堆積物排出系統及堆積物排出方法
2024-02-24 03:38:15
專利名稱：堆積物排出系統及堆積物排出方法
技術領域：
本發明涉及水庫湖泊等的蓄水場所的堆積物排出系統及堆積物排出方法。
背景技術：
水庫等的蓄水場所，其蓄水量一旦降低，則原來的各項功能就會喪失。因此，過去一直是將水底的砂土等的堆積物疏浚掉而保持水位的。在所疏浚的堆積物中，石料用作混凝土的基材，而其他則用於填埋等的用途。
但一旦進行疏浚，砂土等就不向下流到江河之中了。因此就會破壞自然界的平衡，從而產生新的環境問題。例如，由山上所形成的有機質成分因水庫而不向下流入海中，就不再為海洋提供生成浮遊生所需的養分，從而魚蝦類海洋生物就減少了。此外，由於砂土不向下流了，就會發生河床的洗刷、砂浜的後退等的問題。
在大型水庫中，水幾乎不流動，其中的水就長時間貯留著。因此，與小型水庫相比，其砂土更容易沉降推積。稱為衝刷料的細粒砂土幾乎都堆積起來。有在過去的40年裡堆積了約1000萬m3細砂土的實例。要去除如此大量的砂土，對於傳統的疏浚般來說是非常困難的，因而也難以維持水庫的有效蓄水量。
因此，如圖5所示，對於上述那樣的大型水庫60，提出採用將水庫湖泊的堆積物22排出的系統。例如，一種通過直通水庫上遊部和下遊江河64的管道30而使洪水流及固液二相流流動的系統。在水庫湖泊的沿岸23設置多根連通蓄水場所20和管道30的輔助通道32。因而是可從蓄水場所20的多個位置排出堆砂的系統。
在此場合，在上述輔助通道32中設有為使堆積物22安全地流出而在水庫湖泊的堤壩上開口的砂土排出口62。此外，還必須包括使土砂排出口62開閉而使水閘門可靠動作之機構的砂土排出用水閘。用以防止砂土排出口確定未關閉時上遊的水從輔助通道32完全流失。
但是，在大量的混有堆積物的水流出時，要將該水閘可靠地關閉是有困難的。此外，即使能開閉，其開閉機構就須做成非常大。也就是說，為通過開閉水閘而將堆積成所給定深度的砂土排出，則必須構成具有至少與堆積物的深度相同水平之高度的水閘。能與該水壓相對應的結構物必定是非常巨大的。
此外，為要維持蓄水量，必須排除的堆積物22不僅僅是其水底的一部分，還應在整個大範圍內儘可能均勻地排除。
但是，在通過輔助通道32從砂土排出用的水閘使砂土流向管道30的場合，即使有可能較佳地將其水閘附近的砂土排出，也難以有效地將其他大部分的砂土排出。因而，就不能將大範圍堆積的堆積物22清除掉。
為了解決這樣的問題，提出了如圖6所示的、利用虹吸作用的堆積物排出系統。
排出管70形成為具有向著蓄1水場所20的水底29開口的吸入口71、以及在下遊水路20側開口的排出口78的管路。該排出管70的吸入口側的管子部73支承於作業船82上，其中間部76彎曲成通過作業水位21上面，用以越過堤壩25。
通過用強力的水中泵84將水灌滿於排水管70內就可產生虹吸作用。另外，為了使虹吸作用停止，可將設於排出管70的彎曲中間部76的最上部的空氣閥77打開，將中斷用的空氣放入排出管70即可。
因而，在排出管70的前端部的吸入口71附近的管路就成為大致垂直配置的直管部72。該直管部72做成可自由伸縮而能調節從水面21至湖底29的距離。
在排出管70上形成可彎折部74。排出管70的吸入口71可以可彎折部74為中心向水平方向轉動。為了使吸入口71轉動而將支承吸入口71側部的作業船移動。通過作業船的移動就能使吸入口71作圓弧形移動。設有浮子75，用以使排水管70浮於水面上。
在上述的傳統的堆積物排出系統中，將排出管70形成為越過堤壩25。因此，靠虹吸作用的排出自然是有限的。在固液體混合相的流動中，若流速降到一定的速度以下，就會發生固體的分離沉降。例如，在固體的容積比為1％的條件下約為2.5米/秒左右。在該流速時，因堆積物堵塞了管路而不實用。為了解決此問題，在過去是附加具有大吐出力的裝置、例如用水中泵84加以噴射流。也就是說，需要有通過具有高輸出壓力功能的裝置來保持排出管70內的滿管水路。這裡，所謂滿管水路的意思是水流充滿管路的整個截面流動、而沒有自由水面的管路。
在傳統的堆積物排出系統中，需要有水中泵84等高輸出壓力功能的裝置。因此，管路的結構複雜，就成為不是以虹吸作用為主體的機構了。因此存在堆積物排出系統的初期成本和運行成本都很高的問題。
此外，為了使排出管70越過堤壩，排出管70在其中間部處必須向上彎折。排出管70至少要在3處彎成有大彎曲的形狀，從而使管內阻力增大。通過排出管70內的堆積物在彎折部分處發生分離堆積而將該管路堵塞。此外，還存在正因為管內阻力而使排出管70的總長不能做得很長的問題。
本
發明內容
本發明的目的在於提供一種採用簡單的結構和操作就能高效率地將堆積物排出的堆積物排出系統。
本發明的另一目的在於提供一種可防止管道阻塞而能高效率地將堆積物排出的堆積物排出系統。
