JP5393201B2 - 浚渫方法 - Google Patents

Description

本発明は、浚渫方法に関し、さらに詳しくは、壷掘りの浚渫を行なう際に、吸引口の閉塞を防止しつつ、水底の土砂表面への吸引口の追従性を向上し、含泥率の高い浚渫を可能にする浚渫方法に関するものである。

従来、河川や湖沼などの堆積土砂等を水底から水上に揚送する浚渫方法や装置が種々提案されている。浚渫作業は一般に、大型の作業船や浚渫対象となる水域の周辺陸部に大型の浚渫設備を設置し、浚渫ポンプ自体や浚渫ポンプに接続された輸送管の吸引口を、その水底の土砂表面で移動させて行なっている。

ところが、ダム湖などの広いスペースが確保できない狭隘な現場では、大型の船を用いたり、大型の装置を設置することが困難であった。ダム湖等での浚渫では、貯水量を増加させるために所定量の土砂を浚渫すればよく、浚渫した後の水底の仕上げ状態は問題とされない。したがって、吸引口を水底で移動させながら浚渫を行なう方法ではなく、定位置で吸引口を下方移動させて深く浚渫を行なう、いわゆる壷掘りの浚渫が適している。壷掘りの浚渫は、吸引口を水底で移動させる浚渫に比べて、吸引口を広範囲に移動させる必要がないため移動手段を小型化でき、ひいては装置全体を小型化することが可能となるためである。

大規模な設備を用いることなく、浚渫を行なうことができる装置としては、水底に配置する吸引器にけん引ロープを接続し、このけん引ロープを地上から引っ張ることによって、吸引器を水底で任意の位置に移動させる装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この提案の浚渫装置は、吸引器の底面部が平面形状になっているので、水底の土砂表面が凹凸状等の起伏がある形状の場合には、吸引口が土砂表面に追従することができずに離れ過ぎてしまって水分を過剰に吸引するので含泥率の高い浚渫ができないという問題があった。

また、この浚渫装置で壷掘りの浚渫を行なうと、吸引器の側面がその底面に対して直角に垂直に立っているので、吸引器がある程度土砂に埋まると、吸引口が閉塞されて吸引が不能になるという問題があった。

特開平１−２９５９２６号公報

本発明の目的は、壷掘りの浚渫を行なう際に、吸引口の閉塞を防止しつつ、水底の土砂表面への吸引口の追従性を向上し、含泥率の高い浚渫を可能にする浚渫方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の浚渫方法は、ケーシングの底面を、中央部が下方に突出する形状にした吸引ヘッドに、吸引手段を備えた輸送管を接続し、この吸引ヘッドを、ウインチによって繰出しおよび巻取りが行なわれるワイヤを介して浮体から吊下げて、前記ウインチの駆動により吸引ヘッドの上下位置を調整しつつ、前記ケーシングの底面の中央部に設けた多孔状の吸引口から水底の土砂を含む流体を吸引して壷掘りの浚渫を行なうに際して、前記吸引口から吸引した土砂を含む流体の流速を流速測定手段により測定するとともに、前記吸引ヘッドの接地圧を接地圧測定手段により測定し、浚渫対象の水底の土砂について前記接地圧と浚渫土砂量との関係、限界流速を予め把握しておき、この把握した接地圧と浚渫土砂量との関係および限界流速と、前記流速測定手段および接地圧測定手段による測定データとに基づいて前記吸引ヘッドの上下位置を調整することにより、前記輸送管内の流速を限界流速以上にするとともに浚渫土砂量を調整して浚渫を行なうことを特徴とするものである。

ここで、前記接地圧測定手段として、例えば、前記ワイヤの張力を測定する張力計と、この張力計による測定データが入力される制御装置とを用いて、前記張力計による測定データに基づいて前記接地圧を測定することもできる。

