(57)【要約】      （修正有）【課題】水質を変化させず且つ撹拌せずに地下注入液の圧力を制御する方法及び装置を提供する。【解決手段】地下注入液Ｊを開閉弁V3付き注入管３が接続され且つ弾性袋体２が内蔵された密閉式タンク１内に充填し、弾性袋体２に一端が封止されてタンク１の壁を貫通する加圧管６の他端に所定圧力で膨張液Ｅを供給し、弾性袋体２の膨張によりタンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力に制御する。好ましくは、密閉式タンク１内の注入液Ｊを所定温度に保持すると共に加圧管６の他端から所定温度の膨張液Ｅを供給し、タンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力及び温度に制御する。更に好ましくは、注入液Ｊに密度の異なる複数のトレーサ粒子Ｓを混入し、注入管３の取入口3aを密閉式タンク１の上下中間部位まで挿入し、注入管３の取入口3aから注入液Ｊと共にその注入液Ｊ中に浮遊するトレーサ粒子Ｓを流出させる。【選択図】図２
2008202311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下注入液を開閉弁付き注入管が接続され且つ弾性袋体が内蔵された密閉式タンク内に充填し、前記弾性袋体に一端が封止されてタンク壁を貫通する加圧管の他端に所定圧力で膨張液を供給し、前記弾性袋体の膨張によりタンク及び注入管内の注入液を所定圧力に制御してなる地下注入液の圧力制御方法。
【請求項２】
請求項１の圧力制御方法において、前記密閉式タンク内の注入液を所定温度に保持すると共に前記加圧管の他端から所定温度の膨張液を供給し、前記タンク及び注入管内の注入液を所定圧力及び温度に制御してなる地下注入液の圧力制御方法。
【請求項３】
請求項２の圧力制御方法において、前記注入液に密度の異なる複数のトレーサ粒子を混入し、前記注入管の取入口を密閉式タンクの上下中間部位まで挿入し、前記注入管の取入口から所定圧力及び温度に制御された注入液と共にその注入液中に浮遊するトレーサ粒子を流出させてなる地下注入液の圧力制御方法。
【請求項４】
請求項３の圧力制御方法において、前記所定圧力及び温度に制御された注入液中で所望密度のトレーサ粒子が沈降する速度を算出し、前記タンク内の注入液を撹拌したのち前記所望密度のトレーサ粒子がタンク内頂端近傍から注入管の取入口直上まで沈降する時間にわたり注入管の開閉弁を開放してなる地下注入液の圧力制御方法。
【請求項５】
地下注入液を充填する密閉式注入液タンク、前記タンクに接続された開閉弁付き注入管、前記タンク壁を貫通する加圧管とその加圧管の一端を封止してタンク内に配置される弾性袋体、及び前記加圧管の他端に所定圧力で膨張液を供給する供給装置を備え、前記弾性袋体の膨張によりタンク及び注入管内の注入液を所定圧力に制御してなる地下注入液の圧力制御装置。
【請求項６】
請求項５の圧力制御装置において、前記供給装置に、前記加圧管の他端に接続され且つ膨張液が装填された密閉式膨張液タンクと、前記膨張液タンクから加圧管へ流出する膨張液の圧力を調整する調整手段とを含めてなる地下注入液の圧力制御装置。
【請求項７】
請求項６の圧力制御装置において、前記注入液と膨張液とを同じ所定温度に保温する恒温装置を設けてなる地下注入液の圧力制御装置。
【請求項８】
請求項７の圧力制御装置において、前記注入液を密度の異なる複数のトレーサ粒子が混入した注入液とし、前記注入管の取入口を密閉式タンクの上下中間部位まで挿入し、前記注入管の取入口から所定圧力及び温度に制御された注入液と共にその注入液中に浮遊するトレーサ粒子を流出させてなる地下注入液の圧力制御装置。
【請求項９】
請求項８の圧力制御装置において、前記注入液タンク内の注入液を撹拌する撹拌装置と、前記注入管の開閉弁の開閉を制御する開閉制御器とを設け、前記開閉制御器により、前記所定圧力及び温度に制御された注入液中で所望密度のトレーサ粒子が沈降する速度を調整し且つ前記撹拌装置で注入液タンク内を撹拌したのち前記所望密度のトレーサ粒子がタンク内頂端近傍から注入管の取入口直上まで沈降する時間にわたり流出孔を開放してなる地下注入液の圧力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地下注入液の圧力制御方法及び装置に関し、とくに地下注入液の圧力を撹拌することなく制御する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下構造物の安全性や周囲への影響を予測・評価するため、その周囲地盤の水理特性や地下水の流動特性を把握する水理試験が実施される。