JP7351206B2 - 井戸設備の評価方法及び井戸設備の評価装置 - Google Patents

Description

本発明は井戸設備の評価方法及び井戸設備の評価装置に関する。

地下構造物を構築すると、地下構造物が構築された地盤の地下水の流れが変動することがある。例えば地下構造物によって地下水の流れが阻害されると、地下構造物よりも上流側の地盤では、地下水位の上昇に伴う構造物の浮き上がりや液状化危険度の増加、下流側の地盤では地下水位の低下に伴う地盤沈下や井戸枯れ等の問題が生じる可能性がある。この問題を防ぐため、地下構造物の周辺に、上流側の地下水を集める井戸（集水井戸）と、下流側の地域に地下水を戻すための井戸（涵養井戸）とを設置し、両井戸を、地下構造物を迂回する連結管で連結する保全工法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００－１８６３３６号公報

上記のような保全工法の一例として、複数の通水可能なパイプを井戸に連結する工法が知られている。例えば上流側においては、通水孔を周壁部に備える集水管を、その長手方向が、水平方向と平行であって且つ地下水の流れる方向とほぼ垂直となるように設置し、その出水口を井戸の立坑の内側に配置する。これにより、集水管の各々に流入した地下水は集水井戸に集められる。

複数の集水管は、周辺地盤の複数箇所におけるボーリング調査等に基づいて水みち（地下水の流れ）にあたるように埋設されるものの、必ずしも全ての集水管を地下水の流れにあたるように埋設できるとは限らない。集水管が水みちに適切にあたらないと、周辺の地下水を十分に引き込めない可能性がある。しかし、埋設した集水管の各々が水みちにあたる位置に適切に埋設され、集水装置の性能が良好に確保できているかどうかについては、評価する方法が無いのが実情である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、井戸設備の性能を適切に評価することを目的とする。

上記課題を解決する井戸設備の評価方法は、井戸、及び周壁部に多数の通水孔を有し前記井戸に連結される複数の多孔管を備えた井戸設備の評価方法であって、前記多孔管の開口部に連結し、前記井戸内に配置される管路に、前記管路内の圧力を測定する圧力測定装置と、前記管路内を流れる水の流量を測定する流量測定装置と、当該管路を流れる水量を調整する流量調整部とを取り付ける工程と、前記多孔管毎に、前記流量調整部により前記管路の流量を調整しつつ、前記圧力測定装置及び前記流量測定装置によって圧力及び流量をそれぞれ同時に測定する工程と、測定された前記圧力に基づく周辺地盤の地下水位との前記井戸の水位差を算出し、水位差毎に前記多孔管の各々における流量を積算して、前記水位差と流量の関係を評価する工程と、を有する。

上記課題を解決する井戸設備の評価装置は、井戸、及び周壁部に多数の通水孔を有し前記井戸に連結される複数の多孔管を備えた井戸設備の評価装置であって、前記多孔管の開口部に連結し、前記井戸内に配置される管路と、前記管路内の圧力を測定する圧力測定装置と、前記管路内を流れる水の流量を測定する流量測定装置と、前記管路を流れる水量を調整する流量調整部と、を備える。

上記構成及び方法によれば、多孔管毎に、開口部から流出する水の流量を調整しながら、圧力と流量とが測定される。そして、全ての多孔管についての圧力及び流量から、周辺地盤の地下水位と集水井戸の水位の差と流量との関係を求めることができる。そして、水位の差と流量との関係を通じて、一定の水位差のもとで、所望の流量を得ることができるか否かを評価することができる。よって、多孔管毎に通水能力が評価され、それらを積算して井戸設備を評価するので、井戸設備の性能を適切に評価することができる。

上記井戸設備の評価方法について、前記圧力は、前記多孔管の位置水頭に基づき補正されることが好ましい。

上記方法によれば、多孔管の位置水頭はそれぞれ異なるため、圧力を測定した多孔管毎に、その位置水頭に基づき補正が行われる。このため、井戸設備の性能を適切に評価することができる。

