JPS63103995A

JPS63103995A - 孔内流速測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPS63103995A
Application number: JP61249074A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Hirano; 平野　文昭; Noriji Miyake; 紀治三宅; Jun Shimada; 純嶋田; Minoru Amari; 天利　実
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Priority date: 1986-10-20
Filing date: 1986-10-20
Publication date: 1988-05-09
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: JPH0795102B2

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」この発明は、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ろして地下水の流速を測定す
る孔内流速測定方法及び測定装置に関する。

「従来の技術」一般に、地下水の流速を測定するには、まず、ポーリン
グ機械により所定の地盤へ深孔を掘削し、次に、掘削し
た前記深孔の上部に矢倉を設け、この矢倉に孔内の流速
を測定するための測定装置を取り付けた後、この測定装
置を測定すべき前記孔内の所定の場所へ吊り降ろす。孔
内に吊り降ろされた測定装置は、これに付随する固定機
構により測定すべき地層内に固定される。この測定装置
が固定されると、前記地層内を通過する地下水が測定装
置内をも通過するので、この通過する地下水を測定装置
に設けられたセンサープローブで検知することにより、
測定個所の地下水の流速を測定することができる。

従来、この種の地下水の流速を測定する測定装置として
は、次に示すような構成のものが知られている。すなわ
ち、この測定装置は、中間に孔内の所定の場所の流速を
測定するセンサープローブと、その上下部分にロッドを
介して設けられた、前記固定機構たる上部、下部パッカ
ーとから概略構成されるものである。この、上部、下部
パッカーは、硬質ゴム製の中空体であり、地上から送ら
れてきた圧搾空気により膨張されることで、自身が孔内
の壁面に押圧されて固定され、これにより上部、下部パ
ッカー間に位置するセンサープローブも固定される。さ
らに、前記センサープローブには、地下水の流れによっ
て濃度が変化するトレーサー（例えば食塩水、蒸留水、
硼素等）が投入されると共に、このトレーサーの濃度変
化を測定するセンサーが内蔵され、このトレーサーの濃
度変化をセンサーにより測定することで、地下水の流速
を計測することができる。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、前記従来のトレーサーを用いた孔内流速測定
装置においては、次に挙げるような問題点があった。

（１）　トレーサーの濃度変化をセンサーで測定するこ
とで、間接的に孔内の流速を測定しているので、真の孔
内流速を直接測定することができない。

（２）　トレーサーを投入するので、測定に時間がかか
る。

（３）　トレーサーによる測定なので、流速の測定範囲
が限定される。

（４）測定部分にトレーサーを投入するため、地下水の
温度や密度に変化が生じ、又、地下水の拡散現象を生じ
るので、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。

この発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、広
範囲な流速を有する地下水の真の流速を短時間に、かつ
、直接的に測定することの可能な孔内流速測定方法、及
び、これを実現する測定装置の提供を目的としている。

「問題点を解決するための手段」前記問題点を解決するために、この発明のうち第１の発
明は、地中に深孔を掘削し、この孔内の所定深さに測定
部たるセンサープローブを挿入して、前記孔内を通過す
る地下水の流速を測定する孔内流速測定方法において、
前記センサープローブ内に透過形回折格子と光源とを設
けると共に、この光源からの光を前記回折格子を通過さ
せることで回折縞を形成し、この回折縞中を通過する地
下水中の散乱粒子からの散乱光を受光して、この散乱光
の強度変化により前記地下水の流速を測定するような孔
内流速測定方法を構成している。

また、第２の発明は、前記第１の発明である孔内流速測
定方法を実現するために、地中に掘削された深孔内に挿
入される測定部たるセンサープローブと、このセンサー
プローブの上下両端にロッドを介して取り付けられ、前
記センサープローブを前記孔内の所定位置に固定する上
部パッカー及び下部パッカーとにより、前記孔内を通過
する地下水の流速を測定する孔内流速測定装置において
、前記センサープローブに、レーザ光等を発光する光源
と、この光源の発光方向面方に位置された透過形回折格
子と、この回折格子により形成される複数次の回折光を
所定の部分に収束して回折縞を形成するためのレンズ等
の収束手段と、前記回折縞からの散乱光を受光する受光
部とを設けたような孔内流速測定装置を構成している。

