JPH0355310A - 割れ目系岩盤の透水性試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は割れ目系岩盤の透水性を算定する方法に関し、
更に詳しくは、岩盤中の発信孔から加圧水を注入し、受
信孔でその応答圧力を計測して、岩盤中の割れ目の性状
を求める方法に関するものである． この技術は、例えばトンネル、ダム基礎岩盤・斜面、ｌ
ｔ１梁基礎、地下空洞周辺岩盤等における地下水調査に
適用できる。

［従来の技術］ 岩盤中の発信孔に加圧水を注入し、受信孔でその応答圧
力を計測して割れ目の透水係数を求める方法として、ス
ウェーデンの放射性廃棄物地層処分実験サイトで行われ
ているシヌソイダル試験がある． この試験は極めて小さな透水係数（平均的には１．ＯＸ
ＩＯ″”ｃｍ　／秒程度以下）の岩盤を対象としている
．そしてピストンーシリンダ形式の加圧水注入装置を用
い、サイン波状の水圧変化に対する応答圧力（圧力振幅
と周期）を計測し、岩盤モデルを仮定して解析解によっ
て透水係数を求めている。解析解を得ることのできる岩
盤モデルは次の４種に限られる． ■均質等方な多孔質岩盤 ■割れ目が存在する多孔賞岩盤（等方性と見なせる場合
） ■割れ目が存在する多孔質岩盤（異方性を考慮する場合
） ■単一割れ目をもつ岩盤 しかし基本的な機能は、解析対象領域に１木の水平割れ
目が存在する場合の透水係数を求めることにある． ［発明が解決しようとする諜題］ 上記の従来技術は、放射性廃棄物の地層処分という性格
上、割れ目が極めて少ない岩盤（割れ目密度が１本／数
ｍ程度）を前提としている．前記■、■の場合には、解
析対象領域に比較的多数の割れ目が存在する場合を想定
した解析方法であるが、割れ目を含めた岩盤全体のＸ，
　ＹＺ方向の透水係数を解析解として求めるため、１枚
の割れ目毎の透水係数を同定することはできない．■の
場合でも、対象としている割れ目が途中で他の割れ目と
交差している場合等には適用できない。

このように従来技術は、割れ目密度が低く、且つ割れ目
がネットワーク状をなしていない単純な水平割れ目のみ
である時だけ有効であり、一般土木分野で問題となる高
透水性の割れ目系岩盤（割れ目を含んだ岩盤の透水係数
で１．ＯＸＩ（Ｉ”〜１　．　　Ｏ　Ｘ　１　０−”ｃ
ｍ／秒程度）には到底採用することができない。

また透水係数が大きい場合には、ピストンーシリンダ形
式の従来装置では容量に限界があるため加圧水を所定流
量だけ注入することができず、試験自体が実質的に不可
能となる．本発明の目的は、多数の割れ目がネソトワー
ク状に存在する地盤であっても、個々の割れ目を同定し
、その透水係数を算定することができる試験方法を提供
することにある． ［課題を解決するための千段］ 上記のような技術的課題を解決できる本発明は、割れ目
系岩盤中でダブルバッカ一によって遮断した発信区間に
、ｆＬ！−の時間変化が明確な加圧水を注入し、それに
対する応答圧力を復敗の受信区間で計測し、一方、前記
発信区間と受信区間を含む解析対象領域を多数の３次元
グリッドに分割して各グリッドで浸透性をパラメータと
するグリッドモデルを構築し、各グリノドでの３次元気
液２相漫遇゜流の流入・流出を境界条件とする物質収支
式に基づき前記各受信区間での応答圧力を数値解析によ
り求め、その計算値と前記実測値とを比較して誤差評価
し、浸ｉＢ性を示すパラメータを修正してグリッドモデ
ルを修正し、上記の数値解析−モデル修正の操作を繰り
返して最適グリッドモデルを求める割れ目系岩盤の透水
性試験方法である。

受信区間は発信区間と異なる位置に複数個所設定する．
実際には複数の受信孔を掘削し、各受信孔で深度の異な
る複数の受信区間を設定する．その場合、多数の受信区
間で単一の発信区間からの応答圧力を同時に計測するの
が望ましい．発信区間は、発信孔において深度を変えて
数個所設定する。

発信区間で加える水圧変化は、注入′／ＪＬＷ＆の経時
変化が明確に把握できるものであればよく、その波形に
ついては特に制限はない。しかし例えば一定流量の加圧
水を一定時間注入し、次いで注入を遮断するサイクルを
複数回連続して行うような矩形波状の水量変化にすると
解析が簡単になり好ましい． また先ず発信孔と受信孔をボアホールテレビあるいはボ
アホールテレビューアで観測して割れ目の空間的な分布
を求め、それに基づき各グリッドでの浸透性を示すパラ
メータを仮定して初期グリッドモデルを設定すると、全
く均一な浸透性を呈すると仮定した初期グリッドモデル
から出発する場合よりも計算時間を大幅に短縮できる。

