JPS6125072A - 地下水流動測定装置 - 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、熱線式流れセンサを多孔性材料で囲繞した検
出部の上下両端にそれぞれ押し込み用中空管と先端コー
ンとを接続した構造をなし、ポーリング孔を掘削するこ
となしに地表から地中帯水層まで押し込んで該帯水層中
を流れる地下水の流速や流向を直接測定できるようにし
た装置に関するものである。

［従来の技術］ 地下水の水資源としての重要性は、雨水、河川水、湖水
の重要性とともに益々高まりつつある。しかし各種の化
学物質や有害物質、あるいは核廃棄物の地下処分等によ
り汚染される可能性は大きい。更に土木建築物の基礎と
しての地盤の強度や地滑り等にも地下水流は大きな影響
を及ぼす。これらの問題を解決するためには地下水流動
の解明が極めて重要である。

地下水の流動についての最も基礎的な公式はダルシーに
よって提案された次式である。

地下水の流速＝（動水勾配）×（透水係数）従って地下
水の流速は、その地層における透水係数が明らかになれ
ば動水勾配（地下水の距離的勾配）に比例する。そこで
従来の地下水の流速調査は、多数の井戸あるいはポーリ
ング孔を掘削して地下水位を測定し動水勾配を求めると
ともに、透水係数をポーリング孔を利用して求め、その
再測定値をダルシー則に当てはめて行っていた。また地
下水の流向は、一般に流体が位置エネルギーの高い方か
ら低い方に向かって流れることを利用し、地下水位の観
測結果を平面図」二で等高線に整理し、その等高線に垂
直で高水位から低水位に向かう方向を地下水の流向とし
ていた。

乙のような謂わば間接的な測定方法に対して、最近、地
下水の流速・流向を直接測定する方法も幾つか提案され
ている。しかしこれらの方法はすべてポーリング孔を！
！削し、その孔内に各種の装置を挿入して測定を行うも
のである。従ってまずポーリング機械により孔径数十ｍ
ｍ以上のポーリング孔を掘削する。掘削中に孔壁が崩壊
する虞れがある場合はベントナイト等を主成分とした泥
水などにより孔壁を保護し、更に掘削後に孔壁が崩壊す
る虞れがあるときはケーシングを挿入する操作が必要と
なる。また一般に帯水層は数層ないし数十層に分離して
存在するので、測定したい帯水層部分にストレーナ管を
挿入する。各帯水層はそれぞれ異なった圧力ヘッドをも
つためポーリング孔掘削により各帯水層間が連通すると
地下水の移動が起こり、それによって生ずる流動を帯水
層内の流動と区別することが不可能になる。そのため帯
水層間を遮水する操作も必要となる。乙のように測定に
孔の掘削作業のみならず、それに付随した様々な準備作
業が必要だったのである。

他方、流速や流向を測定する公知技術として熱線式流れ
センサがある。これは、金属細線に通電してジュール熱
により加熱し、これを流体中に没入したときの移動速度
に比例して熱量が奪われ温度が低下し該金属細線の抵抗
が変化することを利用し、乙の抵抗変化から流体の移動
速度を測定するものである。ここで金属細線の形状を工
夫し、例えば熱線２本をＸ字型あるいは７字型に設ける
ことによって流向も測定する乙とができる。乙の種のセ
ンサは感度が高く応答性に優れているｔコめ、水流に関
しては乱流や渦流の測定研究、物質との境界流の研究等
特殊な用途には利用されているものの機械的強度が低い
ため、未だ一般化されていない。勿論、地−３＝ 下水流動の測定にも用いられていない。

し発明が解決しようとする問題点］ 従来の間接的な地下水測定方法であっても、一つの平時
を調査対象とするような広範囲な場合には観測可能な井
戸の数も多く地下水のおおまかな流動を知れば目的を達
するので有効な方法である。しかし測定範囲がより狭く
なるにしたがって精度の高いデータを得る必要があるが
、対象範囲が狭いが故に井戸の数も少なく精度が向上し
ないという問題が生ずる。その結果、多数のポーリング
孔を掘削しなければならなくなり、経済的な負担が増大
し、そのため十分な精度の調査ができない場合が多い。