此外，本發明的目的還在於提供一種採用上述堆積物排出系統而可高效率地排出堆積物的堆積物排出方法。
為了達到上述目的，本發明具有如下的結構。
即，堆積物排出系統具有向著堆積堆積物的蓄水場所的水底面開口的吸入口，從該吸入口向上延伸的直管部，以及與該直管部相連通、又在上述蓄水場所的下遊側開口的排出口，其特點是，設有將上述堆積物與水流一起從上述蓄水場所向上述下遊側排出的排出管，設有具備可將位於上述排出管的上述蓄水場所內的所有的主管子部吊掛成浸沒在水中的狀態，同時又使上述吸入口上下運動的上下運動機構的吊車裝置，以及在上述排出管上設有通過開閉動作而控制向該排出管導入、排出空氣的空氣閥，並且，上述排出管設置成在排出上述堆積物時為通到比上述蓄1水場所的水位低的位置而貫通上述蓄水場所的堤壩。
採用本發明的堆積物排出系統，就可通過作為升降裝置的吊車的功能將排出管的整個主管子部都吊掛成向作業水位下方的沒在水中的狀態。因此，就能成為作為在排出管的管路內充滿了水流的良好流動狀態的滿管水路。也就是說，通過升降裝置的上、下運動功能，就能使排出管的管路內的水流的流動情況較佳。
在上述的堆積物排出系統中，也可以在上述上下運動機構中設置對上述吸入口上下運動循環進行調節的循環調整裝置。在此場合，若發生有脈動流及塞狀流，則就能容易地進行調整，故可用簡單的結構和操作來防止管內堵塞。並且還能高效率地排出固液二相流。
在上述堆積物的排出系統中，也可具有在上述吸入口附近、一端部軸接、另一端部可上下轉動的轉臂部件，軸接於上述轉臂部件的中間部、保持上下方向的姿態、同時可相對於該轉臂部件轉動的支承部件，以及軸接於上述轉臂部件的上述另一端部、在水中保持上下方向的姿態的同時連接到上述上下運動機構、並通過相對於該轉臂轉動而前端可擾亂上述堆積物的鑿刀。採用這種結構能高效率地排出固液二相流。
在上述堆積物排出系統中，上述排出管的主管子部也可設置成其中間部分可在水平面內可彎曲安裝，採用這種結構，可在蓄水場所的整個廣泛範圍中排出堆積物。
在上述堆積物排出系統中，上述的排出管插通於上述堤壩處開口的堤壩孔部，同時又可在該堤壩孔部內沿長度方向移動，在上述堤壩孔部附近也可設置承受上述排出管的移動的支承部件。採用此結構，能夠不降低堆積物的吐出效率，並在整個廣泛範圍中排出堆積物。
在上述堆積物排出系統中，上述堤壩與上述排出管之間也可用由注入空氣而壓接的氣囊狀的密封部件來做成水密密封狀態。在此場合，排出管可進退，同時容易水密密封且密封牢固。
此外，本發明的堆積物排出方法的特點是，設有上述堆積物排出系統，通過上述升降裝置來使上述吸入口以所給定的循環方式上下運動而生成脈動吸入流的脈動流，並使上述吸引口相對於上述底面以上述所給定的循環方式接近、離開，得到粒狀物等的個體高濃度混合的流動與低濃度混合的流動交互發生的塞狀流。
採用這種堆積物排出方法可更加提高堆積物的吸入力，能高效率地將砂土排出去。
在上述堆積物排出方法中，上述吸入口的下降運動也可以是自由下落運動。若使吸入口上下運動，則因該上下運動而形成的脈動流及塞狀流的作用相加，能利用地面效應。此試驗結果示於
圖11中。也就是說，可得到4.8倍的排出效率。
本發明的其他堆積物排出方法的特點是，設有上述堆積物排出系統，上述主管子部與上述直管部的連接部分由上述吊車裝置吊掛成比上述排出管的上述堤壩孔部插通部分高的狀態，將主管子部傾斜成使砂土不堆積在排出管內。在此方法中，可將排出管較佳地配置在水力梯度以下的位置處，配管不會堵塞，能高效率地排出砂土。另外，本發明的另一堆積物排放方法的特點是，設有上述堆積物排出系統，上述主管子部與上述直管部的連接部分由上述吊車裝置掛成在上述水位以下的浸沒在水中的狀態，通過開閉上述空氣閥來從上述排氣管中抽除空氣，得到虹吸作用。
在此場合，能以簡單的結構和操作方便地利用滿管水路的作用或虹吸作用，可適當地排出砂土。
採用本發明中的堆積物排出方法，可使排出管的主管子部適當地傾斜，能適當地利用水頭差的能量。另外，通過使直管部上下運動，極力地生成脈動流及塞狀流而加強直管部內紊流的向心作用，使固體與管壁內面不接觸，就能顯著地起到能將堆積物作為固液二相流而高效率排出的效果。
附圖的簡單說明圖1為說明本發明的堆積物排出系統的一個實施例的剖面圖，圖2為說明將圖1的系統應用於其他場所之狀態的剖面圖，圖3為說明圖1系統的排出管的堤壩孔部處的固定狀態的剖面圖，圖4為說明另一實施例的堆積物排出系統的剖面圖，圖5為表示大型水庫中的管道結構的立體圖，圖6A和圖6B為表示堤壩的另一例的剖面圖，
圖7A和圖7B為表示堤壩的另一例的剖面圖。
圖8為表示吸入口之一例的側剖面圖，圖9A-圖9D為說明圖8的吸入口之動作狀態的側剖面圖，圖10為說明試驗裝置之概況的說明圖，圖11為說明試驗結果之概況的說明圖，圖12為說明傳統的堆積物排出系統的剖面圖。
