JP5462322B2 - 津波退避部屋及びそれに用いるサイフォン装置 - Google Patents

Description

本発明は、入口解放構造で内部に仕切り壁を設けた津波退避部屋における引き潮時の必要空気量保持、排水対策としてのサイフォン装置の設置に関する。

津波退避部屋として、入口解放構造の場合では津波の水の出入りが自由であるため内外の圧力が均衡して、入口閉鎖構造の気密構造体のように特別の構造壁厚を要しない。ただし、当然に生身に受けるであろう漂流物対策が必要で、漂流物衝撃防止の仕切り壁が設置される。仕切り壁が退避部屋内部に設置されると、津波が押し寄せて水位が上昇するときは有効である。ところが引き潮になって周辺の水位が下がってくると、仕切り壁が貯水タンクの壁のようになり内部の水は抜けないで残ってしまう。すなわち、周辺の水位は低下するが内部の水位は満タンのまま低下しない。そのため本来は、圧縮された内部の空気圧は、水圧低下に伴い減少するはずで、すなわち、空気体積は元に戻るために増えるはずだが、仕切り壁の奥内部に体積が減らない満タン水があるため、圧縮空気は逃げ道がなく入口から抜けていくという現象の可能性がある。このことは、生存必要空気量を減ずることにつながるため、大切な空気が抜けることを阻止する必要がある。そもそも津波対策として、従来技術である防潮堤の嵩上げ、高台移転では巨費と長い歳月を要する。想定外の津波高さにも限界がある。そこで、想定外の津波にも対応できる入口解放構造の津波退避部屋、その内部に仕切り壁を設ける技術が背景技術として生まれた。（特許文献１）の入口解放構造の仕切り壁設置の技術では、漂流物衝撃防止、内部が濡れるのが遅くなる、内部の生存必要空気量が多く確保できるなどのメリットがあり、想定外の津波高さでも内部の穏やか水位上昇、空気圧縮との関係で時間的余裕ができる仕切り壁の設置意義は大きい。また、（特許文献２）は津波来襲の前の巨大地震で退避部屋にひびが入ったとしても空気保持独立体を設置することで空気が抜けず２重の安全を提供するとしている。しかし、引き潮時には仕切り壁で貯まった水は排水されず、生存必要空気量が減圧とともに膨張するため、逃げ場を失った空気は出入り自由な入口から逃げ出す可能性がある。この場合でも水位は仕切り壁高さまであり、水は排水されないままである。空気保持独立体の場合は減圧、空気膨張で仕切り壁との間の水を押し出すとしても依然としてそこに水が満たされているため、水中脱出、浮上に苦労する。いずれも引き潮時の現象について対策を講ずる余地を残している。第２波の到来にも水を抜いて、準備万端といきたいところ。

特許第４９７９０４０号 特願２０１２−９６１４９

平成５年版土木学会構造力学公式集、ｐ３４１、ｐ４０５

津波退避部屋は、想定外の津波で水没しても生存必要空気量を保持する必要がある。また、入口が自由である構造とした場合では、漂流物衝撃防止の仕切り壁を内部に設ける。退避部屋内部の空気は、津波の引き潮時において外周の水位が入口高さになるまで体積、すなわち必要空気量を保たなければならない。ところが津波到来時には仕切り壁を越えて奥に貯まった水ではあるが、引き潮の減圧時には仕切り壁を越えてまで、すなわち逆戻りして流出しない。水は圧力で体積変化しない性質があり、気圧が下がっても仕切り壁に貯水されたままである。ところが、圧縮された空気は減圧とともに体積膨張するため逃げ場を求めて、自由な入口から空気泡となって外の水中に逃げ出す。すなわち、内部の気圧に押されて空気は入口から逃げていくことになるが、急な減圧にもつながり、十分な空気量があれば問題はないが余裕がないと厳しいことになる。幸いにして引き潮時間は比較的短いと思われるので必要空気量の問題はないかもしれないが、この仕切り壁より奥の内部の水が抜けてくれると、その分、圧縮空気が圧力を減じて体積が増える空間域が拡張するので生存空気必要体積が保持される。そこで、サイフォンの原理を利用すれば、津波の引き潮により生じる外水圧の急激な減少とそれに伴う内部の圧縮空気圧との微差の圧力差により、仕切り壁奥の内部の水を抜くことができるので解決できる。

