JP5689304B2 - Determination method of mass transfer parameters in rock mass - Google Patents

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本発明は、岩盤内物質移行パラメータの決定方法に関する。   The present invention relates to a method for determining a mass transfer parameter in a rock mass.

亀裂を有する岩盤中の物質移行特性を把握するための試験方法として、トレーサー物質を含むトレーサー溶液を岩盤試料の注水面から浸透させて、排出面から流出したトレーサー溶液のトレーサー濃度を測定するトレーサー試験がある(例えば、特許文献1参照)。   As a test method for grasping mass transfer characteristics in rock mass with cracks, a tracer test in which a tracer solution containing a tracer substance is infiltrated from the water injection surface of the rock sample and the tracer concentration of the tracer solution flowing out from the discharge surface is measured. (For example, refer to Patent Document 1).

例えば、放射性廃棄物地層処分の対象岩盤に対して、トレーサー試験を実施することで汚染物質の移動に関わる各種パラメータを取得し、取得したパラメータに基づいた数値解析等により天然バリアを構成する岩盤の評価を行う場合がある。   For example, various parameters related to the movement of pollutants are acquired by conducting a tracer test on the target rocks for radioactive waste geological disposal, and the rocks that make up the natural barrier are analyzed by numerical analysis based on the acquired parameters. An evaluation may be performed.

岩盤を対象としたトレーサー試験では、物質の主な移行経路となる亀裂内の移流・分散に関わるパラメータである亀裂開口幅、亀裂内の分散係数を求める。しかし、堆積岩のように間隙率の大きい岩盤では、これらのパラメータに加えて、亀裂から岩石基質部(マトリクス部)への拡散に関わるパラメータ(マトリクス拡散係数)も求める必要がある。
ここで、移流とは地下水の流れによる物質の移動をいい、分散とは物質の流動経路や流速の不均質性に起因して生じる物質の広がりをいい、拡散とは濃度勾配による物質の移動をいう。
In the tracer test for rock mass, the crack opening width and the dispersion coefficient in the crack, which are parameters related to advection / dispersion in the crack, which is the main migration path of material, are obtained. However, in rocks with a high porosity such as sedimentary rocks, in addition to these parameters, it is necessary to obtain parameters (matrix diffusion coefficient) related to diffusion from cracks to the rock matrix (matrix).
Here, advection refers to the movement of a substance due to the flow of groundwater, dispersion refers to the spread of the substance caused by the heterogeneity of the flow path and flow velocity of the substance, and diffusion refers to the movement of the substance due to a concentration gradient. Say.

前記の亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の3つのパラメータは、トレーサー試験によって測定した排出面から流出したトレーサー溶液のトレーサー濃度の時間変化のデータと、亀裂内の移流・分散およびマトリクス拡散を考慮した支配方程式の解とのマッチングによって求める。しかし、一回のトレーサー試験によって上記の亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の3つのパラメータを一度に決定することは困難である。そのため、従来、トレーサー溶液の注入量を変化させて複数回のトレーサー試験を実施する方法や、水中での分子拡散係数の異なる複数のトレーサー溶液を同時に注入する方法により、上記の3つのパラメータを求めていた。   The three parameters of the crack opening width, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient are the time-dependent data of the tracer concentration of the tracer solution flowing out from the discharge surface measured by the tracer test, the advection / dispersion in the crack, and It is obtained by matching with the solution of the governing equation considering matrix diffusion. However, it is difficult to determine the above three parameters of the crack opening width, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient at a time by a single tracer test. For this reason, the above three parameters have been obtained by a conventional method of performing a plurality of tracer tests by changing the injection amount of the tracer solution or a method of simultaneously injecting a plurality of tracer solutions having different molecular diffusion coefficients in water. It was.

特開2006−64394号公報JP 2006-64394 A

ところが、試験条件によってはパラメータの違いが試験結果に与える感度が低くなり(パラメータが変わってもトレーサー濃度の時間変化の曲線の形状が変わらない)、3つのパラメータ(亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数)を一意に決定することが困難な場合があった。
そのため、トレーサー試験では、適切な試験条件を設定する必要があった。
However, depending on the test conditions, the sensitivity that the difference in parameters gives to the test results is low (the shape of the curve of the tracer concentration over time does not change even if the parameters change), and the three parameters (crack opening width, dispersion within the crack) In some cases, it was difficult to uniquely determine a coefficient and a matrix diffusion coefficient.
Therefore, it was necessary to set appropriate test conditions in the tracer test.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、岩盤の亀裂開口幅と亀裂内の分散係数とマトリクス拡散係数とからなる3つのパラメータを一意的に決定することを可能とした岩盤内物質移行パラメータの決定方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made to solve such problems, and it is possible to uniquely determine three parameters consisting of the crack opening width of the rock mass, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient. It is an object of the present invention to provide a method for determining mass transfer parameters in rock mass.

前記課題を解決するために、本発明の岩盤内物質移行パラメータの決定方法は、対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数のそれぞれについて事前に値の範囲を推定し、推定された前記亀裂開口幅、前記間隙率および前記マトリクス拡散係数と、亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式(後記する式1および式2)とに基づいて、トレーサー試験用試料の大きさ、トレーサー溶液の注入量および注入時間を設定し、設定された大きさに形成されたトレーサー試験用試料に対して、前記注入量のトレーサー溶液を一側面から前記注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化を測定し、測定された前記濃度の時間変化に基づいて破過曲線を作成し、亀裂中の移流・分散現象と、マトリクス拡散現象を考慮した物質移行現象の支配方程式の理論解もしくは数値解を前記破過曲線と比較することにより、亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の組み合わせを決定することを特徴としている。
対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数のそれぞれについて値の範囲を推定し、
In order to solve the above problems, the method for determining the mass transfer parameter in the rock according to the present invention estimates the range of values in advance for each of the crack opening width of the target rock, the porosity of the rock matrix, and the matrix diffusion coefficient, Based on the estimated crack opening width, the porosity, and the matrix diffusion coefficient, and the relational expressions (formulas 1 and 2 described later) obtained from the theoretical solution of the governing equation considering advection and matrix diffusion in the crack Then, the size of the tracer test sample, the injection amount of the tracer solution and the injection time are set, and the injection amount of the tracer solution is applied from one side to the tracer test sample formed to the set size. Injecting over the injection time, measuring the time change of the concentration of the tracer solution discharged from the other side, and based on the measured time change of the concentration breakthrough curve Create a advection and dispersion phenomena in the crack, by a theoretical solution or numerical solution of the governing equation of mass transport phenomena considering matrix diffusion phenomenon compared to the breakthrough curve, crack opening width, dispersion coefficient of the crack And determining a combination of matrix diffusion coefficients.
Estimate the range of values for the crack opening width of the target rock, the porosity of the rock matrix, and the matrix diffusion coefficient,

かかる岩盤内物質移行パラメータの決定方法によれば、岩盤の亀裂開口幅と亀裂内の分散係数とマトリクス拡散係数からなる3つのパラメータを一意的に決定することが可能となる。   According to the method for determining the mass transfer parameter in the rock mass, it is possible to uniquely determine the three parameters including the crack opening width of the rock mass, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient.

また、前記岩盤内物質移行パラメータの決定方法において、前記トレーサー試験用試料に対して、トレーサー溶液の注入流量を変化させて2回以上トレーサー試験を実施してもよい。
また、前記トレーサー試験用試料に対して、水中での分子拡散係数の異なる少なくとも2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入するトレーサー試験を実施してもよい。
In the method for determining the mass transfer parameter in the rock mass, the tracer test may be performed twice or more by changing the injection flow rate of the tracer solution with respect to the tracer test sample.
Moreover, you may implement the tracer test which inject | pours simultaneously the at least 2 or more types of tracer solution from which the molecular diffusion coefficient in water differs with respect to the said sample for tracer tests.

