(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
複数の測点に配置した水槽を水路にて連結し、測点での鉛直変位の発生前後における、水槽と水面位置との相対的な変化量に基づいて、測点に生じた鉛直変位を検出する、自由水面を有した開水路開水路式変位計であって、2つ以上の測点の水槽を水路により閉回路状に連結してなることを特徴とする開水路式変位計。
複数の測点に配置した水槽を水路にて連結し、測点での鉛直変位の発生前後における、水槽と水面位置との相対的な変化量に基づいて、測点に生じた鉛直変位を検出する開水路式変位計であって、2つ以上の測点の水槽を水路により閉回路状に連結してなるユニットを複数備え、ユニット同士が各ユニットの少なくとも1つの測点の水槽もしくは水路を共有して結びついた構造を備えることを特徴とする開水路式変位計。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本実施形態における開水路式変位計の構造例1を示す平面図である。
【
図2】本実施形態における開水路式変位計の構造例2を示す平面図である。
【
図3】本実施形態における開水路式変位計の構造例1を示す側断面図である。
【
図4】本実施形態における開水路式変位計の構造例2を示す側断面図である。
【
図5】本実施形態における開水路式変位計の構造例3を示す平面図である。
【
図6】本実施形態における開水路式変位計の構造例4を示す平面図である。
【
図7】本実施形態における開水路式変位計の構造例3を示す側断面図である。
【
図8】本実施形態における開水路式変位計の構造例4を示す側断面図である。
【
図9】本実施形態における開水路式変位計の構造例5を示す平面図である。
【
図10】本実施形態における開水路式変位計の構造例5を示す側断面図である。
【
図11】本実施形態における開水路式変位計の構造例6を示す平面図である。
【
図12】本実施形態における開水路式変位計の構造例6を示す側断面図である。
【
図13】本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す斜視図である。
【
図14】本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す正面図である。
【
図15】本実施形態の開水路式変位計における水槽の構造例を示す側面図である。
【
図16】本実施形態における水槽の構造例(通常時)を示す側断面図である。
【
図17】本実施形態における水槽の構造例(変位時)を示す側断面図である。
【
図18】本実施形態における開水路式変位計での水面隆起例を示す図である。
【
図19】本実施形態における開水路式変位計での通水断面積の概念を示す図である。
【
図20】従来の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。
【
図21】従来の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。
【
図22】本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。
【
図23】本実施形態の開水路式変位計における水面揺動の伝播例を示す図である。
【
図24】本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況1を示す図である。
【
図25】本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況2を示す図である。
【
図26】本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況3を示す図である。
【
図27】本実施形態の他の開水路式変位計における水面揺動の段階的伝播状況4を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本実施形態における開水路式変位計100の構造例1を示す平面図であり、
図3は本実施形態における開水路式変位計100の構造例1を示す側断面図である。本実施形態における開水路式変位計100は、長期にわたる安定的な変位計測を従来通りに実行可能であると共に、短時間での正確な鉛直変位計測をも可能とする変位計である。
図1、
図3に示した開水路式変位計100は、所定間隔で設けた3つの測点10の水槽11を水路20にて三角形の閉回路状に連結した構造を備えている。また測点10のうち、いずれか一つの測点の水槽11は鉛直変位が生じない堅固な基礎2等に固定され、測点間の相対変位量の算定時における基準点10Bとなっている。また、
図2、
図4の構造例に示すように、3つの測点10の水槽11を水路20により三角形の閉回路状に連結してなるユニット50を複数備え、ユニット50同士が各ユニット50の少なくとも1つの測点10の水槽11ないし水路20を共有して結びついた構造を備えるとしてもよい。
