(57)【要約】【課題】  渓流から取水した水を導水路に流す際に空気の混入を減らすことができる空気混入防止装置および空気混入防止方法を提供する。【解決手段】  渓流から取水して取水路１１０を流れる水を分岐水路１３０に流すための立坑１２２と、立坑１２２に流す水を分水する分水装置１０と、取水路１１０と分岐水路１３０との間に連結され、分水装置１０により分水した水を分岐水路１３０に流す分流用立坑装置２０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
渓流から取水して取水路を流れる水を横坑に流すための立坑と、
前記立坑に流す水を分水する分水装置と、
前記分水装置と前記横坑との間に連結され、前記分水装置により分水した水を前記横坑に流す分流用立坑装置と、
を備えることを特徴とする気泡混入防止装置。
【請求項２】
前記立坑と前記分水装置との間に位置する前記取水路に設けられ、前記取水路に流れる水の一部をせき止めて前記分水装置に流す第１のせきを備えることを特徴とする請求項１に記載の気泡混入防止装置。
【請求項３】
前記分流用立坑装置は、前記分水装置により分水した水を流す第１の分流用立坑および第２の分流用立坑を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の空気混入防止装置。
【請求項４】
前記第１の分流用立坑と前記第２の分流用立坑との間に位置する前記分水装置に設けられ、前記第２の分流用立坑に向かって流れる水の一部をせき止めて前記第１の分流用立坑に流す第２のせきを備えることを特徴とする請求項３に記載の気泡混入防止装置。
【請求項５】
渓流から取水した水を横坑に流すための立坑と、
前記横坑と前記立坑との連結部分より下流側に、かつ、前記横坑内に設けられ、前記横坑を流れる水をせき止めると共にせき止めて増加した水の水圧荷重により開く開閉装置と、
を備えることを特徴とする気泡混入防止装置。
【請求項６】
前記開閉装置は、付属するおもりおよび自重の少なくとも一方により閉じて水をせき止めるフラップゲートであることを特徴とする請求項５に記載の気泡混入防止装置。
【請求項７】
渓流から取水して取水路を流れる水を立坑から横坑に流すときに、前記立坑に流す水を分水し、
分水した水を別の立坑により前記横坑に流す、
ことを特徴とする気泡混入防止方法。
【請求項８】
渓流から取水した水を立坑から横坑に流すときに、前記横坑に流れる水をせき止め、
せき止めた水の水圧荷重が増加すると、せき止めた水を流す、
ことを特徴とする気泡混入防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、渓流から取水した流水を発電所などに通じる導水路に流す際に、気泡の混入を防ぐ空気混入防止装置および空気混入防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
渓流から取水した水を利用する設備にダム水路式発電がある。ダム水路式発電では、ダムで貯めた水を圧力導水路で発電所まで流して、発電所の水車を回して発電する。ダム水路式発電には、ダムからの水を導水路などに一時的に貯め、貯めた水を一日の中で一定時間だけ流して発電するものがある。このとき、発電に利用する水はすべてダムからの水を利用するものではなく、渓流から取水した水を利用する場合がある。
【０００３】
渓流取水では、導水路に連結されている立坑に、渓流から取水した水を流している。このとき、例えば立坑の高さが４５ｍ位あると、流水量が毎秒０．５ｔ位で空気の混入が発生し、気泡となった空気を含む水が導水路に流れ込む。これにより、空気塊が導水路の壁に当たるエアハンマーが発生する。また、気泡中の窒素が水に溶け込み、水中の窒素量が通常に比べて高くなる現象が発生する。水中の窒素量が高くなると、窒素病が魚に発生する。
【０００４】
こうした気泡を含む水が導水路に流れることを防ぐための各種の技術がある（例えば、特許文献１、２参照）。その中の１つに、図７〜図９に示す空気混入防止装置がある。この空気混入防止装置が設置される渓流取水設備は、取水路１１０と取水装置１２０とを備えている。取水路１１０は、渓流取水をするものであり、保持体１１０Ａによって保持されている。取水装置１２０は、取水路１１０からの水を分岐水路１３０に流すものであり、取水口１２１と立坑１２２とを備えている。取水口１２１は取水路１１０からの水を流し込むための開口であり、立坑１２２は取水口１２１に流し込まれた水を分岐水路１３０に導く。分岐水路１３０に流れ込んだ水は、導水路である本線水路１４０に流れる。なお、立坑１２２、分岐水路１３０や本線水路１４０は地中に設置されている。
