JP4757092B2 - 地下水流動評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下水流動評価方法に関するものである。

放射性廃棄物の地層処分施設、地下貯蔵施設、地下大空洞などの地下施設の調査・設計の際には、地下水流動の評価が必要となる。従来、地下水流動の評価は、複数のボーリング孔の水位によるマクロ的な動水勾配評価と、局所的な透水係数または流速との調査結果を合わせて行っていた。

例えば、従来の方法では、動水勾配を、調査対象地域（数１０〜数キロｍ四方）に調査ボーリングを数本行い、各ボーリング間の水位差（水頭差）をそのボーリング間隔で除することにより定めていた。また、透水係数を、サンプリングコアに対して室内透水試験を行うか、ボーリング孔を使用した原位置透水試験を行うことによって取得していた。透水係数を取得するための透水試験では、動水勾配を制御して流量を計測するが、試験時間を短縮させるため、原位置の動水勾配とは無関係に、大幅に大きな動水勾配を与えることが多かった。

室内透水試験の装置や方法については、シリンダ内を２つのチャンバに仕切った２チャンバ型シリンジポンプを用い、供試体の一端面から注水して他端面から排水するもの（例えば、特許文献１参照）や、供試体の全表面を複数の区画に区切り、注水手段および排水手段との接続区画を変更できる加圧容器を用い、一部の任意の区画から注水して他の区画から排水するもの（例えば、特許文献２参照）などが提案されてきた。

特開２００６−９０９６４号公報 特開２００４−１２１３６号公報

しかしながら、従来の地下水流動の評価方法では、各ボーリング間の水位差（水頭差）をそのボーリング間隔で除することにより動水勾配を取得するため、少なくとも２本のボーリング孔が必要であった。

また、ダルシー則が成立する水理場における水理パラメータは、流速、透水係数、動水勾配であるが、従来の方法では、上述したように、マクロ的に取得した動水勾配と、局所的な透水係数または流速の調査結果とを組み合わせて地下水流動の評価がなされており、各パラメータの空間的な整合性が図られていなかった。透水試験を行う際の通水圧（動水勾配）は、マクロ的に取得した動水勾配と整合を取ったものではないため、透水係数に動水勾配依存性がある場合、実際とは著しく異なる地下水流動評価を行っている可能性があった。

前述した目的を達成するための第１の発明は、地盤にボーリング孔を削孔し、原位置における地下水流速を取得する工程（ａ）と、前記ボーリング孔から採取したコアに対し、流速制御による透水試験装置を用いて、前記地下水流速を与え、前記コアの注水側と排水側との圧力差を前記コアの全長で除することによって動水勾配を取得する工程（ｂ）と、を具備し、前記工程（ａ）で取得した前記原位置における地下水流速が非常に遅い場合、前記工程（ｂ）で、前記透水試験装置に、複数のコアを並列に連結することにより、通水面積を大きくして前記地下水流速を実現することを特徴とする地下水流動評価方法である。

第２の発明は、地盤にボーリング孔を削孔し、原位置における地下水流速を取得する工程（ａ）と、前記ボーリング孔から採取したコアに対し、流速制御による透水試験装置を用いて、前記地下水流速を与え、前記コアの注水側と排水側との圧力差を前記コアの全長で除することによって動水勾配を取得する工程（ｂ）と、を具備し、前記工程（ａ）で取得した前記原位置における地下水流速が非常に遅い場合、前記工程（ｂ）で、前記透水試験装置に、複数のコアを直列に連結して長さの総和を１ｍ程度とすることを特徴とする地下水流動評価方法である。
工程（ａ）では、地下水流速を、トレーサ法、熱量法またはポイントダイリューション法等を用いて取得する。

工程（ｂ）では、コアからの排水量をコアへの注水量と常に等しく維持するのが望ましい。工程（ｂ）では、流速制御による透水試験装置、２チャンバ型シリンジポンプを用いた透水試験装置等を用いる。

本発明では、まず、地盤にボーリング孔を削孔し、原位置における地下水流速を取得する。そして、ボーリング孔から採取したコアに対し、透水試験装置を用いて原位置で取得した地下水流速を与え、コアの注水側と排水側との圧力差をコアの全長で除することによって動水勾配を取得する。

