JP5538776B2 - 河川の洗掘測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、出水や洪水時に河川の底質土砂（概略粒径１０ｍｍ以下）が下流側に押し流される洗掘状態ないしは最大洗掘深度を測定する河川の洗掘測定装置に関するものである。

ここで、出水とは、大雨や融雪などにより川の水量が増大することであり、又、洪水とは、河川の水位や流量が異常に増大することにより、平常の河道から河川敷内に水があふれること、および、破堤または堤防からの溢水が起こり、河川敷の外側に水が溢れることを意味している。

河川の底質は、出水や洪水時の洗掘により絶えず変化している。底質が洗掘されると堤体上部までの高さが変化し、定められた計画高水位に達するまでの流量が変化するため、河川計画に影響を与えるので、洪水時における底質の洗掘状況および最大洗掘深度の日時を把握する必要がある。河川の底質の変動を知る場合、深浅測量や底質の変動を測る計測器などで洗掘の深さを測定している。しかし、深浅測量の測定結果では、洪水前後の測定結果のため洪水時の変動を特定することができない。そこで、特許文献１，２には、河床の低下量を時間的な変化とともに計測し、河床の変化に伴って発生する災害の予知などに役立てようとする河床低下測定装置や河床洗掘状況遠隔監視システムが提案されている。

これらの特許文献に開示されている河床低下測定装置や監視システムにおいては、河道における河床に埋設され、発信器を内蔵したセンサー部と、このセンサー部から発信された電波をアンテナを介して受信する受信機と、この受信機で受信された受信状況を記録する受信記録計とを備え、センサー部は、河床から下方に向けて、目標とする計測範囲（予測洗掘深さに相当）に複数を積層した状態で埋設することを基本構成としている。

このように構成した河床低下測定装置ないしは監視システムによれば、洪水が起きたときに、センサー部が離脱して浮上すると、センサー部に内蔵された発信器が駆動して、これから発信された電波が、アンテナを介して受信機で受信され、さらに、この受信機で受信された受信状態が受信記録器に記録されることにより、河床低下量が時間的変化に応じて計測されることになる。

しかしながら、このような構成の河床低下量測定装置ないしは監視システムには、以下に説明する技術的な課題があった。
特開2002-365046号公報 特開2004-271243号公報

すなわち、上述した従来の測定装置ないしは監視システムでは、センサー部に発信器を内蔵させることが基本的な構成要件となっているが、発信器を駆動させるためには、センサー部に内臓電池を必要とする。

センサー部に内臓電池を設けると、センサー部が流下して、そのまま放置されると、環境に悪影響を及ぼすし、また、センサー部を浮上させるためには、浮体などを必要として、さらには、センサー部の離脱により発信器を駆動させるためには、スイッチ機構も必要とするので、構造が複雑になり、センサー部がコスト高になるという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、環境に悪影響を与えることがなく、簡単な構成でコストの低減が図れる河川の洗掘測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、比較的早期に腐食・消滅する金属製の表面を有する柱状体であるセグメントが上下方向に複数積層した状態で河床内に埋設され、前記セグメントの高さと、洗掘深さの演算基準となる上端または下端から測定対象である河床面までの距離とが既知であるセグメントユニットと、前記セグメントごとに個別に配置し、そのセグメントの積層状態と積層離脱状態とを検出する複数の細銅線から構成されるセンサーと、前記セグメントユニットの下端に取り付ける、前記センサーの検出状態を経時的に測定記録する計測記録装置と、を備えており、前記センサーとなる細銅線は、前記計測記録装置からそれぞれのセグメントまで配置し、さらにそのセグメントで折り返して前記計測記録装置に到達するように配置し、前記計測記録装置は、前記セグメントが離脱すると、離脱したセグメントに配置した細銅線が切断されることで、前記セグメントの積層状態と積層離脱状態との電気的な特性変化を検出して記録する、河川の洗掘測定装置とする。

このように構成した河川の洗掘測定装置によれば、セグメントユニットは、土砂の洗掘により露出すると、上端側のセグメントから順に、水の流速に押されて積層状態から離脱する。

セグメントが離脱すると、その状態がセンサーにより検出され、これが計測記録装置に経時的に記録される。このような情報が記録されている計測記録装置を回収すると、セグメントが離脱した際の時間を知ることができる。

