JP3602401B2

JP3602401B2 - 光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法

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Publication number: JP3602401B2
Application number: JP2000060822A
Authority: JP
Inventors: 満木原; 克美平松; 正樹嶋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2020-03-06
Also published as: JP2001249035A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川堤防などを例とする構造物の状態変化を検知する光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは、従来の技術の説明として、土砂から成る構造物の中で、その代表である河川堤防の管理技術について説明する。
【０００３】
従来、河川堤防などの、土砂からなる構造物の管理は、人による定期的な点検及び巡視で行っている。河川堤防はその延長が極めて長く、さらに堤体内部の土質構成が複雑であることから、管理上有効な項目である堤防内部の水の動き、これに伴う堤体そのものの動きは、日常・非日常時の巡視員の経験による目視点検に頼っているのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
人手による点検や巡視で河川全延長の常時監視を行うことは経済的に難しく、また洪水時の確認作業には危険が伴うという問題がある。経験的に、あるいは河川の構造から決壊が予想される地点に何らかのセンサを設置して遠隔監視を行うことは容易に考えられるが、河川の全延長に渡って監視システムを経済的に実現する手段は、従来存在しなかった。
【０００５】
本発明は前述の課題に鑑みてなされたもので、堤防の日常管理、洪水時などの緊急時における堤防の状態把握、河川管理の判断に必要な基礎データの収集を、人手による点検、巡視によらずに可能とする、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、
本発明においては、請求項１に記載したように、
ひずみによって光散乱特性が変化する性質を有する光ファイバ心線と、該光ファイバ心線を被覆する被覆部材と、該光ファイバ心線の長手方向に間隔をへだてて位置する複数箇所に接着固定された布片とを有し、
隣接する２つの該布片の相対位置関係が変化することによって該２つの布片の間にあるファイバセンサの光ファイバ心線にひずみが発生し、
該光ファイバ心線の一方の片端から光を入射し、該光ファイバ心線で発生する散乱光を計測することによって、該光ファイバ心線中におけるひずみの位置と大きさとを特定する手段を有する光ファイバセンサを用い、
該光ファイバセンサのファイバ部分の一部又は全部を該構造物内部に埋設し、該光ファイバセンサに光を入射させ、該構造物の状態が変化し、該変化に応じて該光ファイバセンサ中の隣接する２つの該布片の相対位置関係が変化する場合に、該相対位置関係の変化によって発生する該光ファイバセンサ中の光ファイバ心線のひずみの位置と大きさとを該光ファイバ心線中の散乱光を計測することによって特定し、該構造物の状態変化を検知する、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法であって、
該光ファイバセンサのファイバ部分の一部又は全部を該構造物内部の土砂に埋設することを特徴とする光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を構成する。
【０００７】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
前記布片が前記光ファイバ心線に直接接着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を構成する。
【０００８】
また、本発明においては、請求項３に記載したように、
前記布片が不織布であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を構成する。
【０００９】
また、本発明においては、請求項４に記載したように、
前記構造物が河川堤防であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を構成する。
【００１１】
