JPH0239257Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は地盤調査を行う際、地中に深孔を掘
削し、その中へ測定装置を吊り降して地下水の流
向・流速を測定する超音波による孔内流向・流速
測定装置に関する。

〔従来の技術〕

地下水の流向・流速を測定するには、まず、ボ
ーリング機械により所定の地盤へ深孔を掘削す
る。つぎに、掘削した孔の上部に矢倉を設け、こ
の矢倉に孔内の流向・流速を測定するための測定
装置を取付け、この測定装置を測定すべき孔内の
所定の場所へ吊り降す。孔内に降ろされた測定装
置は、測定すべき地層内に固定される。測定装置
が固定されると、その地層内を流れる地下水が測
定装置内を通過する。測定装置内を通過する地下
水をセンサープローブで検知することにより、地
上で測定ヶ所の地下水の流向・流速を測定するこ
とができる。

従来、この種の孔内の地下水の流向・流速を測
定する測定装置としては、次のような構成のもの
が知られている。この測定装置は、中間に孔内の
所定の場所の流向・流速を測定するための測定部
であるセンサープローブと、その上・下部分にロ
ツドを介して設けられた固定機構である上部パツ
カーと下部パツカーとからなつている。さらに、
センサープローブには地下水の流れによつて濃度
が変化するトレーサー（たとえば、食塩水又は蒸
溜水、又はほう素等が用いられている。）が充填
されていると共に、その濃度を測定するためのセ
ンサーとが内臓されている。また、上・下部パツ
カーは硬質ゴムで制作されたゴム風船状のもの
で、地上から送られた圧縮空気により膨張し、そ
れぞれ孔内の壁面に押圧されることにより固定さ
れ、さらには、中間のセンサープローブをも固定
するような構成とされている。

〔考案が解決しようとする問題点〕

ところが、上記従来のトレーサーを用いる孔内
の流向・流速測定装置においては、次に掲げるよ
うな欠点がある。

(1) トレーサーの濃度変化をセンサーで検知する
ことにより間接的に孔内の流速を求めることに
なるため、真の孔内流速を直接測定することが
できない。

(2) 鉛直方向の地下水の流速が測定できないこ
と、また、一度に一水平方向の流速しか測定す
ることができないため測定時間がかかること。

(3) センサープローブの設置に伴い地下水の温
度・圧力が変化するため地下水の流れに変化が
生じるが、それを測定できないため、流れの変
化をチエツクできない。

(4) 測定部分にトレーサーを投入するため地下水
の温度や密度の変化、又は拡散現象を生じ、孔
内の地下水の本来の流れと異なる流れを生じさ
せることになる。

この考案は、上記事情に鑑みてなされたもので
あり、一度にＸ・Ｙ・Ｚ軸の地下水の真の流向・
流速を直接的に測定でき、かつ測定装置の孔内へ
の設置に伴う地下水の流れに与える影響をチエツ
クできる孔内の流向・流速測定装置を提供するこ
とを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案は地中に深孔を掘削し、その孔内に測
定部であるセンサープローブと、このセンサープ
ローブの両端にロツドを介して上記センサープロ
ーブを孔内の所定の場所に固定するための上部パ
ツカーと下部パツカーとを設け、上記孔内を流れ
る地下水の流向・流速を測定する孔内流向・流速
測定装置において、上記センサープローブに孔内
の地下水が流通可能な流路を設けると共に、この
流路内のＸ・Ｙ・Ｚ軸の流速を測定可能な超音波
流速計と温度・圧力センサーとを設け、上記超音
波流速計は上記流路を挟んで固定・配置された３
組の超音波発・受信素子を有し、これら超音波
発・受信素子は各Ｘ・Ｙ・Ｚ軸に沿つてそれぞれ
配置されていることを特徴としている。

〔実施例〕

以下、この考案を第１図ないし第６図を参照し
て説明する。第１図はこの考案の全体を説明する
ための説明図であり、符号Ａは調査する地盤であ
る。Ａ１は不透水層であり、Ａ２は地下水が流れ
る帯水層であり、Ｈはこの地盤Ａに掘削された深
孔である。Ｂは地下水の流れを測定する測定区間
あり、Ｍは地上に組まれた矢倉部である。Ｋは矢
倉部Ｍに取付けられたケーブルであり、Ｐはケー
ブルＫの先端に取付けられた孔内の流向・流速測
定装置（以下、単に「測定装置」と略称する）で
ある。

