(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦長の立坑（１）のほぼ中間の高さ位置に、流水の導入管（２）を、先端を立坑（１）の底面に向けて斜めに差し込んであって、導入管（２）の先端が立坑（１）内に突出しており、立坑（１）の上部には排水路（３）を連結してあり、排水路（３）の連結位置が導入管（２）先端の位置より高いことを特徴とする減勢工。
【請求項２】
上から見て、導入管（２）が立坑（１）に入る手前で横方向にカーブしており、導入管（２）の先端が立坑（１）の中心を向いていることを特徴とする請求項１記載の減勢工。
【請求項３】
上から見て、導入管（２）の先端の進行方向が立坑（１）の中心からオフセットされていることを特徴とする請求項１記載の減勢工。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電所の余水路等を流れてくる大きなエネルギーを持った流水を、減勢して河川等に放出するための減勢工に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電所には、余分な水を放出するための余水路を有している。余水路を流れる流水は猛烈な勢いの流れとなり、これをそのまま河川等に放出すると何かと問題が起きるので、減勢工という設備で流水の勢いを弱めている。
【０００３】
減勢工には、立坑型、衝撃型、跳水型といったいくつかのタイプがあるが、比較的流量が多い場合には、立坑型が採用されることが多い。立坑型減勢工は、大きな水槽のような立坑の上に余水管を配置し、立坑の上部壁面に排水路を設けた単純なもので、例えば水道の蛇口の下に洗面器を置いて蛇口をひねると、洗面器から溢れる水の流れが緩やかになるのと原理は同じである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
立坑型減勢工の減勢能力を高くするためには、立坑の容積を大きくする必要がある。それも、立坑の横断面積を大きくすることが有効であって、立坑を深く掘って縦長にしても、立坑の底の方の水が減勢に作用しないのであまり効果がない。よって必然的に広い土地が必要になり、建造のためのコストも大きくなる。また、既存の水力発電所にあとから減勢工を設置する場合には、十分な土地を確保できないことが往々にしてある。
【０００５】
本発明はそうした実情に鑑み、限られた狭い土地に設置できて、高い減勢能力を発揮する減勢工を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、請求項１記載の発明による減勢工は、縦長の立坑のほぼ中間の高さ位置に、流水の導入管を、先端を立坑の底面に向けて斜めに差し込んであって、導入管の先端が立坑内に突出しており、立坑の上部には排水路を連結してあり、排水路の連結位置が導入管先端の位置より高いことを特徴とする。ここで縦長の意味する所は、立坑の深さが立坑の横断長さ（例えば直径）に比べて深いことを意味する。この減勢工では、高速の流水が立坑内の水中に直接流れ込み、立坑の底面に衝突した後、立坑内全体に流れが分散し、縦長の立坑内の水全体で減勢を行う。
【０００７】
減勢能力をさらに高めるための手段として、立坑の内部に、上から見て導入管の両側に左右非対称の流れが形成されるようにすることが有効である。そのようにするには、請求項２に記載したように、上から見て、導入管が立坑に入る手前で横方向にカーブしており、導入管の先端が立坑の中心を向いているか、請求項３に記載したように、上から見て、導入管の先端の進行方向が立坑の中心からオフセットされているようにすれば良く（すなわち、導入管の立坑への進入位置を立坑の中心に対してオフセットさせるか、導入管の先端が立坑の中心を向かないように傾けるかすれば良い）、要するに流水が立坑の中心に向かって素直に流れ込む状態でなければ良い。このようにすると立坑の内部に三次元的で複雑な流れが形成され、それらが互いに干渉しあうことでより高い減勢効果が期待できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本出願人は、ある既存の水力発電所にこの形の減勢工を新たに設置することを計画し、これを具体化するために模型を使って綿密な実験を行っている。その経緯を簡単に述べると、問題となった水力発電所は図３に示すように、発電用に溜めている水の水位変動を調整するヘッドタンク５や発電所６の設備が川べりの狭い土地に密集しており、減勢工の立坑１はどうしても面積の狭い縦長の形態にならざるを得なかった。しかも使用水量が８０ｍ３／Ｓと多かったので、従来のように立坑の上から水を落したのでは十分に減勢できない恐れがあった。そこで、ヘッドタンク５からの余水を立坑１内の水中に直接導入することを試みた。また、現状ではヘッドタンク５から川７に向けて直線的に余水路８が形成されていたが、立坑１をこの余水路８から横に外れた所に設置し、余水路８の途中からほぼ直角に曲る導入管２で余水を立坑１に導入することにした。
【０００９】
