JP4974666B2

JP4974666B2 - 津波・波浪観測用ブイ

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Publication number: JP4974666B2
Application number: JP2006343655A
Authority: JP
Inventors: 英幸新里
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008157642A

Description

本発明は、海底に係留索を介して所定海域に係留され、波浪の観測や津波の予測などに使用される津波・波浪観測用ブイに関する。

たとえば、図７（ａ）に示すように、海底に設置されたアンカー２および／または沈錘３に連結された係留索４により、観測用ブイ１が所定海域に係留されるものが、たとえば特許文献１，２などに開示されている。
特開平８−１１０２２６号公報特開２００２−１３９２３号公報

図７（ｃ）に示すように、海面に浮かぶ浮体Ｍの動揺は、前後方向の直線動揺（surge：入射波の進行方向に沿うｘ軸方向の揺れ）、上下方向の直線動揺（heave:鉛直方向に沿うｚ軸方向の揺れ）、左右方向の旋回動揺（pitch:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するｙ軸周りの旋回揺れ）、左右方向の直線動揺（sway:入射波の進行方向と鉛直方向に直交するｙ軸方向の揺れ）、前後方向の旋回動揺（roll:入射波の進行方向に沿うｘ軸周りの旋回揺れ）、周方向の旋回動揺（yaw:鉛直方向のｚ軸周りの旋回揺れ）からなる複雑な連成運動と見ることができる。

波の計測では、上下方向の直線動揺［以下、直線動揺(heave)という］と左右方向の旋回動揺［以下、旋回動揺(pitch)という］とを計測し、図７（ｂ）に示すように、直線動揺(heave)の計測値ηを、旋回動揺(pitch)の計測値により補正して入射波高Ｈを求めている。

図７（ａ）に示すように、係留索４が緩んでいる場合には、観測用ブイ１は自由に浮かぶ状態で、入射波により観測用ブイ１が直線動揺(heave)する場合にも、旋回動揺(pitch)する場合にも、大きな影響が無く、波や津波の計測に問題がない。

しかし、図７（ｂ）に示すように、潮流により観測用ブイ１が押し流されて係留索４の伸長限となると、係留索４により観測用ブイ１が引っ張られてその動揺が抑制される。すなわち、係留索４の張力Ｆの鉛直方向の分力Ｆｖが、観測用ブイ１の直線動揺(heave)に作用するとともに、張力Ｆの水平方向の分力Ｆｈが観測用ブイ１の旋回動揺(pitch)に作用する。これにより、正確な入射波高Ｈを計測できないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、係留索が伸長限にあっても、波の入射波高を正確に計測することができる津波・波浪観測用ブイを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、海底に係留索を介して所定海域に係留され津波および／または波浪を観測する津波・波浪観測用ブイであって、係留索が連結された係留ブイと、当該係留ブイに昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイからなり、係留ブイのブイ本体に、水平方向に貫通された昇降ガイド穴を設け、遊動ブイを、前記昇降ガイド穴に昇降自在および傾動自在に嵌合されたフレームバーと、当該フレームバーの両端部にそれぞれ取り付けられてブイ本体の両側に浮かぶ計測浮体とで構成し、前記計測浮体にそれぞれ当該計測浮体の変位を検出可能な海面変位検出部を設けたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、係留ブイに、入射波の進行方向に対して当該係留ブイが一定方向を向く対波浪姿勢とする方向制御用フインを設け、昇降ガイド穴の形成方向を、前記対波浪姿勢におけるブイ本体の入射波の進行方向に沿う方向としたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成において、昇降ガイド穴を、フレームバーが所定範囲で昇降可能な高さに形成するとともに、当該昇降ガイド穴の天面と底面とに中心部から外周側ほど広がる傾斜面をそれぞれ形成し、ブイ本体の昇降ガイド穴の開口部周囲と計測浮体の少なくとも一方に、緩衝用の防舷部材を設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、係留索により海底に係留された係留ブイの直線動揺(heave)や旋回動揺(pitch)が、係留索の張力により抑制されることがあっても、遊動ブイがフレームバーを介してブイ本体の昇降ガイド穴に昇降自在および傾動自在に保持されているので、フレームバー両端部の計測浮体が入射波に正確に追従して遊動ブイが直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)され、計測浮体の海面変位検出部により入射波による海面の変位を高精度で検出して、精度よく入射波高を観測することができる。