また透水係数は同一の地層であっても場所によって大き
く異なる場合が多いので調査精度を上げるためには数多
くの測定を行う必要もでてくる。

従来の直接的測定方法はポーリング孔を用いるが故に、
避けられない大きな問題が生じる。

つまり測定のため（こ掘削したポーリング孔が帯水層を
程度の大小はあるが変化させてしまうと＝４〜 いうことである。ポーリング孔内は地下水流に対して無
抵抗の状態となり、孔壁はドリルの動的な力の影響を受
け、間隙の大きさを大小様々に変化させてしまう。間隙
を大きくする方向の変化は、流れに対する抵抗の変化を
小さくする結果となり、孔内の無抵抗と相俟て孔内に向
かって流れを集中させることになり、小さくする方向の
変化は抵抗を大きくする結果、孔内へ向かっての流れを
阻止することになる。この影響はポーリング孔壁が大き
くなればなるほど大きなものとなる。

まｔコ帯水層間を遮水する場合、ケーシング管内はスト
レーナ部分のみが外側と連通ずるので問題はないが、ケ
ーシング外側は予めセットしたエアーチューブを膨張さ
せたり、砂、セメン１−　、ベントナイト等を充填する
ことになる。しかしこの操作は経済的負担が大きいばか
りでなく同一孔を用いて更に深い深度の帯水層について
調査しようどするとき、との遮水操作によってケーシン
グやストレーナの引き抜きが不可能になる場合が多く、
新たな掘削が必要となり、経済的負担が更に太くなる。

また先に述へたＩ屈削中の泥水の使用は、孔壁を不透水
性とすることを目的とするから、流速・流向の測定時に
は孔壁に付着しｔコ泥水をストレーナを設置した後に洗
浄により除去しなければならないが、大量の水の汲み上
げができず、完全な除去が困難な場合が多い。従ってそ
の条件下での測定精度は必ずしも良いものとは言えなく
なる。

このように、従来のポーリング孔を用いた地下水の流動
測定は、ポーリング孔を掘削するが故に経済的に極めて
大きな負担となるばかりでなく、ポーリング孔を設けた
結果、地下水の流動状態が変化し、測定の精度が低下す
るといった大きな問題があっｔこのである。

熱線式流れセンサが地下水の流動測定に用いられないの
主たる原因はセンサ本体の機械的強度が弱いことのみな
らず、流速測定の下限が毎秒数ｍｍ程度であるというこ
とにある。つまり金属細線の加熱により周囲の流体に対
流が生し、たとえ静止状態であっても流速が観測されて
しまい、従って流速が低い状態では本来の流速なのか対
流によって生しる流速なのかを分離して感知することが
てきないからである。ところが地中帯水層を流れる水の
速度は通常毎秒数ｍｍ程度以下とかなり低いｔこめ、そ
のままでは前記熱線式流れセンサを用いることは不可能
なのである。

本発明の目的は、上記のようなポーリング孔を用いるこ
とによる従来技術の欠点および熱線式流れセンサをその
ままでは用いることができないという問題を解決し、ポ
ーリング孔を掘削すること無しに装置を直接地表から測
定対象となる地下帯水層へ挿入するだけで、地下水の流
速や流向を直接正確に測定する乙とができるような装置
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記のような問題点を解決することのできる本発明は、
間隙が相互に連通ずる多孔性材料によって熱線式流れセ
ンサを囲繞した検出部と、該検出部の一端に取り付けた
先端コーンと、検出部の他端に連結されセンサ用リード
線が内部を通る押し込み用中空管とからなる地下水流動
測定装置である。

この装置は、その検出部が測定対象となる地中帯水層に
達するまで地表から貫入され、該帯水層中の水の流速や
流向を内蔵している熱線式流れセンサによって検出する
のである。

熱線式流れセンサを囲繞する多孔性材料は、その透水性
が測定対象である帯水層の透水性と同程度もしくはそれ
よりもやや良好な程度のものとし、それでいて地中に貫
入する際の荷重に耐えうるような十分な機械的強度を有
するものとする。そのためには、例えば焼結金属やセラ
ミックス等からなる多孔性筒状体の内部に砂等の粒体を
充填した構造とするのがよい。

［作用］ 前記のような構成とすると、ポーリング孔を掘削する乙
となしに装置を地表から地中に貫入＝８− し、その検出部が測定対象となる帯水層に達するように
押し込みさえすれば、あとは検出部によって該帯水層を
流れる水の流速や流向を正確に測定することができる。

帯水層中の水は、検出部の外側に位置する多孔性材料を
通って熱線式流れセンサの近傍を通り、該センサにより
流速あるいは流向が測定される。

通常帯水層は砂層等からなり、他方熱線式流れセンサを
囲繞する多孔性材料も前記帯水層と同程度もしくはそれ
よりもやや透水性のある材料であるから、装置を貫入し
たことによる測定系の乱れはほとんど生じず、帯水層本
来の地下水の流速あるいは流向を測定することができる
。