このような課題を解決するために、本発明の津波退避部屋は、内部に仕切り壁を設けた入口解放構造の津波退避部屋であって、津波の引き潮時に生存必要空気量を逃がさず確保するために、仕切り壁で堰き止められた水の排水を、部屋内部の圧縮空気圧と外水圧の差を利用して促すサイフォン装置、もしくは、仕切り壁にバルブ弁、または栓を設置したこと特徴とする。

また、本発明の津波退避部屋は、前記サイフォン装置は、形状保持管とし、仕切り壁を跨いで設置する場合は頂部に空気抜き装置を設け、仕切り壁を貫通して設置する場合は入口頂点高さより高い位置に設けたことを特徴とする。

また、本発明の津波退避部屋は、前記仕切り壁に設置したバルブ弁、または栓は、仕切り壁の入口頂点高さより低い位置に貫通穴をあけてそこに設けたことを特徴とする。

想定外の津波を想定して、その水没中でも生存必要空気を確保する上昇水面を含む密閉構造の避難部屋ではあるが、引き潮時に空気を持って行かれる可能性がある。すなわち、仕切り壁があるとそこに満水となった水は、壁を超えてまで減少しない。当然、体積減少もしない。したがって、減圧で膨張しようとする空気は体積を減少するしかない。すなわち、入口から空気が泡となって水中に抜けて、そのロス分の空気圧は外の水位が低下する水圧とバランスするまで低下する。しかし、生存必要空気量がわずかならまだしも、外水圧とバランスするまで内部気圧が減少するため、大きく空気を放出してしまう。そうなっては元も子もない。引き潮時間は短いためそれでも生存には大丈夫なときもあるが、設計空気量に余裕があるといえども考慮の余地がある。そこで、サイフォンの原理により、仕切り壁を跨ぐサイフォン装置で、引き潮時の津波高さの低下に伴う外周水圧の低下とともに、仕切り壁奥の満タンの水が部屋内部の空気圧力に押されてサイフォン装置を通じて外に導き出される。そうなると当然、空気は減圧で膨らみ生存必要空気量が確保されたままで元の平気圧、元の体積に戻ろうとする。当然に、内部空間は大きく確保され、水が貯まったままの天井までの制限された状況に比べて行動範囲も大幅に広がる。このサイフォン装置により、必要空気量が常にバランスよく確保され、パニックにならず、安全・安心が提供される。より身近で安心できるため家族もバラバラで遠方に逃げる必要もない。夜中や介護高齢者の避難訓練の負担も相当に軽減される。水没時間に対応して大きな空気量が必要であるが、鉄筋コンクリート造りの退避部屋では容量も大きく、百人単位の収容も可能で、大勢の人命が助かる。防潮堤の嵩上げや高台移転では想定外の津波に対して安全に限がなく、巨費と長い歳月を要する。災害は、時と場所を選ばない。本発明で、来る東南海地震等に対しても早期に対応でき、例えば１ｋｍごとの配置とかで防災計画立案にも役立つ。さらに、津波以外にも、高潮や台風、大雨時の洪水、堤防決壊による河川氾濫時、海抜以下や天井川沿い地域の防災対策としても有効である。