請求項２記載の発明によれば、入射波の進行方向に対して、係留ブイを一定の方向の対波浪姿勢とする方向制御用フインを係留ブイに設けるとともに、ブイ本体に、前記対波浪姿勢で入射波の進行方向に沿う方向に昇降ガイド穴を形成したので、入射波により係留ブイが入射波の進行方向に沿う鉛直面内で傾くに従って、昇降ガイド穴も前記鉛直面内で傾くので、昇降ガイド穴の内面とフレームバーとの間に摩擦抵抗が大幅に軽減されるか、あるいは発生せず、フレームバーが昇降ガイド穴内でスムーズに昇降および傾動して遊動ブイが直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)され、海面変位検出部により入射波による海面の変位を高精度で検出することができる。

請求項３記載の発明によれば、昇降ガイド穴の高さにより、直線動揺(heave)によるブイ本体と遊動ブイとの変位差を許容することができる。また昇降ガイド穴の天面と底面とを開口部側ほど互いに離間する傾斜面に形成することにより、フレームバーの傾動範囲を十分に確保し、旋回動揺(pitch)するブイ本体と遊動ブイとの変位差を許容することができる。また防舷部材により、ブイ本体と計測浮体との衝突時の衝撃を緩和することができ、ブイ本体や計測浮体、海面変位検出部の損傷を未然に防止することができるとともに、海面変位検出部により計測される測定データにノイズが混入するのを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
［実施の形態］
図１〜図３に示すように、この津波・波浪観測用ブイは、海底のアンカー２および／または沈錘３に連結された係留索４により、所定の海域に係留された係留ブイ１１と、この係留ブイ１１に昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイ２１とにより構成されたものである。

前記係留ブイ１１は、円柱状のブイ本体１２に、その底部中心部から転倒防止用のバラストを内挿した尾筒１３が垂下され、尾筒１３の下端部に設けられた係留環１３ａに係留索４が連結されている。またブイ本体１２の上面には、計測データの送信機能を有する観測装置１４を装備した観測室１５が設けられ、観測室１５の上部のタワー構造体１６に送信用のアンテナ１６ａが設けられている。また尾筒１３の上部に左右一対の方向制御用フイン１７が対称位置に取り付けられており、これら方向制御用フイン１７により、係留ブイ１１が入射波の進行方向に対して一定方向を向く対波浪姿勢となるように構成されている。

前記遊動ブイ２１は、ブイ本体１２の両側に配置されて海面に浮かぶ一対の計測浮体２２と、これら計測浮体２２を互いに連結するフレームバー２３とにより構成されている。一方、ブイ本体１２には、喫水上方の近傍位置に昇降ガイド穴１８が水平方向に貫通形成されており、前記フレームバー２３が前記昇降ガイド穴１８に所定範囲で昇降自在および傾動自在に嵌合されて、遊動ブイ２１が係留ブイ１１に保持されている。また前記両計測浮体２２には、海面の変位を検出するための海面変位検出部２４がそれぞれ設けられている。さらに前記昇降ガイド穴１８は、対波浪姿勢で入射波の進行方向に沿う方向、すなわち方向制御用フイン１７と同一の鉛直面内に形成されている。