図2、
図4に示す例では、2つの測点10C、10Bの水槽11とこれらを結ぶ水路20Aを、各ユニットで共有している。
【0014】
また、
図1、3の開水路式変位計100の形態とは異なり、2つの測点10の水槽11を水路20により閉回路状に連結した形態の開水路式変位計100を採用することも出来る。
図5は本実施形態における開水路式変位計の構造例3を示す平面図であり、
図6は本実施形態における開水路式変位計の構造例4を示す平面図である。
【0015】
図5、
図7に示した開水路式変位計100は、所定間隔で設けた2つの測点10の水槽11を水路20にてループ状の閉回路形式で連結した構造を備えている。また測点10のうち、いずれか一つの測点の水槽11は鉛直変位が生じない堅固な基礎2等に固定され、測点間の相対変位量の算定時における基準点10Bとなっている。また、
図6、
図8の構造例に示すように、2つの測点10の水槽11を水路20によりループ状の閉回路形式で連結してなるユニット50を複数備え、ユニット50同士が各ユニット50の少なくとも1つの測点10の水槽11を共有して結びついた構造を備えるとしてもよい。
図6、
図8に示す例では、測点10Bを含むユニット50Aと、測点10Eを含むユニット50Bとで、水槽10Dを共有している。
【0016】
また、
図9、
図10に示した開水路式変位計100は、2つの測点10の水槽11を水路20によりループ状の閉回路形式で連結してなるユニット50を複数備え、ユニット50同士がユニット間をつなぐ水路20Aを共有して結びついた構造を備えるとしてもよい。
図9、
図10に示す例では、測点10B、10Fを含むユニット50Aと、測点10E、10Dを含むユニット50Bとで、水路20Aを共有している。
【0017】
更には、
図11および
図12に示すように、4つの測点10の水槽11を水路20で閉回路状に連結してなる矩形のユニット50を複数備え、ユニット50同士が各ユニット50の少なくとも1つの測点10の水槽11を共有して結びついた構造を備えるとしてもよい。
図11、
図12に示す例では、ユニット50のうち、開水路式変位計100における端部側のユニット50Xにおいて、コーナー部の測点10D以外の測点10E〜10Gの水槽11と、測点10Dに連結された水路20B、20C以外の水路20D、20Eとが、周囲のユニットと共有されている。また、開水路式変位計100の端部以外にあるユニット、例えば
図11中で示すユニット50Yにおいて、全ての測点10S〜10Vの水槽11と、開水路式変位計100の外周部にあたる水路20F以外の水路20G、20H、20Iとが、周囲のユニットと共有されている。
【0018】
図13は本実施形態の開水路式変位計100における水槽11の構造例を示す斜視図であり、
図14は本実施形態の開水路式変位計100における水槽11の構造例を示す正面図であり、
図15は本実施形態の開水路式変位計100における水槽11の構造例を示す側面図である。また、
図16は本実施形態における水槽の構造例(通常時)を示す側断面図、および
図17は本実施形態における水槽の構造例(変位時)を示す側断面図である。
【0019】
図13にて示すように、測点10では、構造物に固定されるベース部17を底部にして、箱形の水槽11が立設されている。この水槽11は、複数の水路20が連結されており、各水路20の内空は水槽11の内空と連通した状態となっている。
【0020】
また、測点10の水槽11と水路20の各内空には、
図14、
図15で示すように、水12が蓄えられており、その水面13に浮子14を浮かべてある。水槽内天端15には、離間距離bb(
図16参照)をとって浮子14の鉛直方向移動量を検知する渦電流センサ16が設置されている。また、水槽11は上述のベース部17を介して構造物1と一体に連結しており、構造物1の沈下や隆起といった鉛直変位aa(
図17参照)に伴って、同様に沈下、隆起の動きを示す。
【0021】
例えば構造物1が距離aaだけ沈下し(
図17参照)、この沈下に伴って或る測点10の水槽11も沈下したとする。一方、各測点10の水槽11が蓄えている水12は、水路20を介して水槽11間で一体に挙動出来るため、上述の沈下が生じて水面が揺動するとしても、一定時間が経過すれば、各水槽11内の水12は、水槽沈下に関わらず水位一定を維持する。
【0022】
従って、各水槽11間にて水位一定の水面13上の浮子天端14Aと、沈下が生じた測点10の水槽11と共に沈下する渦電流センサ16との間の鉛直距離cc(
図17参照)は、沈下前の離間距離bbから縮む方向で変化することになる。この変化量から測点間の相対変位量を検出することが出来る。なお、この相対変位量の算定手法については既存技術を採用すればよい。
【0023】
