(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】水路に介設する可動堰であって、堰本体と、水平方向に対して鋭角をなし、互いに平行且つ等長な一組の支持リンクと、を少なくとも含み、前記一組の支持リンクの一端は、前記堰本体にそれぞれヒンジ結合し、前記一組の支持リンクの他端は、不動点にそれぞれヒンジ結合する。【選択図】図１
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【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、
堰本体と、
水平方向に対して鋭角をなし、互いに平行且つ等長な一組の支持リンクと、を少なくとも含み、
前記一組の支持リンクの一端は、前記堰本体にそれぞれヒンジ結合し、
前記一組の支持リンクの他端は、不動点にそれぞれヒンジ結合する、
ことを特徴とする、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：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。
【０００３】
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。
【０００４】
前記（ａ）に相当する、特許文献１に記載の放水ピットは、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。
【０００５】
前記（ｂ）に相当する方法として、特許文献２に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ある。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。
【０００６】
また、前記（ｂ）に相当するその他の方法として、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−００４７８７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２９５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
（１）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。
【００１０】
（２）水位調整機能の観点
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、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。
【００１１】
（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。
【００１２】
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】
【００１３】
上記の課題を解決すべくなされた本願の発明は、水路に介設する可動堰であって、堰本体と、水平方向に対して鋭角をなし、互いに平行且つ等長な一組の支持リンクと、を少なくとも含み、前記一組の支持リンクの一端は、前記堰本体にそれぞれヒンジ結合し、前記一組の支持リンクの他端は、不動点にそれぞれヒンジ結合することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、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。
【００１５】
（１）発泡抑制機能の観点
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、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たりせずとも、落水による発泡を確実に防止することができる。
【００１６】
（２）水位調整機能の観点
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。
【００１７】
（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】
【００１８】
【図１】本発明に係る第１実施例の可動堰を示すモデル図。
【図２】堰本体の作動根拠を示す計算式の変数を示すモデル図。
【図３Ａ】本発明に係る可動堰の状態遷移（着底状態）を示す概略図。
【図３Ｂ】本発明に係る可動堰の状態遷移（浮上状態）を示す概略図。
【図３Ｃ】本発明に係る可動堰の状態遷移（沈降から静止状態）を示す概略図。
【図４】本発明に係る可動堰等における流量の増減に対する水位差の変動を示す比較図。
【図５】本発明に係る第２実施例の可動堰を示すモデル図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、各図面を参照しながら、本発明に係る可動堰の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００２０】
＜１＞全体構成
本発明に係る可動堰は、堰本体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。
【００２１】
図１に、本発明に係る第１実施例の可動堰を示すモデル図を示す。