かかる岩盤内物質移行パラメータの決定方法によれば、同一の試料に対して少なくとも2つ以上の破過曲線を求めて、より正確なパラメータを一意的に決定することができる。   According to the method for determining the mass transfer parameter in the rock mass, at least two or more breakthrough curves can be obtained for the same sample, and a more accurate parameter can be uniquely determined.

前記トレーサー試験用試料の大きさ、トレーサー溶液の注入量および注入時間を、前記対象岩盤の亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式を満足するように設定すれば、3つのパラメータの一意性が向上する。   The size of the sample for the tracer test, the injection amount of the tracer solution and the injection time should be set so as to satisfy the relational expression obtained from the theoretical solution of the governing equation considering the advection and matrix diffusion in the crack of the target rock. For example, the uniqueness of the three parameters is improved.

第2の発明に係る岩盤内物質移行パラメータの決定方法は、対象岩盤の亀裂開口幅、マトリクス拡散係数および岩石基質部の間隙率のそれぞれについて値の範囲を推定し、推定された前記亀裂開口幅、前記マトリクス拡散係数および前記間隙率と、亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式(後記する式1および式2)とに基づいて、トレーサー試験用試料の大きさを設定するとともに、前記対象岩盤の亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式(後記する式1および式2)を満足するトレーサー溶液の第一の注入量および第一の注入時間と、前記関係式を満足しないトレーサー溶液の第二の注入量および第二の注入時間と、を設定し、設定された大きさに形成されたトレーサー試験用試料に対して、前記第一の注入量のトレーサー溶液を一側面から前記第一の注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化である第一測定値を測定するとともに、当該トレーサー試験用試料に対して、前記第二の注入量のトレーサー溶液を一側面から前記第二の注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化である第二測定値を測定し、測定された前記第一測定値および前記第二測定値に基づいて破過曲線をそれぞれ作成し、亀裂中の移流・分散現象と、マトリクス拡散現象を考慮した物質移行現象の支配方程式の理論解もしくは数値解を前記破過曲線と比較することにより、亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の組み合わせを決定することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for determining a mass transfer parameter in a rock mass, estimating a range of values for each of a crack opening width, a matrix diffusion coefficient, and a rock matrix porosity of the target rock, and estimating the estimated crack opening width. Based on the matrix diffusion coefficient and the porosity, and relational expressions (formulas 1 and 2 to be described later) obtained from the theoretical solution of the governing equation considering advection and matrix diffusion in the crack, The first injection of the tracer solution that sets the size and satisfies the relational expressions (formulas 1 and 2 described later) obtained from the theoretical solution of the governing equation considering the advection and matrix diffusion in the crack of the target rock The amount and the first injection time, and the second injection amount and the second injection time of the tracer solution that does not satisfy the relational expression are set. The tracer test sample is a time change in the concentration of the tracer solution injected from the one side over the first injection time and discharged from the other side with respect to the sample for the tracer test. A tracer that measures one measured value and injects the second injected amount of the tracer solution from one side over the second injection time to the sample for the tracer test and discharges it from the other side. Measure the second measurement value that is the time change in the concentration of the solution, create a breakthrough curve based on the measured first measurement value and the second measurement value, respectively , advection and dispersion phenomenon in the crack, the theoretical solution or numerical solution of the governing equation of mass transport phenomena considering matrix diffusion phenomenon by comparing with the breakthrough curve, crack opening width, the dispersion coefficient and matrix diffusion coefficient of the crack combination It is characterized by determining the.

なお、前記第2の発明にかかる係る岩盤内物質移行パラメータの決定方法について、前記トレーサー試験用試料に対して水中での分子拡散係数の異なる少なくとも2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入するトレーサー試験をさらに実施してもよい。   In addition, about the determination method of the mass transfer parameter in the rock mass concerning the said 2nd invention, the tracer test which inject | pours simultaneously the at least 2 or more types of tracer solution from which the molecular diffusion coefficient in water differs with respect to the said sample for a tracer test. Further implementation may be performed.

かかる岩盤内物質移行パラメータの決定方法によれば、より確実に3つのパラメータを決定することができる。   According to the method for determining the mass transfer parameter in the rock mass, the three parameters can be determined more reliably.

本発明の岩盤内物質移行パラメータの決定方法によれば、岩盤の亀裂開口幅と亀裂内の分散係数とマトリクス拡散係数とからなる3つのパラメータを一意的に決定することが可能となる。   According to the method for determining the mass transfer parameter in the rock according to the present invention, it is possible to uniquely determine three parameters including the crack opening width of the rock, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient.

本発明の実施の形態に係る岩盤内物質移行パラメータの決定方法の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the determination method of the mass transfer parameter in rock mass which concerns on embodiment of this invention. 岩盤内物質移行パラメータの決定方法で使用するボーリングコアの模式図である。It is a schematic diagram of the boring core used with the determination method of the mass transfer parameter in bedrock. 開口幅を変化させた破過曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the breakthrough curve which changed opening width. トレーサー試験の試験装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the test device of a tracer test. 本発明の実施の形態に係る破過曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the breakthrough curve which concerns on embodiment of this invention. 亀裂内移流、分散およびマトリクス拡散のモデル図である。It is a model figure of advection in a crack, dispersion | distribution, and matrix diffusion. (a)および(b)は実施例における各順解析ケースの解析結果を示す破過曲線である。(A) And (b) is the breakthrough curve which shows the analysis result of each forward analysis case in an Example. 順解析ケースA1による1回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 10 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on the result of one tracer test by forward analysis case A1 is changed within a range of ± 1 order around a set value. 順解析ケースA1とA2による2回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 10 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on two tracer test results in forward analysis cases A1 and A2 is changed within a range of ± 1 order around a set value. 順解析ケースA1とA3による2回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 10 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on two tracer test results in forward analysis cases A1 and A3 is changed within a range of ± 1 order around a set value. 順解析ケースB1による1回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 10 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on the result of one tracer test by forward analysis case B1 is changed within a range of ± 1 order around a set value. 順解析ケースB1とB2による2回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 10 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on two tracer test results in forward analysis cases B1 and B2 is changed within a range of ± 1 order around a set value. 順解析ケースB1とB3による2回のトレーサー試験結果による順解析の各パラメータを設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均の分布を示したコンター図である。FIG. 6 is a contour diagram showing a mean square distribution of errors when each parameter of forward analysis based on two tracer test results in forward analysis cases B1 and B3 is changed within a range of ± 1 order around a set value. (a)および(b)は、それぞれ順解析ケースA1とB1について、開口幅を設定値を中心に2オーダー変化させた場合の破過曲線を示し、(c)は(b)における時間と濃度の軸を対数表示に変換した破過曲線を示す。(A) and (b) show breakthrough curves when the opening width is changed by two orders around the set value for the forward analysis cases A1 and B1, respectively. (C) shows the time and concentration in (b). A breakthrough curve in which the axis is converted into a logarithmic display is shown. 順解析ケースC1とC2の解析結果を示す破過曲線である。It is a breakthrough curve which shows the analysis result of forward analysis cases C1 and C2. 順解析ケースC1およびC2について、3つのパラメータを順解析の設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均Sの分布を示したコンター図である。It is a contour diagram showing the distribution of the mean square error S when three parameters are changed in a range of ± 1 order around the set value of forward analysis for forward analysis cases C1 and C2.

