JP2010024725A - 水理試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の水理試験に適用可能な汎用性の高い水理試験装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る水理試験装置２０は、ボーリング孔１内に設置されるパッカー２ａ，２ｂと、パッカー２ａ，２ｂによって形成される試験区間Ｚと地上設備とを連通する第１の連通管３と、試験区間Ｚの近傍に設けられて第１の連通管３の流路を開閉する第１の開閉バルブ３ａと、第１の開閉バルブ３ａの上方に設けられ、第１の連通管３を通じて地上設備に向けて地下水を揚水する孔内ポンプ５とを備え、孔内ポンプ５は、停止している状態において第１の連通管３を閉塞しないように、孔内ポンプ５の上側と下側とを連通する流路を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、単一孔にて実施するトレーサ試験や透水試験などの種々の水理試験に使用可能な水理試験装置に関する。

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全性評価や一般廃棄物処分場周辺の地下水汚染の評価を行う際には、ボーリング孔内に試験装置を設置して種々の水理試験が実施される。水理試験の具体例として、トレーサ試験及び透水試験（例えば、パルス試験、スラグ試験）などを例示できる。

トレーサ試験は、地盤に注入したトレーサの濃度等を連続的に測定することにより、地下水に溶解した物質の移行特性を評価するためのものである。トレーサ試験は、ボーリング孔からトレーサ液を地盤に注入する工程と、トレーサ液が注入された地盤から地下水を揚水する工程とを有する。トレーサ試験の種類としては、一方のボーリング孔からトレーサ液を注入し、他方のボーリング孔から地下水の揚水を行う複数孔による方法が一般的であり、単一のボーリング孔からトレーサ液を注入した後、当該ボーリング孔から地下水の揚水を行う単一孔による方法が試みられている（特許文献１の［従来の技術］の欄を参照）。

一方、パルス試験やスラグ試験などの透水試験は、ボーリング孔内の圧力や水位を変動させた後の収束過程を測定することにより、地盤の透水性を評価するためのものである。例えば、下記特許文献２には、開閉自在なバルブ及び水圧計を有するインナーパッカーが測定管内に配置された試験装置を用いて透水係数等を計測する方法が記載されている。
特許第３８０８７１２号公報 特公平６−４７８１３号公報

ところで、従来の試験装置は、特定の水理試験を行うために設計されたものが多く、必ずしも一つの試験装置で種々の水理試験を実施することができなかった。すなわち、従来の水理試験装置にあっては、汎用性の点で未だ改善の余地があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、種々の水理試験に適用可能な汎用性の高い水理試験装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水理試験装置は、ボーリング孔内に設置されるパッカーと、パッカーによって形成される試験区間と地上設備とを連通する第１の連通管と、試験区間の近傍に設けられて第１の連通管の流路を開閉する第１の開閉バルブと、第１の連通管内の第１の開閉バルブの上方に設けられ、第１の連通管を通じて地上設備に向けて地下水を揚水する孔内ポンプとを備え、この孔内ポンプは、停止している状態において第１の連通管を閉塞しないように、当該孔内ポンプの上側と下側とを連通する流路を有することを特徴とする。

本発明に係る水理試験装置は、孔内ポンプによって地下水を揚水できるため、単一孔によるトレーサ試験を好適に実施できる。また、水理試験装置が備える孔内ポンプは停止している状態において第１の連通管を閉塞するものではないので、孔内ポンプを取り外すことなく各種の透水試験を実施できる。

本発明に係る水理試験装置は、第１の連通管内に設置されるインナーパッカーを先端側に有し、第１の連通管内に挿入される第２の連通管を更に備えることが好ましい。上記構成の第２の連通管を採用することにより、パルス試験やスラグ試験などの透水試験を効率的に実施できる。また、この第２の連通管は、その流路を開閉する第２の開閉バルブを有することが好ましい。パルス試験において、インナーパッカーを拡張させた状態で第２の開閉バルブを開閉することにより、試験区間の間隙に対して水圧差を瞬間的に与えることができる。

