(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路中に設けられた沈砂池であって、
前記流路の下流に向けて深度を大きくした底部構造を有し、
前記底部構造における異なる深度の所定箇所に、各所定箇所の深度が浅いほど口径の大きな開口を備えた排砂管を設置したことを特徴とする沈砂池。
【請求項２】
前記底部構造は、前記深度を前記流路の下流に向けて段階的に大きくし、複数のステップからなる階段構造をなすものであり、
前記排砂管を、前記階段構造を構成し、互いに深度が異なる複数のステップに設置したことを特徴とする請求項１に記載の沈砂池。
【請求項３】
前記底部構造は、異なる深度の所定箇所に凹部を備えるものであり、
前記排砂管を、互いに深度が異なる複数の前記凹部に設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の沈砂池。
【請求項４】
前記底部構造は、前記排砂管の下流側において、前記排砂管の設置箇所の深度が浅いほど開口幅の大きなスリットを複数備えたスクリーンを立設しているものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の沈砂池。
【請求項５】
前記排砂管は、前記開口を開閉する開閉材を備えるものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の沈砂池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電所の取水口等から流入した土砂を沈降させる沈砂池に関し、特に、沈砂池底部に堆積する土砂等を粒径に応じて分級し、効率的に排出するための技術に関する。
【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、本発明者らは、例えば、特許文献１にて、スリットを有する渦動排砂管を沈砂池の底部に設置する方法を開示した。これは、沈砂池の底部に設置した渦動排砂管に所定の配置間隔で複数のスリットを設け、このスリットを介して渦動排砂管上に堆積した土砂等を渦動排砂管内に吸い込み、管下流へ排出するものである。このとき、渦動排砂管上に堆積した土砂は図１２に示すように、水中の安息角θにしたがってすり鉢状に排砂される。
【特許文献１】特開２００５−１４６６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
沈砂池に設置される排砂管は、例えば、沈砂池に堆積する土砂の平均粒径を基準に開口の口径が設定されていた。しかしながら、実際に沈砂池に流入してくる土砂の粒径は様々であり、設定より大きな粒径の土砂が沈砂池に流入すると、これを吸入出来ない排砂管の開口が詰まってしまう場合があった。一方、この開口の詰まりを防ごうと、前記開口の口径を大きくしすぎると、排砂管の管内から開口に作用する負圧が弱まり、排砂管による排砂範囲が狭くなってしまうという問題が生じる。
【０００４】
そこで本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、沈砂池に流入する土砂を粒径に応じて分級し、排砂管による効率的な排砂を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決する本発明の沈砂池は、流路中に設けられた沈砂池であって、前記流路の下流に向けて深度を大きくした底部構造を有し、前記底部構造における異なる深度の所定箇所に、各所定箇所の深度が浅いほど口径の大きな開口を備えた排砂管を設置したことを特徴とする。
【０００６】
また、前記沈砂池において、前記底部構造は、前記深度を前記流路の下流に向けて段階的に大きくし、複数のステップからなる階段構造をなすものであり、前記排砂管を、前記階段構造を構成し、互いに深度が異なる複数のステップに設置したものとしてもよい。
【０００７】