第２図は、地上に設置された矢倉部Ｍを示す図
であり、符号Ｍは矢倉本体である。Ｍ２はケーブ
ル巻取装置であり、このケーブル巻取装置Ｍ２に
は圧縮空気供給部Ｍ３と測定値受信部Ｍ４とが接
続されている。さらに、圧縮空気供給部Ｍ３はエ
アーコンプレツサＭ５とそれから供給される圧縮
空気の圧力調整を行う制御装置Ｍ６とからなつて
いる。また、ケーブル巻取装置Ｍ２はケーブルＫ
が巻かれており、ケーブルＫは矢倉本体Ｍ１の天
端に取付けられた滑車Ｍ７にかけられている。滑
車Ｍ７にかけられたケーブルＫの先端には測定装
置Ｐが取付けられている。

次に、第３図は測定装置Ｐを示す図であり、符
号１はセンサープローブである。センサープロー
ブ１の上部には直列に連結され、長さの調節可能
な上部ロツド2.2の一端が固定されており、上部
ロツド2.2の他端には硬質ゴムで作られた中空円
筒状の上部パツカー３が取付けられている。上部
パツカー３の上部にはコネクタ４が固定されてお
り、さらにその上部にはコネクタ４を介してケー
ブルＫが取付けられている。他方、センサープロ
ーブ１の下部には直列に連結され、長さの調節可
能な下ロツド5.5の一端が固定されており、下ロ
ツド5.5の他端には硬質ゴムで作られた中空円筒
状の下部パツカー６が取付けられている。また、
センサープローブ１と上部パツカー３との間には
その間にある上ロツド2.2の周りに測定値の電送
ケーブルＫ１が螺旋状に巻かれている。

第４図はケーブルＫの断面を示す図であり、そ
の中にはセンサープローブ１で測定された測定値
を電送するための電送用ケーブルＫ１と、上部パ
ツカー３への空気供給チユープＫ２と、下部パツ
カー６への空気供給チユーブＫ３とが装填されて
いる。

第５図は円筒体のセンサープローブ１を示す図
であり、第６図は第５図のＸ−Ｘ線視断面図であ
る。第５図において、符号８はセンサープローブ
の一端にあり超音波発信・受信解析装置及びマル
チプレキシングデジタルシグナル発信アンプが内
蔵された円筒体である。円筒体８には、方向計が
内蔵された円筒体９が連結されている。また、円
筒体９にはセンサーの基台部１０ａが連結されて
おり、センサープローブ１の他端には下ロツド５
との連結用のコネクタ部１０ｂが設けられてい
る。基台部１０ａとコネクタ部１０ｂとの間には
筒状に形成されたたステンレス製の支持カゴ１１
が取付けられている。従つて、この支持カゴ１１
内部は、孔Ｈ内の地下水が流通可能な流路とされ
ている。支持カゴ１１の内部には基台部１０ａに
一端を固定されたＸ軸方向の流速を検出する一対
の超音波発・受信素子１２ａ，１２ｂと、Ｙ軸方
向の流速を検出する一対の超音波発・受信素子１
３ａ，１３ｂと、Ｚ軸方向の流速を検出する一対
の超音波発・受信素子１４ａ，１４ｂとが設けら
れている。これら対になる超音波発・受信素子１
２ａ〜１４ａ，１２ｂ〜１４ｂは、第５図に示す
ようにセンサープローブ１内の上記流路を挟んで
配置されている。

なお、ここにいうＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸
方向とは、周知の３次元直交座標系において互い
に直交する各軸の方向をいう。具体的には、第６
図に示すように、対になる超音波発・受信素子１
２ａ，１２ｂを結ぶ方向をＸ軸方向とし、このＸ
軸方向に直交し、かつ同一平面上に存在する方向
（すなわちこれが対になる超音波発・受信素子１
３ａ，１３ｂを結ぶ方向である）をＹ軸方向と
し、さらに、これらＸ軸方向及びＹ軸方向にそれ
ぞれ直交する方向（すなわちこれが対になる超音
波発・受信素子１４ａ，１４ｂを結ぶ方向であ
る）をＺ軸方向とする。さらに、支持カゴ１１の
内部には基台部１０ａに一端を固定された温度測
定センサー１５と、圧力測定センサー１６とが設
けられている。また、支持カゴ１１の中にはケー
ブルＫから連続する下部パツカー６への空気供給
チユーブＫ３が設けられている。