【０００５】
こうした渓流取水設備に設けられる空気混入防止装置は、取水路１１０から立坑１２２に水が流れ込むときの空気混入を防ぐためのものである。空気混入防止装置は、立坑１２２の下流側に位置する分岐水路１３０に設置された垂れ壁１５１と、立坑１２２と垂れ壁１５１との間に位置する空気抜き用の空気管１５２、１５３とを備えている。渓流取水により立坑１２２から分岐水路１３０に流れ込む水が垂れ壁１５１に当たり、水の流れが一旦阻止された状態になり、立坑１２２から分岐水路１３０に水が突入する際に混入した空気が空気抜き用の空気管１５２、１５３から排出される。なお、垂れ壁１５１と本線水路１４０との間には、脱落した垂れ壁１５１などを受け止めて本線水路１４０に移動することを防ぐせき１５４が設けられている。
【特許文献１】特開平１０−２６６１７３号公報
【特許文献２】特開平７−１９１１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、先に述べた空気混入防止装置には次の課題がある。立坑１２２は直径が１．５ｍ位の小さな水路断面を持ち、この立坑１２２に例えば毎秒１．３トン位の水を流すと、ほぼ充満状態で水が立坑１２２を流れる。この結果、水に混入した空気が浮上して立坑１２２から排出されなくなる。また、例えば夏季などにダムの水量が減少すると、立坑１２２内の水面位置Ａが下がり、立坑１２２から分岐水路１３０に水が突入する際の突入流速が大きくなり、多量の空気が水に混入し、水に含まれる気泡が多くなる。さらに、突入流速が大きいと水の速度が速くなるので、気泡が混入した水が垂れ壁１５１を越えて本線水路１４０に流れてしまい、垂れ壁１５１が十分に機能しなくなる。この結果、エアハンマーの発生や水中の窒素量が高くなる現象を抑えることができない。
【０００７】
この発明の目的は、前記の課題を解決し、渓流から取水した水を導水路に流す際に空気の混入を減らすことができる空気混入防止装置および空気混入防止方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、渓流から取水して取水路を流れる水を横坑に流すための立坑と、前記立坑に流す水を分水する分水装置と、前記分水装置と前記横坑との間に連結され、前記分水装置により分水した水を前記横坑に流す分流用立坑装置とを備えることを特徴とする気泡混入防止装置である。
【０００９】
請求項１の発明では、分水装置が立坑に流す水を分水し、分水装置が分水した水を分流用立坑装置が横坑に流す。これにより、立坑に流れる水の流量を減らしている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の気泡混入防止装置において、前記立坑と前記分水装置との間に位置する前記取水路に設けられ、前記取水路に流れる水の一部をせき止めて前記分水装置に流す第１のせきを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の空気混入防止装置において、前記分流用立坑装置は、前記分水装置により分水した水を流す第１の分流用立坑および第２の分流用立坑を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３に記載の気泡混入防止装置において、前記第１の分流用立坑と前記第２の分流用立坑との間に位置する前記分水装置に設けられ、前記第２の分流用立坑に向かって流れる水の一部をせき止めて前記第１の分流用立坑に流す第２のせきを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、渓流から取水した水を横坑に流すための立坑と、前記横坑と前記立坑との連結部分より下流側に、かつ、前記横坑内に設けられ、前記横坑を流れる水をせき止めると共にせき止めて増加した水の水圧荷重により開く開閉装置とを備えることを特徴とする気泡混入防止装置である。
【００１４】
請求項５の発明では、開閉装置が横坑を流れる水をせき止め、せき止めて増加した水の水圧荷重により開いて水を流すので、例えば夏季にダムの水量が少なくなった場合に、立坑内の水面位置がダムの水面より上昇する。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５に記載の気泡混入防止装置において、前記開閉装置は、付属するおもりおよび自重の少なくとも一方により閉じて水をせき止めるフラップゲートであることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、渓流から取水して取水路を流れる水を立坑から横坑に流すときに、前記立坑に流す水を分水し、分水した水を別の立坑により前記横坑に流すことを特徴とする気泡混入防止方法である。