入口解放構造の津波退避部屋の津波高さと内部の圧縮空気による穏やかな水位上昇の関係で、津波高さ１ｍ、１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍとした場合の密閉空間の水位上昇との関係図。図中にｈ−１、ｈ―１０、ｈ−２０、ｈ−３０、ｈ−４０、ｈ−５０で表す。 入口解放構造の津波退避部屋に入口頂点高さより高い仕切り壁を設けた場合の津波高さと内部の圧縮空気による穏やかな水位上昇の関係で、津波高さ１ｍ、１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍとした場合の密閉空間の水位上昇との関係図。図中にｈ−１、ｈ―１０、ｈ−２０、ｈ−３０、ｈ−４０、ｈ−５０で表す。階段や内部の高床が設置されるが図中は省略している。 津波の引き潮時に、仕切り壁奥が満水状態で排水されない場合に、入口から圧縮空気の抜ける様子を表した想定図。 仕切り壁を跨ぐサイフォン装置の頂部に空気抜き弁を設置したサイフォン装置とした場合、津波引き潮時に仕切り壁奥の水が排出され、水位が均等に低下する説明図。 入口頂点高さより高い位置の仕切り壁を貫通して設けたサイフォン装置で、津波到来時の水位上昇に押されて仕切り壁奥に水が導入される状況図。やがて、奥内部の水位がサイフォン装置の出口高さに達すると、サイフォン装置の管の中が満水となり、サイフォンの原理が働く。 入口頂点高さより高い位置の仕切り壁を貫通して設けたサイフォン装置で、津波の引き潮時にサイフォンの原理により奥内部の水が排出され、水位が均等になる状況図。 仕切り壁の下方に穴をあけ、そこにバルブ弁を設け、高床の上から弁を開くための浮き輪のついたロープで操作する状況図。 外水位が入口頂点高さを超えた時点以降に、下方の穴の栓を押し抜いて仕切り壁奥に水を導き水位バランスを図った状況図。この場合、引き潮時にはスムーズに内部の水が抜けてくれる。 仕切り壁奥に空気保持独立体を設けた場合の、仕切り壁の下方に設けた穴の栓を接続していた棒で押し抜く状況図。

発明を実施するための形態について述べる。津波退避部屋の入口解放構造の場合、仕切り壁がないと内部水位は外部の津波水位に連動してすぐ上昇する。そして、引き潮時も今までたどってきたのと同じ連動を逆に繰り返して元に戻る。仕切り壁がある場合、漂流物の直撃を受けない、しばらくは水に濡れない、空気量確保の空間が大きくとれその分余裕がとれる、反面、引き潮時には仕切り壁で満たされた水は貯まったままとなり、圧縮された空気は逃げ場を求めて入口から抜けていく。引き潮時には減圧となるので、空気体積は膨張するが満水で貯まったままだと、減圧解放され膨張する空気は入口から抜けてしまうし、満杯の水で内部での行動が不自由である。そこで、仕切り壁を跨ぐ形状保持の排水管（ホースのような平らになるのは不適当）のようなサイフォン構造とし、津波の減圧につられてまだそれよりは大きい内部圧力とタイムラグを生じた時にサイフォン作用が働き、内部の水は外部へと導き出される通水状態となる。このことにより、津波の引き潮に伴い仕切り壁奥内部の水位も下がり、空間体積も増えるので生存必要空気量を失わず保つことができる。外の水嵩が増すときにその勢いでサイフォン装置を通して奥の内部に水が入るので、その頂点は仕切り壁高さより低い方が、外水位が増すときに頂点の空気が一緒に抜けやすく、その逆転の外水位が引くときに、サイフォン装置内には空気がなくなって水で満たされているのでサイフォンの原理で自動的に連続排水する。サイフォン装置は水で満たされたときに連続的に流れるのが特徴であるが、頂点付近に空気が残ったままだと流れない。頂点を跨ぐ場合は安全のために空気抜き弁を設けた方がいい。そのための地元防災スタッフの訓練も必要だ。仕切り壁に穴を設けてサイフォンを通す場合は入口頂点高さと仕切り壁頂点との間に設ける。穴以外にU字の溝や隙間があってはそこから内部に水が入るので仕切り壁の高さを高くした意味がない。仕切り壁の下方に穴を開けバブル弁、栓を設置する方法も考えられる。この場合、水が満水であることを忘れてはならない。上から引っ張って抜ける工夫が必要だ。内外の水圧はバランスするので栓に外に傾斜を付けるか、バブル弁は外開きとすれば、くさび作用が働き内部に飛び出してくる心配はない。

