JP2002365201A

JP2002365201A - 自動透水試験方法及び装置

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Publication number: JP2002365201A
Application number: JP2001173338A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamawaki; 健治山脇
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】定水位式の透水試験において変動負圧空間と接
する水位の変動を正確に測定できる自動透水試験方法及
び装置を提供する。【解決手段】試験土１の透水係数ｋをマリオット容器５
利用の定水位透水試験により求める装置において、所定
水平断面積の気密マリオット容器５内頂部の変動負圧空
間中に該空間と接する水位Ｓの変動を測定する超音波距
離計12を設ける。好ましくは、超音波距離計12をマリオ
ット容器５の頂壁に設け、超音波距離計12の測定値を測
定時刻と共に蓄積するメモリ17を設ける。更に好ましく
は、コンピュータ19等により、マリオット容器５の水平
断面積と単位時間内の水位Ｓの変動分との積によって浸
透流量Ｑを求め、試験土１の透水係数ｋを浸透流量Ｑの
関数として算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動透水試験方法及び装
置に関し、とくにマリオット容器利用の定水位透水試験
により透水係数を現場で自動測定する透水試験方法及び
装置に関する。ここに「マリオット容器」とは、垂直な
外気連通管をある一定のレベルに固定しその外気連通管
の下端位置で定まる一定ヘッドの水流を供給する構造の
容器である。

【０００２】

【従来の技術】アース・フィルダム等のフィルダムの構
築に当っては、ダムの遮水性能を確保するため、遮水ゾ
ーンの構築に使われる遮水材（粘性土）などの試験土の
透水係数を現場測定により連続的に監視する必要があ
る。図１を参照して、従来の現場測定方法の一例を簡単
に説明する。先ず、遮水材（以下、試験土という。）１
の層の中に径2rの円筒形の試験孔２を穿ち、その中に水
を貯え、その水位を一定値Ｈに維持する。図示例では有
孔塩化ビニル管などの案内管３を試験孔２内に配置し、
案内管３の外周と試験孔２の内壁との間に案内管固定砕
石４を詰めている。

【０００３】試験孔２内の水位Ｈを一定に保つためにマ
リオット容器５を用いる。マリオット容器５は密封蓋６
で覆われた気密構造を有し、その中に水７を貯える。ま
た、密封蓋６を気密に貫通した大気連通管８を有し、そ
の大気連通管８の下端8bを容器底壁９から一定距離を隔
てて保持する。マリオット容器５の周囲壁上の大気連通
管下端8bより低いレベルの部位へ、例えば軟質ビニル管
からなる連通管10の一端を開閉コック11により接続す
る。開閉コック11は、アクリル溶接等によりマリオット
容器５に気密に取付けられる。連通管10の自由端側を試
験孔２内の水７の中に差込む。

【０００４】連通管10内に水７が充填され且つ試験孔２
内の水位Ｈがマリオット容器５の大気連通管下端8bと同
じ高さである時は、大気連通管下端8bに接する水面と試
験孔２の水面は何れも大気圧に接していて、マリオット
容器５内の水７は連通管10内を経て試験孔２内の水７と
平衡に保たれているので、マリオット容器５から試験孔
２への水流は生じない。

【０００５】試験土１を介して試験孔２から外部へ水７
が浸透して試験孔２内の水位Ｈが大気連通管下端8bより
低くなると、サイフォンの原理により、試験孔２内の水
位が大気連通管下端8bと同じ高さとなって平衡に達する
まで、連通管10を介してマリオット容器５から試験孔２
へ水が流れる。つまりマリオット容器５は、大気連通管
８の下端8bで定まる水流、即ち試験孔２と同じ標高の水
面で水流を供給する。なお、このとき連通管10内には水
７が充填されている必要があり、開閉コック11は水面以
下に位置していなければならない。

【０００６】マリオット容器５から試験孔２へ水が流れ
る時に、大気連通管８を介して大気が気密なマリオット
容器５の水７の上方空間へ進入し、大気連通管下端8bの
圧力は大気圧となる。マリオット容器５の水７の水面と
密封蓋６との間は大気圧より低い負圧空間であり、しか
もその負圧の大きさが試験孔２内の水位に応じて変化す
る変動負圧空間である。