本実施形態の岩盤内物質移行パラメータの決定方法は、図1に示すように、準備工程S1と、パラメータ推定工程S2と、トレーサー試験条件設定工程S3と、トレーサー試験実施工程S4と、パラメータ評価工程S5と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the method for determining the mass transfer parameter in the rock according to the present embodiment includes a preparation step S1, a parameter estimation step S2, a tracer test condition setting step S3, a tracer test execution step S4, and a parameter evaluation step. S5.

準備工程S1は、試験用試料の切り出し整形を行う工程である。
試験用試料2は、図2に示すように、対象岩盤から採取したボーリングコア1から切り出し整形する。本実施形態では、ボーリングコア1において、亀裂3が生じている部分を含むように、試験用試料2を採取する。
The preparation step S1 is a step of cutting and shaping the test sample.
As shown in FIG. 2, the test sample 2 is cut out and shaped from the boring core 1 collected from the target rock. In the present embodiment, the test sample 2 is collected so as to include a portion where the crack 3 is generated in the boring core 1.

また、試験用試料2の切り出し整形に伴ない、同じボーリングコア1の試験用試料2を切り出した位置の周辺から予備試験用試料4,4を採取する。本実施形態では、試験用試料2の上下二個所から2つの予備試験用試料4,4を採取して、拡散試験と間隙率測定に使用する。なお、予備試験用試料4の数や形状等は限定されるものではない。   As the test sample 2 is cut out and shaped, preliminary test samples 4 and 4 are collected from the vicinity of the position where the test sample 2 of the same boring core 1 is cut out. In the present embodiment, two preliminary test samples 4 and 4 are collected from two places above and below the test sample 2 and used for the diffusion test and the porosity measurement. The number and shape of the preliminary test samples 4 are not limited.

パラメータ推定工程S2は、対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数の各パラメータについての値の範囲を推定する工程である。   The parameter estimation step S2 is a step of estimating a range of values for each parameter of the crack opening width of the target rock, the porosity of the rock matrix portion, and the matrix diffusion coefficient.

本実施形態では、まず、予備試験用試料4,4に対して拡散試験および間隙率測定を実施し、岩石基質部(マトリクス部)の間隙率とマトリクス拡散係数を求める。そして、この間隙率とマトリクス拡散係数に基づいて、試験用試料の間隙率とマトリクス拡散係数の範囲を推定する。   In the present embodiment, first, a diffusion test and a porosity measurement are performed on the preliminary test samples 4 and 4 to obtain a porosity and a matrix diffusion coefficient of the rock substrate portion (matrix portion). Based on the porosity and matrix diffusion coefficient, the range of the porosity and matrix diffusion coefficient of the test sample is estimated.

次に、試験用試料2に対して透水試験を実施して、試験用試料2の亀裂の水理開口幅を測定する。そして、この水理開口幅を目安として、亀裂開口幅の範囲を推定する。   Next, a water permeability test is performed on the test sample 2 to measure the hydraulic opening width of the crack in the test sample 2. Then, using this hydraulic opening width as a guide, the range of the crack opening width is estimated.

トレーサー試験条件設定工程S3は、パラメータ推定工程S2において推定されたパラメータの範囲に基づいて、試験用試料2の大きさ、トレーサー溶液の注入量および注入時間を設定する工程である。   The tracer test condition setting step S3 is a step of setting the size of the test sample 2, the injection amount of the tracer solution, and the injection time based on the parameter range estimated in the parameter estimation step S2.

試験用試料2の大きさ、トレーサー溶液の注入量および注入時間は、対象岩盤の亀裂3内の移流と岩石基質部への拡散(以下、「マトリクス拡散」という)を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式(式1および式2)を満足するように決定する。
式1および式2は、後記する式7と式8の連立不等式を解くことにより得られた式である。
The size of the test sample 2, the amount of the tracer solution injected, and the injection time are the theoretical solution of the governing equation considering the advection in the crack 3 of the target rock mass and the diffusion to the rock matrix (hereinafter referred to as “matrix diffusion”). Is determined so as to satisfy the relational expressions (formulas 1 and 2) obtained from
Expressions 1 and 2 are expressions obtained by solving simultaneous inequalities of Expressions 7 and 8 described later.

式1は、図3に示すような、ある任意の亀裂開口幅2b=2bを与えた破過曲線BTC1の濃度c/cがerfc(α)となる時間tを示しており、これにより、破過曲線BTC1が所定の濃度に達するまでの時間を求めることができる。
なお、cは排出されたトレーサー濃度、cは注入されたトレーサー濃度である。
Equation 1 shows a time t * at which the concentration c f / c 0 of the breakthrough curve BTC1 given an arbitrary crack opening width 2b = 2b * as shown in FIG. 3 becomes erfc (α). Thereby, the time until the breakthrough curve BTC1 reaches a predetermined concentration can be obtained.
Incidentally, c f tracer concentration that is discharged, c 0 is the tracer concentration injected.

また、式2は、破過曲線BTC1の亀裂開口幅2b=2bをγ倍とした場合(破過曲線BTC2)の変化に対して、時間tにおける濃度c/cがerfc(α)からerfc(β)以下に変化するようなTの条件を示している。
すなわち、式1および式2によれば、着目する試験時間(注入時間t)において、必要な亀裂開口幅2bの感度を有する試験条件を決定することができる。
Further, the equation 2 shows that the concentration c f / c 0 at time t * is erfc (α with respect to the change when the crack opening width 2b = 2b * of the breakthrough curve BTC1 is γ times (breakthrough curve BTC2). ) shows a T 0 a 2 conditions that varies below erfc (beta) from.
That is, according to the formula 1 and the formula 2, it is possible to determine the test condition having the required sensitivity of the crack opening width 2b in the focused test time (injection time t).

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここに、Tは平均滞留時間、Aはマトリクス拡散による移行パラメータであり、式3および式4で表される。
また、α、βは、それぞれ破過曲線BTC1およびBTC2における、後記する式6の相補誤差関数(erfc)の変数を示しており、α<1、β>αの関係にある。
Here, T 0 is an average residence time, A is a transition parameter due to matrix diffusion, and is expressed by Equation 3 and Equation 4.
Further, α and β represent variables of the complementary error function (erfc) of Equation 6 described later in the breakthrough curves BTC1 and BTC2, respectively, and are in a relationship of α <1, β> α.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここで、Wの亀裂の幅、Lはトレーサーの注入位置から排出位置までの距離、Qはトレーサーの注入流量、nは岩石基質部の間隙率、Dは岩石基質部の拡散係数を示している。なお、亀裂の幅W、距離Lおよび流入流量Qは、既知の値である。 Here, the width of the crack of W, L is the distance from the injection position of the tracer to the discharge position, Qf is the flow rate of the tracer, nm is the porosity of the rock matrix part, and Dm is the diffusion coefficient of the rock matrix part. Show. The crack width W, the distance L, and the inflow flow rate Qf are known values.

亀裂開口幅2b、岩石基質部の間隙率n、岩石基質部の拡散係数Dとしては、パラメータ推定工程において推定された値の範囲を用い、式1および式2により試験の実施時間や、試験用試料2の大きさ(式3における亀裂の幅Wや距離L)やトレーサーの流入流量Qなどの条件を決定する。 As the crack opening width 2b, the porosity n m of the rock matrix part, and the diffusion coefficient D m of the rock matrix part, using the range of values estimated in the parameter estimation process, the size of the test sample 2 to determine the conditions such as the inlet flow Q f of (width W and length L of the crack in equation 3) and the tracer.

