JP3776801B2

JP3776801B2 - Overtopping measurement device

Info

Publication number: JP3776801B2
Application number: JP2002006957A
Authority: JP
Inventors: 紀彦永井; 哲也平石; 一晃菅原; 慎一服部; 貢二高野; 俊裕高山
Original assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: JP2003207334A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、沿岸道路などにおいて、防波堤を越える越波を測定し、その水量を測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
沿岸道路では防波堤を越えて波が打ち上げると、道路の損壊や交通事故等の原因となる。また、一般に、越波に対する海岸護岸背後地の安全性は、港湾の施設の技術上の基準に表記されているように、越波流量で評価されることが多い。このため、越波とともにその流量をモニタリングする必要が、港湾、海岸、空港、道路、鉄道などの管理者から指摘されている。
【０００３】
しかしながら、越波流量の測定は、極めて困難であり、その実施例は少ない。たとえば、護岸背後に集水升を設置し、直接越波流量を測定した事例もあるが、暴風雨時に危険な環境の中での人手による労力が必要であり、一般に普及させるには困難である。
【０００４】
また、ビデオカメラを防波堤の複数個所に設置し、映像を画像処理することで越波流量を測定することも試みられている。しかし、これも、撮影された画像データを処理する解析方法が十分には確立されているとは言い難い。また、夜間の処理が困難なことや、ビデオカメラの設置とメンテナンスに大きな労力が掛かるなどの難点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事実から考えられたもので、安全かつ安価に越波流量を測定することができる越波測定装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の越波測定装置は、防波堤の上面に相互に離間して配置される複数の水位計と、各水位計から水位データを取得する制御装置と、各水位計のデータから越波流量を算出する演算装置と、を有することを特徴としている。前記水位計がステップ式波高計である構成や、前記演算装置が、前記制御装置と離隔した基地局のコンピュータ内にある構成とすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の越波測定装置の実施例を図面によって説明する。
図１は、本発明の越波測定装置に使用される水位計１０を防波堤１１上に設置した状態を示す図である。防波堤１１の陸側には、道路１２があり、防波堤１１の外側には、護岸用のテトラポット１３が多数設けられている。そして、図１では、波１５が防波堤１１を越えて道路１２上に降りかかった状態を示している。本発明の越波測定装置は、防波堤１１に押し寄せる波１５のうち防波堤１１を越えた越波１５ａの部分の水量を測定するものである。
【０００８】
図２は、水位計１０の構造を示す図である。この実施例に用いている水位計１０は、ステップ式波高計である。水位計１０は、補強用の鋼鉄製Ｕ字型チャンネル１０１の空間内にグラスファイバ製の丸パイプからなる水位計本体１０２を固定している。Ｕ字型チャンネル１０１の開口部を海側に向けているので、水位計本体１０２は越波を直接受けられる。水位計本体１０２には等間隔に配置された複数の電極１０３と、図示しない共通電極とがある。各電極１０３と共通電極との間の抵抗値が、電極１０３が空中にあるときはほぼ無限大で、海水中に没したときは数十Ω程度に低下する。この相違により、どの電極１０３が海中に没したかを、容易に判定することができる。
【０００９】
なお、電極１０３が雨で濡れたり、波のしぶきで濡れることがあるので、これらによる誤作動が問題になる。しかし、雨は塩分を含まないので、濡れても抵抗値が１〜１０ｋΩ程度と大きいことから区別は容易にできる。一方、波のしぶきの場合は、塩分が含まれていることから雨の場合よりも抵抗値が下がる。しかし、水量が少ないので、５００Ω程度の抵抗値となり、海水に没した場合の数十Ωに比べればその差は明確であり、誤作動の問題は生じない。
【００１０】
電極１０３間の間隔は、短いほど分解能の小さい（きめの細かな）水位測定が可能となり、電極１０３を配置する長さは長い方が、どのような大波でも測定できることから望ましいのであるが、この実施例では、１本の水位計本体１０２に電極１０３を１０ｃｍ間隔で１０個設けている。したがって、分解能は１０ｃｍで、測定できる水位範囲は１ｍとなる。通常の越波観測では、１０ｃｍ程度で十分と思われる。また、１ｍ以上の測定レンジが必要な場合は、このような水位計本体１０２を継ぎ足せばよい。いずれにしても、上記は１例に過ぎず、この例に限定されるものではない。
【００１１】