また、前記沈砂池において、前記底部構造は、異なる深度の所定箇所に凹部を備えるものであり、前記排砂管を、互いに深度が異なる複数の前記凹部に設置したものとしてもよい。
【０００８】
また、前記沈砂池において、前記底部構造は、前記排砂管の下流側において、前記排砂管の設置箇所の深度が浅いほど開口幅の大きなスリットを複数備えたスクリーンを立設しているものである、としてもよい。
【０００９】
また、前記沈砂池において、前記排砂管は、前記開口を開閉する開閉材を備えるものである、としてもよい。
【００１０】
なお、流速測定器を前記流路中に設置し、流路を流れる水流の流速を測定し、前記流速測定器が出力する流速値に応じて前記渦動排砂管の開口の口径を拡大縮小させる制御を行うとしてもよい。この場合、前記渦動排砂管における前記制御装置が前記測定値を前記流速測定器から取得し、ここで取得した測定値（＝流速）が所定上限値を超えた場合に前記開口の口径を所定分だけ拡大し、一方、前記測定値（＝流速）が所定下限値を下回った場合に前記開口の口径を所定分だけ縮小するといった制御を前記開閉材に対し行う。
【００１１】
また、前記流速測定器を前記渦動排砂管の設置箇所毎に設置し、該当渦動排砂管周辺の流速を測定し、前記流速測定器が出力する該当渦動排砂管周辺の流速値に応じて該当渦動排砂管毎に、開口の口径を拡大縮小させる制御を行うとしてもよい。この場合、各渦動排砂管における前記制御装置が、自身に接続された流速測定器から前記測定値を取得し、ここで取得した測定値（＝流速）が所定上限値を超えた場合に前記開口の口径を所定分だけ拡大し、一方、前記測定値（＝流速）が所定下限値を下回った場合に前記開口の口径を所定分だけ縮小するといった制御を前記開閉材に対し行う。
【００１２】
更に、前記スクリーンが、前記スリット背面（スリットの下流側の面）に配設され、スリットを開閉する開閉材と、前記開閉材の開閉動作を制御する制御装置とを備えるものであるとしてもよい。この場合、上述した渦動排砂管の口径制御と同様に、流速測定器の測定値（＝流速）に応じて、スクリーン毎に、開口の口径を拡大縮小させる制御を行うことが想定できる（各スクリーンにおける前記制御装置が、自身に接続された流速測定器から前記測定値を取得し、ここで取得した測定値（＝流速）が所定上限値を超えた場合に前記開口の口径を所定分だけ拡大し、一方、前記測定値（＝流速）が所定下限値を下回った場合に前記開口の口径を所定分だけ縮小するといった制御を前記開閉材に対し行う）。
【００１３】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明の実施の形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、沈砂池に流入する土砂を粒径に応じて分級し、排砂管による効率的な排砂が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
−−−沈砂池の構造−−−
以下、本発明に係る好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態に係る沈砂池を示す図である。本実施形態における沈砂池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流路４に設けられるものである。こうした沈砂池１は、前記流路４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、流路４よりも沈砂池１の水深を深くすればよいから、沈砂池１に接続する流路４より底部の深度が大きくなっている。
【００１６】
また、前記土砂２を粒径毎に分級する本実施形態の沈砂池１は、前記深度が前記流路４の下流に向けて大きくなった底部構造２０を有する。図１の例では、前記深度を前記流路４の下流に向けて段階的に大きくし、複数のステップ２２からなる階段構造２１なす底部構造２０を想定している。こうした底部構造２０における異なる深度の所定箇所、つまり図１の例におけるステップ２２には、各ステップ２２の深度が浅いほど口径の大きな開口５を備えた排砂管たる渦動排砂管７（以後、渦動排砂管）を設置している。