構造物1に隆起や沈降といった鉛直変位が生じた場合、この鉛直変位の発生箇所付近に位置する測点10の水槽11では、水面13の揺動が生じる。特に、アンダーピニング工法適用の構造物1の変位計測時など、急な鉛直変位が生じる状況であれば、上述の水面揺動も大きくなりがちである。しかしながら、本実施形態の開水路式変位計100においては、いずれかの測点10の水槽11で生じた水面揺動によって通常時水面より起伏した容積分の水が、該当測点10の水槽11に連結された他の2点以上の測点10の水槽11に向け、2経路以上の水路20に伝播することで早く平準化され、従来の如く、閉じていない一列の水路と測点の水槽で構成された開水路式変位計と比較して、迅速に揺動を収束させることが出来る。
【0024】
また、上述の如くユニット50を複数組み合わせた構造とすれば、測定対象の構造物1に鉛直変位が生じた場合、この鉛直変位が生じた場所付近の測点10の水槽11で水面揺動が生じるが、その水面揺動が、該当測点10の水槽11を含むユニット50における、連結された他の1点以上の測点10の水槽11に向け、2経路以上の水路20に伝播し、更に、当該ユニット50と測点10の水槽11を共有する他ユニットにも同様に伝播がなされるため、従来の如く、閉じていない一列の水路と測点の水槽で構成された開水路式変位計と比較して、更に迅速に揺動を収束させることが出来る。
【0025】
ここで、閉じていない一列の水路と測点の水槽で構成された従来型の開水路式変位計と、本実施形態の開水路式変位計100とに関し、それぞれ水面揺動の伝播状況をシミュレーションした例を示す。まず、比較するケースとしては以下の2ケースを採用した。
・ケース1(従来型):測点間隔は10.0m。水路20の総延長は80m。
・ケース2(本実施形態):測点間隔は10.0m。水路20の総延長は80m。4つの測点10を水路20にて閉回路状に連結した矩形のユニット50を、8列の格子状に配置して構成されている。
【0026】
また、想定した鉛直変位の条件は、或る1箇所の測点10が0.5mm隆起し、その測点10での0.5mmの隆起を頂点に、該当測点10の水槽11と連結された水路20が三角形状に傾斜隆起する(
図18の上段参照)。他方、その他の測点10や水路20らは変位しないものとした。こうした条件の鉛直変位を想定した場合、測点10の隆起に伴って隆起した水槽11内の水12の水面揺動が、複数の他の水路20を介して、複数の他の測点10に伝播し、時間経過と共に水面13は平坦化されると考える。
【0027】
ここで、水槽11内における水面13の水面揺動の伝播速度を算定する。水面揺動すなわち水位変化の伝播速度Vは、以下の式、
で表される。ここで、g:重力加速度=9.8m/s
2、h:水理水深=通水断面積A÷水面幅B、である。水路20の管径が78mmで、水路20の管内における水深が管径の1/2とすると、
【0028】
伝播速度Vが0.55m/sであると、水12(の水面揺動)が水路20の単位長さである10.0mだけ進むのに要する時間は、10.0m÷0.55m/s≒18秒、となる。
【0029】
ここで、測点10Aの隆起により生じた水12の体積Cは、隆起量に比べて測点間の距離が十分に大きいため、直方体に近似できる(
図18下段参照)。そこで体積Cは、C=(水面揺動が生じている長さ)×(水面幅B)×(測点10Aの水位)、となる。この場合、“(水面揺動が生じている長さ)×(水面幅B)”を伝播面積Aとする。上述の体積Cは、時間の経過によっても変わらないため、時刻t
nとt
n+1の測点10Aの水位を、それぞれh
n、h
n+1、伝播面積を、それぞれA
n、A
n+1とすると、
・体積C=h
n×A
n=h
n+1×A
n+1
・測点10Aの水位h
n+1=(A
n/A
n+1)×h
n
となる。
【0030】
従って、A
n/A
n+1を伝播面積比とし、時刻t
n+1での測点10Aの水位h
n+1を求めるならば、時刻t
nでの測点10Aの水位h
nに伝播面積比を乗じればよい。
【0031】
以上の条件を上述のケース1、すなわち従来型の開水路式変位計に適用した場合の結果を
図20、
図21に示す。
図20の例の場合、隆起が生じた箇所の測点は測点10Aである。従って、隆起が生じた時刻t=0の時点で、測点10Aと直接連結されている水路20にも、測点10Aの隆起を頂点として傾斜状の隆起が生じている。水路20の単位長さは10.0mであるから、時刻t=0の時点で隆起が生じている範囲は、測点10Aを中心に各方向に10.0m、すなわち計20mの範囲となる。また、この時点での伝播面積は、上述の範囲内の水路20の長さ計20m×水路20の水面幅0.078m=1.56m
2となる。
【0032】
水路20の単位長さ10.0mだけ水12の水面揺動が伝播するためには、上述したように、約18秒を要する。従って、隆起が生じた時刻t=0から18秒後には、測点10Aで隆起した水12の水面揺動は、測点10Aを中心に各方向に20m、すなわち計40mの範囲となる。
【0033】
この場合、
図21の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、上述の範囲内の水路20の長さ計40m×水路20の水面幅0.078m=3.12m
2となる。時刻t=0の時点での伝播面積は上述のように1.56m
