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技術 土中水分水位検出装置、及び方法、及び土中水分水位モニタリングシステム

出願人 日鉄建材株式会社学校法人立命館独立行政法人労働者健康安全機構株式会社サヤ
発明者 岩佐直人田中克彦深川良一藤本将光中野峻也平岡伸隆横田昭寛
出願日 2018年6月12日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2018-111967
公開日 2019年12月19日 (6ヶ月経過) 公開番号 2019-215219
状態 未査定
技術分野 液位または流動性固体のレベルの測定
主要キーワード 湿潤過程 繰返し実験 封鎖状態 警報指示信号 空気排出孔 三次元網目骨格 体積含水率 ポーラスメタル
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

土中水分及び水位の変化に対して応答性良く検出可能(正しく反映する検出が可能)な土中水分水位検出装置1を提供する。

解決手段

検出器2は超音波導波管4の一端側に超音波トランスデューサ5を備え、土中に挿入される。超音波トランスデューサから送信され超音波導波管4の開口側から反射した反射波反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する。超音波導波管4の先端の土表面に接する部分に、固形水分伝達媒体として三次元多孔質構造体10を配置する。空孔が三次元的に連なり三次元網目骨格を有する三次元多孔質構造体は水分を良好に吸い上げるが閉じ込めはしないので、その表面の水分状態は下面に接する土の水分状態を正しく反映し、水分状態変化への応答性が良い。また、超音波導波管内に土が入り込むことを完全に防止できる。平坦な反射面を確保できる。

概要

背景

豪雨による斜面崩壊予測するために土中の水分と水位の変化を常時もしくは定期的にモニタリングする土中水分水位モニタリングシステムが必要とされている。
発明者らは装置が安価で設置が容易な超音波による土中水分水位モニタリングシステム(斜面崩壊予知システム)を提案している(特許文献1参照)。

この斜面崩壊予知システムは、特許文献1中の符号を用いて説明すると、図11(イ)に示すように、斜面2に埋め込まれる超音波による検出器5と、この検出器5が検出した検出データに基づいて土中21の土中水分及び水位を検出する測定器6とを備えた土中水分水位検出装置3を用いるもので、前記測定器6に警報装置4を接続してなるものである。14は配線である。

前記検出器5は、図11(ロ)に示すように、超音波を伝播可能な中空超音波導波管9の一端側に、超音波を送受信可能な超音波トランスデューサ8を配置した構成であり、前記一端側と反対の開口側を下にして土中に挿入される。前記超音波トランスデューサ8は、超音波を送信するとともに、前記超音波導波管9の開口側から反射(すなわち導波管下端の土表面31から反射)した超音波を受信する。測定器6は、超音波トランスデューサ8が受信した反射波反射波形(具体的には最大振幅(=反射強度))と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分(土中水分量)及び地下水位(地下水位面)を検出する。

概要

土中水分及び水位の変化に対して応答性良く検出可能(正しく反映する検出が可能)な土中水分水位検出装置1を提供する。検出器2は超音波導波管4の一端側に超音波トランスデューサ5を備え、土中に挿入される。超音波トランスデューサから送信され超音波導波管4の開口側から反射した反射波の反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する。超音波導波管4の先端の土表面に接する部分に、固形水分伝達媒体として三次元多孔質構造体10を配置する。空孔が三次元的に連なり三次元網目骨格を有する三次元多孔質構造体は水分を良好に吸い上げるが閉じ込めはしないので、その表面の水分状態は下面に接する土の水分状態を正しく反映し、水分状態変化への応答性が良い。また、超音波導波管内に土が入り込むことを完全に防止できる。平坦な反射面を確保できる。

目的

本発明は上記背景のもとになされたもので、土中水分及び水位の検出を行う際に、土中水分の変化及び水位の変化に対して応答性の良い(変化を正しく反映する)反射波形を得ることが可能な超音波による土中水分水位検出装置、及びこれを用いた土中水分水位モニタリングシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

音波伝播可能な中空超音波導波管の一端側に、超音波を送受信可能な超音波トランスデューサを配置した検出器を、前記一端側と反対の開口側を下にして土中に挿入し、前記超音波トランスデューサから送信され前記超音波導波管の開口側から反射した超音波の反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する土中水分水位検出装置において、土中に挿入された状態における前記超音波導波管の先端の土表面に接する部分に固形水分伝達媒体を備えるとともに、前記水分伝達媒体は、空孔が三次元的に連なり三次元網目骨格を有する三次元多孔質構造体であることを特徴とする超音波による土中水分水位検出装置。

請求項2

前記三次元多孔質構造体は、その空孔の孔径が0.45mm〜1.3mmであることを特徴とする請求項1記載の超音波による土中水分水位検出装置。

請求項3

前記三次元多孔質構造体の土に接触する側の面が凸形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波による土中水分水位検出装置。