實施形態以下參照附圖具體闡述本發明的較佳實施形態。圖1為說明本發明的水庫湖泊等的堆積物排出系統的一實施例的剖面圖。表示出該系統應用於大型水庫的狀態。
排出管10系由吸入口12、直管部13、主管子部14和吐出口18所組成。吸入口12向著堆積有砂土等的堆積物22水庫湖泊的蓄水場所20的水底29開口。直管部13從吸入口12沿鉛垂方向延伸、吐出口18與作為處在蓄水場所20的下遊側的下遊水路的管道30相連。主管子部14與直管部13和吐出口18相連。採用該排出管10，可通過加有水頭落差的滿管水路和虹吸作用將堆積物22與水流一起從蓄水場所20排向管道30。
如圖5所示，管道30系大型水庫中用於排出堆積物的排水道。
排出管10的固定部設置於形成於輔助通道32的堤壩孔部24上。而排出管10的吐出口18則設置於輔助通道32的下部以得到充分的水頭落差。
管道30的整個長度上適當地配置1個以上的輔助通道32。因此，能將處於蓄水場所20的湖底的堆積物22高效率地吐出。
吐出口18在使含有所給定大小的小石頭的固體成分的平均體積濃度為8％的混合水流(以下稱為「固液二相流」)向下流動的場合，與作為上遊側的蓄水場所20的水位21的落差保持為5m以上者為佳。
在固液二相流流過的場合，固體與排出管10的內壁實際上並不接觸而不使流道阻力增大的紊流狀態速度為3.8米/秒以上。因此，水頭落差在配有排出管10為5米以上、且即使扣除水頭損失也希望保持3.8米/秒以上的流速的狀態。同時，可考慮到平均體積濃度、排出管10的管路長度、彎管部分處的水頭損失等來設計總水頭。
為了要較佳地得到滿管水路或虹吸作用，採用例如將吐出口18的附近部位放成設在水中的狀態，或做成下側凸出的彎管狀態而不致發生空氣從吐出口18倒流的結構。在圖2中，在下遊側處設有小壩34，示出了將吐出口確實地放成設在水中狀態的例子。並且，由小壩34所貯留的水作為水墊部35起到較好的作用，同時與裝於吐出口18的閥18a協同工作而使管內的脈動流有效地繼續下去。若空氣從吐出口18倒流，管路內上部方向處有空氣慢慢地進入，使管路內含有固液二相流的水流成為非滿水的開水路狀的水流。結果，由於在管路內的水深變淺，因固體與管壁內面的接觸而引起的管子摩擦變大，繼續流動就變得困難。因而，為使管路內以充滿水的狀態繼續流動，如上所述，做成使吐出口18呈浸沒在水中的狀態等的結構即可。
此外，除了將吐出口18的附近部分做成上述那樣的下側處凸起的彎管狀態的部分以外的管路，也可做成其下側不凸起以使砂土等的固體不堆積在內部。這是因為只要管路的彎曲部為向上凸的，砂土等的固體與水流一起因重力作用而向下遊方向移動，故管路內可適當地排出而不會堆積起來。
在通過排出管10進行堆積物22的排出作業時，在堤壩25上設置堤壩孔部24；設置成使排出管10通過比蓄水場所20的作業水位21低的位置。
由於這樣來設置堤壩孔部24，至少在將上述堆積物22排出時，能夠將排出管10設置成通過比作業水位21低的位置。由此，由於將排出管10通過水壓梯度以下，故能適當地利用水頭差的能量。此外，就可容易地將排出管10的管路做成其水流充滿的良好狀態的滿管水路。
此外，關於堤壩孔部24處的排出管10的水密結構將在後面參照圖3進行闡述。
作為吊車裝置的一例的浮吊36具有能將蓄水場所20內的整個主管子部都吊掛成在作業水位21以下、沒在水中的狀態的吊車功能。
該吊車功能可將整個吸入口12側的主管子部完全浸沒在水中。主管子部14在作業時除了終止虹吸作用的場合外也可以適當地向上拉。另外，系統停止時主管子部14的一部分、例如上半部分也可放成遊出水面21的狀態。即不必將吸入口12側的主管子部14總是沒在水中。這是由於如下的理由首先，吸入口側的主管子部14在系統使用時即使並非是完全沒於水中的狀態，即使由於虹吸作用排出效率降低，也能保持排出濁流。另外，在作業水位21與吐出口18的水差較大的場合，使主管子部14適當地從水面的上方通過，這是由於必須主動地降低排出流量。
在本實施例中，將實現吊車功能的升降裝置做成由吊車37和上下運動機構(39)(參照圖10)所構成。吊車37設置在浮吊36的船上，可使主管子部14的一部分上提到作業水位21以上。在本實施例中，主管子部14的堤壩24附近及直管部13通常是沒於水中的。因此，在通常的作業中並非要整個主管子部14都上提到作業水位21以上。
在停止排出作業時，由吊車37將主管子部14的一部分向上吊到作業水位21以上，形成虹吸狀態，送入空氣，中斷此虹吸作用。但是，在此時由於流體本身的自重，固體流出情況良好，故不會引起管路的堵塞。
上下運動機構39具有可使水流較佳地在排出管10的管路內流動，使直管部13上下運動的上下運動機能。
也就是說，升降裝置具有吊車37和上述的上下運動機構39的功能。可以是如本實施例那樣吊車37和上下運動機構39相互間獨立驅動的，也可以做成共用兩者37、39的驅動裝置的一體的機構。