本発明によれば、吸引ヘッドをウインチによって繰出しおよび巻取りが行われるワイヤを介して浮体から吊下げて壷掘りの浚渫を行なうに際して、ケーシングの底面の中央部を下方に突出する形状にするとともに、この底面の中央部に多孔状の吸引口を設けたことで、水底の土砂表面が起伏のある形状の場合であっても、その水底の土砂表面に対応するようにケーシングが傾いて、吸引口を水底の土砂表面に追従させて隣接させることができる。これにより、高い含泥率を確保することができる。そして、多孔状の吸引口にすることにより、多数の孔を通じて吸引を行なうので吸引口の閉塞を防止することができる。

また、ウインチの駆動操作により吸引ヘッドの上下位置を調整することにより接地圧を適正にして、含泥率を向上させて浚渫土砂量を最大にすることが可能になる。

本発明の浚渫方法を実施している状態を例示する説明図である。 図１の吸引ヘッドを例示する正面図である。 図２の吸引ヘッドの内部を縦断面で例示する説明図である。 図２の吸引ヘッドの底面図である。 図３の吸引ヘッドを、ケーシングの上面が土砂に埋没するまで下方移動させた状態を例示する説明図である。 本発明に用いる吸引ヘッドの別の実施形態を例示する正面図である。 吸引ヘッドの接地圧と輸送管内の流速との関係を例示するグラフ図である。 吸引ヘッドの接地圧と浚渫土砂量との関係を例示するグラフ図である。

本発明の浚渫方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図４に例示するように、本発明に用いる吸引ヘッド１には、吸引手段７を備えた輸送管６の一端側が接続され、輸送管６の他端側は、土砂捨て場等に配置するように延設されている。また、吸引ヘッド１には浮体８に設置されたウインチ１０によって繰出しおよび巻取りが行なわれるワイヤ９が接続されている。これにより、吸引ヘッド１は、ワイヤ９を介して浮体８から吊り下げられている。

浮体８には、制御装置１３、ワイヤ９の張力を測定する張力計１１および吸引ヘッド１の水深を測定する深度計１２が設置されている。輸送管６には、輸送管６の内部の流速を測定する流速測定手段１４が設置されている。制御装置１３には、ウインチ１０の駆動源（駆動モータ等）、張力計１１、水深計１２および流速測定手段１４が有線または無線で接続されている。制御装置１３は、浮体８上に限らず、例えば陸上に配置することもできる。

この実施形態では、張力計１１および制御装置１３が吸引ヘッド１の接地圧を測定する接地圧測定手段として機能する。接地圧測定手段としては、その他に例えば、圧力センサを用いることができる。圧力センサを吸引ヘッド１の底面に取付けた場合には、吸引ヘッド１の接地圧が直接的に測定される。

吸引ヘッド１のケーシング２は、半球状の上ケーシング２ａと下ケーシング２ｂとで構成され、互いを接合することで球状になっている。ケーシング２の外径は、例えば１．５ｍ程度を中心にして１ｍ〜４ｍ程度であるが、この範囲に限定されるものではない。

上ケーシング２ａおよび下ケーシング２ｂは、フランジ部どうしを接合しているが、フランジ部を設けずに接合して滑らかな表面にすることもできる。ケーシング２（下ケーシング２ｂ）の底面の形状は、平面視の中央部が下方に突出する形状であればよく、球状に限らず、例えば多角錐状等にすることもできるが、なるべく下方に突出する曲面形状がよい。

ケーシング２（上ケーシング２ａ）の上面の形状は、特に限定されず平面状でもよいが、この実施形態のように、平面視の中央部が上方に突出する形状にすることが好ましい。例えばケーシング２の上面の形状を上方に突出する多角錐状にすることもできるが、なるべく上方に突出する曲面形状がよい。

ケーシング２の底面の平面視の中央部には吸引口３が設けられている。この吸引口３は、多数の貫通孔３ａを有する多孔状になっている。貫通孔３ａの大きさは、例えば直径相当で１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。すべての貫通孔３ａは同じ大きさにすることもできるが、異なる大きさの貫通孔３ａを混在させることもできる。貫通孔３ａの数は、適宜決定されるが、例えば５〜１００個程度である。