本発明によれば、空間的な整合性を保ちながら、局所的な動水勾配を取得できる地下水流動評価方法を提供できる。

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。図１は、地盤１にボーリング孔３を削孔する工程を示す図である。図１では、まず、地盤１にボーリング孔３を削孔し、コアを採取する。また、原位置における地下水流速を取得する。地下水流速は、従来から行われているトレーサ法、熱量法、ポイントダイリューション法などを用いた流向流速計測によって取得可能である。

図２は、動水勾配取得試験の試験例を示す図である。図２では、コア５に対し、透水試験装置７を用いて動水勾配取得試験を行う。動水勾配取得試験では、流速制御方式の透水試験機を改良した、流速制御による透水試験装置７を用いる。図２に示すように、透水試験装置７は、シリンジポンプ本体９、注水配管２１、排水配管２３、三軸試験セル２５等からなる。

シリンジポンプ本体９は、シリンダ１１、シャフト１３、ピストン１５、端部１９等からなる。シャフト１３は、シリンダ１１の両端部１９を貫通するように設けられる。ピストン１５は、シリンダ１１内を２つのチャンバ１７に仕切るように設けられ、シャフト１３によって摺動可能に支持される。２つのチャンバ１７は、一方が注水ポンプ１７ａとして、他方が排水ポンプ１７ｂとして機能する。

注水配管２１は、一端がシリンジポンプ本体９のシリンダ１１の注水ポンプ１７ａ側に接続され、他端が三軸試験セル２５に接続される。排水配管２３は、一端がシリンジポンプ本体９のシリンダ１１の排水ポンプ１７ｂ側に接続され、他端が三軸試験セル２５に接続される。三軸試験セル２５は、供試体に側圧を印加する機能を有する。

図２に示す動水勾配取得試験では、まず、三軸試験セル２５内にボーリング孔３から採取したコア５を設置する。コア５は、ボーリング孔３から採取された１ｍ程度のボーリングコアを複数に切り分けたものである。次に、矢印Ａに示すようにコア５に側圧を印加し、コア５を地圧相当の拘束圧σｃで拘束する。

そして、シリンジポンプ本体９のピストン１５をシャフト１３を介して駆動して、注水ポンプ１７ａから矢印Ｂに示すように注水配管２１を介して三軸試験セル２５内のコア５に注水し、コア５からの排水を矢印Ｃに示すように排水配管２３を介して排水ポンプ１７ｂに還流させる。

このとき、透水試験装置７は、コア５への注水の流速を、ボーリング孔３を削孔して原位置で取得した地下水流速と同条件となるように制御する。また、コア５からの排水量をコア５への注水量と常に等しく維持する。

動水勾配取得試験では、コア５の注水側の圧力、排水側の圧力をそれぞれ計測する２つの圧力センサ、コア５の注水側と排水側の差圧を計測する差圧計等を用いて、コアの注水側と排水側の差圧を計測する。そして、計測した差圧をコア５の供試体長２７（図１）で除することにより、動水勾配を取得する。さらに、コア５に与えた地下水流速を動水勾配で除することにより、透水係数を取得する。

このように、第１の実施の形態では、最低１本のボーリング孔の任意の位置で計測した地下水流速を与えて動水勾配取得試験を実施することにより、空間的に整合性を保ちながら、動水勾配および透水係数を取得できる。そのため、地下水流動評価の精度が飛躍的に向上する。また、これまで取得されていなかった局所的な動水勾配を取得することができる。

第１の実施の形態では、１つのボーリング孔３でボーリング方向に複数個所で流速、動水勾配、透水係数を取得することにより、地下水流動評価の精度をさらに高めることができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。図３は、超低流速での動水勾配取得試験の試験例を示す図である。第２の実施の形態は、原位置の地下水流速が非常に遅く、地盤が均質な堆積岩や粘土等である場合に適用される。

第２の実施の形態では、まず、第１の実施の形態と同様に、地盤にボーリング孔を削孔し、コア２９を採取する。また、トレーサ法、熱量法、ポイントダイリューション法などを用いた流向流速計測によって原位置における地下水流速を取得する。

そして、図３に示すように、ボーリング孔から採取したコア２９に対し、透水試験装置７ａを用いて動水勾配取得試験を行う。動水勾配取得試験では、流速制御方式の透水試験機を改良した、流速制御による透水試験装置７ａを用いる。

透水試験装置７ａは、図２に示す透水試験装置７とほぼ同様の構成であるが、三軸試験セル２５の替わりに三軸試験セル２５ａを有する。三軸試験セル２５ａは、内部に供試体長が長いコア２９を設置できる。また、長い供試体に側圧を印加する機能を有する。