作為升降裝置，設有例如通過作為傳遞吊車37的上下運動之驅動力的升降運動用傳動部件的纜索來懸吊的部分的升降部、將由凸輪機構等形成上下運動的上下運動機構安裝到該升降部上而使直管部上下運動即可。直管部13也可整體地上下運動。此外，也可做成在直管部13的吸入口12附近外嵌外側筒體、使該外側筒體相對於直管部13上下運動的結構。這樣，使直管部13的一部分上下運動可節省升降用的能量。
為了要使吸入口12上下運動而將直管部13的一部分做成波紋管狀，也可將此部分做成可伸縮的方式。
此外，直管部13的例子及其上下運動所產生的效果等的詳細情況將在後面進行闡述。
可利用曲柄機構或連杆機構來作為上下運動機構。當然，還可利用電動機或壓力缸裝置來作為驅動裝置。
為了要將主管子部14做成可上下運動，還可在主管子部14的某處設置可彎折的部分。該可彎折部分可以是短區間的或者通過柔性管等設置成長區間的。另外，考慮到流體中的固體的慣性力，還可將主管子部14在上述可彎折部分懸吊成迴旋曲線形狀。也可以如圖2所示那樣通過形成為迴旋曲線的導索37b來懸吊主管子部14的上述可彎折部。這樣，上述可彎折部分就可用柔性管來構成，而使對應於吸入口12的位置變化懸吊的主管子部14可自由水平移動。
在插通有排出管10的堤壩孔部24處，將整個主管子部14支承成可上下運動並作水密密封即可。
如圖6和圖7所示，插通有排出管10的堤壩25本身的結構採用法定的水閘門結構即可。
在圖6A、圖6B所示的實施例中，堤壩65設置成可相對於基礎部65a上下滑動。圖6A中示出了為使混濁流從排出管10排出狀態而將排出管10降下來的狀態。而圖6B中示出了將配水管10向上方提升的狀態，在此狀態下能容易地停止虹吸作用。
在圖7A、圖7B所示的實施例中，堤壩65設置成可相對於基礎部66a上下轉動。圖7A中示出了為使混濁流從排出管10排出狀態而將排出管10降下來的狀態。而圖7B中示出了將堤壩66豎立起來並將配水管10向上方提升的狀態，在此狀態下能容易地停止虹吸作用。
還有，主管子部14做成在其中間部分還能向水平方向彎折的，故可在水庫湖泊的整個廣泛範圍內將堆積物排出。
採用本實施例的堆積物排出系統，能通過浮吊36的吊車37將排出管10的主管子部14懸吊成比排出管10的堤壩孔部24的附近高、且成為排出管10的最上部。由此，能使主管子部14的管路以向下的斜率傾斜，因重力而使含有堆積物的水流向下流動而流速不致降低、砂土不會堆積在排出管10內。尤其是因為均勻的向下斜率而能使砂土流順暢地向下流動。因此，排出管10的管路不致阻塞，可高效率地將堆積物22排出。
空氣閥40設置在吸入口側的管部14上、設置成可開閉，以實現形成虹吸作用和中斷虹吸作用。因而，空氣閥40配設在主管子部14內的空氣及水蒸氣可進出的位置處。
為產生虹吸作用，通過浮吊36的吊車37將排出管10的主管子部14懸吊成打開空氣閥40而浸沒到作業水位21以下的狀態。在空氣從管內排出的時刻將空氣閥40關閉即可。由此，能容易地將空氣從排出管10抽除，能容易地得到虹吸作用。在此場合，無需泵等特別的裝置，通過吊車37和空氣閥40那麼簡單的結構以及簡單的操作就能適當地將推積物排出。因而能降低設備費用和運行保養費用。
以下根據圖3來說明堤壩孔部24中的排出管10的水密密封結構。
排出管10的中間部做成大致直線狀的管子17而使排出管10能在堤壩孔部24的長度方向自由進退移動。在堤壩孔部24附近設有多個滾軸狀的支承部件42，用以滑動支承排出管10的移動。也就是說，在排出管10的底部和密封部件50的接觸部處配設著由支承於堤壩25的壩體44上的多個滾軸狀的支承部件所組成的滾軸支承部45。藉由該滾軸支承部，排出管10可光滑地作橫向移動。
在本實施例中，即使對大型水庫湖泊也能在整個更廣泛的範圍內排出堆積物而不會降低堆積物的吐出效率。
此外，為了能夠使吐出口18與主管子部14的移動相連動並沿管長方向和上下自由移動，將輔助通道32的內部空間做成十分寬闊。
密封部件50例如用橡膠材料做成氣囊形狀。該密封部件50介於堤壩中24內壁面與排出管10外壁面之間，其內部注入空氣而向兩壁壓接。由此可容易且牢固地在堤壩孔部24與排出管10兩者之間進行水密密封。並且還能牢固地支承固定排出管10。若將密封部件50的內部空氣抽除，就能將排出管10沿長度方向移動。由於是通過具有柔軟性的密封部件來固定排出管10的，故即使在固定狀態也能稍稍作移動。因而，排出管10就能在堤壩孔部24中上下左右移動。
構成水閘的堤壩孔部24系由水閘門板52、以及設置於堤壩25上並開口的開口溝部53(參見圖1)所組成。水閘門板52配設成可上下運動，成為可由動力來上下驅動而將堤壩孔部24開閉的狀態。
