(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中構造物に加わる定常流及び振動流の大きさ及び方向を制御手段により計測し、該水中構造物の外面に形成した多数の空気放出孔のうち前記制御手段により選定した空気放出孔から計測値に基づく所望量の空気を該水中構造物の内部から外側の水中に向けて放出するようにしてなる水中構造物の流体力低減方法。
【請求項２】
水中に設置され、内部が大気と連通した筒状の構造物本体と、該構造物本体の外面に、縦方向および横方向にそれぞれ離間して開口形成した複数の空気放出孔と、該複数の空気放出孔の各々を前記構造物本体の内部と連通させるべく該構造物本体に形成した複数の通気用開口と、前記複数の空気放出孔の各々を開閉する開閉手段を有して前記構造物本体に設けられ、該構造物本体内部側の空気を該複数の通気用開口の各々を介して前記各空気放出孔から外側に放出するための空気放出手段と、前記複数の空気放出孔のうちの選択した空気放出孔から所望量の空気を前記構造物本体の外側に放出すべく該空気放出手段を制御する制御手段とから構成してなる流体力低減型水中構造物。
【請求項３】
前記構造物本体は水中トンネル本体である請求項２記載の流体力低減型水中構造物。
【請求項４】
前記水中トンネル本体は前記複数の空気放出孔が開口する外壁と、前記複数の通気用開口が形成された内壁と、該内壁と外壁との間の空隙に周方向に離間して形成した複数の隔壁とから構成したことを特徴とする請求項３記載の流体力低減型水中構造物。
【請求項５】
前記構造物本体は、浮体施設を構成して水中に横設又は垂下され、或は定置施設を構成して水中に立設される柱状体の外側を囲繞した状態で設置される外筒である請求項２記載の流体力低減型水中構造物。
【請求項６】
前記制御手段は、前記構造物本体に作用する定常流および振動流の大きさおよび方向を加速度計および流向・流速計から検出し、得られた検出値に基づいて、前記複数の空気放出孔のうち空気を放出する空気放出孔および空気放出量を選択し、前記空気放出手段を駆動するようにしてなる請求項２記載の流体力低減型水中構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば水中トンネルを構成して水中に横設されるトンネル本体や地盤から水中に立設される縦型換気塔、或は大規模浮体施設を構成し、水中に垂下した状態で設置される脚体等のような水中構造物に関し、特に潮流等の流体力を低減することにより水中構造体の振動を抑制するようにした水中構造物の流体力低減方法及び流体力低減型水中構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市間の流通と生活には交通システムを充実させることが必要であるが、地上での道路用地の確保の困難性や確保に要するコスト高から海洋空間の活用が検討されており、その一環として水中トンネルが従来より提案されている。また、空の交通手段に不可欠な飛行場を地上に設置することも同様の理由から困難な問題があり、海上ヘリポートが提案され、検討されている。更に、海底資源の活用として海底油田掘削用プラットホーム等も現に利用されている。これら水中トンネル、或は海上ヘリポートや海底油田掘削用プラットホーム等の大規模浮体施設を設置する場合の問題点は水中の構造物に対して潮流等の定常流および振動流における抗力ＣD 、揚力ＣL 、付加質量力ＣM による流体力が作用するために水中構造物が振動或は揺動することであり、この振動や揺動（以下振動等という。）に対して施設の安定性、安全性を十分に確保する対策が必要である。
【０００３】
