JP6088861B2

JP6088861B2 - 開水路式変位計

Info

Publication number: JP6088861B2
Application number: JP2013050368A
Authority: JP
Inventors: 光男東野; 山本　忠久; 忠久山本; 福田　智之; 智之福田; 蜂須賀　義文; 義文蜂須賀
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014178122A

Description

本発明は、開水路式変位計に関するものであり、具体的には、短時間での正確な鉛直変位計測を可能とする開水路式変位計の技術に関する。

構造物における鉛直方向の変位を計測する装置として、開水路式変位計が存在する。開水路式変位計は、水面が大気に開放された状態のいわゆる開水路によって基本構造をなし、この開水路に沿って所定間隔で設けた一連の測点で変位計測を行うものである。また、各測点には、浮子を浮かべた水槽と、浮子の鉛直方向移動量を検知する渦電流センサとが設置されている。水槽は構造物と連結しており、構造物の沈下や隆起に伴って同様に沈下、隆起の動きを示す。例えば、構造物沈下に伴って、或る測点の水槽が沈下した場合、水槽沈下に関わらず水位一定である水面上の浮子天端と、水槽と共に沈下する渦電流センサとの間の鉛直距離が、沈下前の状態から変化する。この変化量から当該測点の変位量と測点間の相対変位量を検出することが出来る。

このような開水路式変位計は、温度、湿度等の環境変化に対して安定した計測結果が得られる特性を有しており、長期にわたる安定的な変位計測が必要な状況に、よく適用されてきた。開水路式変位計の従来技術としては、例えば、不動点の間に張設した基準線状体に沿う液路を同不動点の間に形成し、その液路に貯留した液体中に基準線状体を保持することにより、基準線状体の見掛自重を軽減して自重ゆるみを抑制し、液体が持つ機械的・熱的ダンパー特性によって基準線状体の揺動や温度変動・湿度変動に伴う伸縮を抑制する変位計測技術（特許文献１参照）などが提案されている。

特許第３７８０３７７号公報

しかしながら、従来の開水路式変位計は、構造物の挙動に応じた水槽内水面の揺動が収束するまで、正確な計測が困難であるため、アンダーピニング工法適用時の構造物の変位計測など、短時間で計測結果を得る必要がある状況には不向きであった。一方、そうした短時間での計測を行うべく、ダイヤルゲージ変位計等の計測機器を設置する場合、既存の開水路式変位計とは別の計測機構を付加することになり、導入・運用のコストや手間の増加につながっていた。

そこで本発明は、短時間での正確な鉛直変位計測を可能とする開水路式変位計の技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する本発明の開水路式変位計は、複数の測点に配置した水槽を水路にて連結し、測点での鉛直変位の発生前後における、水槽と水面位置との相対的な変化量に基づいて、測点に生じた鉛直変位を検出する、自由水面を有した開水路式変位計であって、少なくとも１つの測点の水槽または水路の少なくともいずれかが、水槽間を連結する水路以外の補助水路を備えることを特徴とする。これによれば、測定対象の構造物に鉛直変位が生じた場合、この鉛直変位に伴って、開水路式変位計の該当箇所の水槽で水面揺動が生じるが、その水面揺動が、水槽間の水路に加えて補助水路にも伝播し、補助水路が無い場合と比較して迅速に揺動を収束させることが出来る。つまり本発明によれば、構造物で生じた鉛直変位に伴う開水路式変位計での水面揺動を迅速に収束させ、落ち着いた水面において、開水路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

本発明によれば、開水路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

本実施形態における開水路式変位計の構造例を示す平面図である。本実施形態における開水路式変位計の構造例を示す側断面図である。本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す斜視図である。本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す正面図である。本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す側面図である。本実施形態における水槽の構造例（通常時）を示す側断面図である。本実施形態における水槽の構造例（変位時）を示す側断面図である。本実施形態における開水路式変位計の変形例１を示す図である。本実施形態における開水路式変位計の変形例２を示す図である。本実施形態における開水路式変位計の変形例３を示す図である。本実施形態における開水路式変位計での水面隆起例を示す図である。本実施形態における開水路式変位計での通水断面積の概念を示す図である。従来の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。従来の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の伝播結果を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況１を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況２を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況３を示す図である。本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況４を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の伝播結果を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況１を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況２を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況３を示す図である。本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況４を示す図である。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態における開水路式変位計１００の構造例を示す平面図であり、図２は本実施形態における開水路式変位計１００の構造例を示す側断面図である。本実施形態における開水路式変位計１００は、長期にわたる安定的な変位計測を従来通りに実行可能であると共に、短時間での正確な鉛直変位計測をも可能とする変位計である。開水路式変位計１００は、所定間隔で設けた複数の測点１０に配置した水槽１１を水路２０にて連結した構造を備えている。また、少なくともいずれか１つの測点１０の水槽１１または水路２０の少なくともいずれかには、水路２０以外の補助水路３０が設けられている。また複数の測点１０のうち、いずれか１つの測点の水槽１１は鉛直変位が生じない堅固な基礎２等に固定され、測点間の相対変位量の算定時における基準点１０Ｂとなっている。