將作為水閘門板52的上部門扇降下，夾住插通的排出管10，就能將該排出管10固定在堤壩孔部24上。並且，若將水閘門板52上升，則就能移動排出管10。
本實施例中在確定吸入口12的位置時，使堤壩孔部24的上下配置的空氣囊形狀的密封部件50膨脹而有阻塞功能。因此，就能適當地固定排出管10的位置且可獲得適當的水密密封性能。
可是，在水閘門的操作在水位調整等管理方面有問題的場合，也可將滾軸的支承部45配置在滿水水位以上的位置處。不過，在此場合，排出管10的管內的流動要越過堤壩25，就成為具有通過水麵以上管路的虹吸管了。因此，要保持這種狀態下的流動，就必須在管路中間設置水中泵，或者在吐出口18處設置水中放電部，或者設置具有斷流閥功能的空氣倒流阻上部。此外，為要主動地停止虹吸作用，如圖6及圖7所示，將排出管10的管路主動地移動到堤壩的上方即可。
接著說明本實施例水庫湖泊的堆積物排出系統的動作。
首先，空氣閥40系兼作流水閥和阻斷用氣吸入口的閥件，在排出管10處於浸沒在水中狀態的場合，因有水位差，故管內水在流動，該管路內容易成為滿流狀態。
然後，藉由水面以上4米以內時的虹吸作用，在形成濁流排出時關閉吐出口18的閥門，可從空氣閥40將管內空氣排出流入水，在排出管內注水達90％以上後的2-3秒鐘左右的時間裡再將吐出口18的閥打開即可。
排出管10的管路內為滿流狀態、且為在水力梯度以下的配管狀態下、在流速為3.8米/秒以上的時刻將吸入口12上下振動並相對於堆積物22的表面接近、離開。
最好在流速為3.8米/秒以上的穩定狀態下使吸入口12接近、離開水底，使其生成固液二相流，將水底的堆積物22向下遊吐出。
在吸入口12下降的過程中，由於隨著趨向於發生於吸入口12以下處的負壓部的環境渦旋的吸入而形成螺旋層。它生成半徑方向的流入運動，在渦旋中心附近成為上升流，將礫石往上抽吸。此外，地面效應強化了渦旋，再給螺旋層增加了渦度。因此，藉由將渦旋完全引向地面的接近水流吸入活性化的堆積物22而送向排出管10的管路內。此時，堆積物22與水底面分離而成為固液二相流的狀態。從吸入口12進入管路內的濁流流速可確保在3.0米/秒以上、最好在吸入口12處的流速在3.8米/秒以上即可。若在該條件下將堆積物22上升的直管部13保持鉛垂方向，就可將直至吸入口12的直徑之70％左右大小的固體吸上並排出。
由於吸入堆積物22時的直管部13的上下運動而使直管部13內的所吸引的水流成為脈動流，並生成由固體濃度高的部分和低的部分組成的塞狀流。
如採用該脈動流，由於它形成振動，故能防止堆積物堆積在排出管10內。也就是說，振動能量起著潤滑劑那樣的作用而使堆積物滑順地流動。
如採用塞狀流，可在固體濃度低的水流部分產生衝洗流動作用，能防止堆積物附著、堆積在排出管10內。
這樣，由於脈動流及塞狀流的作用，堆積物可適當地吸出並流走，故能較佳地防止管內堆積。能防止排出管10的堵塞，就能高效率地排出固液二相流。
在吸入口12下降與水底面29接近時，兩者的間隔狹小，流動會停止下來。因此，與吸入流量降低成反比，吸入力及流速加大，將堆積物22卷上。另一方面，在將吸入口12向上提到離水底面29給定間隔時，因水位差所形成的流量恢復，被一下子卷上的堆積物22伴隨著水流在排出管10內吸向排出方向。因此，形成脈動流及塞狀流，可適當地將含有堆積物22的固液二相流排出。
此外，由於在上下運動機構39上設有調節直管部13的上下運動循環的循環調節裝置39c，故一旦形成了脈動流及塞狀流，就可容易地調整固液二相流中固體成分的體積濃度。可用簡單的結構和操作來防止管內堵塞，並能高效率地將固液二相流排出。循環調節裝置39c可用例如凸輪和電動機來構成。
在圖8中，在直管部13的前端部的吸入口12附近軸接有轉臂部件54而使其前端側可上下轉動。轉臂部件54的中間部位處設有支承部件55，做成可保持水中上下方向的姿態並可相對於轉臂部件54轉動。在轉臂部件54的端部設有其前端可將水庫湖泊等的水底面之堆積物活性化成為攪亂狀態的鑿刀56。在鑿刀56上連接有升降裝置的纜索等的升降運動用動力傳遞部件37a。藉由這一結構能高效率地排出固液二相流。
以下根據圖9A-圖9D來說明鑿刀56的動作。
首先，如圖9所示，由纜索37a將鑿刀56向上提升到上死點為止，吸入口12停止在a點的高度位置上。
其次，如圖9B所示，伴隨著直管部13的下降，鑿刀56也下降，吸入口如箭頭6所示自由下落。
如圖9C所示，直管部13的吸入口12一接觸到作為水底面的湖底29後，由於地面效應而將濃度高的固液二相流向上引。此時，吸入口12位於水底面29的高度位置。
再如圖9D所示，將鑿刀56上提，則回到圖9C所示的狀態，以此原理直管部13的吸入口12撞到水底面29(箭頭e)，再次因地面效應而將固液二相流上引。另外，在圖9C的直管部13內所畫的虛線部分表示當吸入口12再次接觸水底面29時、在吸入口12最初接觸水底面29時所吸上的濃度高的固液二相流的位置。