以上の様に、構成された測定装置Ｐを用いて地
下水の流向・流速を測定するには、まず、第１図
に示すように調査する地盤Ａに測定すべき地層Ａ
２，Ａ２，……へ達する孔Ｈを図示しない掘削機
で掘削する。次に、掘削された孔Ｈの中へ巻取装
置Ｍ２に巻かれたケーブルＫを介して矢倉本体Ｍ
１から測定装置Ｐを吊り降ろす。吊り降された測
定装置Ｐが測定区間Ｂへ達すると、巻取装置Ｍ２
を止めて測定装置Ｐを所定の位置へ停止させる。
測定装置Ｐが所定の位置に停止すると、地上の圧
縮空気供給部Ｍ３から空気圧を調整しながらケー
ブルＫ内の空気供給チユーブＫ２を通つて上部パ
ツカー３へ圧縮空気が供給される。圧縮空気が供
給されると、上部パツカー３は膨張し孔Ｈの壁面
を押圧して移動不可能となり、その位置に固定さ
れる。同様に、圧縮空気供給部Ｍ３からケーブル
Ｋ内の空気供給チユーブＫ３を通つて下部パツカ
ー６へ圧縮空気が供給されると、下部パツカー６
は膨脹してその位置に固定される。この様にして
上・下部パツカー３，６が膨脹して固定されるこ
とにより、それらの中間部にあるセンサープロー
ブ１もその位置に固定される。

次に、センサープローブ１が測定区間Ｂ内に固
定されると、圧力測定センサー１６によつてその
測定区間Ｂ内の圧力変化を測定し、同時に温度、
測定センサー１５で同測定区間Ｂ内の温度変化を
測定する。測定区間Ｂ内の地下水の流れが落着き
流れが定常状態になると、測定する温度と圧力と
が一定の値に落ち着く。測定値が落着くと円筒体
９に内蔵された方向計で測定装置Ｐの向きを測定
し確認する。

次に、定常状態で流れる地下水がセンサープロ
ーブ内を通過すると、円筒体８に内蔵された超音
波発信・受信解析装置から各超音波発・受信素子
を経て、超音波が発信されて地下水の流向・流速
を測定する。ここでその原理を簡単に述べてみ
る。この測定方法はTravel Time Difference
（T.T.D）法と呼ばれ、Ｘ軸方向の流速を測定す
るために一対の超音波発・受信素子１２ａ，１２
ｂから同時に超音波を発信させその時間差△Ｔを
測定する。この時間差△Ｔとセンサーのスパン
長：Ｌ、超音波の音速：Ｃ、地下水の平均流速：
Ｖとの間に△Ｔ＝2VL／C2という関係式が成立
する。ここでＬ，Ｃの値が既知のものであれば時
間差△Ｔを測定することにより、地下水の流速Ｖ
を求めることができる。他のＹ軸、Ｚ軸方向の流
速も同様にして測定できる。水温・密度等による
音速変化はスパン間の直接音速測定により自動的
に補正される。

以上の原理に基づき、測定区間Ｂ内の地下水の
温度と圧力とを温度測定センサー１５と圧力測定
センサー１６とで測定することにより、流れが定
常状態になつたことを確認し、その流れの状態を
超音波で測定することにより真の地下水の流向・
流速を直接的に測定することができる。

最後に、測定された各測定値は、円筒体８内で
マルチプレキシングデジタルシグナル化してケー
ブルＫ内の単線被覆した電送用ケーブルＫを介し
て地上の測定値受信部Ｍ４へ電送され、そこで記
録・解析される。この測定区間Ｂでの測定が終了
すると、上・下部パツカー３，６の空気を抜き、
次の測定区間の深さに測定装置Ｐを移動させて測
定を繰り返す。