本実施例に係る可動堰Ａは、水路に介設するものであって、堰本体１と、堰本体１を昇降自在に連結する一組の支持リンク２と、を少なくとも含んで構成する。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
【００２２】
＜２＞堰本体
堰本体１は、いわゆる潜り堰として、堰本体の抵抗によって水路内の水位差を保持するための部材である。
堰本体１は、公知の構造、形状を採用するものであり、詳細な説明は省略する。
【００２３】
＜３＞一組の支持リンク
一組の支持リンク２は、前記堰本体を支持する為の部材である。
一組の支持リンク２を構成する支持リンクは、堰本体１の姿勢を安定させる観点から、側面視して少なくとも二本を要するが、本数は特に制限されず、設計上望ましい態様で適宜決定することができる。
本実施例では、一組の支持リンク２は、側面視して二本の支持リンク（２ａ，２ｂ）で構成する。
【００２４】
＜３．１＞各支持リンクの配置
各支持リンク２ａ、２ｂは等長であり、側面視して互いに平行となるよう配する。
また、各支持リンク２ａ、２ｂは、水平方向に対して鋭角に傾斜した状態を維持するように配する。より詳細には、堰本体が着底する状態で水平方向に対して鋭角に傾斜しているようにする。
本実施例では、支持リンク２ａ、２ｂの端部２２は、略鉛直方向に引いた仮想線（仮想の鉛直線３ａ）上に配してある。
【００２５】
＜３．２＞堰本体との連結
一組の支持リンク２の一端２１は、堰本体１にそれぞれヒンジやピンなどの回動機構を介して結合する。本実施例ではヒンジ４１を用いている。
堰本体１との連結位置は、設計上適宜決定すればよい。
【００２６】
＜３．３＞不動点との連結
一組の支持リンク２の他端２２は、不動点５にそれぞれ前記回動機構を介して結合する。本実施例ではヒンジ４２を用いている。
前記不動点５とは、点の位置が移動せずに固定されているという意で用いており、図示しない水路の側壁や、水路の幅方向や前後方向に延設する部材などに設定することができる。
【００２７】
＜３．４＞連結後の構造
前記した連結態様により、本発明に係る可動堰は、前記一組の支持リンク２と、該一組の支持リンク２の端部間を結ぶ仮想の鉛直線３ａと、堰本体１の平面とで側面視して平行四辺形が形成される。
そして、各支持リンク２ａ，２ｂの端部はヒンジ４１，４２で結合されるため、前記した平行四辺形は、前記仮想の鉛直線３ａを静止節に見立てた平行クランク機構Ｚを呈することとなる。
この平行クランク機構Ｚにより、堰本体１は、鉛直状態を維持したまま、上下に昇降自在な構造となり、堰本体１と水路底面の間に開口Ｂが形成自在となる。
【００２８】
＜４＞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浮上動作または沈降動作に遷移する根拠に係る計算式を示す。
【００２９】
図２は、以下の計算式に用いる変数を表したモデル図である。
このモデル図における堰本体は、説明の便宜上、十分薄く浮力が無視できるものとする。
【００３０】
＜４．１＞水位差と支持リンクの角度の関係
水圧として静水圧を仮定すると、鉛直方向、水平方向の力のつり合いおよび幾何学的条件から、以下の方程式が成り立つ。
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【００３１】
ここでＦ１＋Ｆ２＝Ｆと置くと、式（１）、（２）は、
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【００３２】
式（４）から
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【００３３】
式（５）に代入すると
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【００３４】
これに、式（３）を代入すると、
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【００３５】
と置くと
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以上、式（９）より、ｈ０を一定とした場合のθとΔｈの関係が導かれる。
【００３６】
＜４．２＞水位差と流量の関係
次に、速度水頭を無視し、損失係数ｆがほぼ一定と仮定すると、次式が成り立つ。
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【００３７】
式（３）を代入して
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よって、式（１１）により、θ、Δｈに対するｑが求められる。
【００３８】
＜５＞作動原理の詳細
さらに、本発明に係る可動堰の作動原理の詳細について、図３Ａ〜図３Ｃに示す状態遷移図を参照しながら説明する。
【００３９】
＜５．１＞上流側の流量が無い状態（流量＝０）
図３Ａに、可動堰が着底し且つ上流側の流量が無い状態を示す。
図３Ａ中、（ａ）は従来のフラップ式の潜り堰の概略図であり、（ｂ）は本発明に係る可動堰の概略図であり、（ｃ）は前記（ａ）と（ｂ）における流量と水位差の関係を示すグラフである。
なお、以下に示す各支持リンクにおける水位差による水平力は、全体の水平力から支持リンクの本数や取付位置などの要因によりそれぞれ分解されていることを前提として説明する。他の値についても同様である。
【００４０】
