JPH04194640A - 室内透水試験装置 - 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］ 本発明は難透水性岩石等を対象とする室内透水試験装置
に関するものである。更に詳しく述べると、高圧側と低
圧側を同容積に設定することで短時間でトランジェント
パルス法による測定を実施でき且つ配管系を工夫するこ
とで定水位法による測定も実施可能とした透水試験装置
に関するものである。

この装置は、地下空間利用（高レベル放射性廃棄物地層
処分施設、地下石油備蓄施設、無重量実験施設等）や高
温岩体発電など岩盤の水理特性評価に係わる室内透水試
験において有用な技術である。

［従来の技術］ 従来型の試験装置では、定水位法に代表されるように水
量変化を計測し、透水係数を求める方法が広く用いられ
ている。この定水位法は、供試体（試験サンプル）の両
端を一定の圧力水頭差に保ち、供試体内の飽和間隙水に
動水勾配を与えて流れが定常状態（単位時間当たりの排
出水量が安定している状態）になった後、単位時間当た
りの排出水量を計測して透水係数を求める方法である。

しかし定水位法を難透水性岩石に適用した場合、供試体
の一端から排出する水量は極めて少なくなり試験時間が
長くかかる。また排出水量が少ないために、配管接続部
からの漏洩や室温変化に伴う水の体積変化の測定系への
影響が顕著となり、測定精度が大幅に低下する。

そこで難透水性岩石の透水試験方法としてトランジェン
トパルス法が提案された。これによる評価方法は一次元
の非定常浸透流の微分方程式から導かれるが、大別する
と近似解による評価方法と厳密解による評価方法とがあ
る。試験は、第２図に示すように、供試体１０の両端に
体積Ｖ、、Ｖ、が既知の貯留槽１２．１４を用いて行う
。初期状態で各貯留槽内の圧力Ｐ１゜Ｐ２及び供試体内
の間隙水圧を等しく設定しくＰ、Ｎ、？）、試験開始時
（ｔ＝０）において圧力パルスΔＰを貯留槽１２に与え
ると、時間の経過と共に供試体１０内の動水勾配が変化
し、圧力伝播が生じる。近似解に基づく評価方法では、
第３図に示すように、Ｐ、−Ｐ、（但しＰ。

は収束圧）は時間の経過に伴い指数関数的に減少し、時
ｍｔとＰＩ　Ｐ、の対数との傾きαから透水係数を求め
ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 例えば高レベル放射性廃棄物の地層処分施設の設計に際
しては、非常に長期間にわたる岩盤中の地下水の流れを
正確に予測することが必要となる。このような長期間の
地下水流動を考える場合には、従来、不透水層あるいは
半透水層のように取り扱われてきた難透水性岩盤も試験
対象となり、その透水性を評価しなければならない。し
かしながら、前述したように、既存の定水位法による試
験装置では難透水性岩石の測定は極めて困難であり、そ
の測定精度は信頼性に乏しい。

他方、上記トランジェントパルス法の近似解に基づ（評
価方法は厳密解に基づく評価方法にくらべ比較的大きな
容積の貯留槽を必要とし、最終的な収束圧Ｐ１を確認す
る必要があるため測定に時間がかかる欠点がある。また
厳密解による評価方法では、本質的に室温変化に伴う間
隙圧力の変動を補正することが困難であり、透水係数評
価の際にカーブフィッティング等に多大な時間を要し非
効率的であるなどの欠点がある。

いずれにしても難透水性岩石を対象とした試験方法につ
いては未だ詳細な検討がなされておらず、標準的な試験
装置についても提案されていない。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解決
し、トランジェントパルス法と定水位法の両方法を実施
可能であり、難透水性岩石でも短時間でより高精度で測
定できる室内透水試験装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、内部に供試体を収容し拘束圧力と間隙圧力を
与える圧力容器と、高圧側及び低圧側の貯留槽を具備し
、それらを弁や圧力センサを備えた配管系で結合した室
内透水試験装置である。