この様にして測定装置Ｐで地下水の温度・圧
力・流向・流速を測定するので孔Ｈ内の地下水の
真の流向・流速を直接測定することができる。ま
た、Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の３方向成分の流速を同時に測
定できるので測定時間の短縮にもなる。さらに、
測装置Ｐの設置に伴う一過性の流れをチエツクで
きるので、常に定常状態の流速を測定することが
できる。また、このセンサープローブ１の構造は
地下水に密度変化、又は拡散現象等の影響を与え
ることがほとんどない。さらに、この測定装置Ｐ
は圧力測定センサー１６により上・下部パツカー
３，６のきき具合を確認でき、帯水層Ａ２の透水
性が著しく低い場合（１×10^-5cm／sec以下）に
は、すなわち地下水の流速が非常に遅い場合上・
下部パツカー３，６の膨脹に伴う測定区間Ｂ内の
水圧上昇と、その後の減衰状況から測定区間Ｂの
透水性を推定することが可能である。

なお、測定値はマルチプレキシングデジタルシ
グナル化し、単線被覆ケーブルＫ１によつて地上
まで電送するのでケーブルＫを細くすることがで
き、小口径の深孔に使用できる。

〔考案の効果〕

上述したように、この考案はセンサープローブ
に孔内の地下水が流通可能な流路を設けると共
に、この流路内のＸ・Ｙ・Ｚ軸の流速を測定可能
な超音波流速計と温度・圧力センサーとを設け、
上記超音波流速計に上記流路を挟んで固定・配置
された３組の超音波発・受信素子を設け、これら
超音波発・受信素子を各Ｘ・Ｙ・Ｚ軸に沿つてそ
れぞれ配置したことにより、次に掲げる効果を得
ることができる。

(1) 孔内の地下水の真の流速を直接測定すること
ができる。

(2) Ｘ・Ｙ・Ｚ軸の流向・流速を同時に測定でき
るので、測定時間の短縮が可能である。

(3) センサープローブの設置に伴い地下水の温
度・圧力が変化するため地下水の流れに変化が
生じるが、それをチエツクすることができるの
で、常に定常状態の流向・流速を測定すること
ができる。

(4) センサープローブにトレーサーを用いないの
で、測定する地下水に密度変化や拡散現象を生
ずることがほとんどなくなる。

(5) センサープローブ内に圧力センサーを設けて
いるので、地下水の流速が非常に遅い場合に
は、上・下部パツカーの水圧上昇とその後の減
衰状況から透水性を測定することができる。

(6) 超音波発・受信素子は流路を挟んで配置され
ており、従つて、これら超音波発・受信素子間
を超音波が伝播する時間を計測することで、地
下水の流速測定に必要な地下水中の超音波の音
速を直接的に測定でき、これにより地下水の流
速測定を正確かつ確実なものとすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし６図はこの考案の実施例を示す図
であり、第１図はこの考案の全体を説明するたた
めの説明図、第２図は矢倉部を示す正視図、第３
図は測定装置の正面図、第４図はケーブルの断面
図、第５図はセンサープローブの斜視図、第６図
は第５図のＸ−Ｘ線視断面図である。 Ａ……地盤、Ｈ……孔、１……センサープロー
ブ、２……上ロツド、３……上部パツカー、５…
…下ロツド、６……下部パツカー、１２ａ，１２
ｂ……×軸方向超音波発・受信素子、１３ａ，１
３ｂ……Ｙ軸方向超音波発・受信素子、１４ａ，
１４ｂ……Ｚ軸方向超音波発・受信素子、１５…
…温度測定センサー、１６……圧力測定センサ
ー。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 地中に深孔を掘削し、その孔内に測定部である
   センサープローブと、このセンサープローブの両
   端にロツドを介して上記センサープローブを孔内
   の所定の場所に固定するための上部パツカーと下
   部パツカーとを設け、上記孔内を流れる地下水の
   流向・流速を測定する孔内流向・流速測定装置で
   あつて、上記センサープローブに孔内の地下水が
   流通可能な流路を設けると共に、この流路内にお
   ける３次元直交座標系たるＸ・Ｙ・Ｚ軸の流速を
   測定可能な超音波流速計と温度・圧力センサーと
   を設け、上記超音波流速計は、上記流路を挟んで
   固定・配置された３組の超音波発・受信素子を有
   し、これら超音波発・受信素子は各Ｘ・Ｙ・Ｚ軸
   に沿つてそれぞれ配置されていることを特徴とす
   る超音波による孔内流向・流速測定装置。