例えば地下の掘削により生じた周辺地盤の緩み領域の状況を評価するため、周辺地盤に穿ったボーリング孔内に注水ラインを介して一定の圧力で水又は塩水等の注入液を注入し、その単位時間当たりの注水量と注水圧力とから周辺地盤の透水係数を測定する水理試験（定常法等）が行われる（特許文献１及び特許文献２参照）。また、例えば地下数百〜千ｍ程度の安定した地層（天然バリア）中に高レベル放射性廃棄物の埋設処分場（地層処分場）を構築する場合に、放射能廃棄物が漏洩し得る天然バリア内を流れる地下水（低流速である場合が多い）の流動特性を精確に把握するため、地下水中にトレーサ導入ラインを介してトレーサを投入し、そのトレーサの三次元位置を位置検出センサ又は光学式撮像装置で追跡することによって天然バリア内の地下水の流向及び流速を測定する水理試験が行われる（特許文献３及び特許文献４参照）。
【０００３】
上述した地下地盤の透水係数を測定する水理試験等では、注水ラインの圧力制御が不可欠である。このため従来は、注入液を蓄えたタンクと注水ラインとを接続し、タンク内にポンプで気体（空気や窒素等）や液体（水や油等）を送入又は排出する方法によって注水ラインの圧力を制御することが多い。また、注水の急激な圧力変動を抑制するため、注水ラインをアキュムレータに接続し、アキュムレータにより注水圧力を制御する場合もある。アキュムレータは窒素ガス等の圧縮性を利用した蓄圧装置であり、圧力を蓄えて瞬間的に大量の注入液を注入ラインに供給したり、注水ラインの脈動や衝撃圧力を吸収したりすることが可能であり、省エネルギーや消音等の効果も見込むことができる。例えば特許文献２は、断面積の異なる２槽のアキュムレータに注入液を蓄えると共に各々を注水ラインに接続し、脈動を起こすことなく安定した注水を可能にすると共に、各アキュムレータに接続した流量計又は水位計によって注水量を高精度に測定する透水試験装置を開示している。
【０００４】
また、上述したトレーサを投入する水理試験等においても、トレーサ導入ラインの圧力制御が必要とされる場合がある。例えば特許文献４の地下水流向・流速計測方法では、図６に示すように、調査対象地盤40に掘削したボーリング孔41内に吊下げ装置45で吊り下げたパッカー43、44によって計測区間42を形成し、支持部材46により計測区間42内に整流板51と複数の位置検出センサ53（例えば超音波センサ）又は光学式撮像装置56とが取り付けられた計測ユニット50（同図（Ｂ）参照）を吊り下げ、トレーサ導入管52を介して計測区間42の地下水Ｇ中に微小トレーサ粒子Ｓを投入する。投入したトレーサ粒子Ｓを地下水Ｇの流れに沿って流動させつつ、流動するトレーサ粒子Ｓに例えば複数の位置検出センサ55から超音波を一定時間毎に送信して反射波（超音波エコー）を検出し、その検出データを信号伝送ユニット47及び伝送ライン49を介して計測装置48へ伝送し、計測装置48において検出データと地下水Ｇ中の音速とからトレーサ粒子Ｓの三次元的な連続移動位置を計測し、その計測結果に基づき地下水Ｇの流向及び流速を計測する。あるいは、整流板51の透明窓57を介してトレーサ粒子Ｓを撮影した光学式撮像装置56の画像データを計測装置48へ伝送し、その画像データからトレーサ粒子Ｓの三次元的な連続移動位置を計測する。
【０００５】
図６のような水理試験方法では、レーサ粒子Ｓの密度と地下水Ｇの密度との差が大きくなると地下水Ｇの精確な流向及び流速（とくに鉛直方向の流向及び流速）が計測できなくなるので、トレーサ粒子Ｓを計測対象の地下水Ｇの密度とほぼ一致するように調製する必要がある。しかし、トレーサ粒子Ｓは例えば粒径100〜150μｍ程度の微小粒子であり、このような微小粒子の密度を地下水Ｇの密度と精確に一致するように調製することは極めて困難である。このため従来は、ある密度範囲の多数のトレーサ粒子Ｓが混入された注入液を蓄えたタンクにトレーサ導入管52を接続し、上述した気体又は液体を送入する圧力制御方法によってタンク内の圧力を計測対象の地下水Ｇと同じ圧力に調整しつつ、その圧力の注入液に浮遊するトレーサ粒子Ｓのみをトレーサ導入管52へ導入することで、多数のトレーサ粒子Ｓの中から地下水Ｇと同等の密度のトレーサ粒子Ｓを分離・抽出して地下水Ｇに投入することが試みられている。すなわち、トレーサを投入する水理試験等では、所望密度のトレーサを分離・抽出するためにトレーサ導入ラインの圧力制御が必要とされる。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３８１９９１号公報
【特許文献２】特許第３０４４５０４号公報
【特許文献３】特開２００１−１８３４７１号公報