「作用　」この発明では、センサープローブ内に設けられた光源及
び透過型回折格子により複数次の回折光が発生されると
共に、これら複数次の回折光が反射板により所定の部分
に収束されることで、この所定の部分に干渉縞が形成さ
れる。この、干渉槁が形成された部分を地下水が通過す
る際、この地下水中に含まれる粒子により散乱光が生じ
、その強度は、粒子が前記干渉縞の明部にあれば強く、
逆に暗部にあれば弱くなる。そして、その強度変化は、
粒子の移動速度に比例し、干渉縞の間隔に反比例する。

従って、この散乱光の強度変化を検出すれば、粒子の移
動速度を測定することができ、この粒子の粒径が十分小
さいと仮定すれば、粒子の移動速度をそのまま地下水の
移動速度とすることができる。

「実施例」以下、この発明の実施例について、第１図ないし第４図
を参照して説明する。

第１図は、この発明のうち第１の発明の一実施例である
孔内流速測定方法を説明するための図であり、符号Ｇは
調査すべき地盤である。この地盤Ｇは、不透水層Ｇ１と
地下水が流れる帯水層Ｇｔとから構成されていると共に
、この地盤Ｇには、垂直方向に掘削されて前記帯水層Ｇ
、を貫通する深孔Ｈが形成されている。また、符号Ｂは
地下水の流速を測定すべき前記孔Ｈ内の測定区間であり
、この測定区間Ｂには、この発明のうち第２の発明の一
実施例である孔内流速測定装置ｌ（以下、単に「測定装
置」と称する）が位置されている。この測定装置ｌは、
ケーブル２により吊持されていると共に、このケーブル
２は地上に設置された矢倉部３に固定されている。

第２図は、前記地上に設置された矢倉部３を示す図であ
る。第２図において、符号４は矢倉本体であり、符号５
はケーブル巻取装置である。このケーブル巻取装置５に
は、上下パッカー制御装置６と信号受信・解析部７（以
下、単に「解析部」と称する）とが、それぞれケーブル
８と光ファイバ９とにより接続されている。この、上下
パッカー制御装置６は、後述する測定装置ｌの上部、下
部パッカーに圧搾空気を送出すると共に、この圧搾空気
の圧力調整を行う機能を有している。また、前記解析部
７は、フォトマル部１０、バンドパスフィルタ１ｍディ
ジタルコリレータ１２、及びコンピュータ１３で構成さ
れている。前記ケーブル巻取装置５には、前記ケーブル
２が巻回されていると共に、このケーブル２は前記矢倉
本体４の天端に取り付けられた滑車１４に掛けられてい
る。

そして、このケーブル２の先端には、前述の如く測定装
置ｌが取り付けられている。

この測定装置ｌは、第１図ないし第２図に示すように、
測定部たる円筒状のセン等−プローブ１５と、このセン
サープローブ１５の上下両端に上ロッド１６及び下ロッ
ド１７を介して取り付けられた、硬質ゴム製の中空円筒
状の上部パッカー１８及び下部パッカー１９とから概略
構成されている。

第３図は、このセンサープローブ１５を示す図である。

第３図において、符号２０は前記センサ−プローブ１５
上部に複数個配置されたレーザ・ソース等の光源、符号
２１はこれら光源２０．２０、・・・の発光方向前方に
位置された円板状の透過型回折格子である。この回折格
子２１には、１ｍｍ当たりＮ本のスリットが放射状に刻
設されている。

また、符号２２はセンサ−プローブ１５下部に取り付け
られた反射鏡（収束手段）であり、この反射鏡２２は、
前記回折格子２１からの０次回折光２３及び１次回折光
２４の進行方向前方に位置されていると共に、これら０
次及び１次回折光２３．２４をセンサープローブ１５下
方の所定の交叉部（部分）３０に収束するように、その
導光方向が調整されている。符号２５は、その受光方向
が前記０次及び１次回折光２３．２４の交叉部３０に向
けられた集光レンズ（受光部）であり、この集光レンズ
２５によって受光された光は、光ファイバ２６により伝
送される。

また、第４図は、ケーブル２の断面を示す図であり、こ
のケーブル２内には、センサープローブ１５内の光源２
０に電源を供給する電源供給ケーブル２７と、前記ケー
ブル８に連通して上部及び下部パッカー１８、Ｉ９へ圧
搾空気を供給する空気供給チューブ２８．２９と、前記
集光レンズ２５により受光された光を、前記光ファイバ
９を介して地上の解析部７へ伝送する前記光ファイバ２
６とが装填されている。

