JP4223035B2 - 揚水装置 - Google Patents

Description

本発明は、揚水装置に関する。

地盤の強度増加や施工性の改善のために、揚水装置を用いて地下水を揚水して地下水位を低下させることが行われている。

地下水位低下工法として、止水壁に囲まれた地盤にストレーナ管を埋設し、内部を排水することで間隙水圧を低下させるディープウェル工法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ディープウェル工法では、地下水を内部に浸透するストレーナ部を有するストレーナ管を埋設し、このストレーナ管内に排水ポンプを取り付け、内外の水位差を利用して排水する。また、バキューム装置を備え、ストレーナ管内の空気を強制排気することにより、地下水位の更なる低下を図ったバキュームディープウェル工法も知られている。

バキュームディープウェル工法では、地下水位がストレーナ管のストレーナ部の上端よりも下に下がると、ストレーナ管内に空気が流入し、バキューム効果が低下してしまう。また空気が流入しないようにストレーナ部の上端を低い位置に設けると、ストレーナ部が短くなり集水面積が縮小されて、集水能力が低下してしまう。

これに対して、ストレーナ部１０１から流入する空気を分離して集水能力を低下させずにバキューム効果を維持する工法として、スーパーウェルポイント工法がある（例えば、特許文献２参照）。スーパーウェルポイント工法は、下部にストレーナ部を設けたストレーナ管を地盤に埋設するとともに、ストレーナ管の外周部と地盤との間に透水性のフィルターサンドを埋設し、バキューム装置によりストレーナ管内の空気を強制排気するともに、ストレーナ管内に浸透した地下水を排水ポンプで排水するものである。

特開平１０−１３１２０２号公報 特許第３２４３５０１号明細書

ところで、従来の地下水位低下工法は、砂礫地盤等の帯水層からの揚水に適用されていたが、透水係数が低い粘性土地盤では地下水の浸透量が少なく、効率が悪かった。

本発明の課題は、透水係数が低い粘性土地盤からの効率のよい揚水を可能とする揚水装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
下端に透水性のストレーナ部を有し粘性土地盤に埋設されるストレーナ管と、
前記ストレーナ管の外周に形成されるフィルターと、
前記ストレーナ管内を排気することにより前記フィルターを透過して前記ストレーナ部から前記ストレーナ管内に地下水を流入させる真空ポンプと、
前記ストレーナ管内に配置された排水ポンプにより前記ストレーナ管内に流入した地下水を地上に排水する排水管と、
前記配水管に設けられた逆止弁と、
前記ストレーナ管内の気圧を計測する圧力計と、
前記ストレーナ管内の、前記排水ポンプよりも上方に設けられる下部水位計と、
前記ストレーナ管内の、前記下部水位計よりも上方に設けられる上部水位計と、
前記圧力計及び各水位計の出力に基づいて前記真空ポンプおよび排水ポンプの駆動制御を行う制御部と、を備え、
前記排水ポンプは前記ストレーナ部よりも上方に設けられ、
前記上部水位計及び下部水位計は、前記粘性土地盤の水位よりも下方に配置され、
前記上部水位計は前記ストレーナ管内で低位置となるように、前記下部水位計との間隔が小さく設定され、
前記真空ポンプは前記ストレーナ管内の気圧が所定の下限圧力より低下すると駆動停止されるとともに、前記ストレーナ管内の気圧が所定の上限圧力より上昇すると駆動開始され、
前記排水ポンプは前記ストレーナ管内の水位が前記上部水位計よりも上昇したときに駆動開始されるとともに、前記下部水位計よりも下降したときに駆動停止されることを特徴とする揚水装置である。

本発明によれば、粘性土地盤内の地下水をストレーナ部からストレーナ管内に浸透させながら、排水ポンプを間欠的に駆動することによりストレーナ管内の水を間欠的に排水するので、地下水の浸透量の多寡にかかわらず常に粘性土地盤内の地下水を排水することができる。