この流速は前述のように通常毎秒数ｍｍ程度以下といっ
た極めてゆっくりしたものであり、センサ本体である金
属細線の加熱によって対流が生じようとするが、周囲に
多孔性物質が配されているため、それらが妨げとなって
センサ周囲における上昇流や下降流等は生しに＜＜、そ
の結果、本来の帯水層中の流速を正確に測定することが
可能となるのである。

帯水層が数層ないし数十層にわたる場合には。

本装置を順次押し込んでいくか、あるいは順次引き上げ
ていくことによって、容易に各帯水層中での流れの測定
が可能となる。

［実施例］ 以下、図面に基づき本発明２こついて更に詳しく説明す
る。第１図は本発明にかかる地下水流動測定装置の一実
施例を示す部分断面図であり、第２図はその使用状態の
一例を示す説明図である。本発明にかかる地下水流動測
定装置は地下水の流れを測定する円筒状の検出部１と、
該検出部１の下端に取り付けた先端コーン２と、検出部
１の上端に連結される押し込み用中空管３とから構成さ
れる。

ここで検出部１は、間隙が相互に連通ずる多孔性材料（
例えば多孔性セラミックスあるいは焼結金属等）からな
る円筒状のケース４の内部に熱線式流れセンサ５を収納
し、該熱線式流れセンサ５とケース４との間に砂等の粒
体６を充填した構造である。ケース４の内面の上方およ
び下方にはそれぞれねし部が形成され、それらによって
それぞれ先端コーン２および押し込み用中空管３が螺着
される。勿論、接着等により接続してもよい。熱線式流
れセンサ５のリード線７ば、押し込み用中空管３の内部
８を通って地表の装置と接続される。ここで測定回路の
一部を押し込み用中空管３の内部下方に組み込み、測定
信号を増幅して地表に送出させることも可能である。

熱線式流れセンサ５を囲繞する多孔性材料（本実施例で
Ｌよ多孔性円筒状ケース４と充填粒体６）は、相互に孔
が連通ずる多孔性物質であり、その透水係数は少なくと
も測定しようとする帯水層の透水係数と同程度かもしく
はそれより大きく、また内部の熱線式流れセンサと十分
接触する乙とができ、少なくとも１５０℃以下の加熱に
より変形を起こさず、ある程度の強度をもっており、か
つできるだけ細径であるものが望ましい。それば測定上
、外部の水が熱線式流−１１＝ れセンサの近傍を通過しなければならないので、孔が連
通性を有していなければならないのは当然ｔ！からであ
り、また外部帯水層の透水性より極端に小さな透水性を
もつものであれば、この検出部の流水に対する抵抗が大
きいことを意味し、流水は検出部を避けて通り、測定が
できなくなるからである。本来ならば測定対象となる帯
水層と同一の透水性をもつものであることが望ましいが
、その値は事前には判らないから、地質構成等から判断
される推定透水性以上の透水性をもたせれば十分である
。検出部の透水性が大きい場合は該検出部に流れが集中
するが、極めて細いという条件とも相俟て集中流は測定
誤差範囲に収めることができる。多孔性物質を＃１線式
流れセンサに接触させるように配置するのは、該熱線式
流れセンサの加熱によって生じる対流を防止する？、＝
めである。乙のため砂等の粒体を充填するのが好ましい
のである。またこの装置は測定対象帯水層まで押し込ま
れるので、その際の載荷荷重に耐える必要があるし、他
方この検出部は測定土質と直接接触する必要があるから
検出部の外側に補強体を取り付けることはできず、それ
自身の強度が十分でなければならないからである。

検出部１の一端に取り付けられる先端コーン２は、本装
置を押し込む際の作業性を良好にする機能を果たす。従
って、その先端の角度は鋭角とするのが良い。また先端
コーン２の基端部は、それと連続する検出部１の直径よ
りもやや大きく設計されている。これは本装置を地中に
押し込んでいった時、その過程で粘土質等の不透水層部
分を検出部１が通過するが、そのような土砂が検出部１
の表面に付着して透水性を悪化させないようにするため
である。つまりこのような形状とすると、地中に押し込
む時に土砂が先端コーン２で押し広げられていくため、
検出部１の周囲に一時的に空隙が生じ、該検出部１０表
面に土砂が付着しにくくなるのである。