本発明を、上記の堤防の日常管理、洪水時などの緊急時における堤防の状態把握、あるいは、河川管理の判断に必要な基礎データの収集に適用すれば、管理上有効な項目である堤体そのものの動きを、巡視員の経験による目視点検ではなく、光ファイバセンサによって堤体内部の土砂の動きそのものを物理的な変化量として把握することができる。
【００１２】
光ファイバはそれ自体が連続的なセンサであり、同時に計測信号の伝達手段でもある。この光ファイバを利用すれば、長距離にわたる計測システムを経済的に構築することが可能であり、河川堤防など非常に長い構造物の常時監視が実現できる。このため、本発明は、特に、河川堤防などの非常に長い構造物の監視に特に適している。
【００１３】
また、本発明は、堤防の変形を長い距離に渡って、飛び飛びの地点ではなくほとんど連続的に自動計測可能で、しかも計測システムを経済的に構築できることを特徴としている。
【００１４】
本発明の請求項１又は２に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法における光ファイバセンサは、たとえば、構造物の一種である河川堤防の堤体内部に、光ファイバセンサのファイバ部分の一部又は全部を埋設して用いられる。そして、堤体内部で、外的要因によって一部の土砂が動く場合に、該光ファイバセンサに接着固定された布片が動く土砂と共に動くことが利用される。すなわち、土砂が動かない位置にある布片は構造物中に固定された状態にあるのに対して、土砂が動く位置にある布片は構造物中の土砂の動きと一体となって動くので、この２つの布片の相対位置関係が変化し、それによって、この２つの布片の間にある光ファイバセンサの光ファイバ心線にひずみが生ずる。そのひずみを光ファイバひずみ計測装置によって計測することによって、対象構造物内部の状態変化を検知することができる。
【００１５】
請求項１に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法に用いられる光ファイバセンサにおいては、布片と光ファイバケーブルを用いて、光ファイバケーブルの任意の箇所に布片を接着固定することで簡易に光ファイバセンサを作製することができる。この光ファイバケーブルに接着固定された布片は、この光ファイバケーブルが、光ファイバセンサのファイバ部分として、構造物内部の土砂に埋設された場合に、構造物内部の土砂の変位に対して該内部の土砂と共に変位し、それによって、光ファイバ心線にひずみを生じさせる作用を有する。さらに、作製した光ファイバセンサの施工では、堤防の改修工事の際に、又は部分的に堤防を掘削する工事の際に、堤防内部に光ファイバセンサのファイバ部分を任意の形状で埋設することができる。
【００１６】
光ファイバセンサの計測では、埋設した光ファイバセンサに光ひずみ測定装置から光を入射させ、埋設した光ファイバセンサからの戻り光を測定することで、光ファイバ各位置でのひずみ変化量を特定することができる。このひずみ量を土砂の動きのパラメータとすることで、堤防内部の状態変化を堤防全体の長い距離にわたって、連続的に簡易に監視することができる。
【００１７】
請求項２に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法に用いられる光ファイバセンサにおいては、光ファイバケーブル中の光ファイバ心線だけを布片に直接接着固定することで、土砂の動きが光ファイバ心線に直接伝わる。このことから、堤体によってその土質構成の違いにより土砂の動き方に差異があったとしても、光ファイバ心線を変えることで、土質構成の異なる堤防ごとに最適な光ファイバセンサを提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態を、図１〜４を参照して説明する。
【００１９】
光ファイバセンサは、光ファイバ心線や構造物内部で土砂による圧力や水等の腐食から光ファイバ心線を保護する目的で被覆部材を有した光ファイバケーブルと布片から構成されている。そのような光ファイバセンサ（請求項１に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法に用いられる光ファイバセンサに該当するもの）を図１に示す。
【００２０】
ここで、この光ファイバケーブルの心線２は、ひずみによって光散乱特性が変化する性質を有していなければならないが、通常使用される心線材料、たとえば溶融石英はこの条件を満足する。
【００２１】
また、ここでは、布片としては土木構造物用の資材である不織布の一部分を切り取って作製した不織布片１を用いている。このような不織布は、容易、かつ安価に入手でき、しかも、これを河川堤防中に埋設した場合に、土砂とのなじみが良好であり、土砂と光ファイバとが一体となって変位するための極めて有効な部材となる。
【００２２】
光ファイバケーブル４は光ファイバ心線２と被覆部材３がゆるみの無い状態で一体化されており、光ファイバケーブルを引っ張った場合、光ファイバ心線と保護部材が同じだけ伸びる構造となっている。