図３は本実施形態の開水路式変位計における水槽１１の構造例を示す斜視図、図４は本実施形態の開水路式変位計における水槽１１の構造例を示す正面図、図５は本実施形態の開水路式変位計における水槽１１の構造例を示す側面図図６は本実施形態における水槽の構造例（通常時）を示す側断面図、および図７は本実施形態における水槽の構造例（変位時）を示す側断面図である。図３にて示すように、測点１０には、構造物に固定されるベース部１７を底部にして、箱形の水槽１１が立設されている。この水槽１１は、水路２０、補助水路３０が連結されており、水路２０、補助水路３０の内空は水槽１１の内空と連通した状態となっている。

また、測点１０の水槽１１と水路２０、補助水路３０の各内空には、図４、図５で示すように、水１２が蓄えられており、その水面１３に浮子１４を浮かべてある。水槽内天端１５には、離間距離ｂｂをとって浮子１４の鉛直方向移動量を検知する渦電流センサ１６が設置されている。また、水槽１１は上述のベース部１７を介して構造物１と一体に連結しており、構造物１の沈下や隆起といった鉛直変位ａａ（図７参照）に伴って同様に沈下、隆起の動きを示す。

例えば構造物１が距離ａａだけ沈下し（図７参照）、この沈下に伴って或る測点１０の水槽１１も沈下したとする。一方、各測点１０の水槽１１が蓄えている水１２は、水路２０を介して水槽１１間で一体に挙動出来るため、上述の沈下が生じて水面が揺動するとしても、一定時間が経過すれば、各水槽１１内の水１２は、水槽沈下に関わらず水位一定を維持する。

従って、各水槽１１間にて水位一定の水面１３上の浮子天端１４Ａと、沈下が生じた測点１０の水槽１１と共に沈下する渦電流センサ１６との間の鉛直距離ｃｃ（図７参照）は、沈下前の離間距離ｂｂから縮む方向で変化することになる。この変化量から測点間の相対変位量を検出することが出来る。なお、この相対変位量の算定手法については既存技術を採用すればよい。

構造物１に隆起や沈降といった鉛直変位が生じた場合、この鉛直変位の発生箇所付近に位置する測点１０の水槽１１では、水面１３の揺動が生じる。特に、アンダーピニング工法適用の構造物１の変位計測時など、急な鉛直変位が生じる状況であれば、上述の水面揺動も大きくなりがちである。しかしながら、本実施形態の開水路式変位計１００においては、いずれかの測点１０の水槽１１で生じた水面揺動によって通常時水面より起伏した容積分の水が、測点１０間の水路２０に加えて補助水路３０にも伝播することで早く平準化され、補助水路３０が無い場合と比較して迅速に揺動を収束させることが出来る。

なお、図１、図２にて示した開水路式変位計１００の形態の他、図８に示すように、少なくともいずれか１つの測点１０の水槽１１に、当該水槽１１を起点および終点とした閉回路状の補助水路３０が設けられた形態も採用できる。また、図９に示すように、少なくともいずれか１つの測点１０の水槽１１に、当該水槽１１を起点とし、水路２０のいずれかの箇所を終点とした、閉回路状の補助水路３０が設けられた形態も採用できる。更に、図１０に示すように、水槽１１間の水路２０に、当該水路２０の所定箇所を起点、他の箇所を終点とした、閉回路状の補助水路３０が設けられた形態も採用できる。これらの開水路式変位計１００においても、測点１０の水槽１１で生じた水面揺動によって通常時水面より起伏した容積分の水が、測点１０間の水路２０に加えて補助水路３０にも伝播することで早く平準化され、補助水路３０が無い場合と比較して迅速に揺動を収束させることが出来る。

ここで、補助水路３０を備えない従来型の開水路式変位計と、補助水路３０を備える本実施形態の開水路式変位計１００とに関し、それぞれ水面揺動の伝播状況をシミュレーションした例を示す。まず、比較するケースとしては以下の２ケースを採用した。
・ケース１（従来型）：測点間隔は１０．０ｍ。水路２０の総延長は８０ｍ。
・ケース２（本実施形態）：測点間隔は１０．０ｍ。水路２０の総延長は８０ｍ。各測点１０に水路２０と直行する方向に補助水路３０を設けている。１つの補助水路３０の長さは十分長い有限長とするが、本実施形態では４０．０ｍとした。

