(57)【要約】【課題】適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した沈砂池集砂ゲートの設計技術を提供する。【解決手段】集砂ゲート下端と沈砂池底との距離たる開度と、集砂ゲートより上流側の水深とを仮定して流出係数を算定する工程と、仮定した開度および上流側水深と、算定した流出係数と、定数である収縮係数とを潜り流出の式に適用し、該潜り流出の式を満たす開度を特定する工程と、特定した開度に基づいて、集砂ゲートより下流側の流速と径深とを算定する工程と、前記算定した下流側の流速と径深、および所定の粗度係数をマニング式に適用して摩擦速度を算定し、当該摩擦速度と、排砂対象の土砂の粒径および比重とに基づいて無次元掃流力を算定する工程と、前記土砂の粒径および前記算定した無次元掃流力に基づいて、集砂ゲート下流での土砂の移動形態が掃流砂であるか判定し、前記土砂の移動形態が掃流砂である場合に、集砂ゲートの開度を前記特定した開度と決定する工程とを実行する。【選択図】図１
2012101166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
沈砂池における、排砂手段の上流側において水流と対向設置される板状の集砂ゲートを設計する方法であって、
集砂ゲート下端と沈砂池底との距離たる開度と、集砂ゲートより上流側の水深とを仮定して流出係数を算定する工程と、
仮定した開度および上流側水深と、算定した流出係数と、定数である収縮係数とを潜り流出の式に適用し、該潜り流出の式を満たす開度を特定する工程と、
特定した開度に基づいて、集砂ゲートより下流側の流速と径深とを算定する工程と、
前記算定した下流側の流速と径深、および所定の粗度係数をマニング式に適用して摩擦速度を算定し、当該摩擦速度と、排砂対象の土砂の粒径および比重とに基づいて無次元掃流力を算定する工程と、
前記土砂の粒径および前記算定した無次元掃流力に基づいて、集砂ゲート下流での土砂の移動形態が掃流砂であるか判定し、前記土砂の移動形態が掃流砂である場合に、集砂ゲートの開度を前記特定した開度と決定する工程と、
を含むことを特徴とする沈砂池集砂ゲートの設計方法。
【請求項２】
前記潜り流出の式を満たす開度を特定する工程において、当初仮定した開度では潜り流出の式を満たさない場合、潜り流出の式を満たすようになるまで開度の仮定値を変更することを特徴とする請求項１に記載の沈砂池集砂ゲートの設計方法。
【請求項３】
前記集砂ゲートの開度を決定する工程において、前記土砂の移動形態が浮遊砂を含むと判定した場合、前記仮定していた上流側水深を所定値小さくした上で前記流出係数を算定する工程から再実行することを特徴とする請求項１または２に記載の沈砂池集砂ゲートの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沈砂池集砂ゲートの設計方法に関するものであり、具体的には、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮したゲートの設計技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川水を水力発電所に供給する水路には土砂等が流入するために、水路の途中に水路の一部分を拡幅して水の流速を低下させ、流水中の土砂等を沈下させるための沈砂池が設けられている。この沈砂池の底部に堆積した土砂等を排出するための排砂技術として、例えば、沈降した汚砂を再び舞い上げることなく、池底全体にわたって集砂ピット側へ移動させ、集砂することができる沈砂池設備の集砂装置を提供することを課題とした、噴気流発生機を池底またはその近傍に設置するとともに、この噴気流発生機の上部に砂の移動を許容し、かつ噴気流発生機作動時の砂の舞い上がりを池全体に拡散するのを防止する隔壁を設けたことを特徴とする沈砂池設備の集砂装置（特許文献１参照）などが提案されている。
【０００３】
