と対になる支持柱２’である。支持柱２’は、膜構造体３の巻き込み・展伸機能を備える点で、支持柱２とは相違する。左側の支持柱２にも巻き込み・展伸機能を設けるようにしてもよい。
【０１３２】
符号１９は、支持柱２’の上端及び下端にそれぞれ位置するの一対の固定部である。固定部１９，１９は回転部２０の軸受のようなものであり、いわば回転支承である。図１３の例では、下側の固定部１９は底部圧縮梁１２の内部に埋め込まれているが、これには限定されない（下側の固定部１９が底部圧縮梁１２と一体となることで、水底と膜構造体３の下端との隙間をなくすことができるというメリットがある）。上側の固定部１９は頂部圧縮梁１１に取り付けられている。支持柱２、２’（固定部１９，１９及び回転部２０を含む）、頂部圧縮梁１１、底部圧縮梁１２は枠組み圧縮梁を構成する。
【０１３３】
符号２０は、固定部１９と１９の間に位置し、そこに膜構造体３の端末（一端）が固定されている回転部である。回転部２０は、家屋の門扉や船舶のハッチカバーの固定に用いられるトルクヒンジ（反力トルクが発生する蝶番）と同じ機能を持つ。トルクは回転モーメントで、距離（半径）が決まると作用する力が決まる。本実施例においてトルクが一定であるとすれば、回転部２０の半径は一定で膜構造体３の厚みが無視できるとして、作用する力（膜構造体３の張力）は一定である。平水時において、膜式水門の膜構造体３の張力は０であるが（δ０／Ｂ＝０の場合も同じ）、高潮時などにおいて膜構造体３の張力が増加すると、これが回転部２０のトルクに打ち勝つので、回転部２０が回転する。したがって、図１１（ｂ）に示すようにδ０／Ｂが増加する。すると、図１１（ａ）に示すように膜構造体３の張力が減少する。なお、図１１（ｂ）の例では、一定以上の張力が加わると回転部２０が回転し、膜構造体３の繰り出し量が増加するが、これには上限ｙがある。高潮等の場合、これによる張力の増加は、図１１（ｂ）の閾値ｘを超えることが多いと思われ、そのような場合のほとんどで上限ｙの繰り出しが行われると考えられる。なお、後述の回転部（巻き込み機構）２０に、膜構造体３の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを設けるようにしてもよい（発明の実施の形態７参照）。
しかし、発明の実施の形態４はこれに限定されない。
また、トルクヒンジによらず、例えば、張力計、コンピュータ、モータによる制御系を構成し、張力に基づきコンピュータで回転部２０を所定角度回転させるようにしてもよい。
【０１３４】
符号２１は、膜構造体３の上縁を吊る懸垂装置で、その上端は頂部圧縮梁１１に固定されている。懸垂装置２１は、図１の隙間Ｘに設けられたものである。懸垂装置２１は、膜構造体３の頂部垂れ下がりを防止するものである。膜構造体３の形状（特にその上端の形状）を安定させることもできる。
【０１３５】
発明の実施の形態４に係る膜式水門の動作について説明を加える。
【０１３６】
平水時には、回転部２０はその反力トルクで膜構造体３の余剰長さ（水路幅Ｂつまり支持柱２と２’の距離を超える膜構造体３の長さ）を巻き取ってδ０＝０の状態を保っている。
【０１３７】
高潮や津波の襲来時には、膜構造体３の張力が増加して回転部２０に作用するトルクがその反力トルクに勝ち、回転部２０に巻き取られていた膜構造体３の端部が引き出されてＬ＞Ｂの状態となる。図１１（ｂ）に示すように、引き出し量には上限ｘを設けてもよい（そのための構成については発明の実施の形態７参照）。
【０１３８】
発明の実施の形態４に係る膜式水門は、上記のように動作するので、膜構造体３は、平水時にδ０＝０展張の状態にあって形状が確定するのでボタン操作が可能であり、高潮時にはδ０／Ｂ＞０の状態にあるので膜張力が上昇することはない。
【０１３９】
また、発明の実施の形態１で図４及び図５を参照して説明した、膜張力上昇と共に現れる筈の膜構造体３の底部上昇も同じ理由で減少する。しかるに、水圧差Δｈによる頂部の弾性変位量が０で、且つ、δ０／Ｂ≠０であるから頂部垂れ下がりの発生が予想される。そこで、懸垂装置２１で垂れ下がりを強制的に防止するとよい。
【０１４０】
なお、回転部２０の反力トルク機構で発生する反力トルクの大きさは、膜構造体３の端部引き出しによる回転部２０の回転に伴い若干増すが、膜張力の上昇を相殺できた角度で回転を停止させ、膜張力を、回転部２０を含む枠組み圧縮梁に転嫁するようにしてもよい。
【０１４１】
