JP6331009B2

JP6331009B2 - 揚水井戸構造

Info

Publication number: JP6331009B2
Application number: JP2014076573A
Authority: JP
Inventors: 石田　道彦; 道彦石田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: JP2015197014A

Description

本発明は、地下水を揚水するための揚水井戸構造に関する。

地下水を揚水するための井戸は、飲用水に代表される生活用途をはじめ、農業用水や工業用水などの産業用途、土壌汚染調査のための観測用途、さらには地下水位低下工法などの工事用途といった様々な用途に用いられている。

このような揚水井戸は概ね、下端が帯水層に到達するように地盤に埋設された井戸管と該井戸管内に集水された地下水を揚水する揚水ポンプとで構成されるが、かかる井戸管の下端近傍は、地下水とともに粒径の小さな土粒子が井戸管内に流入しないよう、スクリーン（ストレーナとも呼ばれる）で構成してある。

スクリーンは、例えば有孔管の外周面を網巻きして構成することが可能であり、地盤に形成された掘削孔との間には、孔壁の崩落防止と砂の流入防止とを兼ねたグラベルパッキングと呼ばれる砂利充填が行われる。

かかる構成においては、粒径の大きな土粒子が主として砂利で、粒径の小さな土粒子が主としてスクリーンでそれぞれ遮断されるため、土粒子が地下水とともに井戸管内に流入するのを防止することができる。

ここで、上述の井戸を長期間使用していると、スクリーンが粒径の小さな土粒子や錆等の析出物で目詰まりし、揚水能力が低下するため、揚水ポンプを一時的に撤去した上、スクリーンを内側からワイヤーブラシや高圧水噴射で洗浄していた。

特開２０１０−２２１１３７号公報特開２００１−１９３１０６号公報

しかしながら、上述した目詰まり除去方法では、揚水ポンプを一時撤去したり、洗浄のための設備機器を吊り降ろしたりする作業が必要不可欠となるため、規模が小さな揚水井戸では、維持費用が割高になるという問題を生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、揚水時の土粒子流入を簡易な構造で防止しかつ保守することが可能な揚水井戸構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る揚水井戸構造は請求項１に記載したように、無孔管をその開放端が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で地盤に形成された掘削孔に立て込むとともに、該掘削孔の底部に積み上げる形で前記無孔管の開放端近傍であってその内部空間に第１の透水性材料を充填した揚水井戸構造であって、前記掘削孔をその底部が前記地盤内の帯水層の下面境界近傍又はそれより下方となるように形成するとともに、前記無孔管の開放端を前記帯水層の上面境界近傍より下方となるようにかつ前記第１の透水性材料の天端を前記帯水層の上面境界近傍よりも下方となるようにそれぞれ位置決めし、前記無孔管の外周面と前記掘削孔の孔壁に囲まれた環状空間であって前記帯水層の上面境界近傍以下の高さ範囲に第２の透水性材料を充填することで、揚水によって動水勾配が生じたとき、前記帯水層から前記掘削孔に流入した地下水が、前記第２の透水性材料の間隙を下降して前記無孔管の開放端を回り込むようにしてその下方から前記内部空間に流入し前記第１の透水性材料の間隙を上昇するようになっているものである。

また、本発明に係る揚水井戸構造は、前記掘削孔をその底部が前記地盤内の帯水層の下面境界より下方となるように形成するとともに、前記無孔管の開放端を前記帯水層の下面境界近傍となるように位置決めしたものである。

参考発明に係る揚水井戸構造においては、無孔管をその開放端が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で地盤に形成された掘削孔に立て込むとともに、該掘削孔の底部に積み上げる形で、無孔管の開放端近傍であってその内部空間に第１の透水性材料を充填してある。

このようにすると、揚水によって動水勾配が生じたとき、周囲の地下水は、無孔管の開放端である下端を回り込むようにして下方から無孔管の内部空間に流入した後、第１の透水性材料の間隙を上昇し、しかる後、該第１の透水性材料の天端から湧水する。

ここで、地下水に混入している土粒子のうち、比較的粒径が大きな土粒子は、自重により、あるいは第１の透水性材料と衝突することで、その間隙を介した上昇が阻止され、無孔管の内部空間には流入しない。

一方、比較的粒径が小さな土粒子は、第１の透水性材料の間隙を地下水とともに上昇し、その天端から無孔管の内部空間に流入するが、自重によって第１の透水性材料の天端に沈降する。そして、沈降した土粒子は、従来のようなスクリーンの目詰まりとは異なり、ブラッシングや高圧洗浄といった力を作用させずとも、吸引によって容易に除去できる状態となる。

