JP4514730B2 - 流砂の粒径分布推定方法および粒径分布推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流砂の粒径分布を簡易に推定するための粒径分布推定方法および粒径分布推定装置に関する。

従来より、河岸・渓岸侵食などによって流出した土砂は、流砂となって河川に流出し、河床やダム湖底への堆積、生態系への悪影響などの環境問題に加えて、土石流などの土砂災害を引き起こしている。したがって、砂防計画や防災計画の観点から、流砂の発生やその規模についての迅速な情報収集が不可欠となっている。

このような状況に鑑み、これまでに流砂を観測する幾つかの方法が提案されている。流砂を観測する方法には、大別して、振動や音響、映像などを計測する間接法（下記特許文献１参照）と、体積や重量を測定する直接法（下記特許文献２、３参照）とがある。

下記特許文献１では、流砂による音響に対して選択性をもつように材料および寸法を選択して、予め定めた音響特性をもたせた管状体と、その内部に格納した音響電気信号変換器とから成る音響センサを流砂域中に設置し、その音響電気信号変換器から取り出した電気信号を予め定めた手法により信号処理して流砂現象の発生、接近または通過を検知しまたは流砂量を測定する流砂現象の解析方法が提案されている。

また、下記特許文献２では、河川に設けた砂防ダムの袖部に水深別に複数箇所に設置した取水孔と、取水孔の各個に接続する複数本の導水管と、各導水管の下流側に設けられて導水管から放出された河川水から水と土砂とを分離する土砂分離装置と、この土砂分離装置で分離された土砂を蓄積し、蓄積した土砂重量を測定する土砂重量測定部と、土砂分離装置で分離された水の濁度を測定する濁度測定装置と、土砂分離装置によって分離された水の水量を測定する水量測定装置からなり、各測定装置の測定結果をデータ処理して、この河川の水量に応じた土砂運搬量を算出して連続的に記録する流出土砂観測システムが提案されている。

さらに、下記特許文献３では、河川の上流から、たとえば砂防ダムに流れてきた水および流砂の一部を一端に設けられた取水孔から取り入れるとともに別の場所に導く少なくとも一本の導水管と、前記導水管の他端に位置し、ガイド雨水管を介して導かれた水および流砂のうち水および所定粒径よりも小さい粒径を有する流砂を粒径に応じて少なくとも二種類のグループに分類して受け止める流砂分類手段とを具備する流砂観測方法が提案されている。
特開昭６４−１８０５５号公報 特開２００２−２８６５３４号公報 特開２００３−２６１９２３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載される流砂現象の解析方法の場合、音響信号は流砂の流速の影響を受けるため、流砂の発する音と流砂量との対応が不明確である点や、周囲の雑音から流砂の発する音のみを抽出するのが困難であることなどから、未だ実用には至っていない。

また、上記特許文献２、３に記載される直接法による流砂観測は、取水孔などから流砂を含む河川水を取り入れ、水と流砂とを分離して、流砂重量を計測する方法であるため、装置が大型になりやすく、建設および維持が困難であるとともに、迅速に流砂の観測結果が得られないなどの問題がある。

そこで、本発明の主たる課題は、簡易な計測設備で、所望の精度を有しながら、簡易かつ迅速に流砂の粒径分布が得られるようにした流砂の粒径分布推定方法および粒径分布推定装置を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、河川流域内に、振動計を一体的に取り付けた衝突弾性波測定対象体を設置し、河川内を流れる流砂が衝突した際に発生する弾性波を計測するとともに、この弾性波の波形解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布を推定することを特徴とする流砂の粒径分布推定方法が提供される。

上記請求項１記載の本発明は、河川流域内に、振動計、代表的には加速度計を取り付けた衝突弾性波測定対象体を浸漬状態で設置し、河川内を流れる流砂が衝突した際に発生する弾性波を計測するとともに、この弾性波の波形解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布（質量）を推定するものである。すなわち、流砂の質量（粒径）と接触時間との相関性に着目し、流砂の粒径分布を推定するようにしたため、流砂の流速の影響を最小化し、所望の精度で、簡易かつ迅速に流砂の粒径分布が得られるようになる。また、測定装置も簡易で済むようになる。

請求項２に係る本発明として、前記衝突弾性波測定対象体として、金属製の板材を用いる請求項１記載の流砂の粒径分布推定方法が提供される。

請求項３に係る本発明として、前記接触時間は、前記振動計で計測される振動波形がゼロ線を横切る時間間隔である請求項１、２いずれかに記載の流砂の粒径分布推定方法が提供される。