【０００７】マリオット容器５内の水位の低下は、試験
孔２から試験土１を浸透して流れる水量に基づく。従っ
て、単位時間におけるマリオット容器内の水位低下の大
きさとマリオット容器の断面積との積で定まる浸透流量
Ｑは、試験土１の単位時間内の浸透水量となる。この場
合、試験土１の透水係数ｋは次の(1)式及び(2)式で与え
られることが知られている。ただし、(1)式及び(2)式に
おいてＨは試験孔の水深（cm）、ｒは試験孔の半径（c
m）、Ｑは浸透流量（cm³/s）、ｋは透水係数（cm/s）で
ある。

【０００８】

【数１】 k＝（Q／2πH²）[H×log_e{p＋(1＋p²)^1/2}−(r²＋H²)^1/2＋r] ……………(1) p＝（H／r） ……………………………………………………………………(2)

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の現場透水試験で
は、マリオット容器５の水位を目視により測定していた
が、試験土が不飽和状態から飽和状態になるまでの長時
間（例えば８〜48時間）に亘り測定作業員が連続的に水
位を監視する必要があり、昼夜を分かたぬ長時間連続監
視が必要であった。また、試験土の透水係数を測定する
ために必要な浸透水量は試験孔の大きさによって左右さ
れるが、一般的に採用されている試験孔の径2rは20cm又
は30cmであり、例えば径2r＝20cm、深さＨ＝20cmの試験
孔の浸透水量は概ね50cm³/30分程度であって、実用的な
マリオット容器（内径9cm、断面積63.6cm²）の水位変化
は7〜8mm/30分となる。従って、マリオット容器５の水
位変化はmmオーダーとなるため、熟練技術者が注意力を
集中して測定することを必要とすると共に、測定誤差が
生じ易い問題点があった。

【００１０】長時間連続作業に関する問題点を解決する
ため、特開平5-306512号公報は、図４に示すように、マ
リオット容器５の水位をフロート式の磁歪式測定器33に
より自動的に検出する現場透水試験自動測定装置を提案
している。同図（Ａ）は測定装置の全体概略図を示し、
同図（Ｂ）はマリオット容器部分の断面図を示す。同図
に示すように、この公開公報の測定装置は、フロート34
をマリオット容器５内の水面に設けず、連通管32、32に
よりマリオット容器５と連通した計測室31に設けてい
る。

【００１１】しかし、一般にフロートは水面上に浮かん
で揺動し不可避的な揺動誤差を生じるので、試験土の自
動現場透水試験の場合に必要なmmオーダの精度の水位測
定には適しないと言わざるを得ない。前記公開公報は、
フロート34の揺動に言及せず、また測定値を何ら記載し
ていないので、水位測定の精度、即ちmmオーダの精度の
水位測定が可能か否かが未確認である問題点がある。ま
た図４の測定装置は、リング状フロート34を貫通するよ
うに棒状のステンレス製のセンサ本体33bを設け、フロ
ート34がセンサ本体33bに沿って摺動する構成を例示す
る。しかし、mmオーダの精度が要求される測定では、フ
ロート34とセンサ本体33bとの間の機械的接触に不可避
的に付随する摩擦が問題となるおそれがある。

【００１２】また、長時間連続作業の問題点を解決する
他の方法として、特許第2929562号公報は、図５に示す
現場透水試験自動測定装置を提案している。同図の測定
装置は、定水位式の自動現場透水試験において、導水パ
イプ41を介してマリオット５内部の水の圧力を圧力計42
により測定しようとする。圧力計42の検出信号は、マリ
オット５から試験トレンチ2aに供給された水の量に比例
するとしている。

【００１３】しかし、図５に示す導水パイプ41の位置で
は、マリオット５内の水面が負圧を受けていることか
ら、大気連通管８下端の大気圧と接する水面と導水パイ
プ15との高低差が水頭ｈとなる。圧力計42には、その水
頭ｈが水圧として作用する。従って、同図の測定装置で
は、マリオット５内部の水位変化を把握するための水頭
測定は不可能と考えられる。また、前記特許公報には実
際の測定値も記載されていない。即ち、図５の自動測定
装置も、mmオーダの精度の水位測定に適するか否かが未
確認である問題点を有する。