このケーシング２の外表面には、吸引口３から上方に延びる複数本の溝４が形成されている。この複数本の溝４は、図４に例示するように吸引ヘッド１（ケーシング２）の平面視（底面視）で、吸引口３を中心にして均等な中心角度で放射状に配置されている。溝４を設けることは任意であるが、後述するように、この溝４により円滑な浚渫が可能になる。

溝４は、ケーシング２の高さ方向中央付近、または、ケーシング２の最大外径となる位置まで延設することが好ましく、ケーシング２の上面まで延設することもできる。また、溝４は、平面視（底面視）で非直線的に延設してもよく、例えば円弧状にした複数の溝４を吸引口３を中心にして均等の中心角度で配置することもできる。

溝４の本数は、特に限定されないが、例えば３本〜２４本程度であり、吸引口３を中心にして均等な中心角度で配置することが好ましく、溝４の深さおよび幅は、例えば１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。

吸引手段７としては、サンドポンプやウォータジェットポンプを用いることができる。この実施形態では、吸引手段７を吸引ヘッド１の内部に設置しているが、設置位置はこれに限定されず、吸引ヘッド１の外部、例えば浮体８の上や陸上に設置して輸送管６に取付けるようにしてもよい。

浮体８は、ウインチ１０等を搭載し、吸引ヘッド１をワイヤ９を介して吊下げられる浮力があればよいので、例えば小型ボートやその相当物等を用いることができる。流速測定手段１４は、輸送管６の内部を流れる流体の流速を測定できればよく、例えば電磁流速計、電磁流量計や超音波式流量計等を用いることができる。流量計は、測定した流速に輸送管６の横断面積を乗じて流量を算出するので、流速を把握するために用いることができる。

制御装置１３には、張力計１１によるワイヤ９の張力の測定データ、深度計１２による吸引ヘッド１の深度の測定データ、流速測定手段１４による輸送管６の内部の流速の測定データが入力されるように構成されている。ワイヤ９の張力と吸引ヘッド１の接地圧との関係も制御装置１３に入力しておく。これにより、張力計１１による張力の測定データを得ることによって吸引ヘッド１の接地圧を把握することができる。ワイヤ９の張力が小さくなるに連れて、吸引ヘッド１の接地圧は増大する傾向になる。

この制御装置１３によって、ウインチ１０の駆動（運転および停止、回転速度、回転方向）が制御される。したがって、吸引ヘッド１の上下方向移動は制御装置１３によって制御され、これによって吸引ヘッド１の水底の土砂Ｇに対する接地圧が調整される。

この吸引ヘッド１は、図２に例示するような単純な円球状の他に、図６に例示するように、ケーシング２の底面と上面との間の胴部を円筒状にした楕円球状を例示することができる。下ケーシング２ｂを多角錐状等にして、底面の中央部が下方に突出する形状にすることもできるが、なるべく下方に突出する曲面形状がよい。

さらに、図６に例示した吸引ヘッド１は、ケーシング２の外表面に、図２で例示した溝４に代えて、この外表面に沿うように上下方向中間部から吸引口３の近傍に延びる複数本の水分供給パイプ５を有している。この水分供給パイプ５はケーシング２の内部に設置された水分供給ポンプに接続されている。そして、水分供給ポンプから供給された水分Ｗが水分供給パイプ５を通じて吸引口３の周辺のケーシング２の外表面に供給される。このように、水分供給パイプ５と水分供給ポンプで構成される水分供給手段を設けることは任意であるが、後述するように、この水分供給手段により円滑な浚渫が可能になる。

供給される水分Ｗの排出口となる水分供給パイプ５の下端部の位置は、図４に例示した吸引ヘッド１（ケーシング２）の平面視（底面視）で、吸引口３を中心にして均等な中心角度の配置にすることが好ましい。水分供給パイプ５の本数は、特に限定されないが、例えば３本〜２４本程度である。