本発明によれば、井戸設備の性能を適切に評価することができる。

本発明の一実施形態における地下水流動保全設備の一例を示す模式図。 同実施形態の地下水流動保全設備に適用される評価装置を示す模式図。 同実施形態における評価方法の手順を示すフローチャート。 同実施形態における集水管における圧力と流量との関係を示すグラフ。 同実施形態の集水装置の水位差と流量の積算値との関係を示すグラフ。 同実施形態における周囲地盤の地下水位と集水井戸の水位との差を説明する概念図。

以下、本発明の井戸設備の評価方法及び評価装置について説明する。
図１に示すように、地下水流動保全設備１０は、地下構造物１１の周囲に設けられている。地下水流動保全設備１０は、集水井戸１２、涵養井戸１３、及びそれらを連結する連結管１４を備えている。

集水井戸１２及び涵養井戸１３は、立坑１５，１６をそれぞれ有している。集水井戸１２の立坑１５を囲む周壁部１７には、複数の集水管２０が接続されている。集水管２０は、周壁部に多数の通水孔を有するパイプであり、例えば金属網を筒状にして形成したストレーナ、又はそのストレーナ内に土砂の侵入を抑制する濾過材を充填したもの等が用いられる。また、集水管２０の一方の端部は、集水井戸１２の周壁部１７を貫通しており、その出水口は集水井戸１２の立坑１５内に配置されている。これにより、通水孔を介して集水管２０内に流入した水は、出水口を介して集水井戸１２の立坑１５に流入する。

複数の集水管２０は、その長手方向（中心軸）が互いに略平行となるように地中の深さ方向に所定の間隔で並べられている。集水井戸１２の一方の側面には、深さ方向に並べられた集水管２０の列が２列設けられている。また、集水井戸１２の一方の側面に対して反対側に設けられた他方の側面にも集水管２０が２列接続されている。集水管２０は、事前のボーリング調査等に基づき、地下水の流れにあたるように埋設されている。具体的には、集水管２０は、その中心軸が地下水の流れる方向と交差するように埋設されている。集水装置３０、連結管１４及び涵養装置３１は、地下構造物１１の規模に応じた数だけ設けられる。なお、ここでは、集水井戸１２及び集水管２０を併せて集水装置３０といい、涵養井戸１３及び涵養管４０を併せて涵養装置３１という。本実施形態における井戸設備の評価方法は、集水装置３０を評価する方法である。

連結管１４は、地下構造物１１の下方に設けられている。連結管１４の入口は集水井戸１２の立坑１５に接続し、出口は涵養井戸１３の立坑１６に接続している。集水井戸１２に集められた地下水は、連結管１４を通って涵養井戸１３に流入する。涵養井戸１３のうち立坑１６を囲む周壁部１８には、複数の涵養管４０が接続されている。涵養管４０は、集水管２０とほぼ同様の構成である。また、涵養管４０は、入水口を有し、入水口は涵養井戸１３の立坑１６内に配置されている。これにより、涵養井戸１３から入水口を介して涵養管４０に流入した水は、涵養管４０の通水孔を介して周辺地盤に供給される。

次に、図２を参照して、地下水流動保全設備１０の評価装置５０について説明する。評価装置５０は、管路５２、圧力測定装置５３、流量測定装置５４及び流量調整弁５５を備え、集水井戸１２の立坑１５内に設けられている。集水管２０には、集水管２０の出水口２１を開閉する開閉弁２３と、接続部２４とが設けられている。集水管２０の接続部２４には、管路５２の接続部５１が連結される。開閉弁２３を開くと、集水管２０内の水が出水口２１を介して管路５２内に流入する。管路５２内の水は、管路５２の出口５７から立坑１５内に排出することが可能である。管路５２の途中には、管路５２の入口側から順に、圧力測定装置５３、流量測定装置５４、及び流量調整弁５５が設けられている。流量調整弁５５は、流量調整部に対応する。