図１４は、回転部２０の必要回転角度とδ０／Ｂの関係を示す計算例である。水門の設置条件により計算結果は異なるが大差はない。例えば、δ０／Ｂ＝１０％、１４％、２５％に対して必要回転角度は約３０度、６０度、１８０度である（計算条件は後述）。回転部２０が必要とする最小トルクは平水時に膜構造体３が巻き込める程度でよく、又、回転角度も限定される。従って、反力トルク機構は動力を必要とせず、家屋の門扉や船舶のハッチカバーの固定に用いられるトルクヒンジの様に、エネルギー回収能力を備えた単純な機構で実現できる。また、懸垂装置２１はスプリング、綱鎖、ロープ、又はこれらの組み合わせ等、その形態と機能は種々あり得る。
なお、上記計算例は図１の構造に基づくものである。図１は、定量的な計算に基づき、本発明の実施の形態に係る膜式水門がその効果を適切に発揮できるように設計されたものを示しており、図１において、各部の長さ・幅等は正しいプロポーションを反映している。例えば、図１において、支持柱２、２の直径はいずれも３．７ｍであり、径間Ｂは７５ｍである（径間Ｂと支持柱２、２の直径の比は、２０：１程度である）。上記数値例は、図１のプロポーションに基づくものである。
本発明の実施の形態のトルクヒンジには、非常に大きな力（単位長さ（ｍ）当たり何トンもの力）が加わるため、膜構造体を幾重にも巻き取るといった機構を実現することは非常に困難である。したがって、実際上は９０度程度の回転がせいぜいである。回転角度が小さいほど、本発明の実施の形態に係るトルクヒンジの実現は容易になるから、トルクヒンジを用いる場合、トルクヒンジが３０度程度回転し、このときδ０／Ｂ＝１０％となることが好ましい。δ０／Ｂ＝１０％であっても、図１１によれば張力は半分になるから、その効果は大きい。
トルクヒンジの回転角度の上限が、例えば３０度になるようにストッパを設けるようにしてもよい（発明の実施の形態７参照）。
【０１４２】
発明の実施の形態４によれば、平水時に反力トルクで膜構造体が巻き取られてδ０=０展張が実現することにより、膜構造体の張力上昇を抑制することができ、膜構造体の必要強度が低下しコストダウンを実現することができる。しかも、「課題１：水門の開閉を迅速に行うことができない」及び「課題２：アンカーレッジに加わる荷重が大きくなり過ぎる」を解決することができた。
【０１４３】
また、懸垂装置を設けることにより、「課題３ａ：膜構造体上部の変形により漏水する」を解決することができた。
【０１４４】
発明の実施の形態５．
図１５（ａ）は、発明の実施の形態５に係る膜式水門の正面図（部分図）、図１５（ｂ）は、図１５のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【０１４５】
図１５は、膜構造体３を引き出して起立させた状態（膜構造体３が概ね鉛直方向に広がり、水路の水流を遮っている状態）を示している。膜構造体３が水底下に引き込まれ、水路の水流を遮っていない状態の図示は省略した。
【０１４６】
図１５において、膜式水門を構成する要素を示し、水路、その底や堤防、護岸Ｓなどの表示は省略している。
【０１４７】
図１５は、展伸・撤収の点において、発明の実施の形態２の底部収納方式を採用したものであるが、これには限定されず、上部格納方式・側部格納方式・スイング方式などの方式を採用することができる。
【０１４８】
符号２２は、石柱１５の中に設けられた傾斜戸溝である。傾斜戸溝２２は、川側と海側のそれぞれについて設けられている（なお、一方からの圧力のみを考慮する場合はそれに対応する一方側、例えば、高潮のみを考慮するのであれば川側のみに傾斜戸溝２２を設ければよい）。図１５（ｂ）の断面図からわかるように、傾斜戸溝２２の断面は、それを構成する直線に直交する法線が下側（水底Ｔ）側を向くようになっている。したがって、高潮などにより大きな水圧を受けると、膜構造体３は水位の高い方から力を受け、水位の低い方へ倒れるようになる。支持柱２は傾斜戸溝２２にもたれかかるようになってこれに接するようになる。したがって、膜構造体３の法線は下側を向くようになる。
【０１４９】
図１５（ｂ）において、戸溝が垂直である場合の膜構造体３に作用する水平力（図４の水平力Ｆｈと同じもの）を点線矢印で表すと、傾斜戸溝２２の作用で支持柱２が傾斜している時の水平力Ｆｈ’は実線矢印のように下方向を向く。この水平力Ｆｈ’の鉛直成分は、図４の浮力Ｆｂと打ち消しあう。したがって、図４の合力Ｆｇの鉛直上側の成分を減少させること、水平力Ｆｈ’の鉛直成分を浮力Ｆｂと同じにして鉛直上側の成分をゼロにすること、水平力Ｆｈ’の鉛直成分をもっと大きくして合力Ｆｇを下（水底）へ向けること、が可能である。これにより、「δ０=０展張」を実現しつつ「課題３ｂ：膜構造体の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水」を解決することができる。