【００２３】
光ファイバセンサは、図１に示すように、光ファイバケーブル４の長手方向に沿って、或る間隔でへだたった複数の箇所に、四角形の不織布片１が接着材５でサンドイッチ状に接着固定されて形成されている。
【００２４】
以下、上記の光ファイバセンサを河川堤防に適用した例（請求項４に記載の、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法に該当するもの）を図２で説明する。
【００２５】
図１の光ファイバセンサを図２（ａ）、（ｂ）に示すように土砂から成る、斜面７、天端９をもつ河川堤防６の斜面７に対して平行で、長手方向に対して垂直にゆるみの無い光ファイバの部分ａ、ｂ、ｃ、ｄと平行に、急激な曲げが生じない状態で、例えば堤防法面（斜面７）から深さ８の位置に埋設する。この河川堤防に埋設した光ファイバセンサは、同一種類の配線系光ファイバ１０（点線で省略して示す）に接続され、さらに計測小屋等にある光ファイバひずみ計測装置１１（Ｂ−ＯＴＤＲ：ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）（例えば、特開平０５−２４０６９９号公報参照）につながっている。
【００２６】
ここで光ファイバひずみ測定装置１１とは、図３に示すように、光ファイバの片端から光パルス１５を入射し、光ファイバからの戻り光（散乱光）を測定するものである。散乱光の中でブリルアン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）散乱光は、光ファイバの一部分（図３中の１６）にひずみがあると、そのひずみ量に比例して、周波数が変化する性質がある（図３中の１７でその変化量を示す）。この特性を利用して、光ファイバ中の周波数の変化１７を測定することで光ファイバのひずみ量を知り、散乱光の戻ってくる時間を測定し、その測定値を光ファイバの長さ方向の距離に変換することで、ひずみ発生領域の位置１８を知ることができる。
【００２７】
堤防の監視にあたっては、上記の光ファイバひずみ測定装置１１と河川堤防６に埋設した図１の光ファイバセンサを用いて観測を行う。
【００２８】
まず堤防に変化が無い場合、堤防内部の土砂の変化がなく、そのため光ファイバセンサの状態も初期の設置状態から変化がないと観測できる。これに対して、図２中の部分１２のように堤防の上が移動した場合には、不織布片１（ａ）が土砂と一体となって移動することから、移動していない不織布片１（ｂ）と不織布片１（ａ）との距離が、図２中、１３から１４に伸びる。光ファイバひずみ測定装置１１でその伸びの大きさ（図２中の１４）とそのひずみ発生領域の位置を測定することで、堤防内部の状態変化が生じた地点（図２中のｃの位置）とその大きさを知ることが可能となる。
【００２９】
本実施の形態における光ファイバセンサで実験した結果を図４を用いて説明する。河川堤防を模擬した堤体を作り、その堤体内に図２（ａ）、（ｂ）に示すような状態で光ファイバセンサを設置した。堤体には、河川の洪水状態にするため堤体側部に湛水槽を設け、そこに高水位の水を長時間湛水させておいた。堤体崩壊は、水が土砂の中に浸透していき、その状態が長時間続くと堤体内部の土砂がぐずみ始め、その後堤体の裾付近から土砂が動き始め、崩壊につながる。実験においては、この堤体崩壊の現象を模擬したものである。
【００３０】
実験開始からの光ファイバひずみ測定装置を用いて計測した光ファイバセンサのデータを図４に示す。図のグラフでは、横軸に実験開始からの経過時間を、縦軸に光ファイバセンサ（図２（ａ）中の例えばｃ）のひずみ変化量を示している。光ファイバセンサのひずみは、実験開始から１時間ぐらいはほとんど変化がみられなかったが、１時間の経過後に、ひずみの値が大きくなり始め、３時間経過後にはさらに急激にひずみが大きくなり、そのような変化は実験終了まで続いた。ここで、実験開始から約４時間ぐらいから目視によって堤体の崩壊が観測できたのに対して、光ファイバセンサではその２時間半前から、ひずみが変化していることから、堤体内部の状態変化を感度よく検出し、早期に崩壊の予兆現象をとらえることができた。以上の実験から、本発明の実施形態１の光ファイバセンサを用いた河川堤防等の構造物の監視が、人間の巡視点検に代わって、人間の巡視点検以上に有効であることを実証確認した。
（実施の形態２）
以下、光ファイバセンサの埋設配置に関して、実施の形態１とは異なる実施の形態例を、図５を用いて説明する。
【００３１】
請求項１に記載の光ファイバセンサを、図５（ａ）、（ｂ）に示すように河川堤防６の斜面７に対して平行で、長手方向に対して平行な状態で、例えば堤防法面（斜面７）から或る深さ８の位置に埋設する。この場合には、堤防の上の部分（図中の１２）が、図中白矢印の方向に移動した場合に、図中の不織布片１（ａ）が一体となって動き、その不織布片の両隣の不織布片１（ｂ）、１（ｃ）が固定点となり、光ファイバケーブルのｂ、ｃの部分が伸びる（図中、１３が１４だけ伸びる）。この伸び１４を、実施の形態１と同様に、光ファイバひずみ測定装置１１で計測することで、堤防の状態変化とその位置を特定することができる。