請求項4

前記三次元多孔質構造体の外形が、当該三次元多孔質構造体の底面及び側面が土に接触するような柱状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波による土中水分水位検出装置。

請求項5

請求項1〜4のいずれか1項の土中水分水位検出装置を用いて土中水分水位検出する土中水分水位検出方法であって、前記三次元多孔質構造体と土との間に均等係数1〜2の均質な砂を挿入した状態で、土中水分水位検出を行うことことを特徴とする超音波による土中水分水位検出方法。

請求項6

前記超音波導波管の外径より大きな内径ガイドパイプを予め測定すべき土中に挿入し、次いで、ガイドパイプの先端部に前記均等係数1〜2の均質な砂を挿入した後、前記ガイドパイプの上端から前記検出器の下端面が前記挿入した砂に接するように設置することを特徴とする請求項5記載の超音波による土中水分水位検出方法。

請求項7

豪雨等による斜面の崩壊予測するために、請求項1〜4のいずれか1項の土中水分水位検出装置を用いて、斜面の土中水分及び水位の変化を常時又は定期的に検出して土中水分水位の変化をモニタリングする土中水分水位モニタリングシステムであって、前記土中水分水位検出装置が、前記検出器の前記超音波トランスデューサから送信され前記超音波導波管の開口側から反射した超音波の反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する測定器を備えるとともに、検出データ収納するデータ収納装置及びその検出データを遠隔地に送信する通信装置を備えたことを特徴とする土中水分水位モニタリングシステム。

請求項8

検出された検出データに基づいて斜面崩壊危険度ベルを判定する判定手段を備え、この判定手段は、前記検出器を複数個設置し、前記反射した超音波である反射波最大振幅所定値以上に達した状態が所定時間以上連続して継続した検出器の数がN1個に達した時に、斜面の崩壊危険性が全体系危険度レベル1になったと判定し、その後、前記N1個のうち前記伝播時間が減少し始めた検出器の数がN2個に達した時に、前記斜面の崩壊危険性が全体系危険度レベル1から全体系危険度レベル2に上がったと判定するものであり、警報を必要とする危険度レベルであると判定した時に警報を発する警報装置を備えたことを特徴とする請求項7記載の土中水分水位モニタリングシステム。

技術分野

0001

この発明は、豪雨による斜面崩壊予測する目的等で、土中の水分と水位を検出するための超音波による土中水分水位検出装置、及びこれを用いた土中水分水位モニタリングシステムに関する。

背景技術

0002

豪雨による斜面崩壊を予測するために土中の水分と水位の変化を常時もしくは定期的にモニタリングする土中水分水位モニタリングシステムが必要とされている。
発明者らは装置が安価で設置が容易な超音波による土中水分水位モニタリングシステム(斜面崩壊予知システム)を提案している(特許文献1参照)。

0003

この斜面崩壊予知システムは、特許文献1中の符号を用いて説明すると、図11(イ)に示すように、斜面2に埋め込まれる超音波による検出器5と、この検出器5が検出した検出データに基づいて土中21の土中水分及び水位を検出する測定器6とを備えた土中水分水位検出装置3を用いるもので、前記測定器6に警報装置4を接続してなるものである。14は配線である。

0004

前記検出器5は、図11(ロ)に示すように、超音波を伝播可能な中空超音波導波管9の一端側に、超音波を送受信可能な超音波トランスデューサ8を配置した構成であり、前記一端側と反対の開口側を下にして土中に挿入される。前記超音波トランスデューサ8は、超音波を送信するとともに、前記超音波導波管9の開口側から反射(すなわち導波管下端の土表面31から反射)した超音波を受信する。測定器6は、超音波トランスデューサ8が受信した反射波反射波形(具体的には最大振幅(=反射強度))と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分(土中水分量)及び地下水位(地下水位面)を検出する。

先行技術

0005

特開2011−047676
実開昭61−161624

発明が解決しようとする課題

0006

上記の検出器5を土中に設置して土中水分及び地下水位のモニタリングを行う際、土中水分の変化もしくは水位の変化に対してその変化を正しく反映する反射波形を得るためには、導波管9の下端面に接する土の表面は出来る限り平坦な方が望ましい。
また、土が導波管9内に入らないほうが望ましい。すなわち、土が水分を含んで軟らかい場合、検出器5の自重や外部からの加圧などにより土が導波管9内に入り、その後の測定において、測定値が土中水分水位を正しく反映しなくなる。