仕切り壁の上を跨いでサイフォン装置を設置した例である。サイフォン装置は固形の排水管などで、形状保持できないホースは不適当といえる。水は体積変化しないため、サイフォン装置がないと仕切り壁を逆流、すなわち越えることができない。仕切り壁より奥の水位が上がった状態で引き潮になったときに、入口付近の水圧が急激に下がり内部の空気圧との差が生じ、一瞬の圧力差に押されてサイフォン装置で逆流することで排水を促し内部の水位が下がる。ただし、途中の頂点付近に空気が残る可能性もあり、その場合はサイフォン作用が働かないおそれがあるので頂点部に空気抜き弁を設置する。

サイフォン装置を仕切り壁の高さと入口頂点高さの中間に設けた例である。この場合は津波で水位が上がるときに奥の内部に水が入るため、サイフォン装置の頂点に空気はなくなっている。排水管の中が満水状態で継続する。したがって、引き潮の時も自動的にスムーズに逆転排水に移行する。ただし、排水管の設置時にコンクリートにU字カットや隙間を作るとそこから水が漏れるため高い仕切り壁にした意味がなくなる。頂点までや隙間へのコンクリートなど充填が大事だ。

仕切り壁の下方にバブル弁、栓を設けた例である。貫通穴は泥土の堆積が予想されるため床から３０ｃｍ以上の高さが望ましい。津波の当初は外から奥方向に水が入るのを防ぎ、引き潮時は奥から外方向に排水できるよう貫通穴には外方向に広がった傾斜、テーパーを付けると自然の力の方向を利用できる。もし、栓が抜けてしまっても内部に水が入り多少空気量が減るがその分、空気圧で押さえるので心配する必要はない。水圧は内外でバランスしているので特殊な力を必要としないが、内部は仕切り壁高さまでの満水状態を想定すると、上から操作できることを考えなければいけない。押す動作より引っ張る動作が容易なため、バブル弁、栓を外側に引っ張るためのロープを入口側の仕切り壁頂点近くでとれるようにしておく必要がある。ロープだと丸めた輪にして壁にかけておくとか、落とした場合に備えて浮き輪を付けておくとかする。

内部に空気保持独立体がある場合は、比較的下の方まで空気があるので、上で操作するより、仕切り壁の下に貫通穴があれば栓を抜きやすい。この場合は棒状のもので中から押し出すことになる。もちろんサイフォン装置としてもよいが空気抜き弁がいらないサイフォン装置の頂点高さ、すなわち入口高さと仕切り壁高さの中間位置を選ぶべきである。