以下、式1および式2を利用してパラメータの想定する例を以下に示す。
例えば、式1を利用して、濃度c/cが0.5となる時間を考える場合は、α=0.5(erfc(0.5)=0.47≒0.5)を式1に代入した式5の関係式により試験時間を決定することができる。
Hereinafter, examples in which parameters are assumed using Equation 1 and Equation 2 are shown below.
For example, when the time when the concentration c f / c 0 is 0.5 is considered using Equation 1, α = 0.5 (erfc (0.5) = 0.47≈0.5) The test time can be determined by the relational expression of Expression 5 assigned to 1.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

また、式2は、開口幅のγ倍の変化に対して、時間tにおける濃度c/cがerfc(α)からerfc(β)以下に変化するようなTの条件を示している。すなわち、式2と式5によって、着目する時間スケールにおいて必要な開口幅の感度を有する試験条件を決定することが可能となる。 Further, Equation 2 shows the condition of T 0 A 2 such that the concentration c f / c 0 at time t * changes from erfc (α) to erfc (β) or less with respect to a change of γ times the opening width. Show. That is, it is possible to determine the test condition having the sensitivity of the required aperture width on the time scale of interest by using the formulas 2 and 5.

実用的な例として、開口幅の2倍の変化に対して、亀裂内の濃度c/cが約0.5となる時間tにおいて、濃度c/cが5%程度以上変化するような条件を設定する場合、α=0.5(erfc(α)=0.47)、β=0.55(erfc(β)=0.44)、γ=2.0となり、式2はT<5.76(≒6)となる。 As a practical example, with respect to 2-fold change in the opening width, in the time-density c f / c 0 in the crack of approximately 0.5 t *, concentration c f / c 0 is more than about 5% change In such a case, α = 0.5 (erfc (α) = 0.47), β = 0.55 (erfc (β) = 0.44), γ = 2.0, and Equation 2 Is T 0 A 2 <5.76 (≈6).

式6は、亀裂開口幅の試験結果に与える感度は亀裂の分散係数の影響を受けないとの知見に基づき、マトリクス拡散を考慮した単一亀裂中の一次元の物質移行現象の支配方程式(式9参照)において、亀裂内の分散現象を無視した場合(式9においてD=0とした場合)の理論解である。 Equation 6 is based on the knowledge that the sensitivity to the crack opening width test results is not affected by the crack dispersion coefficient, and is the governing equation for the one-dimensional mass transfer phenomenon in a single crack considering matrix diffusion (formula 9) is a theoretical solution when the dispersion phenomenon in the crack is ignored (when D f = 0 in Equation 9).

Figure 0005689304
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図3に示す破過曲線BTC1と破過曲線BTC2のそれぞれについて、時間t=tにおける亀裂内の濃度c/cをerfc(α)とerfc(β)で表した場合、式7と式8の関係式が成り立つ。 For each of the breakthrough curve BTC1 and breakthrough curve BTC2 shown in FIG. 3, when the concentration c f / c 0 in the crack at time t = t * is expressed by erfc (α) and erfc (β), The relational expression of Expression 8 holds.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

トレーサー試験実施工程S4は、トレーサー試験条件設定工程S3において設定された大きさのトレーサー試験用試料2に対して、同じくトレーサー試験条件設定工程S3において設定された注入量cと注入時間tによりトレーサー試験を実施する工程である。 Tracer tests performed step S4 is tracer tracer test condition setting step size of the tracer test specimen 2 set in S3, also the set infusion amount c 0 and the injection time t in the tracer test condition setting process S3 This is a process of conducting a test.

トレーサー試験は、図4に示すように、トレーサー試験用試料2に対して、ポンプ5を介してトレーサー溶液を一側面から注入し、他側面から排出されたトレーサー溶液を採取する。採取されたトレーサー溶液の濃度を測定する。なお、トレーサー試験に使用する試験装置の構成は、図4に示すものに限定されるものではない。   In the tracer test, as shown in FIG. 4, the tracer solution is injected into the tracer test sample 2 from one side through the pump 5 and the tracer solution discharged from the other side is collected. Measure the concentration of the collected tracer solution. The configuration of the test apparatus used for the tracer test is not limited to that shown in FIG.

本実施形態では、トレーサー試験として、トレーサー溶液E1により注入流量Q(Q1,Q2)を変化させて2回トレーサー試験を実施することにより行う。 In this embodiment, the tracer test is performed by changing the injection flow rate Q f (Q1, Q2) with the tracer solution E1 and performing the tracer test twice.

なお、トレーサー試験方法は、前記の方法に限定されるものではなく、例えば、トレーサー試験用試料2に対して、トレーサー溶液の注入流量を変化させて2回以上トレーサー試験を実施する方法や、トレーサー試験用試料2に対して、水中での分子拡散係数の異なる少なくとも2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入して濃度の測定を実施する方法により行ってもよい。また、トレーサー溶液の注入流量を変化させて2回トレーサー試験を実施する方法と、異なる2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入するトレーサー試験とを組み合わせて実施してもよい。
ここで、トレーサー溶液の注入流量を変化させて少なくとも2回以上実施するトレーサー試験は、すべてのケースにおいて、式2の条件を満たす場合であってもよいし、式2の条件を満たすケースと満たさないケースとを組み合わせる場合であってもよい。
The tracer test method is not limited to the above-described method. For example, the tracer test sample 2 may be performed two or more times by changing the injection flow rate of the tracer solution, or the tracer test sample 2 The test sample 2 may be measured by a method in which at least two kinds of tracer solutions having different molecular diffusion coefficients in water are simultaneously injected to measure the concentration. Moreover, you may implement combining the method of changing the injection | pouring flow rate of a tracer solution, and implementing a tracer test twice, and the tracer test which inject | pours two or more types of different tracer solutions simultaneously.
Here, the tracer test performed at least twice by changing the injection flow rate of the tracer solution may be a case where the condition of the expression 2 is satisfied in all cases, or the case where the condition of the expression 2 is satisfied. It may be a case where it is combined with a case that is not present.

パラメータ評価工程S5は、トレーサー試験実施工程S4により測定された結果と、理論解もしくは数値解による解析結果とを比較して、亀裂開口幅、亀裂内の分散係数,およびマトリクス拡散係数の組み合わせを決定する工程である。   The parameter evaluation step S5 compares the result measured in the tracer test execution step S4 with the analysis result based on the theoretical solution or numerical solution, and determines the combination of the crack opening width, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix diffusion coefficient. It is a process to do.

まず、図5に示すように、トレーサー試験の結果として得られた複数の破過曲線を作成する。
次に、試験結果から作成された破過曲線と、式13によって計算される破過曲線を比較し、作成された複数の破過曲線と、式13によって計算された複数の破過曲線が同時に最も良く一致するような平均滞留時間Tとペクレ数Pとマトリクス拡散による移行パラメータAの組み合わせを求める。
First, as shown in FIG. 5, a plurality of breakthrough curves obtained as a result of the tracer test are created.
Next, the breakthrough curve created from the test result is compared with the breakthrough curve calculated by Equation 13, and the plurality of breakthrough curves created and the plurality of breakthrough curves calculated by Equation 13 are simultaneously displayed. determining a combination of the best average residence time to conform T 0 and Peclet number P e and migration parameters a by matrix diffusion.