0007

従来より一般に、単なる水位の計測では、水位計導水部にフイルターとして金網を設置することにより内部に土やゴミが入らなくなるようにしている。
この従来方法にならって、図12に示すように、導波管9の先端に金網50を設置した場合、土が導波管内部に入ることを防止しつつ土の水分を測定できる。しかし、金網は網目二次元構造の薄い平面状であるため、土が固い場合はよいが軟らかい土の場合には、網目を通して土が管内に入り込み網目を塞いでしまうため、水分の出入りが損なわれ、測定値が土中水分水位を正しく反映しなくなる。

0008

金網は二次元構造であるが、金網に球状のガラスビーズを付加することによりガラスビーズを三次元的に配列したフイルターも報告されている(特許文献2参照)。
ガラスビーズを用いるとフイルターが厚くなるため、土やごみなどの水に混入する異物をろ過する効果が大きくなるが、ガラスビーズは球状であることで、図6(イ)に示すように、隣接するガラスビーズ同士が点で接触するため接触点近傍で隙間が著しく狭くなり、ここに土がたまりこみ、次第に水の通過経路が狭くなり、水を透過させる機能が低下する。
この機能低下復帰させるために定期的にフイルターを掃除する方法が提案されているが、メンテナンスが面倒である。
また、上述の金網やガラスビーズを用いる方法は水位の計測の目的だけであれば使用できるとしても、土中における水分の伝達媒体としては使えない。特にガラスビーズを用いた場合、ガラスビーズ同士の接点近傍で水分が捕獲されてしまうため、水分を検出しようとする土が乾燥してもガラスビーズは容易に乾燥せず、したがって、土中水分の計測には使えない。

0009

本発明は上記背景のもとになされたもので、土中水分及び水位の検出を行う際に、土中水分の変化及び水位の変化に対して応答性の良い(変化を正しく反映する)反射波形を得ることが可能な超音波による土中水分水位検出装置、及びこれを用いた土中水分水位モニタリングシステムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を解決する請求項1の発明は、超音波を伝播可能な中空の超音波導波管の一端側に、超音波を送受信可能な超音波トランスデューサを配置した検出器を、前記一端側と反対の開口側を下にして土中に挿入し、前記超音波トランスデューサから送信され前記超音波導波管の開口側から反射した超音波の反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する土中水分水位検出装置において、
土中に挿入された状態における前記超音波導波管の先端の土表面に接する部分に固形水分伝達媒体を備えるとともに、前記水分伝達媒体は、その空孔が三次元的に連なり三次元網目骨格を有する三次元多孔質構造体であることを特徴とする。

0011

請求項2は、請求項1の超音波による土中水分水位検出装置において、
前記三次元多孔質構造体は、その空孔の孔径が0.45mm〜1.3mmであることを特徴とする。

0012

請求項3は、 請求項1又は2の超音波による土中水分水位検出装置において、
前記三次元多孔質構造体の土に接触する側の面が凸形状であることを特徴とする。

0013

請求項4は、 請求項1又は2の超音波による土中水分水位検出装置において、
前記三次元多孔質構造体の外形が、当該三次元多孔質構造体の底面及び側面が土に接触するような柱状であることを特徴とする。

0014

請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか1項の土中水分水位検出装置を用いて土中水分水位検出する土中水分水位検出方法であって、
前記三次元多孔質構造体と土との間に均等係数1〜2の均質な砂を挿入した状態で、土中水分水位検出を行うことを特徴とする。

0015

請求項6は、請求項5の土中水分水位検出方法において、
前記超音波導波管の外径より大きな内径ガイドパイプを予め測定すべき土中に挿入し、
次いで、ガイドパイプの先端部に前記均等係数1〜2の均質な砂を挿入した後、前記ガイドパイプの上端から前記検出器の下端面が前記挿入した砂に接するように設置することを特徴とする。

0016

請求項7の発明は、豪雨等による斜面の崩壊を予測するために、請求項1〜4のいずれか1項の土中水分水位検出装置を用いて、斜面の土中水分及び水位の変化を常時又は定期的に検出して土中水分水位の変化をモニタリングする土中水分水位モニタリングシステムであって、
前記土中水分水位検出装置が、前記検出器の前記超音波トランスデューサから送信され前記超音波導波管の開口側から反射した超音波の反射波形と超音波の送信時から受信までに要した伝播時間に基づいて土中水分量及び地下水位面を検出する測定器を備えるとともに、検出データを収納するデータ収納装置及びその検出データを遠隔地に送信する通信装置を備えたことを特徴とする。

0017

請求項8は、請求項7の土中水分水位モニタリングシステムにおいて、
検出された検出データに基づいて斜面崩壊の危険度ベルを判定する判定手段を備え、この判定手段は、前記検出器を複数個設置し、前記反射した超音波である反射波の最大振幅が所定値以上に達した状態が所定時間以上連続して継続した検出器の数がN1個に達した時に、斜面の崩壊危険性が全体系危険度レベル1になったと判定し、その後、前記N1個のうち前記伝播時間が減少し始めた検出器の数がN2個に達した時に、前記斜面の崩壊危険性が全体系危険度レベル1から全体系危険度レベル2に上がったと判定するものであり、警報を必要とする危険度レベルであると判定した時に警報を発する警報装置を備えたことを特徴とする。