また、沈砂池の底部に溜まった沈砂を洗い流す際に、ポンプ等の動力を使用せずに水を放出して集砂作業を進めることができるようにすることを課題とした、原水の流れ方向の下流端に沈砂の集まる集砂ピットが設けられた沈砂池と、前記集砂ピット内の沈砂を多量に含む原水を地上に搬送する揚砂装置と、この揚砂装置によって地上に搬送された原水を固液分離する沈砂分離装置と、この沈砂分離装置で分離された後オーバーフローする水を貯留する貯水タンクと、前記沈砂池の上流端に設けられて沈砂池の底部に堆積した沈砂を洗い流すために水を放流する放流装置と、前記貯水タンクと前記放流装置とを連絡し且つ必要時に貯水タンクの貯留水をその位置エネルギを利用して前記放流放置に導き放流させる配管とを備えたことを特徴とする沈砂池の集砂装置（特許文献２参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−７０５０３号公報
【特許文献２】特開２００３−１５４２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
沈砂池の中で、土砂は概ね均等に堆積するため、排砂管や排砂門などの排砂手段を設置して排砂を行うとしても、その排砂手段の周辺しか排砂できないことが多い。したがって、沈砂池に沈降した土砂のうち、排砂手段の周辺領域以外のものは排砂されずに沈砂池内に残されてしまうおそれがあった。
【０００６】
そこで発明者らは、沈砂池に流入する土砂を排砂手段の周辺に集め、通水中であっても効率的な排砂処理を可能とする技術（特開２００９−１４８６７９号公報）を提案するに至った。この技術は、いわゆる角落とし材などのゲートを水流に対向配置し、このゲートの下端周辺の流速を高速化することで、沈砂池底部に溜まっている堆積土砂を排砂手段に向けて移動させるものである。但し、ゲート下端と沈砂池底との間隔、すなわちゲートの開度によっては、流速が過大となってゲート下流が自由流出状態となる。この場合、過大な流速ゆえに浮遊砂となって移動する堆積土砂が排砂手段を通り過ぎ、沈砂池下流まで流れ去ってしまう懸念がある。つまり、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した、ゲートの設計を行う必要がある。
【０００７】
そこで本発明は、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した、沈砂池集砂ゲートの設計技術の提供を主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の沈砂池集砂ゲートの設計方法は、沈砂池における、排砂手段の上流側において水流と対向設置される板状の集砂ゲートを設計する方法であって、  集砂ゲート下端と沈砂池底との距離たる開度と、集砂ゲートより上流側の水深とを仮定して流出係数を算定する工程と、仮定した開度および上流側水深と、算定した流出係数と、定数である収縮係数とを潜り流出の式に適用し、該潜り流出の式を満たす開度を特定する工程と、特定した開度に基づいて、集砂ゲートより下流側の流速と径深とを算定する工程と、前記算定した下流側の流速と径深、および所定の粗度係数をマニング式に適用して摩擦速度を算定し、当該摩擦速度と、排砂対象の土砂の粒径および比重とに基づいて無次元掃流力を算定する工程と、前記土砂の粒径および前記算定した無次元掃流力に基づいて、集砂ゲート下流での土砂の移動形態が掃流砂であるか判定し、前記土砂の移動形態が掃流砂である場合に、集砂ゲートの開度を前記特定した開度と決定する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、集砂ゲート下端付近の流速が浮遊砂を生じない値となるよう集砂ゲートの開度を決定することが可能である。従って、集砂ゲート下端の流速が過大となってゲート下流が自由流出状態となり、堆積土砂が浮遊砂となって移動する状況を回避できる。このように設計した集砂ゲートの下端周辺では、堆積土砂は掃流砂となって排砂手段の方向に移動することとなる。つまり、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した、沈砂池集砂ゲートの設計が可能となるのである。
