JPS634668B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、流体の流動測定装置に係り、特に微
少な動きを示す地下水等の動態の測定に好適な流
体の流動測定装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

近年、凍結工法採用の可否の判断や、地下水汚
染の調査等を行なう上で、地下水の流動（流速又
は流向もしくはその両方）を正確に測定する必要
が多くなつてきている。従来より、地下水の流動
測定方法として広く利用されているものに所調ト
レーサ法がある。この方法は、複数のボーリング
孔の内、１孔に食塩或いは色素を投入し、他のボ
ーリング孔との間で電気抵抗或いは濃度の経時的
変化を調べ、到達時間及びその位置から流動を測
定するものである。しかしながら、上記従来技術
においては、ボーリング孔を多数掘削しなければ
ならず、調査費用が極めて高くなるとともに、地
下水の流速が遅いときには測定に長時間を要し、
かつ、その間雨水等により地下水流が変化して正
確な測定を行なうことが困難になるという本質的
欠点を有していた。

近時、上記従来技術の欠点を改善する試みとし
て、プロペラ式流速計を用いてプロペラの回転数
及びその変化より流速及び流向を測定したり、ま
た、特公昭45−25029に開示された発明の如く、
円板をボーリング孔内に降下させ、該円板に作用
する孔内水の上昇流および下降流による圧力差か
ら地下水の流動状況を推定したり、或いはラジオ
アイソトープを流水に投入し、流水による放射線
量の分布変化をトレースして、流速及び流向を測
定する方法が提案されている。

しかし乍ら、流水にて機械的測定手段を駆動す
る方法にあつては、流速が毎秒２cm以下の微小な
場合、流速を正確に測定することは極めて困難で
あり、また放射性物質を利用する方法は取扱いに
際し危険を伴うのみならず、装置が極めて高価な
ものになるなどの欠点を有していた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善
し、とくに光学的手段を用いて地下水等の流動状
況を有効に且つ高精度に測定することのできる取
扱いが容易で耐久性ある流体の流動測定装置を提
供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、発光手段と該発光手段の
光を受光する円環状に略等間隔に配設された複数
個の受光手段とを備えた観測部を設け、この観測
部に、被測定流体とは光学的に異つた置換流体を
当該被測定流体の流動に従つて移動せしめ、この
移動により前記受光手段に生じる受光量の変化を
検出し流向若しくは流速を算定する流体の流動測
定装置において、前記観測部に、透明な粒状部材
を充填せしめる、という構成を採り、これによつ
て前記目的を達成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第１１図
に基づいて説明する。

第１図は、本発明に係る流体の流動測定装置を
用いて実際に測定を行なつている場合の一例を示
す概略説明図である。この第１図において、１は
地盤Ｅ内を、地表から所定深さの地下水層（砂
層、礫層など）内まで掘削された測定用のボーリ
ング孔である。このボーリング孔１内に、ボーリ
ングロツド２を介して吊持された測定用プローブ
（以下、単に「プローブ」という）３が試験深度
まで降下挿入されている。ここで、前記プローブ
３の方向は、該プローブ３の上部に内蔵された方
位計（第２図参照）４によつて確認されながら、
所定の向きに設置固定されるようになつている。
地盤Ｅ内の前記地下水層には、図の矢印Ｆで示す
地下水の流れがあり、これがため地下水面以下の
ボーリング孔１内に地下水Ｗが湧出し、この地下
水Ｗの中に前記プローブ３が浸漬されることにな
る。前記プローブ３は、ボーリングロツド２内に
延設されたケーブル５によつて、外部の計測機器
等（図示せず）と電気的に接続されており、これ
により、地下水の流動測定及び記録が行われるよ
うになつている。

次に、前述したプローブ３の具体的主構成を第
２図に示す。このプローブ３の主要部であるプロ
ーブ本体部３Ａは、上部に方位計４が内装された
円筒状のプローブ本体６と、このプローブ本体６
の下端に装着された円盤形のヘツド７と、このヘ
ツド７の下方に所定間隔おいて配置された底盤８
とから構成されている。