したがって、第１の透水性材料の天端に沈降した土粒子を随時吸引除去するようにすれば、揚水能力を一定に維持しあるいは速やかに回復させることができる。

無孔管は、開放端である下端から地下水を流入させることができる限り、設置の仕方は任意であるが、例えば、上述の掘削孔を、その底部が地盤内の帯水層の下面境界近傍となるように形成するとともに、無孔管の開放端を該帯水層の上面境界近傍となるように位置決めした構成とすることができる。

このようにすると、第１の透水性材料が、帯水層に形成された孔壁で囲まれた円柱状空間に充填され、該円柱状空間が透水性の高い領域となって集水能力を高めるため、帯水層の孔壁を介して全方位から円柱状空間に地下水が流入しやすくなる。

本発明に係る揚水井戸構造においては、上述の掘削孔を、その底部が地盤内の帯水層の下面境界近傍又はそれより下方となるように形成するとともに、無孔管の開放端を帯水層の上面境界近傍より下方となるようにかつ第１の透水性材料の天端を帯水層の上面境界近傍よりも下方となるようにそれぞれ位置決めし、その上で、無孔管の外周面と掘削孔の孔壁に囲まれた環状空間であって帯水層の上面境界近傍以下の高さ範囲に第２の透水性材料を充填することにより、揚水によって動水勾配が生じたとき、帯水層から掘削孔に流入した地下水が、第２の透水性材料の間隙を下降して無孔管の開放端を回り込むようにしてその下方から内部空間に流入し第１の透水性材料の間隙を上昇するようになっている。

かかる構成においては、第２の透水性材料が、無孔管の外周面と帯水層に形成された孔壁とで囲まれた円筒状空間に充填され、該円筒状空間が透水性の高い領域となって集水能力を高めるため、帯水層の孔壁を介して全方位から円筒状空間に地下水が流入しやすくなる。

加えて、第１の透水性材料の天端が帯水層の上面境界近傍よりも下方となるように位置決めしてあるため、揚水ポンプの吸水側を十分低い位置に設定することが可能となり、かくして無孔管内の水位を十分に下げないと動水勾配を確保できない状況であっても、揚水が可能となる。

透水性材料は、砂利や礫で構成することが可能である。

第１実施形態に係る揚水井戸構造の鉛直断面図。第１実施形態に係る揚水井戸構造の作用を説明した詳細鉛直断面図。変形例に係る揚水井戸構造の鉛直断面図。第２実施形態に係る揚水井戸構造の鉛直断面図。第２実施形態に係る揚水井戸構造の作用を説明した詳細鉛直断面図。

以下、本発明に係る揚水井戸構造の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る揚水井戸構造を示した鉛直断面図である。同図に示すように、本実施形態に係る揚水井戸構造１は、地盤２に形成された掘削孔５に無孔管４を立て込んで構成してあり、地盤２内に拡がる帯水層３（本実施形態では被圧帯水層とする）の地下水を無孔管４の内部空間に流入させてこれを揚水できるようになっている。

無孔管４は、その開放端８が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で掘削孔５に立て込んであるとともに、無孔管４の姿勢安定と掘削孔５の孔壁崩落防止を兼ねて、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間には、砂利６を充填してある。

一方、掘削孔５は、その底部９の深さが帯水層３の下面境界近傍となるように形成してあるとともに、無孔管４は、その開放端８の深さが帯水層３の上面境界近傍となるように位置決めしてある。

ここで、掘削孔５の下端近傍に拡がる空間、すなわち帯水層３に形成された孔壁に囲まれた円柱状空間１０とその上方に延びる無孔管４の開放端８近傍における内部空間１１には、掘削孔５の底部９に積み上げる形で第１の透水性材料としての砂利７を充填してある。

無孔管４は、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で形成すればよい。

砂利７は、例えば粒径が２ｍｍ以上のものを用いるのが望ましい。

本実施形態に係る揚水井戸構造１を構築するには、まず、掘削孔５の底部９が帯水層３の下面境界近傍に到達するまで地盤２をボーリングマシン（図示せず）で掘り下げる。

次に、掘削孔５の地上開口から砂利７を投入し、該砂利を掘削孔５の底部９に積み上げる形で帯水層３の孔壁に囲まれた円柱状空間１０に充填する。

次に、無孔管４を掘削孔５に立て込んだ後、該無孔管の上端から砂利７を投入し、該砂利を円柱状空間１０に充填された砂利７の上にさらに積み上げる形で、無孔管４の開放端８近傍における内部空間１１に充填する。

