JP4468236B2 - 地中音測定装置およびこの装置を用いた水みちの探査方法 - Google Patents

Description

この発明は、地中音測定装置およびこの装置を用いた水みちの探査方法に関する。

一般に、自然災害の一つとして土砂災害があり、このような土砂災害として、不安定な傾斜地に発生する地すべり、表層崩壊、がけ崩れ、土砂流などによる災害がある。そして、このような傾斜地での土砂災害は、斜面地盤の崩壊によって地盤の変位が引き起こされることになり、このような地盤変位を測定する手法については、例えば特許文献１および特許文献２に示すようなものが知られている。まず、前者の特許文献１のものは、高精度の電子測距・測角儀を用い、地盤変化のある地域からはずれた任意の位置を基準として地盤変化がある区域に配した指標までの距離や角度の変化を測定して地盤変位を測定するようにしたものである。一方、後者の特許文献２のものは、地盤変位がある任意の位置の地盤に測定用の孔を掘り、ここに歪みケーブルを挿入し、地盤変位によって生じた歪量を計測することで地盤変位の測定をするようにしたものである。

ところで、前記上述した従来の特許文献１、２のものは、高価な測定機器が必要であるうえ、実際に斜面崩壊が発生している最中または発生した後の地盤変位を測定するものであって、地盤変位の発生を予知するものでない等の問題がある。

そこで、最近では、湧水の噴出・停止が崩壊の前兆現象として知られていることから、崩壊現象と水みちには何らかの関係があると考えられてきた。
特開平５−１１８８５１号公報 特開平１０−８２６６７号公報

しかしながら、崩壊が突発的に発生する現象で、その発生位置を特定することは困難であること、また、機動性難のある山地において水みちの位置を簡便に調査する手法がないことから、両者の因果関係を現地で明確に説明したものがないのが現状である。

この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、地下水流の発する流水音すなわち、地中音を簡単かつ容易に測定することができ、ひいては、水みちを特定するための探査法を見出し、崩壊発生との関連性に繋げるようにした地中音測定装置およびこの装置を用いた水みちの探査方法を提供することにある。

上記発明が解決しようとする課題を達成するために請求項１によるこの発明の地中音測定装置は、地中に差し込むピックアップセンサ、測定部、地下水流の発する微弱な地中音を聞くヘッドホンおよび録音部で構成され、前記ピックアップセンサは加速度センサとこの加速度センサに接続されていると共に地面に挿入、固定し地中音を捉える金属からなる集音バーおよび手元スイッチからなり、前記測定部には少なくともレベルメータとノイズをカットするためのフィルタースイッチと前記レベルメータに電池の残量を表示させるバッテリチェッカースイッチおよび夜間の作業時に前記レベルメータを照明させるバックライトスイッチを備えていることを特徴とするものである。

請求項２によるこの発明の地中音測定装置は、請求項１によるこの発明の地中音測定装置において、地面に挿入、固定する前記集音バーを、基盤の深さに対応させて長さの異なるものを複数備え、地中音の程度により取り替え可能になっていることを特徴とするものである。

請求項３によるこの発明の水みちの探査方法は、地表面に水みちを横切る測線を設置し、この測線上に予め設定した設定間隔で複数の測点を設け、この各測点と水みち位置を測量し、各測点で前記請求項１による地中音測定装置により地中音を測定し、この測定結果を基にして地中音分布と、音響パワー、音響出力、音響パワーの平均値を用いて算出する地中音分布の偏差が最小となる水みちから各測点の距離を逐次計算で求めて水みちの深さを算出することを特徴とするものである。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、請求項１の発明によれば、従来測定できなかった地中音を簡単、正確かつ容易に測定することができる。しかも、装置自体も小型でコンパクトに製作することができ、特に測定部を作業者が装着でき、作業を容易に行うことができる。