圧力測定装置５３は、管路５２内の圧力を測定する装置である。圧力測定装置５３は、地盤内の水圧を正確に測定するために、集水管２０の出水口２１に近い位置に配置されることが好ましい。

流量測定装置５４は、集水管２０の出水口２１から流出する水の単位時間当たりの地下水の量を測定する。流量測定装置５４には、電磁流量計を用いるが、その他の流量計であってもよい。流量調整弁５５は、管路５２に流入する水の流量を調整することを通じて、集水管２０の出水口２１における圧力を調整する。流量調整弁５５は、ボールバルブ、バタフライバルブ、グローブバルブ、又はその他の弁装置であってもよい。流量調整弁５５の開度を大きくすることによって流量を増加させると、集水管２０の出水口２１における圧力は小さくなる。流量調整弁５５の開度を小さくすることによって流量を低減させると、集水管２０の出水口２１における圧力は大きくなる。流量調整弁５５は、流量測定装置５４の測定結果に悪影響を及ぼさないように流量測定装置５４の下流側に設けられることが好ましい。

（集水装置３０の計測方法）
次に、図３を参照して、集水装置３０の計測手順について説明する。なお、集水装置３０の評価を行うタイミングは特に限定されない。例えば、地下構造物１１の構築前に行ってもよいし、地下構造物１１の構築後に行ってもよい。また、地下構造物１１の使用が開始された後に行ってもよい。

集水装置３０の評価は、集水管２０の各々が地下水の流れにあたるように適切に設けられているか否かを定量的に判定する目的で行われる。まず、集水井戸１２に接続する複数の集水管２０のうち測定対象とする集水管２０に、評価装置５０を取り付け、集水装置３０を使用している状態と同じ状態となるように開閉弁２３を全開にする取付工程を行なう（ステップＳ１）。

次に、流量調整弁５５の開度を調整することにより、地下水の流量を調整する（ステップＳ２）。例えば１回目の測定では、流量調整弁５５を全閉とする。そして、流量測定装置５４により流量（ここでは流量は「０」）を測定する工程（ステップＳ３）、圧力測定装置５３により圧力を測定する工程を行なう（ステップＳ４）。流量が「０」のときに圧力測定装置５３によって測定された圧力は、周辺地盤の地下水位に相当する。

ステップＳ４の後、１本の集水管２０についての測定を終了しない場合には（ステップＳ５：ＮＯ）、流量調整弁５５の開度を変化させながらステップＳ２～ステップＳ４を測定終了となるまで繰り返す。測定は、圧力の変化に応じて行う。測定を終了する条件は特に限定されないが、例えば、圧力変化が小さい場合は、測定を所定回数行った場合にその集水管２０に対する測定を終了する（ステップＳ５：ＹＥＳ）。又は、圧力変化が大きい場合には圧力が所定圧力に到達した場合にその集水管２０に対する測定を終了する（ステップＳ５：ＹＥＳ）。

ステップＳ２～Ｓ４の繰り返しが２回目以降となる場合には、流量調整弁５５を開き、流量が安定したときに、流量測定装置５４によって流量を測定し（ステップＳ３）、圧力測定装置５３によって圧力を測定する（ステップＳ４）。流量及び圧力は関連付けて記録部等に記録される。流量が「０」よりも大きい場合に測定された圧力は、圧力と同時に測定された流量の水を集水管２０から流出させた場合の周辺地盤の地下水位と集水井戸の周囲の圧力差に対応する。

その後も測定を繰り返し、一つの集水管２０を対象とした圧力及び流量の測定が終了すると、同じ集水井戸１２に接続された他の集水管２０について、ステップＳ１～ステップＳ５を繰り返す。そして、一つの集水井戸１２に接続された全ての集水管２０について圧力及び流量の測定を行なう。測定の全工程を終了すると、測定結果に基づいて、集水装置３０の集水性能について評価を行なう。