配管系は、高圧側及び低圧側の貯留槽からそれぞれ第１
及び第２の弁を介して圧力容器の供試体の相対向する端
部に連絡する高圧側及び低圧側の間隙圧力配管系と、間
隙圧力配管系の第１の弁と圧力容器の間と第２の弁と圧
力容器の間の連絡路であって高圧側圧力センサと第３の
弁と低圧側圧力センサとが直列になり且つ第３の弁と並
列に差圧センサを設けた圧力センサ系配管と、高圧側又
は低圧側の間隙圧力配管系の圧力容器側に組み込まれる
第４の弁と、高圧側及び低圧側の貯留槽にそれぞれ接続
される第５及び第６の弁を有する配管系と、高圧側貯留
槽と第５の弁の間と低圧側貯留槽と第６の弁の間を連絡
する連絡配管系とからなる。そして高圧側貯留槽及びそ
れに付属する高圧側配管系の容積と、低圧側貯留槽及び
それに付属する低圧側配管系の容積とが等しくなるよう
に設定しである。

ここで両貯留槽の外側をパイプで取り囲み一定温度の液
体を自動循環させると共に、両貯留槽とその周辺配管及
び圧力センサを保護容器に納め、その保護容器内に断熱
材を充填して両貯留槽を同温で制御することが好ましい
。

［作用］ 答弁の開閉の制御とそれに伴う配管経路の選択、圧力供
給状態の制御などにより、トランジェントパルス法又は
定水位法を択一的に実施する。同容積の高圧側貯留槽と
低圧側貯留槽（いずれも配管系も含めて）は、トランジ
ェントパルス法を実施する場合に最終的な収束圧を予測
可能とし、試験時間の短縮に寄与する。

また両貯留槽の一定温度制御は、温度変動に伴う測定精
度の低下を最小限に抑える作用を果たす。

［実施例］ 第１図は本発明に係る室内透水試験装置の一実施例を示
している。この装置は全体を試験室内に設置するもので
あって、圧力容器２０と、高圧側貯留槽２２と、低圧側
貯留槽２４を具備し、それらが弁や圧力センサを備えた
各種配管系で結合されている。

圧力容器２０の内部には供試体２６を収容する。柱状の
供試体２６の上下を加圧盤２７ａ。

２７ｂで挾み、ＩＲ囲をゴム製（フッ素ゴムまたはタロ
ロブレンゴム）のメンブレム２８で取り囲み、締付はバ
ンド２９で固定する。これらと圧力容器２０の内壁との
間の空間に拘束圧力配管系３０が連絡し、供試体２６に
メンブレム２８を密着させるようになっている。

高圧側貯留槽２２と圧力容器２ｏ内の下部との間に第１
の弁３１を有する高圧側間隙圧力配管系４０を接続する
。この高圧側間隙圧力系は下部加圧盤２７ｂを貫通して
供試体２６の下端面に達している。低圧側貯留槽２４と
圧力容器２０との間には第２の弁３２を有する低圧側間
隙圧力配管系４２を接続する。低圧側間隙圧力系は圧力
容器内空間及び上部加圧盤２７ａを通って供試体２６の
上端面に達している。高圧側間隙圧力配管系４０の第１
の弁３１と圧力容器２０との間と、低圧側間隙圧力配管
系４２の第２の弁３２と圧力容器２０との間に連絡路を
設ける。この連絡路は高圧側圧力センサ４４と第３の弁
３３（差圧センサ４８の安全弁）と低圧側圧力センサ４
６とが直列になり且つ第３の弁と並列に差圧センサ４８
を設けた圧力センサ系配管５０である。また高圧側間隙
圧力配管系４０の圧力容器２０側に第４の弁３４を組み
込んである。更に高圧側貯留槽２２には第５の弁３５を
有する配管５２を接続し、低圧側貯留槽２４に第６の弁
３６を有する配管５４を接続する。そして高圧側貯留槽
２２と第５の弁３５との間と、低圧側貯留槽２４と第６
の弁３６の間を、第７の弁３７を備えた連絡配管５６で
連絡する。

そして本発明では、高圧側貯留槽２２及びそれに付属す
る高圧側配管系の容積と、低圧側貯留槽２４及びそれに
付属する低圧側配管系の容積とが等しくなるように設定
する。

