JP6148529B2

JP6148529B2 - 津波実験装置

Info

Publication number: JP6148529B2
Application number: JP2013096112A
Authority: JP
Inventors: 裕文小山
Original assignee: Fudo Tetra Corp
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-05-01
Also published as: JP2014219203A

Description

本発明は、実験水槽やデモ用水槽において、津波の水理現象（水位変動、流速変動）を再現するための津波実験装置に関する。

実験水槽及び模型を用いて構造物等の耐津波性能（津波に対する耐久性）に関する試験を行う場合、実験水槽において、津波の水理現象をなるべく正確に再現することが求められる。しかしながら、津波は非常に複雑な水理現象であるため、実験水槽等において津波の水理現象を忠実に再現することは難しい。

特許第３９７７１８８号公報特許第４６９６２６８号公報特許第４７６１０７５号公報

津波の水理現象を再現するための装置（津波実験装置）として、これまで様々な装置が提案されているが、いずれも津波現象を部分的に再現するにとどまるものであり、複雑な津波現象を忠実に再現できるような実験装置は、未だ知られていない。

この点について具体的に説明すると、図７のグラフは、２０１１年３月１１日に岩手県南部沖において、ＧＰＳ波浪計によって計測された津波の波形を示すものであり、このグラフからもわかるように、津波発生時においては、平均水位よりも高い水位が広範囲にわたって維持される段波（段状の波）と、卓越した波高の大波（孤立波）とが重なり、水位及び流速が最大となって陸側へ進行する現象と、段波と孤立波の後方側において、高い水位を維持したまま水が陸側へ向かって継続的に流れる現象（継続水流）が生じている、と考えられる。図８は、これらの現象を模式化したものであり、Ａは段波、Ｂは孤立波、Ｃは継続水流を示している。

従来の津波実験装置は、図８に示す段波Ａのみを再現するもの、或いは、孤立波Ｂのみを再現するものが多く、段波Ａ、孤立波Ｂ、及び、継続水流Ｃを、実際の津波に近似した状態で再現することができるような津波実験装置は存在していない。

本発明は、このような従来技術における課題を解決しようとするものであって、段波、孤立波、及び、継続水流のすべてを含み、実際の津波に極めて近似した状態で津波の水理現象を再現することができる津波実験装置及び津波実験方法を提供することを目的とする。

本発明に係る津波実験方法は、水槽と、造波装置と、水位変動装置と、水流発生装置とを有する津波実験装置を用いて津波の水理現象を再現して実験を行う方法であって、造波装置は、水槽の始端側に配置され、駆動手段によって造波板を動作させることにより、水槽内において所望の大きさの波を作ることができるように構成され、水位変動装置は、水槽の始端側に配置され、水を貯留でき、かつ、水塊を水槽へ放出することができるタンクを有し、水流発生装置は、水槽の始端側と終端側とを接続する管路と、この管路の途中に配置されたポンプとによって構成され、水位変動装置のタンクから水槽内へ水塊を放出することにより、高い水位を維持しながら始端側から終端側へ向かって進行する段波を水槽内において形成するとともに、造波板を動作させることにより、段波の先端部分において山形の孤立波を形成し、更に、水流発生装置によって水槽の終端側から始端側へ水を送って循環させることにより、高い水位を維持しながら水槽の始端側から終端側へ向かう継続水流を形成して津波の水理現象を再現することを特徴としている。

尚、水位変動装置は、真空ポンプ、及び、バルブを有し、バルブを閉じた状態で、真空ポンプを作動し、タンク内の空気を外部へ排出することにより、水槽内の水をタンク内に流入させて貯留し、バルブを開放することによって、水塊が水槽へ放出されるように構成することが好ましい。