また、排水ポンプを間欠的に駆動することにより、排水ポンプの駆動時間を最低限とし、エネルギーコストを低減することができ、効率のよい揚水が可能である。さらに、排水管に逆止弁が設けられているので、排水ポンプを駆動停止したときに、排水管内の地下水がストレーナ管内に逆流することを防ぐことができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は透水係数が低い粘性土地盤１に埋設された揚水装置１０を示す断面図であり、図２は制御部５０による揚水装置１０の制御構成を表すブロック図である。なお、この揚水装置１０は、地下水位を低下させるために用いられる。

揚水装置１０は図１に示すように、フィルター２０と、ストレーナ管３０と、排水管４０と、制御部５０等とからなる。

フィルター２０はストレーナ管３０の外周部に埋設されており、透水性を有する。フィルター２０としては、砂利や巻線等を用いることができる。フィルター２０内には周囲の粘性土地盤１から地下水が浸透する。

ストレーナ管３０はフィルター２０の中央に埋設されている。ストレーナ管３０は、例えば、鋼管等の非透水性のものからなり、上端は遮蔽され、下部の外周部に水が通るように穴を設けたストレーナ部３１を有する。フィルター２０内の水はこのストレーナ部３１からストレーナ管３０内に吸引される。

ストレーナ管３０の上端には、吸引管３２が設けられている。吸引管３２には地上部において図１に図示しない真空ポンプ３３（図２参照）と接続されている。真空ポンプ３３は制御部５０により駆動制御される。ストレーナ管３０内部の空気は吸引管３２を介して真空ポンプ３３により排気される。

また、ストレーナ管３０の内壁面には、下部水位計３４、上部水位計３５、及び図１に図示しない圧力計３６が設けられている。下部水位計３４はストレーナ部３１及び後述する排水ポンプ４１よりも上方に設けられており、ストレーナ管３０内の水位が下部水位計３４の高さよりも下降すると、下限信号を制御部５０に出力する。上部水位計３５は下部水位計３４よりも上方に設けられており、ストレーナ管３０内の水位が上部水位計３５の高さよりも上昇すると、上限信号を制御部５０に出力する。

ここで、ストレーナ部３１から下部水位計３４までの高さをＨ１、ストレーナ部３１から上部水位計３５までの高さをＨ２、ストレーナ管３０内の水位をＷとすると、定常運転時の水位Ｗは後述するように、Ｈ１＜Ｗ＜Ｈ２の範囲に保たれる。

排水ポンプ４１は下部水位計３４よりも下方にあるので、ストレーナ管３０内の水位は常に排水ポンプ４１よりも上方に維持される。なお、水面の乱れによる誤動作を防止するために、下部水位計３４を排水ポンプ４１よりも５０ｃｍ程度かそれ以上上方に設けることが好ましい。

また、後述するように水位Ｗはなるべく低く維持することが好ましいので、上部水位計３５をなるべく低位置に設けることが好ましく、下部水位計３４の５０ｃｍ程度上方に設けることが好ましい。

圧力計３６は、ストレーナ管３０内の気圧を計測し、所定の下限圧力よりもストレーナ管３０内の気圧が低下すると、制御部５０に真空ポンプ３３の停止信号を出力する。また、圧力計３６は、所定の上限圧力よりもストレーナ管３０内の気圧が上昇すると、制御部５０に真空ポンプ３３の駆動信号を出力する。
ここで、上限圧力とフィルター２０外部の間隙水圧との圧力差による圧力水頭をＨ３、下限圧力とフィルター２０外部の間隙水圧との圧力差による圧力水頭をＨ４、ストレーナ管３０内の気圧とフィルター２０外部の間隙水圧との圧力差による圧力水頭をＨとすると、圧力水頭ＨはＨ３＜Ｈ＜Ｈ４の範囲に保たれる。

排水管４０は、ストレーナ管３０の上端を貫通して内部に挿入されており、下端に排水ポンプ４１が設けられている。排水ポンプ４１はストレーナ部３１よりも上方かつ下部水位計３４よりも下方に設けられている。排水ポンプ４１は、例えば、ポンプ本体とモーター部が一体化されたものであり、排水管４０の下端に接続されている。排水ポンプ４１は、後述する制御部５０により駆動制御される。

また、排水管４０には、ストレーナ管３０の上端よりも上方に、逆止弁４２が設けられている。逆止弁４２は、排水管４０内の地下水が地上に向かう方向に流れるときに開き、ストレーナ管３０内に向かって逆流するときに閉じる。