請求項２の発明によれば、地盤の深さにより複数の集音バーの中から選択し、地盤の深さに応じて適正な集音バーを使用することができ、作業効率を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、水みちの深さを正確に測定でき、この測定された水みちの深さを基にして、崩壊の位置や崩壊の規模を知る上の手助けとすることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１を参照するに、地中音測定装置１は、ピックアップセンサ３、測定部５、ヘッドホン７および録音部９で構成されている。前記ピックアップセンサ３には地表面に固定するための複数の脚部１１を備えた固定載置台１３が設けられている。この固定載置台１３の上部には図１において水平方向に延伸された例えば圧電素子からなる加速度センサ１５を内部に備えた振動体１７が設けられている。前記固定載置台１３は振動体の役目を果たしている。

前記振動体１７の上部にはコネクタ１９が設けられており、このコネクタ１９にはコード２１が設けられていて、このコード２１の先端は前記加速度センサ１５に接続されている。また、前記固定載置台１３のほぼ中心部には例えばステンレス棒などの金属からなる集音バー２３が鉛直方向に取り付けられている。そして、この集音バー２３の上端は前記加速度センサ１５に接続されている。前記コード２１の後端は手元スイッチ２５に接続されている。

前記コード２１の途中でできるだけ前記固定載置台１３側近くは球形状の振動吸収特性の高い低反発の弾性ゴム部材２７で覆われている。この弾性ゴム部材２７はコード２１に風が当たった際に振動を吸収するものである。

前記手元スイッチ２５には別のコード２９の一端が接続されていると共にコード２９の他端には前記測定部５が接続されている。この測定部５にはコード３１の一端が接続されていると共にコード３１の他端は前記ヘッドホン７に接続されている。前記測定部５にはコード３３の一端が接続されていると共にコード３３の他端は前記ヘッドホン７と並列に例えばレコーダなどの録音部９に接続されている。

前記加速度センサ１５は、微弱な地中音を捉えるものである。集音バー２３のサイズは、複数例えばφ０．８×１０ｃｍとφ０．８×３０ｃｍの２種類がある。加速度センサ１５に集音バー２３を接続する理由は、地中音が集音バー２３を介して直接加速度センサ１５に伝達されるため、地中音を捉えやすくなるためである。また、測定中は集音バー２３が地中にあるので、風等の雑音の影響が大幅に減少する。そして、地中音が弱い場合には３０ｃｍの集音バー２３が用いられ、１０ｃｍの集音バー２３よりも地中音を捉えやすい。しかし、基盤の深さが数ｍ程度の森林斜面の場合は１０ｃｍの集音バー２３で充分であり、３０ｃｍの集音バー２３の場合は、差込み労力を必要とし、作業の効率が落ちるものである。前記手元スイッチ２５は、スイッチを押すと音が測定部５へ伝達される。

前記測定部５は、例えば１７．５×７．０×１０．５の大きさからなっていて、重量は６００ｇと非常に軽量になっており、機動性に難のある山地においても容易に使用することができるようになっている。そして、前記測定部５には図２に示されているように、ボリュームスイッチ３５、フィルタ−スイッチ３７、レベルメータ３９、バッテリチエックスイッチ４１、バックライトスイッチ４３および電源スイッチ４５が備えられている。

前記ボリュームスイッチ３５は、ピックアップセンサ３で捉らえた地中音を増幅するものである。フィルタ−スイッチ３７は、ピックアップセンサ３で捉らえた地中音のうち、出力周波数帯の低域周波数帯１００、２００、３００Ｈｚと高域周波数帯６００、８００、１２００Ｈｚをそれぞれ３段階に設定し、９種類の組み合せの中から判別しやすい組み合せを選ぶことによって、現場で発生する雑音に対して柔軟に対応できるようになっている。

例えば、図３には同地点で１００〜１２００Ｈｚ、１００〜６００Ｈｚの周波数帯で地中音を測定し、周波数分析を行った結果が示されている。そして、図３において、１００〜１２００Ｈｚの周波数帯で測定した地中音よりも、１００〜６００Ｈｚの周波数帯で測定したものの方が、６００Ｈｚ以上の高域周波数帯がカットされていることが分かる。野外での地中音の測定は風が最も影響音となる場合が多く、低域周波数帯のノイズが増える。この場合、４００〜１２００Ｈｚの間で地中音は捉らえることが可能である。

