JP3671301B2 - 地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地盤凍結法により調査対象地盤を冷却、凍結して、その周辺地盤中の各深度の温度分布を計測することにより、簡易に地下水の流向、流速を判定する方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地盤中の地下水の移動状況を具体的に把握する必要性がとみに高まっている。例えば近年は環境汚染に対する関心が高まり、地盤中に存在する有害物質の浄化技術が注目されている。地盤中の有害物質の浄化を行う場合には、有害物質が地下水と共に移動することを考慮した上で実施する必要性が大であり、地下水の移動状況を具体的に精緻に把握することが極めて重要である。或いは将来実用化されるであろう高レベル廃棄物の地層処分においても、地盤中の地下水の移動状況を考慮して、各種の移流、拡散を高精度に事前評価し、環境への影響を把握することが重要である。
【０００３】
上記の必要性において、特に重要なことは、地盤中の地下水の移動状況、より具体的には地盤中の「地下水の流向、流速」を正確に緻密に把握することである。地盤は長い年月をかけて形成されているため、深度毎に地盤の性質が異なる場合が多い。このため「地下水の流向、流速」の把握は、ある特定の地盤深度でのみ行うのではなくて、もっと広い範囲、とりわけ深度方向に広い範囲にわたって把握することが重要である。
【０００４】
従来、地盤中の「地下水の流向、流速」を把握する技術としては、およそ以下に説明するものが知られ実施されている。
▲１▼ 図４に概念図を示したように、地盤にボーリング孔ａを掘削し、そのボーリング孔ａ内に鉄管ｂを建て込み、両者の隙間をグラウトｃで止水する。その後、更に鉄管ｂの下方にやや小径の下部孔ｄを掘削し、鉄管ｂ内に地下水の水面レベルよりも高く水を注入する（水位差ｈ）。時間の経過と共に下部孔ｄから水が逃げてゆき、前記の水位差ｈが低下してゆく傾向を観察する。前記水位の低下の時間的変化（ｈ／ｔ）を計測して、理論的に水の流れ易さ（透水係数）を計算して評価する方法である。この方法は、地盤工学会で試験方法を基準化され、広く実施されている。
【０００５】
▲２▼ 図５に概念図を示したように、やはり地盤にボーリング孔ａを掘削し、このボーリング孔ａ内の所要深度の上下にパッカーｅ、ｅを設置して上下方向の地下水流を遮断する。そして、前記上下のパッカーｅ、ｅで仕切られた場所に流向、流速計ｆを設置して、地下水の水平方向の流向、流速を計測して評価する方法である。下記の特許文献３、４に開示された測定方法及び測定装置が、この方法に属する。
【０００６】
▲３▼ 下記の特許文献１、２に開示された測定方法及び測定器は、図示は省略したが、地盤中のある地点に測定器を設置し、前記測定器に設置したヒータで地下水中の一点を加熱し、少し離れた位置で地下水の温度を測定し、地下水温の温度変化を計測して流向、流速を測定する方法である。
▲４▼ 特許文献５には、地盤の凍結法に関する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特公平６−６４０８２号公報
【特許文献２】
特開昭５９−１６０７８８号公報
【特許文献３】
特許第２５８６７３５号公報
【特許文献４】
特開平６−２７３５３８号公報
【特許文献５】
特開平９−４１３５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（１）上記▲１▼の方法は、鉄管ｂより下方の下部孔ｄに限った地盤の水の流れ易さ（透水係数）を評価する試験方法であって、地下水の流向、流速を評価することは原理上不可能である。
【０００９】