一方、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間に砂利６を充填する。

本実施形態に係る揚水井戸構造１においては、掘削孔５の底部９の深さを帯水層３の下面境界近傍となるようにかつ無孔管４の開放端８の高さを該帯水層の上面境界近傍となるように位置決めすることで、円柱状空間１０に砂利７を充填してある。

そのため、揚水による動水勾配が生じたとき、地下水は図２に示すように、帯水層３の孔壁２１を介して全方位から円柱状空間１０に流入しやすくなる。

また、本実施形態に係る揚水井戸構造１においては、無孔管４をその開放端が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で掘削孔５に立て込み、円柱状空間１０に充填された砂利７にさらに積み上げる形で、無孔管４の内部空間１１に砂利７を充填してある。

このようにすると、帯水層３の孔壁２１を介して円柱状空間１０に流入した地下水はさらに、無孔管４の開放端８から該無孔管の内部空間１１に流入した後、砂利７の間隙を上昇し、しかる後、該砂利の天端２２から湧水する。

したがって、この湧水を図示しない揚水ポンプを使って揚水すればよい。

ここで、地下水に混入している土粒子のうち、比較的粒径が大きな土粒子は、自重により、あるいは砂利７と衝突することで、その間隙を介した上昇が阻止され、無孔管４の内部空間１１には流入しない。

一方、比較的粒径が小さな土粒子は、砂利７の間隙を地下水とともに上昇し、その天端２２から無孔管４の内部空間１１に流入するが、流入後は、自重によって天端２２に沈降する。そして、沈降した土粒子は、従来のようなスクリーンの目詰まりとは異なり、ブラッシングや高圧洗浄といった力を作用させずとも、吸引によって容易に除去できる状態となる。

したがって、一定期間経過後、揚水能力が低下するようであれば、砂利７の天端２２に沈降した土粒子を上述した揚水ポンプの取水位置を下げることで吸引除去する。

このようにすれば、揚水井戸構造１の揚水能力を容易に回復させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る揚水井戸構造１によれば、無孔管４の開放端８の近傍であってその内部空間１１に砂利７を充填するようにしたので、揚水によって動水勾配が生じたとき、比較的粒径が小さな土粒子は、砂利７の間隙を地下水とともに上昇した後、自重によって天端２２に沈降するため、これを吸引除去することにより、揚水井戸構造１の揚水能力を容易に維持しあるいは回復させることができる。

したがって、従来のスクリーンのように、揚水ポンプを一時撤去した上、洗浄のための設備機器を吊り降ろしてスクリーンの目詰まりを除去するといった大がかりな保守点検作業を行う必要がなくなる。

また、本実施形態に係る揚水井戸構造１によれば、掘削孔５の底部９の深さが帯水層３の下面境界近傍となるように該掘削孔を形成するとともに、無孔管４の開放端８の高さを該帯水層の上面境界近傍となるように位置決めしたので、無孔管４の直下に位置する円柱状空間１０の透水性が高まる。

これは、地下水を流入させるための部位の面積が、無孔管４の内部断面積から円柱状空間１０の周面の表面積に拡大することを意味するものであり、揚水井戸構造１の集水能力が大幅に向上する。

本実施形態では、内部空間１１への砂利７の充填作業の間、無孔管４の中心がずれることがないよう、円柱状空間１０への砂利７の充填を先行させた上、該砂利の上に無孔管４の下端を載せるようにしたが、円柱状空間１０に砂利７が充填されていなくても、無孔管４の中心を保持できるのであれば、上述の手順に代えて、無孔管４を掘削孔５に先行して立て込み、これを仮保持した状態で砂利７を投入することにより、該砂利を円柱状空間１０及び内部空間１１に連続充填し、しかる後、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間に砂利６を充填するようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間に砂利６を充填するようにしたが、無孔管４の姿勢安定と掘削孔５の孔壁崩落防止を図ることができるのであれば、砂利６に代えて、例えば粘土を用いるようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、掘削孔５の底部９の深さが帯水層３の下面境界近傍となるように該掘削孔を形成するとともに、無孔管４の開放端８の高さを該帯水層の上面境界近傍となるように位置決めすることで、砂利７が充填された円柱状空間１０を無孔管４の下端直下に設けるようにしたが、集水が可能である限り、砂利７が充填された円柱状空間１０を無孔管４の下端直下に必ずしも設ける必要はない。