（集水性能の評価方法）
図４及び図５を参照して、集水性能の評価方法について詳細に説明する。なお、評価は、演算部及び記憶部を備えた情報処理装置によって実行可能である。

まず、測定された圧力を、水の密度及び重力加速度の積で除算して、圧力水頭を算出する。また、集水管２０の各々は、高さ位置（深さ位置）がそれぞれ異なるため、測定された圧力に基づく圧力水頭に、その集水管２０の位置水頭を加算したピエゾ水頭を算出する。

そして、集水管２０毎に、算出したピエゾ水頭とそれに関連付けられた流量とを、多項式等の所定の関数によって近似する。
図４は、集水管２０のピエゾ水頭及び流量を近似した関数１１０，１１１を模式的に示す図である。関数１１０は、流量が大きくなるに伴い、ピエゾ水頭（圧力水頭）が低下する。関数１１０に対応する集水管２０の集水性能は、流量が増大してもピエゾ水頭（圧力水頭）が急には下がらないことを示している。このような集水管２０は、地下水の流れに適切にあたっていると推定される。

関数１１１は、関数１１０に対応する集水管２０とは異なる集水管２０に対応する。関数１１１は、流量が増大するとピエゾ水頭（圧力水頭）が急激に低下することを示している。このような集水管２０は、その少なくとも一部が地下水の流れない粘性土層等に埋設されている、又は集水管２０が詰まっている等、何らかの要因で地下水が流入しにくくなっていることが推定される。

次に、一つの集水井戸１２に接続する全ての集水管２０のデータを用いて、集水装置３０の集水能力を評価する。具体的には、同一のピエゾ水頭における各集水管２０の流量を積算して、集水井戸１２に集めることが可能な単位時間当たりの地下水の量を求める。また、ピエゾ水頭は、流量が「０」のときのピエゾ水頭からの圧力変化を、周辺地盤の地下水位に対する水位の差ΔＬとする。

図５は、集水装置３０の集水能力を示す関数である。横軸は流量の積算値（流量Ｆ）、縦軸は周辺地盤の地下水位に対する水位の差ΔＬを示す。水位の差ΔＬに対応する流量の積算値を求めることにより、水位の差ΔＬが所定値である場合の集水装置３０に流入する流量を通じて、集水性能を評価することができる。

図６を参照して詳述すると、集水管２０の開閉弁２３を開けて集水装置３０によって周辺地盤１００の地下水を集めたとき、周辺地盤における地下水位が下がる。よって、開閉弁２３を全閉としたとき（流量が「０」のとき）のピエゾ水頭に相当する地下水位Ｌ１と、流量が「０」を超えるピエゾ水頭に相当する水位Ｌ２との差が、水位の差ΔＬである。そして、図５に示されるグラフから、水位の差ΔＬのときに、集水井戸１２に集められる地下水の流量が推定される。

例えば、地下水流動保全設備１０の構築にあたり、周辺地盤の地下水位に対する水位の差ΔＬの許容範囲と、集水装置３０によって集める地下水の流量の目標値（以下、流量目標値）とが、予め決められている場合がある。このとき、集水井戸１２の水位を、水位の差ΔＬの許容範囲の最大値Ｌｍａｘ（図５参照）にした場合に、確保できる流量の積算値が、流量目標値Ｆｔ（図５参照）に達するか否かを判定することができる。図５に示す関数において、最大値Ｌｍａｘに対応する流量Ｆは流量目標値Ｆｔを超えているため（Ｆｔ＜Ｆ１）、集水装置３０は、水位の差ΔＬを許容範囲に収めながら十分に地下水を集められることが推定される。したがって、この場合には、集水装置３０に集水性能が確保されていると評価する。流量Ｆが流量目標値Ｆｔに達しない場合には、集水装置３０に集水性能が確保できていないと評価する。集水装置３０に集水性能が確保できていない場合には、例えば、集水井戸１２に接続する集水管２０を新たに埋設する等の手段が採用され、集水能力が高められる。

