特許 7593226 取水排砂兼用装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】取水排砂兼用装置

(51)【国際特許分類】

   E02B 7/02 20060101AFI20241126BHJP

   E02B 7/20 20060101ALI20241126BHJP

   E03B 3/04 20060101ALI20241126BHJP

   E02B 8/00 20060101ALI20241126BHJP

   E02B 7/26 20060101ALN20241126BHJP

【ＦＩ】

E02B7/02 B

E02B7/20 106

E03B3/04

E02B8/00

E02B7/26 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021083012

(22)【出願日】2021-05-17

(65)【公開番号】P2022176526

(43)【公開日】2022-11-30

【審査請求日】2024-04-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 直寿

(72)【発明者】

【氏名】上条 宏明

(72)【発明者】

【氏名】宮内 賢治

【審査官】荒井 良子

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－３５０４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８８８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１５３４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－７４９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１１２５２９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｂ ７／０２

Ｅ０２Ｂ ７／２０

Ｅ０３Ｂ ３／０４

Ｅ０２Ｂ ８／００

Ｅ０２Ｂ ７／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

河川を横断する堤体に設けられ、該堤体の上流側に堆積する土砂を排出するとともに河川水を導いて取水する取水排砂兼用装置であって、
前記堤体の上流側に設けられ、河川水とともに土砂を取込む底面排砂設備と、
該底面排砂設備に接続する接続部、及び該接続部を開閉する流入制御装置を有する取水塔と、を備え、
前記流入制御装置は、前記接続部を介して前記取水塔に流入する河川水により生じる浮力を利用して昇降し、河川水位が予め設定された規定水位に到達した場合に、前記接続部を遮断する制水ゲートを備えることを特徴とする取水排砂兼用装置。

【請求項2】

請求項１に記載の取水排砂兼用装置において、
前記取水塔に接続される沈砂槽と、
該沈砂槽が備える排砂口を開閉する排砂制御装置と、
該排砂制御装置に前記取水塔に流入した河川水を注水する排砂用注水管と、
を備える沈砂設備が設けられており、
前記排砂制御装置は、前記排砂用注水管から注水された河川水により生じる浮力を利用して昇降し、該排砂制御装置内の水面が予め設定された規定高さに到達した場合に、前記排砂口を開放する排砂ゲートを備えることを特徴とする取水排砂兼用装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の取水排砂兼用装置において、
前記底面排砂設備が、
前記堤体の水通しに沿って延在し、溝状取水口を上部に形成されている導水路と、
該導水路が上面に形成される排砂設備本体と、
前記溝状取水口に設置され、透過部が設けられたスクリーンと、を備え、
前記排砂設備本体の、少なくとも下半が河床に埋設されているとともに、上面が前記河川の上流側から下流側に向けて上昇するように傾斜していることを特徴とする取水排砂兼用装置。

【請求項4】

請求項３に記載の取水排砂兼用装置において、
前記導水路が、前記取水塔に接続される一端側に開口を有するとともに、該開口に向けて下降する縦断勾配を有し、
前記スクリーンが、前記透過部における前記導水路の一端側近傍に位置する透過幅を、他端側近傍に位置する透過幅より大きく形成されていることを特徴とする取水排砂兼用装置。

【請求項5】

請求項４に記載の取水排砂兼用装置において、
前記透過部の透過幅が大きく形成された範囲に対向する前記導水路の縦断勾配が、他の範囲と比較して急勾配に形成されていることを特徴とする取水排砂兼用装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、砂防ダムや砂防堰堤など河川を横断する堤体に設置する取水排砂兼用装置に関する。

【背景技術】

【0002】

持続可能な社会の実現を目指し、枯渇することのない再生可能エネルギーの導入促進が求められている現在、再生可能エネルギーのひとつである中小水力発電が注目されている。

【0003】

水の位置エネルギーで発電する中小水力発電は、燃料調達が不要、２４時間連続して発電可能、また発電効率がよいベースロード電源であり、中小河川や水路、ダムや堰堤、工業用設備や下水道設備等に導入可能な、地域分散型のエネルギー源として注目されている。中小水力発電の導入にあたっては、中小河川や水路、ダムや堰堤、工業用設備や下水道設備等に取水機構や放流設備を設け、発電に使用する水を導く。

【0004】

例えば、特許文献１には、砂防ダムに設ける取水機構が開示されている。取水機構は、砂防ダムの袖部上流側に設けられ、土砂を含む河川水が流入する除塵スクリーンを河川の上流側に対向して配置し、開閉バルブを備えた取水管及び排砂管を河川の下流側に砂防ダムを貫通させて配置している。

【0005】

これにより、取水管のバルブを閉状態とし排砂管のバルブを開状態にすると、除塵スクリーンを介して取水機構に流入した土砂を含む河川水を排砂し、河川の下流側に運搬排出することができる。こうすると、取水機構の周辺にウォータープールを形成できるため、この状態を維持しつつ、取水管のバルブを開状態とし排砂管のバルブを閉状態とすれば、継続的な取水が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１２－０４６９３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このような取水機構によれば、簡略な構造で継続的な取水を実現できる。ところが、特許文献１では、土砂を含む河川水が流入する除塵スクリーンを、河川の上流側に対向して配置していることから、除塵スクリーン近傍に土砂が堆積しやすい。すると、重機を用いた堆砂の除去作業を定期的に実施する必要が生じる等、維持管理費が嵩みやすく、また、除去作業の期間中は発電を停止せざるを得ない。

【0008】

このため、取水口となる除塵スクリーンを、河川が流下する方向に対して直交させて設けるといった対策を講じる必要があった。また、取水管及び排砂管の開閉バルブとして一般には電磁バルブを採用するが、洪水などの自然災害時には停電することが多い。このような事態が生じると取水機構の操作ができなくなるといった不具合が生じていた。