本発明によれば、種々の水理試験に適用可能な汎用性の高い水理試験装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

＜単一孔トレーサ試験＞
まず、本実施形態に係る水理試験装置を用いて単一孔トレーサ試験を実施する場合について説明する。図１に示すように、本実施形態において使用する水理試験装置２０は、ボーリング孔１内に設置された一対のパッカー２ａ，２ｂと、これらのパッカー２ａ，２ｂの間に形成される試験区間Ｚと地上設備（図示せず）とを連通する連通管（第１の連通管）３と、試験区間Ｚの近傍に設けられて連通管３の流路を開閉する開閉バルブ（第１の開閉バルブ）３ａと、開閉バルブ３ａの直上に設けられた孔内ポンプ５とを備える。なお、ボーリング孔１は、内径が６６〜１５０ｍｍ程度であり、深度が１０ｍ程度のものから１０００ｍ級のものまである。装置の耐圧性能を向上させることで１０００ｍ級の大深度のボーリング孔に対応可能である。

一対のパッカー２ａ，２ｂは、連通管３の先端側に配設されている。パッカー２ａ，２ｂを拡張してボーリング孔１の内壁面と密着させることにより、上方のパッカー２ａと下方のパッカー２ｂとの間に試験区間Ｚが形成される。

連通管３は、地上設備から試験区間Ｚに向けてトレーサ液を供給したり、揚水した地下水を地上設備へと移送したりするためのものである。連通管３は、トレーサ液の移送及び地下水の揚水に兼用できるので、複数の配管をボーリング孔１内に挿入する必要がないので、口径が比較的小さいボーリング孔に対しても適用できるという利点がある。

連通管３は試験区間Ｚ近傍に設けられた開閉バルブ３ａを備える。地上から開閉バルブ３ａを操作することにより、連通管３の流路を開閉できるようになっている。なお、開閉バルブ３ａは、地上からの操作によって開閉自在のものであれば、その種類は限定されず、例えば、電磁式のボールバルブやバタフライバルブなどを適宜採用すればよい。

孔内ポンプ５は、連通管３を通じて地上設備に向けて地下水を揚水するためのものである。孔内ポンプ５は、開閉バルブ３ａの上方に設置するが、地下水を効率的に揚水する観点から、開閉バルブ３ａの直上に設置することが好ましい。孔内ポンプ５としては、停止している状態において連通管３を閉塞しない構成のもの、すなわち、内部に上側と下側とを連通する流路（図示せず）を有するものを使用する。

また、図２に示すように、ボーリング孔１内には地下水のトレーサ濃度を測定するためのセンサ６が設置される。例えば、トレーサ液として塩水（ＮａＣｌ水溶液）を使用する場合、センサ６として電気伝導度計を使用できる。地下水の電気伝導度を測定することで地下水に含まれる塩分濃度を把握できる。なお、センサ６は、なるべく試験区間Ｚの近傍に設置することが好ましく、これにより、連通管３内においてトレーサが地下水に拡散して濃度が平均化されてしまう前に地下水のトレーサ濃度を測定できる。センサ６で測定されたデータは、ケーブルなどを通じてデータロガーやコンピュータ（図示せず）に送られるようになっている。

地上設備は、所定の濃度に調製したトレーサ液や揚水した地下水を収容する複数のタンク及びトレーサ液を移送するポンプ等を備える。

次に、本実施形態に係る水理試験装置を用いた単一孔トレーサ試験方法について説明する。本実施形態に係る単一孔トレーサ試験方法は、開閉バルブ３ａを閉じた状態において、開閉バルブ３ａよりも上方の連通管３内の地下水を排出する排出工程と、開閉バルブ３ａを閉じた状態としたまま開閉バルブ３ａよりも上方の連通管３内をトレーサ液で満たす充填工程と、充填工程後に開閉バルブ３ａを開き、試験区間Ｚから地盤にトレーサ液を注入する注入工程と、注入工程で注入されたトレーサ液を地下水とともに揚水する揚水工程とを備える。