【特許文献４】特開２００２−１０７３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の気体又は液体を送入する圧力制御方法は、圧力調整用の気体又は液体が注入液に混入してしまう問題点がある。例えば地下地盤の極めて小さな測定区間の透水係数を測定する場合は、微小な注水流量を精確に測定するため微小流量計を用いる必要があり、注入液中に気泡があると微小流量計の測定値が大きく変動してしまうことから、脱気した注入液を用いることが望まれる。このように脱気注入液を用いた水理試験では、注入液に気体が混入するような圧力制御方法（気体を挿入する方法やアキュムレータを用いる方法）を使用することはできない。また、タンク内に液体を注入する方法も、その液体の混入によって注入液の脱気状態が変化し得るため、やはり適していない。脱気注入液のように水質が調整された注入液を用いる水理試験では、注入液の水質を変化させずに注入液の圧力を制御する必要がある。
【０００８】
また、従来の液体を送入する圧力制御方法は、圧力調整用の液体により注入液が撹拌されてしまう問題点もある。例えば、上述したように注入液に混入した多数のトレーサ粒子Ｓの中から浮遊しているトレーサ粒子Ｓのみを分離・抽出する場合に、圧力調整用の液体によってタンク内の注入液が撹拌されてしまうと、浮遊しているトレーサ粒子Ｓの分離・抽出ができなくなってしまう。気体を送入する圧力制御方法によれば注入液の撹拌を避けられるが、タンク内が高圧となるため、圧力が漏れた場合に気体が急激に噴出する等の危険があると共に、温度変化により注入液の粘度が変化して適切なトレーサ粒子Ｓが分離・抽出できなくなるおそれがある。地下水の流向及び流速の測定に適したトレーサ粒子Ｓを簡単且つ安全に分離・抽出するためには、撹拌せずに注入液の圧力を制御する必要がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、水質を変化させず且つ撹拌せずに地下注入液の圧力を制御する方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
図１の実施例を参照するに、本発明による地下注入液の圧力制御方法は、地下注入液Ｊを開閉弁V3付き注入管３が接続され且つ弾性袋体２が内蔵された密閉式タンク１内に充填し、弾性袋体２に一端が封止されてタンク１の壁を貫通する加圧管６の他端に所定圧力で膨張液Ｅを供給し、弾性袋体２の膨張によりタンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力に制御してなるものである。
【００１１】
好ましくは、密閉式タンク１内の注入液Ｊを所定温度に保持すると共に加圧管６の他端から所定温度の膨張液Ｅを供給し、タンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力及び温度に制御する。更に好ましくは、図２に示すように、注入液Ｊに密度の異なる複数のトレーサ粒子Ｓを混入し、注入管３の取入口3aを密閉式タンク１の上下中間部位まで挿入し、注入管３の取入口3aから所定圧力及び温度に制御された注入液Ｊと共にその注入液Ｊ中に浮遊するトレーサ粒子Ｓを流出させる。
【００１２】
また図１の実施例を参照するに、本発明による地下注入液の圧力制御装置は、地下注入液Ｊを充填する密閉式注入液タンク１、タンク１に接続された開閉弁V3付き注入管３、タンク１の壁を貫通する加圧管６とその加圧管６の一端を封止してタンク１内に配置される弾性袋体２、及び加圧管６の他端に所定圧力で膨張液Ｅを供給する供給装置10を備え、弾性袋体２の膨張によりタンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力に制御してなるものである。
【００１３】
好ましくは、供給装置10に、加圧管６の他端に接続され且つ膨張液Ｅが装填された密閉式膨張液タンク11と、膨張液タンク11から加圧管６へ流出する膨張液Ｅの圧力を調整する調整手段12、13、14（又は図２の調整手段15、16、17）とを含める。更に好ましくは、図２に示すように、注入液Ｊと膨張液Ｅとを同じ所定温度に保温する恒温装置21〜25を設ける。同図に示すように、注入液Ｊを密度の異なる複数のトレーサ粒子Ｓが混入した注入液とし、注入管３の取入口3aを密閉式タンク１の上下中間部位まで挿入し、注入管３の取入口3aから所定圧力及び温度に制御された注入液Ｊと共にその注入液Ｊ中に浮遊するトレーサ粒子Ｓを流出させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による地下注入液の圧力制御方法及び装置は、地下注入液Ｊを弾性袋体２が内蔵された注入管３付き密閉式タンク１内に充填したうえで、弾性袋体２に所定圧力で膨張液Ｅを供給し、弾性袋体２の膨張によりタンク１及び注入管３内の注入液Ｊを所定圧力に制御するので、次の顕著な効果を相する。