【0009】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、電力を用いることなく、砂防ダムや砂防堰堤など河川を横断する堤体の上流側に堆積した土砂の排出と取水に関する動作を制御することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

かかる目的を達成するため、本発明の取水排砂兼用装置は、河川を横断する堤体に設けられ、該堤体の上流側に堆積する土砂を排出するとともに河川水を導いて取水する取水排砂兼用装置であって、前記堤体の上流側に設けられ、河川水とともに土砂を取込む底面排砂設備と、該底面排砂設備に接続する接続部、及び該接続部を開閉する流入制御装置を有する取水塔と、を備え、前記流入制御装置は、前記接続部を介して前記取水塔に流入する河川水により生じる浮力を利用して昇降し、河川水位が予め設定された規定水位に到達した場合に、前記接続部を遮断する制水ゲートを備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の取水排砂兼用装置によれば、河川水位が予め設定された規定水位に到達した場合に、河川水により生じる浮力を利用して昇降する制水ゲートで、底面排砂設備と取水塔との接続部を遮断し、底面排砂設備で取込んだ土砂及び河川水の沈砂設備への流入を制限することができる。したがって、沈砂設備を用いて排砂および取水する動作を、河川水位に基づいて無電化及び無人力で制御することが可能となる。

【0012】

また、洪水など自然災害時や不測の事態により停電が生じても、規定水位に到達した時点で確実に接続部を遮断することができるため、河川水及び土砂だけでなく、流木や大径土石が流入することにより、取水塔や沈砂設備に破損や破壊を生じさせる事態を回避することが可能となる。

【0013】

本発明の取水排砂兼用装置は、前記取水塔に接続される沈砂槽と、該沈砂槽が備える排砂口を開閉する排砂制御装置と、該排砂制御装置に前記取水塔に流入した河川水を注水する排砂用注水管と、を備える沈砂設備が設けられており、前記排砂制御装置は、前記排砂用注水管から注水された河川水により生じる浮力を利用して昇降し、該排砂制御装置内の水面が予め設定された規定高さに到達した場合に、前記排砂口を開放する排砂ゲートを備えることを特徴とする。

【0014】

本発明の取水排砂兼用装置によれば、排砂制御装置内に注入した河川水の水面が予め設定された規定高さに到達した場合に、河川水により生じる浮力を利用して昇降する排砂ゲートを排砂口から開放することができる。したがって、排砂制御装置内に注入した河川水の水面が、所望の排砂時期に規定高さに到達するよう調整することで、沈砂槽に流入した土砂を排出する動作を、無電化及び無人力で制御することが可能となる。

【0015】

本発明の取水排砂兼用装置は、前記底面排砂設備が、前記堤体の水通しに沿って延在し、溝状取水口を上部に形成されている導水路と、該導水路が上面に形成される排砂設備本体と、前記溝状取水口に設置され、透過部が設けられたスクリーンと、を備え、前記排砂設備本体の、少なくとも下半が河床に埋設されているとともに、上面が前記河川の上流側から下流側に向けて上昇するように傾斜していることを特徴とする。

【0016】

本発明の取水排砂兼用装置によれば、洪水時期以外の比較的河川流量の多い時期に排砂設備本体近傍を排砂しておくと、洪水時に堤体の上流側で生じる堆砂の起点が、堤体の上流側壁面近傍から排砂設備本体より上流側の河床まで後退する。これにより、洪水時に砂防堰堤で留めおくことのできる土砂の容量を、大幅に増大させることが可能となる。

【0017】

また、底面排砂設備上で転動するスクリーンの透過部より大径土石を堤体の水通しに向かって効率よく導き、河川の下流域へ流下させることが可能となる。これにより、堤体の上流側壁面近傍に堆積する土砂の容量を削減することが可能となる。

【0018】

本発明の取水排砂兼用装置は、前記導水路が、前記取水塔に接続される一端側に開口を有するとともに、該開口に向けて下降する縦断勾配を有し、前記スクリーンが、前記透過部における前記導水路の一端側近傍に位置する透過幅を、他端側近傍に位置する透過幅より大きく形成されていることを特徴とする。

【0019】

本発明の取水排砂兼用装置によれば、導水路が一端の開口に向けて下降する縦断勾配をもって形成されていることから、導水路の一端側の広い範囲に、河川水を開口に向けて引き込む吸引力が作用する。このため、スクリーンに設けた透過部について、前記導水路の一端側近傍の透過幅を他端側近傍より大きく形成することにより、底面排砂設備の近傍に堆積している土砂を効率よく導水路に流入させることが可能となる。

【0020】

したがって、スクリーンにおける、導水路の一端側近傍に位置し透過部の透過幅を大きく取った範囲を土砂取込み専用とする一方で、導水路の他端側近傍に位置し透過部の透過幅を小さく取った範囲を取水専用として機能分担させると、排砂効率及び取水効率とともに向上させることが可能となる。

【0021】

本発明の取水排砂兼用装置は、前記透過部の透過幅が大きく形成された範囲に対応する前記導水路の縦断勾配が、他の範囲と比較して急勾配に形成されていることを特徴とする。

【0022】

本発明の取水排砂兼用装置によれば、スクリーンに設けた透過部の透過幅を大きくとって、積極的に土砂を流入させた範囲に対応する導水路の縦断勾配を急勾配に設定するため、導水路の一端に設けた開口近傍で、取込んだ土砂が滞留する現象を抑制でき、排砂を安定させることが可能となる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、砂防ダムや砂防堰堤など河川を横断する堤体の上流側に堆積した土砂の排出と取水に関する動作を、無電力及び無人力で制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態における取水排砂兼用装置の概略を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における取水排砂兼用装置を設けた河川の流況図である。

【図3】本発明の実施の形態における取水排砂兼用装置の動作パターンを示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における底面排砂設備の詳細を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における底面排砂設備の有無による堆砂起点の相違を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態における取水塔の詳細を示す図である（その１）。