【０１５０】
図１６は、戸溝（溝）β及びそこに設けられた傾斜戸溝２２の説明図（Ｂ−Ｂ断面図）である。なお、傾斜戸溝は符号βと符号２２を合わせたものを指すが、ここでは説明の便宜上、両者を区別している。
【０１５１】
戸溝βは、図７に示したものと同じものである。なお、展伸・撤収の点において、発明の実施の形態５は底部収納方式に限定されないのは前述したとおりである。
【０１５２】
傾斜戸溝２２は、膜構造体３に加わる力に下方向のベクトルを持たせるためのものである。
【０１５３】
傾斜戸溝２２が存在するため、戸溝の上部開口幅ｆは、下部開口幅ｅよりも大きい（ｆ＞ｅ）。その傾斜角をθとすると、膜構造体３に加わる力は、傾斜戸溝２２が存在しない場合と比べて、θだけ下を向く。θを、図４の合力Ｆｇの向き（−θ）と同じ大きさで符号を反対とすることで、合力Ｆｇの上向き成分を打ち消すことができる。すなわち、θの大きさを、図４の合力Ｆｇの水平線に対する角度と同じにする。言い換えれば、水位差により膜構造体３に作用する力Ｆｈ’の鉛直成分が、浮力Ｆｂと相殺するようにすればよい。
【０１５４】
発明の実施の形態６．
発明の実施の形態６に係る膜構造体３について説明する。この膜構造体３の説明図を図１７に示す。同図（ａ）は膜構造体３（ケーブルＣＡ）の高さ方向の剛性の変化を示す模式図であり、同図（ｂ）は膜構造体３の断面図を示す。膜構造体３はＬ０の高さをもつものとする。
【０１５５】
この膜構造体３は、水平方向に延びる多数の超高強度材料で形成したケーブルＣＡを備えるものであり、そのフープテンションで水圧差に耐える構造である。しかも、図１７（ａ）の実線や点線で示されるように、水路中央の垂直断面において、ケーブルＣＡの剛性を底部から上部に向けて減少させている（言い換えれば、上部から底部に向けて増加させている）。ケーブルＣＡの延びで膜構造体３の垂直中央断面に変形が生じるが、図１７（ａ）で示すように、その変形の程度には差が生じる。すなわち、剛性の高い底部での変形は小さく、剛性の低い上部での変形が大きくなる。剛性の変化は、図１７の実線のような直線、点線のようなステップ状などが考えられる。指数関数や双曲線などの曲線でもよい。剛性を上部から底部に向けて増加させる程度は、図１８に示すように、膜構造体３の中程の中間部分が膨らみ、全体として前屈みになるようにする。例えば、膜構造体３の下端付近、あるいは想定される水位差において下側の水面の近傍において、剛性を特に高めることが考えられる。
【０１５６】
このため、水位差が生じたとき、発明の実施の形態６に係る膜構造体３は図１８のように変形する。なお、剛性に変化を持たせない場合は図４のように変化する。両者を比較されたい。
【０１５７】
図１８は、発明の実施の形態６に係る膜式水門の膜構造体３の変形と作用力の説明図である。同図は、水路の中央を通る鉛直面で切断したときの膜式水門の断面図を示している。図面左側が港内であり、右側が港外である。同図において、同一又は相当部分については、図４と同一符号を付している。
【０１５８】
同図に示すように、ケーブルＣＡの剛性を垂直中央断面の底部から上部に向けて減少させるか上部から底部に向けて増加させることにより垂直中央断面の変位は前屈みとなる。膜構造体３の中央部が膨らむようになる。この部分（図１８で斜線を付した部分、符号ｋ）に存在する水の重さにより下降力Ｆｋが生じる。下降力Ｆｋは、浮力Ｆｂと打ち消しあう。これにより、発明の実施の形態５と同様に、膜構造体３に作用する水平力の方向は下方向に向きを変える。合力が水平または下方向であれば底部上昇は起こらないので、底部止水が容易になる。膜構造体３の底部は図１８の符号Ｚ’’の位置にあるが、この位置は図４の符号Ｚよりも低くなる。
【０１５９】
発明の実施の形態６によれば、膜構造体の作用水圧力が下方向に変化して膜構造体の底部の上昇が起こり難くなる。これにより、「課題３ｂ：膜構造体の浮かび上がりによる下部の隙間からの漏水」を解決することができる。なお、発明の実施の形態６によれば、δ０≠０の場合も課題３ｂを解決することができる。
【０１６０】
