第 22 回 国土技術開発賞 創意開発技術賞 受賞

ハイブリッド・サイフォン排水装置
サイフォンと水中ポンプで高揚程で大容量な排水装置〔受賞者〕 株式会社山辰組
ま ぶち〔本稿執筆者〕 馬渕

以下に，第 22 回 国土技術開発賞で創意開発技術賞を受賞した「ハイブリッド・サイフォン排水装置」を紹介します。

かず み

ま ぶち和三，馬渕つよし剛

2. 従 来の排水装置は，電気か燃料で駆動するしかなかったという課題
従来より排水作業を行う際に使用する装置は，動力による排水装置しかなかったため，電気か燃1.

はじめに料の消費が不可欠であり，稼働中は燃料補給を繰り返し，大量の燃料消費に伴い地球温暖化の一因

燃料消費と温室効果ガスの排出量を 10,000 分の 7 に軽減した，本ハイブリッド・サイフォン排水装置（以下，「ハイブリッド・サイフォン」という）は，2020 年 11 月に開催された G 20 サミットで日本が表明した「2050 年までに温室効果とされる温室効果ガスの排出は避けることができなかった。

3.

 イブリッド・サイフォンがハ
課題を解決

ガスの排出量を実質ゼロとする，カーボンニューハイブリッド・サイフォンは，サイフォンと水トラルの実現」の国際公約に向け，排水及び送水中ポンプの排水機能を単独または併用すること技術を通じて大きく貢献することが期待できる。

で，双方の限界を大きく超えた排水能力を発揮で本装置開発のきっかけは，平成 21 年の国土交きる装置である。

通省の「大規模な河道閉塞（天然ダム）の危機管本技術は，従来の電気や燃料で駆動する技術と理のあり方について（提言）」で，「ポンプ排水には異なり，サイフォンの原理により稼働する排水要する大量の燃料消費を軽減することが可能な手装置として開発し，いくつかの特長を備えた。ま法として，大容量排水技術（サイフォン等）につずは，課題であった電気や燃料の消費量を軽減しいても開発・検討を進め，実用化の際にはその適て燃料補給作業と温室効果ガスの排出を大幅に削用範囲を明確化すべきである。」の提言を受け，減した。併せて，従来のサイフォン排水装置では当社で開発した。

成し得なかった起動方法や限界揚程を超えた高揚

ハイブリッド・サイフォンは，その後も改良を重ね，多様な現場条件にも対応可能な排水及び送水装置（以下，「排水装置」という）として大きく進化させることができた。

程かつ大容量なサイフォン排水装置を実現した（図− 1）。
起動に伴う人力作業は，水中ポンプの電源スイ
ッチを遠隔操作により ON ⇔ OFF するのみとし
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限界揚程

水中 ポ ン プ

図− 17m

電気も燃料も使用せず水中ポンプより大容量な送水作業を行う

通してサイフォン送水ホース本管内へ注水を行う。
②

注水によりサイフォン送水ホース本管内の空気を吐出し口から押し出すと，送水ホース本管内が満水状態での流れとなる。

③

水中ポンプの電源を OFF にして注水を停止する。

④

水中ポンプの流れが停止すると，ワイ・ガッ
チャンの働きにより自動的にサイフォン吸水ホ

写真− 1ースからの吸水作用に切り替わり，サイフォン流れ方向切り替え装置「ワイ・ガッチャン」と各ホースとの連結状態排水機能が起動する（図− 1）。
⑵

口径φ 200 mm のハイブリッド・サイフォン

たが，この技術はハイブリッド・サイフォンの吸の設置作業の向上について水口と吐出し口を常時開口した構造としたことでハイブリッド・サイフォンの送水ホースの口径成し得た。常時開口構造とするために，上流部のは，φ 100 〜 200 mm となっている。口径が大きサイフォン送水ホースの途中に，水中ポンプ注水く大容量の送水能力のあるφ 200 mm ハイブリッ側とサイフォン吸水側との流れの方向切り替え弁