図３は、掘削孔５の底部９の深さが帯水層３の上面境界近傍となるように該掘削孔を形成してなる揚水井戸構造１ａを示したものであり、かかる構成においては、砂利７が充填された円柱状空間１０が省略されているため、上述の実施形態に比べれば、揚水井戸構造１ａの集水能力が若干劣るが、天端２２に沈降した土粒子を随時吸引除去することで、揚水井戸構造１ａの揚水能力を一定に維持しあるいは回復させることができるという作用効果については、揚水井戸構造１と何ら変わりはない。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る揚水井戸構造を示した鉛直断面図である。同図に示すように、本実施形態に係る揚水井戸構造４１は、地盤２に形成された掘削孔５に無孔管４を立て込んで構成してあり、地盤２内に拡がる帯水層３の地下水を無孔管４の内部空間に流入させてこれを揚水できるようになっている。

無孔管４は、その開放端８が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で掘削孔５に立て込んであるとともに、無孔管４の姿勢安定と掘削孔５の孔壁崩落防止を兼ねて、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間のうち、帯水層３の上面境界よりも上方の範囲には、砂利６を充填してある。

一方、掘削孔５は、帯水層３を貫通させた上、その底部９の深さが帯水層３の下面境界近傍よりも下方となるように形成してあるとともに、無孔管４は、その開放端８の深さが帯水層３の上面境界近傍より下方となるように、本実施形態では特に、下面境界近傍に位置決めしてある。

ここで、図５でよくわかるように、掘削孔５の下端近傍に拡がる空間、すなわち帯水層３直下に拡がる不透水層４２に形成された孔壁５３に囲まれた円柱状空間５１にには、掘削孔５の底部９に積み上げる形で第１の透水性材料としての砂利７を充填してあるとともに、その上方に延びる無孔管４の開放端８近傍における内部空間１１には、円柱状空間５１に充填された砂利７にさらに積み上げる形で、かつ帯水層３の上面境界近傍よりも天端２２が下方となるように砂利７を充填してある。

また、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁に囲まれた環状空間であって帯水層３の上面境界近傍より下方の高さ範囲（以下、円筒状空間５４）には、第２の透水性材料としての砂利５２を充填してある。

砂利７，５２は、例えば粒径が２ｍｍ以上のものを用いるのが望ましい。

本実施形態に係る揚水井戸構造４１を構築するには、まず、掘削孔５の底部９が帯水層３の下面境界近傍よりも下方となる位置に到達するまで、地盤２をボーリングマシン（図示せず）で掘り下げる。

次に、掘削孔５の地上開口から砂利７を投入し、該砂利を掘削孔５の底部９に積み上げる形で不透水層４２の孔壁５３に囲まれた円柱状空間５１に充填する。

次に、無孔管４を掘削孔５に立て込み、次いで、無孔管４の上端から砂利７を投入し、該砂利を円柱状空間５１に充填された砂利７の上にさらに積み上げる形で、無孔管４の開放端８近傍における内部空間１１に充填する。

ここで、内部空間１１については、砂利７の天端２２が帯水層３の上面境界近傍よりも下方となるように該砂利を内部空間１１に充填する。

一方、円筒状空間５４には砂利５２を、その上方、すなわち無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との環状空間であって帯水層３の上面境界近傍以上となる範囲には砂利６をそれぞれ充填する。

本実施形態に係る揚水井戸構造４１においては、円筒状空間５４に砂利５２を充填してあるとともに、不透水層４２の孔壁５３に囲まれた円柱状空間５１に砂利７を充填してある。

そのため、揚水による動水勾配が生じたとき、地下水は図５に示すように、帯水層３の孔壁２１を介して全方位から円筒状空間５４に流入し、さらに同図矢印で示すように下方に流れて円柱状空間５１に流入しやすくなる。

また、本実施形態に係る揚水井戸構造４１においては、無孔管４をその開放端が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で掘削孔５に立て込み、円柱状空間５１に充填された砂利７にさらに積み上げる形で、無孔管４の内部空間１１に砂利７を充填してある。

このようにすると、揚水によって動水勾配が生じたとき、図５に示すように、帯水層３の孔壁２１から流入し円筒状空間５４を流下して円柱状空間５１に到達した地下水はさらに、無孔管４の開放端８を回り込むようにしてその下方から該無孔管の内部空間１１に流入した後、砂利７の間隙を上昇し、しかる後、該砂利の天端２２から湧水する。