また、想定した鉛直変位の条件は、或る１箇所の測点１０が０．５ｍｍ隆起し、その測点１０での０．５ｍｍの隆起を頂点に、該当測点１０の水槽１１と連結された水路２０が三角形状に傾斜隆起する（図１１参照）。他方、その他の測点１０や水路２０や補助水路３０らは変位しないものとした。こうした条件の鉛直変位を想定した場合、測点１０の隆起に伴って隆起した水槽１１内の水１２の水面揺動が、他の水路２０（や補助水路３０）を介して他の測点１０に伝播し、時間経過と共に水面１３は平坦化されると考える。

ここで、水槽１１内における水面１３の水面揺動の伝播速度を算定する。水面揺動すなわち水位変化の伝播速度Ｖは、以下の式、

で表される。ここで、ｇ：重力加速度＝９．８ｍ／ｓ^２、ｈ：水理水深＝通水断面積Ａ÷水面幅Ｂ、である。水路２０や補助水路３０の管径が７８ｍｍで、水路２０や補助水路３０の管内における水深が管径の１／２とすると、

伝播速度Ｖが０．５５ｍ／ｓであると、水１２（の水面揺動）が水路２０や補助水路３０の単位長さである１０．０ｍだけ進むのに要する時間は、１０．０ｍ÷０．５５ｍ／ｓ≒１８秒、となる。

ここで、測点１０Ａの隆起により生じた水１２の体積Ｃは、隆起量に比べて測点間の距離が十分に大きいため、直方体に近似できる（図１１）。そこで体積Ｃは、Ｃ＝（水面揺動が生じている長さ）×（水面幅Ｂ）×（測点１０Ａの水位）、となる。この場合、“（水面揺動が生じている長さ）×（水面幅Ｂ）”を伝播面積Ａとする。上述の体積Ｃは、時間の経過によっても変わらないため、時刻ｔ_ｎとｔ_ｎ＋１の測点１０Ａの水位を、それぞれｈ_ｎ、ｈ_ｎ＋１、伝播面積を、それぞれＡ_ｎ、Ａ_ｎ＋１とすると、
・体積Ｃ＝ｈ_ｎ×Ａ_ｎ＝ｈ_ｎ＋１×Ａ_ｎ＋１
・測点１０Ａの水位ｈ_ｎ＋１＝（Ａ_ｎ／Ａ_ｎ＋１）×ｈ_ｎ
となる。

従って、Ａ_ｎ／Ａ_ｎ＋１を伝播面積比とし、時刻ｔ_ｎ＋１での測点１０Ａの水位ｈ_ｎ＋１を求めるならば、時刻ｔ_ｎでの測点１０Ａの水位ｈ_ｎに伝播面積比を乗じればよい。

以上の条件を上述のケース１、すなわち従来型の開水路式変位計に適用した場合の結果を図１３、図１４に示す。図１３の例の場合、隆起が生じた箇所の測点は測点１０Ａである。従って、隆起が生じた時刻ｔ＝０の時点で、測点１０Ａと直接連結されている水路２０にも、測点１０Ａの隆起を頂点として傾斜状の隆起が生じている。水路２０の単位長さは１０．０ｍであるから、時刻ｔ＝０の時点で隆起が生じている範囲は、測点１０Ａを中心に各方向に１０．０ｍ、すなわち計２０ｍの範囲となる。また、この時点での伝播面積は、上述の範囲内の水路２０の長さ計２０ｍ×水路２０の水面幅０．０７８ｍ＝１．５６ｍ^２となる。

水路２０の単位長さ１０．０ｍだけ水１２の水面揺動が伝播するためには、上述したように、約１８秒を要する。従って、隆起が生じた時刻ｔ＝０から１８秒後には、測点１０Ａで隆起した水１２の水面揺動は、測点１０Ａを中心に各方向に２０ｍ、すなわち計４０ｍの範囲となる。

この場合、図１４の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、上述の範囲内の水路２０の長さ計４０ｍ×水路２０の水面幅０．０７８ｍ＝３．１２ｍ^２となる。時刻ｔ＝０の時点での伝播面積は上述のように１．５６ｍ^２であるから、この時刻ｔ＝１８秒の時点での伝播面積比は、１．５６ｍ^２／３．１２ｍ^２＝０．５となる。よって、時刻ｔ＝１８秒の時点での測点１０Ａでの水位は、伝播面積比０．５に、時刻ｔ＝０での測点１０Ａの水位０．５ｍｍを乗じて、０．２５ｍｍと算定できる。