減勢工は図１と図２に示すように、立坑１と、導入管２と、放水池９に連なる排水路３とで構成される。立坑１の形状は縦長の円筒形で、底を底板１０で塞いでいる。導入管２は断面が円形のパイプであり、立坑側壁１１のほぼ中間の高さ位置から立坑１内部に突入させてある。導入管２は、約６０度の急角度で立坑１内に突入させ、先端を立坑底板１０に向かせている。また導入管２は、上から見て立坑１に入る手前でほぼ直角に曲り、立坑１の中心に向かって突入している。このようにすると、導入管２から流れ込む流水１２の向きは、上から見て立坑１の中心をそれる状態となる。立坑１の上部には排水路３を設けてある。
【００１０】
実験では、まず立坑１の直径を１０ｍに固定し、立坑１の深さＨの違いによる減勢能力の違いを見ることにした。模型は実物の１／２０の大きさで、透明な樹脂を用いて製作し、各物理量はフルードの相似則に基づいて以下の表１のように決定した。導入管２は、図４（イ）（ロ）に示すように、管壁をそのまま残して立坑１内に突出する形と、立坑１の壁面に沿って先端を切除した形の二通りで実験した。減勢能力の評価は、立坑１内の水面の動揺幅により行った。
【表１】
0004338890.tif 000002
【００１１】
この実験の結果をグラフにしたのが図５である。まず導入管２の先端を残したものと切除したものとでは、残したものの方が減勢能力が高いことが分った。立坑１内の流況を観察したところによれば、導入管２の先端を切除したものでは、流水への拘束力が弱いためか立坑１の深部にまで流れが到達せず、浅い部分でしか減勢していなかった。導入管２の先端が有るものでは、立坑１の深部にまで流れが到達し、立坑１内の水全体で減勢を行っており、このことが減勢能力の違いに大きく表れている。
【００１２】
立坑１の深さと減勢能力の関係について見ると、立坑１の深さを深くするにつれて減勢能力は上がるが、深さ１７ｍで最も減勢能力が高くなる結果となった。このことは、導入管２の立坑１への進入角度と立坑１の深さＨとの絡みで、最適な状態というものが存在することを意味している。その時の状態は、導入管２の進行方向を延長して辿っていくと、ちょうど立坑の側壁１１と底板１０が交差する角の辺りにぶつかる状態であり、それ以上深くしても意味がないようである。
【００１３】
また今回計画した減勢工は、既存の水力発電所に後から設置するために、現地の立地条件の関係で、導入管２を立坑１に入る手前でカーブさせる必要が有ったが、このことが減勢能力にどのような影響を及すかについても実験を行った。図６（イ）（ロ）（ハ）に示すように、導入管２を立坑１の中心に向かってまっすぐに連結した場合と、４５度と９０度の平面交角αを持たせて連結した場合について、立坑１内の水面の動揺幅を測定すると、表２のような結果となった。
【表２】
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【００１４】
表２から明らかなように、導入管２に平面交角αが無いものと有るものとでは、減勢能力に際立った違いが見られた。そのようになる原因を、立坑１内の流況観察の結果から考察すると、平面交角αが無い場合には、図７に示すように、立坑進入後上下に分れて回転流Ｆ１，Ｆ２が形成され、この回転流Ｆ１，Ｆ２が進入してくる流水Ｆ３と衝突して水面の大きな動揺を起こした。平面交角αが有る場合、導入管２を流れる流水Ｆ３は偏流となって管路の上側に沿って流れる状態となり、立坑１内に流れ込んでからは、上下の回転流Ｆ１，Ｆ２に横方向のねじれが加わり、下側の回転流Ｆ１は導入管２の手前側に回り込み、上側の回転流Ｆ２は導入管２の奥側に回り込んで、進入する流水Ｆ３との衝突がなくなり、立坑１内の水は図８に示すように、上から見て時計方向にゆっくり旋回した。この旋回流Ｆ４が回転流Ｆ１，Ｆ２を変形させ、導入管２出口付近の流れの集中を防いだものと考えられる。旋回流Ｆ４は、こうして導入管２をカーブさせることで起こすことができるが、導入管２の立坑１への進入位置を立坑１の中心から僅かにずらすことでも起こすことができ、同じように減勢能力を高める効果があるものと推察する。
【００１５】
以上の実験により、本発明の減勢工が高い減勢能力を有し、十分実用的であることが確認できた。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明による減勢工は、縦長形状の立坑内の水全体で効率良く減勢を行うものであり、限られた狭い土地に、これまでにない高い能力を持った減勢工を設置できるようになった。
【００１７】
請求項２及び３記載の発明によれば、立坑内に三次元的で複雑な流れが形成されることから、より一層の減勢効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による減勢工の上面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】水力発電所に本発明の減勢工を設置する場合の配置を示す平面図である。
【図４】（イ）（ロ）実験用に製作した減勢工の模型の縦断面図である。
【図５】立坑の深さ、導水管先端の形状が、減勢能力に及す影響を示すグラフである。
【図６】（イ）（ロ）（ハ）実験用に製作した減勢工の模型の上面図である。
【図７】立坑内部の縦方向の水の流れの状態を示す図である。
【図８】立坑内部の横方向の水の流れの状態を示す図である。
【符号の説明】
１  立坑
２  導入管
３  排水路
【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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