また、本発明に係る津波実験装置は、水槽と、造波装置と、水位変動装置と、水流発生装置とを有し、造波装置は、水槽の始端側に配置され、駆動手段によって造波板を動作させることにより、水槽内において所望の大きさの波を作ることができるように構成され、水位変動装置は、水槽の始端側に配置され、水を貯留でき、かつ、水塊を水槽へ放出することができるタンクを有し、水流発生装置は、水槽の始端側と終端側とを接続する管路と、この管路の途中に配置されたポンプとによって構成され、更に、水位変動装置のほかに、サブタンク、真空ポンプ、バルブ、及び、開閉手段（シャッター）を有する第二水位変動装置が、水位変動装置とともに水槽の始端側に配置され、サブタンクは、開口部を介して水槽内の空間と連通するとともに、当該開口部は、開閉手段によって開閉するように構成され、開口部を開放することにより、水槽内の水がサブタンク内へ流入し、水槽内の水位が低下するように構成されていることを特徴としている。尚この場合、サブタンクは、下方側の部分（水槽内に貯留される水の基準レベルよりも下方側の部分）において、開口部を介して水槽内の空間と連通し、サブタンクの開口部は、開閉手段によって開閉するように構成され、第二水位変動装置の開口部を開閉手段によって閉塞し、バルブを閉めた状態で、真空ポンプを作動させて、サブタンク内を真空に近い負圧状態としておき、この状態から開口部を開放することにより、水槽内の水をサブタンク内へ流入させることにより、水槽内の水位が低下するように構成することが好ましい。

更に、複数枚の造波板を、水槽の横幅方向へ並べて配置するとともに、複数個の水位変動装置を、水槽の横幅方向へ並べて配置し、制御装置による制御下において、各水位変動装置から水槽へ水塊を時間差をつけて順番に放出するとともに、各造波板を時間差をつけて順番に動作させることによって、水槽の長手方向に対して傾斜した方向へ進行する津波の現象が再現されるように構成することもできる。

本発明に係る津波実験装置及び津波実験方法によれば、段波、孤立波、及び、継続水流のすべてを含み、実際の津波に極めて近似した状態で津波の水理現象を再現することができる。また、第二水位変動装置を付加した場合には、津波の到来前に、潮位が大幅に低下する引き波現象を水槽内において再現することができる。更に、複数枚の造波板を、水槽の横幅方向へ並べて配置するとともに、複数個の水位変動装置を、水槽の横幅方向へ並べて配置した場合には、制御装置による制御下において、各水位変動装置から水槽へ水塊を時間差をつけて順番に放出するとともに、各造波板を時間差をつけて順番に動作させることによって、水槽の長手方向に対して傾斜した方向へ進行する津波の現象を再現することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る津波実験装置１の断面図である。図２は、図１の津波実験装置１の動作態様（タンク４１満水時）の説明図である。図３は、図１の津波実験装置１の動作態様（バルブ４３開放時）の説明図である。図４は、図１の津波実験装置１の動作態様（造波板３１作動時）の説明図である。図５は、図１の津波実験装置１の動作態様（ポンプ５２作動時）の説明図である。図６は、本発明の第二実施形態に係る津波実験装置１の垂直断面図である。図７は、ＧＰＳ波浪計によって計測された津波の波形を示すグラフである。図８は、津波の水理現象を模式化した図である。

以下、添付図面に沿って、本発明「津波実験装置」を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る津波実験装置１の垂直断面図である。図示されているように、この津波実験装置１は、水槽２、造波装置３、水位変動装置４、及び、水流発生装置５によって構成されている。

造波装置３は、ピストン型の造波装置であり、水槽２の始端側（図１において左側）に配置されている。この造波装置３は、図示しない駆動手段（ボールネジ等）により、造波板３１を破線で示す範囲で水槽２の長手方向へ往復動作させることにより、水槽２内において所望の大きさの波を作ることができるように構成されている。

水位変動装置４は、タンク４１と、真空ポンプ４２と、バルブ４３とによって構成されており、造波装置３と同様に、水槽２の始端側に配置されている。タンク４１は、下方側の部分（水槽２内に貯留される水の基準レベルＳＷＬよりも下方側の部分）において水槽２内の空間と連通しており、上方側の部分（水槽２内に貯留される水の基準レベルＳＷＬよりも上方側の部分）は、タンク４１の上部に取り付けられているバルブ４３を閉めることにより、外部空間に対して内部空間を閉じた状態とできるように構成され、バルブ４３を開放することにより、外部空間と連通状態とできるように構成されている。