可動堰Ａは水路の底面に接地した状態であり、ある支持リンクの一端のヒンジにおける力のモデル図は、水位差による水平力Ｆ０と、堰本体の自重Ｐｄの合力であるＰ０によって示される。合力Ｐ０の角度はθ０である。
この状態では、水位差に基づく水平力Ｆ０が不足しているため、自重Ｐｄによって、堰本体１は沈降し、水路底面に接地したままである。
【００４１】
＜５．２＞浮上開始状態（流量＝Ｑ１の場合）
図３Ｂに、上流側に流量が得られ、水位差の増加によって可動堰が浮上し始める状態を示す。
堰本体１によって水路を遮断している状態から上流側の流量が増加すると、上流側の水位が上昇し（ｈ０→ｈ１）、水位差も増加していく（Δｈ０→Δｈ１）。
水位差が増加すると、上流側と下流側の水圧差に起因する水平力も増加する（Ｆ０→Ｆ１）。
この水平力の増加により、自重Ｐｄとの合力Ｐ１の角度θ１は、支持リンク２ａ，２ｂの角度δ０よりも小さくなる。
この合力Ｐ１により、一組の支持リンク２は、ある水位差に達した時点から図３Ｂにおける反時計回りに回動し始めて、堰本体１は、鉛直状態を維持したまま浮上する方向に遷移することになる。
【００４２】
＜５．３＞沈降開始状態（流量＝Ｑ１）
図３Ｃに、堰本体１の浮上（水路の復帰）による水位差の低下によって可動堰が沈降し始める状態を示す。
前記した水位差の増加により、堰本体１が浮上側に遷移すると、水路底面と堰本体１との間に開口が生じ、上流側で堰き止められていた水が下流側へと流れ始める。
この水の流れによって上流側の水位は上げ止まり、低下方向へと遷移し始める。
上流側の水位が低下に転じ、水平力が減少（Ｆ１→Ｆ１’→Ｆ１”）し始めると、自重Ｐｄとの合力の角度は次第に大きくなる。
この合力により、一組の支持リンク２は、図３Ｃにおける時計回りに回動して、堰本体１は、鉛直状態を維持したまま沈降する方向に遷移することになる。
【００４３】
＜５．４＞釣り合い状態（流量＝Ｑ１）
引き続き図３Ｃを参照する。
上流側の水位の低下と堰本体の沈降が推移していくと、ある時点で、水平力Ｆ１”と、自重Ｐｄとの合力Ｐ１”の角度θ１”と、各支持リンク２ａ，２ｂの角度δ１”が一致する。この時点の水位ｈ１”で堰本体は静止状態となる。
よって、流量がＱ１の場合、上流側と下流側の水位差はΔｈ１”で安定することとなる。
【００４４】
＜５．５＞異なる流量での水位差の遷移（流量＝Ｑ２，Ｑ３・・・の場合）
従来のフラップ式の潜り堰と、本発明の可動堰における、流量の増減に対する水位差の変動を示す比較図を、図４に示す。
図５は、前記＜５．１〜５．４＞で設定した流量（Ｑ１）をさらに増加した値（流量＝Ｑ２，Ｑ３，・・・の場合）とした場合の、水位差の変動をシミュレーションしたものである。
図５に示すよう、流量の増減があっても、可動堰の動作は変わらず、浮上と沈降を繰り返して、所定の水位差（Δｈ２”，Δｈ３”，・・・）に落ち着いていく。
この水位差を結ぶ勾配は、従来のフラップ式の固定堰よりも緩やかである。
よって、本発明に係る可動堰は、従来のフラップ式の固定堰よりも、水位差の変動幅を狭い範囲に抑えることができる。
この水位差は、支持リンク２の長さと支持リンク２の角度θの設定によって調整可能であり、許容される水位差や構造的な制限により適切に設定することができる。
【００４５】
＜５．６＞まとめ
このように、本発明に係る可動堰は、支持リンクの長さ、取付位置、堰本体の重さを適切に設計することによって、水路の上流側と下流側との水位差によって堰本体に生じる水平力と該堰本体の自重との合力の角度が、前記支持リンクの傾斜角度と揃うように、堰本体が可動（浮上又は沈降）するよう構成することができる。
この可動堰によれば、上流側で水位が増加しても、堰本体を乗り越えて落水が発生することは無い。そして、流量の増減にかかわらず、上流側と下流側の水位差を略一定に保つことができる。
【実施例２】
【００４６】
本発明に係る第２実施例の可動堰について説明する。
本発明に可動堰は図５に示すように、略水平方向に配する一組の支持リンク２の各他端（不動点５）を気中に配するように構成することもできる。
このように構成すれば、一組の支持リンク２を気中に設置されるため、メンテナンス性が良好となる。
このとき、一組の支持リンク２の一端を結ぶ仮想線も略水平方向となるため、堰本体１は、ヒンジ結合した箇所からさらに鉛直方向に屈曲した形状とすればよい。
【実施例３】
【００４７】
本発明に係る可動堰における平行クランク機構Ｚは、前記した実施例１，２のように、一組の支持リンク２の一端２１を結ぶ線が、略鉛直方向または略水平方向に限定されるものではない。
例えば、一組の支持リンク２の一端２１を結ぶ線が鉛直方向に対して、一定の角度を呈しているときには、堰本体１は、一組の支持リンク２の一端２１をヒンジ結合した箇所からさらに鉛直方向に屈曲した形状とすればよい。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ    可動堰
Ｂ    開口
Ｘ    上流側
Ｙ    下流側
Ｚ    平行クランク機構
１    堰本体
２    一組の支持リンク
２ａ、２ｂ  支持リンク
２１  一端
２２  他端
３ａ  仮想の鉛直線
３ｂ  仮想の水平線
４１，４２  ヒンジ
５    不動点
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
2015140515.tif 000029
【図５】
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