ド・サイフォンの組み立て作業は，各部材の重さを備えた Y 字状の注水合流部材「ワイ・ガッチを考慮すると人力作業も可能ではあるが，車両やャン」を開発して配置した（写真− 1）。

重機が進入できる場所での設置には重機を併用した方が作業効率を大きく高めることができる。

⑴

ハイブリッド・サイフォンのサイフォン起動⑶方法

口径φ 100 mm サイフォンは，道がなくても水中ポンプの電源を遠隔操作により ON に人が通れるスペースがあれば運搬・設置が可能

して起動し，注水合流部材ワイ・ガッチャンを

φ 100 mm ハイブリッド・サイフォンの全ての①86

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部材は，人力運搬が可能な重さの範囲内で構成した。道路がなくても樹林を縫って人が通れるスペースがあれば人力で運搬・設置できるため，天然ダムや老朽化したため池などで事前放流する場合など，排水（放流）作業を実施する活用範囲を大きく広げることができた（写真− 2，3）。
また，後述するが，上流部の湛水面と下流部の吐出し口との水頭差が 10 m 程度確保できれば，

写真− 2

同じ口径の水中ポンプの 2 〜 3 倍の排水作業を行道がなくても人力運搬可能うことができるなど，1 台のハイブリッド・サイフォンで 2 〜 3 台分の多条配管と同様の排水作業を電気や燃料を使用しない無動力で稼働できるメリットは非常に大きい。
⑷

100 V のポータブル発電機で起動できるハイブリッド・サイフォンならではの起動方法
従来は，φ 100 〜 200 mm の水中ポンプ（重量写真− 3

φ100 mm は全ての部材が人力運搬可能

約 90 〜 230 kg）の稼働には 200 V の電源を必要とするため，大型発電機（重量 200 kg 以上）の搬入が可能な運搬路が確保できなければ排水作業を行うことができなかった。
φ 100 mm ハイブリッド・サイフォンでは，起動 に あ た り，100 V の ポ ー タ ブ ル 発 電 機（ 約13 kg）でφ 50 mm の水中ポンプ 1 台（約 10 kg）を稼働して，その水中ポンプより大きな口径のサイフォンを起動可能とするために，新技術「クーキオス・ボール工法」を開発した（写真− 4）。

写真− 4 「クーキオス・ボール工法」起動方法

φ50 mm の水中ポンプでφ100 mm のサイフォン排水装置を起動するには，① 「A：クーキオス・ボール」を予め「B：ワイ・③

クーキオス・ボールが下流側の吐出し口からガッチャン」の「C：下流側のサイフォン送水吐出した後，そのまま 20 〜 30 秒ほど動力送水ホース本管内に装填」する。装填後には，クーを続けてから水中ポンプを停止させる。

キオス・ボールはサイフォン送水ホースの内断面いっぱいの大きさとなる。

④

ワイ・ガッチャンの働きにより自動的にサイフォン排水作業に切り替わる。

送 水 ホ ー ス 内 の ク ー キ オ ス・ ボ ー ル は，こうした手順により，φ 100 mm 以上の送水装

φ 50mm の水中ポンプからの注水による水圧置であっても，準備する電源は 100 V のポータを受けて下流側へ押し進められる。この際，クブル発電機 1 台とφ 50 mm 水中ポンプという，ーキオス・ボールの上流側は満水状態の水圧に画期的なサイフォン起動方法による排水技術とな押され，下流側は空洞部で抵抗がないため，下ったのである。また，φ 50 mm 水中ポンプ 1 台流方向へボールが速やかに移動する。

でクーキオス・ボールを使用して，φ 200 mm ハ②

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イブリッド・サイフォンを起動させることも実証の限界揚程を検証した。写真− 5，図− 2 は，そ済みである。の実験の状況と結果である。

ハイブリッド・サイフォンのサイフォンを起動

流量の変化を見ると，揚程 7 m までは変化はするまでの時間を短くしたい場合には，φ 50 mmないが，揚程 7 m を超えると流量が大きく減少の水中ポンプに連結した「E：φ 50 mm ホース」する傾向となることから，安定したサイフォン作を複数台装着し，合流させて注水することで解決用を前提とするために限界揚程を 7 m とし，7 mできるように，5 台まで合流させる部材「D：以下と 7 m 以上でハイブリッド・サイフォンをGOMATA（ゴマタ）」を開発した。この部材で使い分ける工法を開発した。