このような流体力による水中構造物の振動等の問題に対して従来技術を基に考えられる解決方法としては、構造設計時において限界強度を増加する方法、ラーメン構造等の受け流し型設計を採用する方法、ダイナミックダンパー（動吸振器マスダンパー）を利用する方法、ワイヤー等を使用してテンションコントロールを行う方法、構造物の表面にフィンを設ける表面構造の方法、音響により圧力場をコントロールする方法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した解決方法のうち限界強度を増加する方法はコストが増加するという欠点や設計外の外力等（津波、経年による潮流の変化等）に対処できないという欠点がある。また、受け流し型設計による方法は、水中トンネルが自動車等の交通手段に利用するためトンネル自体の変動（歪み）は致命的であり、構造上支持手段が不安定な構造物には不適である。ダイナミックダンパーを利用する方法はビルディングのような一端固定型構造物の屋上に設置する場合には有効であるが、大きな外力が作用し、かつスペース効率が悪く固定条件の異なる水中構造物には不適である。更に、ワイヤー等を使用する方法は水中という設置場所からして設置や維持、管理が困難である。構造物の表面にフィンを設ける方法は海藻等の付着生物による影響、外力の経年変化に対応できないために設計当初の能力を発揮できないという欠点がある。また、音響による方法は水中構造物にスピーカーを設置することが困難であるし、振動力に対して同程度のエネルギーを与えなければならず、騒音の問題、海洋生物に与える影響、エネルギー確保上の問題等がある。
【０００５】
また、浮体施設の流体力低減方法としては、浮体施設を構成する脚体等の水中構造物にスクリュウ推進装置を設けて位置をコントロールする方法によって浮体施設の位置制御を行う方法が提案されている。また、カウンターウエイトを用いた動吸振機により振動を吸収して浮体施設をコントロールする方法が行われている。しかし、上記いずれの方法も振動等の原因となる流体力そのものを低減するものではなく、浮体施設の安定性、安全性確保に十分な方法ではないという欠点がある。
【０００６】
本発明は上述した従来技術を利用する方法では流体力による水中構造物の振動等を有効に低減することが出来ないという問題点に鑑みなされたもので、潮流等の流体力の定常流および振動流による水中構造物の振動等を気泡によって可及的に低減し、水中構造物自体、或は水中構造物を有する施設の安定性、安全性を高めることができるようにした水中構造物の流体力低減方法及び流体力低減型水中構造物を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために構成された請求項１の発明の手段は、水中構造物に加わる定常流及び振動流の大きさ及び方向を制御手段により計測し、該水中構造物の外面に形成した多数の空気放出孔のうち前記制御手段により選定した空気放出孔から計測値に基づく所望量の空気を該水中構造物の内部から外側の水中に向けて放出するようにしたことにある。
【０００８】
また、請求項２の発明の手段は、水中に設置され、内部が大気と連通した筒状の構造物本体と、該構造物本体の外面に、縦方向および横方向にそれぞれ離間して開口形成した複数の空気放出孔と、該複数の空気放出孔の各々を前記構造物本体の内部と連通させるべく該構造物本体に形成した複数の通気用開口と、前記複数の空気放出孔の各々を開閉する開閉手段を有して前記構造物本体に設けられ、該構造物本体内部側の空気を該複数の通気用開口の各々を介して前記各空気放出孔から外側に放出するための空気放出手段と、前記複数の空気放出孔のうちの選択した空気放出孔から所望量の空気を前記構造物本体の外側に放出すべく該空気放出手段を制御する制御手段とからなる。
【０００９】
前記構造物本体には水中トンネル本体がある。
【００１０】
そして、前記水中トンネル本体は前記複数の空気放出孔が開口する外壁と、前記複数の通気用開口が形成された内壁と、該内壁と外壁との間の空隙に周方向に離間して形成した複数の隔壁とから構成するとよい。
【００１１】
更に、前記構造物本体には、浮体施設を構成して水中に横設又は垂下され、或は定置施設を構成して水中に立設される柱状体の外側を囲繞した状態で設置される外筒がある。
【００１２】