再以圖9B所示的狀態將鑿刀56向箭頭f方向上提，回到圖9A所示的上死點。
通過不斷重複以上的動作，就能適當地形成脈動流及塞狀流，可高效地排出固液二相流。另外，由於將上述的上下運動循環取為給定的定常循環，故如圖8所示，固液二相流的高濃度部分斷斷續續地以幾乎相等的間隔出現。其結果形成適當的脈動流和塞狀流，可較好地排出固液二相流。
下面根據圖10和圖11來說明該實驗結果。
圖10表示實驗裝置的概況。實驗裝置包括主水槽57，其排出口58設於主水槽57的側壁，並且有鉛垂配設以使其吸入口12朝向水底面的直管部13的排出管10，上下運動裝置39，以及儲存所排出的水和砂土的儲砂槽。假定相當於堆積物的砂土68的堆積水底面的水深約為3米。更具體地說，構築左右約7米、前後約5m、高約5m的主水槽，儲存大約150m3的水，堆積大約50m3的砂土68。
本實驗的條件假設為排出口58離水面21的落差、即水位差H固定為1.65米，排出管10的全長為8米，管徑D為0.15米。另外，假設具有圖8和9中所示的鑿刀56的直管部13的上下振幅W為20釐米，以每分鐘30次的循環上下振動。在本實驗中，用纜索37a通過滑輪38來懸吊直管部13，並由於直管部13等的自重而自由下落。上下運動機構因系由電動機39a驅動的凸輪機構39b構成，故下降速度要比上升速度還要快得多。
假定吸上來的砂土68為含有直徑在50毫米以下的礫石的、直徑在30毫米以下的砂土的體積比為50％的粒度分布的砂土。另外，由於直管部13的下降速度要比上升速度快得多，故鉛垂管內的紊流被大大地活性化了。根據預備實驗，可以順暢地吸上並排出直徑為管徑之70％(短徑方向)的礫石。具體地說，對於直徑為200毫米的管子，吸上並排出了短徑為其70％，投影面積為49％的天然礫石(橢圓迴轉體形狀礫石)。但是，為了使實驗條件規範化，如前所述，在本實驗中假設條件為含有管徑之1/3以下的礫石。
排出管10在不從水面露出的沒在水中的狀態下作上下運動。在本實驗中，假設為包括吸入口12附近的整個直管部13作上下運動。如圖10所示，內管和外管形成為雙重結構，它最好是裝上爪鉤和鑿刀，而不是做成外管相對於內管上下作運動的。
其結果，就能適當地利用由於吸入口12的上下運動所引起的脈動流和塞狀流的作用以及地面效應。如圖11所示，結果就可得到4.8倍左右的排出效率。
圖11表示在上實驗裝置中，在塞狀流狀態上附加了脈動流時的上述固體的濃度與平均流量的關係。X軸取為固液二相流的平均流量(米3/分鐘)，Y軸取為上述的固體濃度(％)。由於管徑設定為一定，故上述平均流量與排出流速成正比關係。
在此實驗中，由於是水位差保持一定而進行實驗的，故固體濃度上升則平均流量降低。在圖11上，圓點所示為在上述條件下使吸入口12上下運動、產生並附加了上述脈動流的場合的實驗值的圖示，方點所示為吸入口12保持靜止、僅因水位差而排出固液二相流場合的實驗值的圖示。
由此結果，可引出表示附加了上述脈動流場合的相互關係的S線和表示僅有水位差之場合的相互關係的T線。此外，在僅有水位差的場合，在流量為2.7m3/分鐘處，固液二相流停流，故T不在此點處中斷。也就是說，在僅有水位差的場合，不能排出濃度高的固液二相流，同時，流量低，則排出流的流動本身也不能保持。
與此相反，在附加有上述脈動流的場合，即使為極低流量、例如在2.25m3/分鐘附近也能維持排出流動，還能排出極高濃度的固液二相流。其排出效率之差別如同從S和T線的斜度所說明的那樣，約為4.5倍左右。此外，作為能保持排出流的範圍的最大值的比較則為5.6倍左右。也就是說，證明了脈動流的效果是極高的。
由於在以上的實驗例中管徑為0.15米和較小的直徑，故上下運動的振幅距離取為0.2米。但是，振幅距離由於在實際現場上管徑大型化或其他條件有變化，故可相應於其條件適當地設定即可。例如在管逕取為2倍左右的場合，其振幅距離也取2倍左右即可。
若在中途向下遊方向吹出水蒸氣的微粒，水蒸汽泡破滅時的衝擊波會給流體加上能量。同時，由於紊流渦的活性化，能再使升力增大。此外，還由於管內壁的共振現象，可得到減輕摩擦阻力值的效果。
吸入口12取決於設置場所的條件以及排出管10的直徑，但對本實施例那樣的大型水庫而言，只要能從堤壩孔部24起20米-200米左右的範圍內沿長度方向A平面移動即可。為要使吸入口12作平面移動而只要移動浮帶36即可。此外，吸入口12的上下方向位置由可吊車37在現場能適用的範圍內沿鉛垂方向B移動。例如，在本實施例中，可在水面下3米-100米左右的很大的可能範圍中使其移動。
堤壩孔部24以及與吊車37相連接部分之間的排出管10的高度位置用在中途所設的浮子來調整，並採用一定下傾的配管。因而可適當地利用重力而能將含有堆積物的水流適當地排出。