また検出部１の他端に連結される押し込み用中空管３ば
、その直径が先端コーン２の基端部と同じかそれよりや
や大きめのものが用いられ、検出部１と連結する個所で
徐々に直径が変化するような形状となっている。このよ
うな構造とすると、本装置を地中に押し込んでいったと
き、検出部の上部において押し込み用中空管と土層との
間に間隙が生じず、そこを通って地下水が上方に流動す
るのを防止でき、それ故測定精度が低下することはない
。

本発明にかかる装置の使用法は極めて簡単である。第２
図に示すようにポーリング孔を掘削することなしに地表
１０から地中の測定対象となる帯水層１１に向かって本
装置を押し込めばよい。この押し込みは、挿入時の攪乱
を避けるため準静的な速度の押し込み挿入とするのが望
ましい。先端コーン２はこの押し込み作業を容易にする
機能を果たす。地中への押し込み時に土砂は先端コーン
２て押し広げられていくため、それよりも小径の検出部
１の表面には土砂はほとんど付着しない。検出部１が所
定の測定対象となる帯水層１１に達したならばしばらく
そのまま放置し、外部の水が熱線式流れセンサ５の近傍
を通過するようになるまで待ち、その後測定を開始する
。帯水層中の水は多孔性のケース４および砂等の充填粒
体６内を通って熱線式流れセンサ５の近傍を通過してい
く。熱線式流れセンサ５自体の動作並びにその測定法は
従来のものと全く同様である。つまりセンサ本体である
金属細線に電流を流して発熱させたとき、その周囲を流
れる水によって冷却され、温度低下が生じるが、それに
基づく抵抗値の変化を検出するのである。

帯水層が数層ないし数十層にわたる場合には、本装置を
順次押し込んでいくか、あるいは順次引き上げていく乙
とによって各帯水層毎に流速や流向を測定することがで
きろ。また土中に押し込んだ装置は必ず回収できる？コ
め、１本の本装置で何度でも繰り返し使用が可能である
。

第３図は本発明にかかる地下水流測定装置の他の実施例
を示す断面図である。この実施例は基本的には第１図に
示すものと同様であるので、−１５＝ 対応する部分には同一符号を付し、それらについての記
載は省略する。本装置が前記の実施例に示す装置と顕著
に相違する点は、検出部１の外側にスライド自在の円筒
状カバー１２を被せた点である。本装置を土中に押し込
む場合には、第３図に示すようにこの円筒状カバー１２
を被せた状態でそのまま押し込み、測定対象となる帯水
層に達したならば、この円筒状カバー１２をスライドさ
せて若干引き上げ、多孔性ケース４の外表面が露出する
ようにすれば、押し込みの際に粘土層等を通過する場合
であっても検出部１の外表面がクリーンな状態で保護さ
れるため、目詰りを起こす等といったことが生じる虞れ
は全くなく、測定精度の向上と測定の信頼性の向上を実
現する乙とができる。

以上本発明の二つの実施例とその使用状態について説明
したが、本発明はかかる構成のみに限定されるものでな
いこと無菌であり、検出部の構造等については使用状態
あるいは測定対象となる地中構造等に関連して種々の変
形が可能であることは言うまでもない。また、上記の説
明では現地において直接帯水層中の流速や流向を測定す
る場合について述べているが、本装置は室内で行われる
透水係数を求める試験においても利用することができる
。

［発明の効果］ 本発明は上記のように構成した地下水流動測定装置であ
るから、ポーリング孔を掘削することなしにしかも測定
の際の攪乱が少ない状態で極めて簡単かつ正確に地下水
の流速や流向を直接測定することができ、それ故、極め
て経済性に優れていることとも相俟て未だ未解決の部分
の多い地下水流動の解明、地下水汚染や地盤強度の解明
等に多大の貢献をなしうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る地下水流動測定装置の一実施例を
示す部分断面図、第２図はその使用状態の一例を示す説
明図、第３図は本発明に係る測定装置の他の実施例を示
す断面図である。 １・・検出部、２・・先端コーン、３・・押し込み用中
空管、４　多孔性ケース、５・熱線式流れセンサ、６　
粒体。 特許出願人　株式会社応用地質調査事務所代　理　人　
　　　茂　　　見　　　　積第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、間隙が相互に連通する多孔性材料によって熱線式流
   れセンサを囲繞した検出部と、該検出部の一端に取り付
   けた先端コーンと、検出部の他端に連結されセンサ用リ
   ード線が内部を通る押し込み用中空管とからなる地下水
   流動測定装置。