上記で求めた平均滞留時間Tとペクレ数Pとマトリクス拡散による移行パラメータAと、式19、式20および式22によって亀裂の開口幅2b、縦方向分散長α、マトリクス拡散係数Dを求めることができる。 And migration parameters A the average residence time T 0 and Peclet number P e and matrix diffusion obtained above, Equation 19, the opening width 2b crack by Formula 20 and Formula 22, the longitudinal dispersion length alpha L, the matrix diffusion coefficient D m Can be requested.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

式9および式10は、平行平板亀裂中の移流・分散現象と、亀裂と直交する方向へのマトリクス拡散現象を考慮して表現された、単一亀裂中の一次元の物質移行現象の支配方程式である。
ここに、xは亀裂内の流れ方向軸上の座標、yは亀裂と直交する方向軸上の座標、cは亀裂内のトレーサー濃度、cは岩石基質部内のトレーサー濃度、tは時間、vは亀裂内実流速、nは岩石基質部の間隙率、bは亀裂開口幅の1/2(2b=亀裂開口幅)を示す(図6参照)。また、DおよびDは、それぞれ亀裂内の水理学的分散係数と岩石基質部の拡散係数(マトリクス拡散係数)を示しており、それぞれ式11および式12で表される。
Equations (9) and (10) are governed equations for a one-dimensional mass transfer phenomenon in a single crack expressed in consideration of the advection / dispersion phenomenon in a parallel plate crack and the matrix diffusion phenomenon in the direction perpendicular to the crack. It is.
Here, x is the coordinate in the flow axis of the crack, y coordinates on the axis perpendicular to the crack, c f is the tracer concentration in the crack, c m is the tracer concentration in the rock matrix unit, t is time, v f is the actual flow velocity in the crack, nm is the porosity of the rock matrix portion, and b is 1/2 of the crack opening width (2b = crack opening width) (see FIG. 6). D f and D m represent the hydraulic dispersion coefficient in the crack and the diffusion coefficient (matrix diffusion coefficient) of the rock matrix part, respectively, and are expressed by Expression 11 and Expression 12, respectively.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここに、D′は機械的分散係数、αは亀裂内の縦方向分散長、Dは自由水中における溶質の分子拡散係数、τは岩石基質部の屈曲度を示す。 Here, D ′ is a mechanical dispersion coefficient, α L is a longitudinal dispersion length in a crack, D d is a molecular diffusion coefficient of a solute in free water, and τ is a degree of bending of a rock substrate.

亀裂内の分散現象を無視しない場合(D=0としない場合)は、下記の初期条件および境界条件を与えることにより、式9および式10に示す支配方程式から、式13に示す理論解を導き出すことができる。また、理論解は、式13に限らず、実施するトレーサー試験の境界条件によって異なる理論解を使用しても良い。
なお、境界条件によっては、理論解が求まらない場合がある。その場合には、数値解によりパラメータの組み合わせを求める。
When the dispersion phenomenon in the crack is not ignored (when D f = 0 is not set), the theoretical solution shown in Equation 13 is obtained from the governing equations shown in Equation 9 and Equation 10 by giving the following initial conditions and boundary conditions. Can be derived. The theoretical solution is not limited to Equation 13, and different theoretical solutions may be used depending on the boundary conditions of the tracer test to be performed.
Depending on the boundary conditions, a theoretical solution may not be obtained. In that case, a combination of parameters is obtained by numerical solution.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここに、cはソース濃度、ξは積分変数を示す。
また、Y,Tおよびlは、それぞれ式14,式15および式16で表される。
Here, c 0 represents the source concentration, and ξ represents an integral variable.
Y, T, and l are expressed by Expression 14, Expression 15, and Expression 16, respectively.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここに、平均滞留時間T、ペクレ数Pおよびマトリクス拡散による移行パラメータAは、それぞれ式17,式18および式19のように表される。 Here, the average residence time T 0, Peclet number P e and migration parameters A by matrix diffusion, respectively formula 17 is expressed by the equation 18 and equation 19.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ただし、通常は、機械的分散係数D’と分子拡散係数Dの関係が、D’≫Dとなり、D≒D’と近似できるため、ペクレ数P(式15)は、式20のように表すことができる。 However, usually, the mechanical dispersion coefficient D 'relationship between the molecular diffusion coefficient D d is, D'»D d becomes, D f ≒ D' for can be approximated as, Peclet number P e (equation 15), the formula 20 It can be expressed as

Figure 0005689304
Figure 0005689304

また、一定流量でトレーサー溶液を注入する場合は、亀裂内の実流速vと開口幅2bの間に式21に示すような関係が成り立ち、これを式17に代入すると、平均滞留時間Tは、式22のように表すことができる。 Further, when the tracer solution is injected at a constant flow rate, the relationship shown in Equation 21 is established between the actual flow velocity v f in the crack and the opening width 2b, and if this is substituted into Equation 17, the average residence time T 0 Can be expressed as in Equation 22.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

ここに、Wは亀裂の幅であり、トレーサー注入流量Qとともに、試験条件から決まる既知パラメータである。
したがって、式22によれば、平均滞留時間Tから開口幅2bを求めることができる。
Here, W is the width of the crack, with the tracer infusion rate Q f, is a known parameter determined from the test conditions.
Therefore, according to Equation 22, it is possible to determine the opening width 2b from the average residence time T 0.

また、マトリクス拡散係数Dは、式19に開口幅2bと間隙率nを代入して求めることができる。なお、間隙率nは、試験用試料を利用した室内試験により求められる値を採用する。
さらに、式20によれば、ペクレ数Pから縦方向分散長αを求めることができる。
Further, the matrix diffusion coefficient D m can be obtained by substituting the opening width 2b and porosity n m in Equation 19. As the porosity nm , a value obtained by a laboratory test using a test sample is adopted.
Furthermore, according to Equation 20, it is possible to determine the longitudinal dispersion length alpha L from Peclet number P e.

以上、本実施形態の岩盤内物質移行パラメータの決定方法によれば、同一の試料に対して少なくとも2つ以上の破過曲線を求めることによって、岩盤の亀裂開口幅と亀裂内の分散係数とマトリクス拡散係数とからなる三つのパラメータを一意的に求めることができる。
これら三つのパラメータを利用することで、対象岩盤における溶質の移動状況を把握することができ、例えば汚染物質の移動状況を適切に予測する場合に利用することができる。
As described above, according to the method for determining the mass transfer parameter in the rock according to the present embodiment, by obtaining at least two breakthrough curves for the same sample, the crack opening width of the rock, the dispersion coefficient in the crack, and the matrix Three parameters consisting of diffusion coefficients can be uniquely determined.
By using these three parameters, the movement state of the solute in the target rock can be grasped, and for example, it can be used when appropriately predicting the movement state of the pollutant.

また、理論式に基づいた適切な試験条件を設定するため、トレーサー試験を効率的かつ正確に実施することができ、また、各パラメータをより正確に把握することができる。試験条件の設定を容易に行うことができるため、効率的な試験計画が可能となる。   In addition, since an appropriate test condition based on the theoretical formula is set, the tracer test can be performed efficiently and accurately, and each parameter can be grasped more accurately. Since the test conditions can be easily set, an efficient test plan is possible.

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the above-described constituent elements can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.

例えば、対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数のそれぞれについての値の範囲の推定方法は、予備試験用試料に対して拡散試験や間隙率測定を実施することや予め透水試験を実施することにより推定する場合に限定されるものではない。   For example, the estimation method of the range of values for the crack opening width of the target rock mass, the porosity of the rock matrix and the matrix diffusion coefficient can be carried out by conducting a diffusion test or porosity measurement on a preliminary test sample, It is not limited to the case where the estimation is performed by carrying out the water permeability test.

また、前記実施形態では、試料(試験用試料、予備試験用試料)をボーリングコアから採取する場合について説明したが、試料の採取方法は限定されるものではなく、例えば、掘削ズリから切り出してもよい。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a sample (sample for a test, a sample for preliminary tests) was extract | collected from a boring core, the collection | recovery method of a sample is not limited, For example, even if it cuts out from an excavation slot Good.

