JP2007147500A - 地下水流向流速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地下水の流向及び流速によって絶えず動きが把握できるような目印となる「ひも、棒」などを、ボーリング孔内で複雑な挙動を示す地下水流向流速を把握でき、ボーリング孔に設置するタイプの地下水流向流速計について、ボーリング孔の軸心線に地下水流向流速計の軸心線をあわせて設置しなくとも測定できる地下水流動測定装置を提供する。
【解決手段】ボーリング孔と、地下水の流向流速計と、取付部材とを備え、地下水の流向流速計の軸心線とボーリング孔の軸心線とを一致させての設置を要しない地下水の流向流速測定装置であり、地下水の流向流速計は、地下水の流向流速計の軸心線をボーリング孔の軸心線上に一致させての設置でなくとも、地下水の正確な流向流速が測定可能とされたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば地下水の流れの向きあるいは流れの速さを測定するため、調査すべき地盤中にボーリング孔を掘削し、該ボーリング孔内に設置して地下水の流向と流速を測定する地下水流向流速測定装置に関するものである。

従来、前記ボーリング孔内における地下水の流動測定装置あるいは測定方法としては、地下水中にトレーサ（浮遊物を含む）を投入すると共に、該トレーサを撮像手段を用いて撮影し、このトレーサ像から、ある任意時刻における地下水の流向流速を測定する装置及び測定方法が一般に知られている。
特許第3433320号公報

しかしながら、前記従来の測定装置や測定方法は、
（１）主として、ある任意時刻における短時間での地下水の流向と流速を測定するものであるため、潮位の影響を受ける地域や融雪水の季節変動による影響を受ける地域等では、測定時期と時刻によって測定結果が大きく異なることがあり、該測定結果を用いた影響評価等において大きな課題として残されていた。
（２）外部からトレーサを入れる手法であるため、経済的に自動化することが難しく連続的な測定が困難であるとの課題があった。
（３）ボーリング孔内を流れる地下水の流向流速は複雑であり、地下水流向については、図１に示すような地盤地下水との関係が知られている。
さらに、地下水流速については、ボーリング孔の中心点では最大地盤内を流れる流速の３倍で流れ、ボーリング孔の孔壁付近ではその流速がゼロになるとの結果が報告されている。
従って、ボーリング孔に設置するタイプの地下水流向流速計については、なるべくボーリング孔の軸心線に前記地下水流向流速計の軸心線をあわせて設置しなければならないとの課題があった。
かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであり、地下水の流向及び流速によって絶えず動きが把握できるような目印となる「ひも、棒」などを、撮像部材で連続的に撮像することにより、前記ボーリング孔内で複雑な挙動を示す地下水流向流速を精度良く把握でき、さらにはボーリング孔に設置するタイプの地下水流向流速計について、ボーリング孔の軸心線に前記地下水流向流速計の軸心線をあわせて設置しなくとも精度良く測定できる地下水流動測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明による地下水流動測定装置は、
地中に掘削されたボーリング孔と、該ボーリング孔内に挿入される地下水の流向流速計と、前記地下水の流向流速計の前記ボーリング孔への取り付けを行う取付部材と、を備え、
地下水の流向流速計の軸心線と前記ボーリング孔の軸心線とを一致させての設置を要しない地下水の流向流速測定装置であり、
前記地下水の流向流速計は、
撮像部材を上方に内包する筒状本体と、前記筒状本体下部と接続支柱を介して接続された測定部底板とを有すると共に、本体下部と測定部底板との空間は開放測定空間とされ、
前記測定部底板の上面には間隔をおいて複数の固定型地下水挙動目印が設けられ、前記撮像部材により前記複数設けられた固定型地下水挙動目印の挙動が撮影され、前記地下水の流向流速計の軸心線を前記ボーリング孔の軸心線上に一致させての設置でなくとも、前記地下水の正確な流向流速が測定可能とされた、ことを特徴とし、
または、
地中に掘削されたボーリング孔と、該ボーリング孔内に挿入される地下水の流向流速計と、前記地下水の流向流速計の前記ボーリング孔への取り付けを行う取付部材と、を備え、
地下水の流向流速計の軸心線と前記ボーリング孔の軸心線とを一致させての設置を要しない地下水の流向流速測定装置であり、
前記地下水の流向流速計は、
撮像部材を上方に内包する筒状本体と、前記本体下部と接続支柱を介して接続された測定部底板とを有すると共に、本体下部と測定部底板との空間は開放測定空間とされ、
前記測定部底板の上面には間隔をおいて複数の固定型地下水挙動目印が設けられ、前記撮像部材により前記複数設けられた固定型地下水挙動目印の挙動が撮影され、前記地下水の流向流速計の軸心線を前記ボーリング孔の軸心線上に一致させての設置でなくとも、前記地下水の正確な流向流速が連続的に測定可能とされた、ことを特徴とし、
または、
前記複数の固定型地下水挙動目印は、前記測定部底板上から略垂直方向に立設された計測棒と、該計測棒の上端に一端が取り付けられたひも状測定目印とを有して構成された、
ことを特徴とするものである。