また、前記制御手段は、前記構造物本体に作用する定常流および振動流の大きさおよび方向を加速度計および流向・流速計から検出し、得られた検出値に基づいて、前記複数の空気放出孔のうち空気を放出する空気放出孔および空気放出量を選択し、前記空気放出手段を駆動するように構成するとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。図１ないし図１１は第１の実施の形態に係る水中トンネルを示す。図において、１は水中トンネルを構成する水中トンネル本体（以下、トンネル本体という。）で、該トンネル本体１は円筒体からなる外壁２と、該外壁２より小径の円筒体からなり、外壁２との間に空隙を存して設置した内壁３と、該内壁３と外壁２との間に周方向に離間して形成され、長尺の複数の仕切室４、４、・・・を周方向に画成した複数の隔壁５、５、・・・とから構成してあり、内壁３の内側は外気に連通した鉄道路及び自動車路としての交通路６になっている。そして、上記トンネル本体１は直径約２３ｍ、単位長さ約２００ｍのコンクリート製二重構造体に構成してあり、複数本のトンネル本体１、１、・・・を軸方向に連結して水中トンネルを構成し、図示しないテンションレグにより海底地盤に係留することにより水中に設置してある。
【００１４】
７Ａ、７Ｂ、・・、７Ｍは外壁２の外面２Ａの周方向に所定間隔離間して開口形成した複数の空気放出孔を示し（なお、場合により空気放出孔７と総称する。）、該各空気放出孔７は外壁２の直径の約１／５０〜１／１００の孔径に設定してある。そして、外面２Ａの全面から均等に空気を放出することができるように外壁２の長手方向に隣接する空気放出孔７、７、・・・は１／２ピッチ周方向にずらすことにより千鳥格子状に配列してある。８は各空気放出孔７に連結して外壁２に形成したシャッタ室を示し、該シャッタ室８は機器収納室９を介して仕切室４に連通している。他方、１０、１０、・・・は空気放出孔７、７に対応して内壁３に開口形成した複数の通気用開口を示す。該通気用開口１０、１０、・・・は内壁３の周方向及び軸方向に離間して配設してある。
【００１５】
１１は内壁３内部の大気を各空気放出孔７から外側の海中に放出するための空気放出手段を示す。１２は該空気放出手段１１を構成するメイン放出機器部を示し、該メイン放出機器部１２は通気用開口１０に内設した塵埃除去用のエアフィルタ１２Ａと、大気中の窒素酸化物を除去するために仕切室４に位置して該エアフィルタ１２Ａの下流側に設けた触媒収容体１２Ｂと、基端側は触媒収容体１２Ｂに連通した通気用配管１２Ｃと、該通気用配管１２Ｃの先端に接続され、仕切室４に沿って伸長する空気分配管１２Ｄと、通気用配管１２Ｃに上流側から設けた吸引ポンプ１２Ｅ、圧力保持用加圧タンク１２Ｆ、空気流量計１２Ｇ、メイン開閉弁１２Ｈとから構成してある。また、１３は機器収容室９に配置した個別放出機器部で、該個別放出機器部１３は前記空気分配管１２Ｄとシャッタ室８との間に接続した連通管１３Ａ、１３Ａ、・・・と、機器収納室９に位置して該各連通管１３Ａに上流側から設けた個別流量計１３Ｂ、個別開閉弁１３Ｃ及び逆止め弁１３Ｄとから構成してある。
【００１６】
次に、１４は開閉室８に設けられて空気放出孔７を開閉するシャッタ装置を示し、該シャッタ装置１４は一端側がシャッタ室８に枢支されて開閉可能なシャッタ本体１４Ａと、該シャッタ本体１４Ａを駆動する油圧装置１４Ｂとから構成してある。かくして、本実施の形態における空気放出手段１１は、排気ガス等により大気中に含まれる窒素酸化物等の有害物質をメイン放出機器部１２のエアフィルタ１２Ａと触媒１２Ｂによって除去し、二酸化炭素を多く含む清涼な空気を個別放出機器部１３からシャッタ装置１４を介して空気放出孔７から海中に放出するものであり、二酸化炭素は海水に溶解させることができる。
【００１７】
更に、１５は前記空気放出手段１１を制御するための制御手段を示す。該制御手段は水中トンネル１の略軸中心に設置した加速度計１６Ａと、流向・流速計１６Ｂと、マイクロコンピュータ１６Ｃとホスト制御盤１６Ｄとからなり、定常流と振動流及びこれらの流速を検出し、空気放出孔７Ａ乃至７Ｍのうち空気を放出する空気放出孔７を選定する中央制御部１６と、前記ホスト制御盤１６Ｄに電気的に接続され、各空気放出孔７Ａ乃至７Ｍ毎のメイン放出機器部１２を制御するメイン制御盤１７Ａ乃至１７Ｍと、個別放出機器部１３及びシャッタ装置１４を作動すべく該各メイン制御盤１７に電気的に接続された個別の制御盤１８、１８、・・・とから構成してあり、制御手段１５及び空気放出手段１１は図４に示すシステムに構成してある。なお、同図中二重線は空気の流れを示す。
【００１８】