（２）上記▲２▼の方法は、流向、流速計ｆを設置した場所に限り地下水の流向、流速を評価することが可能である。しかし、本発明が目的とする「地下水の流向、流速」の把握は、上記の段落番号［０００３］で述べたように、ある特定の地盤深度でのみ行うのではなく、もっと広い範囲、とりわけ深度方向に広い範囲にわたって把握することが重要であることから考えると、▲２▼の方法は、あまりにも狭い範囲での把握しかできないことが欠点である。広い範囲、とりわけ深度方向に広い範囲にわたって把握するには、それなりに多数のボーリング孔ａを掘削して計測を行う必要があり、それに要する時間や費用が膨大なものとなって、到底その目的を達しきれない。また、▲２▼の方法の場合には、パッカーｅによってボーリング孔ａ内の上下を仕切り、上下方向の地下水流を遮断するが、本来の地盤には上下方向の地下水の流れがあると考えられるから、▲２▼の方法は本来の地盤とは異なる地下水の流れを計測することになり、正確さ、信頼性に問題がある。その上、パッカーｅの上下にはボーリング孔ａが存在するから、その部分のボーリング孔内では周辺の地盤に比して明らかに地下水が移動しやすい条件下にある。このため場合によっては前記透水性の高いボーリング孔が存在することにより、ボーリング孔周辺の地盤中の地下水の移動状況が本来のものと異なる場合も考えられる。ひいては前記流向、流速計ｆで計測した結果が本来の地下水の移動状況とは異なる可能性があり、正確さ、信頼性に疑問が呈される。
【００１０】
（３）上記▲３▼の方法は、地下水の温度変化に着目した点を評価できるが、地下水中の一点を加熱し、そこから少し離れた位置で水温を計測する場合に、どれほどの熱量を加えて、その影響が水温の変化としてどれほど明りょうに把握できるかの実効性と正確さ、信頼性に大いなる疑問が呈される。
【００１１】
本発明の目的は、地盤の凍結法として知られる、広域の大がかりな地盤の冷却、凍結に伴う、周辺地盤中の各深度での温度分布を計測することにより、広い範囲、とりわけ深度方向に広い範囲にわたって「地下水の流向、流速」を把握することが可能な簡易判定方法を提供することである。
本発明の目的は、地盤本来の地下水の流れ、移動状況を阻害することなく、地下水の流向、流速を正確に緻密に、しかも比較的簡単で安価に把握することが可能な簡易判定方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法は、
調査対象の地盤中に地盤凍結用のボーリング孔を掘削し、その孔内へ凍結管を設置する段階と、
前記凍結管を中心としてこれをほぼ等距離に取り囲む配置で地盤中に温度測定孔を複数掘削し、各測定孔内の深さ方向に複数の温度センサーを設置する段階と、
前記凍結管を通じて地盤の冷却および凍結を行い、地盤の冷却および凍結に伴う地盤の温度変化を、前記の各温度測定孔内の温度センサーにより経時的に測定する段階と、
同一時刻における各温度測定孔の深度方向の温度分布を求め、深度毎に温度の低下度が小さい測点は相対的に地下水の流速が早いと判定し、また、前記凍結管を中心として深度毎に温度の低下度が最も大きい測点の方向を地下水の流向と判定する段階とからなることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法において、
ボーリング孔及びその孔内へ設置する凍結管の深さ、並びに各温度測定孔およびその深さ方向に設置する温度センサーの深さはそれぞれ、調査対象地盤の地下水の移動状況を把握しようとする深度よりも深い位置とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明の簡易判定方法は、次の現象を応用、利用することに立脚している。
地盤凍結法の実施により経験的に又は理論的に認識されることは、地盤内で地下水の流速が早い場所（地盤）は、他の場所の地盤に比較して、明らかに凍結し難い。流速が早い地盤は、一般的に空隙が大きいため単位体積当たりの含水量が多く、凍結に必要な冷熱量を多量に必要とするからである。また、地下水の流速が早いと、冷熱を供給しても、地下水の流れにより冷熱が下方へ流されてしまい、凍結しにくい。したがって、冷却、凍結の際の温度低下度が小さい（温度が下がりにくい）ほど地下水の流速が相対的に早いと判定できる（以下、これを流速の評価根拠という。）。