請求項４に係る本発明として、河川流域内に設置されるとともに、振動計が一体的に取り付けられた衝突弾性波測定対象体と、前記振動計から出力される弾性波に係る電気信号を取込み、弾性波の解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布を推定する解析手段とからなることを特徴とする流砂の粒径分布推定装置が提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、簡易な計測設備で、所望の精度を有しながら、簡易かつ迅速に流砂の粒径分布が得られるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る流砂の粒度分布推定方法は、河川流域内に、加速度計を一体的に取り付けた衝突弾性波測定対象体を設置し、河川内を流れる流砂が衝突した際に発生する弾性波を計測するとともに、この弾性波の波形解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布を推定するものである。

具体的装置は、図１に示されるように、河川流域内に設置されるとともに、加速度計３が一体的に取り付けられた衝突弾性波測定対象体２と、前記加速度計３から出力される弾性波に係る電気信号を取込み、弾性波の波形解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体２に衝突した際の接触時間Ｔに基づいて流砂の粒径分布を推定する解析装置４とからなる。

この場合、前記衝突弾性波測定対象体２としては、上流から流れてきた流砂が衝突することによって弾性波（振動）が発生する部材、例えば図示されるように金属板（以下、衝突弾性波測定対象体２を金属板２ともいう。）などの部材とすることが望ましい。また、水中に設置するため、水分接触により錆などの変質が起こりにくいステンレス鋼などの材質とすることが好ましい。前記金属板２の大きさは、対象とする流砂の大きさや水深、流速などの諸条件によって任意に設定することが可能である。また前記金属板２は、その材質、寸法などの物理的条件によってその振動特性が異なるため、予め流砂の大きさに対応した流砂衝突時の振動特性を把握しておくようにする。前記金属板２は、河川流域内に任意に設置することができるが、図１に示されるように、河床付近に河川流に対して平行に敷設することが好ましい。このように配設することによって、特に河床付近を転動する流砂が衝突できるようになる。

前記加速度計３は、前記金属板２の振動加速度を電気信号に変換して出力するものである。前記加速度計３は、前記金属板２の平面部分、好ましくは流路に対して下流側の平面部分に螺合固定、接着固定などにより固定する。なお、図１に示されるように、加速度計３からの電気信号を増幅するための増幅器５を備えるようにしてもよい。

なお、前記接触時間Ｔは、前記加速度計３で計測される振動加速度波形がゼロ線を横切る時間間隔として定義されるものである（理論的にはゼロクロス周期の１／２）。

〔流砂の質量と接触時間Ｔとの相関性〕
次に、本発明に係る流砂の粒度分布計測方法の妥当性について詳述する。本発明では、流砂が金属板２に衝突したときの振動加速度を計測することによって、流砂の粒度を推定するものである。

弾性体の衝突理論においては、鋼球が弾性体へ衝突したときの接触時間Ｔは、衝突体の質量Ｍの１／３乗に比例するとされている。本発明では、この衝突理論を応用して、接触時間Ｔを計測することにより、流砂の粒度を推定しようとするものである。ここで、前記衝突理論では、鋼球が衝突する場合であるのに対し、本発明では、流砂、すなわち砕石や砂礫であるので、前記衝突理論がそのまま適用できるかが問題となる。

そこで、基礎実験として、図２に示されるように、空気中において、静置した金属板２の平面部分に、1g、2g、6g、10g、40gの砕石を一定高さから落下させ、金属板２に発生する振動加速度を測定した。なお、前記金属板２は、板振動の発生を抑制するため、ゴムシート６上に設置した。加速度計３の共振周波数は60kHzであり、実用的な測定周波数範囲は約30kHzである。測定時間は10ms、データのサンプリング速度は2μs（500kHz）で、測定装置は1.7Hz〜80kHzの間でほぼフラットな周波数特性を示し、加速度計は感度10mV/m/s²、増幅器５のゲインは10倍または１倍とした。

図３〜図５は、それぞれ質量Ｍが2g、10g、40gの砕石を落下させたとき、金属板２に発生する振動加速度の時系列波形の測定結果である。この結果、砕石質量Ｍの増加により、基本周波数の波長が長くなる傾向にあることがわかる。この振動加速度時系列波形から、図６に示されるように、振動加速度ピーク値発生時間の前後における振動加速度のゼロラインクロス長さを測定することによって接触時間Ｔを求めることができる。