本発明による孔内地下水流向流速の測定装置によれば、ボーリング孔の軸心線に地下水流向流速計の軸心線をあわせて設置しなくとも、ボーリング孔内複数測定点における地下水流向流速測定が長期間連続的に可能となり、該ボーリング孔内複数測定点の流向および流速の測定結果に補正を加えることにより、ボーリング孔内の中心点及び地盤内（ボ−リング孔外）の地下水流向及び流速を導くことが可能となる。また、地盤内地下水流動に与える潮位、季節変動の影響についても効果的に測定できる。さらに、自動化も容易であるため、経済的な測定方法が提供でき、数多くの測定データを一度に入手できるため測定データの信頼性向上が図れるなどの優れた効果を奏する。

以下、本発明による孔内地下水流向流速の測定装置につき説明する。

まず、図１は、ボーリング孔１１内の地下水流向と地盤内地下水流向との関係を示す。すなわち、地盤中の地下水は図下部より図上部にむかって流れている。このような場合において、ボーリング孔１１が穿設された場合、ボーリング孔１１内における地下水の流向は図１に示すように、孔内中央付近においては、地盤地下水の流向とほぼ一致するが、中心から離間するに従い、曲線状に流れる傾向を示している。

次に、地盤地下水とボーリング孔１１内地下水の流向流速関係を把握するための要素の関係を図２に示す。
図２は例えば均質な多孔質媒体内にボーリング孔１１が掘削された場合、当該箇所での地下水の流向流速を測定する際に参照される図であり、図には後述する流れ関数の各要素が示されている。すなわちボーリング孔１１中心点をOとし、地盤内地下水の流向Ａと垂直でかつ点Oを通る線をＹ軸とし、地盤内地下水の流向Ａと平行でかつ点Oを通る線をＸ軸とする。地盤内地下水は図２左側からボーリング孔１１に向かって流入し、ボーリング孔１１を流出して図２右側に流れるものである。ここにおいて、ボーリング孔１１の半径をｒｗ、ボーリング孔１１掘削以前の流速すなわち地盤地下水の流速をＵ∞（無限遠の流速）、多孔質媒体の物理的透水係数をＫとする。
該Ｘ−Ｙ座標面において、任意の点Ｂの位置は、中心点Oからの距離をｒとし、該任意の点Ｂと中心点Oを結ぶ直線と前記Ｘ軸により成される角度をθとすれば、ｒとθの値により一義的に定まる。

かかる要素の関係において、流れ関数は以下で示される。

ここでUrとUθは多孔質媒体内のｒとθ方向流速成分、urとuθはそれぞれボーリング孔１１内のｒとθ方向流速成分である。
この流れ関数による、ボーリング孔１１内の流れ関数一定の曲線（流線）の例を図３に示す。

図３は、例えば地下水が地盤内を水平方向に流れている場合を示すものであり、図３に表された曲線（流線）は、各々その位置の流向を示している。ここでボーリング孔１１内の流れ関数が小であれば、Ｘ軸方向の半径距離が増加しても流向は大きく変化しない。一方流れ関数が大きくなると、Ｘ軸方向の半径距離の小さな増加であっても流向は大きく変化する。