【００１０】
なお、前記沈砂池集砂ゲートの設計方法の、前記潜り流出の式を満たす開度を特定する工程において、当初仮定した開度では潜り流出の式を満たさない場合、潜り流出の式を満たすようになるまで開度の仮定値を変更するとしてもよい。これによれば、当初仮定した開度が適切な値でなかった場合でも、潜り流出の式を満たすよう開度の変更を柔軟に行って、最適な開度の決定を行うことが可能になる。
【００１１】
また、前記沈砂池集砂ゲートの設計方法の、前記集砂ゲートの開度を決定する工程において、前記土砂の移動形態が浮遊砂を含むと判定した場合、前記仮定していた上流側水深を所定値小さくした上で前記流出係数を算定する工程から再実行するとしてもよい。これによれば、当初仮定した上流側水深が適切な値でなかった場合でも、土砂の移動形態が掃流砂となるよう上流側水深の変更を柔軟に行って、最適な上流側水深の決定を行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した沈砂池集砂ゲートの設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の沈砂池集砂ゲートの概念を示す図である。
【図２】本実施形態の沈砂池集砂ゲートの設計方法の手順を示すフロー図である。
【図３】本実施形態の潜り流出の式を示す図である。
【図４】本実施形態の設計諸元例を示す図である。
【図５】浮遊砂と掃流砂の概念を示す図である。
【図６】本実施形態のマニング式と摩擦速度の算定例を示す図である。
【図７】本実施形態の無次元掃流力の算定例を示す図である。
【図８】掃流と浮遊の境界概念を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
−−−沈砂池集砂ゲートの概念−−−
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態の沈砂池集砂ゲートの概念を示す図である。ここではまず、本実施形態の沈砂池集砂ゲートの設計方法で設計対象となる集砂ゲートについて概説しておく。本実施形態における集砂ゲート８は、沈砂池１において水流に対向して設置される板状部材となる。  沈砂池１は、例えば、水力発電所の取水口から流入する水流を発電機まで導く水路３に設けられるものである。こうした沈砂池１は、前記水路３を流れる水流の流速を適宜抑制して土砂２の沈降を促す作用を発現するものであるから、その底部には土砂２が堆積することとなる。水流の流速を抑制するためには、水路３よりも沈砂池１の水深を深くすればよいから、沈砂池１に接続する水路３より底部の深度が適宜大きくなっている。したがってこの沈砂池で水流は流速を落とし、前記水流が搬送してきた土砂は沈砂池１の底部に沈降することとなる。
【００１５】
沈砂池１の底部に沈降する土砂２は、排砂門４あるいは渦動排砂管５などの排砂手段７により排砂しないと、時間経過と共に沈砂池内に堆積しその範囲を広げていく。そこで、沈砂池１においては、前記排砂手段７の上流側に、水流の流速を一時的に高めるべく前記集砂ゲート８が設けられることになる。想定できる集砂ゲート８としては、角落とし材があげられる。角落とし材は、例えば鋼材などで構成された板状の部材であり、前記水流と対向してその流れを遮る格好で水路３の上方から投入され、所定高さ分の水路を残して、すなわち所定の開度で係止される。
【００１６】
このように、集砂ゲート８が沈砂池１の底部で水路３を狭めることで、狭められた水路３、つまり沈砂池１の底部における水流の流速は、集砂ゲート８の設置以前より高速化する。集砂ゲート下端付近における水流が高流速化されることで、前記集砂ゲート８の下端付近の沈砂池底部に堆積していた土砂２は、水流によって、より下流側の排砂手段７に向けて運び去られることとなる。こうした集砂ゲート下端付近の土砂２の移動は、沈砂池１にて排砂手段７まで、例えば、所定間隔で複数設けた集砂ゲート８において、順次実行されることで、排砂手段７の周辺まで段階的に行われる。また、前記集砂ゲート８は、水路３の両側に備わるガイド溝９に側端部分を挿入し、前記ガイド溝９に沿って垂直方向にスライド可能に設置される形態を想定できる。このガイド溝９は、例えば、沈砂池１の底部と所定距離を残して集砂ゲート下端が止まるよう、沈砂池１の躯体天端２５から下方に伸び、沈砂池底部から前記所定距離の位置まで達する溝構造をなしている。従って、この所定距離が集砂ゲート８の開度となる。