図５に示す二つのグラフは、いずれもボーリング孔内に設定した所定の試験区間に到達するトレーサ液の濃度の経時変化を示し、図５（ａ）は試験結果の解析で前提とする理論上のトレーサ濃度を示し、図５（ｂ）は従来の試験方法を実施した際のトレーサ濃度を示す。

ボーリング孔１内にパッカー２ａ，２ｂ等を設置し、トレーサ液を注入する準備が完了した段階にあっては、ボーリング孔１内は地下水で満たされており、通常、地上設備と試験区間Ｚとを連通する連通管３内も地下水で満たされている。連通管３内がこのような状態であるにも関わらず、地上設備から連通管３を通じて試験区間Ｚへとトレーサ液を移送すると、連通管３内においてトレーサ液と地下水との間で拡散が生じる。そうすると、試験区間Ｚにトレーサ液が到達するまでに、トレーサ液は地下水で希釈されて濃度勾配が低下する（図５（ｂ）参照）。そのため、試験区間Ｚにトレーサ液の迅速な濃度変化を与えることが困難となる。また、トレーサ液の移送を開始した後もしばらくの間は連通管３内の地下水が地盤へと注入されるため、所定量のトレーサ液の注入を完了するのに余分な時間（図５（ｂ）のｔ１に相当）を要するという問題もある。

これに対し、本実施形態に係る水理試験装置２０によれば、下記の手順によってトレーサ試験を実施することにより、図５（ａ）に示す理論解に近い条件でトレーサ試験を実施することができ、十分に高い精度のデータを取得できる。

まず、開閉バルブ３ａよりも上方の連通管３内の地下水を排出する（排出工程）。図１は、連通管３内に挿入したエアリフト用ホース７によって地下水を排出する作業を行っている様子を示す模式図である。ホース７が挿入された連通管３内に圧縮ガス（例えば、圧縮空気）を供給し、その圧力を利用して図１に示す矢印の通り、ホース７を通じて地下水を排出する。なお、ホース７の代わりに、インナーパッカー１２を先端側に有する連通管（第２の連通管）１３を使用してもよく、この場合、インナーパッカー１２は収縮した状態にしておけばよい（図７参照）。

排出工程後、揚水工程の実施時にトレーサ濃度等を測定するためのセンサ６を連通管３内に設置する。その後、地上設備のタンクから連通管３内へとトレーサ液を供給する（充填工程）。図２は、連通管３内にトレーサ液８を充填する作業を行っている様子を示す模式図である。

連通管３内をトレーサ液８で満たし、注入工程を実施する準備が完了すると開閉バルブ３ａを開き、試験区間Ｚからトレーサ液を地盤へと注入する（注入工程）。図３は、トレーサ液を地盤に注入する作業が行っている様子を示す模式図である。

所定量のトレーサ液を地盤に注入した後、孔内ポンプ５の運転を開始し、注入したトレーサを含む地下水を揚水する（揚水工程）。図４は、孔内ポンプ５による揚水を行っている様子を示す模式図である。地下水を揚水しながら、センサ６でトレーサ濃度等を測定する。測定されたデータからトレーサの移動状況についての情報を取得し、種々の解析を行うことによって物質移行特性を評価する。

本実施形態に係る単一孔トレーサ試験方法においては、開閉バルブ３ａよりも上方の連通管３内をトレーサ液で満たした後に注入工程を開始する。また、開閉バルブ３ａは試験区間Ｚの近傍に配設されている。これらのことにより、ボーリング孔１内の地下水によってトレーサ液が希釈されることを十分に抑制でき、試験区間Ｚにトレーサ液の迅速な濃度変化を与えることができる。また、注入工程を開始後、まもなくして所定の濃度のトレーサ液が地盤に到達するため、従来の方法と比較し、所定量のトレーサ液の注入を完了するまでの時間を短縮できる。

また、本実施形態においては、注入工程前は試験区間Ｚが地下水で満たされているため、注入工程前に試験区間Ｚと地上設備との間でトレーサ液を循環させるなどの手法と比較すると、注入開始前に試験区間Ｚがトレーサ液の影響を受けることを未然の防止できる。