この場合、セグメントユニットは、セグメントの高さと、洗掘深さの演算基準となる上端または下端から測定対象である河床面までの距離とが既知なので、セグメントの離脱個数を計数すると、洗掘された深さを知ることができる。

本発明では、セグメントは、河川の出水ないしは洪水時に発生する洗掘により、積層状態から離脱すればよいので、発信器などの機能部品を搭載する必要がなく、発信器を内蔵させる場合のように電源電池を内蔵する必要もないので、セグメントが流失したとしても環境に悪影響を及ぼす恐れがなく、構造も簡単でコストの低減を図ることができる。

センサーは、細銅線から構成され、この細銅線を前記セグメントに折り返すように配置し、前記セグメントが離脱すると、前記細銅線が切断されるようにすることができる。この構成によれば、センサーの構造が簡単になり、コスト削減効果も大きくなる。

前記センサーの電気的特性は、電圧、電流、抵抗値のいずれかから選択することができる。この構成によれば、計測記録装置での経時変化の記録に大きな容量を必要とせず、簡単に記録することができる。

本発明にかかる河川の洗掘測定装置によれば、洗掘状態を計測するために用いるセグメントは、河川の出水ないしは洪水時に発生する洗掘により、積層状態から離脱すればよいので、発信器などの機能部品を搭載する必要がなく、発信器を内蔵させる場合のように電源電池を内蔵する必要もないので、セグメントが流失したとしても環境に悪影響を及ぼす恐れがなく、構造も簡単でコストの低減を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図５は、本発明に係る河川の洗掘測定装置の一実施例を示している。これらの図に示した洗掘測定装置１０は、セグメントユニット１２と、センサー１４と、計測記録装置１６とを有している。

洗掘測定装置１０は、河川の底質を計測する際に用いられるものであって、図１に示すように、河川の河床Ａの水底地盤Ｂ中に所定の間隔を隔てて、複数が埋設設置される。この時の設置位置は、特に制限はなく、例えば、上下流側の装置同士が流れに沿って重ならないように、任意の位置に設定することができる。なお、図１に示したように複数の洗掘測定装置１０を設置する場合には、各測定装置１０の識別が可能になるように、番号などを付けることが望ましい。

図２は、図１に示した洗掘測定装置１０の拡大図である。セグメントユニット１２は、本実施例の場合、高さが既知の100ｍｍで、直径が約60φｍｍの大きさを有する中心に貫通孔が穿設された円筒状に形成されたセグメント１２ａが用いられていて、複数のセグメント１２ａが上下方向に積層されている。セグメント１２ａは、例えば、撥水ライナ紙を外径6cm、内径5cm、高さ10cm、厚み5mmの円筒型に整形し、外部をペイント材で色分けし、１，２…と追い番を付している。これは回収時にどの層のセグメントかを識別しやすくするためである。紙管で構成したセグメント１２ａは、厚手・硬質であり、堆積物中に設置した場合、約１年程度の耐用性がある。なお、セグメント１２ａは、この構成に限られることはなく、例えば、時間の経過により比較的早期に腐食・消滅する薄い金属製の表面を有する柱状体とすることができる。この場合、柱状体は、金属殻からなり中空体であって良いし、内部に前述したライナ紙を詰めたものであってもよい。さらに、金属製の表面材に代えて、例えば、生分解性プラスチックを用いることも可能である。

セグメント１２ａのより具体的な構成例は、実坪量222.0g/m2、密度0.76g/m3、厚さ0.29mm、比破裂強さ2.95kPa・m2/g、比圧縮強さ（横）173N・m2/g、裂断長（縦）6.43km、比引裂強さ（縦）9.7mNm2/g、撥水度（表）6.5、コブ吸水度67g/m2・2min、水分（リール）8.1％の撥水ライナ紙を好適に使用することができ、このような性状のセグメント１２ａを用いると、そのまま放置したとしても、環境負荷が非常に少なくなる。

なお、セグメント１２ａの形状は、図示したものに限る必要はなく、例えば、各柱状や多角形柱状などであってもよい。また、前述した比較的早期に腐食・消滅する薄い金属製の表面を有する柱状体セグメント１２ａの具体的な構成としては、以下の構成が挙げられる。幅１１０ｍｍ、厚さ０．２２ｍｍのブリキ鋼板を用い、これを長径が５４φｍｍの中空円柱状に溶接したものである。このような性状のセグメント１２ａを用いると、紙製の場合よりも比較的耐用性があり、なおかつそのまま放置したとしても、腐食するため、環境負荷は非常に少ない。この場合の耐用性は、鋼板の厚みを選択することにより、適宜変更することが可能である。