その他の構成は、図２に例示する吸引ヘッド１と同じである。尚、本発明に用いる吸引ヘッド１は、溝４と水分供給手段（水分供給パイプ５）の両方を設けることもできる。その際には、例えば、溝４と水供給パイプ５とをケーシング２の周方向に交互に配置する。

本発明の浚渫方法による壷堀りの浚渫を行なう際には、ウインチ１０の駆動により吸引ヘッド１の上下位置を調整しつつ、ケーシング２の底面の中央部に設けた多孔状の吸引口３から水底の土砂Ｇを含む流体を吸引する。

ケーシング２の底面の中央部を下方に突出する形状にするとともに、この底面の中央部に多数の貫通孔３ａを有する吸引口３を設けているので、水底の土砂表面が起伏のある形状の場合であっても、その水底の土砂表面に対応するようにケーシング２が傾き、吸引口３を水底の土砂表面に追従させて隣接させることができる。そのため、無駄な水分を吸引することなく、高い含泥率を確保することができる。

吸引口３を多孔状にしているので、仮に、ある貫通孔３ａに土砂Ｇが詰まっても他の貫通孔３ａを通じて土砂Ｇの吸引が行なわれる。この他の貫通孔３ａを通じての吸引による流動等によって、詰まっていた貫通孔３ａの詰まりが解消され易くなるので、吸引口３の閉塞を防止することができる。

水底の土砂Ｇを吸引口３から吸引する際には、適度な水分が必要であり、吸引口３の全範囲が土砂Ｇによって同時に塞がれた場合には吸引が困難になる。このような場合であっても、図２に例示する吸引ヘッド１は、ケーシング２の外表面に溝４を有しているので、この溝４を通じて吸引口３の近傍に水分が供給される。そのため、安定した吸引を確保することができる。

また、図６に例示した吸引ヘッド１は、水分供給手段を有しているので、水分供給パイプ５を通じて吸引口３の近傍に、積極的に水分Ｗを供給することができる。そのため、安定した吸引を確保することができる。

図５に例示するように、吸引ヘッド１をケーシング２の上面が土砂Ｇに埋没するまで下方移動させて壷掘りの浚渫を行なう場合には、吸引ヘッド１の上面は、崩れてきた土砂Ｇによって覆われる。このような場合に、ウインチ１０でワイヤ９を巻き取って吸引ヘッド１を上方移動させようとすると、ケーシング２の上面を覆う土砂Ｇが大きな抵抗になる。ところが、この吸引ヘッド１は、ケーシング２の上面の中央部が上方に突出する形状になっているので、吸引ヘッド１の上方移動に伴なって、上面を覆っていた土砂Ｇがケーシング２の表面に沿って移動して振り払われる。そのため、大きな抵抗が生じることなく、吸引ヘッド１を上方移動させることが可能になる。

１つの位置で壷掘りの浚渫を行なった後は、浮体８（吸引ヘッド１）を水平移動させて別の位置で同様に壷掘りの浚渫を行なう。このように、目標の所定量の土砂Ｇを浚渫するまで同じ作業を繰り返し行なう。一般的な浚渫では、浚渫した後の水底土砂表面に対して平坦性等の仕上げ具合を要求される。しかしながら、ダム湖等の浚渫では、水底の仕上げ状態に対する要求はなく、所定量の土砂Ｇを浚渫さえすればよい。したがって、このような壷掘りの浚渫を適用することができる。

吸引ヘッド１の上下位置の調整は、例えば以下のように行なう。

まず、浚渫対象の水底の土砂Ｇについて予備調査をして、限界流速ＶＭを予め把握しておく。限界流速ＶＭとは、土砂Ｇを含む流体を、輸送管６の内部で沈降させずに送ることができる最小流速である。即ち、吸引された土砂Ｇの流速Ｖが限界流速ＶＭ以上でなければ、輸送管６の内部が土砂Ｇによって閉塞することになる。そこで、予め把握した土砂Ｇの限界流速ＶＭのデータを制御装置１３に入力しておく。