したがって、この湧水を揚水ポンプ５５を使って揚水すればよい。

一方、比較的粒径が小さな土粒子は、砂利７の間隙を地下水とともに上昇し、その天端２２から無孔管４の内部空間１１に流入するが、その後は、自重によって天端２２に沈降する。そして、沈降した土粒子は、従来のようなスクリーンの目詰まりとは異なり、ブラッシングや高圧洗浄といった力を作用させずとも、吸引によって容易に除去できる状態となる。

したがって、一定期間経過後、揚水能力が低下するようであれば、砂利７の天端２２に沈降した土粒子を揚水ポンプ５５の取水位置を下げることで吸引除去する。

このようにすれば、揚水井戸構造４１の揚水能力を容易に回復させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る揚水井戸構造４１によれば、無孔管４の開放端８の近傍であってその内部空間１１に砂利７を充填するようにしたので、揚水によって動水勾配が生じたとき、比較的粒径が小さな土粒子は、砂利７の間隙を地下水とともに上昇した後、自重によって天端２２に沈降するため、これを吸引除去することにより、揚水井戸構造４１の揚水能力を容易に維持しあるいは回復させることができる。

また、本実施形態に係る揚水井戸構造４１によれば、掘削孔５の底部９の深さが帯水層３の下面境界近傍より下方となるように該掘削孔を形成するとともに、無孔管４の開放端８の高さを該帯水層の下面境界近傍となるように位置決めしたので、無孔管４の下端周囲に位置する円筒状空間５４とその直下に位置する円柱状空間５１の透水性が高まる。

これは、地下水を流入させるための部位の面積が、無孔管４の内部断面積から円筒状空間５４の周面の表面積に拡大することを意味するものであり、揚水井戸構造４１の集水能力が大幅に向上する。

また、本実施形態に係る揚水井戸構造４１によれば、無孔管４の開放端８近傍における内部空間１１に充填された砂利７の天端２２を帯水層３の上面境界近傍よりも下方となるように位置決めしたので、揚水ポンプ５５を十分低い位置に据え付けることが可能となり、かくして無孔管４内の水位を十分に下げないと動水勾配を確保できない状況であっても、揚水が可能となる。

本実施形態では、内部空間１１への砂利７の充填作業の間、無孔管４の中心がずれることがないよう、円柱状空間５１への砂利７の充填を先行させた上、該砂利の上に無孔管４の下端を載せるようにしたが、円柱状空間５１に砂利７が充填されていなくても、無孔管４の中心を保持できるのであれば、上述の手順に代えて、無孔管４を掘削孔５に先行して立て込み、これを仮保持した状態で砂利７を投入することにより、該砂利を円柱状空間５１及び内部空間１１に連続充填し、しかる後、無孔管４の外周面と掘削孔５の孔壁との間に砂利５２及び砂利６を充填するようにしてもかまわない。

１，１ａ，４１揚水井戸構造
２地盤
３帯水層
４無孔管
５掘削孔
７砂利（第１の透水性材料）
８開放端、下端
９底部
１０円柱状空間
１１内部空間
２１，５３孔壁
２２天端
５２砂利（第２の透水性材料）
５４円筒状空間

Claims

無孔管をその開放端が下向きとなるようにほぼ鉛直姿勢で地盤に形成された掘削孔に立て込むとともに、該掘削孔の底部に積み上げる形で前記無孔管の開放端近傍であってその内部空間に第１の透水性材料を充填した揚水井戸構造であって、前記掘削孔をその底部が前記地盤内の帯水層の下面境界近傍又はそれより下方となるように形成するとともに、前記無孔管の開放端を前記帯水層の上面境界近傍より下方となるようにかつ前記第１の透水性材料の天端を前記帯水層の上面境界近傍よりも下方となるようにそれぞれ位置決めし、前記無孔管の外周面と前記掘削孔の孔壁に囲まれた環状空間であって前記帯水層の上面境界近傍以下の高さ範囲に第２の透水性材料を充填することで、揚水によって動水勾配が生じたとき、前記帯水層から前記掘削孔に流入した地下水が、前記第２の透水性材料の間隙を下降して前記無孔管の開放端を回り込むようにしてその下方から前記内部空間に流入し前記第１の透水性材料の間隙を上昇するようになっていることを特徴とする揚水井戸構造。
前記掘削孔をその底部が前記地盤内の帯水層の下面境界より下方となるように形成するとともに、前記無孔管の開放端を前記帯水層の下面境界近傍となるように位置決めした請求項１記載の揚水井戸構造。