水位計本体１０２の上端から電極１０３と共通電極とに接続されたケーブル１０４が出ており、このケーブル１０４は、Ｕ字型チャンネル１０１の裏面に達して、各水位計本体１０２に設けられた回路部１０５に接続されている。Ｕ字型チャンネル１０１は、斜めに設けられた筋交い１０６で補強されている。回路部１０５は、後述する制御装置２０からの指示に応じて、各電極１０３と共通電極との抵抗値を測定し、制御装置２０に伝達する。
【００１２】
以上の構造の水位計１０を、防波堤１１の上面に垂直に複数本設置する。水位計１０の間隔は、たとえば、海岸が１ｋｍあるとして、最も越波し易い箇所には５ｍ間隔で１０本配置し、他は１００ｍ間隔で設置する、という具合に所望の間隔で設置することができる。
【００１３】
水位計１０としては、この実施例では、ステップ式波高計を使用しているが、水圧式波高計や超音波式波高計など、種々の水位計を使用することも可能である。
ステップ式波高計の場合、電極と電極の中間にある水位は測定できないので、分解能が低いという欠点があるが、水位の判定が、ある電極１０３が海水に没した否かの判定なので、誤動作が殆どない。特に、海水は塩分を含んでいるので、電気が通り易く、電極１０３が海水に没したか否かの判断が容易にできる。
【００１４】
一方、水圧式波高計や超音波式波高計は、検定が必要であり、ドリフト等の影響を受けやすく、０点や振幅のチェックが必要というであり、測定の信頼性に若干の問題がある。また、水圧式波高計の場合、静圧を測定するのであるが、越波は横方向に流れているので、静圧を測っても正確な水位を求めるには、複雑な修正が必要になる。しかし、分解能が小さく水位をきめ細かく測定できるという特長がある。
【００１５】
また、超音波式波高計の場合も、音波を跳ね返す液面が横方向に早い速度で流れているので、正確な水位の測定が困難で、水圧式波高計と同様に複雑な修正が必要になる。しかし、水圧式と同じく分解能を小さくすることができる。
【００１６】
図３は、本発明の越波測定装置の全体構成を示す図である。複数の水位計１０は、ケーブルで接続され、１つの制御装置２０からの制御信号により全ての水位計１０が作動させられる。すなわち、制御装置２０は、一定の間隔で各水位計１０に信号を送り、各水位計１０のどの電極１０３が海水に没しているか、という水位データの情報を受信して集約する。この実施例では、０．２秒間隔で各水位計１０から水位データを取得するようにしている。
【００１７】
制御装置２０で集約されたデータは、無線電話等により基地局３０に送られる。基地局３０には、コンピュータがあり、コンピュータ内の演算装置が、制御装置２０から送られた水位計１０のデータに基づき越波流量を算出する。基地局３０は防波堤１１から離れた場所に設置できるので、安全に観測できる。
【００１８】
図４は、図１の上から見た図で、越波１５ａを示す図である。この例では、防波堤１１上に９個の水位計１０（Ｐ１からＰ９）を設置している。各水位計と、その両側に隣接する水位計との中間点を水位計間の境界と考え、１つの水位計について一方の境界から他方の境界までを、その水位計の受持距離と定義し、水位計Ｐ１からＰ９にそれぞれｄ１からｄ９の受持距離を記入する。両端の水位計Ｐ１又はＰ９は、境界が片側だけにしかないが、これらについては、例えば、片側の２倍を受持距離として扱うなど、設置状況に応じて対応することができる。
【００１９】
ここで、Ｐ４からＰ７までの水位計１０に越波１５ａがかかっている場合、これらの水位計１０では、通電した電極１０３のデータから時々刻々の越流高さの観測データを得る。この観測データは、制御装置２０を経由して基地局３０に届けられる。
【００２０】
越波１５ａは、時間的、空間的に変化するものである。また、通常越波する波１５は、波の頂点に対して進行方向前側が急傾斜になっており、後方がやや緩い傾斜になっている。そのため、波１５が防波堤１１を越えて越波１５ａとなる最初の段階は、最初からかなりの数の水位計１０に波がかかり、その水位は急激に上昇して頂点が水位計１０を通過する。その後、波１５の進行に伴い、越波１５ａはその勢力を低下して、どの水位計１０もほぼ一斉に水位が低下していき、やがて越波１５ａは消滅する。
【００２１】
したがって、複数の水位計１０について、どの時点における水位がどれだけあり、どの程度の時間その状態が継続したか、また、水位計１０の設置された間隔や、変化の状態はどうであったか、といったことを測定することで、越波流量を時間的・空間的に測定することが可能となる。
【００２２】
図５は、基地局３０のコンピュータが受信した越波時のデータの例である。水位計番号の欄には、図４のＰ１からＰ９が記載されている。各水位計１０について、Δｔ時間毎に水位が測定され、各測定値をζimとする。ｉは水位計番号を示す１〜９までの数値で、ｍは測定回数を示す数値である。測定間隔Δｔは、任意であるが、この実施例では０．２秒とした。
【００２３】
単位長さ、単位時間当たりの越波流量ｑm^３／msは、合田良実氏が港湾空港技術研究所報告 VOL.９ No.４１９７０年１２月号に発表した論文「防波護岸の越波流量に関する研究」の式（１３）、
【数１】