水流発生装置５は、水槽２の始端側の延長部２１（水槽２の始端側、即ち、造波装置３等が配置されている側の端部において、水槽２の底面２３よりも下方側へ延長された部分）と、水槽２の終端側の延長部２２（水槽２の終端側、即ち、造波装置３等が配置されている側とは反対側において、水槽２の底面２３よりも下方側へ延長された部分）とを接続する管路５１と、この管路５１の途中に配置されたポンプ５２とによって構成されている。

本実施形態の津波実験装置１は、上記のような構成に係るものであるところ、水槽２内において、複雑な津波の水理現象を忠実に再現することができ、構造物等の耐津波性能等に関する実験を好適に行うことができる。以下、このような本実施形態の津波実験装置１の効果について、動作態様とともに説明する。

まず、図２に示すように、必要に応じて、水槽２内の終端側の底面２３上に実験対象物６（耐津波性能等に関する実験を行おうとする構造物の模型）を設置し、水面が基準レベルＳＷＬとほぼ一致するまで水槽２内に水を貯留する。そして、バルブ４３を閉じた状態で、真空ポンプ４２を作動し、タンク４１内の空気を外部へ排出する。そうすると、タンク４１内の空間が負圧となり、水槽２内の空間と連通するタンク４１の下方側から、水槽２内の水がタンク４１内に流入し、タンク４１内の水位が上昇する一方で、図２に示すように、水槽２内の水位が基準レベルＳＷＬよりも低下する（タンク満水時レベルＬＷＬ）。タンク４１内が満杯となるまで水が貯留されたら（或いは、タンク４１内に必要量の水が貯留されたら）、真空ポンプ４２の動作を停止する。

この状態でバルブ４３を開放すると、図３に示すように、タンク４１内の水位が一気に下降し、タンク４１から水塊が放出され、水槽２内へ勢いよく流れ込むことになる。これにより水槽２の始端側（図３において左側）において水位が上昇して、段波Ａ（段状の波）が形成される。この段波Ａは、高い水位（ＬＷＬよりも高い水位）を維持しながら、水槽２の終端側（図３において右側）へ向かって進行していくことになる。尚、バルブ４３の開度を調整することにより、段波Ａの大きさをコントロールすることができる。

そして、バルブ４３の開放後、造波板３１を適切なタイミングで動作させる（具体的には、造波板３１を、図４において破線で示す位置から実線で示す位置まで移動させる）ことにより、段波Ａの先端部分に、図４に示すような山形の孤立波Ｂを形成する。段波Ａの先端、及び、孤立波Ｂが、実験対象物６に到達し、更に、水槽２の終端側まで到達したら、ポンプ５２を作動させて、水槽２の終端側の水を、管路５１を介して始端側へ送り、水を循環させる。

そうすると水槽２内においては、図５に示すように高い水位（ＬＷＬよりも高い水位）を維持しながら、始端側（図５において左側）から終端側（図５において右側）へ向かう継続水流Ｃが形成される。尚、タンク４１内の水位が水槽２内の水位と一致するまで、タンク４１内から水槽２へ水が流れ出た後においては、水槽２内の水位は一定となり、真空ポンプ４２によって水槽２内からタンク４１内へ水を流入させる前の状態、即ち、水槽２内の水位が基準レベルＳＷＬとほぼ一致した状態となる。

実際の津波発生時においては、平均水位よりも高い水位が広範囲にわたって維持される段波Ａと、卓越した波高の孤立波Ｂとが重なり、水位及び流速が最大となって陸側へ進行する現象と、段波Ａと孤立波Ｂの後方側において、高い水位を維持したまま陸側へ向かう継続水流Ｃが発生するが、上述の通り、本実施形態の津波実験装置１においては、これらのすべての現象を含んだ形で、実際の津波に極めて近似した水理現象を再現することができる。従って、構造物等の耐津波性能等に関する実験を好適に行うことができ、より正確なデータを得ることができる。