誤差評価及びパラメータ修正は、非線形最小２乗法で最
適解を求めることにより行う。

［作用］ 割れ目系岩盤中でダブルパッカーによって遮断した発信
区間に、地上の加圧水注入装置から所定流量の水を注入
すると、その水は複雑な割れ目を通って伝播する．それ
によって各受信区間では水圧変化が生じる．発信区間を
任意の深度に設定し、多数の受信区間を設けることによ
って解析対象領域のあらゆる方向に対して試験を行うこ
とができる． 解析方法は割れ目系岩盤を対象とした数値解析的手法で
あり、解析対象領域を多数のグリフドに分割して３次元
気液２相流を対象とした浸透流シュミレーシツンと、誤
差評価・パラメータ修正を行う逆解析とによって実測結
果に最も近い解析結果を示す透水係数の分布モデルを探
声する．これによって割れ目系岩盤において透水経路と
なる割れ目の一本毎の透水係数を算出し、その３次元的
な分布及び連続性を求めることができる． ［実施例コ 第１図は本発明に係る透水性試験方法の概念図を示して
いる．解析対象領域である割れ目系岩盤１０内に発信孔
ｌ２と受信孔１４とを掘削する．岩盤内の割れ目を符号
１ｌで示す．受信孔１４は、実際には異なる地点に複数
本形戒する．発信孔１２内にダブルパフカー１３によっ
て遮断した発信区間１６を設定し、地表に設けた加圧水
注入装置１８から流量の経時変化が明確な水を注入する
．ここでは水量Ｑが矩形波状に変化するように注水して
いる．なおこのような大量の注水は、うず巻ポンプと、
その吐出圧を一定に保つように吐出側一吸入側間に設け
た流量調整可能な戻り経路と、吐出配管に設けた二一ド
ル開閉弁等を組み合わせ、戻り経路で流量を調整し、二
一ドル開閉弁で吐出配管の開閉を行うことによって大量
の水量を断続的に供給することが可能である．発信区間
ｌ６内には圧カセンサｌ７を設置しておく． 受信孔１４を多数のパッカー１５によって複数の受信区
間に分け、それぞれに圧カセンサ２０を設ける．各圧カ
センサ２０で検出した信号は受信圧力Ｐの時間的変化を
表し、その計測結果は記録・解析装置２２に送られて解
析が行われる．このように同時に多数の受信区間で応答
圧力Ｐを計測する方法は、試験作業時間を短縮できる点
と、水の繰り返し注入による岩盤の変化を最小限に抑え
ることができる点で望ましいが、受信装置がダブルパツ
カ一により区切られた圧カセンサを唯一個のみ有する場
合には、時間をずらせて各受信区間で順次計測すること
も可能である． 試験の測線配直模式図を第２図に示す。ここでは発信孔
１２内でダブルパッカー１３で仕切られている発信区間
１６の位置を変化させて（１〜■の４個所）それぞれの
位置で注水を行い、８個所の受信区間でその応答圧力を
計測する。

測定結果は第３図に示すようなグラフとして得られる．
これはある特定の発信区間から注入した矩形波的に変化
する水量（即ち一定水量の水を一定時間注入し、次いで
注入を遮断するサイクルを複数回繰り返して行った場合
）による発信区間での圧力と、ある受信区間での圧力を
１秒毎に計測しプロットしたものである。発信区間での
圧力があるレベルを持っているのは、その深度での静水
圧の影響による．また受信区間での応答圧力は、それぞ
れ受信区間の深度によりレベルが異なるため、静水圧を
差し引いた増減値として示してある．このような測定結
果から圧力伝達の遅れ時間Δｔと応答圧力ΔＰが求まる
．第３図は流量が１３０６／分、発信深度が３９〜４６
．６ｍ（発信区間■）、受信深度が４９〜５２．５ｍ（
受信区間４〉の場合の結果である。