【図7】本発明の実施の形態における取水塔の詳細を示す図である（その２）。

【図8】本発明の実施の形態における沈砂設備の詳細を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態における排砂制御装置の詳細を示す図である。

【図10】本発明の実施の形態における底面排砂設備の他の事例（その１）を示す図である。

【図11】本発明の実施の形態における底面排砂設備の他の事例（その２）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明は、砂防ダムや砂防堰堤といった河川を横断して構築される堤体に設けるものであり、既設もしくは新設のいずれの堤体にも適用可能である。以下に図１～図１１を参照しつつ、取水排砂兼用装置の詳細を説明する。

【0026】

≪≪取水排砂兼用装置の概略≫≫
図１の平面図で示すように、河川を横断する砂防堰堤１０に設けられた取水排砂兼用装置１は、底面排砂設備２、取水塔３、及び沈砂設備４により構成されている。これらは３つの設備が相まって、河川水Ｗの一部を導いて取水する取水機能と、砂防堰堤１０の上流側に堆積した土砂Ｓを排砂する排砂機能と、取水排砂兼用装置１を保全する保全機能を有する。

【0027】

これらの機能は、砂防堰堤１０が設けられている河川の流況（１年を通じた川の流量の特徴）に基づいて、適切な時期にいずれかの機能が発揮される。各機能が実施される時期の設定方法はいずれでもよいが、１年間の１日当たりの平均流量Ｑを大きな順に３６５日分表示した流況曲線を利用すると良い。

【0028】

例えば、本実施の形態では、砂防堰堤１０が設けられている河川の流況曲線を１０年分蓄積してその平均を取り、図２で示すように、１０年平均の流況曲線を作成している。そして、この１０年平均の流況曲線に基づいて、取水機能、排砂機能、保全機能の各々を実行する時期を設定している。

【0029】

≪取水時期≫
具体的には、河川流量が３５日流量（最大流量から数えて３５番目の流量）に満たない時期を、取水時期に設定する。取水時期には、図３（ａ）で示すように、底面排砂設備２に流入した河川水Ｗ及び土砂Ｓのうち河川水Ｗを、取水塔３及び沈砂設備４を経由して沈砂設備４に備えた取水管４６より取水する。

【0030】

≪排砂時期≫
また、河川流量が３５日流量（最大流量から数えて３５番目の流量）に到達した以降であって、最大流量から数えて５番目の流量に到達するまでの間の時期を、排砂時期に設定する。排砂時期には、図３（ｂ）で示すように、底面排砂設備２から取水塔３を経由して沈砂設備４に流入した土砂Ｓ及び河川水Ｗを、排砂管４５より河川の下流側へ排砂する。このとき、取水管４６による河川水Ｗの取水は一時停止される。

【0031】

≪保全時期≫
そして、河川流量が最大流量から数えて５番目の流量に到達した以上の洪水時期を保全時期に設定する。保全時期には、図３（ｃ）で示すように、取水塔３に設けた流入制御装置３３を用いて、底面排砂設備２に流入した河川水Ｗや土砂Ｓ、さらには不測の事態により底面排砂設備２に流入した流木や大径土石が、取水塔３及び沈砂設備４へ流入する挙動を制限する。

【0032】

≪≪取水排砂兼用装置の詳細≫≫
上記のように、取水排砂兼用装置１は、河川流況に基づいて設定した取水時期、排砂時期、保全時期が到来するごとに３つの機能を適宜切り替えて実施する動作を、無人力かつ無電化で実施することができる。以下に、取水排砂兼用装置１を構成する底面排砂設備２、取水塔３、及び沈砂設備４の詳細を説明する。

【0033】

≪底面排砂設備≫
底面排砂設備２は、河川を流下する河川水Ｗ及び土砂Ｓを取込む設備である。図１及び図４（ａ）で示すように、河川を横断して構築された砂防堰堤１０の上流側であって少なくとも水通し１０３の形成範囲に延在するよう設置され、排砂設備本体２１とスクリーン２２と導水路２３とを備える。

【0034】

排砂設備本体２１は、砂防堰堤１０の上流側壁面１０１に沿って設けられる長尺なコンクリート構造物であり、図４（ｂ）で示すように、少なくとも下半が河床に埋設されている。また、その上面は、河川の上流側から下流側に向けて上昇するように傾斜しているとともに、水通し１０３に沿って延在するトレンチ状の導水路２３が形成されている。

【0035】

導水路２３は、図４（ａ）で示すように、砂防堰堤１０の他方の袖部１０５側に位置する他端側２３２から一方の袖部１０４側に位置する一端側２３１に向けて下降傾斜する縦断勾配をもって形成されている。他端側２３２は閉塞されているのに対し、一端側２３１は開口し、後述する取水塔３に接続される。

【0036】

また、導水路２３の上部に設けられた溝状取水口２３５には、図４（ｂ）で示すように、これを覆うようにしてスクリーン２２が設置されている。このとき、導水路２３における河川下流側の側壁２３４の天端が、河川上流側の側壁２３３より高く形成されているため、スクリーン２２は、その上面が排砂設備本体２１の上面と同様に、河川の上流側から下流側に向けて上昇する姿勢に設置されている。

【0037】

スクリーン２２は、図４（ａ）で示すように、長尺な鋼板に透過部２２１を複数形成したもので、導水路２３の全長に渡って設置されている。本実施の形態では、透過部２２１をスリット状に形成しているが、その透過幅はいずれでもよく、砂防堰堤１０の上流側に堆積する土砂Ｓ（例えば、最大で１００ｍｍ程度の礫分まで）を取込むことができる程度の大きさに形成すると良い。なお、透過幅は、透過部２２１における河川水Ｗ及び土砂Ｓが透過する部分の大きさをいう。

