(57)【要約】【課題】砂防ダムを利用した水力発電設備において、発電用通水管の周囲の土砂を連続的に効率よく排砂して沈殿物等を除去し、発電用通水管の周囲の土砂の堆積を防止して通水路を確保し、発電用の通水管内への土砂の混入や取水口の閉塞がないようにする。【解決手段】ダム堤体の上流側と下流側の間のサイフォン機能を備えた発電用通水管及び前後両端を開放した開口部付きのパイプを組として構成し、開口部付きのパイプの前部開口端をダム堤体の上流側に位置させると共に、開口部付きのパイプの後部開口端をダム堤体の下流側に位置させ、且つ、前記開口付きのパイプを発電用通水管の取水口近傍の下方位置に維持して配置し、前記開口付きのパイプの管路内を水が流れるに伴い生じる負圧により、前記開口付きのパイプの上流側開放端部より水を流入するに際して、発電用通水管の下部や周囲の沈殿物、堆積物をパイプ開口部から吸引させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダムや堰を利用した水力発電設備において、ダム堤体の上流側と下流側の間に、サイフォン機能を備えた発電用通水管及び前後両端を開放し、ある部分の長さの下面側に開口部が付いたパイプを組として構成し、パイプの開口部が付いた一端側をダム堤体の水位が高い方の上流側に位置させると共に、そのパイプの他端側をダム堤体の下流側に位置させ、且つ、前記パイプの開口の付いた一端側を発電用通水管の取水口近傍の下方位置に維持して配置し、前記開口部が付いたパイプ内を水が流れるに伴い生じる負圧により、発電用通水管の取水口下部や周囲の沈殿物、堆積物をパイプの開放端および／または開口部から吸引させ、これによって発電用通水管の取水口下部や周囲の沈殿物、堆積物又は集積物を除去し、発電用通水管の取水口へ流水を導く通水路を確保することを特徴とする水力発電の発電用通水管取水口への通水路確保およびダムや堰背面の土砂除去方法。
【請求項２】
請求項１において、上流側の開口部がついたパイプ及び／又は発電用通水管の周辺を防護し、下面側に開口部がついたパイプで除去できない巨大礫をダム等の上流側や発電用通水管の取水口付近に堆積させないことを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口への通水路確保およびダムや堰背面の土砂除去方法。
【請求項３】
両開放端をダムや堰の両側に配置した開口部の付いたパイプの最高位を通常時水位より高くかつ洪水時水位より低い所定の高さにセットすることにより、洪水時にダム背面の水位が上昇し、開口部の付いたパイプの最高位を越えたときには、このパイプを利用した土砂を除去するサイフォン作用が起動し、洪水終了と共にダム背面の水位が下降してこの開口部の付いたパイプの最高位を下回ったときには、サイフォンが切れて自動的に停止することを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口への通水路確保およびダムや堰背面の土砂除去方法。
【請求項４】
ダムや堰を利用した水力発電設備において、ダム堤体の上流側と下流側の間のサイフォン機能を備えた発電用通水管及び前後両端を開放し、ある部分の長さの下面側に開口部が付いたパイプを組として構成し、パイプの開口部が付いた一端側をダム堤体の水位が高い方の上流側に位置させると共に、そのパイプの他端側をダム堤体の下流側に位置させ、且つ、前記パイプの開口の付いた一端側を発電用通水管の取水口近傍の下方位置に維持して配置し、前記開口部が付いたパイプ内を水が流れるに伴い生じる負圧により、発電用通水管の下部や周囲の沈殿物、堆積物をパイプの開放端および／または開口部から吸引させ、これによって発電用通水管の下部や周囲の沈殿物、堆積物又は集積物を除去することを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置。
【請求項５】
下面側に開口部がついたパイプは、その開口部が付いた一端側から発電用通水管の取水口下方位置へダム背面に貯まった水を導くよう、配設したことを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置。
【請求項６】
請求項５において、パイプの下面側に配置された開口部が、連続した開口又は複数の開口からなることを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれかにおいて、開口部がついたパイプで除去できない巨大礫をダム等の上流側や発電用通水管の取水口付近に堆積させないため、上流側の開口部がついたパイプ及び／又は発電用通水管の周辺に防護囲いを設けたことを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置。
【請求項８】