制御部５０は上部水位計３５、下部水位計３４、及び圧力計３６の入力に応じて、真空ポンプ３３及び排水ポンプ４１を駆動制御する。

次に、揚水装置１０により粘性土地盤１から揚水する手順について説明する。
まず、制御部５０が真空ポンプ３３の駆動を開始し、ストレーナ管３０内を減圧する。すると、ストレーナ管３０内の気圧とフィルター２０外部の間隙水圧との圧力差により、フィルター２０内の地下水がストレーナ部３１よりストレーナ管３０内に浸透し始めるとともに、粘性土地盤１からフィルター２０内に地下水が浸透し始める。ただし、粘性土地盤１の透水係数は低いため、その流量は少ない。

井戸内の圧力が所定の下限圧力よりも低下したことを圧力計３６が検出すると、圧力計３６は制御部５０に真空ポンプ３３の停止信号を出力する。停止信号が入力された制御部５０は、真空ポンプ３３を停止させる。

真空ポンプ３３を停止させてしばらくすると、ストレーナ管３０内の圧力は徐々に上昇する。井戸内の圧力が所定の上限圧力よりも上昇したことを圧力計３６が検出すると、圧力計３６は制御部５０に真空ポンプ３３の駆動信号を出力する。駆動信号が入力された制御部５０は、真空ポンプ３３を駆動させる。以上により、ストレーナ管３０内の圧力水頭ＨはＨ３＜Ｈ＜Ｈ４に保たれる。

ストレーナ管３０内が減圧されていると、ストレーナ部３１からフィルター２０内の地下水がストレーナ管３０内に浸透し、ストレーナ管３０内の水位Ｗは圧力水頭Ｈに向かって徐々に上昇する。この地下水の浸透速度は圧力水頭Ｈと水位Ｗとの差に比例するため、水位Ｗはなるべく低く維持することが好ましい。

ストレーナ管３０内の水位Ｗが上部水位計３５の位置Ｈ２よりも上昇すると（図３）、上部水位計３５は上限信号を制御部５０に出力する。
上限信号を検出した制御部は、排水ポンプ４１の駆動を開始し、ストレーナ管３０内の排水を開始する。このときもフィルター２０内外の圧力差により、粘性土地盤１内の地下水は引き続きフィルター２０を透過しストレーナ部３１よりストレーナ管３０内に徐々に浸透している。しかし、ストレーナ部３１から浸透する地下水の量よりも排水ポンプ４１により排水される水量のほうが多いため、ストレーナ管３０内の水位Ｗは低下し始める。

ストレーナ管３０内の水位Ｗが下部水位計３４の位置Ｈ１よりも下降すると（図１）、下部水位計３４は下限信号を制御部５０に出力する。下限信号を検出した制御部は、排水ポンプ４１の駆動を停止し、ストレーナ管３０内の排水を中断する。このとき排水管４０内の水はストレーナ管３０内に逆流しようとするが、逆止弁４２が閉じるため、排水管４０内の水がストレーナ管３０内に逆流することを防ぐことができる。
ストレーナ管３０内の排水を中断している間もストレーナ管３０内の圧力水頭ＨはＨ３＜Ｈ＜Ｈ４に維持されているので、ストレーナ管３０内の水位Ｗは再び圧力水頭Ｈに近づくように上昇し始める。

上記制御を行うことにより、揚水が行われる。この間、ストレーナ管３０内の水位ＷはＨ１＜Ｗ＜Ｈ２に保たれ、圧力水頭ＨはＨ３＜Ｈ＜Ｈ４に維持されているので、水位Ｗは常に圧力水頭Ｈよりも低い。したがって、粘性土地盤１からフィルター２０内に浸透した地下水は常にストレーナ部３１からストレーナ管３０内に吸引される。

以上のように、水位上昇時（図３）と水位下降時（図１）との間で排水ポンプ４１を間欠的に駆動することにより、粘性土地盤１からの揚水が行われる。そして、粘性土地盤１の含水比を低下させ、強度を増加させることによって、トラフィカビリティを改善することができる。