（実施の形態３）
次に、請求項２に係る発明の実施の形態例を、図６を用いて説明する。
【００３２】
光ファイバケーブル４は、実施の形態１と同様に、光ファイバ心線２と被覆部材３とから構成し、それらをゆるみのある状態で作製する。その光ファイバケーブル４に不織布片１を接着材５で固定する際、図６に示すように、光ファイバケーブル４の被覆部分の一部分における被覆部材３を、カッターナイフなどで切り裂いて除去し、その部分に露出した光ファイバ心線２のみを不織布片１に接着材５で固定して光ファイバセンサを作製する。ここで作製した光ファイバセンサを堤防に適用する場合は、上記の実施の形態１又は２と同様である。その効果は、光ファイバケーブル中の光ファイバ心線のみを不織布片に接着固定することで、土砂の動きが光ファイバ心線に直接伝わることから、堤体によってその土質構成の違いにより土砂の動き方に差異があったとしても、光ファイバ心線を変えることで、土質構成の異なる堤防ごとに最適な光ファイバセンサを提供することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の実施によって、堤防の日常管理、洪水時などの緊急時における堤防の状態把握、河川管理の判断に必要な基礎データの収集を、人手による点検、巡視によらずに可能とする、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載の発明に用いられる光ファイバセンサの例を示す説明図である。
【図２】請求項４に記載の、光ファイバセンサを用いて河川堤防の状態変化を検知する方法の一例を説明する図である。
【図３】光ファイバ中に生じたひずみの強さと位置とを光ファイバひずみ測定装置によって測定する方法の原理を示す説明図である。
【図４】図２に示した方法を用いて行った実験の結果を示すグラフである。
【図５】請求項４に記載の、光ファイバセンサを用いて河川堤防の状態変化を検知する方法の他の例を説明する図である。
【図６】請求項２に記載の発明に用いられる光ファイバセンサの例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…不織布片、２…光ファイバ心線、３…被覆部材、４…光ファイバケーブル、５…接着材、６…河川堤防、７…堤防斜面、８…堤防斜面からの深さ、９…堤防天端、１０…配線系光ファイバケーブル、１１…光ファイバひずみ測定装置、１２…堤防の上が移動した部分、１３…不織布片間の距離、１４…不織布片間の距離の伸び、１５…光パルス、１６…ひずみ発生領域、１７…周波数の変化、１８…ひずみ発生領域の位置。

Claims

ひずみによって光散乱特性が変化する性質を有する光ファイバ心線と、該光ファイバ心線を被覆する被覆部材と、該光ファイバ心線の長手方向に間隔をへだてて位置する複数箇所に接着固定された布片とを有し、
隣接する２つの該布片の相対位置関係が変化することによって該２つの布片の間にあるファイバセンサの光ファイバ心線にひずみが発生し、
該光ファイバ心線の一方の片端から光を入射し、該光ファイバ心線で発生する散乱光を計測することによって、該光ファイバ心線中におけるひずみの位置と大きさとを特定する手段を有する光ファイバセンサを用い、
該光ファイバセンサのファイバ部分の一部又は全部を該構造物内部に埋設し、該光ファイバセンサに光を入射させ、該構造物の状態が変化し、該変化に応じて該光ファイバセンサ中の隣接する２つの該布片の相対位置関係が変化する場合に、該相対位置関係の変化によって発生する該光ファイバセンサ中の光ファイバ心線のひずみの位置と大きさとを該光ファイバ心線中の散乱光を計測することによって特定し、該構造物の状態変化を検知する、光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法であって、
該光ファイバセンサのファイバ部分の一部又は全部を該構造物内部の土砂に埋設することを特徴とする光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法。
前記布片が前記光ファイバ心線に直接接着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法。
前記布片が不織布であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法。
前記構造物が河川堤防であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光ファイバセンサを用いて構造物の状態変化を検知する方法。