前記ヘツド７は、絶縁材から形成されており、
このヘツド７の下端面には、複数個の発光素子１
０Ａ〜１８Ａが鉛直方向を光軸として第６図に示
すように同心円状に装備されている。そして、こ
のヘツド７は、所定の長さを有する４本の支柱２
０，２０，……の上端部にて、プローブ本体６の
下端面にねじ止めされ、これにより、該プローブ
本体６に密閉装着されるようになつている。ヘツ
ド７の第２図における上面側には、ケーブル５の
端部に接続された基板２１が固着されており、さ
らに、この基板２１と発光素子１０Ａ〜１８Ａ及
び後述する受光素子１０Ｂ〜１８Ｂとの間に所定
の配線がなされている。

一方、底盤８は、支柱２０，２０，……の下端
部にナツト２２，２２，……によつて固定されて
おり、これがため、前記ヘツド７の下端面と底盤
８との間に所定の空間部（観測部）２３が形成さ
れ、この観測部２３内に地下水が流入し得るよう
になつている。この底盤８は、後述するように置
換物質としての電解液（例えばウラニン溶液、ウ
オータブルー溶液等）２４を充填させる容器底と
しての機能を有するほか、プローブ３全体をボー
リング孔１内で降下させるとき、当該ボーリング
孔１の底に誤つて該プローブ３を押圧した場合で
も、前記観測部２３の破損を防止するとともに、
さらに該観測部２３内の流れを安定にせしめる等
の機能を有するものである。

底盤８の上面側には、段付の凹部５０が穿設さ
れており、この凹部５０の段５１に絶縁板５２が
固着されている。この絶縁板５２には、発光素子
１０Ａ〜１８Ａに対向して、該発光素子１０Ａ〜
１８Ａの各々の光軸上に複数個の受光素子１０Ｂ
〜１８Ｂが装備されている。これらの受光素子１
０Ｂ〜１８Ｂは、絶縁板５２の裏面側及びヘツド
７と底盤８との間に設けられた配管５８（第６図
参照）を介して、基板２１と接続されるようにな
つている。

ヘツド７の周端部と、底盤８の周端部との間に
は、前述した観測部２３を囲繞して筒状の金網２
５が配設されている。この金網２５は、ボーリン
グ孔１の孔壁１Ａ（第１図参照）の崩れ等により、
観測部２３内への異物の侵入を防ぐとともに、発
光素子１０Ａ〜１８Ａ及び受光素子１０Ｂ〜１８
Ｂ部分を電気的にシールドして地電流等による外
来雑音の影響を除去し、また後述するように、ス
リーブ３０の上昇時に生じる乱流の発生を抑制
し、さらに底盤８とともに、観測部２３内の整流
を行うためのものである。

このように構成されたプローブ本体部３Ａの上
端には、プローブ本体６の外径より小さな径を有
する案内ロツド２６が固着され、これにより全体
がビストン形に構成されるとともに、この案内ロ
ツド２６の上端にさらにボーリングロツド２が接
続されるようになつている。そして、案内ロツド
２６の上端部には、後述するスリーブ３０の上方
向移動を制限するための円環状のストツパー２７
が嵌着されている。

プローブ本体部３Ａの全長に亙つて、該プロー
ブ本体部３Ａの外周部を囲繞するスリーブ３０が
上下動可能に装備されている。このスリーブ３０
は、底部が開口した壜状のシリンダ形に形成され
ている、即ち、スリーブ３０は、プローブ本体部
３Ａの側面部分を被覆する円筒部３１と、この円
筒部３１の上端部近傍が前記プローブ本体６の上
端にて内方向に略円錐状に曲折された肩部３２
と、この肩部３２の円端部より案内ロツド２６に
当接して上方に延設された首部３３とから構成さ
れている。そして、プローブ本体６の上下端部近
傍及び、底盤８の下端部に装着されたＯリング３
４乃至３６によつて、円筒部３１とプローブ本体
部３Ａとの間が密閉され、また首部３３の上端部
に装着されたＯリング３７によつて該首部３３と
案内ロツド２６との間が密閉されて、かつ、スリ
ーブ３０全体が上下に褶動自在となるように形成
されている。このように構成されたスリーブ３０
と、案内ロツド２６及びプローブ本体６とによつ
てピストン・シリンダ機構３８が形成されるよう
になつている。