次に、第１図ないし第４図を参照して、この発明のうち
第１の発明の一実施例である孔内流速測定方法について
説明する。

まず、第１図に示すように、調査すべき地盤Ｇに測定す
べき帯水層Ｇ、、Ｇ、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、ケーブル巻取装置５に巻
回されたケーブル２を繰り出して、矢倉本体４から測定
装置ｌを吊り降ろす。この、吊り降ろされた測定装置ｌ
が前記測定区間Ｂに達した段階で、前記巻取装置５の繰
り出しを止めて測定装置ｌをこの測定区間Ｂ内の所定位
置に停止させる。測定装置ｌか測定区間Ｂ内の所定位置
に停止したら、前記地上の上下パッカー制御装置６を駆
動して、空気圧の調整された圧搾空気を、ケーブル２内
の空気供給チューブ２８．２９を介して上部パッカー１
８及び下部パッカー１９に供給する。

圧搾空気が供給されると、これら上部パッカー１８及び
下部パッカーＩ９は膨張して、自身を前記孔Ｈ壁面に押
圧させて移動不可能となり、その位置に固定される。従
って、これら上部、下部パッカー１８．１９の中間部に
位置する前記センサープローブ１５も、その位置に固定
される。

このセンサープローブ１５が測定区間Ｂ内に固定される
と、センサープローブ１５内の光源２０を駆動して、透
過型回折格子２１に向ってレーザ光等の光を発光させる
。発光された光は、この回折格子２１を透過することで
回折され、０次、１次、・・・の複数次の回折光が発生
する。そして、これら複数次の回折光のうち、０次回折
光２３及び１次回折光２４は、反射鏡２２により所定の
交叉部３０に収束され、これら０次及び！次回折光２３
．２４の交叉により、この交叉部３０には回折縞が生じ
る。ここで、この交叉部３０は、地下水の流速を測定す
る測定部分となる。

この干渉縞中を地下水中の粒子が通過すると、散乱光が
生じる。生じた散乱光は、前記集光レンズ２５により受
光され、光ファイバ２６を通って地上の解析部７へ伝送
され、解析、記録され、これにより地下水の流速を測定
することができる。

ここで、この解析部７で行なわれる解析過程について、
その原理を説明する。すなわちこれは、いわゆるレーザ
ー・ドツプラー速度計（Ｌ、Ｄ。

Ｖ　、−Ｌ　ａｓｅｒ　Ｄ　ｏｐｐｌｅｒ　Ｖ　ｅｌｏ
ｃｊｍｅｔｅｒ　）の原理を利用したものであり、レー
ザ・ソースから射出されたレーザ・ビームを強度が等し
い２本のビームに分光し、これらをレンズを用いて１点
に交叉させれば、この交叉部（測定部分）には、レーザ
光の波長λとビームの交叉角θによってその間隔ｄＦが
決定される干渉縞が生じる。そして、この干渉縞の間隔
ｄＦは、ｄＦ−（λ／２）ｓｉｎ（θ／２）で表される
。この測定部分を微粒子（直径数μｍ　）が通過すると
、この粒子による散乱光の強度は、粒子が干渉縞の明部
にあれば強く、逆に暗部にあれば弱くなる。そして、そ
の変化の割合は、粒子の移動速度Ｖに比例し、干渉縞の
間隔ｄＦに反比例する。従って、この散乱光をレンズ等
により収束して、これをフォトマル等の光電変換器で電
気信号に変換し、その信号（ドツプラー信号）の周期ｔ
ｄ１あるいは周波数ｆｄを測定することで、粒子の移動
速度Ｖを測定することかできる。いま、粒子が干渉縞の
形成面に対して垂直に通過した場合を考えると、この粒
子の移動速度Ｖは、Ｖ　＝ｄｐ／ｌ　＝ｄｒ−ｆ、＝　（（λ／２　）ｓｉ
ｎ（θ／２））・ｆ、１で表される。これは、あくまで
も粒子の速度を測定しているのであって、流体、すなわ
ち地下水の速度を測定しているのではない。しかし、粒
子の径が十分小さければ、粒子は流体に追従して移動す
ると考えて良いので、粒子の移動速度Ｖをそのまま流体
の移動速度としても支障無い。