この装置全体を試験室に設置する。試験室は密閉構造と
し、外部環境から隔離する。そして空調機を連続運転し
て試験室に隣接した温度制御室から間接的に試験室温度
をｆｌｈｌＪする。両貯留槽２２．２４の外壁を鯛バイ
ブロｏで取り囲み、その中を試験室温と同温の水を自動
循環させると共に、両貯留槽２２．２４とその周辺配管
及び圧力センサ等を保護容器（図示せず）に納め、その
保護容器内に断熱材を充填する。その他の配管部分も管
長を極力短くし断熱処理を施す。これによって温度変化
に伴う試験水の体積変化、圧力変化を最小限にとどめる
ようしている。高圧側貯留槽２２と低圧側貯留槽２４に
はそれぞれ温度センサ６２ａ、６２ｂを設け、貯留槽内
の流体温度を連続記録できる構造になっている。

トランジェントパルス法及び定水位法による基本的な試
験方法は前述した通りである。本装置では次のような手
順で行う。

トランジェントパルス法による試験では、拘束圧力を加
えて供試体２６を安定した後、第６の弁３６を閉とし、
それ以外の全ての弁を開とする。次に第５の弁３５を通
して間隙圧力を供給し、所定圧力に達したならば該第５
の弁３５を閉じる。そして閉鎖区間内の圧力の安定を待
って第３の弁３３、第４の弁３４、及び第７の弁３７を
閉とし、第５の弁３５を開として圧力パルスを高圧側貯
留槽２２に加え、第５の弁３５を閉とする。高圧側貯留
槽２２の圧力が安定した後、第４の弁３４を開として試
験を開始する。この間の差圧ΔＰを差圧センサ４８で測
定する。

本発明では高圧側貯留槽と低圧側貯留槽とは配管なども
含めて容積を等しく設計しであるため、最終的な収束圧
Ｐ、（第３図参照）を予測することができ、試験を短時
間で実施できる。

また温度変化に伴う試験水の体積変化や圧力変動が生じ
ても、それらの影響が相殺される。近似解による評価方
法では供試体２６内部に貯留する水量を無視しているた
めに、供試体２６の間隙内の貯留量が増えるに伴い誤差
が大きくなる。この誤差を最小限にとどめ、且つ１０−
’ｃｍ／ｓｅｃのオーダーまで測定可能とするために各
貯留槽の容積を約１１８３ｃｃにしである。

定水位法による試験では、上記と同様、拘束圧力を加え
て供試体２６を安定した後、第１の弁３１、第２の弁３
２、第４の弁３４、第５の弁３５、第６の弁３６をそれ
ぞれ開とし、第３の弁３３と第７の弁３７を閉とする。

次に第５の弁３５を通して圧力水頭を供給し、第１の弁
３１及び第４の弁３４を通過して供試体２６の下端面に
圧力を与える。供試体２６の上端面から排出される水は
第２の弁３２、低圧側貯留槽２４、第６の弁３６を経由
して水量計測装置（図示せず）で測定する。この試験の
際、気泡の影響を最小限にととめるため、計測系から空
気による背圧も加えられるようになっている。

このように本装置はトランジェントパルス法と定水位法
が可能であり、両方法を連続して実施できる。この装置
はトランジェントパルス法では１０−７ｃｍ／ｓｅｅ　
〜１０−”ｃｍ／ｓｅｅ程度、定水位法では１０−’ｃ
ｍ／ｓｅｃ　〜１０−”ｃ＋ｎ／ｓｅｅ程度の測定範囲
を育する。

なお、供試体２６とメンブレン２８との間の側面流を防
止するために、側面からの漏水を確認する実験に基づき
拘束圧力と圧力水頭との間に７　ｋｇｆ／ｃｍ’以上の
差圧を与えるようになっている。

本試験装置では従来極めて測定困難とされてきた難透水
性岩石を短時間で且つ高精度で測定することか可能とな
った。試験結果を第１表〜第４表に示す。

第１表は福島県産の三城目安山岩を用い、定水位法によ
り３個の供試体を３回ずつ測定したものである。この結
果より、それぞれのデータはほぼ等しく、１０−”ｃｍ
／ｓｅｃオーダーにおける定水位法の再現性が高いこと
が分かる。