上記の揚水装置１０によれば、ストレーナ管３０内の水位Ｗが、圧力水頭Ｈに到達する前に、排水ポンプ４１によりストレーナ管３０内の水を排水するので、地下水の浸透量の多寡にかかわらず常にストレーナ部３１から粘性土地盤１内の地下水を浸透させることができる。

また、排水ポンプ４１を間欠的に駆動するため、排水ポンプ４１の駆動時間を最低限とし、エネルギーコストを低減することができる。

さらに、排水管４０に逆止弁４２が設けられているので、排水ポンプ４１を駆動停止したときに、排水管４０内の地下水がストレーナ管３０内に逆流することを防ぐことができる。このため、上記の揚水装置１０を用いることで粘性土地盤１において効率よく揚水を行うことができる。

すなわち、砂礫地盤等の帯水層からの揚水では、地下水の浸透量が多いために逆流する地下水の量を無視できるが、透水係数が低い粘性土地盤では地下水の浸透量が少ないため、逆流する地下水の量を無視できない。このため、排水管４０内の地下水が逆流すると、ストレーナ管３０内の水位が上部水位計３５の位置まで急上昇し、排水ポンプ４１が不規則に脈動するおそれがある。

これを防ぐために上部水位計３５の位置を下部水位計３４に対して充分高くすることも考えられるが、地下水の浸透速度は圧力水頭Ｈと水位Ｗとの差に比例するので、上部水位計３５の位置を高くすると水位Ｗが上昇することにより地下水の浸透速度が低下し、揚水効率が低下する。

これに対して、上記の揚水装置１０では、排水管４０に逆止弁４２を設けることで、排水管４０内の地下水がストレーナ管３０内に逆流することを防いでいる。したがって、逆流した地下水によりストレーナ管３０内の水位が急上昇することを防ぎ、排水ポンプ４１が不規則に脈動することを防ぐことができる。このため、上部水位計３５を下部水位計３４の上方５０ｃｍ程度まで近接させることができ、揚水効率を向上させることができる。

なお、以上の実施形態においては揚水装置１０を粘性土地盤１の改良のために用いたが、例えば明瞭な帯水層がない地域で水を確保するために本発明を適用してもよい。

本発明の実施の形態の揚水装置１０を示す断面図である。 揚水装置１０の制御構成を表すブロック図である。 水位上昇時の揚水装置１０を示す断面図である。

符号の説明

１ 粘性土地盤
１０ 揚水装置
２０ フィルター
３０ ストレーナ管
３１ ストレーナ部
３３ 真空ポンプ
３４ 下部水位計
３５ 上部水位計
４１ 排水ポンプ
４２ 逆止弁

Claims (1)

1. 下端に透水性のストレーナ部を有し粘性土地盤に埋設されるストレーナ管と、
   前記ストレーナ管の外周に形成されるフィルターと、
   前記ストレーナ管内を排気することにより前記フィルターを透過して前記ストレーナ部から前記ストレーナ管内に地下水を流入させる真空ポンプと、
   前記ストレーナ管内に配置された排水ポンプにより前記ストレーナ管内に流入した地下水を地上に排水する排水管と、
   前記配水管に設けられた逆止弁と、
   前記ストレーナ管内の気圧を計測する圧力計と、
   前記ストレーナ管内の、前記排水ポンプよりも上方に設けられる下部水位計と、
   前記ストレーナ管内の、前記下部水位計よりも上方に設けられる上部水位計と、
   前記圧力計及び各水位計の出力に基づいて前記真空ポンプおよび排水ポンプの駆動制御を行う制御部と、を備え、
   前記排水ポンプは前記ストレーナ部よりも上方に設けられ、
   前記上部水位計及び下部水位計は、前記粘性土地盤の水位よりも下方に配置され、
   前記上部水位計は前記ストレーナ管内で低位置となるように、前記下部水位計との間隔が小さく設定され、
   前記真空ポンプは前記ストレーナ管内の気圧が所定の下限圧力より低下すると駆動停止されるとともに、前記ストレーナ管内の気圧が所定の上限圧力より上昇すると駆動開始され、
   前記排水ポンプは前記ストレーナ管内の水位が前記上部水位計よりも上昇したときに駆動開始されるとともに、前記下部水位計よりも下降したときに駆動停止されることを特徴とする揚水装置。

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