【００１４】そこで本発明の目的は、定水位式の透水試
験において変動負圧空間と接する水位の変動を正確に測
定できる自動透水試験方法及び装置を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記問題点
を解決するために、超音波振動子から発射した超音波が
空間中を伝播し物体に当り反射され超音波振動子に戻る
までの往復時間を測ることにより距離を計測する原理に
基づく距離計に注目した。上述したようにマリオット容
器５内の水位は変動負圧空間と接するので、マリオット
容器５の水位変動を測定するためには圧力変動の影響が
ない測定手段を使う必要がある。超音波の気体中の伝播
速度ｃは圧力ｐと密度ρとの比（ｐ／ρ）の関数である
が、一定温度の下ではその比（ｐ／ρ）が一定となるの
で、超音波の気体中の伝播速度ｃは圧力に依存しない
（朝倉書店発行「ロングマン物理学辞典」1998年2月10
日初版、p78-79、「音速」の項）。従って、超音波距離
計を使えば、圧力変動の影響を避けることができる。ま
た、市販の超音波距離計によれば、約80メートル以下の
距離を分解能0.1mmの高精度で非接触式に測定可能であ
る。本発明は、この知見に基づく研究開発の結果、完成
に到ったものである。

【００１６】図１の実施例を参照するに、本発明の自動
透水試験方法は、試験土１の透水係数ｋをマリオット容
器５利用の定水位透水試験により求める方法において、
所定水平断面積の気密マリオット容器５内頂部の変動負
圧空間と接する水位Ｓの変動を該空間中に設けた超音波
距離計12により測定するものである。

【００１７】また、図１の実施例を参照するに、本発明
の自動透水試験装置は、試験土１の透水係数ｋをマリオ
ット容器５利用の定水位透水試験により求める装置にお
いて、所定水平断面積の気密マリオット容器５内頂部の
変動負圧空間中に該空間と接する水位Ｓの変動を測定す
る超音波距離計12を設けたものである。

【００１８】好ましくは、超音波距離計12をマリオット
容器５の頂壁に設ける。また好ましくは、超音波距離計
12の測定値を測定時刻と共に蓄積するメモリ17を設け
る。更に好ましくは、コンピュータ19等により、マリオ
ット容器５の水平断面積と単位時間内の水位Ｓの変動分
との積によって浸透流量Ｑを求め、試験土１の透水係数
ｋを該浸透流量Ｑの関数として算出する。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明による自動透水試験
装置の一実施例を示し、図２はその要部拡大図を示す。
以下、図２を参照して、本発明による試験装置の設置方
法を先ず説明する。試験土１中に半径ｒの試験孔２を穿
ち、その中に孔あき塩化ビニル管などのガイド管３を設
置し、試験孔２の内壁とガイド管３との間にガイド管固
定砕石４を詰め、ガイド管３を安定させる。試験孔２内
には、ほぼ所定深さまで水７を注ぐ。ガイド管３内の水
７は、その周囲壁の孔及びガイド管固定砕石４相互間の
隙間を介して、試験孔２の内壁に常時接触する。

【００２０】気密構造のマリオット容器５の気密蓋６に
大気連通管８を気密に差込み、その下端8bがマリオット
容器５の底壁９から一定の高さとなるように一旦固定す
る。マリオット容器５を水準器などにより容器および水
面が水平となるように設置した後に転倒防止ピン13によ
って固定し、マリオット容器５の中に水７を超音波距離
計12が水浸しないように充満させる。気密蓋６によりマ
リオット容器５を気密にした後、マリオット容器５の周
壁に気密に取り付けられた開閉コック11に連通管10を接
続する。

【００２１】開閉コック11に接続した連通管10の自由端
（吐口）を上向きに手で保持しながらマリオット５内の
水７の水位より低い位置に据えることにより、マリオッ
ト５の天端に据え付けられている超音波距離計12から10
cm程度離れた高さ（水位）までの水を自由端から一度吐
出させ、水が吐出した自由端を指等で塞ぐことにより連
通管10内を水で充填させる。次いで、水が充填した連通
管10の自由端を試験孔２内の水７の中に差込み、大気連
通管８の下端8bが試験孔２内の水７の表面水位Ｈと同じ
高さとなるように、大気連通管８の下端8bの位置、また
は試験孔２内の水位Ｈを調節する。例えば、大気連通管
８の下端8bが試験孔２内の水７の表面水位より高いとき
は、大気連通管８を介して大気がマリオット容器５内に
進入して下端8bから水７中に気泡が現われるので、下端
8bから気泡が現われなくなるまで大気連通管８の下端8b
を下げるか、または試験孔２内に水７を加える。また、
大気連通管８の下端8bが試験孔２内の水７の表面水位よ
り低いときは、大気連通管８の下端8bから気泡が一旦現
われるまで、試験孔２内の水７の一部を汲み取って試験
孔２内の水位Ｈを下げる。