前記レベルメータ３９は、メータの振れの大小で地中音の音量の変化を目で確認する。レベルメータ３９によって、音の強弱を視覚的に判断することができる。前記バックライトスイッチ４３は、夜間の調査時に使用する。レベルメータ３９のライトとフィルタ−スイッチ３７のボタンが点灯するようになっている。前記バッテリチエックスイッチ４１は、スイッチを押すとレベルメータ３９に電池の残量が表示される。前記電源スイッチ４５は電源のＯＮ、ＯＦＦのスイッチで、電源を押すと電源が入る。但し、ヘッドホン７を接続していない場合には電源は入らないようになっている。

前記ヘッドホン７は、ピックアップセンサ３で捉えた地中音を測定部５で設定した増幅率、周波数帯のものをリアルタイムで出力する。なお、山地では大きなヘッドホン７は邪魔になる場合もあるが、大きなヘッドホン７の方が音の再現性がよく、微妙な音の聞き分けがしやすいものである。

前記録音部９のレコーダは、一般に市販されているボイスレコーダをヘッドホン７と並列に繋ぐと、地中音を聞きながら録音することが可能である。野外の調査では多くの機能を有しないシンプルで小型のものの方が扱いやすいものである。

上記構成により、地中音の測定は次の手順で行われる。まず、測定準備として、収納ケースよりピックアップセンサ３を取り出し、ピックアップセンサ３のコード２１の変形、ねじれを修正を行った後、前記コード２１の長さを使いやすい長さに調整し、ピックアップセンサ３、ヘッドホン７、録音部９のプラグを測定部５の側面ジャックに差し込む。

次に、動作チエックが行われる。まず、電源スイッチ４５を押す。このとき、ヘッドホンプラグが測定部５のジャックと接続されていないと電源は入らない。また、パワーランプが点滅しているときは電池を交換する。ボリュームスイッチ３５を最小にセットし、ヘッドホン７を耳にあて、ピックアップセンサ３を地面に置く、あるいは、集音バー２３をピックアップセンサ３に接続している場合は、集音バー２３を地面に挿入する。手元スイッチ２５を押し、地中音を聴く。このとき、ボリュームスイッチ３５を徐々に上げ、耳に負荷の掛からない適当な音量に調節する。フィルタ−スイッチ３７の切り替えスイッチを任意に押して、（低域帯より１つ、高域帯より１つ）地中音を聴き取りやすい周波数を探す。風の影響の大きい野外の調査では低い周波数をカットした４００−１２００Ｈｚの範囲が地中音を測定しやすい。

上記の動作チエックが終了したら、地中音の測定に入る。すなわち、
（１）水みち位置を探知するために横断方向に測線を決定する。

（２）測定間隔は任意であるが、自分の対象とする調査の精度に必要な間隔とする。このとき、あまりに測定間隔が狭いと調査に膨大な時間を要し、また、広すぎると水脈を見逃す可能性があるので、例えば２ｍ間隔であれば中規模以上の水みちを逃すことはない。

（３）ベルトまたは肩掛けベルトで測定部５を装着し、ピックアップセンサ３の集音バー２３を地表面へ挿入する。このとき、硬い礫などに集音バー２３を挿入しょうとしてピックアップセンサ３を壊さないように注意する。

（４）ピックアップセンサ３の集音バー２３を地表面へ挿入した後、手元スイッチ２５を押し、地中音を聴き、レベルメータ３９の指示を読む。このとき、地中音の測定中はすべて同じボリュームで実施する。

レベルメータ３９の指示値の読み方としては、ヘッドホン７から聞こえる音の変動と指示値の変動の関係をよく観察する。地中音は必ずある程度の変動を示すので、図４に示したように、指示値の上側の最頻値と下側の最頻値の２つを読むようにする。場所によっては、複数の地中音がする場合もある。この場合、注意深くヘッドホン７から聞こえる音の変動と指示値の変動の関係をよく観察すると、図５に示すように、複数の音が重なっている。仮にＡ音、Ｂ音があったとする。測定値の読みはＡ音の指示値の上側、下側の最頻値を読むようにする。その次にＢ音の指示値の上側、下側の最頻値を読む。