本実施形態に係るトレーサ試験方法は、所定の試験区間Ｚについての一連の試験を終了した後、異なる深度の試験区間について連続して試験を行う場合にも適用できる。すなわち、揚水工程後においては、連通管３内は地下水で満たされているため、一対のパッカー２ａ，２ｂの設置後、再度、排出工程から実施することによって高い精度のトレーサ試験を繰り返し実施できる。

なお、上記実施形態においては、充填工程に先立って排出工程を実施する場合を例示したが、以下のような場合には、排出工程を実施しなくてもよい。すなわち、連通管３及び一対のパッカー２ａ，２ｂをボーリング孔１内に設置して試験区間Ｚを形成するに際し、開閉バルブ３ａを閉じた状態で連通管３をボーリング孔１内に挿入すれば、その後の連通管３内は空の状態であるため、直ちに充填工程を実施できる。ただし、ボーリング孔１の深度が深い場合、開閉バルブ３ａを閉じた状態では内部の空気による浮力の影響で連通管３をボーリング孔１内に挿入しにくくなるおそれがある。このような場合には、開閉バルブ３ａを開いた状態で連通管３をボーリング孔１内に挿入し、試験区間Ｚを形成後、排出工程を実施すればよい。

また、上記実施形態において、トレーサ液として塩水を例示したが、地下水と区別可能な流体であれば、塩水に限定されず、所定のイオンや蛍光成分などを含有するものを使用してもよい。また、トレーサ液として、例えば、ｐＨ、溶存酸素量、温度などの物性値によって地下水と区別可能な液体を使用してもよい。かかる場合、測定すべき含有成分や物性値に応じてセンサの種類を適宜選択すればよい。なお、単一孔トレーサ試験を実施する場合にあっては、センサ６とエアリフト用ホース７の入れ替えを行う必要がないように、両者が連通管３内で共存できるようにしてもよい。また、センサ６は開閉バルブ５よりも下方、すなわち、試験区間Ｚにより一層近い位置に設置してもよい。

＜単一孔透水試験＞
本実施形態に係る水理試験装置を用いて単一孔透水試験（パルス試験又はスラグ試験）を実施する場合について説明する。パルス試験は、試験区間Ｚの間隙水圧に対して正又は負の水圧差（初期水頭差）を瞬間的に与え、水圧収束過程を測定するものである。一方、スラグ試験（孔内水位回復法）は平衡水位に対して正又は負の水位差を与え、平衡水位への収束過程を測定するものである。

（パルス試験）
図６は、パルス試験を行う際の水理試験装置２０の構成を示す模式断面図である。水理試験装置２０によってパルス試験を行う場合、インナーパッカー１２を先端側に有する連通管（第２の連通管）１３を、連通管３内に挿入し、その後、インナーパッカー１２を拡張させる。このインナーパッカー１２は、連通管１３の流路を開閉する開閉バルブ１３ａを有している。開閉バルブ１３ａを開閉することによって、試験区間Ｚの間隙水圧に対して正又は負の水圧差を瞬間的に与えることができるようになっている。なお、開閉バルブ１３ａは、地上からの操作によって開閉自在のものであれば、その種類は限定されず、開閉バルブ３ａと同様のものを使用できる。

パルス試験の手順は、以下の通りである。まず、図６に示すように、インナーパッカー１２を拡張させた後、第１の開閉バルブ３ａを開放した状態で水圧の安定を待つ。水圧が十分に安定した段階で試験区間Ｚの間隙水圧を測定する。その後、第２の開閉バルブ１３ａを開閉することにより、試験区間Ｚに対してパルス圧を付与する。パルス圧が付与された試験区間Ｚの間隙水圧の回復状況を測定することによって、透水性についてのデータを取得する。

（スラグ試験）
図７は、スラグ試験を行う際の水理試験装置２０の構成を示す模式断面図である。水理試験装置２０によってスラグ試験を行う場合、インナーパッカー１２を先端側に有する連通管（第２の連通管）１３を、連通管３内に挿入し、インナーパッカー１２は収縮した状態としておく。