発明の効果

0018

超音波を用いて土中の水分及び水位を検出しようとする場合に、検出対象の土の表面に超音波を直接当てることが通常であるが、本発明では敢えて土表面の上に固形の水分伝達媒体を配置することとし、そしてその水分伝達媒体として三次元多孔質構造体を介して土中水分及び水位を検出するようにしたので、超音波導波管内に土が入り込むことを完全に防止でき、土が超音波導波管内に入り込むことによる検出値誤差の発生を防止することが可能となった。
また、土表面に直接超音波を当てる場合は、土表面の平坦さが損なわれる場合が多々あるが、本発明では固形の水分伝達媒体に超音波を当てるのであるから、平坦さが損なわれることはなく、安定した検出が行われる。
そして、前記三次元多孔質構造体は、空孔が三次元的に連なっており、空孔を除く部分がスポンジの網目のように連なった三次元網目骨格を有しているので、土中の水(ないし水分)はその三次元的に連なった空孔を通じて導波管の内側に容易に浸入する。したがって、水位面の位置が導波管内にある時は勿論、導波管内に届いていない場合でも、三次元多孔質構造体の表面(上面)の水分状態(水分量)はその下にある土の水分状態を正しく反映する(すなわち、水分状態の伝達性に優れている)。したがって、超音波トランスデューサから送信され三次元多孔質構造体の表面で反射した反射波(反射した超音波)は、土の水分状態を正しく反映した反射波形(振幅)となり、土の正しい水分量を検出できる。
また、土が乾燥した場合、三次元多孔質構造体は空孔が三次元的に連なっているので、空孔内に水は閉じ込められることなく容易に土中にもどる(三次元多孔質構造体の下側の土に戻る)。したがって、土が乾燥しても三次元多孔質構造体内の水分が保持されたままで土の水分状態を長く反映しないという問題は生じない。
上記の通りであり、三次元多孔質構造体は、その下側の土の水分状態を時間的に遅れることなく正しく反映することができるので、水分状態変化への応答性に優れている。

0019

軟らかい土の場合、その程度によっては三次元多孔質構造体の土に接する部分の土の一部が構造体内に入り込む可能性もあるが、三次元多孔質構造体においては水の経路が三次元的に連なっているため、部分的に封鎖状態になっても水の出入りが可能である。このように、軟らかい土の場合でも水の経路が十分に確保されるので、この点でも水分状態変化への良好な応答性が維持される。

0020

水分状態の伝達性について、前述したガラスビーズの場合と比較すると次の通りである。
図6(イ)に示すように、ガラスビーズでは隣同士が点で接触していて、点の近傍で隙間の角度が顕著に小さいため、水分が表面張力のために空孔内に捕獲されたままになり易く、乾燥して元に戻るまでに時間がかかる。これに対して、三次元多孔質構造体における空孔には、図6(ロ)に示すように、ガラスビーズにおける隣同士の接触点近傍のような顕著に角度の小さい狭い隙間は存在しないので、水が表面張力で空孔内に捕獲されることは少なく、短時間で乾燥しやすい。
つまり、土中の水分変化に対する三次元多孔質構造体の水分状態変化への応答性が良く、良好な水分伝達媒体としての機能を発揮し、時間的に遅れることが少なく現状の土中水分水位を正しく示す測定が可能になる。
また、三次元多孔質構造体が地下水中にある場合に、水は通すが異物は通さないので、三次元多孔質構造体が地下水中にある場合に異物をろ過する機能を有する。すなわち、本発明における三次元多孔質構造体は、地下水中にない(地下水に浸っていない)時は土中の水分変化を導波管内に伝達する水分伝達媒体の機能を果たし、地下水中にあるときは水中の異物をろ過する機能を果たすという両機能を併せもっている。

0021

請求項2のように、前記三次元多孔質構造体の空孔の孔径が0.45mm〜1.3mmであれば、上述の良好な水分伝達機能を果たすことができる。
請求項3のように、三次元多孔質構造体の土に接する側(反射面と反対側)を半球状や凸形状すれば、土との接触面積が広くなり、土中の水分状態の伝達性能を高くすることができる。
請求項4のように、三次元多孔質構造体の外形を柱状にすれば、底面だけでなく側面からも水分の出入りが可能になり、水分状態の変化に対する応答性が一層向上する。

0022

請求項5の土中水分水位検出方法のように、 前記三次元多孔質構造体と土との間に均等係数1〜2の均質な砂を挿入した状態で土中水分水位検出を行うと、土表面と三次元多孔質構造体との接触が良好になり、土の水分変化を安定して検出できる。