2であるから、この時刻t=18秒の時点での伝播面積比は、1.56m
2/3.12m
2=0.5となる。よって、時刻t=18秒の時点での測点10Aでの水位は、伝播面積比0.5に、時刻t=0での測点10Aの水位0.5mmを乗じて、0.25mmと算定できる。
【0034】
それから更に18秒が経過後、すなわち隆起が生じた時刻t=0から36秒後には、測点10Aで隆起した水12の水面揺動は、測点10Aを中心に各方向に30.0m、すなわち計60mの範囲となる。この場合、
図21の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、上述の範囲内の水路20の長さ計60m×水路20の水面幅0.078=4.68m
2となる。この場合、時刻間での伝播面積の比率は、上述の時刻t=18秒の場合と同様に、3.12/4.68=0.6667、と算定できる。
【0035】
また、この時刻t=36秒での測点10Aでの水位は、この時刻t=36秒の時点での伝播面積比0.6667に、時刻t=18秒での測点10Aの水位0.25mmを乗じて、0.17mm、と算定できる。以下同様に、時刻t=54秒での測点10Aでの水位は、0.13mmとなる。
【0036】
同様に、上記の条件を上述のケース2すなわち本実施形態の開水路式変位計100(
図22参照)に適用した場合の結果を
図23〜
図27に示す。
図22の例の場合でも、隆起が生じた箇所の測点を測点10Aとする。また、隆起が生じた時刻t=0から18秒毎に、水面揺動が伝播する範囲も上述のケース1と同様とする。また、
図22に全容を示す開水路式変位計100のうち、上述の隆起が生じた以降の各時刻において、水面揺動が伝播した測点10、水路20、補助水路30の範囲のみを抽出し、それぞれ
図24(t=0秒)〜
図27(t=54秒)に示した。
【0037】
まず、時刻t=0の時点で隆起が生じている範囲は、
図24に示すように、測点10Aを中心に各方向に10.0m、すなわち計40mの範囲となる。また、この時点での伝播面積は、上述の範囲内の水路20の長さ計40m×水路20の水面幅0.078m=3.12m
2となる。
【0038】
また、時刻t=18秒の時点においては、
図25にて示すように、水面揺動は測点10Aを中心に各方向に20m、すなわち計40mの範囲に到達している。従って、この範囲にある水路20および補助水路30の区間数をカウントすると、16区間となる。
図23の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも10.0mである水路20および補助水路30が計16区間分となる長さに対応して、すなわち16(区間)×10.0m×水面幅0.078m=12.48m
2となる。この時点での伝播面積比は、上述の時刻t=0での伝播面積3.12m
2を、時刻t=18での伝播面積12.48m
2で除算して、0.25となる。また、この時の測点10Aでの水位は、伝播面積比0.25に、時刻t=0での測点10Aの水位0.5mmを乗じて、0.12mmと算定できる。
【0039】
それから更に18秒が経過後、すなわち隆起が生じた時刻t=0から36秒後には、測点10Aで隆起した水12の水面揺動は、測点10Aを中心に各方向に30.0m、すなわち計60mの範囲となる。この場合、この範囲にある水路20および補助水路30の区間数をカウントすると、36区間となる。そこで
図22の表に示すように、水面揺動の伝播面積は、単位長さがいずれも10.0mである水路20および補助水路30が計36区間分となる長さに対応して、すなわち36(区間)×10.0m×水面幅0.078m=28.08m
2となる。この場合、時刻間での伝播面積の比率は、上述の時刻t=18秒の場合と同様に、12.48/28.08=0.444、と算定できる。
【0040】
また、この時刻t=36秒での測点10Aでの水位は、この時刻t=36秒の時点での伝播面積比0.444に、時刻t=18秒での測点10Aの水位0.12mmを乗じて、0.06mm、と算定できる。以下同様に、時刻t=54秒での測点10Aでの水位は、0.03mmとなる。ケース1(従来型)に関して求められた測点10Aでの水位が、時刻t=36秒で、0.17mm、時刻t=54秒で、0.13mm、であったことを踏まえると、隆起した水位が低下、すなわち水面揺動が収束する速度は、本実施形態の開水路式変位計100の方が早いことがわかる。つまり、伝播速度Vが一定である以上、測点10Aでの隆起により生じた水面揺動は、伝播面積が広くなるほど、その収束は早くなる。
【0041】
以上、本実施形態によれば、構造物で生じた鉛直変位に伴う開水路式変位計での水面揺動を迅速に収束させ、落ち着いた水面において、開水路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。
【0042】
本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。