以上の原理に基づき、地下水の流速を測定することがで
きる。そして、この測定区間Ｂでの流速測定が終了した
ら、上部、下部パッカーＩ８．１９の空気を暖め、次の
測定区間の深さに測定装置ｌを移動させて、測定を繰り
返す。

従って、以上示した実施例たる測定方法及び測定装置１
によれば、地下水の流速を直接測定することができ、ま
た、測定時間の大幅な短縮が図れると共に、流速の測定
範囲がＶ　＝　Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ−８ｃｍ／ｓｅａ　＝　
Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｑ　０ｃｍ／　ｓｅａと広範囲な測定か可
能となる。また、地下水中の粒子の粒径分布をある程度
広く仮定し、ブラウン運動の影響を前記解析部７に設け
られたバンドパスフィルタＩＩにより除去すれば、地下
水の真の流速を求めることができる。さらに、この測定
方法及び測定装置は、そのセンサープローブ１５にトレ
ーサーを使用する必要がないので、測定対象たる地下水
に密度変化、拡散現象等地下水の流速を擾乱させる現象
を引き起こす恐れが無い。そして、前記測定装置ｌは、
従来の測定装置に比較してその径を細くできるので、よ
り小口径の深孔に適用可能である。

特に、この実施例では、反射鏡２２の位置調整等により
、任意の個所に回折光２３．２４の交叉部３０を位置さ
せることができると共に、この交叉部３０で形成される
干渉縞の形成面をも任意の方向に振り向けることができ
る。従って、この干渉縞の形成面を、例えば前記センサ
ープローブ１５の軸線に直交するように位置させること
によって、定められた一方向における地下水の流速を測
定することが可能となる。また、この実施例のように、
光源２０を２個装備し、この光源２０によって生じる干
渉縞の形成面を同一にしつつ、縞の方向を互いに直交さ
せれば、地下水の流速のＸ成分、Ｙ成分を直接測定する
ことが可能となり、よって、地下水の流速の絶対値を測
定することができる。

次に、第５図は、この発明の他の実施例である孔内流速
測定装置を示す図である。なお、以下の説明において、
前記実施例と同一の構成要素については同一の符号を付
し、その説明を省略する。

第５図に示す測定装置ｌと前記実施例の測定装置との相
異点は、センサープローブ１５内の透過型回折格子２１
が、その回転中心に対して回動自在に取り付けられてい
る点である。すなわち、この回折格子２Ｋには、その回
転中心に回転軸３１が突設されていると共に、この回転
軸３１はモータ３２に連結されている。よって、このモ
ータ３２の駆動により、前記回折格子２１は所定方向、
所定速度で回動されることとなる。また、この実施例で
は、センサ−プローブ１５上部に光源２０が１個のみ設
けられていると共に、この光源２０から発光される１本
の光は、その前方に設けられたビームスプリッタ３３に
より所定本数（図示例では２本）に分岐され、反射鏡３
４．３４、・・・により回折格子２１に導光されている
。

この測定装置ｌにより地下水の流速を測定する方法は、
前記実施例の測定方法と同様であり、また、この方法に
従えば、前記実施例と同様に、孔■（内を通過する地下
水の流速を測定することができる。ここで、地下水の流
速測定中は、前記モータ３２を駆動して、回折格子２１
を一方向に所定速度で回転させておけば、地下水の流速
のみならず、その流向をも測定することができる。

この原理を、以下類を追って説明すれば、府述の如く回
折格子２Ｉが一方向に所定速度で回転している場合、０
次回折光２３の周波数ｆ。は変化しないが、１次回折光
２４の周波数ｒ、は、Δｆだけシフトする。このシフト
量Δｒは、回折格子２１のスリット幅をｐ。、回転速度
をυとすれば、次式で与えられる量となる。