吸引した土砂Ｇを含む流体が輸送管６の内部を流れる際に、流体中の土砂Ｇの割合が増加する（含泥率が高くなる）と、輸送管６の内部の流速Ｖが遅くなり、流体中の土砂Ｇの割合が減少する（含泥率が低くなる）と、輸送管６の内部の流速Ｖが速くなる傾向を示す。そして、吸引ヘッド１の接地圧Ｐと輸送管６の内部の流速Ｖとの関係は、図７に例示するように、接地圧Ｐが増大するに連れて流速Ｖが低下する傾向となり、接地圧Ｐが過大になると吸引ができなくなり流速Ｖがゼロになる。換言すれば、張力計１１により測定したワイヤ９の張力が小さくなるに連れて流速Ｖが低下する傾向になる。

図７では、限界流速ＶＭになる接地圧ＰがＰＭになっているので、流速Ｖを限界流速ＶＭ以上にするために接地圧ＰをＰＭ以下にする。このように、吸引ヘッド１を上下位置を調整して接地圧Ｐ（含泥率）を変化させることによって、輸送管６の内部の流速Ｖを限界流速ＶＭ以上にする。

尚、輸送管６の流量Ｑは、流速Ｖに輸送管６の断面積を乗じたものなので、限界流速ＶＭを限界流量ＱＭに置き換えて、流量Ｑを限界流量ＱＭ以上にすることは、流速Ｖを限界流速ＶＭ以上にすることと同じである。

また、浚渫対象の水底の土砂Ｇについて予備調査をして、吸引ヘッド１の接地圧Ｐと浚渫土砂量Ｓとの関係を予め把握しておく。浚渫土砂量Ｓとは、吸引ヘッド１から吸引されて浚渫される単位時間当たりの土砂量（水分を除いた）である。この予め把握した吸引ヘッド１の接地圧Ｐと浚渫土砂量Ｓとの関係データを、制御装置１３に入力しておく。

接地圧Ｐと浚渫土砂量Ｓとの関係は、図８に例示するように、特定の接地圧ＰＸ（以下、特定接地圧ＰＸという）で浚渫土砂量Ｓがピーク（最大量ＳＸ）になる傾向がある。したがって、吸引ヘッド１の接地圧Ｐを、特定接地圧ＰＸになる（近づける）ように調整することによって、効率的な浚渫を行なうことができる。

次いで、浮体８からワイヤ９を介して吊下げた吸引ヘッド１を、ウインチ１０を駆動させてワイヤ９を繰出して下方移動させ、吸引ヘッド１を吊った状態（ワイヤ９に張力が生じている状態）で水底の土砂表面に接地させる。この状態で、吸引手段７による吸引力によって、吸引口３（多数の貫通孔３ａ）から土砂Ｇを含む流体を吸引する。

この際に、流速測定手段１４による土砂Ｇを含む流体の流速Ｖの測定データに基づいて、ウインチ１０の駆動を制御して吸引ヘッド１を上下位置を調整して流速Ｖを限界流速ＶＭ以上にする。これにより、輸送管６の内部を土砂Ｇで閉塞させることなく安定した吸引を行なうことができる。

さらに、張力計１１による張力の測定データに基づいて、ウインチ１０の駆動を制御することにより吸引ヘッド１の上下位置を調整して、浚渫土砂量Ｓが最大量ＳＸになる（近づく）ようにする。具体的には、得られる浚渫土砂量Ｓが設定した範囲内になるように浚渫を行なう。

例えば、張力計１１によるワイヤ９の張力の測定データに基づいて算出される吸引ヘッド１の接地圧Ｐが、図８に示した予め把握した最大量ＳＸとなる接地圧ＰＸの０．９倍〜１．１倍の範囲になるように、吸引ヘッド１の上下位置を調整する。これにより、最大量ＳＸに近い浚渫土砂量Ｓを得ることができる。或いは、張力計１１によるワイヤ９の張力の測定データに基づいて算出される吸引ヘッド１の接地圧Ｐが、図８に示した予め把握した最大量ＳＸの８０％以上が得られる接地圧Ｐになるように、吸引ヘッド１の上下位置を調整する。浚渫する土砂Ｇの性状によって、接地圧Ｐと浚渫土砂量Ｓとの関係を示す曲線の形状（ピークの形状）が異なるので、土砂Ｇの性状に応じて、得ようとする浚渫土砂量Ｓの所定範囲を設定する。