このようにして得られた質量Ｍと接触時間Ｔとの関係は、図７に示されるようになる。同図より質量Ｍと接触時間Ｔとの間には相関関係が認められ、この関係式は次式(1)のように表すことができる。

ここで、a、b：係数
本基礎実験においては、上式(1)の係数a、bは、次式(2)が得られた。

以上の結果より、流砂の質量Ｍと、金属板２に衝突した際の接触時間Ｔとの間には相関性があることが検証できた。したがって、接触時間Ｔを計測することにより、流砂の粒度（質量）が推測可能となる。

この際、単一の流砂による二度叩き、いわゆるダブルハンマリングが生じるためピーク値検出後の不感時間を調整したり、流砂以外の衝突による振動加速度を計測データから除去するためトリガ機能を調整したりすることによって、測定値の信頼性を向上させることができる。

〔実施例２〕
本実施例では、実験水路において混合流砂の粒度解析を行った。前記金属板２には、縦300mm×横100mm×厚25mmのステンレス鋼板を使用した。この金属板２の固有振動数は、表１の通りである。

本実験では、図１に示されるように、流路中に大粒径、中粒径、小粒径の特定の大きさの砕石を金属板２の上流側から流し、金属板２に衝突したときの振動加速度を測定した。ここで、大粒径：平均167g(10個)、中粒径：平均14g(20個)、小粒径：平均3.3g(20個)の混合流砂とした。振動加速度の測定時間は２秒、サンプリング時間は100μs（10kHz）とした。

図８は混合流砂が金属板２に衝突した際の振動加速度の時系列波形である。この時系列波形を解析手段４により解析処理を行う。図９は横軸を時間(ms)、縦軸を接触時間Ｔとして整理し直したグラフであり、図１０は各接触時間Ｔが観測された頻度を示すヒストグラムである。

事前に行った予備試験の結果、大粒径（平均167g）の場合、接触時間Ｔの平均値は6.5（×100μs）であったため、大粒径流砂の判定は接触時間Ｔ：７（×100μs）以上とし、中粒径（平均14g）の判定は、接触時間Ｔの平均値が4.8（×100μs）であったため、接触時間Ｔ：３〜６（×100μs）とし、小粒径（平均3.3g）の流砂の判定は、接触時間Ｔ：２（×100μs）以下とした。

接触時間Ｔの範囲別のヒストグラムの測定結果から、混合流砂の大粒径、中粒径、小粒径の判別を行った。試験は３回行い、その平均値とした。

以上の試験結果より、所望の精度で混合流砂の粒度分布の推定が可能であることが立証された。

本発明に係る流砂観測システムの模式図である。 接触時間Ｔの計測方法を示す説明図である。 砕石（2g）の落下により金属板２に発生する振動加速度の時系列波形である。 砕石（10g）の落下により金属板２に発生する振動加速度の時系列波形である。 砕石（40g）の落下により金属板２に発生する振動加速度の時系列波形である。 振動加速度波形における接触時間Ｔの測定要領を示す拡大グラフである。 砕石質量(g)と接触時間Ｔとの相関図である。 混合粒径流砂衝突時の振動加速度測定結果を示す時系列波形図である。 混合粒径流砂衝突時の振動加速度時系列波形を加工した時間−接触時間Ｔのグラフである。 混合粒径流砂衝突時の振動加速度時系列波形を加工した接触時間Ｔ毎の頻度を示すヒストグラムである。

符号の説明

１…流砂観測装置、２…衝突弾性波測定対象体（金属板）、３…加速度計、４…解析装置

Claims (4)

1. 河川流域内に、振動計を一体的に取り付けた衝突弾性波測定対象体を設置し、河川内を流れる流砂が衝突した際に発生する弾性波を計測するとともに、この弾性波の波形解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布を推定することを特徴とする流砂の粒径分布推定方法。
2. 前記衝突弾性波測定対象体として、金属製の板材を用いる請求項１記載の流砂の粒径分布推定方法。
3. 前記接触時間は、前記振動計で計測される振動波形がゼロ線を横切る時間間隔である請求項１、２いずれかに記載の流砂の粒径分布推定方法。
4. 河川流域内に設置されるとともに、振動計が一体的に取り付けられた衝突弾性波測定対象体と、前記振動計から出力される弾性波に係る電気信号を取込み、弾性波の解析において、流砂が前記衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて流砂の粒径分布を推定する解析手段とからなることを特徴とする流砂の粒径分布推定装置。
   

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