図６は、本発明の第二実施形態に係る津波実験装置１の垂直断面図である。本実施形態の津波実験装置１は、第二水位変動装置７が追加されている点においてのみ、第一実施形態に係る津波実験装置１と相違している。この第二水位変動装置７は、サブタンク７１、真空ポンプ７２、バルブ７３、及び、シャッター７４（開閉手段）によって構成されており、造波装置３、及び、水位変動装置４と同様に、水槽２の始端側に配置されている。

サブタンク４１は、下方側の部分（水槽２内に貯留される水の基準レベルＳＷＬよりも下方側の部分）において、開口部７５を介して水槽２内の空間と連通し、この開口部７５は、水平方向へ移動自在なシャッター７４によって開閉するように構成されている。そして、サブタンク４１は、シャッター７４によって開口部７５を閉塞し、かつ、バルブ７３を閉めることにより、外部空間に対して内部空間を閉じた状態とできるようになっている。

第二水位変動装置７は、津波到来前に潮位が大幅に低下する引き波現象を再現するためのものである。具体的に説明すると、本実施形態の津波実験装置１においても、第一実施形態の津波実験装置１と同様に、水位変動装置４のタンク４１内を満水状態とし、この状態からバルブ４３を開放することによって、水槽２内において、図３に示したような段波Ａを発生させることができるが、本実施形態においては、水位変動装置４のバルブ４３を開放する前に、第二水位変動装置７の開口部７５をシャッター７４によって閉塞し、バルブ７３を閉めた状態で、真空ポンプ７２を作動させて、サブタンク７１内を真空に近い負圧状態としておき、この状態からシャッター７４をスライドさせて開口部７５を開放する。

そうすると、水槽２内の水が、サブタンク７１内へ一気に流入して、水槽２内の水位が、図２に示すタンク満水時レベルＬＷＬよりも更に低下することになり、段波Ａ（図３参照）及び孤立波Ｂ（図４参照）の到来前に、潮位が大幅に低下する引き波現象を水槽２内において再現することができる。

尚、第一実施形態及び第二実施形態の津波実験装置１においては、長手方向（図１及び図６における左右方向）の寸法に対して横幅方向の寸法が極めて小さい水槽２（断面水槽）が用いられており、造波板３１についても、水槽２の横幅寸法とほぼ同じ幅寸法のものが一枚だけ配置されているが、本発明に係る津波実験装置１において使用される水槽２は、断面水槽に限定されるものではなく、平面水槽（断面水槽よりも大きな横幅寸法を有する水槽）を適用することもできる。

尚、本発明に係る津波実験装置１における水槽２として、平面水槽を適用する場合、造波板３１を、水槽２の横幅方向へ複数枚並べて配置するとともに、水位変動装置４についても、水槽２の横幅方向へ複数個並べて配置し、制御装置による制御下において、各水位変動装置４から水塊を水槽２へ順番に放出するとともに、各造波板３１を時間差をつけて順番に動作させることによって、斜め方向（水槽２の長手方向に対して傾斜した方向）へ進行する津波の現象を水槽２内において再現することもできる。

また、上記実施形態においては、水位変動装置４は、真空ポンプ４２によってタンク４１内を負圧にすることによって水槽２内の水をタンク４１内に流入させ、バルブ４３を開放することによってタンク４１内から水槽２へ水塊を放出するように構成されているが、必ずしもこの形態には限定されず、水槽２内に貯留されている水をタンク４１内に流入させるのではなく、他の水源（例えば、水道の蛇口）からホース等を使って予めタンク４１内に水を貯留しておき、これを水槽２内へ放出するように構成してもよい。