クーキオス・ボールの移動が速くなるため，サイフォンを短時間で起動することができる。

実験により，ハイブリッド・サイフォンは，①

揚程 7 m 以下であればサイフォン単独による送水作業を行うことができる（稼働時の燃費⑸

サイフォンの限界揚程 7 m を境として，ハイブリッド・サイフォンを使い分けるはゼロ）。
②

揚程 7 m 以上となる場合は，ホース管内のサイフォンの揚程には理論上 10 m 程度の限界

水が管頂部で上流側と下流側に分かれて流下しの高さがあるが，実際のサイフォン排水作業計画ようとするため，管内に負圧による気化現象でを立案する際には，サイフォンによる揚程の範囲空洞が発生してサイフォン作用が停止する。しを把握しておく必要があるため，実験により実際かし，上流側の湛水部へ流下しようとする水を水中ポンプによるアシスト送水で押し上げる

管頂部
管頂部と，空洞部が充填されてサイフォン作用が持続することを発見した。
揚揚程
限界界ををめる
程の 限求求める

写真− 5頂部圧力流発揮されることも実験により確立した。まさに，ハイブリッドなサイフォン排水装置を開発することができた。
サイフォン単独と水中ポンプ単独の排水能力の比較実験

流量（ℓ/s）ℓ量

ポンプ単独よりも高揚程で大容量な排水機能が⑹

サイフォンの限界揚程確認実験

頂部圧力値（kPa）

その相乗効果により，サイフォン単独や水中-65

表− 1 に示すように，サイフォン単独 A と水中ポンプ単独 C の場合の排水能力の比較実験を行った。φ 200 mm の水中ポンプの送水機能は，メーカーの送水性能曲線を用いた。配管延長は-705-754-80

3程 3 m の 5.2 m3/min が最大排水量であり，揚程-852が大きくなるにつれて排水量は減少し，水中ポン-901プの限界揚程 18 m で送水量 0 m3/min となって0いる。また，限界揚程 18 m の半分である 9 m で

-95

567
ダム水面からの揚程高（m）

図− 28889サイフォンの限界揚程測定実験結果

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280 m である。
水中ポンプの場合，メーカー公表値 B では揚は 4.0 m3/min と な り， こ の 数 値 が 一 般 的 に
φ 200 mm 水中ポンプの排水機能として排水計画

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表− 1 水中ポンプとハイブリッド・サイフォンの送水量確認実験実測値
実証実験日
サイフォン
A
起動方法
水頭差延長

水中ポンプ
BC

ハイブリッド・サイフォン
D

280 m

―

80 m

280 m

280 m

11 m

―

―

11 m

11 m

＝m3/ min

―
5.07―
4.55―
4.06―
3.52―
2.90―
2.37―
1.68―
1.33―
―
―
―

―
5.29―
5.28―
5.25―
5.30―
5.17―
4.89―
1.89―
0.42―
―
―
―

排水量単位―
―
5.03
5.05
4.88
4.94
4.25―
―
―
―
―
―
―
―
―
―
―
―
―

―
―
5.2
5.0
4.9
4.8
4.5
4.2
4.0
3.8
3.5
3.0
2.6
2.2
1.7
1.2
0.5
0.0
0.0
0.0

配管延長 280 m，水頭差 11 m で実験し，その結果が表− 1 に示されている。
①

表中 C に示すように，従来の水中ポンプ配管（吐出し口が配管の最高部となる配管）で実E起動時に 水中ポンプ 水中ポン サイフォン 起動時にクーキオ メーカー公 プ実測値 配 管 で 水 クーキオ
ス・ボ ー 表値
吐出し口 中 ポ ン プ ス・ ボ ールを使用
が配管単独送水 ルを使用
（水中ポンプ併用）