セグメント１２ａは、複数個が上下方向に積層された状態で、河床Ａの地盤Ｂ中に埋設される。セグメント１２ａを積層状態で埋設する際には、本実施例の場合には、図２に示すように、上端のセグメント１２ａの上面が、測定対象である河床面Ｃと一致するようにして埋設されており、この場合には、積層されたセグメント１２ａの上端が、洗掘深さの演算基準となっていて、これを河床面Ｃと一致させている。

なお、図２に示したセグメントユニット１２の埋設状態において、上端のセグメント１２ａの上面が、測定対象である河床面Ｃと必ずしも一致するようにして埋設する必要はなく、例えば、河床面Ｃが通常の流れにおいて、若干変動するのであれば、これを見込んで、上端を河床面Ｃから若干陥没する位置に設定することも可能である。この場合の変動値は、出水状態に至らない範囲での洗掘状態を意味している。

さらに、セグメントユニット１２の埋設状態は、図２に示した状態に限る必要はなく、例えば、積層されたセグメント１２ａの下端が洗掘深さの演算基準となるようにすることも可能であり、この場合には、下端から測定対象である河床面Ｃまでの距離を測定して既知とすればよい。

なお、複数のセグメント１２ａを積層するセグメントユニット１２の積層状態の安定化を図るには、例えば、上下のセグメント１２ａ同士で凹凸嵌合させればよい。この場合、洗掘による離脱の容易性を考慮して、緩い嵌合状態とすれば問題はない。

センサー１４は、各セグメント１２ａに個別に配置されており、セグメント１２ａの積層状態と、積層から離脱した２つの状態とを検出する。本実施例の場合、電気的な特性の変化により、このような異なる状態を検知するものであり、各センサー１４は、絶縁被覆された極細の銅線から構成されている。

本実施例の場合、図３に示すように、銅線は、各セグメント１２ａの外側面の下端近傍で折り返すように配置され、接着剤などにより固定されている。なお、センサー１４の固定位置は、図示した個所以外に、セグメント１２ａの貫通孔の内面や、上下端面のいずれであってもよい。

このように構成したセンサー１４では、セグメント１２ａが積層状態から離脱すると、銅線が切断する。この際に、センサー１４に微小電圧を印加しておくと、切断により、その端子電圧が変化することになり、電圧を監視しておくと、セグメント１２ａの離脱を検出することができる。

なお、センサー１４で積層状態と積層離脱状態とを検出する際の電気的特性の対象は、電圧に限る必要はなく、例えば、電流や抵抗値であってもよい。

計測記録装置１６は、水密性の筐体１８内に配置され、セグメント１２ａが積層されたセグメントユニット１２の下端に埋設されている。本実施例の計測記録装置１６は、センサー１４が個別に接続された複数のコンパレータ１６ａと、コンパレータ１６ａに接続された複数のラッチ回路１６ｂと、ラッチ回路１６ｂに接続された抵抗を組合わせたラダー回路１６ｃとを備えている。

コンパレータ１６ａは、センサー１４から検出される端子電圧と基準電圧とを比較して、所定の出力信号をラッチ回路１６ｂに送出するものであって、ラッチ回路１６ｂは、コンパレータ１６ａからの送出信号を一時的に保持する。

ラダー回路１６ｃは、制御器１６ｄに接続され、制御器１６ｄには、メモリ１６ｅと発信器１６ｆとが接続されている。制御器１６ｄは、マイクロコンピュータから構成され、センサー１４に所定の電圧を供給するとともに、コンパレータ１６ａからの送出信号を、ラダー回路１６ｃを介して受信し、これをメモリ１６ｅに経時的に記憶させる。なお、センサー１４が筐体１８から取り出される個所には、適宜な水密構造が設けられる。

図４には、メモリ１６ｅに記憶されるセンサー１４の送出信号の一例が示されている。図４は、横軸が時刻であり、縦軸が電圧となっている。本実施例の場合、センサー１４は、被覆された極細の銅線から構成されており、各セグメント１２に外面で折り返されている端子電圧を測定している。

セグメント１２ａが積層状態から離脱して、センサー１４が切断すると、端子電圧が急激に大きくなって、セグメント１２ａの離脱が、その時刻とともに検出される。

このようなセグメント１２ａの離脱条件としては、川の水の流速によっても異なるが、例えば、洗掘によりセグメント１２ａの高さの半分以上が露出した場合に離脱するように設定することができる。