【００１５】
（イ）弾性袋体２が密閉式タンク１内の注入液Ｊと圧力調整用の膨張液Ｅとの混合を防ぐ遮蔽膜の役割を果たすので、注入液Ｊの水質を変化させることなく注入液Ｊの圧力を制御できる。
（ロ）水質を変化させることなく注入液Ｊの圧力を制御できるので、脱気注入液のように水質が調整された注入液Ｊや水質調整が困難である注入液Ｊ、又は貴重な物質を用いた注入液Ｊの圧力制御に有効に利用できる。
（ハ）また、弾性袋体２の緩やかな膨張によって密閉式タンク１内の圧力を制御するので、注入液Ｊを撹拌することなく注入液Ｊの圧力を制御できる。
（ニ）注入液Ｊを所定温度に保持すると共に所定温度の膨張液Ｅを供給して弾性袋体２を膨張させることにより、注入液Ｊの圧力だけでなく温度の制御も可能である。
（ホ）従って、密閉式タンク１内の圧力・温度が調整された注入液Ｊにトレーサ粒子Ｓを浮遊させながら所定密度のトレーサ粒子Ｓのみを分離・抽出するような注入液Ｊの圧力制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、脱気注入液Ｊを用いて地下地盤の透水係数を求める現場透水試験装置の圧力制御に本発明を適用した実施例の構成を示す。図示例の圧力制御装置は、注入液Ｊを脱気すると共に地下地盤に穿ったボーリング孔等に定圧で注入する装置であり、脱気注入液Ｊを蓄える密閉式注入液タンク１（1Lと1R）と、注入液タンク１の壁を貫通する加圧管６の一端を封止してタンク１内に配置される弾性袋体２（2Lと2R）と、膨張液Ｅを蓄え加圧管６の他端に接続される密閉式膨張液タンク11（11Lと11R）とをそれぞれ２セット装備している。各注入液タンク1L、1Rは、開閉弁V3L、V3Rを介して脱気注入液Ｊの注入管３に接続され、また開閉弁V4L、V4Rを介して真空ポンプ等の脱気装置５に接続されている。開閉弁V3L、V3Rを切り替えて各注入液タンク1L、1Rを交互に注入管３と接続することにより、一方の注入液タンク1Lの使用中に他方の注入液タンク1Rの注入液Ｊを補充・脱気することが可能である。以下、注入液タンク1Rを含む圧力制御装置の作用について説明するが、注入液タンク1Lを含む圧力制御装置の作用も同様である。
【００１７】
図示例の加圧管６には三方弁WLが設けられており、三方弁WLを大気開放側に切り替えることで弾性袋体2R内の圧力を開放して空気Ａを抜くことができ、加圧側に切り替えることで弾性袋体2Rを膨張液タンク11と接続することができる。図示例の注入液タンク1Rは、予め三方弁WLを大気開放側に切り替えて弾性袋体2Rの空気Ａを抜いたうえで、適当な方法で注入液Ｊを充填して密閉する。例えば注入液タンク1Rの頂部に２つの孔を設け、一方の孔から注入液Ｊを注入し、他方の孔から溢れ出るまで注入液Ｊを注入して充填したのち、両方の孔を閉鎖して密封する。あるいは、蓋付きの注入液タンク1Rに注入液Ｊを装填したのち、注入液Ｊを溢れさせながら弾性袋端2Rを押し入れたのち蓋を閉めて密閉する。注入液Ｊを充填したのち、開閉弁V4Rの開放により注入液タンク1Rを脱気装置５に接続して注入液Ｊの溶存酸素を脱気する。開閉弁V4Rは、脱気完了後に閉鎖する。
【００１８】
膨張液タンク11Rには、例えば水である膨張液Ｅを装填する。図示例の膨張液タンク11Rは、空圧を水圧に変換するマリオットタンクであり、膨張液タンク11Rの頂壁貫通の通気管12Rを所定水深まで挿入し、その通気管12Rの頂端にコンプレッサ13及びコンプレッサ13から通気管12に供給される空圧を調整するレギュレータ14を接続している。レギュレータ14を介して通気管12Rの底端（膨張液Ｅへの挿入端）に所定空圧を加えることで、膨張液タンク11Rで加圧された膨張液Ｅを所定圧力で加圧管６及び注入液タンク1Rの弾性袋体2Rへ送り、弾性袋体2Rを介して注入液タンク1R内の脱気注入液Ｊを加圧する。すなわち図示例では通気管12とコンプレッサ13とレギュレータ14とが、膨張液タンク11から加圧管６へ流出する膨張液Ｅの圧力を調整する手段として機能する。
【００１９】
弾性袋体2Rの膨張により加圧される注入液タンク1R内の脱気注入液Ｊは、このとき開放される開閉弁V3Rを介して注入管３へ送られ、注入管３を介して地下地盤のボーリング孔等に注入される。本発明は、膨張液タンク（マリオットタンク）11R内の膨張液Ｅの直接的導入ではなく、遮蔽膜となる弾性袋体2Rを介して間接的に注入液タンク1Rを加圧するので、注入液Ｊに膨張液Ｅが混入することがなく、脱気注入液Ｊの性質を変えることなく注入管３へ送り込むことが可能である。従って、例えば注入管３に設けた微小流量計（図示せず）により注入流量を高い精度で測定することが可能であり、その注入流量とレギュレータ14で調整された注入圧力とから、岩盤中に掘削された空洞周辺の緩み領域等の極めて小さい測定区間の透水係数を精度よく把握することができる。