揚程1234567891011121314151617181920

平成 27 年 12 月 8 〜 10 日

れの排水能力を実験により確かめた。サイフォン施した場合，揚程 12 m では公表値 B ：3.0 m3/min に対し C ：2.37 m3/min と減少した。
②

同じ揚程 12 m で，D はサイフォン配管であるため，その効果により 4.89 m3/min と公表値
B ：3.0 m3/min を 1.63 倍上回った。
同 じ く E で は，4.85 m3/min と 公 表 値 B ：③3.0 m3/min の 1.62 倍の送水量であった。
―――――――――――
4.85―
4.39―
3.94―
―
―
2.40④

揚程が 12 m を超えて大きくなると，C の場合は送水量が公表値 B 以下に減少している。

⑤

起動方法 E では，揚程 12 m を超えると各揚程で起動方法 C と起動方法 D を大きく上回った排水量が確認できた。
⑥

数値が揃っている揚程 16 m で解析すると，D の場合，ホース延長が 280 m と長いことも起因しているかもしれないが，0.42 m3/min と公表値 B よりかなり少ない排水量を確認した。

⑦

しかし，同じ揚程 16 m でも，起動方法 E の場合は 3.94 m3/min であった。D とは配管条件も同じであるが，違いは水中ポンプ起動時にクーキオス・ボールを使用しているか否かであり，クーキオス・ボールで送水ホース内の残留を行う際の参考数値となっている。以上のよう

空気を 100％近く押し出すことにより，配管内に，水中ポンプでは揚程が大きくなるにつれて排を満水でサイフォン排水できる機能が確認でき水量が減少するのに対して，サイフォンは水頭差た。

が大きくなるにつれて排水量が増大する。

この結果に基づくと，例えば天然ダムやため池

一方，サイフォンでは，配管延長 60 m，揚程での揚程が 7 m 以下で，ハイブリッド・サイフォ

3 m，水頭差 12 m の場合で 8.7 m3/min の排水量

ンをクーキオス・ボールを使用して起動を行ったを計測し，同じサイズの水中ポンプで一般的とさ場合，排水作業が進むにつれて水位が低下する

れる 4.0 m3/min の 2 倍以上の排水量を確認した。と，サイフォンの限界揚程が 7 m を超える高さと配管延長，揚程，水頭差によりサイフォン機能のなる。その場合，水中ポンプの電源を ON にして特徴が現れてくる。

E の水中ポンプアシスト排水工法に切り替える。
水中ポンプを稼働すると，これに掛かる燃料消⑺ サイフォン単独，水中ポンプ単独，ハイブリッ

費量は B，C，D と同じであるが，E ではクーキド・サイフォン＋水中ポンプの排水能力比較

オス・ボールを使用してサイフォン起動したこと⑹と同じ現場条件で，A，C，D，E のそれぞで，揚程 16 m の場合，水中ポンプ 1 台の併用送建設マネジメント技術

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水で水中ポンプ単独の 3 倍分以上の排水量が確認

表− 2

水中ポンプとハイブリッド・サイフォンの燃料消費量と温室効果ガス排出量の比較表できた。「燃料消費の軽減」，「大容量排水」，「高（どちらもφ150 mm を使用）揚程」を達成できるサイフォン送水装置及び工法となったこれらサイフォン排水新技術は，特許装サイフォン作用の場合，限界揚程 7 m まではイフォンではわずか 7ℓの比率となり，燃料消費量が 10,000：7 に軽減するメリットがある。
仮に，燃焼により 10,000 t の温室効果ガスを排出していた現場がハイブリッド・サイフォンを使用すると，わずか 7 t の排出量に軽減できること