次に、地盤中に地下水の流れが存在する場合、流れの上流側に比べて、下流側の方が凍結し易く、下流側で凍結範囲が大きく広がる。地下水の流れにより冷熱は下流側へ流されるからである。したがって、温度低下度の大きい測点の方向が地下水の流れる向き、即ち流向と判定できる（以下、これを流向の評価根拠という）。
【００１５】
【発明の実施形態】
以下に、図面に示した本発明の実施形態を説明する。
図１と図２は、本発明に係る流向、流速の簡易判定方法の実施形態を示している。
先ず調査対象の地盤１中に地盤凍結用のボーリング孔２（冷却孔とも称される）を掘削し、その孔内へ凍結管３が設置される。図示することは省略したが、この凍結管３の上端部には、液体窒素やドライアイス溶液などの冷媒を準備して循環方式で供給する冷媒供給装置が接続される。
【００１６】
次に、前記凍結管３を中心として、図２に示すとおり、同凍結管３をほぼ等距離Ｒに取り囲む配置で、地盤１中に温度測定孔４…を複数掘削する。そして、各測定孔４内の深さ方向に、複数の温度センサー５…を設置する。例えば検知棒へ一定の間隔（測点ピッチ）で温度センサー５…を取り付けたものを、前記温度測定孔４の中へ挿入して固定するような方式で設置する。勿論、図示することは省略したが、各温度センサー５…の検出信号を導く信号線の束は、前記検知棒に沿って、又は前記温度測定孔４の中を地上に導かれ、図示を省略した測定、記録装置（所謂パーソナルコンピュータなど）へ接続される。また、前記の距離Ｒに関しては、図１と図２を合わせて見ると明らかなように、凍結管３による地盤１の冷却、凍結の及ぶ範囲内（点線で図示した凍結範囲６を参照）であって、流向、流速の簡易判定を求める地盤の範囲内の距離とする。
【００１７】
なお、上記ボーリング孔２及び同孔内へ設置する凍結管３の深さ、並びに各温度測定孔４…の深さとその中へ深さ方向に設置する温度センサー５の設置深さに関しては、それぞれ調査対象地盤１の地下水の移動状況を把握しようとする深度よりも、判定評価に必要十分に深い位置までとする（請求項２に記載した発明）。
【００１８】
以上の準備が完了した段階で、前記凍結管３を通じて冷媒を供給し地盤１の冷却および凍結を行う。その手法は、既往の地盤凍結法（例えば特許文献５を参照）と同様である。そして、地盤１の冷却および凍結に伴う地盤の温度変化を、前記の各温度測定孔４…内の各温度センサー５…により経時的に測定し、その測定結果は一定の経過時間毎に地上の測定、記録装置（所謂パーソナルコンピュータなど）へ取り込んで記録し、保存すると共に集計、検討の評価を行う。
即ち、同一時刻における各温度測定孔４…の深度方向の温度分布を求め、深度毎に温度の低下度の大小を摘示して、等温線分布図７を例えば図３のように作成する。この等温線分布図７によれば、上記段落番号［００１４］に説明した流速の評価根拠に従い、温度の低下度が小さい測点、例えばＤ１、Ｄ２は相対的に地下水の流速が早いと判定する。逆に、温度の低下度が大きい測点、例えばＤ３、Ｄ４は相対的に地下水の流速が緩やかであると判定する。
【００１９】
また、上記段落番号［００１４］に説明した流向の評価根拠に従い、上記凍結管３を中心として深度毎に温度の低下度が最も大きい測点の方向を分布図で探る。例えば図２に矢印Ｋで示すように温度の低下が最も大きい測点の方向を、地下水の流向と判定する。
【００２０】
既に説明してきたように、本発明に係る地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法は、各温度測定孔４…内の各温度センサー５…により各深度毎の温度変化を測定して、各深度毎の温度分布図を作成して評価する方法であるから、目的とする地盤１の広い範囲、即ち温度測定孔４…を掘削した深さ、及びその中に設置した温度センサー５…の個数とピッチに応じて、深度方向に広い範囲にわたり「地下水の流向、流速」の簡易判定をすることが可能であり、調査目的に極めて有意義な、地下水の移動状況を具体的に把握することが出来る。
更に本発明の方法は、凍結管３から等距離Ｒの温度測定孔４…群の配置を、図２に示した一重の配置に限らず、地盤の調査目的に照らして必要な二重、三重の配置に多数掘削して、地下水の移動状況を一層具体的に精緻に把握する内容で実施することができる。
【００２１】