図６および図７には、本発明に係る洗掘測定装置１０の設置方法を示している。これらの図に示した設置方法では、まず、測定対象河床Ａの水底地盤Ｂ中に、掘削孔２０が形成される。

掘削孔２０の形成には、図６に示すように、中空円筒状のケーシング２２が用いられる。このケーシング２２は、内部に洗掘測定装置１０の挿入が可能な直径を備えている。

ケーシング２２を地盤Ｂ中に貫入する際には、ケーシング２２に隣接してガイドパイプ２４を立設し、これを測量員が測量器２４で視認することにより、設置位置の座標が測量される。なお、セグメントユニット１２および計測記録装置１６を含む洗掘測定装置１０の埋設位置は、図示したような現場測量だけでなく、例えば、衛星の観測に基づくＧＰＳ測量で行ってもよい。

ケーシング２０の貫入には、本実施例の場合にはジェット水流が用いられ、これを噴出するジェットボーリングパイプ２６がケーシング内に挿入される。ボーリングパイプ２６は、川面に浮かべられた船体２８に搭載されているジェットポンプ３０が接続されている。

ケーシング２０の地盤Ｂ中への貫入が進行し、これが所定の深度まで貫入されると、図６に示すように、ケーシング２０内にセグメントユニット１２と計測記録装置１６が挿入される。この際には、計測測量装置１６が設置された筐体１８が下端に配置され、その上にセグメントユニット１２が配置される。

そして、筐体１８が掘削された水底地盤の下端に到達すると、ケーシング２０を抜き取ることにより設置が完了する。なお、本発明にかかる洗掘計測装置１０の設置方法は、図示した方法に限る必要はなく、例えば、ケーシング２０を使用しない掘削方法であってもよい。

図８，９には、本発明に係る洗掘計測装置１０の回収方法の一例を示している。洗掘計測装置１０の回収に際しては、本実施例の場合、計測記録装置１６に発信器１６ｆが設けられているので、これを利用する。

洗掘計測装置１０の探索は、受信機３０を作業員が所持して、発信器１６ｆからの電波を受信することで設置場所を特定する。この場合、発信器１６ｆは、常時電波を送出するようにしてもよいが、受信機３０からの信号を受けた場合にだけ電波を送出するようにすれば電池の消耗を防ぐことができる。

洗掘計測装置１０の設置位置が特定されると、次に、図９に示すように、潜水士がジェットボーリンクパイプ２６を把持して、その先端を地盤Ｂに向けることにより、ジェット水流により地盤を掘削して、洗掘計測装置１０を回収することになり、回収した装置１０は、再利用することができる。なお、洗掘計測装置１０の埋設位置は、現場測量やＧＰＳ測量により特定されている場合には、発信器１６ｆは必ずしも必要としない。

以上のよう構成された洗掘計測装置１０では、河川の出水や洪水時に洗掘が発生すると、セグメント１２ａが土砂の洗掘により河床面から露出すると、水の流速により押されて積層状態から離脱する。

このとき、離脱したセグメント１２ａに配置されているセンサー１４が切断すると、その電気的な特性が変化して、これが計測記録装置１６に経時的に記録され、計測記録装置１６を回収すると、セグメント１２ａが離脱した際の時間を知ることができる。

このような情報が記録されている計測記録装置１６を回収すると、セグメント１２ａが離脱した際の時間を知ることができる。この場合、セグメントユニット１２は、セグメント１２ａの高さと、洗掘深さの演算基準となる上端または下端から測定対象である河床面Ｃまでの距離とが既知なので、セグメント１２ａの離脱個数を計数すると、洗掘された深さを知ることができる。

図５には、本発明に係る洗掘測定装置１０で得られる洗掘深度と電圧との関係の一例を示している。同図において、横軸が時刻で縦軸が洗掘深度であり、本実施例の場合、セグメント１２ａの単体での高さが100ｍｍになっているので、６月１５日の７時１２分に、上端の１個のセグメント１２ａが離脱し、その時の洗掘深さが100ｎｍとなっている。

また、図５に示した例では、時間の経過とともに、セグメント１２ａは、上端側から、順次積層状態から離脱し、６月１５日の１２時には、７個のセグメント１２ａが離脱して、洗掘深度が700ｍｍになっている。