さらにまたブイ本体１２の昇降ガイド穴１８の開口部周囲には、計測浮体２２との接触による衝撃を緩衝するために、たとえば合成ゴム製などの緩衝用の防舷部材１９が取り付けられており、これら防舷部材１９により、ブイ本体１２と計測浮体２２との衝突による損傷を防止するとともに、海面変位検出部２４への衝撃を緩衝し計測される計測データにノイズが混入するのを防止している。なお、防舷部材１９は計測浮体２２に取り付けてもよいし、ブイ本体１２と計測浮体２２の両方にそれぞれ取り付けてもよい。また計測浮体２２をたとえば合成ゴムや軟質樹脂などのような弾性を有する材料で形成してもよい。

前記計測浮体２２は、互いに同一形状で同一の浮力を有し、たとえば図のように球体状に形成されるとともに、その殻体内が中空か、または発泡樹脂などの浮力付与材料が充填された中実状に構成され、計測浮体２２の浮心位置にそれぞれ海面変位検出部２４が水密状態で、かつ計測データを観測装置１４に送信可能に設けられている。またフレームバー２３は中空で密閉されたたとえば耐食性の金属で形成され、両計測浮体２２の上部間を互いに連結しており、入射波の影響を受けにくいように、フレームバー２３が遊動ブイ２１の喫水線より所定距離上方位置に配置される。そしてフレームバー２３の中心位置の下位近傍に、遊動ブイ２１の浮心ｇがある。なお、前記計測浮体２２は、球体以外に、円柱体状などのように入射波などの影響が少ない形状であればよく、その形状は問われない。

そして昇降ガイド穴１８は、図４，図５に示すように、ブイ本体１２の中央部で、遊動ブイ２１のフレームバー２３の上方と下方とに等間隔をあけてフレームバー２３を昇降可能な高さ：ＧＨが形成され、また天面と底面とに中央部から開口部側に向かって、所定の傾斜角θで上方および下方に漸次広がる傾斜面１８ｕ，１８ｄがそれぞれ形成され、フレームバー２３の昇降と傾動を許容している。

この実施の形態では、同一の入射波に対して同じように同期して直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)するように、静水中の係留索４の初期張力を考慮した係留ブイ１１固有の直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)における動揺周期と、遊動ブイ２１固有の直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)における動揺周期と振幅とが同一になるか、またはできるだけ接近するように設計されている。しかし、伸長限での係留索４による張力や、係留ブイ１１と遊動ブイ２１の喫水上下の表面積差および体積差や風、渦流などの複雑な海象作用により、係留ブイ１１と遊動ブイ２１の直線動揺(heave)と旋回動揺(pitch)とに位相差や振幅差が生じることがあり、これら位相差や振幅差が生じた場合にその変位を十分許容可能なように、昇降ガイド穴１８の高さ：ＧＨと傾斜面１８ｕ，１８ｄの傾斜角θが設定されている。

両計測浮体２２にそれぞれ設けられた海面変位検出部２４は、計測データを観測室１５の観測装置１４に送信する送信機がそれぞれ内蔵されている。これら海面変位検出部２４をＧＰＳ受信機と送信機とで構成した場合、海面変位検出部２４では、ＧＰＳ用の人工衛星から受信した電波から得られる計測データを観測装置１４にそれぞれ送信し、観測装置１４からアンテナ１６ａを介して地上基地局に送信する。また海面変位検出部２４を、計測浮体２２の加速度を検出する加速度計と送信機とで構成した場合、海面変位検出部２４で計測した加速度データを観測装置１４にそれぞれ送信し、観測装置１４に設けられたＧＰＳ受信機によりＧＰＳ用の人工衛星から受信した電波から得られる計測データと共に、観測装置１４からアンテナ１６ａを介して地上基地局に送信する。地上基地局では、送信された受信データを処理し、計測浮体２２の直線動揺(heave)と旋回動揺(pitch)の周期や振幅から入射波高を演算する。

図６（ａ）に示すように、係留索４と浮体Ｍとのつり合いは、浮体Ｍの重量：Ｗ、係留索４の張力：Ｆ、張力の鉛直方向の成分：Ｆｖとすると、Ｗ＋Ｆｖ＝ρ×ｇ×Ｖ（ρ：海水の密度、ｇ：重力加速度、Ｖ：浮体の喫水線下の体積）であり、鉛直方向の成分：Ｆｖは、（ρ×ｇ×Ｖ）−Ｗで求められ、本発明では、鉛直方向の成分：Ｆｖが所定範囲に収まるように係留設計される。