これらの関係及び上述した式から、ボーリング孔１１内の多点における流向及び流速が一度に測定されれば、ボーリング孔１１内の中心点Oを含む孔内全域の流向流速の分布を導き出すことが可能となる。更に地盤内（ボーリング孔１１外）における地下水の流向及び流速が導きだせる。すなわち、ボーリング孔１１内の中心点Oを含む孔内全域の流向流 速の分布が把握できることから、地下水流向流速計の軸心線とボーリング孔１１の軸心線を前もって一致させる等の作業を必要とせずに、精密正確な測定が可能となる。

図４は、流向流速計に表れるボーリング孔１１内地下水の挙動を示す。例えば、流向流速計に１０点ほどの計測箇所を設置し、それぞれの箇所での流れの向きなどを計測する場合であって、地下水流向流速計の軸心O’とボーリング孔１１の中心点Oが一致しない状態を表す。すると、前記１０点ほどの計測箇所では色々な流向を示す。そこで前記１０点ほどの計測箇所での流向の変化を調べ、図３に示される関係式を解析することから、ボーリング孔１１の中心点Oの位置が解ることとなる。

そしてボーリング孔１１の中心点Oの位置が定まることから、上記各計測箇所における、中心点Oからの距離ｒと該各計測箇所と中心点Oを結ぶ直線と前記Ｘ軸により成される角度θが定まることとなる。すなわち各計測箇所のボーリング孔中心点を基準とした地盤座標が定まる。
この結果上述の関係式より各計測箇所の流向、流速が定まると供に、地盤内（ボーリング孔外）の流向流速が導き出せる。

そこで、本発明における上述の理論の実現について説明する。
まず図５から理解されるように、地下水の流向、流速を測定すべき箇所を決定し、該箇所に地上から地中に向かう略垂直方向に延びるボーリング孔１１を穿設する。
そしてそのボーリング孔１１内に地下水流向流速計を降下させて挿入し設置固定する。当該設置固定に際しては、従来の地下水流向流速計では、例えばボーリング孔１１径と同じ径の整流板を装置下部に設けたり、本体周囲に膨縮可能なパッカを取り付け、孔内に本体挿入後、パッカを膨張させるなどして、装置軸心線とボーリング孔１１軸心線をなるべく一致させる手段を要していた。

前述のとおり、ボーリング孔１１中心での測定から地盤内地下水の流動を推定する必要があるためである。しかし、例えば地盤地質の性状のために、整流板外周がボーリング孔１１内周に均等に接することができない場合や、パッカ膨張させても、均等な反力が発生しない場合が起こりうる。このような場合には、地下水流向流速計の軸心線とボーリング孔１１の軸心線は一致しないこととなり、その測定結果の精度は、保証されないという問題があった。

特に、地中深くボーリング孔１１を掘削し、該ボーリング孔１１の奥深い位置に地下水流向流速計を設置固定する場合はなおさら困難を極めていた。
本発明においても、このような地下水流向流速計の軸心線とボーリング孔１１軸心線を一致させての設置が困難なことを考慮し、取り付け部材として、ボーリング孔１１内径とほぼ同じ直径でゴム等の弾性材からなるパッカを測定装置下部及び上部に設けた。

しかしながら、上述のとおり、本発明においては、地下水流向流速計軸心線とボーリング孔１１軸心線を一致させることが要求されないことから、従来発明のような課題は生じない。

図５から理解されるように、下部パッカはボーリング孔１１に地下水流向流速計を挿入する際の先端部に該当し、上部パッカは後端部に該当する。したがって地下水流向流速計をボーリング孔１１に挿入し測定位置まで下ろして設置する際にスムーズな取り付け作業進行を可能とするものであればよいのである。

本発明による地下水流向流速計は、図５から理解されるように、略筒状をなす本体１内上方に撮像手段である撮像部材２が略垂直下側を撮像すべく収納されている。なお、撮像部材２としては、CCDカメラ、CMOSカメラ等のデジタルカメラが例としてあげられる。
ここで、本体１の下部よりさらに下側方向には外周に壁面が設けられておらず、測定すべき地下水が自由に横断して流れる測定部３が形成されている。
この測定部３は、該測定部３の下側に設けられた測定部３底板と前記本体１の下部の間を複数本の接続支柱５で接続され形成されている。