これを更に詳述すると、シリンダ部としてのス
リーブ３０の肩部３２には、第２図の左側に示す
ように、吐出口３９が穿設されており、この吐出
口３９の外側部にホース４０と接続されたノズル
４１が嵌合されている。そして、ホース４０を介
して外部に設けられた水圧ポンプ（図示せず）よ
り、所定の圧水がスリーブ３０の肩部３２とピス
トン部としてのプローブ本体６の上端面間に注入
されるようになつている。（第２図の矢印Ａ参
照）。この圧水の注入により、スリーブ３０が反
力を受けて上方に移動されることになる（第４図
参照）。一方、スリーブ３０の下方移動（復帰）
は、前記肩部３２の第２図における右側に設けら
れた抜弁４２を開放してスリーブ３０全体を押下
げることにより簡単に行うことができるようにな
つている。

スリーブ３０の上方向移動は、前述したストツ
パー２７によつて制限され、このとき、観測部２
３全体が露出されるようになつている（第４図参
照）。また、スリーブ３０の下方向移動は、肩部
３２の内側に設けられた段部４８がプローブ本体
６の上端縁に当接することにより制限され、この
とき、円筒部３１の下端が底盤８の側部に嵌合す
るようになつている（第２図、第３図参照）。こ
のため、かかる場合、観測部２３が外部から密閉
されることになる。

このように構成されたスリーブ３０は、地下水
の流動の測定前には下方に配置されて、観測部２
３内に予め地下水とは透過率の異なる液状の置換
物質（例えばウラニン溶液）２４を密閉充填させ
るためのものであり、また、流動の測定時には上
方に移動されて、観測部２３内に地下水を侵入せ
しめ、これにより、置換物質を地下水の流動に従
つて外部へ押し出させるためのものである。ま
た、このスリーブ３０は、プローブ３をボーリン
グ孔１内に降下させる際、該プローブ本体部３Ａ
を孔壁１Ａから保護する機能を有している。

次に、ヘツド７及び底盤８に装備された発光素
子１０Ａ〜１８Ａ及び受光素子１０Ｂ〜１８Ｂの
構成並びに流動の測定方法を第６図に基づいて説
明する。

まず、第６図においてヘツド７の中心位置に発
光素子１０Ａが備えられており、この発光素子１
０Ａを中心として水平面内の８等分方向に同心円
状に発光素子１１Ａ〜１８Ａが設けられている。
一方、底盤８の受光素子１０Ｂ〜１８Ｂについて
も全く同様に配設されており（図示せず）、これ
により互いに対向する発光素子１０Ａと受光素子
１０Ｂ，１１Ａと１１Ｂ，……が各々光結合し、
測定部位を形成するようになつている。これを更
に詳述すると、例えば、発光素子１１Ａと受光素
子１１Ｂとの間の液体の透過度が高いとき、該発
光素子１１Ａから出た光が受光素子１１Ｂに到達
するので、この受光素子１１Ｂは導通状態とな
り、その出力がハイレベルになつている。これと
は逆に、発光素子１１Ａと受光素子１１Ｂの間の
透過度が低いとき、発光素子１１Ａを出た光は受
光素子１１Ｂに達せず、従つてこの受光素子１１
ＢはOFFとなり、その出力がローレベルとなる
ようになつている。従つて、地下水と置換物質と
の透過率の差から、この地下水が各測定部位に到
達する時刻を測定することが可能となる。他の測
定部位に係る発光素子１２Ａ、受光素子１２Ｂ等
についても全く同様である。

ここで、発光素子１０Ａ〜１８Ａ及び受光素子
１０Ｂ〜１８Ｂの駆動は基板２１に設けられた駆
動回路によつて行われるようになつている。ま
た、この基盤２１上には、各受光素子１０Ｂ〜１
８Ｂの出力が所定レベル以上のときオン（ON）
信号を出力し、所定レベル以下のときオフ
（OFF）信号を出力するスイツチング手段が装備
されており、このスイツチング手段の出力が地下
水の到達タイミング信号として前記ケーブル５を
介して計測器等に送られるようになつている。