両開放端をダムや堰の両側に配置した開口部の付いたパイプの最高位を通常時水位より高くかつ洪水時水位より低い所定の高さにセットすることにより、洪水時にダム背面の水位が上昇し、開口部の付いたパイプの最高位を越えたときには、このパイプを利用した土砂を除去するサイフォン作用が起動し、洪水終了と共にダム背面の水位が下降してこの開口部の付いたパイプの最高位を下回ったときには、サイフォンが切れて自動的に停止することを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、小規模ダム、特に多目的ダム、砂防ダム等における水力発電設備における通水管取水口付近の堆積土砂の除去方法及びその除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年地球温暖化防止対策として、自然や環境にやさしい太陽光、風力、波力などの自然エネルギーの活用が注目され、その開発や導入が進められている。
【０００３】
その中の一つに多目的ダム、砂防ダムなどの小規模ダムを利用した小水力発電設備がある。小規模ダム堤体上部の取水場から取水した水を落差を利用して発電機まで送水して発電するものである。この小水力発電設備は、大規模ダムを建設するのとは違い、砂防設備や堰などをそのまま、あるいは少しの変更で発電に利用できるので、大規模な環境破壊、住民の移住などを生じさせない。また、少ない水量と落差で発電が可能であり、最近では、高効率の発電機が開発され、経済性も向上している。発電された電力は地域の公営施設その他への利用ができる。このような背景のもと、小規模ダムを利用した小規模水力発電設備が普及し始めている。
【０００４】
しかしながら、上記小規模水力発電設備において、以下に述べる問題を残していた。
【０００５】
小規模水力発電の方法は、ダム堤体の上流部から取水し、下流側に落水し、その落水エネルギーを利用して発電機で発電する。このとき、ダム堤体の上流部の取水口周辺には、上流側から流れてきた土砂などが堆積し、発電用通水管が土砂を吸引することになり、水車発電機のインペラーや発電用通水管の管内、特に曲管部の磨耗が起こる。または、取水口周辺に土砂などが堆積し、取水口を閉塞したり、流水が取水口まで流れ込む通水路が閉塞され、取水が不可能になる。その結果、設備の発電能力の低下、破損などが生じることとなり、そのための修繕の手間、費用が嵩むことになる。特に土砂流を防ぐために造られた砂防ダムについては、この傾向が強いものであった。
【０００６】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、砂防ダムを利用した水力発電設備において、発電用通水管取水口の周囲の土砂を連続的に効率よく排砂し、発電用通水管取水口の周囲に土砂が堆積せず、発電用の通水管内に土砂が混入しないようにする技術手段を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、前記課題を解決するものとして、第一には、ダムや堰を利用した水力発電設備において、ダム堤体の上流側と下流側の間に、サイフォン機能を備えた発電用通水管及び前後両端を開放し、ある部分の長さの下面側に開口部が付いたパイプを組として構成し、パイプの開口部が付いた一端側をダム堤体の水位が高い方の上流側に位置させると共に、そのパイプの他端側をダム堤体の下流側に位置させ、且つ、前記パイプの開口の付いた一端側を発電用通水管の取水口近傍の下方位置に維持して配置し、前記開口部が付いたパイプ内を水が流れるに伴い生じる負圧により、発電用通水管の取水口下部や周囲の沈殿物、堆積物をパイプの開放端および／または開口部から吸引させ、これによって発電用通水管の取水口下部や周囲の沈殿物、堆積物又は集積物を除去し、発電用通水管の取水口へ流水を導く通水路を確保することを特徴とする水力発電の発電用通水管取水口への通水路確保およびダムや堰背面の土砂除去方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
また、上流側の開口部がついたパイプ及び／又は発電用通水管の周辺を防護し、開口部が付いたパイプで除去できない巨大礫をダム等の上流側や発電用通水管取水口付近に堆積させなくしたり（請求項２）、水力発電設備の発電用通水管取水口へ通水路確保したり、両開放端をダムや堰の両側に配置した開口部の付いたパイプの最高位を通常時水位より高くかつ洪水時水位より低い所定の高さにセットすることにより、洪水時にダム背面の水位が上昇し、開口部の付いたパイプの最高位を越えたときには、このパイプを利用した土砂を除去するサイフォン作用が起動し、洪水終了と共にダム背面の水位が下降してこの開口部の付いたパイプの最高位を下回ったときには、サイフォンが切れて自動的に停止する（請求項３）水力発電設備の発電用通水管取水口への通水路確保およびダムや堰背面の土砂除去方法をも提供する。
【０００９】
さらに、この出願の発明は、第二には、ダムや堰を利用した水力発電設備において、ダム堤体の上流側と下流側の間のサイフォン機能を備えた発電用通水管及び前後両端を開放し、ある部分の長さに開口部が付いたパイプを組として構成し、パイプの開口部が付いた一端側をダム堤体の水位が高い方の上流側に位置させると共に、そのパイプの他端側をダム堤体の下流側に位置させ、且つ、前記パイプの開口の付いた一端側を発電用通水管の取水口近傍の下方位置に維持して配置し、前記開口部が付いたパイプ内を水が流れるに伴い生じる負圧により、発電用通水管の下部や周囲の沈殿物、堆積物をパイプの開放端および／または開口部から吸引させ、これによって発電用通水管の下部や周囲の沈殿物、堆積物又は集積物を除去することを特徴とする水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置（請求項４）を提供する。