また、第二実施形態において、第二水位変動装置７は、サブタンク７１内を真空に近い負圧状態としておき、この状態から開口部７５を開放することによって、水槽２内の水をサブタンク７１内へ一気に流入させるように構成されているが、必ずしもこの形態には限定されず、水槽２の下方にサブタンク７１を配置し、開口部を開放することによって、水槽２内の水が重力に従ってサブタンク７１内へ流入するように構成してもよい。

１：津波実験装置、
２：水槽、
２１，２２：延長部、
２３：底面、
３：造波装置、
３１：造波板、
４：水位変動装置、
４１：タンク、
４２：真空ポンプ、
４３：バルブ、
５：水流発生装置、
５１：管路、
５２：ポンプ、
６：実験対象物、
７：第二水位変動装置、
７１：サブタンク、
７２：真空ポンプ、
７３：バルブ、
７４：シャッター、
７５：開口部、
Ａ：段波、
Ｂ：孤立波、
ＬＷＬ：タンク満水時レベル、
ＳＷＬ：基準レベル

Claims

水槽と、造波装置と、水位変動装置と、水流発生装置とを有する津波実験装置を用いて津波の水理現象を再現して実験を行う方法であって、
造波装置は、水槽の始端側に配置され、駆動手段によって造波板を動作させることにより、水槽内において所望の大きさの波を作ることができるように構成され、
水位変動装置は、水槽の始端側に配置され、水を貯留でき、かつ、水塊を水槽へ放出することができるタンクを有し、
水流発生装置は、水槽の始端側と終端側とを接続する管路と、この管路の途中に配置されたポンプとによって構成され、
水位変動装置のタンクから水槽内へ水塊を放出することにより、高い水位を維持しながら始端側から終端側へ向かって進行する段波を水槽内において形成するとともに、造波板を動作させることにより、段波の先端部分において山形の孤立波を形成し、更に、水流発生装置によって水槽の終端側から始端側へ水を送って循環させることにより、高い水位を維持しながら水槽の始端側から終端側へ向かう継続水流を形成して津波の水理現象を再現することを特徴とする津波実験方法。
水位変動装置が、真空ポンプ、及び、バルブを有し、バルブを閉じた状態で、真空ポンプを作動し、タンク内の空気を外部へ排出することにより、水槽内の水をタンク内に流入させて貯留し、バルブを開放することによって、水塊が水槽へ放出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の津波実験方法。
水槽と、造波装置と、水位変動装置と、水流発生装置とを有し、
造波装置は、水槽の始端側に配置され、駆動手段によって造波板を動作させることにより、水槽内において所望の大きさの波を作ることができるように構成され、
水位変動装置は、水槽の始端側に配置され、水を貯留でき、かつ、水塊を水槽へ放出することができるタンクを有し、
水流発生装置は、水槽の始端側と終端側とを接続する管路と、この管路の途中に配置されたポンプとによって構成され、
更に、サブタンク、及び、開閉手段を有する第二水位変動装置が、水位変動装置とともに水槽の始端側に配置され、
サブタンクは、開口部を介して水槽内の空間と連通するとともに、当該開口部は、開閉手段によって開閉するように構成され、
開口部を開放することにより、水槽内の水がサブタンク内へ流入し、水槽内の水位が低下するように構成されていることを特徴とする津波実験装置。
第二水位変動装置が、真空ポンプ、及び、バルブを有し、
第二水位変動装置の開口部を開閉手段によって閉塞し、バルブを閉めた状態で、真空ポンプを作動させて、サブタンク内を真空に近い負圧状態としておき、この状態から開口部を開放することにより、水槽内の水がサブタンク内へ流入し、水槽内の水位が低下するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の津波実験装置。
複数枚の造波板を、水槽の横幅方向へ並べて配置するとともに、複数個の水位変動装置を、水槽の横幅方向へ並べて配置し、制御装置による制御下において、各水位変動装置から水槽へ水塊を時間差をつけて順番に放出するとともに、各造波板を時間差をつけて順番に動作させることによって、水槽の長手方向に対して傾斜した方向へ進行する津波の現象が再現されるように構成したことを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の津波実験装置。