により与えられる。上式中（０．１８５ｃ√２ｇ）の部分は、無次元の定数Ａと考えることができ、Ｈ（波高）は水位計で測定した越流水位ζと考えることができるから、単位長さ、単位時間当たりの越波流量ｑm^３／msは、
【数２】

と表すことができる。
上記の式（１）中の定数Ａは、水理模型実験等により定めることができる。
【００２４】
水位計Ｐ１〜Ｐ９全体での越波流量Ｑは、上記式（１）のｑを、時間ｔ及び護岸延長ｘに関して積分した値として次式で示すことができる。
【数３】

【００２５】
本発明では、上記式（２）を離散化した次式によりＱを算出する。
【数４】

なお、上記越波流量の算出方法は、一例であり、他の方法により越波流量を求めてもよいことは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の越波測定装置は、防波堤の上面に相互に離間して配置される複数の水位計と、各水位計から水位データを取得する制御装置と、各水位計のデータから越波流量を算出する演算装置と、を有する構成としたので、簡単な構成で越波流量の測定が可能となる。また、演算装置を水位計と離間した基地局に設置すれば、離れた安全な場所で観測と測定ができる。
前記水位計がステップ式波高計である構成とすれば、多数の越波計を安価に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の越波測定装置に使用される水位計を防波堤上に設置した状態を示す図である。
【図２】水位計の構造を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）の上面図、（ｄ）は（ｂ）の上面図である。
【図３】本発明の越波観測装置の全体構成を示す図である。
【図４】図１の上から見た図で、越波を示す図である。
【図５】基地局のコンピュータが受信した越波時のデータの例である。
【符号の説明】
１０水位計
１１防波堤
１５波
１５ａ越波
２０制御装置
３０基地局[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an apparatus for measuring overtopping over a breakwater on a coastal road or the like and measuring the amount of water.
[0002]
[Prior art]
On coastal roads, waves that break over breakwaters can cause road damage and traffic accidents. In general, the safety of the coastal revetment behind the overtopping is often evaluated by the overtopping flow rate as described in the technical standards of the port facilities. For this reason, it is pointed out by managers of harbors, coasts, airports, roads, railways, etc. that the flow rate must be monitored along with the overtopping.
[0003]
However, measurement of overtopping flow rate is extremely difficult, and there are few examples. For example, there is a case where a catchment basin is installed behind the revetment and the overtopping flow rate is measured directly. However, manual labor is required in a dangerous environment during a storm, and it is difficult to disseminate it in general.
[0004]
Attempts have also been made to measure the overtopping flow rate by installing video cameras at multiple locations on the breakwater and processing the images. However, it is difficult to say that an analysis method for processing captured image data is well established. In addition, there are problems such as difficulty in night processing and great effort for installation and maintenance of the video camera.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been conceived from such a fact, and an object thereof is to provide an overtopping measuring device capable of measuring the overtopping flow rate safely and inexpensively.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the overtopping measuring device of the present invention includes a plurality of water level meters arranged on the top surface of the breakwater, a control device for obtaining water level data from each water level meter, and each water level meter. And an arithmetic unit for calculating the overtopping flow rate from the data. The water level meter may be a step type wave height meter, or the arithmetic unit may be in a base station computer separated from the control unit.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the overtopping measuring apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing a state in which a water level gauge 10 used in a wave overtopping measuring device of the present invention is installed on a breakwater 11. There is a road 12 on the land side of the breakwater 11, and a large number of tetrapots 13 for revetment are provided outside the breakwater 11. FIG. 1 shows a state in which the wave 15 has fallen on the road 12 across the breakwater 11. The wave overtopping measuring device according to the present invention measures the amount of water in the wave overtopping portion 15 a of the wave 15 rushing to the breakwater 11 over the wave breakwater 11.
[0008]
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the water level gauge 10. The water level meter 10 used in this embodiment is a step type wave height meter. The water level gauge 10 has a water level gauge main body 102 made of a glass fiber round pipe fixed in a space of a reinforcing steel U-shaped channel 101. Since the opening of the U-shaped channel 101 faces the sea side, the water level gauge main body 102 can directly receive overtopping. The water level meter main body 102 includes a plurality of electrodes 103 arranged at equal intervals and a common electrode (not shown). The resistance value between each electrode 103 and the common electrode is almost infinite when the electrode 103 is in the air, and decreases to about several tens of ohms when submerged in seawater. This difference makes it easy to determine which electrode 103 has been submerged in the sea.
[0009]
In addition, since the electrode 103 may get wet with rain or with the splash of waves, malfunctions due to these may become a problem. However, since rain does not contain salt, the resistance value is as large as about 1 to 10 kΩ even when wet, so that the distinction can be made easily. On the other hand, in the case of wave splashing, the resistance value is lower than in the case of rain because it contains salt. However, since the amount of water is small, the resistance value is about 500Ω, and the difference is clear compared to several tens of Ω when submerged in seawater, and there is no problem of malfunction.
[0010]
The shorter the interval between the electrodes 103, the smaller the resolution (fine) water level measurement becomes possible, and the longer the arrangement length of the electrodes 103 is desirable because any large wave can be measured. In the embodiment, ten electrodes 103 are provided on a single water level gauge main body 102 at intervals of 10 cm. Therefore, the resolution is 10 cm and the water level range that can be measured is 1 m. For normal overtopping observations, about 10cm seems to be sufficient. In addition, when a measurement range of 1 m or more is required, such a water level gauge main body 102 may be added. In any case, the above is only an example, and the present invention is not limited to this example.
[0011]