【００１７】
請求項８の発明は、渓流から取水した水を立坑から横坑に流すときに、前記横坑に流れる水をせき止め、せき止めた水の水圧荷重が増加すると、せき止めた水を流すことを特徴とする気泡混入防止方法である。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１および請求項７の発明では、分水により立坑を落下する水の流量を減らしている。この結果、水が充満状態で立坑を落下することを防ぎ、立坑を落下する際に混入した空気が浮上し、この空気を立坑から排出することができる。また、一般的に自由落下する水の貫入深さ（空気と水の混合領域の到達深さ）は流量が多くなると深くなる。したがって、請求項１および請求項７の発明により、立坑に流れる水の流量を減らしているので、立坑を落下する水による空気の混入を少なくすることができる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、立坑と分水装置との間に位置する取水路に第１のせきを設けたので、取水路から立坑に流れる水の一部を確実に分水装置に流すことができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、分流用立坑装置は分水装置により分水した水を２つの分流用立坑に流すので、各分流用立坑に流れる流量が減り、各分流用立坑を落下する水による空気の混入を少なくすることができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、第１の分流用立坑と第２の分流用立坑との間に位置する分水装置に第２のせきを設けたので、分水装置に流れる水の一部を確実に第１の分流用立坑に流すことができる。
【００２２】
請求項５および請求項８の発明ではダムの水量が少なくなった場合に立坑内の水面位置がダムの水面より上昇する。一般に前述した貫入深さは水の落下高さと相関関係にあり、立坑内での落下高さが大きくなると、貫入深さが深くなる。したがって、請求項５および請求項８の発明により、ダムの水量が少なくなった場合に立坑内の水面位置を上げて落下高さを小さくするので、立坑を落下する水による空気の混入を少なくすることができる。
【００２３】
請求項６の発明により、付属するおもりおよび自重の少なくとも一方により閉じて水をせき止めるフラップゲートを開閉装置として用いるので、水圧荷重でフラップゲート自体で開閉し、外部から開閉を制御する装置を不要にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。この実施の形態による空気混入防止装置は、図１〜図３に示すように、渓流取水設備に設置されている。なお、図３では図面が複雑になることを避けるために、後述する分水装置１０の断面を省略し、その断面を図４に示している。この渓流取水設備は図７〜図９に示すものと同じであるので、図７〜図９と同じ構成要素には同じ符号を付けてその説明を省略する。空気混入防止装置は、分水装置１０、分流用立坑装置２０、第１のせき３１、および第２のせき３２を備えている。
【００２５】
分水装置１０は、取水路１１０から取水口１２１に向かう流水を分水して流すものであり、分水装置１０に連結されたＬ字状の流路である。取水路１１０には取入口１１１が空けられ、分水装置１０は取入口１１１に接続されている。分水装置１０の直線状の水路部分１１では、図４に示すように、流路が傾斜している。水路部分１１の上流側には第１の開口１２が空けられ、下流側には第２の開口１３が空けられている。
【００２６】
第１のせき３１は、取水路１１０の取入口１１１と取水口１２１との間に、かつ、取水路１１０の長手方向に対して交差する方向に設けられている。第１のせき３１は、取水路１１０を流れる流水の一部をせき止めて分水し、取入口１１１から分水装置１０に流す。第２のせき３２は、分水装置１０の水路部分１１の第１の開口１２の側部に、かつ、第２の開口１３側に設けられている。しかも、第２のせき３２は、水路部分１１の長手方向に対して交差する方向に設けられている。第２のせき３２は、取入口１１１から流れ込んでくる流水の一部をせき止めて分水し第１の開口１２に流す。
【００２７】