【００１７】
例えば、階段構造２１の中で最も深度が浅いステップ２２ａは、３つのステップ間で流速が最大となり、前記ステップ２２ａより深度が深くて下流のステップ２２ｃより深度が浅いステップ２２ｂは、３つのステップ間で流速が中間となり、階段構造２１の中で最も深度が深いステップ２２ｃは、３つのステップ間で流速が最小となる。このことは、各ステップ２２において堆積する土砂２の粒径に影響し、各ステップでの堆積土砂の粒径は、ステップ２２ａ（深度最小で流速最大）＞ステップ２２ｂ（深度中間で流速中間）＞ステップ２２ｃ（深度最大で流速最小）、といった関係になる。
【００１８】
そこで、この各ステップでの堆積土砂の粒径の関係を、前記渦動排砂管７における開口５の口径にも反映させ、各ステップでの開口５の口径は、ステップ２２ａ（深度最小で流速最大）＞ステップ２２ｂ（深度中間で流速中間）＞ステップ２２ｃ（深度最大で流速最小）、と設定する。
【００１９】
次に、前記渦動排砂管７について説明する。図２は、本実施形態に係る渦動排砂管７の全体構造を示す平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ'矢視図である。また、図４は、本実施形態に係る渦動排砂管７の管構造を示す図であり、図５は、本実施形態に係る開閉材９を示す図である。図２及び図３に示すように、前記沈砂池１に堆積する土砂２を排出する前記渦動排砂管７は、沈砂池１の底部構造２０に設置され、土砂２を流入させる開口５を複数有し、当該渦動排砂管７内に摺動可能に挿通され、開口５を開閉自在とする開閉材９を備えている。また、前記開口５が開閉自在となるように、前記開閉材９を渦動排砂管７に対して摺動させる制御装置１１が、沈砂池１の躯体構造などに備わる（勿論、前記渦動排砂管７が前記制御装置１１を一体に備えるとしてもよい）。
【００２０】
また図４に示すように、前記渦動排砂管７は管構造として、軸方向に複数の開口５を有する円筒管であり、本実施形態においては例えば鋼管を用いる。本実施形態において、渦動排砂管７の開口５は、予め設計により算出された、例えば、所定の幅Ｗ：５ｃｍ、所定の長さＬ：２０ｃｍ、中心間の距離：所定の間隔Ｐ（後述する）の半分の１００ｃｍ、所定の直径Ｄ：２０ｃｍといったサイズを設定されている。
【００２１】
こうした管構造の内空に挿入されるのが前記開閉材９である。この開閉材９は図５に示すように、軸方向に複数のスリット１０を有する円筒管であり、本実施形態においては、例えば鋼管を用いる。本実施形態において、開閉材９のスリット１０の長さ及び幅は渦動排砂管７の開口５と同一であり、例えば、中心間の距離は所定の間隔Ｐの２００ｃｍとする。なお、前記渦動排砂管７及び開閉材９の各開口５、１０の所定の長さＬ、所定の幅Ｗ、及び所定の間隔Ｐは、渦動排砂管７の直径、排砂可能な土砂量、土砂２の粒径等に基づいて予め設計により算出され、各現場条件に応じて適宜変更される。
【００２２】
また、前記渦動排砂管７の開閉材９を制御する前記制御装置１１は、一端が開閉材９の端部に接続され、この開閉材９を渦動排砂管７に対して軸方向に摺動する摺動手段１３と、摺動手段１３を駆動する駆動手段１５とを備える。本実施形態において、前記摺動手段１３は油圧にて伸縮可能なシリンダを用い、駆動手段１５はこのシリンダの作動圧を発生させる油圧ポンプを用いる。そして、前記開閉材９を軸方向に摺動し、開閉材９のスリット１０の位置と渦動排砂管７の開口５の位置とを一致させて、渦動排砂管７周辺に堆積した土砂等２を渦動排砂管７内に流入させて排出する。
【００２３】
−−−他の構造例−−−