次に、上記具体例を全体的動作を第７図及び第
８図に基づいて説明する。

まず、予めプローブ３の観測部２３内に測定対
象の地下水とは光の透過率の異なる置換物質（こ
こではウラニン溶液を用いることとする）２４を
密閉し、スリーブ３０を最下方向に移動させた状
態（第３図参照）で、該プローブ３をボーリング
孔１内の所定の測定深度に降下させる。このと
き、プローブ３は、方位計４によつて所定方向に
配置される。

次に、プローブ３の降下による地下水の攪乱が
おさまつたのち、ホース４０を介して圧水をスリ
ーブ３０内に注出し、該スリーブ３０を徐々に上
方へ移動させる。このとき、スリーブ３０の上昇
に伴ない、該スリーブ３０の下端部近傍に乱流を
生じるが、金網２５の働きによつて、観測部２３
内側での乱流が抑制され前記ウラニン溶液２４の
流出は殆ど生じない（第５図参照）。

そして、スリーブ３０が最上端に移動すると、
地下水Ｗの流動に従つて、観測部２３内の地下水
Ｗが流入し、これに伴ないウラニン溶液２４が外
部へ押し出される。ここで、地下水Ｗが、例えば
発光素子１１Ａにかかる測定部位から、発光素子
１５Ａにかかる測定部位方向へ流動する場合（第
６図のＳ参照）、スリーブ３０を上昇した時点で
は、未だ地下水Ｗが観測部２３内に流入せず、従
つて全ての測定部位がウラニン溶液中に在り、透
過率が低いので、各受光素子１０Ｂ〜１０Ｂはオ
フ状態である（第７図の１、第８図のT₀参照）。
次に、地下水Ｗの前縁が発光素子１１Ａにかかる
測定部位に到達し始めると、透過率が上昇して受
光素子１１Ｂの受光量が増大し、従つて該受光素
子１１Ｂが最初にオン（導通）状態となる（第７
図の２、第８図のT₁，１参照）。この受光素子１
１Ｂの動作は、前述したスイツチング手段によつ
て直ちに検知され、地下水到達タイミング信号と
してのオン信号「１」を出力する。これにより、
地下水Ｗの流向が発光素子１１Ａ→１５Ａ方向で
あることが検出されると同時に、地下水Ｗの発光
素子１１Ａに係る測定部位に到達したタイミング
が求められる。一方、他の測定部位、例えば発光
素子１２Ａに係る測定部位に於いては、地下水Ｗ
の到達が発光素子１１Ａよりも遅れるので、受光
素子１２Ｂの動作も遅延する（第８図のT₂，１
１参照）。

地下水Ｗの進行により更にウラニン溶液２４と
の置換が進み、該地下水Ｗの前縁が発光素子１０
Ａに係る測定部位に達すると、前述と同様にして
受光素子１０Ｂがオン状態になる（第７図の３、
第８図のT₃（）参照）。この受光素子１０Ｂの
動作によるスイツチング手段のオン信号出力は、
該受光素子１０Ｂに係る測定部位に地下水Ｗが到
達したタイミングを表わすことにより、発光素子
１１Ａと１０Ａの間の距離をＬとしてＬ／（T₃
−T₁）の計算式から地下水の流速を求めること
ができる。他の方向から地下水が進行した場合で
も全く同様である。

この例によれば、地下水の流動測定に光学的手
段を用いたので、測定動作を確実に行なうことが
できるとともに、地電流等の雑音の影響を排除す
ることが可能である。また、スリーブの上昇をピ
ストン・シリンダ機構を用いて単に外部から圧水
を注入するのみで行なうことができ、従つてスリ
ーブの外壁を地上まで延設して上昇させるなど複
雑な構成を用せず、またワイヤ等で上昇させた場
合におけるワイヤの絡まりなどの誤動作を防止し
て確実に上昇移動を成すことができる。

〔他の実施例〕

第９図は、前述した実施例における発光・受光
手段の他の実施例を示すものであり、外盤８Ａ上
に反射鏡７０が装備れさており一方、ヘツド７Ａ
には、各測定部位毎に前記反射鏡７０にて光軸が
一致するフオトカプラ７１が設けられている。こ
の実施例によれば、前述した第２図の実施例と同
様の効果を奏する他、装置の構成をより簡単にす
ることができる。また、第９図において反射鏡７
０の代わりに光の散乱率の高い置換物質を用い
て、地下水と置換物質との散乱率の差を利用して
流動測定を行なうように構成してもよい。