ここで、係留ブイ１１と遊動ブイ２１の直線動揺(heave)は、係留ブイ１１と遊動ブイ２１の喫水上下の表面積差や体積差、浮心位置、海象作用などにより、互いに位相差や振幅差が生じることもあるが、概ね入射波に追従するものと考えられる。

しかしながら、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、係留索４の張力Ｆの水平方向の成分Ｆｈは、鉛直方向の成分Ｆｖに比較して小さいものの、係留ブイ１１の浮心Ｇと係留環１３ａまでの距離ｈが腕となる回転モーメントとして作用するため、係留ブイ１１の浮心Ｇを中心とする旋回動揺(pitch)に大きく影響し、係留索４の張力Ｆが働かない場合の係留ブイ１１に比較して、旋回動揺(pitch)における位相差や振幅差が生じやすい。本発明では、係留ブイ１１に遊動ブイ２１を昇降および傾動自在に設け、遊動ブイ２１の計測浮体２２に海面変位検出部２４を設けることにより、係留索４の張力Ｆに起因する旋回動揺(pitch)の計測誤差がでないように構成している。

また、係留ブイ１１が任意方向に傾いてブイ本体１２の昇降ガイド穴１８が傾斜すると、遊動ブイ２１のフレームバー２３と昇降ガイド穴１８の内面との間に大きい摩擦抵抗が発生し、遊動ブイ２１の直線動揺(heave)と旋回動揺(pitch)とを抑制するおそれがある。本発明では、係留ブイ１１を対波浪姿勢とする方向制御用フイン１７と昇降ガイド穴１８とを同一鉛直面内に設けて、昇降ガイド穴１８を入射波の進行方向を含む鉛直面内に配置するように構成したので、フレームバー２３は昇降ガイド穴１８内で入射波の進行方向を含む鉛直面内でのみ昇降および傾動し、昇降ガイド穴１８の内面へのフレームバー２３の摩擦抵抗が大幅に軽減されるか、あるいは発生せず、これにより遊動ブイ２１の直線動揺(heave)と旋回動揺(pitch)が妨げられることがない。

上記実施の形態によれば、係留索４により係留された係留ブイ１１において、伸長限の係留索４の張力Ｆにより直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)が抑制されることがあっても、係留ブイ１１のブイ本体１２に、昇降ガイド穴１８を介して、遊動ブイ２１が昇降自在および傾動自在に保持されているので、遊動ブイ２１が入射波に正確に追従して直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)し、遊動ブイ２１の計測浮体２２に設けられた海面変位検出部２４により、入射波による海面の変位を高精度で検出して、精度よく入射波高を観測することができる。

また係留ブイ１１の尾筒１３に方向制御用フイン１７を設け、これら方向制御用フイン１７により、係留ブイ１１を入射波の進行方向に対して一定の方向に向く対波浪姿勢とするように構成するとともに、昇降ガイド穴１８を方向制御用フイン１７と同一鉛直面内に形成したので、入射波により係留ブイ１１が入射波の進行方向に沿って入射波の進行方向を含む鉛直面内で傾くと、昇降ガイド穴１８も同一の鉛直面内で傾くので、フレームバー２３の昇降ガイド穴１８の内面への摩擦抵抗が大幅に軽減されるか、あるいは無くなり、フレームバー２３がスムーズに昇降および傾動されて遊動ブイ２１の直線動揺(heave)および旋回動揺(pitch)が抑制されることがない。