如前所述，本實施形態的排出管10可在堤壩孔部24處沿長度方向自由進退移動。因而，作為排出管10之固定部的堤壩孔部24、以及由使排出管10上下運動的吊車37上所懸吊的部分之間的管路長度的變化可用排出管10的固定部和吐出口18之間的長度變化來相對應。藉助於吊車37往往就能容易地將排出管10的位置移動到吸入堆積物22的最佳位置處。
排出管10的總長度為管路阻力所允許的長度，例如在本實施例那樣的水庫湖泊中以200米長為標準。
在將排出管10加長的場合，可做成雙重管結構，使內側管滑動來調節長度。
作為具有上述的滑動內管的排出管10，如圖4所示，也可將外管10a的直逕取為內管10b的大約2倍左右而僅使水流下。在此場合使從合流部以下的固液二相流濃度下降，就能容易地流出。也就是說，若如箭頭所示使通過外管10a內和內管10b內的流動合流，則吸引內管的水而加強流送力。
此時，例如在雙重管部使通過外管10a內的水量取為內管10b的大約3倍以上、或者將內管10a內的流速設定為內管流速+2.0米/秒以上，就能在合流部得到適當的吸引力。此外，合流後的固體濃度稀釋到1/4以下，有利於減輕對下遊生態系的影響。
若外管10a的流速為大約3.0米/秒以上，則由於紊流的旋渦的作用，內管10b被保持在外管10a中央，內管10b就容易移動。
此外，在如圖4所示的實施例中，在排出管內水不流動的場合，如雙點劃線所示，將外管10a的上遊側的開口放在作業水位21的水面以上即可。
如前所述，藉由浮吊36的上下運動機構39可使吸入口12和雙重結構的外管沿鉛垂方向上下運動，並相對於水底面29接近、離開。其結果就能較佳地得到脈動的塞狀流狀態的吸入流，可使吸入力進一步提高，可高效率地排出堆積物。若採用吊車37，則可不要複雜的機構，但如前所述，也可專門設計僅僅產生上下運動的機構。
中斷或終止固液二相流的流動時，將排出管10的彎曲部放在水上面，將空氣從空氣閥40注入來中斷虹吸作用。
但是，也可在吸入口12處設置僅讓其短徑為排出管10之內徑的70％以下的固體流入的突起爪鉤或格子，以防管路中間堵塞。吸入口的爪鉤12a(參見圖9)等將水底面攪亂，對於形成紊流也有良好的作用。
此外，為使排出管10的磨損部不致偏斜，也可將排出管10做成有可旋轉的連接部的結構。又由於要使流動不偏斜而將排出管10做成柔軟結構，可設置橡膠等製成的連接裝置。在此場合，若使用金屬制的排出管10，則可減輕由堆積物所造成的磨損。
以上的實施例是表示應用於大型水庫的場合，但對於包括小型水庫、水池、天然湖泊在內的所有蓄水場所無疑也都能很好地應用。
使直管部13上下運動、使吸入口12接近、離開水底面而形成的脈動流、塞狀流以及地面效應均與排出管10的位置無關。因此，即使是排出管10處於比作業水位21高的位置、例如在越過水庫湖泊等的堤壩上方的場合，也能高效率地排出固液二相流。
以通過列舉了較佳的實施例對本發明作了種種說明，但本發明並不僅限於這些實施例，在不脫離本發明精神實質的範圍內還可實施多種變化。
權利要求
1.一種堆積物排出系統，具有向著堆積堆積物(22)的蓄水場所的水底面(29)開口的吸入口(12)，從所述吸入口(12)向上延伸的直管部(13)，以及與所述直管部(13)相連通、又在所述蓄水場所的下遊側開口的排出口(18)，其特徵在於，設有將所述堆積物(22)與水流一起從所述蓄水場所向所述下遊側排出的排出管(10)，具有可將位於所述排出管(10)的所述蓄水場所內的整個主管子部(14)吊掛成浸沒在水中的狀態、同時又使所述吸入口(12)上下運動的上下運動機構的吊車裝置(36)，以及在所述排出管(10)上設有通過開閉動作而控制向所述排出管(10)導入、排出空氣的空氣閥(40)，並且，所述排出管(10)設置成在排出所述堆積物(22)時為通到比所述蓄水場所的水位(21)低的位置而貫通所述蓄水場所的堤壩(25)。
2.如權利要求1所述的堆積物排出系統，其特徵在於，在所述上下運動機構(39)上設有對所述吸入口(12)的上下運動循環進行調節的循環調節裝置(39a)。
3.如權利要求1和2所述的堆積物排出系統，其特徵在於，具有在所述吸入口(12)的附近、一端部軸接、另一端部可上下轉動的轉臂部件(54)，在所述轉臂部件(54)的中間部處軸接而保持上下方向的姿態、同時又可相對於所述轉臂部件(54)轉動的支點部件(55)，以及在所述轉臂部件(54)的所述另一端部處軸接、在水中保持上下方向姿態的同時通過連接到所述上下運動機構(39)、相對於所述轉臂部件(54)轉動而其前端可將所述堆積物(22)攪亂的鑿刀。
4.如權利要求1、2和3所述的堆積物排出系統，其特徵在於，所述排出管(10)的所述主管子部(14)設置成在其中間部可在水平面內彎曲。