第１０図は、前述した第２図の実施例における
発光手段の他の実施例を示すものであり、ヘツド
７Ｂ内に、点光源７２及びこの点光源７２が焦点
となるように配置されたフレネルレンズ７３が設
けられている。このフレネルレンズ７３によつ
て、点光源７２から出た光が平行光線として観測
部２３の下方に達するので、前述した第２図の実
施例の発光素子と同様の作用をなすことができ
る。

一方、測定対象の流体が地盤内の地下水等であ
る場合には、第１１図に示すように前記観測部２
３内に予め透明な粒状物７４，７４，……を充填
しておくことにより、該観測部２３内を、地下水
の流動に対し、被測定対象の地下水層の土質性状
と略同一の性状とすることができ、従つて、実際
の地盤内の流動と略同一な地下水の流動が得られ
るので、精度の高い測定を行うことができる。こ
の実施例においては、発光手段として、第１１図
に示すようにヘツド７Ｃの下端に装着された拡散
ガラス７６と、この上面側に設けられた比較的光
源の大きなランプ７５の使用が好適となる。ま
た、プローブ３と、ボーリング孔１との間に隙間
があるときは、砂材料を投入して観測部の周囲を
埋設するものとする。

尚、上記各実施例においては、観測部内に予め
置換物質を密閉するように構成したが、本発明は
何らこれに限定されるものではなく、プローブを
被測定流体中に挿入したのち、ピストン手段等に
より置換物質を該流体中に抽出してもよい。ま
た、置換物質としては、被測定流体と光学的性質
（透過率、散乱率）が異なり、比重及び粘性が近
似した液状の物質（ゾル状のものを含む）であれ
ばよく、さらに、受光素子にはCdS、フオトトラ
ンジスタ等を用いることができる。また、各受光
素子による検出動作はアナログスイツチ等による
時分割して行なつてもよい。

さらに、測定対象（流体）が気体の場合には、
略同一の比重を有する気体の置換物質を使用する
ことにより、前述した液体の場合と同様にて流動
の測定を行なうことができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上のように構成され、機能するの
で、これによると、地下水の微流速等を効果的に
測定することができ、置換物質の透明度を任意に
設定できるので地下水の流速に応じて自由に選択
使用することができ、これがため、測定精度の向
上を図ることができ、構造が単純化されているこ
とから耐久性が著しく増大されており、更に、粒
状の透明部材の作用により、強い濃度の置換物質
を使用しても透光量が遮断されてゼロとなること
が全くないことから、連続的に終始透光量の変化
を継続測定することができるという従来にない優
れた流体の流動測定装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流体の流動測定方法を使
用した装置を用いて測定を行なつている状態を示
す説明図、第２図、第１図のプローブ部分を示す
詳細部分断面図、第３図及び第４図は各々第２図
の一部に係るスリーブの動作説明図、第５図は第
２図の他の一部に係る金網の作用説明図、第６図
は、第２図の−線に沿つた横断面図、第７図
の１乃至３は測定状態を示す説明図、第８図は測
定結果の一例を示す線図、第９図は第２図に示す
発光素子・受光素子近傍の他の実施例を示す部分
断面図、第１０図は第２図に示す発光素子の他の
実施例を示す部分断面図、第１１図は、第２図に
示す観測部の他の実施例を示す部分断面図であ
る。 ３……プローブ、１０Ａ〜１８Ａ……発光素
子、１０Ｂ〜１８Ｂ……受光素子、２３……観測
部、２４……置換物質、７４……粒状物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発光手段と該発光手段の光を受光する円環状
   に略等間隔に配設された複数個の受光手段とを備
   えた観測部を設け、この観測部に、被測定流体と
   は光学的に異つた置換流体を当該被測定流体の流
   動に従つて移動せしめ、この移動により前記受光
   手段に生じる受光量の変化を検出し流向若しくは
   流速を算定する流体の流動測定装置において、 前記観測部に、透明な粒状部材を充填せしめた
   ことを特徴とする流体の流動測定装置。