0023

請求項6のように、予めガイドパイプを測定すべき土中に挿入してから検出器を設置する方法によれば、例えば超音波の反射波形を見て設置状態をモニタリングしながら設置する等が可能となり、検出器の下端が砂の上面となじみよく接するようにすることができ、土の水分状態を良好に反映するような接触状態とすることができる。

図面の簡単な説明

0024

本発明の実施例の土中水分水位検出装置における検出器の断面図である。
図1の土中水分水位検出装置を用いて斜面の土中水分水位をモニタリングする土中水分水位モニタリングシステムの概要図である。
図2の土中水分水位モニタリングシステムの構成ブロック図である。
発明で用いられる三次元多孔質構造体の外形の種々の例((イ)、(ロ)、(ハ))を示す図である。(イ)、(ロ)、(ハ)のそれぞれにおける上側の図は正面図、下側の図は平面図である。
三次元多孔質構造体の材料として実施例で用いた「セルメット」(住友電気工業株式会社製のポーラスメタル登録商標)の顕微鏡写真である。
超音波導波管の開口端にガラスビーズを配置する場合と、本発明における三次元多孔質構造体を配置する場合とを比較説明する図であり、(イ)はガラスビーズの場合、(ロ)は三次元多孔質構造体の場合である。
超音波による水分水位検出の原理に関する概念図である。
実施例の検出器について行った評価実験(湿潤−乾燥繰返し実験)における超音波反射強度測定結果、及び併せて測定した体積含水率(%)、間隙水圧(kPa)を示す図である。
上記評価実験(湿潤−乾燥繰返し実験)で用いた三次元多孔質構造体(セルメット)の品番と厚みを示す表である。
上述の評価実験で用いた検出器を示す図である。
特許文献1における土中水分水位検出装置を示すものであり、(イ)は斜面崩壊予知システムの構成を示す模式図、(ロ)は(イ)における土中水分水位検出装置を構成する検出器の断面図である。
本発明における三次元多孔質構造体の代替物として金網を用いることを想定した場合の検出器の断面図である。

0025

以下、本発明の超音波による土中水分水位検出装置、及び土中水分水位モニタリングシステムを実施するための形態について、図面を参照して説明する。

0026

図1は本発明の一実施例の土中水分水位検出装置1を示すもので、この土中水分水位検出装置1は、斜面16の土中6に挿入される複数の検出器2と、この検出器2の検出信号に基づいて土中水分(土中水分量)及び地下水位(地下水位面)を検出する測定器3とを有する。図1では1つの検出器2以外の検出器2は、模式的に斜面16とは別に単なる矩形で示している。
前記検出器2は、超音波を伝播可能な中空の超音波導波管4を有し、この超音波導波管4の一端側に、超音波送信用圧電素子及び超音波受信用圧電素子を有して超音波を送受信可能な超音波トランスデューサ5を配置しており、図示の通り上端側(前記一端側)と反対の下端側(開口側)を下にして土中に挿入される。
なお、図示例の検出器2はその頭部を地上に露出させているが、検出器2の全体を土中に埋め込む場合もある。

0027

実施例の検出器2の詳細を説明すると、前記超音波導波管(以下では場合により単に導波管と略す)4は、長さが30cm〜2m程度の内面の滑らかな真ちゅう製のパイプで、その内径が略18mm、外径が略22mmであり、その上端側(一端側)は配線引出孔7aを持つ蓋部材7で密封されている。
符号8は蓋部材7の内側面に貼り付けた密封用アルミ板である。
符号9はシリコーンゴム製等のダンパー材であり、トランスデューサ5の振動が導波管4に伝達するのを防止するとともに、導波管4の振動が超音波トランスデューサ5に伝達するのを防止する。
符号12は超音波トランスデューサ5と測定器3との間の配線を示す。
また、導波管4の上端側の管壁に、外部から内部へ向かって上向きに傾斜する空気排出孔4aをあけている。空気排出孔4aは複数設けるとよい。

0028

本発明における前記検出器2は、導波管4の先端の土表面に接する部分に、土の水分を伝達する固形の水分伝達媒体として、三次元多孔質構造体10を取り付けている。
三次元多孔質構造体10とは、空孔が三次元的に連なり、空孔を除く部分がスポンジの網目のように連なった三次元網目骨格を有する多孔質構造体であり、実施例では「セルメット」(商品名。住友電気工業株式会社製の登録商標)と呼ばれる金属製の三次元多孔質構造体を用いた。セルメットの顕微鏡写真である図5からも分かるように空孔率が高い特徴がある。その材質ニッケル(Ni)、又はニッケルクロム合金(Ni−Cr)である。
三次元多孔質構造体10の形状は、平面視の輪郭円形であるが、厚み方向では例えば図4(イ)、(ロ)、(ハ)に示すようにな形状とすることができる。
(イ)の三次元多孔質構造体10(10a)は上下両面が平坦な円形平板状である。
(ロ)の三次元多孔質構造体10(10b)は土に接触する側の面が凸形をなす形状である。
(ハ)の三次元多孔質構造体10(10c)は底面及び側面が土に接触するような柱状である。