それから更に１８秒が経過後、すなわち隆起が生じた時刻ｔ＝０から３６秒後には、測点１０Ａで隆起した水１２の水面揺動は、測点１０Ａを中心に各方向に３０．０ｍ、すなわち計６０ｍの範囲となる。この場合、図１４の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、上述の範囲内の水路２０の長さ計６０ｍ×水路２０の水面幅０．０７８＝４．６８ｍ^２となる。この場合、時刻間での伝播面積の比率は、上述の時刻ｔ＝１８秒の場合と同様に、３．１２／４．６８＝０．６６６７、と算定できる。

また、この時刻ｔ＝３６秒での測点１０Ａでの水位は、この時刻ｔ＝３６秒の時点での伝播面積比０．６６６７に、時刻ｔ＝１８秒での測点１０Ａの水位０．２５ｍｍを乗じて、０．１７ｍｍ、と算定できる。以下同様に、時刻ｔ＝５４秒での測点１０Ａでの水位は、０．１３ｍｍとなる。

同様に、上記の条件を上述のケース２すなわち本実施形態の開水路式変位計１００に適用した場合の結果を図１５、図１６に示す。図１５の例の場合でも、隆起が生じた箇所の測点を測点１０Ａとする。また、隆起が生じた時刻ｔ＝０から１８秒毎に、水面揺動が伝播する範囲も上述のケース１と同様とする。また、図１５に全容を示す開水路式変位計１００のうち、上述の隆起が生じた以降の各時刻において、水面揺動が伝播した測点１０、水路２０、補助水路３０の範囲のみを抽出し、それぞれ図１７（ｔ＝０秒）〜図２０（ｔ＝５４秒）に示した。

まず、時刻ｔ＝０の時点で隆起が生じている範囲は、図１７に示すように、測点１０Ａを中心に各方向に１０．０ｍ、すなわち計４０ｍの範囲となる。また、この時点での伝播面積は、上述の範囲内の水路２０の長さ計４０ｍ×水路２０の水面幅０．０７８ｍ＝３．１２ｍ^２となる。

また、時刻ｔ＝１８秒の時点においては、図１８にて示すように、水面揺動は測点１０Ａを中心に各方向に２０ｍ、すなわち計４０ｍの範囲に到達している。従って、この範囲にある水路２０および補助水路３０の区間数をカウントすると、１２区間となる。図１６の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも１０．０ｍである水路２０および補助水路３０が計１２区間分となる長さに対応して、すなわち１２（区間）×１０．０ｍ×水面幅０．０７８ｍ＝９．３６ｍ^２となる。したがって、この時点での伝播面積比は、上述の時刻ｔ＝０での伝播面積３．１２ｍ^２を、時刻ｔ＝１８での伝播面積９．３６ｍ^２で除算して、０．３３となる。また、この時の測点１０Ａでの水位は、伝播面積比０．３３に、時刻ｔ＝０での測点１０Ａの水位０．５ｍｍを乗じて、０．１７ｍｍと算定できる。

それから更に１８秒が経過後、すなわち隆起が生じた時刻ｔ＝０から３６秒後には、測点１０Ａで隆起した水１２の水面揺動は、測点１０Ａを中心に各方向に３０．０ｍ、すなわち計６０ｍの範囲となる。この場合、この範囲にある水路２０および補助水路３０の区間数をカウントすると、２４区間となる。そこで図１６の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも１０．０ｍである水路２０および補助水路３０が計２４区間分となる長さに対応して、すなわち２４（区間）×１０．０ｍ×水面幅０．０７８ｍ＝１８．７２ｍ^２となる。この場合、時刻間での伝播面積の比率は、上述の時刻ｔ＝１８秒の場合と同様に、９．３６／１８．７２＝０．５、と算定できる。

また、この時刻ｔ＝３６秒での測点１０Ａでの水位は、この時刻ｔ＝３６秒の時点での伝播面積比０．５に、時刻ｔ＝１８秒での測点１０Ａの水位０．１７ｍｍを乗じて、０．０８ｍｍ、と算定できる。以下同様に、時刻ｔ＝５４秒での測点１０Ａでの水位は、０．０５ｍｍとなる。