【００２０】
図２は、低流速の地下水Ｇ中にトレーサを投入して流向及び流速を測定する測定装置の圧力制御に適用した本発明の他の実施例を示す。図示例の圧力制御装置は、トレーサ粒子Ｓが混入した注入液Ｊ（例えば水や塩水）を充填する密閉式注入液タンク１と、膨張液Ｅ（例えば水）を充填する密閉式膨張液タンク11と、一端が膨張液タンク11に接続された他端が注入液タンク１内の弾性袋体２に封止された加圧管６とを有し、更に注入液Ｊと膨張液Ｅとを同じ所定温度に保温する恒温装置を有している。
【００２１】
図示例の恒温装置は、温度調整水Ｈを所定温度に加熱又は冷却する恒温循環水槽21と、注入液タンク１及び膨張液タンク11をそれぞれ浸漬する温度調整槽22、23と、恒温循環水槽21と各温度調整槽22、23との間で温度調整水Ｈを循環させる循環ライン24、25（供給ライン24と戻りライン25とからなる）とにより構成されており、温度調整水Ｈの循環により注入液タンク１の注入液Ｊと膨張液タンク11の膨張液Ｅとを例えば測定対象の地下水Ｇと同等の温度に保温する。注入液タンク１及び膨張液タンク11の全体を温度調整槽22、23内に浸漬することで、注入液Ｊ及び膨張液Ｅをそれぞれ撹拌することなく保温できる。ただし、恒温装置の構成は図示例に限定されず、注入液タンク１内の注入液Ｊが撹拌されない恒温装置であれば足り、膨張液Ｅは撹拌しながら保温してもよい。
【００２２】
注入液タンク１には、図１の場合と同様に予め三方弁WLを介して弾性袋体2Rの空気Ａを抜いたのち、トレーサ粒子Ｓ及び注入液Ｊを充填して密閉する。トレーサ粒子Ｓの一例は、特許文献４の場合と同様に、比重が１より小さい粒径100〜150μｍ程度の樹脂製球体を比重が１より大きい有機系物質で被覆し、測定対象の地下水Ｇとほぼ同じ密度（比重）となるように調製したものである。地下水Ｇとほぼ同じ密度の単一材料を用いてトレーサ粒子Ｓを調製してもよい。また図示例の注入液タンク１は、注入液Ｊ中で沈殿したトレーサ粒子Ｓを撹拌するため、タンク１内を撹拌する撹拌装置26を有している。図示例の撹拌装置26は、注入液タンク１の底端の貫通孔に接続したエア吹かし管27と、エア吹かし管27に接続したコンプレッサ28とを有し、タンク１の底端に空気Ａを送り込むことで沈殿したトレーサ粒子Ｓを撹拌する。空気Ａを送り込む際には、例えば注入管３の開閉弁V3（又は図４に示す空気抜きナット８）を開放して注入液タンク１を大気開放にすることができる。また、空気Ａの送り込みに代えて、撹拌装置26を注入液タンク１内で回転する撹拌翼又はマグネチックスターラ等としてもよい。
【００２３】
注入液タンク１内のトレーサ粒子Ｓ及び注入液Ｊを撹拌装置26で撹拌したのち、撹拌装置26を停止して膨張液タンク11から弾性袋体２に膨張液Ｅを送り込む。膨張液タンク11には、膨張液Ｅが充填されると共にその加圧管６への供給圧力を調整する調整手段が設けられている。図示例の調整手段は、膨張液タンク11に膨張液Ｅを送入する送入管15及びポンプ16と、ポンプ16から送入管15に供給される膨張液Ｅの圧力（流量）を調整するレギュレータ17とで構成されている。レギュレータ17を介して膨張液タンク11内に所定圧力で膨張液Ｅを送り込むことにより、膨張液タンク11の膨張液Ｅを所定圧力で加圧管６へ送り、弾性袋体２を介して注入液タンク１内の注入液Ｊを加圧する。例えば、レギュレータ17により測定対象の地下水Ｇと同等の圧力（例えば10MPa程度）で膨張液Ｅを送り込み、注入液タンク１内の注入液Ｊを地下水Ｇと同等の圧力に加圧する。
【００２４】
注入液タンク１には注入管３の取入口3aが上下中間部位まで挿入されており、例えば弾性袋体2Rの膨張によって注入液タンク１が地下水Ｇと同等の圧力まで加圧された段階で注入管３の開閉弁V3を開放することにより、加圧された注入液Ｊをその中に浮遊するトレーサ粒子Ｓと共に取入口3aから注入管３に取り込み、注入管３を介してボーリング孔41（図３参照）内の地下水Ｇ中に注入する。弾性袋体２を介して注入液タンク１の圧力を制御する本発明では、注入液タンク１の加圧時に注入液Ｊのトレーサ濃度が希釈されず、しかも注入液Ｊを撹拌することなく注入液タンク１を地下水Ｇと同等の圧力及び温度環境とすることができ、その環境下で浮遊状態にあるトレーサ粒子Ｓのみを取入口3aから注入管３に取り込むことができる。すなわち、トレーサ粒子Ｓを浮遊させながら注入液タンク１の圧力を制御し、地下水Ｇとほぼ同じ密度のトレーサ粒子Ｓのみを選択的に分離・抽出して地下水Ｇに注入することが可能である。地下水Ｇとほぼ同じ密度のトレーサ粒子Ｓを用いることで、例えば10-5〜10-10m/s程度の極めて低流速の地下水Ｇの流速・流向を精確に調査することが可能となる。