【0038】

上記の構成を有する底面排砂設備２は、スクリーン２２の透過部２２１を介して導水路２３に、河川水Ｗ及び土砂Ｓを流入させ、一端側２３１の開口に向けて流下させる。しかし、導水路２３内に流入し堆積した土砂Ｓは、導水路２３内を流下する河川水Ｗが掃流力を有していない場合、流下しないことが知られている。掃流力とは、河川や管路等を水が移動する際、河床や管路底面に堆積している土砂を、その底部を擦りながら流下させる力をいう。

【0039】

そこで、底面排砂設備２では、少なくとも排砂時期前には、河川流量の増大に伴って増大した導水路２３内を流下する河川水Ｗによって、導水路２３に堆積した土砂Ｓが掃流されるよう、導水路２３の縦断勾配を設定している。

【0040】

これにより、取水時期において、河川流量が小さい場合には、図４（ａ）で示すように、導水路２３内で河川水Ｗのみが取水塔３に向けて流下する。ところが、河川流量が増大して所定の流量になると、図６（ａ）で示すように、自動的に導水路２３内に堆積していた土砂Ｓが河川水Ｗとともに、一端側２３１の開口から取水塔３に向けて流下する。

【0041】

こうすると、底面排砂設備２では、導水路２３に堆積している土砂Ｓを、排砂時期の前段階から順次、取水塔３を経由して沈砂設備４に向けて排出することが可能となる。なお、導水路２３の縦断勾配は、河川流域の土質等も考慮して、好適な縦断勾配となるよう適宜調整するとよい。

【0042】

また、導水路２３が、一端側２３１の開口に向けて下降する縦断勾配となっているから、一端側２３１の広い範囲には、河川水Ｗを取水塔３に引き込む吸引力が作用する。このため、導水路２３の一端側近傍において堆積している土砂Ｓを、河川水Ｓとともに効率よく導水路２３に取込んで、取水塔３に排出することが可能となる。

【0043】

さらに、排砂設備本体２１が、砂防堰堤１０の上流側河床に設置され、上面が、河川の上流側から下流側に向けて上昇するように傾斜している。これにより、図５で示すように、上昇傾斜を設けない場合の堆砂の起点Ｏ’が、砂防堰堤１０の上流側壁面１０１近傍であったところ、上昇傾斜を設けた場合の堆砂の起点Ｏは、排砂設備本体２１より上流側の河床まで後退する。

【0044】

したがって、排砂時期に排砂設備本体２１近傍を排砂しておくことで、河川の洪水時に砂防堰堤１０の上流側で留めおくことのできる土砂Ｓの容量を、起点の差分ΔＬ高が確保され堆砂勾配の土砂量を増大させることが可能となる。

【0045】

加えて、排砂設備本体２１とスクリーン２２の上面は、図５で示すように、水通し１０３に向かうスロープのごとく形成されている。これにより、スクリーン２２を透過できずその上面で転動する大径土石Ｇを、砂防堰堤１０の水通し１０３に向かって効率よく導き、河川の下流域へ流下させることが可能となる。これにより、砂防堰堤１０の上流側壁面１０１近傍に堆積する土砂Ｓの容量を、より削減することが可能となる。

【0046】

≪取水塔≫
取水塔３は、図１で示すように、上述した底面排砂設備２と後述する沈砂設備４とを接続する装置であり、砂防堰堤１０の一方の袖部１０４側であって上流側壁面１０１に近接して設置されたコンクリート造の塔状構造物により構成されている。

【0047】

その塔高さは少なくとも、図６で示すように、計画高水位（H.W.L）を超える高さに形成され、内部には、接続流路３１と、接続流路３１に接続された接続水槽３２と、接続流路３１を遮断する流入制御装置３３と、を備えている。

【0048】

接続流路３１は、底面排砂設備２の導水路２３と接続水槽３２とを接続する流路であり、その形状は、導水路２３から流入した河川水Ｗ及び土砂Ｓを、接続水槽３２に向けてスムーズに流下させることができれば、いずれの形状に構築されたものであってもよい。

【0049】

接続水槽３２は、図８で示すように、計画高水位（H.W.L）を超える高さを有する貯水槽であり、砂防堰堤１０と面する側の側壁に開口が設けられ、砂防堰堤１０を貫通する堤体横断排水路１０６が接続されている。なお、堤体横断排水路１０６は、砂防堰堤１００の上流側壁面１０１から下流側壁面１０２に向けて一方の袖部１０４を貫通するよう設けられている。

【0050】

このように、接続水槽３２は、砂防堰堤１０と略平行に設けられた導水路２３及び接続流路３１と、砂防堰堤１０と略直交して設けられた堤体横断排水路１０６とを接続するように設けられている。そして、導水路２３及び接続流路３１を流下した河川水Ｗ及び土砂Ｓを、接続水槽３２で一時貯留することができる。これにより、河川水Ｗ及び土砂Ｓの流れ方向を効率よく直交方向へ転換し、堤体横断排水路１０６が接続されている沈砂設備４にスムーズに流入させることができる。

【0051】

≪流入制御装置≫
流入制御装置３３は、図６（ａ）及び図７で示すように、接続流路３１を開放もしくは遮断することにより、河川水Ｗ及び土砂Ｓが導水路２３から取水塔３及び沈砂設備４に流入する挙動を制御する装置である。

【0052】

その構成は、接続流路３１を開放もしくは遮断することができればいずれを採用してもよいが、本実施の形態では、制水ゲート３３１、ゲート室３３２、カウンターウェイト室３３３、錘体３３４、ワイヤー３３５、定滑車３３６、及び注水管３３７により構成されている。

【0053】

制水ゲート３３１は、図６及び図７で示すように、接続流路３１の断面より大きい面積を有する板材により構成されている。その部材厚、形状、及び材料等は、接続流路３１から流下する河川水Ｗや土砂Ｓ等が衝突した際の衝撃に十分耐えることが可能であれば、いずれに構成されていてもよい。