【００１０】
また、さらに、この出願の発明は、開口部付きのパイプをその開口部が発電用通水管の取水口下方位置へとダム背面に貯まった水を導くように配設したり（請求項５）、パイプの開口部を連続した開口又は複数の開口から構成したり（請求項６）、開口部がついたパイプで除去できない巨大礫をダム等の上流側に堆積させないため、上流側の開口部がついたパイプ及び／又は発電用通水管の周辺に防護囲いを設けたり（請求項７）、両開放端をダムや堰の両側に配置した開口部の付いたパイプの最高位を通常時水位より高くかつ洪水時水位より低い所定の高さにセットすることにより、洪水時にダム背面の水位が上昇し、開口部の付いたパイプの最高位を越えたときには、このパイプを利用した土砂を除去するサイフォン作用が起動し、洪水終了と共にダム背面の水位が下降してこの開口部の付いたパイプの最高位を下回ったときには、サイフォンが切れて自動的に停止する水力発電設備の発電用通水管取水口周辺の沈殿物等除去およびダムや堰背面の土砂除去装置（請求項８）をも提供する。
【００１１】
なお、上記したこの発明におけるダムや堰を利用した水力発電設備は、約１００ｋｗ規模以下の発電容量の水力発電設備への適用が好適であるが、１００ｋｗ規模それ以上の発電容量のものにも利用できることはもちろんである。
【００１２】
【発明の実施形態】
この出願の発明は、前述のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
前述の通り、この出願の発明においては、下面に開口部がついたパイプの開口部をダム堤体の上流側の発電用通水管の取水口下方位置に維持させる。開口部がついたパイプを敷く場所は、土砂の堆積を考え、堤体の面に沿って敷設するのが一般的と思われるが、実際に土砂が堆積しやすいところやダム背面に貯まった水を導きやすいところに敷設するなど状況に応じて、敷く場所を選定する。
【００１４】
また、開口部がついたパイプの上流開放端部である前部開口端が、土砂の堆積面より上の位置で水中であればよい。
【００１５】
このとき使用される開口付きパイプの形状は、円形、角型の他どのような形状でも良く、また開口部の形状も連続した開口や、円形、角型、楕円形などが間欠的に連続したものでもよい。
【００１６】
開口の形成位置には限定はないが、排出させる堆積物に開口部が対向するように下方に開口したものがよく、また、パイプ断面における開口率は特に限定しない。開口率は軸方向に形成されるスリット、又は穿孔において、一定とすることも、可変とすることもでもできる。
【００１７】
また、上流の開口付きパイプ及び通水管の周辺の防護囲いを設置し、防護する工夫を施すが、これは、朽木や石などが開口付きパイプ又は通水管の開口部に入ってくるのを防ぐもので、防護囲いの具体例としては、水が通過するもの、例えば格子状で堅牢なものが良いが、これに特定されるものではない。
【００１８】
開口付きパイプ及び通水管の逆Ｕ字状配管部の設置高さは、ダムや堰堤の越流高より上にも下にも設置できる。
【００１９】
また、下流開放端部は、上流側水面より下に位置するようにしてあればよいが、その位置については，特に特定しない。
【００２０】
パイプ材料には、鋼管、ライニング鋼管、鋳鉄管などの金属、塩化ビニールや高密度ポリエチレンなど各種の高分子材料を使用することができる。
【００２１】
以下、この出願の発明について、図面を用いてさらに詳細に説明する。
【００２２】
【実施例】
図１は、本発明の実施例を示した断面図である。
【００２３】
地盤（５）に下流堰（９）、下流底盤（１０）及びダム堤体（６）が建設される。
ダム堤体（６）の上流側に水（７）が水位（８）をなして貯蔵され、下流堰（９）、ダム堤体（６）間の下流底盤（１０）には水位（１２）をなして水（１１）が貯蔵される。通常上流側の水位（８）は下流側の水位（１２）より高くなっている。
発電用通水管（２）が逆Ｕ字状をなす部分においてダム堤体（６）を越えて設置され、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）はダム堤体（６）の上流側の水中に浸漬して配置され、他方排水口（２ｂ）は下流側低位置に開放して配設されている。発電用通水管（２）に水を満たしてサイフォンによる落水を行うため、図２に示す真空ポンプ（１４）が設けられる。サイフォン作用を働かせて水中に浸漬した発電用通水管（２）の取水口（２ａ）から、水（７）を取水して下流側の水力発電機（１３）に送水することによって、発電可能となっている。
【００２４】
前後両端を開放した開口部付きのパイプ（１）もその逆Ｕ字状をなす部分においてダム堤体（６）を越えて又はダム堤体（６）を貫通させて設置される。開口部付きのパイプ（１）は前後両端が開口する前部開口端（１ａ）及び後部開口端（１ｂ）を有し、前部開口端（１ａ）に続く直線状配管部分の表面に軸方向に開口部（１ｃ）が形成されている。この開口部（１ｃ）は、平面図である図面２に示すように、複数の穿設された楕円孔や円形の開口であるが、連続した開口とすることもできる。
【００２５】