0029

図2は前記土中水分水位検出装置1を用いて構成される土中水分水位モニタリングシステム20を示す。
この土中水分水位モニタリングシステム20は、図3システム構成ブロック図にも示すように、斜面16に埋め込まれた複数の前記検出器2と前記測定器3とからなる前記土中水分水位検出装置1に加えて、測定器3が測定した測定データを収納する測定データ収納装置21、その測定データに基づいて斜面崩壊の危険度レベルを判定する危険度判定手段27、測定データや危険度レベル情報を適宜の必要箇所に送信する通信装置22、斜面崩壊の危険性が生じた時に警報を発する警報装置23、雨量計24、ビデオカメラ25等を有する。これらはモニタリングシステム制御部26によって制御される。
前記警報装置23としては、例えば、視覚訴えランプ液晶表示画面聴覚に訴えるスピーカ等を用いることができる。雨量計24は特に降雨時における斜面崩壊の危険度を判定する上で重要な要素となる。ビデオカメラ25は遠隔地においても状況を把握可能にする。

0030

前記測定器3は、検出器2の超音波トランスデューサ5を制御する検出器制御部11を有する。検出器制御部11は、超音波送信回路11a、超音波受信回路11b、信号処理回路11cを備えている。
超音波送信回路11aは前記超音波トランスデューサ5に所定周波数電気信号を送って超音波を送信させる。
超音波受信回路11bは超音波トランスデューサ5から送信された超音波の反射波(反射した超音波)を受信して信号処理回路11cに超音波電気信号(反射波に対応する電気信号)を送る。
信号処理回路11cは超音波受信回路11bから入力された超音波電気信号に基づいて直接的には反射波の最大振幅である反射強度(最大振幅(mV)を測定し、かつ超音波の送信時から受信までに要した伝播時間tを測定する。これにより、後述するように土中水分(土中水分量)及び水位(水位面位置)を知ることができる。

0031

図7は超音波による土中の水分及び水位を検出する原理を模式的に説明する図である。なお、図は導波管4の下端の開口面に直に土がある場合として示している。
導波管4の存在する土中領域(深さ範囲)における水分の有無を区別して説明すると、 土中状態を示す上側の図の(イ)は土が乾燥状態土粒子間間隙部分(白い部分)が空気で占められている)の場合である。
(ロ)は土が湿潤状態(土粒子間の間隙部分の多くが水で占められている)の場合である(白い部分の多くが水を含んでいる状態を示している)。
(ハ)は水位上昇状態(水位面が導波管先端の土表面を超えて上がっている)場合である。
下側の図は前記(イ)、(ロ)、(ハ)の各状態において超音波トランスデューサ5から超音波が送信され導波管4の開口端側から超音波が反射する場合について、それぞれ横軸を時間、縦軸を超音波の振幅(反射強度)として示したものである。伝播時間t0、tは超音波トランスデューサ5による超音波の送信時から受信までに要した伝播時間であり、水位面が導波管4内にない(イ)、(ロ)の場合は同じくt0、水位面が導波管4内に上がった(ハ)の場合は短い時間tである。

0032

水位については、伝播時間がt0の時は水位面が導波管4内にないことが直ちに検出され、伝播時間がt0より短いtの場合はその時間tの長さに基づいて直ちに水位(水位面位置)を検出できる。

0033

土中水分量は、土表面で反射する反射波の反射強度(最大振幅)によって検出できる。
すなわち、土が乾燥状態(イ)の時は間隙部分の多くが空気で占められるので、そのような乾燥状態の土表面に超音波がぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波は反射波として戻ってくるが、間隙部分にぶつかった超音波は当該部分を透過することによって反射波としては戻ってこない。これにより反射波の反射強度は小さくなる。
一方、土が水分を多く含んだ湿潤状態(ロ)の時は間隙部分の多くが水で占められているので、そのような湿潤状態の土表面に超音波がぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波のみならず間隙部分にぶつかった超音波も多くが反射波として戻ってくる。これにより、反射波の反射強度が大きくなる。
そして、水位上昇状態(ハ)では、超音波がすべて水の表面で反射するので、反射強度は一層大となる。
また、上述の説明と実質的に同じ内容と言えるが、乾燥状態(イ)では土粒子にぶつかった超音波はその多くが図示のように散乱するので、超音波トランスデューサ5に届く反射波が少ない(反射強度が小さい)。
湿潤状態(ロ)では土表面が土粒子だけでなく水もあって土表面がやや平坦になり反射波の散乱が少なくなるので、超音波トランスデューサに届く反射波が多くなる(反射強度が大となる)。
水位上昇状態(ハ)ではすべて水位面で反射するので、超音波トランスデューサ5に届く反射波が一層多くなる(反射強度が一層大となる)。
実験土層でおこなった後述の評価実験からも言える通り、反射波の反射強度(最大振幅)を検出することによって、土中水分量を検出することができる。

