JPH0795102B2

JPH0795102B2 - 孔内流速測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH0795102B2
Application number: JP61249074A
Authority: JP
Inventors: 文昭平野; 紀治三宅; 純嶋田; 実天利
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1986-10-20
Filing date: 1986-10-20
Publication date: 1995-10-11
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: JPS63103995A

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、ボーリン
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、干渉縞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G₂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G₂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内Ｈ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１（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１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１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11、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１
が取り付けられている。

この測定装置１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サープローブ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は前記センサープローブ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せた円板状
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はセンサープローブ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2
3、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20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、19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26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G₂、G₂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１を吊り降ろす。この、吊り降ろされた測定装置１
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１をこの測定区間Ｂ内の所定位
置に停止させる。測定装置１が測定区間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18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19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１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。

この干渉縞中の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・ドップラー速度計（L.D.V.…Laser Doppler Veloci
meter）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d_Fが決定される干
渉縞が生じる。そして、この干渉縞の間隔d_Fは、d_F＝
（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d_F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
（ドップラー信号）の周期t_d、あるいは周波数f_dを測定
することで、粒子の移動速度Ｖを測定することができ
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＝d_F/t_d＝d_F・f_d＝｛（λ/2）sin（θ/2）｝・f_d 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18、19の空気を緩め、次の測定
区間の深さに測定装置１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＝１×10^-6cm/sec〜１×10⁰cm/secと広範囲な
測定が可能となる。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11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、測定対象なる
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
１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１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21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、センサープロ
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34、34、…により回折格子21
に導光されている。

この測定装置１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Ｈ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、以下順を追って説明すれば、前述の如く回
折格子21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f₀は変化しないが、１次回折光24の周
波数f₁は、Δｆだけシフトする。このシフト量Δｆは、
回折格子21のスリット幅をp₀、回転速度をυとすれば、
次式で与えられる量となる。

Δｆ＝f₁−f₀＝υ/2p₀＝πDr/2p₀ ここで、Ｄは回折格子21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１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
Δｆ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、前述の如く散乱光が生じるが、その周
波数fd′は、前記周波数f_d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Δｆ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_d′−f_d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、19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）測定時間の短縮が可能である。

（３）流速の測定範囲がＶ＝１×10^-6cm/sec〜１×10
⁰cm/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、１……測定装置、15……センサープローブ、16……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、21……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】

【請求項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。
【請求項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。