以上のように構成された洗掘計測装置１０では、セグメントユニット１２は、河川の出水ないしは洪水時に発生する洗掘により、積層状態から離脱すればよいので、発信器などの機能部品を搭載する必要がなく、発信器を内蔵させる場合のように電源電池を内蔵する必要もないので、セグメント１２ａが流失したとしても環境に悪影響を及ぼす恐れがなく、構造も簡単でコストの低減を図ることができる。

図１０は、本発明に係る洗掘測定装置の他の実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ詳述する。

同図に示した例では、セグメント１２ａの積層状態と積層離脱状態とを検出するセンサー１４ａに光ファイバを用いている。光ファイバ型のセンサー１４ａは、 セグメント１２ａの積層状態と積層離脱状態とを光伝播の特性変化により検出する。

この場合、センサー１４ａは、上記実施例と同様に、各セグメント１２ａで折り返すように配置され、当該セグメント１２ａが離脱すると、光ファイバ１４ａが切断されるように構成されている。なお、光ファイバ１４ａは、比較的破断されやすいので、例えば、折り返す際には、セグメント１２ａの内周または外周を周回するようにして折り返すほうがよい。

筐体１８内には、光ファイバ型センサー１４ａの端部に、光電変換器１６ｈが配置されている。この光電変換器１６ｈは、光ファイバの送信側に発光ダイオードが配置され、受信側にホトダイオードが配置されている。

発光ダイオードから送出された光信号は、センサー１４ａ内を伝播して、ホトダイオードに出力され、ホトダイオードで変換された電気信号が制御器１６ｄを介して、メモリ１６ｅに記録される。

セグメント１２ａが積層離脱状態になると、センサー１４ａが切断されて、伝播する光信号が消失して、その結果、ホトダイオードの出力がなくなり、セグメント１２ａの積層状態と積層離脱状態とが検出される。

このような構成の光ファイバ型センサー１４ａを用いても、上記実施例と同等の作用効果が得られるとともに、これに加えて、光信号を用いるセンサー１４ａによれば、電気を使用するセンサーのように漏れ電流の影響を全く考慮しなくてもよくなる。

本発明にかかる洗掘計測装置によれば、出水や洪水時の河川の洗掘状態が、経時的に測定することができるので、堤体を設計する際の資料として有効に活用することができる。

本発明にかかる洗掘計測装置の設置状態の説明図である。 図１に示した洗掘計測装置の拡大図である。 図２に示した洗掘計測装置の要部拡大図である。 図１に示した洗掘計測装置における記録データの一例を示す説明図である。 図１に示した洗掘計測装置で得られた測定結果から、洗掘深度の経時的な変化を示すグラフである。 図１に示した洗掘計測装置を設置する際の方法を示す説明図である。 図６に示した設置手順に引続いて行われる工程を示す説明図である。 図１に示した洗掘計測装置を回収する際の方法を示す説明図である。 図８に示した回収手順に引続いて行われる工程を示す説明図である。 本発明に係る洗掘測定装置で用いるセンサーの他の例を示す説明図である。

１０ 洗掘計測装置
１２ セグメントユニット
１２ａ セグメント
１４ センサー
１６ 計測記録装置

Claims (2)

1. 比較的早期に腐食・消滅する金属製の表面を有する柱状体であるセグメントが上下方向に複数積層した状態で河床内に埋設され、前記セグメントの高さと、洗掘深さの演算基準となる上端または下端から測定対象である河床面までの距離とが既知であるセグメントユニットと、
   前記セグメントごとに個別に配置し、そのセグメントの積層状態と積層離脱状態とを検出する複数の細銅線から構成されるセンサーと、
   前記セグメントユニットの下端に取り付ける、前記センサーの検出状態を経時的に測定記録する計測記録装置と、を備えており、
   前記センサーとなる細銅線は、
   前記計測記録装置からそれぞれのセグメントまで配置し、さらにそのセグメントで折り返して前記計測記録装置に到達するように配置し、
   前記計測記録装置は、
   前記セグメントが離脱すると、離脱したセグメントに配置した細銅線が切断されることで、前記セグメントの積層状態と積層離脱状態との電気的な特性変化を検出して記録する、
   ことを特徴とする河川の洗掘測定装置。
2. 前記センサーの電気的特性は、電圧、電流、抵抗値のいずれかから選択される
   ことを特徴とする請求項１記載の河川の洗掘測定装置。

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