【００２２】マリオット容器５内の大気連通管８の下端
8bと試験孔２の水位Ｈとが一旦等しい高さになると、そ
の後はサイフォンの原理により、試験孔２内の水位Ｈは
大気連通管下端8bと同じ高さに保たれる。その理由は、
試験孔２内の水面に働く大気圧とマリオット容器５内の
大気連通管下端8bの水面に働く大気圧とが、マリオット
容器５内の水７と連通管10内に充填した水７と試験孔２
内の水７とを介して、平衡に保たれるからである。その
平衡が得られたときの試験孔２内の水位Ｈを測定し、マ
リオット容器５内の水７の表面水位をS1とする。

【００２３】次に、図１及び２を参照して、本発明によ
る透水係数ｋの測定方法を説明する。試験孔２内の水７
が試験土１に浸透して外部へ流出しても、上述したよう
にマリオット容器５内の水７が連通管10を介して試験孔
２へ流入するので、試験孔２内の水位Ｈは維持される。
他方、マリオット容器５内の水７の表面水位は、マリオ
ット容器５から試験孔２への水の流出により低下する。
本発明は、水位が下がることにより負圧状態が変動した
マリオット容器５内において、その水位低下の大きさを
超音波距離計12により検出する。

【００２４】例えば、図２の実施例において、マリオッ
ト容器５から試験孔２への水の流出により、マリオット
容器５内の水７の表面水位がS2へ低下したとする。同図
においてマリオット容器５の頂壁に取り付けた超音波距
離計12は、マリオット容器５内の頂部空間の負圧変動の
影響を受けることなく、該距離計12とマリオット容器５
内の水７の表面との間を超音波22が往復するに要する時
間の測定により、水位低下の大きさ（S1-S2）を自動的
に検出することができる。

【００２５】超音波距離計12により検出した水位低下の
大きさ（S1-S2）は、必要に応じてメモリ17、18（図１
参照）に蓄積し、適宜読み出すことができる。マリオッ
ト容器５の内側水平断面積をＡとすれば、マリオット容
器５から試験孔２への給水量、即ち試験孔２から外部へ
の浸透水量ＶはＡ×（S1-S2）で与えられる。マリオッ
ト容器内水位のS1からS2への低下が時間ｔの間に生じた
とすると、浸透水の流量Ｑは下記(3）式で与えられる。
ただし、(3)式においてＡはマリオット容器５の内側水
平断面積、（S1-S2）は時間ｔの間におけるマリオット
容器５内の水位低下である。

【００２６】

【数２】 Q＝V／t＝A×（S1-S2）／t ……………………………………………………(3）

【００２７】超音波距離計12の測定に基づく(3）式によ
る計算結果を(1)式及び(2)式に代入すれば、試験土１の
透水係数ｋを求めることができる。本発明によれば、測
定員による長時間に亘る連続目視観察による測定の必要
が全くない。しかも、マリオット容器５内の空間の圧力
変動の影響を受けずに、マリオット５内の水位低下の大
きさ（S1-S2）を高精度で測定することができる。

【００２８】こうして本発明の目的である「定水位式の
透水試験において変動負圧空間と接する水位の変動を正
確に測定できる自動透水試験方法及び装置」の提供が達
成できる。

【００２９】

【実施例】［実験例］図１に示す構成の実施例におい
て、以下の大きさの本発明による試験装置を用いて、水
位の変動を測定する実験を行った。本測定実験では、図
１に示すように、超音波距離計12の出力を信号線15によ
り増幅器16に加えて増幅の後、メモリ17に測定時刻と共
に蓄積した。信号線15は、気密蓋６を気密に貫通させた
ものである。メモリ17の一例は、時計を内蔵し測定開始
時刻及び測定時間間隔等を予め記憶させておき、電源を
外部直流電源として小型シール鉛蓄電池等の電源20に求
めたもので、無人で長期間のデータ蓄積が可能なデジタ
ルストレインレコーダである。メモリ17に蓄積した測定
値及び測定時刻は、例えばPCカード18等によりコンピュ
ータ（パソコン）19へ移し、例えばコンピュータ19によ
り汎用タイプのパソコン表計算ソフトのファイル形式デ
ータに自動変換されて取り込まれ、試験土１の透水係数
ｋを求めることができる。本実験による測定結果を図３
及び表１に示す。また、図３及び表１には、マリオット
容器５内の水位変動を目視により測定した値も併せて示
す。