（作用）
集水装置３０の評価方法及び評価装置５０の作用について説明する。評価装置５０は、圧力測定装置５３、流量測定装置５４、及び流量調整弁５５を備えているため、流量調整弁５５を調整することにより、水量と圧力との関係を評価することができる。そして、集水井戸１２に接続された集水管２０の各々に評価装置５０をそれぞれ接続し、各集水管２０水量と圧力の関係を評価することにより、集水井戸１２の集水能力を評価することができる。

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）集水管２０毎に、出水口２１から流出する水の流量を調整しながら、出水口２１にかかる圧力と出水口２１から流出する水の流量とが測定される。そして、全ての集水管２０について測定された圧力及び流量から、周辺地盤の地下水位と集水井戸の水位の差と集水井戸１２に集められる水の流量との関係を求めることができる。そして、水位の差と流量との関係を通じて、一定の水位差のもとで、所望の流量を得ることができるか否かを評価することができる。よって、集水管２０毎に水を集める能力が評価され、それらを積算して集水装置３０を評価するので、集水装置３０の集水性能を適切に評価することができる。また、評価装置５０は、測定を行う集水管２０に対して取り付けられ、測定が終了した場合には取り外されて次の測定対象の集水管２０に取り付けられる。したがって、集水管２０の数と同数の評価装置５０を準備せずとも、必要最小限の数の評価装置５０を準備すればよく、評価にかかるコストを抑えることができる。

（２）深さ方向に並べられた集水管２０の位置水頭はそれぞれ異なるため、圧力を測定した集水管２０毎に、その位置水頭に基づき補正が行われる。このため、集水装置３０の集水性能を適切に評価することができる。

上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、集水管２０の出水口２１側から、圧力測定装置５３、流量測定装置５４を順に配置したが、流量測定装置５４が流量を適正に測定できて、圧力測定装置５３が圧力を適正に測定できれば、その順番を変更してもよい。

・流量調整弁５５は、流量調整弁と、流量調整弁を制御する制御部を備えたものであってもよい。また、圧力測定装置５３及び流量測定装置５４は、流量調整弁を制御する制御部又はそれ以外の制御部に測定結果を出力してもよい。

・上記実施形態では、流量調整部として流量調整弁５５を用いたが、必ずしも弁である必要はない。例えば、流量調整弁５５に代えて、管路５２及び集水管２０内の水を吸引するポンプを管路５２に接続してもよい。又は、流量調整弁５５を省略し、管路５２の先端部の高さ位置を変更可能なフレキシブルな配管とし、出口５７の位置を上下動させて管路５２内の流量を調整するようにしてもよい。

・上記実施形態では、井戸設備の評価方法及び評価装置を集水装置３０側に設けた。これに代えて若しくは加えて、涵養装置３１側に評価装置を設けて、井戸設備としての涵養装置３１を評価してもよい。この場合、涵養管４０のうち、涵養井戸１３の立坑１６内で開口する入水口に評価装置５０を接続する。評価装置５０は、ポンプ（図示略）に接続する管路５２を備え、管路５２には、圧力測定装置５３、流量測定装置５４及び流量調整弁５５が配置されている。管路５２は流量調整弁５５を介して涵養管４０と接続されている。そして、ポンプで管路５２に水を圧送し、上記実施形態と同様に測定を実施する。これによれば、涵養管４０の通水能力が評価されるので、この結果から涵養能力を評価することができる。

・涵養能力を評価する上記変形例では、涵養井戸の評価にあたり、ポンプで水を圧送して涵養能力の評価を行う。これに代えて、上記実施形態と同様に、涵養管４０に流入し涵養井戸１３に集められる地下水の圧力及び流量の測定を行って涵養井戸の集水能力を評価し、この結果から涵養能力を推定してもよい。この場合、涵養井戸１３から涵養管４０に向かう本来の水の流れとは逆の流れになるものの、少なくとも涵養管４０の通水能力を推定することができる。