【００２５】
こうして本発明の目的である「水質を変化させず且つ撹拌せずに地下注入液の圧力を制御する方法及び装置」を達成することができる。
【実施例１】
【００２６】
図３は、例えば地下数百〜千ｍ程度に構築する放射性廃棄物の地層処分場の周囲の天然バリア内を流れる地下水の流向及び流速を測定するため、図２に示す圧力制御装置を試作した実施例を示す。同図に示す圧力制御装置の試作機を用いて、本発明により地下水Ｇとほぼ同じ密度のトレーサ粒子Ｓを分離・抽出できることを確認する実験を行った。図示例の圧力制御装置は、高さh1＝0.9ｍの密閉式の注入液タンク１及び膨張液タンク11と、それらの注入液タンク１及び膨張液タンク11を浸漬する蓋付き温度調整槽22、23と、循環ライン24、25を介して温度調整槽22、23に循環させる温度調整水Ｈを地下水Ｇと同等の温度（実験では27℃）に保温する恒温循環水槽21とを備えている。
【００２７】
膨張液タンク11には、膨張液Ｅとして水道水を満水に充填し、レギュレータ17を介して定流量ポンプ16に接続された送入管15を取り付けた。図示例の送入管15には、安全のため、管内の圧力が１MPa以上になると管内から排水される安全弁（圧力逃がし弁）18が設置されている。また注入液タンク１及び膨張液タンク11には、それぞれタンク内の上部、中間部、及び下部の温度計測用のセンタ本体7a、7b、7cを有する温度センサ７を設置した。
【００２８】
実験で用いた注入液タンク１の詳細を図４に示す。同図（Ａ）に示すように、注入液タンク１の蓋部1aには三方弁Ｗ及び開閉弁V1付きの加圧管６、開閉弁V2付き注入管３、及び温度センサ７を貫通させ、加圧管６の内側端には２つの分岐を設け、各分岐端にそれぞれ弾性袋体２として最大径120cmのゴム製風船（エクセルポイント社製のジャイアントバルーン）を取り付けた。また、蓋部1aの接続ネジ等による弾性袋体２の破損を避けるため、弾性袋体２を保護被覆９（実験ではビニール製の袋を使用）で保護した。注入液タンク１の本体部には、同図（Ｂ）に示すように、実験で用いるボーリング孔41の水深506ｍから採水した孔内水の塩度・孔内温度分布・水深から予想した間隙水圧を参考にして、平均密度＝1.0087（g/cm3）の複数のトレーサ粒子Ｓが混入した注入液Ｊ（実験では水道水）を満水に充填した。
【００２９】
図４（Ａ）の蓋部1aの加圧管６の開閉弁V1を開放すると共に三方弁Ｗを大気開放側に切り替えたうえで、蓋部1aの弾性袋体２を同図（Ｂ）の本体部内にトレーサ混入注入液Ｊを溢れさせながら押し入れ、同図（Ｃ）に示すように蓋部1aを本体部にネジ等で接続して密閉する。弾性袋体２は、注入液Ｊへ押し入れる際に押圧されて空気Ａを抜くことができる。また注入管３の取入口3aは、注入液タンク１の頂端から距離h2だけ隔てた部位となるように調節した。次いで注入液タンク１及び膨張液タンク11をそれぞれ温度調整槽22、23内に浸漬し（図３参照）、温度センサ７により注入液Ｊ及び膨張液Ｅがそれぞれ所定温度（実験では27℃）で安定したことを確認したのち、加圧管６の開閉弁V1を閉鎖すると共に三方弁Ｗを加圧側に切り替え、定流量ポンプ16を作動させてレギュレータ17により加圧管６の圧力計19Aが所定圧力（実験では0.7MPa）となるように調整した。
【００３０】
注入液Ｊ及び膨張液Ｅが所定温度で安定したのち、注入液タンク１の温度調整槽22の循環ライン24、25の開閉弁V20、V22を一時的に閉鎖し、ポンプ等で温度調整槽22の温度調整水Ｈを温度調整槽23又は恒温循環水槽21に移して温度調整槽22の水位を下げた。このように温度調整槽22の水位を下げた状態においても、温度調整槽23の温度調整水Ｈは恒温循環水槽21に循環させて所定温度に維持する。この水位を下げた状態で、注入管３の空気抜きナット８（図４参照）を緩めて注入液タンク１を大気開放とし、コンプレッサ28によりエア吹かし管27から注入液タンク１の底端に空気Ａ（実験ではコンプレッサ圧＝0.2MPa）を約２分間送り込んで沈殿したトレーサ粒子Ｓを撹拌する。必要に応じて、この水位を下げた状態で加圧管６の三方弁Ｗを再び大気開放側に一時的に切り替え、弾性袋体２の空気Ａを開放してもよい。撹拌終了後、注入管３の空気抜きナット８を締めると共に必要に応じて加圧管６の三方弁Ｗを加圧側に切り替え、開閉弁V20、V22を開放して温度調整槽22の水位を元に戻す。
【００３１】