ここで前記測定部３底板の上面には、間隔をおいて複数の固定型地下水挙動目印が散らばって設けられている。固定型地下水挙動目印としては、例えば複数の計測棒６を突設し、該計測棒６の上端にひもなどの計測目印７の一端を締結して地下水挙動目印８を形成するものが考えられる。地下水挙動目印８を測定部３底板上面に多数設置するという観点からは、該計測棒６の径は細いものが好ましいが、所定の流速までは、地下水流動に対して応動せず測定部３底板上面に対して垂直に直立し続ける剛性を有する太さが好ましい。また外計測棒６の高さは、測定部の高さ以下であれば特に制限されないが、全部の高さを等しくすることが、撮像解析の点から好ましい。

しかして図６及び図７から理解されるように複数の地下水挙動目印８は、測定部３底板上部に例えば散点状にして配置され、計測棒６上端部を撮像部材２側にむけて垂直に突設するものとしている。
ここで、地下水挙動目印８の設置点は、ボーリング孔１１内地下水の複雑な挙動を把握すべく、ボーリング孔１１中央部近辺のみではなく、ボーリング孔１１外周付近部からボーリング孔１１中央部にかけて適宜間隔をおいて、まんべんなく散点状に配置することが必要である。

なお、ひもなどの計測目印７の長さは、複数の地下水挙動目印８の設置点間隔との関係から定められる。すなわち該設置間隔以下若しくは等しい長さとするのが好ましい。前記定められたひもなどの計測目印７の長さは、全ての地下水挙動目印８において同一とすることが好ましい。該長さの測定から地下水流速を測定するためである。

以上において本発明による装置での測定方法につき説明する。
地下水の中で地下水挙動目印８のひもなどの計測目印７は、図６に示すように地下水の流向に沿ってその先端を下流方向にたなびかせることになる。また該ひもなどの計測目印７の先端は、所定の地下水流速以上の時には測定部３底板上面に対して水平角度になり、流速ゼロの時には測定部３底板上面と垂直角度をなすことになる。したがって所定の地下水流速以下静水までの範囲においては、測定部３底板上面とひもなどの計測目印７の先端のなす角度を参照して地下水流速を測定する。

かかる地下水流速に対するひもなどの計測目印７の先端と測定部３底板上面とのなす角度については、予め計測されているものである。

そして、この地下水挙動目印８のひもなどの計測目印７の動きを撮像部材２で撮影する。その結果測定部３底板上面にまんべんなく散点状に配置された各地下水挙動目印８の地下水流による挙動が撮影され、ボーリング孔１１内の各位置における地下水流向流速が把握される。すなわち地下水流向は各ひもなどの計測目印７の先端が指す方向であり、地下水流速は、ひもなどの計測目印７の垂直方向から撮影される長さなどにより求められる。

次に本発明の他の実施例を説明する。
図８は、本発明による地下水流動測定装置の地下水挙動目印８を複数の計測棒６と該計測棒６の上端に締結されたひもと前記ひもの端部に浮き９を締結して形成したものである。
本実施例では、浮き９は例えばポリプロピレン樹脂等により略円柱状に形成され、測定する現地地下水とほぼ同等の比重に調整するための重り取り付け部を有してなる。調整により測定する現地地下水とほぼ同等の比重の浮きとすることにより、該浮き9の地下水中における挙動は地下水の流速流向に応じたものとなり、かつ優れた視認性を得られるという効果がある。また浮き９と重りの調整により、流速に対する、ひもと浮き９の先端と測定部３底板上面とのなす角度が変更可能となる。その結果、様々な流速の測定が可能となる。
浮き９の長手方向の大きさとひもからなる全長は、実施例１のひもなどの計測目印７の長さと同様に複数の地下水挙動目印８の設置点間隔との関係から定められる。そして、全ての地下水挙動目印８において同一とすることが好ましい。該長さの測定から地下水流速を測定するためである。