比消費量

新工法
ハイブリッド・サイフォン

120ℓ/ 日（24 時間） 0.083ℓ/ 日（24 時間）

1 カ月

3,600

2.5

6 カ月

21,600 ℓ

15.0

12 カ月

43,20030.0

1 カ月

450,000311

6 カ月

2,700,000 円

1,875

12 カ月

5,400,000

3,750

排出量

2.644 kg-CO2/ℓ

1 カ月

9.500

6 カ月

57.10012 カ月

114.200

率

10,000ℓ

円

2.644 kg-CO2/ℓ
0.007
0.042
0.084ｔに換算

料消費量を 10,000ℓとすると，ハイブリッド・サ

従来工法
水中ポンプ

種ｔに換算に，従来工法である水中ポンプの稼働に要した燃二酸化炭素排出量

ほとんど燃料消費を伴わない。表− 2 に示すよう

燃料代

4. 水 中ポンプ単独とサイフォン単独の
燃料消費量と温室効果ガス排出量の比較

軽油消費量

置並びに特許工法を取得している。

機7○軽油単価を 125 円 /ℓで計算。
○ホ ース内に溜まった空気を押し出すため，1 日 1 分間ポンプ送水するとして計算。
○水頭差が 4 m 以上確保できれば，流速により空気を押し出すため，毎日 1 分間のポンプ送水は不要。となる。燃料を消費しないということは，燃料補給の手間も省くことができる上，現場のコストも縮減できることとなる。

5. 老
 朽化した防災重点ため池の
事前放流・低水位管理にも活用農林水産省は 2019 年 6 月，自然災害で人的被害が生じる恐れがある防災重点ため池を新たな基準で再選定した結果，5 月末時点で 63,722 カ所が対象になったと発表した。これまでの約 11,000
カ 所 か ら 大 幅 に 拡 大 し， 農 業 用 た め 池 の 総 数

写真− 6

電気を使用しないで放流をし続ける（166,638 カ所）の 4 割弱を占めた。「決壊を防ぐ補強や緊急連絡体制の整備といった対策を優先的に進める（2019 年 6 月 12 日付日本経済新聞より）」とあるように，ため池の防災意識が高まってきている。
そのような中，「取水施設が老朽化しているので，水を放流できない」，「水中ポンプや発電機を運搬する道がない」，「膨大な燃料代が掛かる」な
どの課題に対して，実際に三重県と京都府のため池でφ 100 mm ハイブリッド・サイフォンを人力で搬入して（写真− 2），大幅なコスト縮減と環境負荷の軽減の成果を上げることができた（写真写真− 7

広大なため池でも，φ100 mm サイフォン
1 台を使用して 24 時間で 25 m プール 8 面分以上を放流した− 6，7）。

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6. ハ イブリッド・サイフォンが備える排砂機能を，ため池のかいぼり作業に活用

7.

ハイブリッド・サイフォンの排砂機能を，ためハイブリッド・サイフォンにより，ため池やダ池のかいぼり：堆積土（腐葉土）の除去作業へのムでの災害の発生を未然に防ぐための事前放流や活用にも提案させていただいている。高圧水によ低水位管理，天然ダムの排水作業や，河川砂防工り，攪拌した泥水状態の腐葉土をにごり水として事などの一般土木工事にも，異常気象の一因とさ放流する方法である（図− 3）。重労働である堆れる温室効果ガスの排出を抑えた排水（放流）作積土の人力運搬作業に替えて行うもので，腐葉土業が可能となった。ハイブリッド・サイフォンをの放流は里海の生態系保全の栄養源として歓迎さ活用していただくことで，建設業を通じて「2050れている。また，かいぼり作業で堆積土を除去で年カーボンニュートラル」に向け，地球規模の社きるため，国土強靱化対策の豪雨時の貯水量の確会貢献をしていると，家族に胸を張って言えると保に位置付けられている。

いう充実感も込み上げてくる。

おわりに2020 年の熊本の豪雨被災地では，洪水により発電所の取水施設の沈砂槽へ流入した堆積土を謝辞：「ハイブリッド・サイフォン」の開発実験

φ 100 mm ハイブリッド・サイフォンを使用してにあたり，国土交通省，岐阜県などの関係者の皆2 カ所で排砂していただいた。

さまには多大なご理解とご協力を賜りましたことに厚く御礼申し上げます。

サイフォン送水ホース
レーキ攪拌

図− 3

高圧水噴射攪拌

排砂機能をため池の「かいぼり」に活用

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