その後、注入管３の開閉弁V2を閉鎖したうえで、加圧管６の開閉弁V1を開放して膨張液タンク11の膨張液Ｅを注入液タンク１の弾性袋体２に送り込み、注入液タンク１の注入液Ｊを所定圧力（実験では0.7MPa）に加圧した。加圧管６の圧力計19Aが所定圧力（0.7MPa）で安定したことを確認したのち、注入管３の開閉弁V1を開放して注入液タンク１の注入液Ｊを浮遊するトレーサ粒子Ｓと共に注入管３に取り込み、注入管３に取り込んだトレーサ粒子Ｓをボーリング孔41（図３参照）内の水深506ｍの地下水Ｇ中に注入した。注入されたトレーサ粒子Ｓの三次元的な連続移動位置を図６の位置検出センサ55で検出し、その計測結果に基づき地下水Ｇの流向及び流速を計測する実験を行った。
【００３２】
図２の実施例では、膨張液Ｅにより注入液タンク１を地下水Ｇと同等の圧力（例えば10MPa程度）に加圧し、その環境下で浮遊するトレーサ粒子Ｓを地下水Ｇとほぼ同じ密度のトレーサ粒子Ｓとして分離・抽出しているのに対し、本実験では注入液タンク１を0.7MPa程度に加圧することとした。その理由は、（１）たしかに注入液タンク１を地下水Ｇと同等の圧力に加圧すれば、地下水Ｇとほぼ同じ密度でバラツキの小さいトレーサ粒子Ｓを分離・抽出できる可能性は高いが、実際の地下水Ｇの環境と注入液タンク１の圧力環境とが厳密に一致しているかは不明であり、分離・抽出したトレーサ粒子Ｓが実際の地下水Ｇ中で浮遊しない場合が経験されたからである。また、（２）注入前に注入液タンク１を地下水Ｇと同等の10MPa程度に加圧することは可能であるが、注入管３の開閉弁V3（例えば電磁バルブ）の使用可能差圧との関係で注入時には注入液タンク１を0.7MPa程度までしか加圧することができず、注入前の10MPa程度で浮遊しているトレーサ粒子Ｓが注入時の0.7MPa程度では沈降又は浮上してしまい、分離・抽出できないおそれがあるからである。
【００３３】
本発明者は、様々なトレーサ粒子Ｓを用いた実験研究の結果、実際の地下水Ｇと同じ密度の最適トレーサ粒子Ｓを分離・抽出するためには、その最適トレーサ粒子Ｓのみを分離・抽出するのでなく、より密度分布幅の広いトレーサ粒子Ｓの群を分離・抽出することが有効であるとの知見を得た。そして、最適トレーサ粒子Ｓの沈降又は浮上の速度を考慮すれば、注入液タンク１を開閉弁V3の使用可能差圧である0.7MPa以下に加圧した状態でも、最適トレーサ粒子Ｓを含む密度分布幅の広いトレーサ粒子Ｓの群を分離・抽出できるとの知見を得た。
【００３４】
すなわち、図５（Ａ）のように注入液タンク１の注入液Ｊ中で沈殿した状態の最適トレーサ粒子Ｓは、十分撹拌すれば同図（Ｂ）のように注入液タンク１内の全体に分布する。その後、注入液タンク１の圧力及び温度と注入液Ｊの密度（比重）とに応じて最適トレーサ粒子Ｓは徐々に沈降又は浮上するが、その沈降又は浮上の速度ｖ（以下、単に沈降速度ｖということがある）はストークスの式を用いて(1)式にように表すことができる。(1)式においてｇは重力加速度（＝9.81m/s2）、ρSは最適トレーサ粒子Ｓの密度（実験では1008.7kg/m3＝1.0087g/cm3）、ｄSは最適トレーサ粒子Ｓの粒径（実験では0.00015ｍ＝150μｍ）、μWは注入液Ｊ（実験では水）の粘度（＝0.000797Pa・s）、ρWは注入液タンクＪの圧力に応じて(2)式により定まる注入液Ｊの密度（kg/m3）である。また(2)式において、x1は地下水Ｇの温度（実験では27℃）、x2は地下水Ｇの塩分濃度（実験では14.8021g/L）、x3は注入液タンクＪの圧力（水頭換算値（ｍ））である。
［数１］
ｖ＝ｇ（ρS−ρW）ｄS2／18μW  ………………………………………………………(1)
ρW（g/cm3）＝−0.0002382x1＋0.000755525x2
＋0.0000044141x3＋1.002863875  ……………………………(2)
【００３５】
本実験では、図５（Ｂ）に示すように攪拌時の注入液タンク１の圧力は０MPaであるから最適トレーサ粒子Ｓの沈降速度v1＝1.08ｍ／時であり、そののち注入液タンク１は同図（Ｃ）に示すように膨張液タンク11の膨張液Ｅにより加圧されて0.7MPaとなるから最適トレーサ粒子Ｓはより緩やかな沈降速度v2＝0.77ｍ／時となる。注入液タンク１の圧力が０MPaから0.7MPaまで加圧される時間t1に、最適トレーサ粒子Ｓは距離h3（＝v1×t1）だけ沈降している。従って、注入液タンク１の圧力及び温度（実験では0.7MPa、27℃）の注入液Ｊ中で最適トレーサ粒子Ｓが沈降する速度v2（＝0.77ｍ／時）を予め算出しておき、同図（Ｄ）に示すように注入液タンク１内の頂端近傍（図示例ではタンク頂端より距離h3だけ下方部位）から注入管３の取入口3aの直上（図示例ではタンク頂端より距離h2だけ下方部位、或いはそれより数cm上方部位）まで沈降する時間ｔ（＝（h2−h3）／v2＝h4／v2）にわたり注入管３の開閉弁3aを開放しておけば、最適トレーサ粒子Ｓを含む密度分布幅の広いトレーサ粒子Ｓの群を分離・抽出することができる。