【0054】

ゲート室３３２は、制水ゲート３３１の昇降空間であり、接続水槽３２の底面排砂設備２側に、接続流路３１と交差するようにして配置されている。その形状は、鉛直方向に延在する筒状に形成され、上端は河川の計画高水位（H.W.L）より上方に位置し、下端部は接続流路３１より下方に配置されている。

【0055】

このようにゲート室３３２は、接続流路３１と連通している。したがって、接続流路３１を介して取水塔３０に流入した河川水Ｗは、ゲート室３３２と前述した接続水槽３２に流入する。これにより、ゲート室３３２内は常時、河川水位と等しい水位が維持された状態となっている。

【0056】

また、図６（ｂ）で示すように、ゲート室３３２の内壁面には制水ゲート３３１の昇降をガイドするガイド部３３２１が設けられている。ガイド部３３２１は、制水ゲート３３１の両側端部各々が嵌合可能な対をなす溝を、ゲート室３３２の高さ方向に延在するように配置することにより形成している。しかし、ガイド部３３２１はこれに限定されるものではなく、いずれの形状に構成してもよい。

【0057】

上記の構成を有するゲート室３３２は、図６（ａ）で示すように、注水管３３７を介してカウンターウェイト室３３３に連通されている。また、ゲート室３３２内を昇降する制水ゲート３３１は、ワイヤー３３５によりカウンターウェイト室３３３内を昇降する錘体３３４に連結されている。

【0058】

注水管３３７は、図７（ａ）で示すように、接続流路３１と計画高水位（H.W.L）の間の任意の高さ位置でゲート室３３２に接続されており、接続流路３１から流入しゲート室３２２内を上昇した河川水Ｗの一部を、カウンターウェイト室３３３に注水する。なお、ゲート室３２２内の河川水Ｗには細粒分が含まれていることから、図６（ａ）で示すように、注水管３３７とゲート室３３２との接続部に細粒分を捕集する注水口スクリーン３３７１を設けるとよい。

【0059】

カウンターウェイト室３３３は、図６（ａ）で示すように、接続水槽３２を挟んでゲート室３３２と並列配置されている。その形状は、鉛直方向に延在する筒状に形成され、注水管３３７より供給された河川水Ｗを貯留することが可能な構造に形成されている。また、カウンターウェイト室３３３の壁面には、所定の高さ位置に開口を設けて越流堰３３３１として機能させている。これにより、カウンターウェイト室３３３内では、越流堰３３３１の設置高さが、水位の最上値となる。

【0060】

錘体３３４は、取水塔３０の天端に配された定滑車３３６に掛け回されたワイヤー３３５の一端に連結されている。ワイヤー３３５の他端には制水ゲート３３１が連結されており、カウンターウェイト室３３３内に河川水Ｗが流入するまでは、図６（ａ）で示すように、錘体３３４が着底した状態に置かれるよう、制水ゲート３３１より重量を大きく設定されている。

【0061】

また、錘体３３４は、図７で示すように、カウンターウェイト室３３３内に流入し貯留する河川水Ｗにより生じる浮力を利用して昇降するよう構成されるとともに、その外側面にはキャスター３３４１が設けられている。

【0062】

キャスター３３４１は、カウンターウェイト室３３３の内壁面に当接するよう設けられ、これにより、錘体３３４が昇降する際、揺動もしくは回転する挙動を抑制する。なお、キャスター３３４１は必ずしも設置しなくてもよく、また、錘体３３４が揺動もしは回転する挙動を抑制する手段として他の構造を採用してもよい。

【0063】

このような構成の流入制御装置３３は、図６（ａ）で示すように、カウンターウェイト室３３３内に河川水Ｗが流入する前の時点では、錘体３３４が着底し、制水ゲート３３１が接続流路３１より上方に配置された状態でバランスされている。したがって、接続流路３１は開放され、河川水Ｗや土砂Ｓは、接続水槽３２に流入する。

【0064】

そして、河川流量の増大に伴ってゲート室３３２内の水位が注水管３３７の設置高さまで上昇すると、カウンターウェイト室３３３内に河川水Ｗが流入する。これにより、錘体３３４が上昇を開始するとともに、制水ゲート３３１が下降する。

【0065】

さらに河川流量が増大してゲート室３３２内の水位（河川水位）が注水管３３７の設置高さより十分高くなると、注水管３３７から連続的に河川水Ｗがカウンターウェイト室３３３に流入する。そして、予め設定した規定水ＷＬ１に到達すると、カウンターウェイト室３３３内の水位は越流堰３３３１の設置高さに到達し、それ以降、水位上昇は停止する。

【0066】

これに伴って錘体３３４も上昇を停止するため、錘体３３４は越流堰３３３１の設置位置に相当する高さに保持され、制水ゲート３３１は着底するようワイヤー３３５の長さが調整されている。したがって、接続流路３１は、制水ゲート３３１により遮断される。このように、流入制御装置３３に備えた制水ゲート３３１は、導水路２３から取水塔３に流入する河川水により生じる浮力を利用して昇降し、河川水位が予め設定した規定水位ＷＬに到達すると、接続流路３１を遮断することができる。

【0067】

したがって、保全時期として設定した河川流量に対応する河川水位を規定水位ＷＬ１に設定しておき、河川水位が規定水位ＷＬ１に到達した際、カウンターウェイト室３３３内の水位が越流堰３３３１の設置高さに到達するよう調整しておく。これにより、保全時期が到来すると電力を用いることなく、底面排砂設備２で取込んだ土砂Ｓ及び河川水の、取水塔３及び沈砂設備４への流入を抑制できる。