0034

図7の説明では、導波管4の下端の開口面に土がある場合として説明したが、本発明における水分伝達媒体(三次元多孔質構造体10)は、空孔が三次元的に連なった構造で通水性が極めて良好な材料であり、その下にある土の水分を容易に吸い上げることができる。したがって、若干の時間遅れはあるにしても土の水分状態を正しく反映し、超音波が直接土表面で反射しなくても、土の水分状態を正しく検出することができる。

0035

前述の危険度判定手段27は、例えば、斜面16に設置したN個の検出器5の動向を観察し、超音波トランスデューサ5に届く反射波の最大振幅が所定値以上に達した状態が所定時間以上連続して継続した検出器2の数が徐々に増えて、その数が予め定めたN1個に達した時に、斜面の崩壊危険性が危険度レベル1になったと判定する。その後、引き続き検出器5の動向を観察し、前記N1個のうち前記伝播時間が減少し始めた検出器2の数が予め定めたN2個に達した時に、斜面の崩壊危険性が危険度レベル1から危険度レベル2に上がったと判定するという処理をする。そして、この危険度レベル2になった時に警報装置23に警報指示信号送り、警報装置23は警報を発する。

0036

上述の検出器2について行った土中水分水位を検出する機能、特に三次元多孔質構造体10の水分伝達媒体としての機能を評価する評価実験を、以下に述べる。
検出器2の前記三次元多孔質構造体10として、前述の通り商品名「セルメット」を用いて行った。具体的には図9に示したセルメットの「品番と厚み」の表の中の品番#1、#3、#5、#8のセルメットを用いて行った。
さらに、比較のために、土表面に何も配置せずに超音波を直接土から反射させる場合についても調べた。
この三次元多孔質構造体10は、概ね、空孔(気孔)が三次元的に連なり、空孔を除く部分がスポンジの網目のように連なった三次元網目骨格を有する多孔質金属体である。その特性については、前記図9(表)に示した通りである。いずれも材質はNiを使用した。
使用した三次元多孔質構造体10は、外形としては、導波管側の表面が平坦で、土側の表面が凸型形状円盤図4(ロ)の形状)で、直径φ22mm、厚さは表(図9)に示すとおり約1.4mm〜約5.0mmである。使用した試験土はしがらき産まさ土で、土粒子密度2.61g/cm3、均等係数65、平均粒径0.425mm、間隙率39%である。
三次元多孔質構造体10は導波管4の下端に接着材で固定した。なお、三次元多孔質構造体10の導波管4の下端への固定手段は後述するように接着剤による固定に限らない。

0037

評価実験は、室内において箱内に土(しがらき産まさ土)を収容した実験土層に検出器2を設置して行った。
この評価実験では図10に示すように、導波管4の外径より一回り大きな内径のガイドパイプ13を予め測定すべき土中に挿入し、次いで、蓋13aを外したガイドパイプ13の先端部に、均等係数1〜2の均質な砂14を砂の層の厚さが2〜3mm程度になるように挿入した後、前記ガイドパイプ13の上端から検出器2の下端面が前記挿入した砂14に接するように設置した。この評価実験では均質な砂14として標準砂とされている豊浦砂(山口県豊浦エリアで得られる砂)を用いた。
導波管4(の超音波トランスデューサ5)に接続した測定ケーブル12を持って導波管4を上下して、導波管4の先端が砂の表面と良く接するように接触面をなじませた。このとき超音波の反射波形を見ながら波形乱れが少なくて反射率が最大になるように導波管4と土のなじみをモニターしながら設置した。
この実施例のようにガイドパイプ13を用いると、土と導波管4先端とのなじみをモニターしながら最適な状態になるように設置できるとともに、検出器2が劣化したり故障したりした場合に容易に交換できる利点がある。