沈砂池１の構造としては、上述した形態の他、次のようなものも想定できる。図６は、沈砂池の他の構造例１を示す図である。ここで例えば、前記沈砂池１の底部構造２０が、前記流路４の下流に向けて深度が徐々に大きくなる傾斜構造３０をなすものとする。この時、沈砂池１は、前記傾斜構造３０中における異なる深度の所定箇所に、凹部２３を備える。この凹部２３は、前記傾斜構造３０の上を傾斜のままに流れ下る土砂２を引き留めて堆積させる役割を果たす。ここで堆積した土砂２については、該当凹部２３に前記渦動排砂管７を設置して排出する。そのため、各凹部２３には渦動排砂管７が備わっている。
【００２４】
また、更に他の構造例としては、前記渦動排砂管７の下流側にスクリーン２６を設置した沈砂池１を想定できる。図７は、沈砂池の他の構造例２を示す図である。この場合、前記沈砂池１の前記底部構造２０には、前記渦動排砂管７の下流側であるステップ２２ａの後縁２１ｄにおいてスクリーン２６ａが立設されている。このスクリーン２６ａは、上流から前記底部構造２０の傾斜にそって流れ下ってきた土砂２のうち、前記ステップ２２ａでの流速に応じて沈降する粒径分の更なる移動をスリット２５ａで留める。そのため、このスリット２５ａの開口幅２４ａは、前記ステップ２２ａの深度に応じた流速（ステップ２２ａ〜ステップ２２ｃの間では最速）に対応させて、ステップ間で最大のものとなっている。
【００２５】
一方、前記スクリーン２６ａのスリット２５ａを通過した粒径分の土砂２のうち、下流側のステップ２２ｂでの流速に応じて沈降する粒径分が、当該ステップ２２ｂの後縁に立設したスクリーン２６ｂのスリット２５ｂで留められる。そのため、このスリット２５ｂの開口幅２４ｂは、前記ステップ２２ｂの深度に応じた流速（ステップ２２ａ〜ステップ２２ｃの間では中間）に対応させて、ステップ間で中間のものとなっている。
【００２６】
同様に、前記スクリーン２６ｂのスリット２５ｂを通過した粒径分の土砂２のうち、より下流側のステップ２２ｃでの流速に応じて沈降する粒径分が、当該ステップ２２ｃの後縁に立設したスクリーン２６ｃのスリット２５ｃで留められる。そのため、このスリット２５ｃの開口幅２４ｃは、前記ステップ２２ｃの深度に応じた流速（ステップ２２ａ〜ステップ２２ｃの間では最小）に対応させて、ステップ間で最小のものとなっている。
【００２７】
また、前記スクリーン２６は、前記スリット背面（スリットの下流側の面）に配設され、スリット２５を開閉する開閉材２８と、前記開閉材２９を前記スリット背面に沿って横方向（図中の矢印の方向）にスライドさせ前記スリットの開閉動作を制御する制御装置２９とを備えるものであるとしてもよい。この時、前記開閉材２８は、スリット２５と同じ開口を備えるものであり、スリット背面をスライドすることでスリット２５の開口を自身の非開口部で適宜狭めることができる。また、前記制御装置２９は、スクリーン２６の上端に設置され、開閉材２８の上端を把持しつつ前記スライドをさせるためのレールを自身の底面に備える。このレール内面には、例えば滑車やボールベアリングが備わっていて、前記開閉材上端の適宜な突起片を前記滑車やボールベアリングで噛みつつ把持する。また、この滑車やボールベアリングを駆動するためのモータ等の駆動装置も前記制御装置２９には備わる。
【００２８】
こうしたスクリーン２６を底部構造２０に設置することで、各深度毎の所定箇所（ステップ２２や凹部２３）における分級がさらに効率的に行われることとなる。
【００２９】
−−−排砂処理−−−
次に、上述した沈砂池１における渦動排砂管７を用いた排砂方法について説明する。図８は、本実施形態に係る排砂方法の例１を示す図である。例えば、延長は１０ｍ、幅は２ｍ、水深は２ｍの沈砂池１における所定のステップ２２において、厚さ３０ｃｍの土砂２が堆積し、排砂する土砂の平均粒径を１ｍｍとした場合について説明する。
【００３０】
まず、有効渦動管長を次の算定式により算出する。  
連続の式より、
ｄＱ／ｄｘ＝ｑ            ・・・（式１）
運動方程式より、
β／ｇＡ２・ｄＱ２／ｄｘ＋ｄ（ｐ／ｗ＋ｚ）／ｄｘ−Ｕ／ｇＡ・ｄＱ／ｄｘ＋ｆＱ２／２ｇＤＡ２＝０            ・・・（式２）