図３に示す動水勾配取得試験では、まず、三軸試験セル２５ａ内にボーリング孔３から採取したコア２９を設置する。コア２９は、ボーリング孔３から採取されたコアを１ｍ程度の長さのまま使用する。次に、矢印Ｄに示すようにコア２９に側圧を印加し、コア２９を地圧相当の拘束圧σｃで拘束する。

そして、シリンジポンプ本体９のピストン１５をシャフト１３を介して駆動して、注水ポンプ１７ａから矢印Ｅに示すように注水配管２１を介して三軸試験セル２５ａ内のコア２９に注水し、コア２９からの排水を矢印Ｆに示すように排水配管２３を介して排水ポンプ１７ｂに還流させる。

このとき、透水試験装置７ａは、コア２９への注水の流速を、ボーリング孔を削孔して原位置で取得した地下水流速と同条件となるように制御する。また、コア２９からの排水量をコア２９への注水量と常に等しく維持する。

動水勾配取得試験では、コア２９の注水側の圧力、排水側の圧力をそれぞれ計測する２つの圧力センサや、コア２９の注水側と排水側の差圧を計測する差圧計等を用いて、コアの注水側と排水側の差圧を計測する。そして、計測した差圧をコア２９の供試体長で除することにより、動水勾配を取得する。さらに、コア２９に与えた地下水流速を動水勾配で除することにより、透水係数を取得する。

このように、第２の実施の形態によれば、最低１本のボーリング孔の任意の位置で計測した地下水流速を与えて動水勾配取得試験を実施することにより、空間的に整合性を保ちながら、動水勾配および透水係数を取得できる。そのため、地下水流動評価の精度が飛躍的に向上する。また、これまで取得されていなかった局所的な動水勾配を取得することができる。

原位置の地下水流速が非常に遅く、動水勾配取得試験を超低流速で行う場合には、非常に小さな圧力計測を強いられる。第２の実施の形態では、供試体長を１ｍ程度と可能な限り長くし、注／排水圧をある程度の大きさとして圧力の絶対値を上げることにより、計測精度を高めることができる。

なお、第２の実施の形態では、供試体長が１ｍ程度のコア２９を用いたが、複数のコアを直列に連結し、供試体の長さの総和が１ｍ程度となるようにして、動水勾配取得試験を行ってもよい。

次に、第３の実施の形態について説明する。図４は、超低流速での動水勾配取得試験の試験例を示す図である。第３の実施の形態は、原位置の地下水流速が非常に遅く、地盤が亀裂性岩盤等である場合に適用される。

第３の実施の形態では、まず、第１の実施の形態と同様に、地盤にボーリング孔を削孔し、コアを採取する。また、トレーサ法、熱量法、ポイントダイリューション法などを用いた流向流速計測によって原位置における地下水流速を取得する。

そして、図４に示すように、ボーリング孔から採取した１ｍ程度のコアをコア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎに切り分け、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎに対し、透水試験装置７ｂを用いて動水勾配取得試験を行う。動水勾配取得試験では、流速制御方式の透水試験機を改良した、流速制御による透水試験装置７ｂを用いる。

透水試験装置７ｂは、図２に示す透水試験装置７とほぼ同様の構成であるが、注水配管２１の三軸試験セル側の端部が、枝管２１−１、枝管２１−２、…、枝管２１−ｎに分岐する。また、排水配管２３の三軸試験セル側の端部が、枝管２３−１、枝管２３−２、…、枝管２３−ｎに分岐する。さらに、三軸試験セル２５の替わりに複数の三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎを有する。

注水配管２１の枝管２１−１、枝管２１−２、…、枝管２１−ｎは、それぞれ、三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎに接続される。排水配管２３の枝管２３−１、枝管２３−２、…、枝管２３−ｎは、それぞれ、三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎに接続される。三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎは、供試体に側圧を印加する機能を有する。

図４に示す動水勾配取得試験では、まず、三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎ内にボーリング孔から採取したコア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎを設置する。コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎは、通常の長さのものを使用する。次に、矢印Ｇに示すようにコア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎに側圧を印加し、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎを地圧相当の拘束圧σｃで拘束する。

そして、シリンジポンプ本体９のピストン１５をシャフト１３を介して駆動して、注水ポンプ１７ａから矢印Ｈに示すように注水配管２１および枝管２１−１、枝管２１−２、…、枝管２１−ｎを介して三軸試験セル２５ｂ−１、三軸試験セル２５ｂ−２、…、三軸試験セル２５ｂ−ｎ内のコア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎに注水し、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎからの排水を矢印Ｉに示すように枝管２３−１、枝管２３−２、…、枝管２３−ｎおよび排水配管２３を介して排水ポンプ１７ｂに還流させる。