A cable 104 connected to the electrode 103 and the common electrode comes out from the upper end of the water level gauge main body 102, and this cable 104 reaches the back surface of the U-shaped channel 101 and is a circuit provided in each water level gauge main body 102. Connected to the unit 105. The U-shaped channel 101 is reinforced by a brace 106 provided obliquely. The circuit unit 105 measures the resistance value of each electrode 103 and the common electrode in accordance with an instruction from the control device 20 described later, and transmits the measured resistance value to the control device 20.
[0012]
A plurality of water level gauges 10 having the above structure are installed vertically on the top surface of the breakwater 11. The interval between the water level gauges 10 can be set at a desired interval, for example, assuming that the coast is 1 km, 10 points are arranged at intervals of 5 m at the place where waves are most likely to pass, and the others are set at intervals of 100 m. .
[0013]
In this embodiment, a step type wave height meter is used as the water level meter 10, but various water level meters such as a water pressure type wave height meter and an ultrasonic wave height meter can also be used.
In the case of a stepped wave height meter, since the water level between the electrodes cannot be measured, there is a disadvantage that the resolution is low, but since the determination of the water level is a determination of whether or not a certain electrode 103 has been submerged in seawater, Almost no. In particular, since seawater contains salt, it is easy for electricity to pass, and it can be easily determined whether the electrode 103 is submerged in seawater.
[0014]
On the other hand, the hydraulic wave height meter and the ultrasonic wave height meter need to be verified, are easily affected by drift, etc., need to check the zero point and amplitude, and have some problems in measurement reliability. . In the case of a hydraulic wave height meter, the static pressure is measured. However, since overtopping flows in the lateral direction, complicated correction is required to obtain an accurate water level even if the static pressure is measured. However, it has a feature that the resolution is small and the water level can be measured finely.
[0015]
In the case of an ultrasonic wave height meter, the liquid level that bounces the sound wave is flowing at a high speed in the horizontal direction, making it difficult to accurately measure the water level. As with the hydraulic wave height meter, complex correction is required. Become. However, the resolution can be reduced as in the hydraulic type.
[0016]
FIG. 3 is a diagram showing the overall configuration of the overtopping measurement apparatus of the present invention. The plurality of water level gauges 10 are connected by a cable, and all the water level gauges 10 are operated by a control signal from one control device 20. That is, the control device 20 sends a signal to each water level meter 10 at regular intervals, and receives and aggregates information on water level data indicating which electrode 103 of each water level meter 10 is immersed in seawater. In this embodiment, the water level data is acquired from each water level gauge 10 at intervals of 0.2 seconds.
[0017]
Data collected by the control device 20 is sent to the base station 30 by a wireless telephone or the like. The base station 30 includes a computer, and an arithmetic device in the computer calculates the overtopping flow rate based on the data of the water level gauge 10 sent from the control device 20. Since the base station 30 can be installed at a location away from the breakwater 11, it can be observed safely.
[0018]
FIG. 4 is a diagram seen from the top of FIG. 1 and shows the overtopping 15a. In this example, nine water level gauges 10 (P1 to P9) are installed on the breakwater 11. Considering the midpoint between each water level gauge and the water level gauge adjacent on both sides as the boundary between the water level gauges, one water level gauge from one boundary to the other boundary is defined as the holding distance of the water level gauge. In the water level gauges P1 to P9, enter the holding distances d1 to d9, respectively. The water level gauges P1 or P9 at both ends have only one boundary, but these can be dealt with depending on the installation situation, for example, handling twice as much as the holding distance.
[0019]
Here, when the wave overtopping 15a is applied to the water level gauges 10 from P4 to P7, these water level gauges 10 obtain observation data of the overtopping height every moment from the data of the energized electrode 103. This observation data is delivered to the base station 30 via the control device 20.
[0020]
The overtopping wave 15a changes temporally and spatially. In addition, the wave 15 that normally overtops has a steep slope on the front side in the traveling direction with respect to the top of the wave, and a slightly gentle slope on the rear side. Therefore, in the first stage in which the wave 15 exceeds the breakwater 11 and becomes the overtopping wave 15a, a considerable number of water level meters 10 are waved from the beginning, the water level rises rapidly, and the apex passes through the water level meter 10. Thereafter, as the wave 15 travels, the overtopping wave 15a decreases its power, and the water level of all the water level gauges 10 decreases almost simultaneously, and the overtopping wave 15a eventually disappears.
[0021]
Therefore, with regard to the plurality of water level gauges 10, how much the water level is at what point in time, how long the state has continued, how the water level gauges 10 were installed, and how the state of change was, etc. By measuring this, the overtopping flow rate can be measured temporally and spatially.
[0022]
FIG. 5 is an example of overtopping data received by the computer of the base station 30. In the column of the water level indicator number, P1 to P9 in FIG. 4 are described. For each water level meter 10, the water level is measured every Δt time, and each measured value is set as ζim. i is a numerical value from 1 to 9 indicating the water level meter number, and m is a numerical value indicating the number of measurements. The measurement interval Δt is arbitrary, but is 0.2 seconds in this embodiment.
[0023]
The overlength flow qm ³ / ms per unit length and unit time is the paper “Research on Overtopping Flow of Breakwater Revetment” published by Yoshimi Aida in the Port and Airport Research Institute report VOL.9 No.4 December 1970 issue. (13),
[Expression 1]