ケース１に関して求められた測点１０Ａでの水位が、時刻ｔ＝３６秒で、０．１７ｍｍ、時刻ｔ＝５４秒で、０．１３ｍｍ、であったことを踏まえると、隆起した水位が低下、すなわち水面揺動が収束する速度は、本実施形態の開水路式変位計１００の方が早いことがわかる。つまり、伝播速度Ｖが一定である以上、測点１０Ａでの隆起により生じた水面揺動は、伝播面積が広くなるほど、その収束は早くなる。

同様に、上記の条件を図２１に示すような、格子状水路で構成された開水路式変位計１００に適用した場合の結果を図２２〜図２６に示す。図２１の例の場合でも、隆起が生じた箇所の測点を測点１０Ａとする。また、隆起が生じた時刻ｔ＝０から１８秒毎に、水面揺動が伝播する範囲も上述のケース１と同様とする。また、図２１に全容を示す開水路式変位計１００のうち、上述の隆起が生じた以降の各時刻において、水面揺動が伝播した測点１０、水路２０、補助水路３０の範囲のみを抽出し、それぞれ図２３（ｔ＝０秒）〜図２６（ｔ＝５４秒）に示した。

まず、時刻ｔ＝０の時点で隆起が生じている範囲は、図２３に示すように、測点１０Ａを中心に各方向に１０．０ｍ、すなわち計４０ｍの範囲となる。また、この時点での伝播面積は、上述の範囲内の水路２０の長さ計４０ｍ×水路２０の水面幅０．０７８ｍ＝３．１２ｍ^２となる。

また、時刻ｔ＝１８秒の時点においては、図２４にて示すように、水面揺動は測点１０Ａを中心に各方向に２０ｍ、すなわち計４０ｍの範囲に到達している。従って、この範囲にある水路２０および補助水路３０の区間数をカウントすると、１６区間となる。図２２の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも１０．０ｍである水路２０および補助水路３０が計１６区間分となる長さに対応して、すなわち１６（区間）×１０．０ｍ×水面幅０．０７８ｍ＝１２．４８ｍ^２となる。この時点での伝播面積比は、上述の時刻ｔ＝０での伝播面積３．１２ｍ^２を、時刻ｔ＝１８での伝播面積１２．４８ｍ^２で除算して、０．２５となる。また、この時の測点１０Ａでの水位は、伝播面積比０．２５に、時刻ｔ＝０での測点１０Ａの水位０．５ｍｍを乗じて、０．１２ｍｍと算定できる。

それから更に１８秒が経過後、すなわち隆起が生じた時刻ｔ＝０から３６秒後には、測点１０Ａで隆起した水１２の水面揺動は、測点１０Ａを中心に各方向に３０．０ｍ、すなわち計６０ｍの範囲となる。この場合、この範囲にある水路２０および補助水路３０の区間数をカウントすると、３６区間となる。そこで図２２の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも１０．０ｍである水路２０および補助水路３０が計３６区間分となる長さに対応して、すなわち３６（区間）×１０．０ｍ×水面幅０．０７８ｍ＝２８．０８ｍ^２となる。この場合、時刻間での伝播面積の比率は、上述の時刻ｔ＝１８秒の場合と同様に、１２．４８／２８．０８＝０．４４４、と算定できる。

また、この時刻ｔ＝３６秒での測点１０Ａでの水位は、この時刻ｔ＝３６秒の時点での伝播面積比０．４４４に、時刻ｔ＝１８秒での測点１０Ａの水位０．１２ｍｍを乗じて、０．０６ｍｍ、と算定できる。以下同様に、時刻ｔ＝５４秒での測点１０Ａでの水位は、０．０３ｍｍとなる。ケース２に関して求められた測点１０Ａでの水位が、時刻ｔ＝３６秒で、０．０８ｍｍ、時刻ｔ＝５４秒で、０．０５ｍｍ、であったことを踏まえると、隆起した水位が低下、すなわち水面揺動が収束する速度は、図１５に示した本実施形態の開水路式変位計１００の場合よりも更に早いことがわかる。

以上、本実施形態によれば、構造物で生じた鉛直変位に伴う開水路式変位計での水面揺動を迅速に収束させ、落ち着いた水面において、開水路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１構造物
１０測点
１１水槽
１２水
１３水面
１４浮子
１５水槽内天端
１６渦電流センサ
１７ベース部
２０水路
３０補助水路
１００開水路式変位計

Claims

複数の測点に配置した水槽を水路にて連結し、測点での鉛直変位の発生前後における、水槽と水面位置との相対的な変化量に基づいて測点に生じた鉛直変位を検出する、自由水面を有した開水路式変位計であって、少なくとも１つの測点の水槽または水路の少なくともいずれかが、水槽間を連結する水路以外の補助水路を備えることを特徴とする開水路式変位計。