上記のようなデータが（発信区間数〉×（受信区間数）
だけ得られる． このようにして得た計測データを整理した結果の一例を
第４図に示す．発信区間及び受信区間の深度は図中に数
字で表した通りであり、解析対象領域の地質も図中に符
号で示してある．第４図は、発信区間■から注入した水
による受信区間１〜受信区間８での応答圧力ΔＰと遅れ
時間Δｔを示している．この結果から、第４図において
水平方向の割れ目及び発信孔から受信孔に向かって下が
るような傾斜した割れ目の存在をある程度予測できる． 計算時間を短縮できるように、解析対象領域の初朋グリ
ッドモデルを実際に近い状態に設定する．そのためこの
実施例ではボアホールテレビにより割れ目解析を行って
いる．その解析図を第５図に示す．試験に先立ち発信孔
およひ受信孔にボアホールテレビを挿入し、各ポーリン
グ孔の全周の壁面状況（割れ目の状況）を観察する．そ
してその結果によって割れ目の方向及び傾きを予想する
。ここでは、それらはグループ１〜グループ５に分けら
れる．勿論これらの全ての割れ目が発信孔と受信孔との
間で連絡してるという訳ではない． このような割れ目解析図や前記第４図に示すデータを考
慮して、解析対象領域での初期グリッドモデルを作戒す
る。それを第６図に示す。

即ち発信区間と受信区間を含む解析対象領域を多数の３
次元グリンドに分割して各グリッドで浸透性をパラメー
タとするグリッドモデルを構築する．この第６図では透
水係数をパラメータとして表示している．つまり前述し
た計測結果や観察結果から、水平方向の割れ目と、発信
孔から受信孔に向かって下がるような（図面右下がりの
）割れ目が想定でき、その方向で透水係数が低くなるよ
うなグリッドモデルを横築する．そして各グリッドでの
３次元気液２相浸遇流の流入・流出を境界条件とする物
質収支式を立て、前記甚受信区間での応答圧力を数値解
析する．この基本方程式は、２相それぞれの物質収支式
をダルシー則及び連続の式に基づいて立てている。結果
的に物質収支式は、単位体積当たりでは以下のように表
せる。

μ＠Ｂｗ ３ｔＢｗ μ　ａ Ｂａ ａｔ Ｂａ Ｓー ＋Ｓａ 漏　１ ・・・（３） Ｐａ 一Ｐ１１ 冒　Ｐｃ ・・・（４） ここで、 Ｐｗ，Ｐａ：水，空気の圧力［ＭＬ−’Ｔ−”］３ｉｉ
，　Ｓａ：水．空気の飽和率［一〕ｐｗ．　　Ｐａ：水
．空気のカラム密度［Ｍ　Ｌ−”Ｔ−２］Ｋｒｗ，　Ｋ
ｒａ：水．空気の相対浸透率「一］Ｂｗ，Ｂａ：水．空
気の容積係数［一つμＭ．ｐａ：水，空気の粘性係数［
ＭＬ−’Ｔ−’］ｑｗ，ｑａ：ｆｉ人．ｆｉ出項（境界
条件として）［Ｔ−’］ Ｋ：媒体の浸透率［Ｌ−”］ Ｚ；深度［Ｌ］ φ：間隙率［一］ Ｐｃ：毛細管圧力［ＭＬ””Ｉ”コ 上記の（３）式コ（４）式を（１）式と（２）式に代入
することによって気相の圧力Ｐａ、水相の飽和率Ｓｗを
未知数とする２つの微分方程式を立て、２つの未知数を
同時に解く。解析のための離散化方法としては差分法を
用い、空間差分をＸ．Ｙ，Ｚの３方向について行う．任
意のグリッドとその前後左右上下のグリッドとの流体収
支を考え、水相及び気相について離散化した２式を各グ
リッドについて構築し、その連立一次方程式を解く。式
中の間隙率φ、相対浸透率Ｋｒ等のパラメータが、未知
数Ｐａ及びＳ一の関数になっているため、ここでは多変
数のニュートン法を用い、反復的に解を求める．このよ
うな数値解析により各受信区間での応答圧力の計算値を
求める．第６図に示す初期グリッドモデルにより導き出
した解析結果と実測値の関係を第７図に示す． 次にこの計算値と実測値とを比較して誤差評価を行い、
浸透性を示すパラメータを修正してグリッドモデルを修
正する．誤差評価及びパラメータ修正には、パラメータ
（浸透率）と目的関数（受信区間での圧力）が線形関係
で表されないため、非綿形最小２乗法を用いる。即ち、
残差の２乗和は、 Ｓ　ｌ）　−Σ（Ｐ　ｊｏｂｓ　−　Ｐ　ｉｃａｌ）”
（１−１．２，　　・・・　測定データ数）となる．但
しＺはパラメータを並べたものである。最小２乗法は残
差２乗和Ｓを最小とするパラメータベクトルを決定する
方法である。そのため例えばガウス・ニュートン法を利
用し、更《計算効率を高めるため残差２乗和の勾配が最
も急になる方向に修正ベクトルを設定する最急降下法を
組み合わせたハイブリッド法を採用している．なおこれ
らの計算方法自体は従来公知のものであるから、それら
について更に詳細に述べることは省略する． このようにして、グリッドモデルを修正し、再び各グリ
ッドでの３次元気液２相漫ｉ！ｆｉの流入・流出を境界
条件とする物質収支式に基づき各受信区間での応答圧力
を数値解析する．このような操作を収束するまで行い最
適グリッドモデルを求める．求めた最適グリッドモデル
の一例を第８図に示し、その時の解析結果と実測値との
関係を第９図゛に示す．ここでは応答圧力が実測値と解
析結果とで一致している状態を示しているが、量通モデ
ルを構築するために、実際には応答遅れ時間や応答圧力
波形等も合わせて、それらが計算結果と一致するように
する。最゛柊的に得られた最適グリッドモデルから、割
れ目の３次元的な分布や連続性を判断し、それぞれにつ
いての透水係数を算出することができる。