0038

上記のように検出器2を実験土層に設置した後、実験土層に対して湿潤ー乾燥状態を繰り返し、得られた反射波形のピーク値(最大振幅)の経時変化を測定した。その測定結果を図8に示す。
体積含水率(%)は誘電土壌水分計EC-5で測定し、間隙水圧(kPa)はテンシオメータで測定した。
図8の(イ)、(ロ)、(ハ)、(ニ)はそれぞれ、三次元多孔質構造体10として品番#1、#3、#5、#8のセルメット(図9の「品番と厚み」参照)を用いた場合の測定結果である。(ホ)は比較のために、土表面に何も配置せずに超音波を直接に土(まさ土)から反射させた場合の測定結果である。なお、図8の上部のグラフは参考のために測定した地温と室温のグラフである。
図8(イ)に記した5つの黒丸の時点で、2000〜2400mlの水を土槽の土表面から供給し、その後空気中で自然乾燥させる過程を繰り返し行い、土の湿潤過程乾燥過程における超音波の反射強度を測定した。
同時に前述した土の体積含水率と間隙水圧を測定して、超音波の反射強度との対応性を調べた。

0039

図8から明らかなように、(ロ)の#3、(ハ)の#5、(ニ)の#8の場合、乾湿過程が繰り返されたときの超音波の反射強度が体積含水率及び間隙水圧の変化とよく対応しているので、そして体積含水率及び間隙水圧はまさしく土中水分を表すのであるから、超音波の反射強度が土の水分変化(土中水分の変化)に対応していることを確認できた。
そして、#3、#5、#8の場合の反射強度の変化(乾燥状態に移行する際の強度変化)は、(ロ)、(ハ)、(ニ)と(ホ)とを対比させると明らかなように、土を直接測定した場合((ホ)の場合)の反射強度の変化と比べて大きい。したがって#3、#5、#8の場合は、土を直接測定する場合((ホ)の場合)より水分変化に対する応答性が良い(水分変化を良好に反映する)と言える。
また、5回の水供給時の反射強度と水供給停止後の反射強度との強度差を見ると、#3、#5、#8の場合の強度差は、土を直接測定した(ホ)の場合の強度差と比べて大きいので、この点でも水分変化に対する応答性が良い(水分変化を良好に反映する)と言える。
一方、#1の場合はほとんど応答していない。#1は孔径(1.6mm)が大きくて吸水力が低く、水分の伝達媒体としての機能が低いためと考えられる。
また逆に孔径を#8(0.45mm)よりも小さくし過ぎると、水の経路が狭くなり、水分変化に対する応答性だけでなく水位の変化に対する応答性も低下する。
なお、#1の場合は、5回の水供給時の反射強度と水供給停止後の反射強度との強度差が小さいことからも、水分変化に対する応答性が低い(水分変化を反映しない)と言える。
セルメットの品番#1の孔径は1.6mm、#3の孔径は1.3mm、#5の孔径は0.7mm、#8の孔径は0.45mmであり、三次元多孔質構造体10の孔径は水分変化と水位変化の両応答性の観点から、0.45mm〜1.3mmが好適であると言える。

0040

なお、土中水分の数値と反射強度(mV)との相関関係は、諸条件によって必ずしも一定とは限らないと言えるので、対象とする斜面の土中の体積含水率や間隙水圧を予め計測器で測定し、検出器2により検出された反射強度と測定した体積含水率や間隙水圧との対応関係を確認した上で、土中水分を求めるようにするとよい。

実施例

0041

上述の評価実験では三次元多孔質構造体として金属Niのポーラスメタル「セルメット」を用いたが、Ni-Crの「セルメット」でもよい。また、これに限らず、上述の#3、#5、#8に近いセル数と孔径を有する三次元多孔質構造体であれば採用することができる。三次元多孔質構造体であれば、焼結金属非金属焼結体であってもよいし、樹脂製などでも腐食しにくい材質であればよい。
また、三次元多孔質構造体10と導波管4との間に隙間ができる場合、隙間から土や水が入り込んだり、隙間から水分が抜けてしまうので、測定値が土中水分水位を正しく反映しなくなる。そのため、本実験では、三次元多孔質構造体10は導波管4の下端に接着材で固定したが、三次元多孔質構造体10と導波管4の下端とが勝手に外れたり、ずれたりすることなく、接合されていれば、接着剤で固定されることに限定されない。例えば、三次元多孔質構造体10は導波管4の下端に溶接されてもよく、図は省略するが、三次元多孔質構造体10の上端と導波管4の下端をねじ切りして、三次元多孔質構造体10が導波管4の下端に螺合されてもよい。

0042

1土中水分水位検出装置
2検出器
3測定器
4超音波導波管
4a空気排出孔
5超音波トランスデューサ
6 土中
7蓋部材
7a配線引出孔
8アルミ板
9ダンパー材
10三次元多孔質構造体(水分伝達媒体)
11 検出器制御部
11a超音波送信回路
11b超音波受信回路
11c信号処理回路
12配線
13ガイドパイプ
13a 蓋
14 砂(豊浦砂)
16 斜面
20土中水分水位モニタリングシステム
21 測定データ収納装置
22通信装置
23警報装置
24雨量計
25ビデオカメラ
26 モニタリングシステム制御部
27危険度判定手段

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