【0068】

したがって、洪水など自然災害時や不測の事態により停電が生じても、河川水位が保全時期に対応する規定水位ＷＬ１に到達した時点で、確実に接続流路３１を遮断することができる。このため、河川水Ｗ及び土砂Ｓだけでなく、流木や大径土石が流入することにより、取水塔３や沈砂設備４に破損や破壊を生じさせる事態を回避することが可能となる。

【0069】

なお、例えば図７で示すように、制水ゲート３３１の外周縁にゲート側水密ゴム３３１１を設けるとともに、これに当接する空間側水密ゴム３３２２をゲート室３３２に設けておくと、より確実に接続流路３１と接続水槽３２との遮断できる。

【0070】

≪沈砂設備≫
沈砂設備４は、底面排砂設備２で取込んだ河川水Ｗを取水し、また土砂Ｓを排出する設備であり、図１で示すように、砂防堰堤１０の一方の袖部１０４側であって下流側壁面１０２に近接して設置された略直方体のコンクリート構造物により構成されている。図８及び図９で示すように、その内空部には仕切り壁４３が設けられ、砂防堰堤１０に対向する河川上流側に沈砂槽４１が設けられ、河川下流側に貯水槽４２が設けられている。

【0071】

貯水槽４２は、仕切り壁４３の上部に設けられたストレーナー４４を介して沈砂槽４１と連通されており、沈砂槽４１に流入し仕切り壁４３を越流した河川水Ｗが、ストレーナー４４を介して流入する。また、貯水槽４２の河川下流側の側壁には、その下部近傍に開口が設けられ、貯水槽４２に貯水した河川水Ｗに排水する取水管４６が接続されている。

【0072】

取水管４６は、例えば、中小水力発電設備に備えられているヘッドタンク等に接続されており、取水管４６を流下した河川水Ｗは、このヘッドタンクに貯留されたのち、発電に利用される。

【0073】

沈砂槽４１は、図８で示すように、砂防堰堤１０に隣接する側壁の下部近傍に形成された開口に、前述した堤体横断排水路１０６が接続されている。これにより、取水塔３の接続水槽３２から河川水Ｗ及び土砂Ｓが、堤体横断排水路１０６を介して貯水槽４２に流入する。また、貯水槽４２の底部には、下方に凸となる鉢形状に形成された砂溜部４１１が設けられている。

【0074】

砂溜部４１１は、堤体横断排水路１０６から流入した河川水Ｗ及び土砂Ｓを貯留するとともに、河川水Ｗ中に浮遊する細粒分を沈降させる設備である。これら砂溜部４１１に沈降した土砂Ｓ及び細粒分は、その中央部に形成されている排砂口４１２から排砂される。

【0075】

排砂口４１２には排砂管４５の一端が接続されており、排砂管４５の他端は河川中に配置されている。これにより、図９で示すように、排砂口４１２を流下した土砂Ｓや細粒分は排砂管４５を介して、河川の砂防堰堤１０より下流側に排出される。このような構成の沈砂槽４１には、排砂口４１２を開閉する排砂制御装置５が設けられている。

【0076】

≪排砂制御装置≫
排砂制御装置５は、排砂口４１２を開放もしくは遮断することができればいずれを採用してもよいが、本実施の形態では、図９で示すように、排砂口４１２に挿入可能な排砂ゲート５１、昇降ロッド５２、接続板５３、吊りロッド５４、昇降板５５、フロート５６、フロート槽５７、及び排砂用注水管５８を備える。

【0077】

排砂用注水管５８は、図８で示すように、取水塔３の接続水槽３２に接続されており、接続水槽３２に流入した河川水Ｗを、フロート槽５７に注入する。フロート槽５７は、排砂口４１２の上方に配置された水槽であり、排砂用注水管５８を介して注水された河川水Ｗを貯留する。また、フロート槽５７の内方には、フロート５６が挿入されている。

【0078】

フロート５６は、上部に昇降板５５が設置され、昇降板５５には複数の吊りロッド５４が垂下されている。これら複数の吊りロッド５４を介して排砂口４１２に挿入可能な排砂ゲート５１、排砂ゲート５１を吊持する昇降ロッド５２、及び昇降ロッド５２が固定された接続板５３が吊り下げられている。そして、フロート５６は、図９で示すように、これらを支持しつつ、フロート槽５７内に流入した河川水Ｗにより生じる浮力を利用して、昇降するよう構成されている。

【0079】

このような構成の排砂制御装置５は、図８で示すように、フロート槽５７内に河川水Ｗが流入する前の時点ではフロート５６が着底し、排砂ゲート５１が排砂口４１２に挿入された状態となっている。また、排砂ゲート５１は、排砂口４１２に挿入された状態で、砂溜部４１１と排砂管４５との接続を確実に遮断できるよう、外周面が排砂口４１２に精度よく接する紡錘形状に形成されている。

【0080】

そして、河川流量が増大し、接続水槽３２内の水位が排砂用注水管５８の設置高さまで上昇すると、フロート槽５７内に河川水Ｗが流入する。これにより、浮力が生じてフロート５６が上昇を開始し、これに伴い排砂ゲート５１も徐々に上昇する。

【0081】

こののち、図９で示すように、フロート槽５７内に貯留する河川水Ｗの水面が、予め設定した規定高さＷＬ２に到達すると、この水位までフロート５６が上昇することに伴い、排砂ゲート５１が排砂口４１２から抜け出す。なお、本実施の形態では、規定高さＷＬ２が、接続水槽３２と排砂用注水管５８との接続高さと同一高さになるよう、フロート槽５７と排砂用注水管５８との接続高さを下げて設定している。

【0082】

したがって、排砂時期として設定した河川流量に到達した際、フロート槽５７内に貯留する河川水Ｗの水面が、規定水面ＷＬ２に到達するよう調整しておく。こうすることで、沈砂槽４１に流入した土砂Ｓ及び河川水Ｗを排出する動作を、無電化及び無人力で制御することが可能となる。