解析対象領域には凝灰岩層Ｎｌｔ　と礫岩層Ｎａｇがあ
るが、上記の結果から、下の方に位置する礫岩層は透水
係数が極めて小さく、それに対して割れ目の大部分は凝
灰岩層に形威されていることも分かる。

本実施例の手順をまとめると第１０図に示すようになる
。

以上本発明の好ましい一実施例について詳述したが、本
発明はこのような横威のみに限定されるものではない．
発信孔から注入する水は、その水量の経時変化さえ正確
に把握しておけば矩形波状に限らず任意の波形であって
よい．従って勿論サイン波状の水量変化であっても良い
．本実施例ではボアホールテレビを用いて予め割れ目の
方向と位置を求め、その観測結果を初期グリッドモデル
に反映させているが、計算時間を考慮しなければ均等な
透水係数を持つ地盤モデルから出発しても構わない。本
発明は特に透水係数の比較的大きな地盤の解析に有効で
あるが、透水係数の極めて小さな場合にも適用できるこ
とは言うまでもない． ［発明の効果］ 本発明は上記のように発信区間から流量の明らかな水を
注入し、複数の受信区間でそれによる応答圧力を計測し
、数値解析手法によって割れ目の透水係数を算定する方
法であるから、従来の解析解を求めるシヌソイダル法の
ような制約粂件を設ける必要がなく、複雑な割れ目のネ
ットワークを持つ岩盤でも割れ目一本毎の透水係数を明
らかにでき、またその分布と方向，連続性を明らかにす
ることができる．このため透水係数の比較的大きな割れ
目系岩盤の調査に対応でき、ダム基礎岩盤調査等の一般
土木分野で極めて有効である． また解析上必要となる境界条件として、流量の経時変化
を正確に記録しておけばよいため、シヌソイダル試験の
ようなサイン波状の圧力を得るための複雑な機構も不要
となる．

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明に係る透水性試験方法の概念図、第２図
はその測線配置模式図である．第３図は測定結果の一例
を示すグラフ、第４図は測定結果断面図、第５図は断面
割れ目解析図である．第６図は初期グリッドモデル図、
第マ図は初期グリッドモデルでの解析結果の説明図、第
８図は最適グリッドモデル図、第９図は最適モデルでの
解析結果の説明図である。第１０図は実施例の手順を示
すフローシ一トである。 １０・・・割れ目系岩盤、１１・・・割れ目、１２・・
・発信孔、１４・・・受信孔、ｌ６・・・発信区間、ｌ
８・・・加圧水注入装置、２０・・・圧カセンサ、２２
・・・記録・解析装置．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、割れ目系岩盤中でダブルパッカーによって遮断した
   発信区間に、流量の経時変化を把握しうる加圧水を注入
   し、それに対する応答圧力を複数の受信区間で計測し、
   一方、前記発信区間と受信区間を含む解析対象領域を多
   数の３次元グリッドに分割して各グリッドで浸透性をパ
   ラメータとするグリッドモデルを構築し、各グリッドで
   の３次元気液２相浸透流の流入・流出を境界条件とする
   物質収支式に基づき前記各受信区間での応答圧力を数値
   解析により求め、その計算値と前記実測値とを比較して
   誤差評価し、浸透性を示すパラメータを修正してグリッ
   ドモデルを修正し、上記の数値解析−モデル修正の操作
   を繰り返して最適グリッドモデルを求めることを特徴と
   する割れ目系岩盤の透水性試験方法。 ２、複数の受信区間で同時に応答圧力を計測する請求項
   １記載の方法。 ３、発信区間に水を一定流量で一定時間注入し、次いで
   注入を遮断するサイクルを複数回連続して行う請求項１
   記載の方法。 ４、予めボアホールテレビで発信孔と受信孔を観測して
   割れ目の空間的な分布を求め、それに基づき各グリッド
   での浸透性を示すパラメータを仮定して初期グリッドモ
   デルを設定する請求項１記載の方法。 ５、誤差評価及びパラメータ修正を、非線形最小２乗法
   で最適解を求めることにより行う請求項１記載の方法。