5.如權利要求1、2、3和4所述的堆積物排出系統，其特徵在於，所述排出管(10)插通所述堤壩(25)上開口的堤壩孔部(24)、同時可在所述堤壩孔部(24)的近傍處設有可滑動的承受所述排出管的移動的支承部件(42)。
6.如權利要求1、2、3、4和5所述的堆積物排出系統，其特徵在於，所述堤壩孔部(25)與所述排出管(10)之間通過由注入空氣壓接的氣囊狀的密封部件來水密密封。
7.一種堆積物排出方法，其特徵在於，設有堆積物排出系統，所述堆積物排出系統具有向著堆積堆積物(22)的蓄水場所的水底面(29)開口的吸入口(12)，從所述吸入口(12)向上延伸的直管部(13)，以及與所述直管部(13)相連通、又在所述蓄水場所的下遊側開口的排出口(18)，並設有將所述堆積物(22)與從所述蓄水場所向所述下遊側的水流一起排出的排出管(10)，具有可將位於所述排出管(10)的所述蓄水場所內的整個主管子部(14)吊掛成浸沒在水中的狀態、同時又使所述吸入口(12)上下運動的上下運動機構的吊車裝置(36)，以及在所述排出管(10)上通過開閉動作而控制向所述排出管(10)導入、排出空氣的空氣閥(40)，所述排出管(10)設成在排出所述堆積物(22)時為通到比所述蓄水場所的水位(21)低的位置而貫通所述蓄水場所的堤壩(25)通過所述升降裝置(39)而使所述吸入口(12)用給定的循環方式上下運動從而生成脈動吸入流的脈動流，並且，使所述吸引口(12)相對於所述底面(29)以所述給定的循環方式接近離開、而得到交互生成粒狀物等的固體高濃度混合流與低濃度混合流的塞狀流。
8.如權利要求7所述的堆積物排出方法，其特徵在於，所述吸入口(12)的下降運動系自由下落。
9.一種堆積物排出方法，其特徵在於，設有堆積物排出系統，所述堆積物排出系統具有向著堆積堆積物(22)的蓄水場所的水底面(29)開口的吸入口(12)，從所述吸入口(12)向上延伸的直管部(13)，以及與所述直管部(13)相連通、又在所述蓄水場所的下遊側開口的排出口(18)，並設有將所述堆積物(22)與從所述蓄水場所向所述下遊側的水流一起排出的排出管(10)，具有可將位於所述排出管(10)的所述蓄水場所內的整個主管子部(14)吊掛成浸沒在水中的狀態、同時又使所述吸入口(12)上下運動的上下運動機構的吊車裝置(36)，以及在所述排出管(10)上通過開閉動作而控制向所述排出管(10)導入、排出空氣的空氣閥(40)，所述排出管(10)設成在排出所述堆積物(22)時為通到比所述蓄水場所的水位(21)低的位置而貫通所述蓄水場所的堤壩(25)，通過所述吊車裝置(36)將所述主管子部(14)與所述直管部(13)的連接部分吊掛成比所述排出管(10)的所述堤壩孔部(24)插通部分高，並且使主管子部(10)傾斜成砂土不堆積在排出管(10)內。
10.一種堆積物排出方法，其特徵在於，設有堆積物排出系統，所述堆積物排出系統具有向著堆積堆積物(22)的蓄水場所的水底面(29)開口的吸入口(12)，從所述吸入口(12)向上延伸的直管部(13)，以及與所述直管部(13)相連通、又在所述蓄水場所的下遊側開口的排出口(18)，並設有將所述堆積物(22)與從所述蓄水場所向所述下遊側的水流一起排出的排出管(10)，具有可將位於所述排出管(10)的所述蓄水場所內的整個主管子部(14)吊掛成浸沒在水中的狀態、同時又使所述吸入口(12)上下運動的上下運動機構(39)的吊車裝置(36)，以及在所述排出管(10)上通過開閉動作而控制向所述排出管(10)導入、排出空氣的空氣閥(40)，所述排出管(10)設成在排出所述堆積物(22)時為通到比所述蓄水場所的水位(21)低的位置而貫通所述蓄水場所的堤壩(25)，通過所述吊車裝置(36)將所述主管子部(14)與所述直管部(13)的連接部分吊掛成比所述水位(21)低的浸沒在水中的狀態，並通過所述空氣閥的開閉將空氣從所述排出管(10)中抽除，而獲得虹吸作用。
全文摘要
本發明構成堆積物排出系統的排出管(10)，具有向著水底面(29)開口的吸入口(12)，從該吸入口(12)向上延伸的直管部(13)，以及與該直管部(13)相連通、又在上述蓄水場所的下遊側開口的排出口(18)，它使堆積物(22)與水流一起排出。吊車裝置(36)可使位於排出管(10)的蓄水場所內的整個主管子部(14)吊掛成浸沒在水中的狀態，同時又具有使吸入口(12)上下運動的上下運動機構(39)。空氣閥(40)設置在排出管(10)上，通過開閉的動作來控制向排出管(10)的空氣的導入、排出。排出管(10)設置成貫通比排出堆積物(22)時蓄水場所的水位(21)低的位置處的蓄水場所的堤壩(25)。
文檔編號E02B8/00GK1409790SQ00816979
公開日2003年4月9日 申請日期2000年10月2日 優先權日1999年12月9日
發明者土屋良明, 涉谷扔州 申請人:由信州大學校長代表的日本國, 吉川建設株式會社