【0083】

≪≪取水排砂兼用装置を用いた取水及び排砂事例≫≫
上記の構成を有する取水排砂兼用装置１を用いて取水及び排砂する事例を、以下に示す。

【0084】

本実施の形態では、図２で例示したように、取水時期を河川流量が３５日流量に満たない時期、排砂時期を河川流量が３５日流量に到達した以降であって、最大流量から数えて５番目の流量に満たない時期、保全時期を河川流量が最大流量から数えて５番目の流量に到達した時期以降、に設定する場合を事例に挙げる。

【0085】

≪取水排砂兼用装置の設定≫
まず、取水塔３の流入制御装置３３について、保全時期になると制水ゲート３３１で接続流路３１を遮断されるよう、規定水位ＷＬ１として、河川流量が最大流量から数えて５番目の流量に到達した際に想定される河川水位を設定する。

【0086】

また、底面排砂設備２の導水路２３について、排砂時期には順次、導水路２３に堆積する土砂Ｓが取水塔３に向けて排出されるよう、縦断勾配を調整しておく。なお、本実施の形態では、排砂時期前において、河川流量が所定の流量に到達した時点における導水路２３内を流下する河川水の流量により、掃流力が働き土砂Ｓが滑動する最適な縦断勾配として、河川を流下する土砂Ｓの性状等を併せて考慮し、導水路２３の縦断勾配を１/２０程度に設定している。

【0087】

さらに、沈砂設備４の排砂制御装置５について、排砂時期になると排砂ゲート５１が排砂口４１２から抜け出し開放されるよう、フロート槽５７内に貯留する河川水Ｗの水面の規定高さＷＬ２として、河川流量が３５日流量に到達した際に想定される接続水槽３２内の水位を設定する。

【0088】

≪取水時期≫
上記のとおり取水排砂兼用装置１を構築すると、河川流量が３５日流量に満たない取水時期では、図４（ａ）で示すように、河川水Ｗ及び土砂Ｓが底面排砂設備２のスクリーン２２を介して導水路２３に流入すると、まず、河川水Ｗのみが導水路２３を流下し取水塔３に流入する。なお、導水路２３内を流下する河川水Ｗの流量では掃流力が作用しないため、土砂Ｓは導水路２３に堆積したままとなっている。

【0089】

降雨等により、河川流量が増大すると、これに伴って増大した導水路２３内を流下する河川水Ｗに掃流力が働く。これにより、底面排砂設備２の導水路２３では図６（ａ）で示すように、自動的に導水路２３内に堆積していた土砂Ｓが河川水Ｗとともに流下する。

【0090】

また、導水路２３の取水塔３に接続される一端側２３１の広い範囲では、河川水Ｗを取水塔３に引き込むような吸引力が作用するから、導水路２３に流下していない底面排砂設備２上の土砂も効率よく導水路２３に取込まれる。そして、取水塔３では接続流路３１が開放されているから、河川水Ｗ及び土砂Ｓは接続水槽３２及び堤体横断排水路１０６を経由して、沈砂設備４に流入する。

【0091】

また、沈砂設備４では図８で示すように、排砂口４１２が排砂ゲート５１により遮断されているから、流入した河川水Ｗ及び土砂Ｓは沈砂槽４１に一時貯留される。こののち、貯留量が増大し、河川水Ｗが仕切り壁４３を越流すると、貯水槽４２に流入して取水管４６を介して取水される。

【0092】

≪排砂時期≫
大雨等により排砂時期を迎えると、排砂制御装置５のフロート槽５７内に貯留する河川水Ｗの水面が規定高さＷＬ２に到達し、図９で示すように、電力を用いることなく、排砂ゲート５１が排砂口４１２から抜け出し排砂口４１２が開放される。

【0093】

このため、沈砂槽４１に流入した河川水Ｗ及び土砂Ｓは、排砂口４１２から排砂管４５を介して土砂Ｓともに河川に排水される。したがって、河川水Ｗは貯水槽４２に流入せず、取水管４６から取水されることはない。

【0094】

≪保全時期≫
さらに河川流量が増大して保全時期を迎えると、河川流量が最大流量から数えて５番目の流量に到達することに伴って河川水位が規定水位ＷＬ１を超える。すると、図７で示すように、電力を用いることなく、制水ゲート３３１により接続流路３１が遮断される。したがって、導水路２３内の土砂Ｓ及び河川水Ｗはいずれも、取水塔３に流入することはない。

【0095】

なお、排砂時期に、底面排砂設備２の近傍及び導水路２３に堆積する土砂Ｓを排出しているため、図５を参照しつつ説明したように、砂防堰堤１０の上流側で留めおくことのできる土砂Ｓの容量は、取水排砂兼用装置１に底面排砂設備２を設けない場合と比較して、大幅に増大させることが可能となる。

【0096】

≪保全時期の経過後≫
保全時期が経過し、河川流量が取水時期に相当する流量に低減した時点で、次のとおり、取水時期に備える。

【0097】

まず、取水塔３では、カウンターウェイト室３３３内に流入した河川水Ｗを排水する。これにより、図６（ａ）で示すように、錘体３３４を着底させるとともに制水ゲート３３１を上昇させて、接続流路３１を開放する。カウンターウェイト室３３３内の河川水Ｗは、図７で示すように、下部に設けられた放水穴３３３２により排水され、河川水位が下がりカウンターウェイト室３３３への流入量が減り、流入量と排水量がバランスされ、錘体３３４は下降する。また、沈砂設備４では図８で示すように、排砂制御装置５のフロート槽５７に流入した河川水Ｗを、排水設備５９により排水する。これにより、排砂ゲート５１を下降させて排砂口４１２を遮断する。