【００１７】
なお、ガイド溝９の内面には、例えば、前記集砂ゲート８をガイド溝９に沿って摺動させるローラーなどの摺動手段が備わるとしてもよい。また、この摺動手段を駆動するモータなどの駆動手段および当該駆動手段を制御して、前記集砂ゲート８のガイド溝９への投入・係止をコントロールする制御装置が、例えば、沈砂池１（の躯体など）に備わるとすれば、人力で集砂ゲート８を上下させる手間から解放され、作業の効率化が図れる。
【００１８】
−−−沈砂池集砂ゲートの設計−−−
続いて、本実施形態における沈砂池集砂ゲートの設計方法の処理手順について説明する。図２は本実施形態の沈砂池集砂ゲートの設計方法の処理手順を示すフロー図である。ここでは、集砂ゲート下端における水流が潜り流出となるべく集砂ゲート８の開度を決定するための工程を実施する。この場合、まず、集砂ゲート８より上流側の水深ｈ０を仮定する（ｓ１００）。ただし、上流側の水路３の流下能力を担保する意味で、この上流側水深ｈ０は所定値以下とする制約条件を踏まえた仮定を行う。また、集砂ゲート下端と沈砂池底との距離たる開度ａを仮定する（ｓ１０１）。この開度ａは、当然ながら前記上流側水深ｈ０の値より小さい値となる。
【００１９】
ここで、水路３における最大流量を“Ｑ”、集砂ゲート８の幅を“Ｂ”、流出係数を“Ｃ”とすれば、単位幅当たり流量ｑ＝Ｑ／Ｂ＝Ｃ×ａ×（２×ｇ×ｈ０）１／２、となる。前記ステップｓ１００で仮定した上流側水深ｈ０が、“２．２”ｍ、前記ステップｓ１０１で仮定した開度ａが、“０．４７５”ｍであったとする。また、水路３における最大流量Ｑが、“２．０”ｍ３／ｓ、集砂ゲート８の幅Ｂが“３．０”ｍであったとすれば、前記単位幅当たり流量の式にこれら値を代入し、未知数となっていた流出係数Ｃを求めれば、例えば、“０．２１４”と算定できる（ｓ１０２）。図４に、こうした本実施形態の設計諸元の例を示している。
【００２０】
続いて、定数である収縮係数Ｃｃが“０．６０６”であったとすると、この収縮係数Ｃｃ“０．６０６”と、前記仮定した開度ａ“０．４７５”ｍ、上流側水深ｈ０“２．２”ｍ、および流出係数Ｃ“０．２１４”とを、潜り流出の式に適用し、該潜り流出の式を満たす開度を特定する。
【００２１】
図３は本実施形態の潜り流出の式（参考：水理学Ｉ、椿東一郎、森北出版、１９７３）を示す図である。この場合、図３に示す式１に、収縮係数Ｃｃ“０．６０６”、前記仮定した開度ａ“０．４７５”ｍ、上流側水深ｈ０“２．２”ｍ、および流出係数Ｃ“０．２１４”を代入し、当該式１の項のうち“ｈ／（Ｃｃ×ａ）”の値を算定する（ｓ１０３）。そして、ここで算定した“ｈ／（Ｃｃ×ａ）”の値を、式２に代入し、式２の左辺と右辺の値が等しくなるか判定する（ｓ１０４）。この判定で式２の左辺、右辺の値が等しくなっている場合、前記仮定してあった開度ａの値は、潜り流出の式を満たすと判定する（ｓ１０４：Ｙ）。
【００２２】
他方、前記判定により、式２の左辺、右辺の値が等しくなっていない場合（ｓ１０４：Ｎ）、当初仮定した開度ａでは潜り流出の式を満たさないと判定し、潜り流出の式を満たすようになるまで、前記ステップｓ１０１での開度ａの仮定値の変更から、前記ステップｓ１０４までのステップを繰り返し実行する。
【００２３】
次に、前記潜り流出の式を満たすとして特定した開度ａに基づいて、集砂ゲート８より下流側の流速と径深とを算定する（ｓ１０５、ｓ１０６）。集砂ゲート８の下流側の流速Ｖは、Ｖ＝ｑ／ａ、の式で算定できるから、上記例の場合、下流側流速Ｖ＝０．６６７／０．４７５＝“１．４０２”ｍ／ｓ、と算定できる。また、径深Ｒは、Ｒ＝（ａ×Ｂ）／（２ａ＋Ｂ）、の式で算定できるから、上記例の場合、径深Ｒ＝（０．４７５×３．０）／（２×０．４７５＋３．０）＝“０．３６１”と算定できる。
【００２４】