図９に示す第３実施例は、本発明による地下水流動測定装置における、撮像部材２映像受信部及び制御部をパソコン１０及びモニタで形成したものである。
本実施例では、撮像部材２の撮影時間、撮影データ処理方法を予めパソコン１０にて設定することにより、該設定事項が自動処理される。すなわち測定データの保存のみならず、撮影制御、データ編集、各測定点の補正演算等までも自動処理されるものである。このことにより、長期間連続的に測定可能となる。
このように、ボーリング孔１１内の各測定点の挙動を同時に長期間連続測定することにより、ボーリング孔１１内の地下水流動の複雑な挙動を各測定点ごとで補正することが可能となり、各測定点の挙動から正確な地盤地下水の流向流速の算定が可能となる。
また、潮位の影響を受ける地域や融雪水の季節変動による影響を受ける地域等における、これらの影響要因と地下水流動の挙動変動の相関関係も解明されるものと考えられる。

ボーリング孔内地下水流向と地盤内地下水流向の関係を説明する説明図である。 ボーリング孔内地下水と地盤内地下水の流れ関数の各要素を説明する説明図である。 ボーリング孔内の流れ関数一定の曲線（流線）を説明する説明図である。 流向流速計に表れるボーリング孔内地下水の挙動を説明する説明図である。 本発明による概略構成を説明する構成説明図である。 本発明による測定部３の使用状態説明図である。 本発明による地下水流動測定装置の使用状態説明図である。 本発明による第２実施例の構成を説明する構成説明図である。 本発明による第３実施例の構成を説明する構成説明図である。

符号の説明

１ 本体
２ 撮像部材
３ 測定部
４ 下部パッカ
５ 支柱
６ 計測棒
７ ひもなどの計測目印
８ 地下水挙動目印
９ 浮き
１０ パソコン
１１ ボーリング孔
Ａ 地下水の流向
Ｂ 任意の点の位置
Ｏ ボーリング孔の中心点
Ｏ‘ 地下水流向流速計の軸心

Claims (3)

1. 地中に掘削されたボーリング孔と、該ボーリング孔内に挿入される地下水の流向流速計と、前記地下水の流向流速計の前記ボーリング孔への取り付けを行う取付部材と、を備え、
   地下水の流向流速計の軸心線と前記ボーリング孔の軸心線とを一致させての設置を要しない地下水の流向流速測定装置であり、
   前記地下水の流向流速計は、
   撮像部材を上方に内包する筒状本体と、前記筒状本体下部と接続支柱を介して接続された測定部底板とを有すると共に、本体下部と測定部底板との空間は開放測定空間とされ、
   前記測定部底板の上面には間隔をおいて複数の固定型地下水挙動目印が設けられ、前記撮像部材により前記複数設けられた固定型地下水挙動目印の挙動が撮影され、前記地下水の流向流速計の軸心線を前記ボーリング孔の軸心線上に一致させての設置でなくとも、前記地下水の正確な流向流速が測定可能とされた、
   ことを特徴とする地下水の流向流速測定装置。
   
2. 地中に掘削されたボーリング孔と、該ボーリング孔内に挿入される地下水の流向流速計と、前記地下水の流向流速計の前記ボーリング孔への取り付けを行う取付部材と、を備え、
   地下水の流向流速計の軸心線と前記ボーリング孔の軸心線とを一致させての設置を要しない地下水の流向流速測定装置であり、
   前記地下水の流向流速計は、
   撮像部材を上方に内包する筒状本体と、前記本体下部と接続支柱を介して接続された測定部底板とを有すると共に、本体下部と測定部底板との空間は開放測定空間とされ、
   前記測定部底板の上面には間隔をおいて複数の固定型地下水挙動目印が設けられ、前記撮像部材により前記複数設けられた固定型地下水挙動目印の挙動が撮影され、前記地下水の流向流速計の軸心線を前記ボーリング孔の軸心線上に一致させての設置でなくとも、前記地下水の正確な流向流速が連続的に測定可能とされた、
   ことを特徴とする地下水の流向流速測定装置。
   
3. 前記複数の固定型地下水挙動目印は、前記測定部底板上から略垂直方向に立設された計測棒と、該計測棒の上端に一端が取り付けられたひも状測定目印とを有して構成された、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地下水流向流速測定装置。

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