【００３０】［試験装置の大きさ］試験孔１の半径ｒ：15cm 試験孔１の水深Ｈ：30cm ガイド管３の半径ｒ：10cm マリオット容器５の内側半径（φ/２）：4.5cm マリオット容器５の内側高さｈ：50cm

【００３１】図３及び表１の測定結果から、本発明の試
験装置により、目視による測定結果と一致する結果が自
動で得られること、マリオット容器５内の水位変化を目
視の場合の１mmオーダより高い0.1mmオーダで測定でき
ること、意味のある変化を含む測定標本の数を多く取る
ことができることなどが確認できた。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の自動透水
試験方法及び装置は、マリオット容器内頂部の変動負圧
空間と接する水位の変動を該空間中に設けた超音波距離
計により測定するので、次の顕著な効果を奏する。

【００３４】（イ）従来技術のような測定担当者による
昼夜を分かたぬ長時間の連続測定を避けることができ
る。（ロ）目視による測定に比し測定精度を高めることがで
きる。（ハ）測定を自動化し、省力化を図ることができる。（ニ）測定標本の数を増やし透水係数の検査の精度を改
善することができる。（ホ）測定値をパソコンに取りこみ、作表・グラフ化等
のデータ解析により、工事管理の質の向上に資すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明装置の一実施例の図式的説明図であ
る。

【図２】は、前記装置要部の拡大説明図である。

【図３】は、前記実施例における測定値の一例を示すグ
ラフである。

【図４】は、従来の現場透水試験自動測定装置の一例の
説明図である。

【図５】は、従来の現場透水試験自動測定装置の他の一
例の説明図である。

【符号の説明】

１…試験土 1a…盛土面２…試験孔 2a…試験トレンチ３…ガイド管４…ガイド管固定砕石５…マリオット容器 5a…主水室６…密封蓋 6a…蓋７…水８…大気連通管 8b…大気連通管の下端９…容器底壁 10…連通管 10a…水供給ホース 11…開閉コック 12…超音波距離計 13…転倒防止ピン 15…信号線 16…増幅器 17…メモリ 18…PCカード 19…コンピュータ 20…直流電源 22…超音波 31…計測室 32…連通管 33…磁歪式水位計 33a…センサヘッド 33b…センサ本体 34…リング式フロート 35…信号ケーブル 36…信号変換器 37…電源 38…ハイブリッドレコーダ 41…導水パイプ 42…圧力計 43…ケーブル 44…増幅器 45…記録計 46…記録紙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試験土の透水係数をマリオット容器利用の
定水位透水試験により求める方法において、所定水平断
面積の気密マリオット容器内頂部の変動負圧空間と接す
る水位変動を該空間中に設けた超音波距離計により測定
してなる自動透水試験方法。
【請求項２】請求項１の試験方法において、前記マリオ
ット容器の水平断面積と単位時間内の前記水位の変動分
との積によって浸透流量Ｑを求め、試験土の透水係数を
該浸透流量Ｑの関数として算出してなる自動透水試験方
法。
【請求項３】試験土の透水係数をマリオット容器利用の
定水位透水試験により求める装置において、所定水平断
面積の気密マリオット容器内頂部の変動負圧空間中に該
空間と接する水位の変動を測定する超音波距離計を設け
てなる自動透水試験装置。
【請求項４】請求項３の試験装置において、前記超音波
距離計を前記マリオット容器の頂壁に設けてなる自動透
水試験装置。
【請求項５】請求項３又は４の試験装置において、前記
超音波距離計の測定値を測定時刻と共に蓄積するメモリ
を設けてなる自動透水試験装置。
【請求項６】請求項３から５の何れかの試験装置におい
て、前記マリオット容器の水平断面積と単位時間内の前
記水位の変動分との積によって浸透流量Ｑを求め且つ試
験土の透水係数を該浸透流量Ｑの関数として算出するコ
ンピュータを設けてなる自動透水試験装置。