（５）測定点と測定値を野帳に記録する。

（６）次の測点へ移動する。

（７）以下、（４）〜（６）の作業を繰り返し、最後の測点まで測定する。

なお、地中の状態により、レベルメータ３９の最大点が水みちの直上でない場合があるので注意する。

ここで、地中音測定上の注意点を列記すると、音量の調整は状況により適切な位置で行う。音量はできるだけ小さめで聴く方が疲労度も少なく、水みちの位置が聞き分けやすくなる。ヘッドホン７の音量は上げすぎないようにする。手元スイッチ２５はピックアップセンサ３を地表面に設置してから押す。移動中にスイッチを押すと、大きなノイズが耳に入り衝撃を与える。

足元の不安定な山地斜面で探査を行う場合、自分がふらふらした状態で地中音を測定すると、その振動が測定値に影響する。地中音測定時には、測定者は静止した状態で行う。

山地であっても、車・飛行機・ヘリコプターなどの騒音が測定値へ影響を及ぼす場合がある。これらの騒音は待てば少なくなりますので、騒音が大きい場合には測定を行わない。

降雨直後は、雨水の降下浸透が卓越した状態にありますので、レベルメータ３９の振れも大きく、測定値を読み取りにくいから、降雨後２〜３日になると、降下浸透はほぼ終了するので読みやすくなる。したがって、この時期の測定の方が実施しやすい。

上記の要領で測定した結果の整理について、一例を説明する。例えば図６に示したような模型土層で地中音を測定した場合を考えると、模型土層４７は例えば長さ５ｍ、幅２ｍ、深さ０．７ｍの均一な砂地盤とする。模型土層４７の中央に、模擬パイプ４９が設置してあり、図中のＱ _ｉｎ から水が供給されているとする。

今、模擬パイプ４９の深さが３５．６２ｃｍの２ケース、給水量を５０、１００、１５０、２００、２５０、３００ｍｌ／ｓｅｃの６種類あった場合、地表面で測定される地中音がどのように変わるかを検討した。

地中音は土層中央の地表面に測線Ｌを設け、模擬パイプ４９直上から０．２ｍ間隔で左右へ２ｍ測定したとする。

地中音の分布図を次の手順で作成する。

（１）Ｘ軸に測点の音源からの距離を取り、この例では、模擬パイプ４９の位置が基準（０ｍ）となる。音源のピーク値を基準とする。

（２）Ｙ軸に測定した地中音圧を取る。なお、地中音は、レベルメータ３９の読み取り値のうちの上側の最頻値を使う。

（３）図７（Ａ）、（Ｂ）に示すような音圧分布図を作成すると、どの位置でどの程度の地中音が強いかが判断できる。

上記の図７（Ａ）、（Ｂ）から分かるように、地中音には次の特徴がある。

（１）地中音は水みちの直上で最も強く、水みちから離れるほど弱くなる。

（２）水みちの深さが等ければ、流量が多いほど地中音圧のピークは大きい。

（３）水みちの流量が等しければ、水みちの浅い方が地中音圧のピークは大きい。

（４）地表面へ伝わる地中音の大きさは、水みちの流量と深さの相互関係によって定まる。

したがって、従来測定できなかった地中音を簡単、正確かつ容易に測定することができる。しかも、装置自体も小型でコンパクトに製作することができ、特に測定部を作業者が装着でき、作業を容易に行うことができる。