発明の実施の形態７．
発明の実施の形態４の回転部（巻き込み機構）２０に、膜構造体３の繰り出し量が予め定められた上限を超えないように制御するストッパを設けるようにしてもよい。例えば、回転部２０の回転角度が所定値（例えば３０度）になったときに、その回転を停止させる回転止め機構を設けるようにする。この種の機構は公知であるので、その具体的な構成に係る説明は省略する。
発明の実施の形態７に係る膜式水門によれば、膜構造体３の荷重が、図示しないストッパ、回転部２０、固定部１９、支持柱２を介して圧縮梁に伝達され、そこで相殺される。
発明の実施の形態７に係る膜式水門によれば、膜構造体に所定の水圧が加わるとすぐに膜構造体が繰り出され、ストッパでそれが停止される。ストッパで回転を止めることで膜構造体の張力を圧縮梁に伝達することができるのである。また、発明の実施の形態７に係る膜式水門は、発明の実施の形態４と同じ効果を奏する。
【０１６１】
発明の実施の形態８．
また、膜構造体３の水平方向構成材（例えばワイヤ）の径間中央（水路中央）における初期撓みδ０が、膜構造体３の底部から上部に向かって増加するようにしてもよい。
膜構造体３は水平方向に超高強度材料で形成した数多くのケーブルを配置し、そのフープテンションで水圧差に耐える構造である。初期撓みδ０により膜構造体３の垂直中央断面に形状変化が生じる。図１９の符号２０’のように、支持柱２の回転部２０の半径を、膜構造体３の底部から上部に向かって増加するように設定することにより（あるいは、同図符号２０’’に示すように回転部２０の水底寄りの一部について底部から上部に向かって増加するように設定してもよい）、膜構造体３の水平方向構成材の初期撓みδ０が膜構造体３の底部から上部に向けて増加する。δ０の量を垂直中央断面の底部から上部に向けて増加させることにより、垂直中央断面の変位は前屈みとなり、膜構造体３に作用する水平力は下方向に向きを変える（図１８参照）。したがって、このようなδ０の調整は発明の実施の形態６と同様の効果を奏する。水位差分布は時間とともに変化するので、様々な水位差分布と膜剛性の変化の組み合わせにより膜構造体３の垂直中央断面の形状も様々となる。δ０調整の効果確認には、変形形状に作用する浮力及び加工力を適切に把握することが不可欠である。
なお、δ０調整の目的は下降力を増やすことにあり、δ０量の増加範囲は必ずしも膜頂部まで達する必要はない。例えば、底部においてδ０＝０であり、膜構造体３の底部から中間高さである所定の高さ（例えば、全高の３０％乃至５０％のいずれかの高さ）までδ０が一定の割合ｋで増加していく。当該所定の高さでδ０＝ｘになったとする。そこから、膜構造体３の頂部（上端）までδ０＝ｘのままで一定である（あるいは一定の割合で減少させていってもよい。この場合、膜構造体３の頂部で再びδ０＝０となるようにもできる）。このように膜構造体３の下側で選択的にδ０を増加させることで、発明の実施の形態６と同様の効果を奏するとともに、膜構造体３の頂部でのδ０を小さくでき、頂部からの漏水を抑制することができる。
【０１６２】
なお、本発明の実施の形態に係る膜式水門に、図２０に示すように、船舶用の閘門を併設するようにしてもよい。この様な配置は緊急的船舶出入港ニーズから発想されるものであるが、活用次第で膜構造体の操作が可能な平水状態の長時間化が計れる。
【０１６３】
以上説明を加えてきた膜式水門に関し、その膜構造体について若干説明を加える。当該膜構造体は、水平方向に炭素繊維、アラミド繊維、ピアノ鋼線などの超高強度材料で形成したケーブルを配置し、そのケーブルを、高さ方向に化学繊維で編み上げたり、布に縫い込んだり／固定したり、ゴム／テフロン（登録商標）等でコーテイングする等、いろいろな方法で一体化して一枚の幕に仕上げたものであり、この構造により必要な水密機能を確保している。
【０１６４】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１６５】
２  支持柱
３  膜構造体
１１  頂部圧縮梁
１２  底部圧縮梁
１３  回転支承
１４  駆動設備
１５  石柱
１６  底部格納スペース
１７  枠組み圧縮梁
１９  固定部
２０  回転部
２１  懸垂装置
２２  傾斜戸溝
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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