なお、本発明の方法を実施するにあたり、ボーリング孔２の掘削、及び温度測定孔４の掘削において、それぞ任意の深度の地盤サンプルを採取して、地盤の地層構成の把握に努めることも可能である。前記の地盤サンプルから熱定数を算定し、地盤の温度分布の計測値を用いて地下水の流速をパラメータとした逆解析を実施し、計測値を最も良く再現する地下水の流速を求めることで、地盤中の地下水の流速を定量的に評価することも可能である。
【００２２】
本発明の簡易判定方法は、ボーリング孔２（冷却孔）と凍結管３との間には地下水が存在するが、地盤の冷却、凍結の開始後、前記の地下水は凍結する。このためボーリング孔２内は氷で満たされ、地下水の移動を生ずることはない。また、本発明の方法で評価する地下水の流速は、凍結管３から一定の距離だけ離れた位置の各温度測定孔４…が位置する部分の地盤における流向、流速の評価であるから、地盤中の地下水のごく自然な流向、流速の定量的な評価法として実用価値が高いのである。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１、２に記載した発明に係る地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法は、地盤の凍結法として知られ既に実用化されている広域の大がかりな地盤の冷却、凍結に伴う、周辺地盤中の各深度での温度分布を計測する方法であり、温度測定孔を必要数だけ必要な配置に必要な深度まで掘削し、各温度測定孔へ必要な深度まで温度センサーを設置することにより、必要にして十分広い範囲、とりわけ深度方向に広い範囲にわたって「地下水の流向、流速」を精緻に把握することが可能であり、地下水の移動状況を把握する必要性に有意義な調査結果を提供できる。
また、本発明の簡易判定方法によれば、計測方法および集計、判定の方法も非常に単純であり、自動計測によって省力化することが可能であり、一度に多深度の流向、流速を求めることが出来る。特に、地盤本来の地下水の流れ、移動状況を阻害することなく、ありのままの地下水の流向、流速を正確に緻密に、しかも比較的簡単で安価に把握することが可能であるから、有意義な判定結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地下水の流向、流速の簡易判定方法の実施形態を示した縦断面図である。
【図２】図１の平面配置図である。
【図３】測定した温度分布の例を示した縦断面図である。
【図４】従来の判定方法の実施例を概念的に示した縦断面図である。
【図５】従来の判定方法の異なる実施例を概念的に示した縦断面図である。
【符号の説明】
１ 地盤
２ ボーリング孔
３ 凍結管
４ 温度測定孔
５ 温度センサー

Claims (2)

1. 調査対象の地盤中に地盤凍結用のボーリング孔を掘削し、その孔内へ凍結管を設置する段階と、
   前記凍結管を中心としてこれをほぼ等距離に取り囲む配置で地盤中に温度測定孔を複数掘削し、各測定孔内の深さ方向に複数の温度センサーを設置する段階と、
   前記凍結管を通じて地盤の冷却および凍結を行い、地盤の冷却および凍結に伴う地盤の温度変化を、前記の各温度測定孔内の温度センサーにより経時的に測定する段階と、
   同一時刻における各温度測定孔の深度方向の温度分布を求め、深度毎に温度の低下度が小さい測点は相対的に地下水の流速が早いと判定し、また、前記凍結管を中心として深度毎に温度の低下度が最も大きい測点の方向を地下水の流向と判定する段階とからなることを特徴とする、地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法。
2. ボーリング孔及びその孔内へ設置する凍結管の深さ、並びに各温度測定孔およびその深さ方向に設置する温度センサーの深さはそれぞれ、調査対象地盤の地下水の移動状況を把握しようとする深度よりも深い位置とすることを特徴とする、請求項１に記載した地盤凍結法による地下水の流向、流速の簡易判定方法。

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