ここで、前後両端を開放した開口部付きのパイプ（１）は、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）の下方に位置して配設させる。望ましくは、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）の下方から、表面に軸方向に開口部（１ｃ）が形成された直線状配管部分（３）を表面近くまで設置する。
【００２６】
開口部付きのパイプ（１）も、発電用通水管（２）と同様に、開口部付きのパイプ（１）に水を満たしてサイフォンによる落水を行う。このため、真空ポンプ（１４）を併用することができる。この場合、別途真空ポンプを設置することも可能である。また、サイフォンによる落水を行うための、サイフォンの開始に当たっては、開口部付きのパイプ（１）にバルブをつけたポンプにより開口部付きのパイプ（１）内に注水することでもサイフォンを起動させることもできる。
【００２７】
そして取水口（２ａ）の下方やその周囲に堆砂が生成された場合でも、堆積したその堆砂を開口部付きのパイプ（１）の開口部（１ｃ）から吸い込み、ダム下流側に排砂することによって、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）からは、堆積している土砂、沈殿物、堆積物などを吸込まないようにすることができる。
【００２８】
また、図１，２に示すように、開口部がついたパイプ（１）の開口部の周囲には、格子や網などの防護囲い（４）が設けられ、これによって、発電用通水管（２）の周辺も防護囲い（４）により包囲されることになるため、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）における巨大岩塊、木片などによる閉鎖を避けると同時に下流への流下を促進することができる。
【００２９】
開口部がついたパイプ（１）の開口部（１ｃ）は、図１に示すように発電用通水管（２）の取水口（２ａ）下方に位置した直線状配管部分（３）に配設され、直線状配管部分（３）は、図２に示すように取水口下方位置からダム堤体（６）の面に沿って所定の位置に敷設される。
【００３０】
開口部（１ｃ）の形成位置は、好ましくは土砂、沈殿物、堆積物に接する直線状配管部分（３）の底面だがこれに限定されるものではない。
【００３１】
また、開口部の形状は、連続した開口としても、また、円形、角型、楕円形などが間欠的に連続して穿孔した複数の孔でもよい。図示の実施例の場合、楕円形が間欠的に連続したものを示している。
【００３２】
図３は、本発明の実施例をダム上流側から見た図であり、この図３において、発電用通水管（２）の取水口（２ａ）下方に位置して直線状配管部分（３）が示され、開口部（１ｃ）の穿設形態は、間欠的に連続したものが示される。また、直線状配管部分（３）は水平に対して傾斜して配置、あるいは、傾斜して千鳥状に配置することもできる。これによって、配管の下方まで行きにくい粒径の大きなものを配管内に取り込みやすくなり、吸引する堆積土砂の粒径の増加を図ることができる。
【００３３】
図４は、本発明の実施例をダム下流側から見た図である。この図４において、開口部がついたパイプ（１）と発電用通水管（２）は交差して配管され、後続する発電用通水管（２）に設置の水力発電機（１３）及び排水口（２ｂ）と開口部がついたパイプ（１）の後部開口端（１ｂ）を、距離をおいて配置することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上から、この出願の発明は、小規模ダム、特に砂防ダムを利用した水力発電設備において、発電用通水管の周囲の土砂を連続的に効率よく排砂し、発電用通水管の周囲に土砂が堆積しないため、発電用の通水管内に土砂が混入しないようにすることができ、水車発電機のインペラーや発電用通水管の管内磨耗による設備の発電能力の低下、破損などが起こりにくくなり、これによって、従来生じていたそのための修繕の手間、費用を低減することができ、また、取水口周辺に土砂などの堆積による取水口の閉塞や、流水が取水口まで流れ込む通水路の閉塞を防ぐことができ、これによって、取水が不可能になることを無くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示した水力発電設備の断面概要図である。
【図２】上記図１の平面概要図である。
【図３】本発明の実施例をダム上流側から縦方向にまたは下流側から縦方向に部分的に見た概要図を示し、（ａ）は図２矢視線Ａ−Ａから見た図であり、（ｂ）は図２矢視線Ｂ−Ｂから見た図である。
【符号の説明】
１  開口部がついたパイプ
１ａ  前部開口端
１ｂ  後部開口端
１ｃ  開口部
２  発電用通水管
２ａ  取水口
２ｂ  排水口
３  直線状配管部分
４  防護囲い
５  地盤
６  ダム堤体
７  水
８  水位
９  下流堰
１０  下流底盤
１１  水
１２  水位
１３  水力発電機
１４  真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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