第１表 第２表 第２表に示す試験結果は、上記第１表と同様に三城目安
山岩を用い、トランジェントパルス法で４回（＊印を付
したに一１ａ−に−１ｄ）　、定水位法で１回（Ｋ−１
ｅ）　、同じ供試体を繰り返し試験したものである。こ
の結果より、両方法のデータはほぼ等しくトランジェン
トパルス法での再現性が高いことが分かる。またここで
の試験時間を比較すると、定水位法では約３時間である
のに対してトランジェントパルス法では数分で済み、ト
ランジェントパルス法を用いた場合は大幅な試験時間の
短縮か可能である。

第３表 第３表は、岐阜県産の土岐花崗岩を用い、トランジェン
トパルス法により繰り返し２回試験を行った結果である
。２回の試験データはほぼ等しく、１０−”ｃｍ／ｓｅ
ｅオーダーにおいても再現性か高いことが分かる。

第４表 第４表は、西南日本外帯結晶片岩を用い、トランジェン
トパルス法により繰り返し２回試験を行った結果である
。２回の試験データはほぼ等しく、Ｉ　Ｏ−”ｃｍ／ｓ
ｅｃオーダーにおいても再現性が高いことが分かる。

なお本発明の装置はトランジェントパルス法において厳
密解に基づく評価にも使用できる。

また圧力媒体として水に限らず他の液体や気体でも測定
可能であり、そのため例えばモルタルや合成樹脂なとの
人工材料の透過性や透気性の評価にも利用可能である。

［発明の効果］ 本発明は上記のように構成した貯留槽システム（配管経
路、弁、圧力センサ、差圧センサ等の配置）であるため
、トランジェントパルス法のみならず定水位法も可能で
あり、両方法を連続的に実施できる。また本発明では高
圧側貯留槽と低圧側貯留槽の容積を配管も含めて等しく
設定しであるため、圧力の収束点Ｐ、を予測でき、それ
によって大幅な試験時間の短縮が可能であるし、室温変
化に伴う流体の体積変化や圧力変動が生じても、その影
響を相殺でき測定精度が向上する。

特に両貯留槽の外側をパイプで取り囲み一定温度の液体
を自動循環させると共に、両貯留槽とその周辺配管及び
圧力センサを保護容器に納め、その保護容器内に断熱材
を充填して両貯留槽を同温で制御するように構成すると
、測定精度は更に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る室内透水試験装置の一実施例を示
す説明図、第２図はトランジェントパルス法の説明図、
第３図は近似解に基づく評価方法の説明図である。 ２０・・・圧力容器、２２・・・高圧側貯留槽、２４・
・・低圧側貯留槽、２６・・・供試体。 特許出願人　動力炉・核燃料開発事業団化　　理　　人
　　　　　茂　　見　　　　　積第１図 第２図 時間 １３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に供試体を収容し拘束圧力および間隙圧力を与
   える圧力容器と、高圧側及び低圧側の貯留槽を具備し、
   高圧側及び低圧側の貯留槽からそれぞれ第１及び第２の
   弁を介して圧力容器の供試体の相対向する端部に連絡す
   る高圧側及び低圧側の間隙圧力配管系と、間隙圧力配管
   系の第１の弁と圧力容器の間と第２の弁と圧力容器の間
   の連絡路であって高圧側圧力センサと第３の弁と低圧側
   圧力センサとが直列になり且つ第３の弁と並列に差圧セ
   ンサを設けた圧力センサ系配管と、高圧側又は低圧側の
   間隙圧力配管系の圧力容器側に組み込まれる第４の弁と
   、高圧側及び低圧側の貯留槽にそれぞれ接続される第５
   及び第６の弁を有する配管系と、高圧側貯留槽と第５の
   弁の間と低圧側貯留槽と第６の弁の間を連絡する連絡配
   管系とを備え、高圧側貯留槽及びそれに付属する高圧側
   配管系と低圧側貯留槽及びそれに付属する低圧側配管系
   を同容積に設定したことを特徴とする室内透水試験装置
   。 ２、両貯留槽の外側をパイプで取り囲みその中を一定温
   度の液体を自動循環させると共に、両貯留槽とその周辺
   配管及び圧力センサを保護容器に納め、その保護容器内
   に断熱材を充填して両貯留槽を同温で制御する請求項１
   記載の装置。