【0098】

上述する取水排砂兼用装置１によれば、取水塔３の流入制御装置３３に備えた河川水Ｗにより生じる浮力を利用して昇降する制水ゲート３３１で、底面排砂設備２と取水塔３との接続流路３１を遮断し、底面排砂設備２で取込んだ土砂Ｓ及び河川水Ｗの沈砂設備４への流入を制限することができる。したがって、沈砂設備４を用いて排砂および取水する動作を、河川水位に基づいて無電化及び無人力で制御することが可能となる。

【0099】

本発明の取水排砂兼用装置１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0100】

例えば、本実施の形態では、図４で示すように、底面排砂設備にスリット状の透過部２２１の一様なスクリーン２２を採用し、導水路２３の上面を覆っている。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、様々な態様のスクリーン２２を採用することができる。

【0101】

具体的には、図１０（ａ）で示すように、導水路２３の全長を覆うスクリーン２２のうち、導水路２３の一端側２３１近傍に透過部２２１より透過幅の大きい透過部２２１’を設ける。なお、透過幅の大きい透過部２２１’を設ける範囲としては、スクリーン２２のうち、一端側２３１から１/３～１/４程度の範囲に設けると良い。

【0102】

前述したように、導水路２３が一端側２３１の開口に向けて下降する縦断勾配となっているから、一端側２３１近傍の広い範囲に、河川水Ｗを取水塔３に引き込むような吸引力が作用する。このため、一端側２３１近傍に透過幅の大きい透過部２２１’を採用することで、スクリーン２２上や底面排砂設備２近傍に堆積する土砂Ｓを効率よく導水路２３に流入させることができ、排砂効率を向上することが可能となる。

【0103】

したがって、例えば図１０（ｂ）で示すように、スクリーン２２のうち、導水路２３の他端側２３２に位置する透過部２２１（例えば、最大で１００ｍｍ程度の礫分まで透過できる透過幅のもの）の範囲を取水優先とする。その一方で、一端側２３１に位置する透過部２２１’（透過部２２１より透過幅の大きいもの）の範囲を排砂優先とする。こうして、機能分担させると、取水排砂兼用装置１全体の排砂効率及び取水効率に大きく寄与することが可能となる。

【0104】

また、上記のように機能分担させる場合には、取水優先とする導水路２３の他端側２３２のスクリーン２２について、図１１（ａ）で示すように、その奥行（河川流下方向の長さ）を狭くすることも可能となる。こうすると、コンクリート構造物である排砂設備本体２１の形状をスリム化できるため、底面排砂設備２を経済性及び施工性の高い設備とすることが可能となる。

【0105】

また、図１１（ｂ）では、導水路２３について、排砂優先とすべく透過幅の大きい透過部２２１’が設けられている範囲の下方は、他端側２３２より縦断勾配を急に形成した急勾配な導水路２３’を別途設けると良い。こうすると、透過幅の大きい透過部２２１’で積極的に土砂Ｓを流入させることにより、導水路２３の一端側２３１に設けた開口近傍で、取込んだ土砂Ｓが滞留する現象を抑制でき、排砂を安定させることが可能となる。

【0106】

なお、図１１（ｂ）では、急勾配な導水路２３’の縦断勾配を１／１５程度に設定しているが、これに限定されるものではなく、河川流域の土質等を考慮して好適な縦断勾配に設定するとよい。また、導水路２３及び急勾配な導水路２３’をそれぞれ、取水塔３の接続流路３１に向けて個別に流下させている。しかし、例えばこれらを取水塔３の手前で合流させたのち、取水塔３の接続流路３１に向けて流下させる構造としてもよい。

【0107】

さらに、スクリーン２２において、透過部２２１’より透過幅の小さい取水優先とする透過部２２１が設けられている範囲に対向する導水路２３には、土砂Ｓが多少流入するものの、堆積する程にはならない可能性がある。このような場合には掃流力を考慮する必要がないため、導水路２３の縦断勾配を、河川水Ｗのみを流下させるために必要な緩勾配（通常設計では、縦断勾配１／４０程度）に設定してもよい。

【符号の説明】

【0108】

１０ 砂防堰堤
１０１ 上流側壁面
１０２ 下流側壁面
１０３ 水通し
１０４ 一方の袖部
１０５ 他方の袖部
１０６ 堤体横断排水路
１ 取水排砂兼用装置
２ 底面排砂設備
２１ 排砂設備本体
２２ スクリーン
２２１ 透過部
２２１’ 透過部（透過幅の大きい）
２３ 導水路
２３’ 導水路（急勾配な）
２３１ 一端側
２３２ 他端側
２３３ 河川上流側の側壁
２３４ 河川下流側の側壁
２３５ 溝状取水口
３ 取水塔
３１ 接続流路（接続部）
３２ 接続水槽
３３ 流入制御装置
３３１ 制水ゲート
３３１１ ゲート側水密ゴム
３３２ ゲート室
３３２１ ガイド部
３３２２ 空間側水密ゴム
３３３ カウンターウェイト室
３３３１ 越流堰
３３３２ 放水穴
３３４ 錘体
３３４１ キャスター
３３５ ワイヤー
３３６ 定滑車
３３７ 注水管
３３７１ 注水口スクリーン
４ 沈砂設備
４１ 沈砂槽
４１１ 砂溜部
４１２ 排砂口
４１３ 開口
４２ 貯水槽
４３ 仕切り壁
４４ ストレーナー
４５ 排砂管
４６ 取水管
５ 排砂制御装置
５１ 排砂ゲート
５２ 昇降ロッド
５３ 接続板
５４ 吊りロッド
５５ 昇降板
５６ フロート
５７ フロート槽
５８ 排砂用注水管
５９ 排水設備
Ｓ 土砂
Ｗ 河川水
ＷＬ１ 規定水位
ＷＬ２ 規定高さ
Ｑ 平均流量
Ｏ 堆砂の起点
Ｏ’ 堆砂の起点（底面排砂設備２のない場合）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】