以下、トレーサー試験結果から、3つのパラメータを評価する際の結果の一意性について行った検討結果を示す。
本検討では、式13の理論解を用いて、任意の試験条件とパラメータを設定した順解析結果を仮想的なトレーサー試験結果に見立てて、これに対して逆解析を行った。
In the following, the results of the examination on the uniqueness of the results when evaluating the three parameters from the tracer test results are shown.
In this study, using the theoretical solution of Equation 13, a forward analysis result in which arbitrary test conditions and parameters were set was assumed to be a virtual tracer test result, and an inverse analysis was performed on this result.

トレーサー試験を模擬した順解析ケースの設定条件を表1に示す。
トレーサー試験のスケールはコアサンプルを用いた室内トレーサー試験を想定して5cmとした。
Table 1 shows the setting conditions for the forward analysis case simulating the tracer test.
The scale of the tracer test was 5 cm assuming an indoor tracer test using a core sample.

トレーサー試験では、通常、試料の長さや幅等の寸法は、採取されたサンプルの大きさで決定するため、変更可能な試験条件は、トレーサー溶液の注入流量と、注入するトレーサーの種類である。   In the tracer test, dimensions such as the length and width of the sample are usually determined by the size of the collected sample. Therefore, the test conditions that can be changed are the injection flow rate of the tracer solution and the type of the tracer to be injected.

本検討では、注入流量Qが多い場合(順解析ケースA1)と、注入流量Qが少ない場合(順解析ケースB1)を想定して解析を行った。
また、順解析ケースA1,B1に対して、注入流量Qを変化させた場合の順解析ケースA2,B2の解析も行った。
さらに、順解析ケースA1,B1と注入流量は同じでマトリクス拡散係数Dを変化させた場合の順解析ケースA3,B3についても解析を行った。
In this study, the analysis was performed on the assumption that the injection flow rate Qf is large (forward analysis case A1) and the injection flow rate Qf is small (forward analysis case B1).
In addition, for the forward analysis cases A1 and B1, the forward analysis cases A2 and B2 when the injection flow rate Qf was changed were also analyzed.
Furthermore, the analysis was also performed for the forward analysis cases A3 and B3 when the injection flow rate was the same as the forward analysis cases A1 and B1 and the matrix diffusion coefficient Dm was changed.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

図7(a)および(b)に、各順解析ケースの解析結果(破過曲線)を示す。図7(a)および(b)は、実際のトレーサー試験を想定して、式13の理論解によって求めた各時間の濃度データに±2%の濃度測定誤差を付加したものである。   7A and 7B show the analysis results (breakthrough curves) of each forward analysis case. FIGS. 7A and 7B are obtained by adding a concentration measurement error of ± 2% to the concentration data at each time obtained by the theoretical solution of Equation 13, assuming an actual tracer test.

図7(a)および(b)に示した解析結果を、トレーサー試験結果に見立てて、逆解析により3つのパラメータ(岩盤の亀裂開口幅、亀裂内の分散係数、マトリクス拡散係数)を求める場合の一意性についての確認を行う。
一意性の確認には、複数組の任意のパラメータの組み合わせを指定し、それぞれの組み合わせについて、式23に示す観測データ(順解析結果)と解析結果との誤差の二乗平均Sを用いる。
When the analysis results shown in FIGS. 7A and 7B are considered as tracer test results, three parameters (rock opening width of rock mass, dispersion coefficient in crack, matrix diffusion coefficient) are obtained by inverse analysis. Check for uniqueness.
For confirmation of uniqueness, a combination of a plurality of arbitrary parameters is designated, and the square mean S of errors between the observation data (forward analysis result) and the analysis result shown in Expression 23 is used for each combination.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

一意性の確認は、注入流量の多いケースと少ないケースのそれぞれについて、1回のトレーサー試験結果により求まる1つの破過曲線にフィット可能なパラメータの組み合わせを求める。また、流量の異なる2回のトレーサー試験結果から求まる2つの破過曲線を同時にフィット可能なパラメータの組み合わせと、マトリクス拡散係数が異なる2回のトレーサー試験結果から求まる破過曲線に同時にフィット可能なパラメータの組み合わせを求める。   To confirm the uniqueness, a combination of parameters that can be fitted to one breakthrough curve obtained from a single tracer test result is obtained for each of a case with a large injection flow rate and a case with a small injection flow rate. In addition, a combination of parameters that can fit two breakthrough curves obtained from two tracer test results with different flow rates simultaneously and a parameter that can be fitted simultaneously to a breakthrough curve obtained from two tracer test results with different matrix diffusion coefficients Find a combination of

図8〜13に、検討結果を示す。
ここで、図8および11は、それぞれ順解析ケースA1およびB1による1回のトレーサー試験結果からパラメータを評価した場合を示している。
また、図9および12は、それぞれ順解析ケースA1とA2およびB1とB2による流量を変化させた2回のトレーサー試験結果からパラメータを評価した場合を示している。
さらに、図10および13は、それぞれ順解析ケースA1とA3およびB1とB3による水中での分子拡散係数の異なる2種類のトレーサーを同時に注入した1回のトレーサー試験結果からパラメータを評価した場合を示している。
8 to 13 show the examination results.
Here, FIGS. 8 and 11 show the case where the parameters are evaluated from the results of one tracer test according to the forward analysis cases A1 and B1, respectively.
FIGS. 9 and 12 show cases where parameters are evaluated from the results of two tracer tests in which the flow rates in forward analysis cases A1 and A2 and B1 and B2 are changed, respectively.
Further, FIGS. 10 and 13 show cases where parameters were evaluated from the results of a single tracer test in which two kinds of tracers having different molecular diffusion coefficients in water were respectively injected according to forward analysis cases A1 and A3 and B1 and B3, respectively. ing.

図8,9,10は、順解析ケースA1〜A3について、3つのパラメータを順解析の設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均Sの分布を示したコンター図である。   8, 9, and 10 are contours showing the distribution of the mean square error S when the three parameters are changed in the range of ± 1 order around the set value of the forward analysis for the forward analysis cases A1 to A3. FIG.

図面におけるハッチング部分(0.02線で囲まれた部分)は、二乗平均Sの値が小さく、その点でパラメータの組み合わせによって求められる破過曲線と順解析結果とが良く一致していることを示している。一点に集中する明瞭なピークが見られれば、逆解析の解はそのピークに収束し、パラメータが一意に決定できることを示す。   The hatched portion in the drawing (the portion surrounded by the 0.02 line) shows that the mean square S value is small, and the breakthrough curve obtained by the combination of parameters and the forward analysis result agree well with each other. Show. If a clear peak concentrated at one point is seen, the inverse analysis solution converges to that peak, indicating that the parameter can be uniquely determined.

1回のトレーサー試験結果(ケースA1)のみで作成された図8では、一点に集中する明瞭なピークは見られず、3つのパラメータを一意に決定することができない。一方、流量を変化させたトレーサー試験(ケースA1,A2)による図9、または、分子拡散係数の異なる2種類のトレーサーを同時に注入するトレーサー試験(ケースA1,A3)による図10では、順解析の設定パラメータ付近において、二乗平均Sの分布に明瞭なピークが見られるため、パラメータの一意性が向上することがわかる。   In FIG. 8 created only by one tracer test result (case A1), a clear peak concentrated on one point is not seen, and the three parameters cannot be determined uniquely. On the other hand, in FIG. 9 by the tracer test (cases A1 and A2) in which the flow rate is changed, or in FIG. 10 by the tracer test (cases A1 and A3) in which two kinds of tracers having different molecular diffusion coefficients are injected simultaneously, the forward analysis is performed. In the vicinity of the setting parameter, a clear peak is seen in the distribution of the mean square S, and it can be seen that the uniqueness of the parameter is improved.