分流用立坑装置２０は、第１の分流用立坑２１と第２の分流用立坑２２とを備えている。この実施の形態では、従来設けられている空気抜き用の空気管１５２を延長して第１の開口１２に連結したものを第１の分流用立坑２１とし、同じく従来設けられている空気抜き用の空気管１５３を延長して第２の開口１３に連結したものを第２の分流用立坑２２としている。そして、水路部分１１に流れ込んだ水が第２のせき３２で分水されて、第１の開口１２から第１の分流用立坑２１に流れ、さらに、第１の分流用立坑２１から分岐水路１３０に流れる。また、水路部分１１に流れ込んで第２のせき３２で分水された残りの水は、第２の開口１３から第２の分流用立坑２２に流れ込み、さらに、第２の分流用立坑２２から分岐水路１３０に流れる。
【００２８】
こうした空気混入防止装置によれば、立坑１２２に流れる水を分水しているので、立坑１２２に流れる水の量が少なくなる。一般的に、水に混入した空気が浮上して排出するためには、立坑１２２の断面積を大きくする必要がある。この実施の形態では、立坑１２２をそのまま使用するが、立坑１２２に流れる水量を分水により少なくしているので、落下する水が充満状態で立坑１２２を流れることを防ぎ、立坑１２２を流れる際に混入した空気が浮上し、この空気を立坑１２２から排出することができる。
【００２９】
また、取水口１２１を自由落下する水脈の貫入深さ（空気と水の混合領域の到達深さ）Ｌは次ぎの式で計算される。
【００３０】
Ｌ＝５．２ｕｄ
ｕ：落下水脈の貫入流速
ｄ：貫入直前の水脈直径
である。また、この式で、落下水脈の貫入流速ｕと貫入直前の水脈直径ｄとは、
ｕ＝（２ｇＨ）1/2
ｄ＝２｛Ｑ／（ｕπ）｝1/2
Ｈ：落下高さ
Ｑ：流量
である。これらの式から明らかなように、取水口１２１から流れ込む水（水脈）の水面位置Ａでの貫入深さＬは、水脈の流量Ｑと相関関係にあり、流量Ｑが多くなると、貫入深さＬが深くなる。これにより、立坑１２２の流量Ｑが多くなると、貫入深さＬが深くなり、多量の空気が流水に混入する。しかし、この実施の形態では、第１のせき３１により流水を分水して分水装置１０に流すので、立坑１２２への流量Ｑを少なくすることができる。この結果、立坑１２２での貫入深さＬが浅くなり、水面位置Ａでの空気の混入を少なくすることができる。
【００３１】
さらに、第１の分流用立坑２１の直径が立坑１２２より短く、第１の分流用立坑２１を流れる水の流量Ｑが少ない。しかも、分水装置１０に流れ込んだ水の一部が第２のせき３２で分水されている。つまり、分水装置１０に流れ込んだ水の全量が第１の分流用立坑２１に流れないので、前述の式から明らかなように第１の分流用立坑２１による貫入深さＬが浅くなり、第１の分流用立坑２１を流れる水が混入する空気を少なくすることができる。第２のせき３２で分水された水を流す第２の分流用立坑２２も同様にして、混入する空気を少なくすることができる。
【００３２】
ところで、この実施の形態による空気混入防止装置は分岐水路１３０に開閉装置４０を備えている。開閉装置４０は、図５に示すように、フラップゲート４１と保持部４２とを備えている。この実施の形態では、従来、分岐水路１３０に設置されている垂れ壁１５１を利用して、保持部４２が形成されている。つまり、保持部４２は、垂れ壁１５１を含んで分岐水路１３０の内側に設けられた壁状体である。この壁状体のほぼ中央には、本線水路１４０に向かってこの壁状体の両端面を貫通する貫通穴４２Ａが空けられている。また、保持部４２は、フラップゲート４１を開閉可能に支持する支持部４２Ｂを、本線水路１４０側の端面上部に備えている。
【００３３】
フラップゲート４１は、支持具４２Ｂにより、本線水路１４０側の端面で貫通穴４２Ａ塞ぐように、支持部４２Ｂに開閉可能に支持されている。また、この実施の形態では、フラップゲート４１が保持部４２から脱落したときに、従来、分岐水路１３０に設置されているせき１５４がフラップゲート４１を受け止めて本線水路１４０に向かって移動することを防いでいる。フラップゲート４１の開く方向は、矢印Ｐで示される本線水路１４０が設置されている方向である。フラップゲート４１は、通常、例えば自重により閉じていて、矢印Ｐ方向に加えられる水圧荷重が所定以上になると矢印Ｐ方向に開く。また、フラップゲート４１は付属のおもりによって閉じる構造、自重およびおもりの両方で閉じる構造であってもよい。フラップゲート４１に加えられる水圧荷重は、分岐水路１３０と、立坑１２２と、分流用立坑装置２０の第１の分流用立坑２１および第２の分流用立坑２２とに貯められた水量によるものである。
【００３４】