本実施の形態は上述の構成からなるが、ここでトンネル本体１に対する流体力を気泡により低減する原理について説明する。先ず、流体力の抗力ＣD の低減について説明すると、放出された空気によりトンネル本体１の外周に気泡が纏わり付き、水中に集団で混在することによって気泡の持つダンピング作用が生じる。そして、流れの向きに関係なくダンピングが増加する結果、流体力による速度変動を減少させることができる。また、その際の気泡は、下流側に圧力の低下により生じる流れの剥離域に流れ込むことでトンネル本体１の形状が見かけ上流線形になり、流れをスムーズにすることによって効果的に抗力ＣD を低減させることができるのである。
【００１９】
また、揚力ＣL の低減について説明すると、トンネル本体１の後流の圧力の小さい領域に気泡が入り込み、渦の原因となる流れの剥離が起きないために見かけ上トンネル本体の外周における圧力差が減少する結果、揚力が減少することによる。更に、付加質量力ＣM の低減について説明すると、トンネル本体１の外周を質量を持たない気泡が取り囲むことにより、見かけ上トンネル本体１の付加質量を排除するものである。
【００２０】
上述した流体力低減の原理に沿って本実施の形態における空気放出の制御方法を説明すると、制御手段１５は図５および図６に示す手順に従って定常流および振動流とその速さを検出し、空気放出手段１１を作動してトンネル本体１の外面２Ａから空気を放出して気泡を発生させることにより、流体力を低減するものである。即ち、トンネル本体１の振動が基準値を越えたか否かを加速度計１６Ａにより判定し、越えた場合には流向・流速計１６Ｂにより流体力の種類を判定する。トンネル本体１の変動加速度により揚力方向の卓越振動かを流速計１６Ｂと加速度計１６Ａの計測値から判定し、トンネル本体１の振動速度が最大の場合（加速度値が最小の場合）には揚力が最大になるから、この場合の流体力を低減するための空気放出タイミングを加速度信号の振動周期プラス、マイナスＴ／４ずらして空気を放出する。つまり、抗力に対しては加速度最大のときに空気を放出し、揚力に対しては加速度が０のときに放出する。
【００２１】
このように、制御手段１５によって検出した流体力の抗力係数ＣD 、揚力係数ＣL および付加質量係数ＣM により、流体力の低減に有効なパラメータを求め、適切な空気放出孔７を選択して空気放出手段１１により空気放出孔７から必要な量の空気を放出する。そして、空気放出による変動加速度の大きさによる空気放出量を最適に調整する。空気放出量増加に伴なってトンネル本体１の変動量が漸減するＡタイプの場合（図７参照）には、制御手段により空気放出量を制御してトンネル本体１の変動加速度量の範囲内を制御目標に空気量を調節する。また、変動量が空気を放出した場合に極大値を持つＢタイプの場合（図８参照）には、空気放出によるトンネル本体１の変位量の増減域を補償して空気量を放出するのである。
【００２２】
空気放出のパターンを示すと、図９に示すように、例えば図中左方向からの定常流による抗力ＣD および揚力ＣL が作用する場合には、空気放出孔７Ａ乃至７Ｇから空気Ａ、Ａ、・・・を放出することにより（放出パターンＡ）、流体力を低減することができる。
【００２３】
図１０に示すように振動流による抗力ＣD および揚力ＣL が作用する場合には、トンネル本体１の直径方向両側に位置する空気放出孔７Ｃ、７Ｄ、７Ｅおよび７Ｊ、７Ｋ、７Ｌから空気Ａ、Ａ、・・・を放出することにより（放出パターンＢ）、流体力を有効に低減することができる。また、図１１に示すように、振動流の付加質量力ＣM が作用するような場合には、全ての空気放出孔７Ａ乃至７Ｍから径方向に空気Ａ、Ａ、・・・を放出することにより（放出パターンＣ）、付加質量力ＣM を有効に低減することができ、トンネル本体１の振動等を抑制することができる。なお、空気の放出は１のトンネル本体１を１単位として行い、また１の仕切室４に対応する複数の空気放出孔７Ａ（７Ｂ、・・・、７Ｍ）は一体に空気を放出する。
【００２４】
本実施の形態によれば、トンネル本体１は二重構造に構成してあるから、設計基準以上の外力が作用した場合でも安全性に優れているし、設計において必要以上の安全率をとる必要がなく、建設コストの低減を図ることができる。また、仕切室４を配管１２Ｃ、１２Ｄや機器１２Ｅ乃至１２Ｈの収納空間として使用できるから、設計および保守管理が容易である。