上記地表面で測定地中音から、水みちの深さを算出する算出方法について説明する。

一般に任意の場において音エネルギーの損失が無ければ、音源の発する音響パワーＰ_Ｔ（Ｗ）は音源を囲む表面積Ｓと音の強さＩの積に等しく、次式が成立する。

Ｐ_Ｔ＝Ｓ×Ｉ （１）
いま、図８に示すような均一な土層中に水みちがある場合を考える。

ここで、水みちは線音源と考えることができ、水みちから発する地中音は土層内を放射状に伝わると仮定する。

いま、水みちからのｒ_ｉの距離にある地表面の測点ｉで測定した地中音の強さをＩ_ｉとすると、水みちの発する地中音の音響パワーＰ_ｉ（Ｗ／ｍ）は、（１）式より、次のように表すことができる。

Ｐ_ｉ＝２πｒ_ｉ×Ｉ_ｉ （２）
一方、図８に示すようなｉ点から水平方向にＬ_ｉ＋１の距離だけ離れたｉ＋１点における音響出力Ｐ_ｉ＋１（Ｗ／ｍ）は、次のように表すことができる。

Ｐ_ｉ＋１＝２πｒ_ｉ＋１×Ｉ_ｉ＋１＝２π√（ｒ_ｉ ^２＋Ｌ_ｉ＋１ ^２）×Ｉ_ｉ＋１ （３）
ここに、ｒ_ｉ、ｒ_ｉ＋１：水みちからの測点ｉ、ｉ＋１の距離
Ｉ_ｉ＋１：測点ｉ＋１における地中音の強さ
（３）式は水みち直上の測点以外の全ての測点で同様の関係が成立する。つまり、地中音を測定した点数だけ音響パワーＰが算出されることとなり、理想的には次式が成立する。

Ｐ_ｉ＝Ｐ_ｉ＋１ （４）
しかし、地中音が伝わる際の音エネルギーの損失や測定誤差等から、全ての測点で音響パワーＰが等しくなることはない。

上記の実験で測定した各測点における地中音圧から算定した音響パワーＰの分布を図９に示した。この図９から分かるようにＰ値は測定毎に多少変動している。

そこで、Ｐ値の平均値を求め、これを地中音の音響パワーとする。

実測した地中音分布と（２）、（３）、（５）式を用いて算定する地中音分布の偏差が最小となるｒ_ｉの値を逐次計算で求めることで水みちの深さが特定できる。

以上が簡単な理論の説明であるが、具体的な計算方法は、プログラムを作成するなど様々な方法が考えられる。

ここで、計算シートの作成の一例を示すと、次の表１に示すようなシートを作成する。

（１）列には音源からの距離を入力する。このとき、地中音の最大値が０となるように距離を決める。

（２）列には測定した地中音圧を入力する。

（３）列には（３）式を入力する。なお、図中に計算式も示した。

（４）列には計算で求められた地中音圧の式を入力する。すなわち、（３）式を変形した次式を入力する。

（５）列には（２）列と（４）列の偏差（Ｄ_ｉ）の自乗を入力する。すなわち、地中音の実測値（Ｉ_ｏｂｓ）と計算値（Ｉ_ｃａｌ）との差を計算する。

（６）には音源の深さｒ_ｉを入力する。ただし、ｒ_ｉ＞０の値をとる。

（７）には（５）式を入力する。すなわち、各測点で求めたＰ値の平均を求める。

（８）には（７）式で求めた偏差Ｄの合計値Ｄ_Ｔを入力する。すなわち、次式を入力する。

シートを作成終了したら、例えばエクセルにソールバーを追加し、計算を実行する。すなわち、Ｄ_Ｔが最小となるｒ_ｉが算出される。地中音の実測値と計算値の偏差が最も小さいｒ_ｉを探し、このｒ_ｉが水みちの深さとなる。

最適化の結果得られたＰ値とｒ_ｉの信頼性について検討してみると、最適化の結果得られたＰ値とｒ_ｉを実験毎に表２にまとめた。

なお、表２のＤは実際の水みちの深さＤｗと推定した水みちの深さｒ_ｉの偏差を表し、次式で算定した。なお、Ｄ＞０であれば、算定した水みちの深さは実際の水みちの位置より浅く見積もられていることを意味する。