ここで、Ｑ：渦動管内の流量（ｍ３／ｓ）、ｑ：渦動管内へ流入する単位長さ当たりの流入量（ｍ２／ｓ）、Ｕ：渦動管内の断面平均流速（ｍ／ｓ）、Ａ：渦動管の断面積（ｍ２）、ｘ：渦動排砂管７軸に沿った流下方向の距離（ｍ）、ｇ：重力加速度（ｍ２／ｓ）、Ｐ：管中心の圧力（Ｐａ）、ｗ：流体の単位体積重量（ｋｇ／ｍ３）、ｚ：基準面から管中心軸の高さ（ｍ）、Ｄ：管の直径（ｍ）、ｆ：摩擦係数である。
【００３１】
式１及び式２より算出された本実施形態における有効渦動管長は８．２ｍとなり、スリットは所定の長さＬ、所定の間隔Ｐに基づいて、渦動排砂管７、開閉材９にそれぞれ９個、５個ずつ設けられる。
【００３２】
次に、制御装置１１を作動させて開閉材９を軸方向に摺動させ、開閉材９のスリット１０の位置と渦動排砂管７の開口５ａの位置とを一致させる。このとき、開放された開口５ａに隣接する開口５ｂはすべて閉鎖された状態となる。そして、開口５ａの上方の土砂等２は渦動排砂管７内に排砂される。この１回目の排砂により、スリット上向きで水中安息角θが３０°〜４０°のすり鉢状の範囲の土砂等２が約０．２５ｍ３排砂される。
【００３３】
図９は、本実施形態に係る排砂方法の例２を示す図である。図９に示すように、再び、制御装置１１を作動させて開閉材９を軸方向（図中右方向）に摺動させ、開閉材９のスリット１０の位置と上述した１回目の排砂にて開放した渦動排砂管７の開口５ａの位置に隣接する開口５ｂの位置とを一致させる。このとき、１回目の排砂時に開放した渦動排砂管７の開口５ａはすべて閉鎖された状態となる。そして、今回開放された開口５ｂの上方の土砂等２は渦動排砂管７内に排砂される。この２回目の排砂により、１回目と同様に、スリット上向きで水中安息角θが３０°〜４０°のすり鉢状の範囲の土砂等２が排砂され、１回目と２回目との排砂量の合計は約０．５ｍ３となる。これら２回の排砂にて、渦動排砂管７の上方に堆積した土砂等２のほとんどが開口５、１０を介して渦動排砂管７内に流入し、排砂される。
【００３４】
こうして、本実施形態によれば、沈砂池に流入する土砂を粒径に応じて分級し、排砂管による効率的な排砂が実現される。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態に係る沈砂池を示す図である。
【図２】本実施形態に係る渦動排砂管の全体構造を示す平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ'矢視図である。
【図４】本実施形態に係る渦動排砂管の管構造を示す図である。
【図５】本実施形態に係る開閉材を示す図である。
【図６】沈砂池の他の構造例１を示す図である。
【図７】沈砂池の他の構造例２を示す図である。
【図８】本実施形態に係る排砂方法の例１を示す図である。
【図９】本実施形態に係る排砂方法の例２を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  沈砂池
２  土砂等
３  渦動排砂装置
４  流路
５  （渦動排砂管の）開口
７  渦動排砂管
９  開閉材
１０  （開閉材の）開口
１１  制御装置
１３  摺動手段
１５  駆動手段
２０  底部構造
２１  階段構造
２２  ステップ
２３  凹部
２４  （スリットの）開口幅
２５  スリット
２６  スクリーン
３０  傾斜構造
Ｗ  所定の幅
Ｌ  所定の長さ
Ｐ  所定の間隔
Ｄ  所定の直径
【図１】
0005042001.tif 000002
【図２】
0005042001.tif 000003
【図３】
0005042001.tif 000004
【図４】
0005042001.tif 000005
【図５】
0005042001.tif 000006
【図６】
0005042001.tif 000007
【図７】
0005042001.tif 000008
【図８】
0005042001.tif 000009
【図９】
0005042001.tif 000010