【００２５】
また、空気を加圧して放出する構成にしてあるから、水中トンネル損傷の際の復旧に用いられるトンネル内空気充填バックアップシステムにも流用可能であるという利点がある。
【００２６】
更に、本実施の形態ではシャッタ本体１４Ａが一端側を支点に回動するシャッタ装置１４を例に挙げたが、シャッタ本体はスライド式に構成してもよく、要は空気放出孔７を確実に開閉可能な手段であればよい。
【００２７】
図１２は本発明の第２の実施の形態を示し、例えば海上ヘリポートや海底油田掘削用プラットホーム等の浮体施設３１を構成し、デッキ或はプラットホーム３２から海中に垂下される脚体３３に対する流体力を低減するために本発明を適用したものである。図中３４は脚体３３の外周に設けた縦型水中構造物としてのコンクリート製縦型筒体を示し、該縦型筒体３４は第１の実施の形態におけるトンネル本体１と同様に外壁３５と内壁３６と隔壁３７とから上端が開口部３４Ａになった二重筒体に構成してある。そして、開口部３４Ａから流入する外気を外壁３５に形成した多数の空気放出孔３８、３８、・・・から図示しない空気放出手段および制御手段によって放出することにより、流体力を低減するものである。この流体力低減の原理および作動は第１の実施の形態に異なるところはないので、その詳細の説明は省略する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上詳述した如く構成したから、下記の諸効果を奏する。
（１）水中構造物の表面から空気を放出し、水中構造物の外側の所要部位に気泡を形成するようにしたから、水中構造物に作用する流体力を効率よく低減することができる。
（２）水中構造物の外周面の一部或は全面から制御手段により定常流および振動流とその流速に応じて空気を放出するから、流体力を確実に低減することができる。
（３）大気中の二酸化炭素は海中に放出することにより溶解させることができるから、二酸化炭素の処理プラントとしての機能も果たすことができ、地上における二酸化炭素の低減に資することができる。
（４）水中構造物に排気ガス等を地上側に放出するための換気塔は不要であるのであり、海上交通を妨げることがない。
（５）放出した空気の気泡により水中構造物の位置の確認が容易であり、航行船舶に注意を喚起できるし、事故等の場合の位置確認も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ないし図１１は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は流体力低減型水中トンネルの部分側面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ矢示方向拡大断面図である。
【図３】図２中の要部拡大図である。
【図４】空気放出手段および制御手段のシステム構成図である。
【図５】トンネル本体に対する流体力を低減する手順を示す流れ図である。
【図６】図６は図５に続く手順を示す流れ図である。
【図７】放出空気量と流体力の関係を示す線図である。
【図８】放出空気量と流体力の他の関係を示す線図である。
【図９】空気放出パターンＡを示す説明図である。
【図１０】空気放出パターンＢを示す説明図である。
【図１１】空気放出パターンＣを示す説明図である。
【図１２】図１２は第２の実施の形態に係り、縦型水中構造物に本発明を適用した場合の概略説明図である。
【符号の説明】
１            トンネル本体
２            外壁
３            内壁
５            隔壁
７、３８      空気放出孔
８            通気用開口
１１          空気放出手段
１５          制御手段
１６Ａ        加速度計
１６Ｂ        流向・流速計
３４          縦型筒体
【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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