集砂ゲート８の下流側の流速Ｖを“１．４０２”ｍ／ｓと算定したが、この下流側流速で堆積土砂が流れるか検討する必要がある。土砂の流れる形態には、掃流砂と浮遊砂の２種類がある。図５は浮遊砂と掃流砂の概念を示す図である。掃流砂は水路３を転がって移動するもので、浮遊砂は水流中に浮かんで移動するものである。流速が小さいとき、土砂は移動しない。徐々に流速が大きくなると、まず掃流砂が増加する。更に流速が大きくなると浮遊砂となる。しかし、この浮遊砂が多くなると、沈砂池下流にある水路まで土砂が流れ去ってしまい、排砂手段７の周辺に土砂を移動させることが難しくなってしまう。
【００２５】
こうした観点の下、土砂の移動形態を評価すべく、摩擦速度の算出を行う（ｓ１０７）。この場合、前記算定した下流側流速Ｖ“１．４０２”ｍ／ｓ、径深Ｒ“０．３６１”、および所定の粗度係数ｎ“０．０１５”を、図６のマニング式に適用して摩擦速度ｕ＊を算定する。この例では、摩擦速度ｕ＊＝“０．０７８”ｍ／ｓと算定できる。
【００２６】
続いて、前記算定した摩擦速度ｕ＊、排砂対象の土砂の粒径ｄおよび比重ｓを、図７に示す無次元掃流力Ψの式に代入し、無次元掃流力Ψを算定する（ｓ１０８）。例えば、土砂の粒径ｄが“０．００１”ｍ、比重ｓが“１．６５”で、上記例であれば、無次元掃流力Ψ＝（ｕ＊）２／（ｓ×ｇ×ｄ）＝“０．３７７”と算定できる。
【００２７】
ここで、前記算定した無次元掃流力Ψが“０．１”より大きいか判定し、無次元掃流力Ψが“０．１”より小さい場合（ｓ１０９：Ｎ）、水路３の堆積土砂は流れないので、処理を前記ステップｓ１００に戻し、上流側水深ｈ０を当初仮定より所定値だけ大きくして、以降のフローを再実行する。
【００２８】
他方、無次元掃流力Ψが“０．１”より大きい場合（ｓ１０９：Ｙ）、前記土砂の粒径ｄおよび前記算定した無次元掃流力Ψに基づいて、集砂ゲート下流での土砂の移動形態が掃流砂であるか判定する（ｓ１１０）。ここでは、図８に例示した掃流と浮遊の境界を示すグラフ（参考：水理学II、椿東一郎、森北出版、１９７３）にて、粒径ｄ“０．００１”ｍ、無次元掃流力Ψ“０．３７７”の各値を適用し、その交点が「掃流砂のみ」の領域に入っていない時（ｓ１１１：Ｎ）、つまり、前記土砂の移動形態が「浮遊砂」を含むと判定された場合、前記仮定していた上流側水深ｈ０を所定値小さくした上で前記ステップｓ１００からフローを再実行する。他方、掃流と浮遊の境界を示すグラフにて、粒径ｄ“０．００１”ｍ、無次元掃流力Ψ“０．３７７”の各値を適用し、その交点が「掃流砂のみ」の領域に入っていた時（ｓ１１１：Ｙ）、つまり、土砂の移動形態が「掃流砂のみ」である場合に、集砂ゲート８の開度ａを前記特定した開度“０．４７５”と決定し（ｓ１１２）、処理を終了する。
【００２９】
以上に説明したように、本実施形態の沈砂池集砂ゲートの設計方法によれば、集砂ゲート下端付近の流速が浮遊砂を生じない値となるよう集砂ゲートの開度を決定することが可能である。従って、集砂ゲート下端の流速が過大となってゲート下流が自由流出状態となり、堆積土砂が浮遊砂となって移動する状況を回避できる。このように設計した集砂ゲートの下端周辺では、堆積土砂は掃流砂となって排砂手段の方向に移動することとなる。つまり、適度な流速での堆積土砂の移動を考慮した、沈砂池集砂ゲートの設計が可能となるのである。
【００３０】
ところで、以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３１】
１  沈砂池
２  土砂等
３  水路
４  排砂門
５  渦動排砂管
７  排砂手段
８  集砂ゲート
９  ガイド溝
【図１】
2012101166.tif 000003
【図２】
2012101166.tif 000004
【図３】
2012101166.tif 000005
【図４】
2012101166.tif 000006
【図５】
2012101166.tif 000007
【図６】
2012101166.tif 000008
【図７】
2012101166.tif 000009
【図８】
2012101166.tif 000010