また係留ブイ１１と遊動ブイ２１の固有の動揺周期や振幅を互いに同一になるように設計したので、係留ブイ１１と遊動ブイ２１とがほぼ一体に同期して動揺され、これにより、昇降ガイド穴１８内におけるフレームバー２３の昇降範囲や傾動範囲を小さくでき、昇降ガイド穴１８を小さくできて入射波に対するブイ本体１２の強度を向上させることができる。

さらに昇降ガイド穴１８の天面と底面とに、開口部側ほど互いに離間する傾斜面１８ｕ，１８ｄを形成したので、ブイ本体１２に対する遊動ブイ２１のフレームバー２３の傾動角を十分に確保することができて、ブイ本体１２と遊動ブイ２１との旋回動揺(pitch)の位相差のずれを許容することができ、また底面の傾斜面１８ｄにより、昇降ガイド穴１８に流入した海水をスムーズに排水することができる。さらにまた、防舷部材１９により、ブイ本体１２と計測浮体２２との衝突時の衝撃を緩和することができ、ブイ本体１２や計測浮体２２、海面変位検出部２４の損傷を未然に防止することができるとともに、海面変位検出部２４により検出される測定データにノイズが混入するのを未然に防止することができる。

本発明に係る津波・波浪観測用ブイの実施の形態を示す側面図である。図１に示すＡ−Ａ断面図である。図１に示すＢ−Ｂ断面図である。ブイ本体の昇降ガイド穴を示し、遊動ブイの直線動揺(heave)を説明する部分縦断面図である。ブイ本体の昇降ガイド穴を示し、遊動ブイの旋回動揺(pitch)を説明する部分縦断面図である。入射波による浮体または係留ブイの動揺状態の説明図で、（ａ）は浮体のつり合い状態を示し、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ大きい入射波による係留ブイの動揺状態を示す。従来の浮体または観測用ブイの動揺を説明する説明図で、（ａ）は通常状態の観測用ブイを示し、（ｂ）は潮流により係留索が伸長限にある観測用ブイを示し、（ｃ）は浮体の動揺を示す。

符号の説明

ｇ遊動ブイの浮心
Ｇ係留ブイの浮心
Ｆ係留索の張力
Ｆｈ張力の水平成分
Ｆｖ張力の鉛直成分
２アンカー
３沈錘
４係留索
１１係留ブイ
１２ブイ本体
１３尾筒
１４観測装置
１５観測室
１６タワー構造体
１６ａアンテナ
１７方向制御用フイン
１８昇降ガイド穴
１８ｄ，１８ｕ傾斜面
１９防舷部材
２１遊動ブイ
２２計測浮体
２３フレームバー
２４海面変位検出部

Claims

海底に係留索を介して所定海域に係留され津波および／または波浪を観測する津波・波浪観測用ブイであって、
係留索が連結された係留ブイと、当該係留ブイに昇降自在および傾動自在に保持された遊動ブイからなり、
係留ブイのブイ本体に、水平方向に貫通された昇降ガイド穴を設け、
遊動ブイを、前記昇降ガイド穴に昇降自在および傾動自在に嵌合されたフレームバーと、当該フレームバーの両端部にそれぞれ取り付けられてブイ本体の両側に浮かぶ計測浮体とで構成し、
前記計測浮体にそれぞれ当該計測浮体の変位を検出可能な海面変位検出部を設けた
津波・波浪観測用ブイ。
係留ブイに、入射波の進行方向に対して当該係留ブイが一定方向を向く対波浪姿勢とする方向制御用フインを設け、
昇降ガイド穴の形成方向を、前記対波浪姿勢におけるブイ本体の入射波の進行方向に沿う方向とした
請求項１記載の津波・波浪観測用ブイ。
昇降ガイド穴を、フレームバーが所定範囲で昇降可能な高さに形成するとともに、当該昇降ガイド穴の天面と底面とに中心部から外周側ほど広がる傾斜面をそれぞれ形成し、
ブイ本体の昇降ガイド穴の開口部周囲と計測浮体の少なくとも一方に、緩衝用の防舷部材を設けた
請求項１または２記載の津波・波浪観測用ブイ。