このとき、透水試験装置７ｂは、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎへの注水の流速を、ボーリング孔を削孔して原位置で取得した地下水流速と同条件となるように制御する。また、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎからの排水量をコア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎへの注水量と常に等しく維持する。

動水勾配取得試験では、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎの注水側の圧力、排水側の圧力をそれぞれ計測する圧力センサ、コア５−１、コア５−２、…、コア５−ｎの注水側と排水側の差圧を計測する差圧計等を用いて、コアの注水側と排水側の差圧を計測する。そして、計測した差圧をコアの供試体長で除することにより、動水勾配を取得する。さらに、コアに与えた地下水流速を動水勾配で除することにより、透水係数を取得する。

このように、第３の実施の形態によれば、最低１本のボーリング孔の任意の位置で計測した地下水流速を与えて動水勾配取得試験を実施することにより、空間的に整合性を保ちながら、動水勾配および透水係数を取得できる。そのため、地下水流動評価の精度が飛躍的に向上する。また、これまで取得されていなかった局所的な動水勾配を取得することができる。

原位置の地下水流速が非常に遅く、動水勾配取得試験を超低流速で行う場合には、非常に小さな圧力計測を強いられる。第３の実施の形態では、１つのシリンジポンプ本体９に供試体を並列につなぎ、通水面積を大きくすることにより、機械的に不可能なレベルの超低流速を実現できる。

なお、第１から第３の実施の形態では、２チャンバ型シリンジポンプを用いた透水試験装置７（透水試験装置７ａ、透水試験装置７ｂ）を使用して動水勾配取得試験を行ったが、動水勾配取得試験を行う装置はこれらに限らない。動水勾配取得試験は、複数のポンプを有するフローポンプを用いて行ってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる地下水流動評価方法の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

地盤１にボーリング孔３を削孔する工程を示す図 動水勾配取得試験の試験例を示す図 超低流速での動水勾配取得試験の試験例を示す図 超低流速での動水勾配取得試験の試験例を示す図

符号の説明

１………地盤
３………ボーリング孔
５、５−１、５−２、５−ｎ、２９………コア
７、７ａ、７ｂ………透水試験装置
９………シリンジポンプ本体
１７ａ………注水ポンプ
１７ｂ………排水ポンプ
２１………注水配管
２３………排水配管
２５、２５ａ、２５ｂ−１、２５ｂ−２、…、２５ｂ−ｎ………三軸試験セル
２７………供試体長

Claims (5)

1. 地盤にボーリング孔を削孔し、原位置における地下水流速を取得する工程（ａ）と、
   前記ボーリング孔から採取したコアに対し、流速制御による透水試験装置を用いて、前記地下水流速を与え、前記コアの注水側と排水側との圧力差を前記コアの全長で除することによって動水勾配を取得する工程（ｂ）と、
   を具備し、
   前記工程（ａ）で取得した前記原位置における地下水流速が非常に遅い場合、前記工程（ｂ）で、前記透水試験装置に、複数のコアを並列に連結することにより、通水面積を大きくして前記地下水流速を実現することを特徴とする地下水流動評価方法。
2. 地盤にボーリング孔を削孔し、原位置における地下水流速を取得する工程（ａ）と、
   前記ボーリング孔から採取したコアに対し、流速制御による透水試験装置を用いて、前記地下水流速を与え、前記コアの注水側と排水側との圧力差を前記コアの全長で除することによって動水勾配を取得する工程（ｂ）と、
   を具備し、
   前記工程（ａ）で取得した前記原位置における地下水流速が非常に遅い場合、前記工程（ｂ）で、前記透水試験装置に、複数のコアを直列に連結して長さの総和を１ｍ程度とすることを特徴とする地下水流動評価方法。
3. 前記地下水流速を、トレーサ法、熱量法またはポイントダイリューション法を用いて取得することを特徴とする請求項１または請求項２記載の地下水流動評価方法。
4. 前記工程（ｂ）で、前記コアからの排水量を前記コアへの注水量と常に等しく維持することを特徴とする請求項１または請求項２記載の地下水流動評価方法。
5. 前記工程（ｂ）で、２チャンバ型シリンジポンプを用いた透水試験装置を用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の地下水流動評価方法。

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