・上記実施形態では、集水井戸１２の両方の側面に集水管２０を接続したが、片方の面のみに集水管２０を接続してもよい。涵養井戸１３についても同様である。

・上記実施形態では、集水井戸１２に接続する複数の集水管２０を、その長手方向を水平方向とし且つ地中の深さ方向に並べて配置したが、集水管２０はこの配置パターン以外の態様で配置されてもよい。例えば、集水管２０は、水平方向に対して斜めの状態で配置されていてもよい。また、複数の集水管２０は、上記実施形態のように深さ方向に複数段に配置するのではなく、１段であってもよい。また、複数の集水管２０は、上記実施形態のように同じ方向に延びるように配置されるのではなく、集水井戸１２を中心に放射状となるように配置されてもよい。さらに、集水管２０は、地下水の流れる方向に対してほぼ垂直となるように配置されるのではなく、地下水の流れる方向に対してほぼ平行となるように配置されてもよい。

・上記実施形態では、集水装置３０の評価方法を地下水流動保全設備１０に適用した。これに代えて、地下水流動保全設備１０以外であって、複数の集水管２０が並べられた集水装置３０にこれを適用してもよい。この場合であっても、周辺地盤の地下水位と集水井戸の水位との差と、集水井戸１２に集められる単位時間当たりの水の量との関係を取得することによって、その集水能力を適切に評価することができる。

１０…地下水流動保全設備、１１…地下構造物、１２…集水井戸、１３…涵養井戸、１４…連結管、１５，１６…立坑、１７，１８…周壁部、２０…集水管、２１…出水口、２３…開閉弁、２４，５１…接続部、３０…集水装置、３１…涵養装置、４０…涵養管、５０…評価装置、５２…管路、５３…圧力測定装置、５４…流量測定装置、５５…流量調整弁、５６…入口、５７…出口、１００…周辺地盤。

Claims (3)

1. 井戸及び周壁部に多数の通水孔を有し前記井戸に連結される複数の多孔管を備えた井戸設備の評価方法であって、
   前記井戸内に配置され前記多孔管の開口部に連結する管路に、前記管路内の圧力を測定する圧力測定装置と、前記管路内を流れる水の流量を測定する流量測定装置と、前記管路を流れる水量を調整する流量調整部とを取り付ける工程と、
   前記多孔管毎に、前記流量調整部により前記管路の流量を調整しつつ、前記圧力測定装置及び前記流量測定装置によって圧力及び流量をそれぞれ同時に測定する工程と、
   測定された前記圧力に基づく周辺地盤の地下水位と前記井戸の水位との水位差を算出し、水位差毎に前記多孔管の各々における流量を積算して、前記水位差と流量の関係を評価する工程と、を有する
   井戸設備の評価方法。
2. 前記圧力は、前記多孔管の位置水頭に基づき補正される
   請求項１に記載の井戸設備の評価方法。
3. 井戸及び周壁部に多数の通水孔を有し前記井戸に連結される複数の多孔管を備えた井戸設備の評価装置であって、
   前記井戸内に配置され前記多孔管の開口部に連結する管路と、
   前記管路内の圧力を測定する圧力測定装置と、
   前記管路内を流れる水の流量を測定する流量測定装置と、
   前記管路を流れる水量を調整する流量調整部と、
   情報処理装置と、を備えるとともに、
   前記流量調整部により前記管路の流量を調整しつつ、前記圧力測定装置及び前記流量測定装置が、前記多孔管における圧力及び流量をそれぞれ同時に測定し、
   前記情報処理装置が、測定された前記圧力に基づく周辺地盤の地下水位と前記井戸の水位との水位差とを算出し、水位差毎に前記多孔管の各々における流量を積算して、前記水位差と流量の関係を評価する
   井戸設備の評価装置。