スラグ試験の手順は、以下の通りである。まず、図７に示すように、第１の開閉バルブ３ａを閉じた状態で連通管１３を通じてボーリング孔１内の水をエアリフトによって排出する。連通管３内の水位を調整することによって、平衡水位に対する初期水頭差を設定する。その後、第１の開閉バルブ３ａを開放し、水位の回復状況を測定することによって、透水性についてのデータを取得する。

以上の通り、本実施形態に係る水理試験装置２０は汎用性が高く、種々の水理試験に適用できる。すなわち、水理試験装置２０が備える孔内ポンプ５は、主に地下水の揚水に用いられるものであるが、連通管３の流路を閉塞するものではない。したがって、孔内ポンプ５を使用しない透水試験を行う場合であっても、これを取り外すことなく水理試験装置２０を使用できる。

また、水理試験装置２０においては、エアリフト用ホース７や第２の連通管１３が第１の連通管３内に挿入されるため、これらの管を出し入れする作業時にボーリング孔１の内壁が崩れること未然に防止できる。これに対し、連通管等をボーリング孔１内に直接挿入する場合、連通管等が接触することによって内壁が崩れやすいという問題がある。ボーリング孔の内壁が崩れると、孔内に設置した試験装置の抑留を招来するおそれがある。

なお、上記実施形態においては、連通管３内の水の排出を圧縮ガスによるエアリフトによって行う場合を例示したが、孔内ポンプ５によって排出する構成としてもよい。また、上記の水理試験の他にも、本実施形態に係る水理試験装置２０によれば、地上に設置されたポンプを用いた注水試験や孔内ポンプ５による揚水試験などを実施できる。

また、上記実施形態においては、一対のパッカー２ａ，２ｂの間に試験区間Ｚを形成する場合を例示したが、一対のパッカー２ａ，２ｂの代わりに１つのパッカー２ａで試験区間Ｚを形成してもよい。この場合、上方のパッカー２ａと孔底との間に試験区間Ｚが形成される。

連通管内の地下水を排出する作業が行われているボーリング孔内の状態を示す模式断面図である。 連通管内にトレーサ液を充填する作業が行われているボーリング孔内の状態を示す模式断面図である。 トレーサ液を地盤に注入する作業が行われているボーリング孔内の状態を示す模式断面図である。 孔内ポンプによる揚水が行われているボーリング孔内の状態を示す模式断面図である。 ボーリング孔内に設定した試験区間に到達するトレーサ液の濃度の経時変化を示すグラフである。 パルス試験を行う際の水理試験装置の構成を示す模式断面図である。 スラグ試験を行う際の水理試験装置の構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１…ボーリング孔、２ａ，２ｂ…パッカー、３…第１の連通管、３ａ…第１の開閉バルブ、５…孔内ポンプ、６…センサ、７…エアリフト用ホース、８…トレーサ液、１２…インナーパッカー、１３…第２の連通管、１３ａ…第２の開閉バルブ、２０…水理試験装置、Ｚ…試験区間。

Claims (3)

1. ボーリング孔内に設置されるパッカーと、
   前記パッカーによって形成される試験区間と地上設備とを連通する第１の連通管と、
   前記試験区間の近傍に設けられて前記第１の連通管の流路を開閉する第１の開閉バルブと、
   前記第１の連通管内の前記第１の開閉バルブの上方に設けられ、前記第１の連通管を通じて前記地上設備に向けて地下水を揚水する孔内ポンプと、
   を備え、
   前記孔内ポンプは、停止している状態において前記第１の連通管を閉塞しないように、当該孔内ポンプの上側と下側とを連通する流路を有することを特徴とする水理試験装置。
2. 前記第１の連通管内に設置されるインナーパッカーを先端側に有し、前記第１の連通管内に挿入される第２の連通管を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の水理試験装置。
3. 前記第２の連通管の流路を開閉する第２の開閉バルブを更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の水理試験装置。

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