Δｆ＝ｒｌ　ｆｏ＝υ／２ｐｏ＝πＤｒ／２ｐ。

ここで、Ｄは回折格子２Ｉの直径、ｒは回折格子２１の
回転数である。従って、これら０次回折光２３及び！次
回折光２４の交叉部３０に形成される干渉縞も、この周
波数シフトΔＣに伴って、一定方向にその明暗部が移動
することになる。このような干渉縞中を、地下水内を浮
遊する粒子が通過した場合、朋述の如く散乱光が生じる
が、その周波数ｒ、′　は、前記周波数ｆ、に周波数シ
フトΔｆを付加した量となる。そして、この周波数シフ
トΔｒ及び干渉縞の移動方向は予め知ることができるの
で、回折格子２１が回転したことによる周波数の変化ｆ
ａ’　　ｆｄの正負を検出すれば、粒子の流向、ひいて
は地下水の流向を測定することができる。

特に、この実施例でも、前記実施例と同様に、光源２０
によって生じる干渉縞の形成面を同一にしつつ、縞の方
向を互いに直交さ仕れば、地下水の流速のＸ成分、Ｙ成
分を直接測定することが可能となり、よって、地下水の
流速の絶対値及び流向を測定することができる。

なお、この発明の孔内流速測定方法及び測定装置は、前
記実施例に限定されず、施工条件等により適宜変更可能
である。例えば、前記パッカー１８、Ｉ９も、地盤Ｇの
性質によって、メカニカルパッカー、空気パッカー等を
使い分ければ良い。

また、前記０次及び１次回折光２３．２４を収束する収
束手段も、前述の如く反射鏡２２に限定されず、レンズ
、プリズム等周知の手段から適宜選択されれば良い。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明は、孔内流速測定
装置のセンサープローブに透過型回折格子を設け、この
回折格子により得られる回折光を用いて干渉縞を形成し
、この干渉縞を通過する粒子の散乱光の強度変化から孔
内の地下水の流速を測定しているので、次のような優れ
た効果を奏する。

（１）　　孔内の地下水の真の流速を測定することがで
きる。

（２）測定時間の短縮か可能である。

（３）流速の測定節回がＶ　＝　Ｉ　Ｘ　ｌ　Ｏ−’ｃ
ｍ／ｓｅｃ〜ｌ×１０°ｃｍ／ｓｅｃと広い範囲の測定
が可能である。

（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殆
んどなくなる。

（５）また、この測定装置は、従来の測定装置よりその
径を細くできるので、より小口径の深孔に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、この発明のうち第１の発明の一
実施例である孔内流速測定方法を説明するための図であ
って、第１図はその全体を説明するための概略図、第２
図は矢倉部を示す正面図、第３図はこの発明のうち第２
の発明の一実施例である孔内流速測定装置のセンサープ
ローブ部を示す斜視図、第４図はケーブルの断面図、第
５図はこの発明のうち第２の発明の他の実施例である孔
内流速測定装置のセンサープローブ部を示す斜視図であ
る。Ｇ・・・・・・地盤、Ｈ・・・・・・深孔、ｌ・・・・
・・測定装置、１５・・・・・・センサープローブ、１
６・・・・・・上ロッド、１７・・・・・・下ロッド、
１８・・・・・・上部パッカー、１９・・・・・・下部
パッカー、２０・・・・・・光源、２Ｘ・・・・・・回
折格子、２２・・・・・・反射鏡（収束手段）、２５・
・・・・・集光レンズ（受光部）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）地中に深孔を掘削し、この孔内の所定深さに測定
部たるセンサープローブを挿入して、前記孔内を通過す
る地下水の流速を測定する孔内流速測定方法であって、
前記センサープローブ内に透過形回折格子と光源とを設
けると共に、この光源からの光を前記回折格子を通過さ
せることで回折縞を形成し、この回折縞中を通過する地
下水中の散乱粒子からの散乱光を受光して、この散乱光
の強度変化により前記地下水の流速を測定することを特
徴とする孔内流速測定方法。
（２）地中に掘削された深孔内に挿入される測定部たる
センサープローブと、このセンサープローブの上下両端
にロッドを介して取り付けられ、前記センサープローブ
を前記孔内の所定位置に固定する上部パッカー及び下部
パッカーとにより、前記孔内を通過する地下水の流速を
測定する孔内流速測定装置であって、前記センサープロ
ーブには、レーザ光等を発光する光源と、この光源の発
光方向前方に位置された透過形回折格子と、この回折格
子により形成される複数次の回折光を所定の部分に収束
して回折縞を形成するための収束手段と、前記回折縞か
らの散乱光を受光する受光部とが設けられていることを
特徴とする孔内流速測定装置。