Given by. The portion of (0.185c√2g) in the above equation can be considered as a dimensionless constant A, and H (wave height) can be considered as the overflow water level ζ measured with a water level meter. The overtopping flow rate per unit time qm ³ / ms is
[Expression 2]

It can be expressed as.
The constant A in the above equation (1) can be determined by a hydraulic model experiment or the like.
[0024]
The overtopping flow rate Q in the entire water level gauges P1 to P9 can be expressed by the following equation as a value obtained by integrating q in the above equation (1) with respect to time t and revetment extension x.
[Equation 3]

[0025]
In the present invention, Q is calculated by the following equation obtained by discretizing the equation (2).
[Expression 4]

Note that the above calculation method of the overtopping flow rate is an example, and it goes without saying that the overtopping flow rate may be obtained by other methods.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, the wave overtopping measuring device of the present invention includes a plurality of water level meters that are spaced apart from each other on the top surface of the breakwater, a control device that acquires water level data from each water level meter, Since it has a configuration including an arithmetic device that calculates the overtopping flow rate from the data, it is possible to measure the overtopping flow rate with a simple configuration. In addition, if the arithmetic unit is installed in a base station separated from the water level gauge, observation and measurement can be performed at a remote location.
If the water level meter is a step type wave height meter, a large number of wave meters can be supplied at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state in which a water level gauge used in a wave overtopping measuring device of the present invention is installed on a breakwater.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the structure of a water level gauge, in which FIG. 2A is a side view, FIG. 2B is a front view, FIG. 2C is a top view of FIG. .
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of an overtopping observation apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram seen from the top of FIG. 1, showing overtopping.
FIG. 5 is an example of overtopping data received by a base station computer;
[Explanation of symbols]
10 Water level gauge 11 Breakwater 15 Wave 15a Overtopping wave 20 Control device 30 Base station

Claims

A plurality of water level meters spaced apart from each other on the top surface of the breakwater, a control device that acquires water level data from each water level meter, and an arithmetic device that calculates the overtopping flow rate from the data of each water level meter. A characteristic wave overtopping measuring device.

2. The overtopping measuring apparatus according to claim 1, wherein the water level meter is a step type wave height meter.

The overtopping measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein the arithmetic unit is in a computer of a base station separated from the control unit.