こうした開閉装置４０によれば、次のようにしてフラップゲート４１の開閉をしている。例えば夏季にダムの水位が下がると、図６に示すように、立坑１２２の水面位置Ｂ１も下がる。ところで、前述した貫入深さＬの式によれば、貫入深さＬは落下高さＨと相関関係にあり、落下高さＨが大きくなると、貫入深さＬが深くなる。立坑１２２の水が夏季に水面位置Ｂ１まで下がると、落下高さＨが大きくなり、空気の混入が大きくなってしまう。しかし、開閉装置４０のフラップゲート４１が所定の水圧荷重、例えば水面位置Ｂ２の位置まで貯められたときの水の水圧荷重で開くように、フラップゲート４１の例えば重量を調整しておく。これにより、フラップゲート４１は、立坑１２２の水位が水面位置Ｂ２以上になると開く。つまり、水が水面位置Ｂ１に減少しても、フラップゲート４１が閉じて、水が分岐水路１３０、立坑１２２、分流用立坑装置２０の第１の分流用立坑２１および第２の分流用立坑２２に貯められる。これにより、水面位置Ａが水面位置Ｂに向かって上昇して落下高さＨが小さくなり、空気の混入を減らすことができる。かつ、フラップゲート４１が閉じている間、水が本線水路１４０に流れないで貯えられるので、混入した空気が浮上し、立坑１２２や分流用立坑装置２０の第１の分流用立坑２１および第２の分流用立坑２２から、浮上した空気を排出することができる。つまり、フラップゲート４１により空気の浮上効果を発生することができる。
【００３５】
また、フラップゲート４１は付属するおもりおよび自重の少なくとも一方により閉じて水をせき止めるので、つまり、フラップゲート４１自身が水圧荷重で開閉するので、外部からフラップゲート４１の開閉を制御する装置を不要にすることができ、水をせき止めるための開閉装置４０の構造を簡単化することができる。
【００３６】
このように、この実施の形態により、立坑１２２に流れる水を分水することにより、立坑１２２に水が流れる際に混入した空気、特に空気による大きな泡が浮上し、立坑１２２から排出することができる。さらに、フラップゲート４１により水を一旦貯めて排出するので、立坑１２２に水が流れる際に混入した空気による大小の泡の浮上効果を発生することができる。この結果、空気塊によるエアハンマーの発生を防ぎ、また、気泡中の窒素が水に溶け込み、水中の窒素量が通常に比べて高くなる現象の発生を防ぐことができる。
【００３７】
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、分流用立坑装置２０の第１の分流用立坑２１と第２の分流用立坑２２とは従来設置されている空気抜き用の空気管１５２、１５３を利用し、開閉装置４０の保持部４２は従来設置されている垂れ壁１５１を利用したが、もちろん新たに設置してもよい。また、設置する分流用立坑の数は、立坑１２２に流れる水量によって決まるので、２つに限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態による空気混入防止装置を示す平面図である。
【図２】図１のＹ１−Ｙ２−Ｙ３断面を示す断面図である。
【図３】図１のＹ１１−Ｙ１２−Ｙ１３−Ｙ１４断面を示す断面図である。
【図４】図３の分水装置を示す断面図である。
【図５】フラップゲートを示す図であり、図５（ａ）は保持部の正面を図３のＹ２１−Ｙ２１断面で示す断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の側面を示す断面図である。
【図６】フラップゲートの作用を説明する断面図である。
【図７】気泡の発生を防ぐ従来の空気混入防止装置の一例を示す平面図である。
【図８】図７のＺ１−Ｚ２−Ｚ３断面を示す断面図である。
【図９】図７のＺ１１−Ｚ１２−Ｚ１３−Ｚ１４断面を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  分水装置
１１  水路部分
１２  第１の開口
１３  第２の開口
２０  分流用立坑装置
２１  第１の分流用立坑
２２  第２の分流用立坑
３１  第１のせき
３２  第２のせき
４０  開閉装置
４１  フラップゲート
４２  保持部
４２Ａ  支持具
１１０  取水路
１１０Ａ  保持体
１１１  取入口
１２０  取水装置
１２２  立坑
１３０  分岐水路（横坑）
１４０  本線水路
１５１  垂れ壁
１５２、１５３  空気管
１５４  せき
【図１】
2007186870.tif 000003
【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】
2007186870.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007186870.tif 000011