したがって、流量を変化させた2回以上のトレーサー試験を実施すること、または、水中での分子拡散係数の異なる2種類以上のトレーサー溶液を使用するトレーサー試験により、3つのパラメータの決定をより正確に行うことが可能であることがわかる。   Therefore, it is possible to more accurately determine the three parameters by performing two or more tracer tests with varying flow rates, or by using two or more tracer solutions with different molecular diffusion coefficients in water. It turns out that it can be done.

図11,12,13は、順解析ケースB1〜B3について、3つのパラメータを順解析の設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均Sの分布を示したコンター図である。   11, 12, and 13 are contours showing the distribution of the mean square error S when the three parameters are changed in the range of ± 1 order around the set value of the forward analysis for the forward analysis cases B1 to B3. FIG.

図11,12,13に示すように、流量が少ない場合には、縦方向分散長αとマトリクス拡散係数Dは一意に評価できるものの、開口幅2bについては、流量の多い場合と比較して、破過曲線の形状に対する感度が小さく、一意に評価することができない結果となった。これは、低流量条件下においては、開口幅2bをどのような値に変化させたとしても、破過曲線の形状がほとんど変化しないためである。 As shown in FIGS. 11, 12, and 13, when the flow rate is small, the longitudinal dispersion length α L and the matrix diffusion coefficient D m can be uniquely evaluated, but the opening width 2 b is compared with the case where the flow rate is large. As a result, the sensitivity to the shape of the breakthrough curve is small, and the result cannot be evaluated uniquely. This is because the shape of the breakthrough curve hardly changes even if the opening width 2b is changed to any value under the low flow rate condition.

以上の結果、3つのパラメータを一意に評価するためには、開口幅2bの感度が充分に確保される流量条件において実施する必要があることがわかる。   From the above results, it can be seen that in order to uniquely evaluate the three parameters, it is necessary to carry out under the flow rate conditions in which the sensitivity of the opening width 2b is sufficiently ensured.

次に、試験条件と開口幅の感度の関係について検討した結果を示す。   Next, the result of examining the relationship between the test conditions and the sensitivity of the opening width is shown.

順解析ケースA1とB1について、図14(a)および(b)に示すように、開口幅2bの設定値を中心に2オーダー変化させた場合の破過曲線を作成する。   For forward analysis cases A1 and B1, as shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), a breakthrough curve is created when the order value of the opening width 2b is changed by two orders.

流量の多いケースA1は、図14(a)に示すように、プロットの前後で破過曲線の形状が大きく変化しており、開口幅2bの感度が大きい範囲にあることがわかる。   In case A1 where the flow rate is large, as shown in FIG. 14A, the shape of the breakthrough curve changes greatly before and after the plot, and it can be seen that the sensitivity of the opening width 2b is within a large range.

一方、流量が少ない場合は、図14(b)に示すように、開口幅2bの設定値を変化させても、破過曲線が略同じ形状を示す範囲があり、開口幅2bの感度が低い範囲にあることがわかる。ところが、開口幅2bの感度は、着目する時間や空間のスケールによって異なる。   On the other hand, when the flow rate is small, as shown in FIG. 14B, even if the set value of the opening width 2b is changed, there is a range in which the breakthrough curve shows substantially the same shape, and the sensitivity of the opening width 2b is low. You can see that it is in range. However, the sensitivity of the opening width 2b varies depending on the time of interest and the scale of the space.

図14(c)に、図14(b)における時間と濃度の軸を対数表示に変換した破過曲線を示す。
図14(c)に示すように、着目する時間や空間のスケールによっては、破過曲線の形状にほとんど変化が見られなかった範囲についても、破過曲線の形状に違いが現れる。
FIG. 14 (c) shows a breakthrough curve in which the time and concentration axes in FIG. 14 (b) are converted into logarithmic representations.
As shown in FIG. 14 (c), depending on the time and space scales of interest, a difference appears in the shape of the breakthrough curve even in a range where almost no change was found in the shape of the breakthrough curve.

したがって、3つのパラメータを評価するためには、着目する時間や移行距離を決定した上で、実用的にパラメータの評価が可能となるような開口幅の感度を有する試験条件を決定する必要がある。   Therefore, in order to evaluate the three parameters, it is necessary to determine the test conditions having the sensitivity of the aperture width so that the parameters can be evaluated practically after determining the time of interest and the transition distance. .

ここで、時間スケールは、試験の実施期間の長さを示しており、試験計画において式1に基づいて決定される。また、移行距離は、亀裂の流れ方向の長さを示しており、対象とする試料の大きさにより既知条件として与えられる。
一方、開口幅の感度を有する流量条件(試験条件)は、無次元パラメータTによって決定できるものであって、式2を満足する試験条件により決定すればよい。
Here, the time scale indicates the length of the test implementation period, and is determined based on Equation 1 in the test plan. The transition distance indicates the length of the crack in the flow direction, and is given as a known condition depending on the size of the target sample.
On the other hand, the flow rate condition (test condition) having the sensitivity of the opening width can be determined by the dimensionless parameter T 0 A 2 , and may be determined by the test condition that satisfies Expression 2.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

次に、式2を満足する試験条件によるトレーサー試験と満足しない試験条件によるトレーサー試験とを組み合わせる場合による確実性の確認を行った。   Next, the certainty was confirmed by combining the tracer test under the test conditions satisfying Formula 2 and the tracer test under the test conditions not satisfied.

前記に示すように、3つのパラメータを一意的に決定できる場合でも(図9、図10)誤差の二乗平均Sのピークは、開口幅2bや縦方向分散長αの1オーダー程度の範囲に分布しており、不確実性が大きい。
ところが、3つのパラメータを一意に決定できない場合であっても、縦方向分散長αおよびマトリクス拡散係数Dについては感度が大きく、一意性が高い(図11,12,13参照)。
As shown above, even if it can uniquely determine the three parameters (FIG. 9, FIG. 10) the peak of the mean square S of error, in the range of about one order of aperture width 2b and longitudinal dispersion length alpha L Distributed, with high uncertainty.
However, even when the three parameters cannot be determined uniquely, the longitudinal dispersion length α L and the matrix diffusion coefficient D m are highly sensitive and unique (see FIGS. 11, 12, and 13).

そのため、支配方程式の理論解から求めた関係式(式1および式2)を満足するケースに、満足しないケースを組み合わせれば、3つのパラメータの評価結果の一意性が向上するか否かについて確認する。   Therefore, it is confirmed whether the uniqueness of the evaluation results of the three parameters can be improved by combining the unsatisfied case with the case satisfying the relational expression (Equation 1 and Equation 2) obtained from the theoretical solution of the governing equation. To do.

支配方程式の理論解から求めた関係式(式1、式2)を満足する注入量と注入時間によるトレーサー試験(順解析ケースC1)と、同関係式を満足しない注入量によるトレーサー試験(順解析ケースC2)との順解析の条件とパラメータの一覧を表2に示す。また、図15に順解析結果による破過曲線を示す。   Tracer test (forward analysis case C1) with injection volume and injection time satisfying the relational expressions (Equation 1 and 2) obtained from the theoretical solution of the governing equation, and tracer test (forward analysis) with injection volume not satisfying the relational expression Table 2 shows a list of conditions and parameters for forward analysis with case C2). FIG. 15 shows a breakthrough curve based on the result of forward analysis.