【００３６】
例えば図３に示すように、注入管３の開閉弁3aの開閉を制御する開閉制御器30を設け、その開閉制御器30の記憶手段31に前述した最適トレーサ粒子Ｓが沈降する速度v1、v2を記憶し、その開閉制御器30の記憶手段32に注入液タンク１の圧力が安定するまでの時間t1と、注入液タンク１の頂端から注入管３の取入口3aまでの距離h2とを記憶しておけば、開閉制御器30によって最適トレーサ粒子Ｓが注入液タンク１内の頂端近傍から注入管３の取入口3aの直上まで沈降する時間ｔ（＝（h2−（v1×t1））／v2）にわたり注入管３の開閉弁3aを開放し、最適トレーサ粒子Ｓを含むトレーサ粒子Ｓの群を分離・抽出できる。本発明者は、実際に図３の試作機を用いて注入管３の開閉弁3aを時間ｔにわたり開放して分離・抽出したトレーサ粒子Ｓをボーリング孔41の水深506ｍの地下水Ｇに注入し、図６の位置検出センサ55を用いて観察したところ、地下水Ｇの１cc当たり７〜８個のトレーサ粒子Ｓが浮遊していることを確認することができた。この実験結果から、本発明により地下水Ｇとほぼ同じ密度の最適トレーサ粒子Ｓを分離・抽出できることを確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明装置の一実施例の構成を示す図式的説明図である。
【図２】本発明装置の他の実施例の構成を示す図式的説明図である。
【図３】図２の実施例の試作機の説明図である。
【図４】図３の試作機で用いた注入液タンクの詳細を示す説明図である。
【図５】図３の試作機による圧力制御方法の一例の説明図である。
【図６】従来の地下水流向・流速計測装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…密閉式注入液タンク            ２…弾性袋体
３…注入管                        3a…注入管の取入口
４…脱気管                        ５…脱気装置（真空ポンプ）
６…加圧管                        ７…温度センサ
7a〜7c…センサ本体                ８…空気抜きナット
９…保護被覆（保護袋）            10…供給装置
11…密閉式膨張液タンク            12…通器官
13…コンプレッサ                  14…レギュレータ
15…送入管                        16…ポンプ
17…レギュレータ                  18…安全弁（圧力逃がし弁）
19A、19B…圧力計（ブルドン管）    20…恒温装置
21…恒温循環水槽                  22…温度調整槽
23…温度調整槽                    24…循環ライン
25…循環ライン                    26…撹拌装置
27…エア吹かし管                  28…コンプレッサ
30…開閉制御器                    31…速度記憶手段
32…位置記憶手段
40…地盤                          41…ボーリング孔
42…計測区間                      43…上部パッカー
44…下部パッカー                  45…吊下げ装置
46…支持部材                      47…信号伝送ユニット
48…計測装置                      49…伝送ライン
50…計測ユニット                  51…整流板
52…トレーサ導入管                53…位置検出センサ（超音波センサ）
54…同軸ケーブル                  55…基準反射板
56…光学式撮像装置                57…透明窓
Ａ…空気                          Ｅ…膨張液
Ｇ…地下水                        Ｈ…温度調整水
Ｓ…トレーサ粒子                  Ｖ…開放弁
Ｗ…三方弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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