東南海地震の３連動で予想される津波の最高高さは３４．４ｍであるが、入口解放構造であれば内外の水圧、空気圧がバランスしているためその想定外の高さの津波にも耐えることができる。参考として入口解放構造の津波退避部屋本体の設計例を示す。空地に設置した３ｍ＊４ｍ＊６ｍ、厚み０．３５ｍの鉄筋コンクリート造りの退避部屋とし、入口解放構造で内部に漂流物衝撃防止機能の仕切り壁を設け、危険な入口濁流ゾーンと安全な退避ゾーンとに分けた退避部屋の例を示す。人一人が生存に必要な空気量は１m３/時といわれている。大人４０人の退避部屋とすると、一時間耐えるには４０ｍ３の空気体積が必要で、概略計算のために、部屋は単独の高さ３ｍ、幅４ｍ、奥行き６ｍの直方体の部屋とすると、内部体積は入口高さが１ｍとすると２＊４＊６=４８ｍ３で、引き潮までが１時間としても十分な空気がある。退避する平面スペースは、４人／ｍ２とすると、４０／４＊６≒１．７人/ｍ２ で退避用としては余裕がある。入口解放なしとして浮力は２＊４＊６＝４８ｔｆ、重量は、コンクリート壁厚を３５ｃｍとすると表面積*コンクリート壁厚＊単位重量＝２＊（１２＋１８＋２４）＊０．３５＊２．５＝９４．５ｔｆで、重量＞浮力となり浮き上がらない。港湾空港技術研究所の射流実験を参考に水平掃力１５ｔｆ／ｍ２を海側面の３ｍ＊４ｍが受けると、その水平モーメントは１５＊（３＊４）＊３／２＝２７０ｔｆ・ｍ、抵抗モーメント＝９４．５＊６／２＝２８３．５ｔｆ・ｍで、水平力である掃力に抵抗して転倒しない。ただし、海辺近辺では同時の浮力も考慮して、退避部屋の高さを低くし海側面積を少なくした直方体にするか、流線形にするか、床底辺を厚くするか、下にせん断キーすなわち下駄の歯のような突起を設けるか、地中にアンカーをとるなどのさらなる対策が考えられる。入口頂点高さを１ｍとし、漂流物衝撃防止機能の仕切り壁の床からの高さを２．０ｍとし、高床高さを２ｍ弱とする。入口頂点高さの１ｍまでは周辺の水位に連動して上昇するが、１０ｍの津波で、周辺が１０ｍの水位で、内部は2気圧となり中の残りの空気体積が半分となるまで水位が上がる。津波５０ｍの水位では６気圧となり密閉空気体積は１／６になり、水位はそこまで上がる。高床には天井まで１ｍの空間高さがあるので十分に呼吸ができる。子供用には脚立を備えておく。退避用入口が解放開口部となっていて中の気圧と外の水圧が等しいため、構造的な外圧は特に考慮する必要はない。想定外としても極端な例であるが、９０ｍの津波が来たとしても１/１０の空気が残っている。密閉空間の気密性は大切で、通気孔は設けてはならない。通気孔を設けると水面上昇の圧力で空気が逃げていく。密閉空間に地震等によるコンクリーのひび割れができれば水位が上がるときに空気が抜けていく。３ｍの天井高さまでの水位による気圧上昇は、０．２から０．３気圧なのでそれに耐えられる２層防水シート、あるいは強化プラスチック、鋼板を敷設しておけば、ひび割れの伝達がなければ漏水に対応できる。入口には濁流と漂流物が押し寄せ危険なため、漂流物衝撃防止機能の有る仕切り壁を設けて退避ゾーンを分離することにより安心できる。人が仕切り壁を乗り越えるための階段等は当然に必要である。引き水後は泥が入口に堆積しているのでスコップを備えておく。あわせて、スクーバ・タンクを備えておけばより安心できる。

地震による大津波が想定される東南海地域においては、早期かつ効果的、経済的対策が求められる。身近に設置でき、かつ想定外の津波にも安全安心な退避部屋は、大容量で大勢の退避が可能である。建物の骨組み構造を兼ねることも可能で、さらに耐震補強壁としても設計施工に対応可能である。また、その他地域でも、既設建物に退避部屋を設置する増築工事で、より効果的な耐震対策、津波、高潮、洪水など幅広い地域防災対策が可能となる。

１津波退避部屋のコンクリート壁
２入口解放構造の津波退避部屋の入口
３仕切り壁
４津波の引き潮時に仕切り壁奥内部に満水となって排水されないままの水
５津波の引き潮時に逃げ場を求めて入口から出た空気泡
６仕切り壁を跨いだサイフォン装置
７サイフォン装置の頂部に設けた空気抜き装置
８入口頂点高さより高い位置で仕切り壁を貫通して設けたサイフォン装置
９仕切り壁の奥内部に設置された高床
１０貫通穴に取り付けたバブル弁
１１バブル弁を上から開くためのロープ
１２ロープや棒の先に取り付けた浮き輪
１３貫通穴に設けた傾斜付きの栓
１４栓を押し出すための棒
１５仕切り壁屋内部に設けた空気保持独立体
１６外水位

Claims (3)

1. 内部に仕切り壁を設けた入口解放構造の津波退避部屋であって、津波の引き潮時に生存必要空気量を逃がさず確保するために、仕切り壁で堰き止められた水の排水を部屋内部の圧縮空気圧と外水圧の差を利用して促すサイフォン装置、もしくは、仕切り壁にバルブ弁、または栓を設置したこと特徴とする津波退避部屋。
2. 前記サイフォン装置は、形状保持管とし、仕切り壁を跨いで設置する場合は頂部に空気抜き装置を設け、仕切り壁を貫通して設置する場合は入口頂点高さより高い位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の津波退避部屋。
3. 前記仕切り壁に設置したバルブ弁、または栓は、仕切り壁の入口頂点高さより低い位置に貫通穴をあけてそこに設けたことを特徴とする請求項１に記載の津波退避部屋。

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