水底の土砂Ｇを吸引することにより、吸引口３に対向する水底の土砂表面の位置は下方移動するが、流速測定手段１４による流速Ｖの測定データおよび張力計１１による張力の測定データに基づいて、流速Ｖが限界流速ＶＭ以上で、かつ、浚渫土砂量Ｓが最大（所定範囲）になるように逐次、吸引ヘッド１の上下方向移動を制御する。

このように流体の流速Ｖが限界流速ＶＭ以上で、かつ、張力計１１による測定データに基づいて算出される吸引ヘッド１の接地圧Ｐが、特定接地圧ＰＸに近づくようにすることで、輸送管６の内部を浚渫する土砂Ｇで閉塞させない範囲で浚渫土砂量Ｓを最大にすることが可能になる。

上下移動させる吸引ヘッド１の深度は、深度計１２により確認することができる。吸引が行なえなくなった時点、或いは、深度計１２により測定された深度が、設定した深度に到達した時点で、その位置での浚渫を終了する。

吸引ヘッド１の上下位置の調整は、制御装置１３によるウインチ１０の駆動の制御によって行なうだけでなく、オペレータが手動操作でウインチ１０の駆動をコントロールすることによって行なうことができる。この際には、吸引ヘッド１の接地圧Ｐ、輸送管６内部の流速Ｖをモニターにリアルタイムで表示するとともに、限界流速ＶＭの情報および接地圧Ｐと浚渫土砂量Ｓとの関係の情報をモニターに表示する。オペレータはモニターの表示を見て、接地圧Ｐを特定接地圧ＰＸに近づけるようにウインチ１０の駆動を操作する。

本発明は、既述したように壷掘りの浚渫を行なうので、吸引ヘッド１を水平移動させるための大掛かりな機構、装置が不要となり小型化が可能になる。そのため、必要機材を、例えばヘリコプターで搬送することができ、ダム湖などの現場に適用することが容易になる。

１ 吸引ヘッド
２ ケーシング
２ａ 上ケーシング
２ｂ 下ケーシング
３ 吸引口
３ａ 貫通孔
４ 溝
５ 水分供給パイプ
６ 輸送管
７ 吸引手段
８ 浮体
９ ワイヤ
１０ ウインチ
１１ 張力計
１２ 深度計
１３ 制御装置
１４ 流速測定手段
Ｇ 土砂

Claims (2)

1. ケーシングの底面を、中央部が下方に突出する形状にした吸引ヘッドに、吸引手段を備えた輸送管を接続し、この吸引ヘッドを、ウインチによって繰出しおよび巻取りが行なわれるワイヤを介して浮体から吊下げて、前記ウインチの駆動により吸引ヘッドの上下位置を調整しつつ、前記ケーシングの底面の中央部に設けた多孔状の吸引口から水底の土砂を含む流体を吸引して壷掘りの浚渫を行なうに際して、前記吸引口から吸引した土砂を含む流体の流速を流速測定手段により測定するとともに、前記吸引ヘッドの接地圧を接地圧測定手段により測定し、浚渫対象の水底の土砂について前記接地圧と浚渫土砂量との関係、限界流速を予め把握しておき、この把握した接地圧と浚渫土砂量との関係および限界流速と、前記流速測定手段および接地圧測定手段による測定データとに基づいて前記吸引ヘッドの上下位置を調整することにより、前記輸送管内の流速を限界流速以上にするとともに浚渫土砂量を調整して浚渫を行なう浚渫方法。
2. 前記接地圧測定手段として、前記ワイヤの張力を測定する張力計と、この張力計による測定データが入力される制御装置とを用いて、前記張力計による測定データに基づいて前記接地圧を測定する請求項１に記載の浚渫方法。

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