Ｄ＝Ｄｗ−ｒ_ｉ （９）
水みちの深度が６２ｃｍの場合、最も推定精度が悪いのは流量が１５０ｍｌ／ｓｅｃの場合で、偏差Ｄ＝−０．０４１ｍである。

地中音の分布から推定した水みちの深さは、実際の水みちの深さと何れも５ｃｍ以内の偏差であり、地表面で測定した地中音圧分布から、水みちの深さを推定できると言える。

水みちの深さを正確に測定でき、この測定された水みちの深さを基にして、崩壊の位置や崩壊の規模を知る上の手助けとすることができる。

次に地中音と流量の関係について説明すると、模擬パイプ４９直上の地表面で測定された地中音圧Ｉｏ、算定した音源の音響パワーＰと流量との関係を図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した。図１０（Ａ）に示すように、地中音圧Ｉｏと流量の間には強い正の相関が存在し、直線で近似できる。一方、音響パワーＰと流量にも正の相関が存在し、直線で近似できますが、その推定精度は地中音圧Ｉｏよりも劣るようである。

地中音圧Ｉｏは音源の深さにも影響を受けるので、地中音圧Ｉｏから流量を求める場合には、音源の深さが既知である必要がある。すなわち、深度毎に地中音圧Ｉｏと流量の関係を求めなければ流量は算定できない。一方、音響パワーＰは音源の深さに影響を受けないので、深度毎に流量との関係を求めなければ流量は算定できないという煩わしさはない。地中音によって流量を推定する場合はには、音響パワーＰを用いるのが実用的である。

地中音測定装置の構成図である。 測定部の詳細な平面図である。 フィルタースイッチによるノイズ除去結果のグラフである。 レベルメータの読み方を説明する説明図である。 複数の音源が存在する場合のレベルメータの読み方を説明する説明図である。 模型土層の一例を示した斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は地中音測定結果を示したグラフである。 地中音の伝播と記号を説明する説明図である。 Ｐ値の変動を示したグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）はＩ、Ｐと流量の関係を示したグラフである。

符号の説明

１ 地中音測定装置
３ ピックアップセンサ
５ 測定部
７ ヘッドホン
９ 録音部
１１ 脚部
１３ 固定載置台
１５ 加速度センサ
１７ 振動体
１９ コネクタ
２１ コード
２３ 集音バー
２５ 手元スイッチ
２７ 弾性ゴム部材
２９、３１、３３ コード
３５ ボリュームスイッチ
３７ フィルタースイッチ
３９ レベルメータ
４１ バッテリチエックスイッチ
４３ バックライトスイッチ
４５ 電源スイッチ
４７ 模型土層
４９ 模擬パイプ

Claims (3)

1. 地中に差し込むピックアップセンサ、測定部、地下水流の発する微弱な地中音を聞くヘッドホンおよび録音部で構成され、前記ピックアップセンサは加速度センサとこの加速度センサに接続されていると共に地面に挿入、固定し地中音を捉える金属からなる集音バーおよび手元スイッチからなり、前記測定部には少なくともレベルメータとノイズをカットするためのフィルタースイッチと前記レベルメータに電池の残量を表示させるバッテリチェッカースイッチおよび夜間の作業時に前記レベルメータを照明させるバックライトスイッチを備えていることを特徴とする地中音測定装置。
2. 請求項１に記載の地中音測定装置において、地面に挿入、固定する前記集音バーを、基盤の深さに対応させて長さの異なるものを複数備え、地中音の程度により取り替え可能になっていることを特徴とする地中音測定装置。
3. 地表面に水みちを横切る測線を設置し、この測線上に予め設定した設定間隔で複数の測点を設け、この各測点と水みち位置を測量し、各測点で前記請求項１による地中音測定装置により地中音を測定し、この測定結果を基にして地中音分布と、音響パワー、音響出力、音響パワーの平均値を用いて算出する地中音分布の偏差が最小となる水みちから各測点の距離を逐次計算で求めて水みちの深さを算出することを特徴とする水みちの探査方法。

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