Figure 0005689304
Figure 0005689304

順解析ケースC1とC2について、図15の破過曲線にフィット可能なパラメータの組み合わせを求める。 図16は、順解析ケースC1およびC2について、3つのパラメータを順解析の設定値を中心に±1オーダーの範囲で変化させた際の誤差の二乗平均Sの分布を示したコンター図である。   For forward analysis cases C1 and C2, combinations of parameters that can fit the breakthrough curve of FIG. 15 are obtained. FIG. 16 is a contour diagram showing the distribution of the mean square error S when the three parameters are changed in the range of ± 1 order around the set value of the forward analysis for the forward analysis cases C1 and C2.

図16に示すように、誤差の二乗平均Sのピークの分布範囲は、関係式を満足する試験条件のみによりパラメータの組み合わせを求めた結果(図9参照)よりも小さくなり、より確実性が向上した。特に縦方向分散長αの評価については確実性がより高くなる結果となった。 As shown in FIG. 16, the distribution range of the peak of the mean square error S is smaller than the result (see FIG. 9) of the parameter combination obtained only under the test conditions that satisfy the relational expression, and the certainty is further improved. did. In particular, the evaluation of the longitudinal dispersion length α L resulted in higher reliability.

したがって、関係式(式1、式2)を満足する値による試験と、同関係式を満足しない値による試験とを組み合わせることにより、3つのパラメータの組み合わせの確実性がより向上することが実証された。   Therefore, it has been proved that the reliability of the combination of the three parameters is further improved by combining the test with the value satisfying the relational expressions (Equation 1 and Expression 2) and the test with the value not satisfying the relational expression. It was.

1 ボーリングコア
2 試験用試料
3 亀裂
4 予備試験用試料
1 Boring core 2 Test sample 3 Crack 4 Preliminary test sample

Claims (5)

対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数のそれぞれについて値の範囲を推定し、
推定された前記亀裂開口幅、前記間隙率および前記マトリクス拡散係数と、前記対象岩盤の亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式である式1および式2とを満足するように、トレーサー試験用試料の大きさ、トレーサー溶液の注入量および注入時間を設定し、
設定された大きさに形成されたトレーサー試験用試料に対して、前記注入量のトレーサー溶液を一側面から前記注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化を測定し、
測定された前記濃度の時間変化に基づいて破過曲線を作成し、
亀裂中の移流・分散現象およびマトリクス拡散現象を考慮した物質移行現象の支配方程式の理論解もしくは数値解を前記破過曲線と比較することにより、亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の組み合わせを決定することを特徴とする、岩盤内物質移行パラメータの決定方法。
Figure 0005689304
Estimate the range of values for the crack opening width of the target rock, the porosity of the rock matrix, and the matrix diffusion coefficient,
Equations 1 and 2 which are relational equations obtained from the theoretical solution of the governing equation considering the estimated crack opening width, the porosity and the matrix diffusion coefficient, and advection and matrix diffusion in the crack of the target rock Set the size of the sample for the tracer test, the injection amount of the tracer solution and the injection time so as to satisfy
A change in the concentration of the tracer solution discharged from the other side is injected over the injection time from one side to the injection amount of the tracer solution with respect to the sample for the tracer test formed in the set size. Measure and
Create a breakthrough curve based on the time variation of the measured concentration,
By comparing the theoretical solution or numerical solution of the governing equation of the mass transfer phenomenon considering the advection / dispersion phenomenon and matrix diffusion phenomenon in the crack with the breakthrough curve , the crack opening width, the dispersion coefficient in the crack and the matrix diffusion coefficient A method for determining a mass transfer parameter in a rock mass, characterized by determining a combination of the two.
Figure 0005689304
前記トレーサー試験用試料に対して、トレーサー溶液の注入流量を変化させて2回以上トレーサー試験を実施することを特徴とする、請求項1に記載の岩盤内物質移行パラメータの決定方法。   The method for determining a mass transfer parameter in a rock mass according to claim 1, wherein the tracer test is performed twice or more by changing an injection flow rate of the tracer solution for the tracer test sample. 前記トレーサー試験用試料に対して、水中での分子拡散係数の異なる少なくとも2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入してトレーサー試験を実施することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の岩盤内物質移行パラメータの決定方法。   The tracer test is performed by simultaneously injecting at least two types of tracer solutions having different molecular diffusion coefficients in water into the tracer test sample. A method for determining mass transfer parameters in bedrock. 対象岩盤の亀裂開口幅、岩石基質部の間隙率およびマトリクス拡散係数のそれぞれについて値の範囲を推定し、
推定された前記亀裂開口幅、前記間隙率および前記マトリクス拡散係数と、亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式である式1および式2とに基づいて、トレーサー試験用試料の大きさを設定するとともに、
前記対象岩盤の亀裂内の移流とマトリクス拡散を考慮した支配方程式の理論解から求めた関係式である式1および式2を満足するトレーサー溶液の第一の注入量および第一の注入時間と、前記関係式である式1および式2を満足しないトレーサー溶液の第二の注入量および第二の注入時間と、を設定し、
設定された大きさに形成されたトレーサー試験用試料に対して、前記第一の注入量のトレーサー溶液を一側面から前記第一の注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化である第一測定値を測定するとともに、当該トレーサー試験用試料に対して、前記第二の注入量のトレーサー溶液を一側面から前記第二の注入時間に亘って注入して、他側面から排出されたトレーサー溶液の濃度の時間変化である第二測定値を測定し、
測定された前記第一測定値および前記第二測定値に基づいて破過曲線をそれぞれ作成し、
亀裂中の移流・分散現象およびマトリクス拡散現象を考慮した物質移行現象の支配方程式の理論解もしくは数値解を前記破過曲線と比較することにより、亀裂開口幅、亀裂内の分散係数およびマトリクス拡散係数の組み合わせを決定することを特徴とする、岩盤内物質移行パラメータの決定方法。
Figure 0005689304
Estimate the range of values for the crack opening width of the target rock, the porosity of the rock matrix, and the matrix diffusion coefficient,
Based on the estimated crack opening width, the porosity, and the matrix diffusion coefficient, and Equations 1 and 2 that are relational equations obtained from the theoretical solution of the governing equation considering advection and matrix diffusion in the crack, While setting the size of the tracer test sample,
A first injection amount and a first injection time of a tracer solution satisfying Expressions 1 and 2 , which are relational expressions obtained from a theoretical solution of a governing equation considering advection and matrix diffusion in the crack of the target rock; A second injection amount and a second injection time of the tracer solution that does not satisfy the relational expressions ( 1) and (2) are set,
The tracer test sample formed to a set size is injected with the first injection amount of the tracer solution from one side over the first injection time and discharged from the other side. While measuring the first measurement value, which is a change in the concentration of the solution over time, the second injection amount of the tracer solution is injected into the tracer test sample from one side over the second injection time. Measuring the second measured value, which is the time change of the concentration of the tracer solution discharged from the other side,
Create breakthrough curves based on the measured first and second measured values,
By comparing the theoretical solution or numerical solution of the governing equation of the mass transfer phenomenon considering the advection / dispersion phenomenon and matrix diffusion phenomenon in the crack with the breakthrough curve , the crack opening width, the dispersion coefficient in the crack and the matrix diffusion coefficient A method for determining a mass transfer parameter in a rock mass, characterized by determining a combination of the two.
Figure 0005689304
前記トレーサー試験用試料に対して、水中での分子拡散係数の異なる少なくとも2種類以上のトレーサー溶液を同時に注入してトレーサー試験を実施することを特徴とする、請求項に記載の岩盤内物質移行パラメータの決定方法。 5. The mass transfer in rock mass according to claim 4 , wherein the tracer test is performed by simultaneously injecting at least two kinds of tracer solutions having different molecular diffusion coefficients in water into the tracer test sample. How to determine parameters.
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