(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
斜面における地表面から表土層を貫通して先端部がすべり面より下に達するように埋設されるセンサポールと、
前記センサポールに対して、先端部に設けた基準傾斜センサ、及び表土内のすべり面から地表面にかけて間欠的に複数設けた傾斜センサと、
前記センサポールの上端に設置され、前記傾斜センサの傾きを送信する通信手段と、
前記センサポールが撓ったときに前記通信手段から受信した前記傾斜センサの傾きのうち、一の傾斜センサの傾きとその一方に隣接する他の傾斜センサの傾きとから一の傾斜センサの座標を算出する制御装置と、を有し、
前記傾斜センサは、前記センサポールに対して、先端部に基準傾斜センサ、表土内のすべり面寄りの位置に第１傾斜センサ、及び表土内の地表面寄りの位置に第２傾斜センサが設けられ、
前記制御装置は、前記第１傾斜センサが前記第１傾斜センサの傾きと前記基準傾斜センサの傾きの中間だけ前記基準傾斜センサから傾いた位置にあると推定し、前記第２傾斜センサが前記第２傾斜センサの傾きと前記第１傾斜センサの傾きの中間だけ前記第１傾斜センサから傾いた位置にあると推定する、
ことを特徴とする斜面変位量測定システム。
【請求項２】
前記センサポールは、先端部に凹凸構造を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の斜面変位量測定システム。
【請求項３】
前記センサポールは、前記斜面に対して垂直方向に埋設される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の斜面変位量測定システム。
【請求項４】
前記傾斜センサの変位前の位置座標と、変位後の位置座標の座標差から、変位ベクトルを算出して可視化する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の斜面変位量測定システム。
【請求項５】
前記斜面に対して前記センサポールが複数埋設され、それぞれの前記通信手段から一の制御装置に送受信される、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の斜面変位量測定システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記傾斜センサから定期的に傾きを受信し、前記斜面の表土の移動量を時系列的に算出して、斜面崩壊の兆候を検知する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の斜面変位量測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、斜面の表層を覆っている土壌の移動量を検出する斜面変位量測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地上の土壌構造としては、地層の最上層に表土が覆われており、山などの斜面においては、豪雨などによって、表土層とその下の層との間をすべり面として表土が崩れ落ちる表層崩壊などの土砂災害が発生することがある。そのため、斜面にワイヤ式変位センサなどを設置して、ワイヤが伸縮することで地すべり等の表層崩壊を検知したり、亀裂など表土の僅かな変位を検出して大規模な表層崩壊に発展する前に予防したりしている。
【０００３】
また、斜面に傾斜計などを設置して傾きの変動により表層崩壊を検知したり、加速度センサなどを設置して表土の移動を検知したり、ひずみゲージ等で間隙水圧を測定することにより表層崩壊を予測したりしている。特許文献１に記載されているように、センサを備えた管を埋設して地すべりなどによる地盤の傾斜・変位を測定する傾斜計装置の発明も開示されている。
【０００４】
各種センサは斜面の複数箇所に設置され、無線などの通信手段を介して収集され、さまざまな分析をすることで表層崩壊を予測している。特許文献２に記載されているように、斜面に分散させたセンサから測定データを収集して斜面の崩壊の予兆を検知する斜面崩壊予兆検知システムの発明も開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３に記載されているように、リアルタイムに取得される斜面状態を監視して測定対象地点の崩壊危険予兆を具体的に把握することができる崩壊危険報知サービス情報提供装置の発明も開示されている。同様に、斜面の崩壊の危険度をリアルタイムで評価して危険度が高くなったときに警報する発明（特許文献４）や、斜面崩壊を予測する斜面監視システム（特許文献５）なども開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１６９７０５号公報
【特許文献２】特開２０１７−１３４０１９号公報
【特許文献３】特許第５８０４０３４号公報
【特許文献４】特開２０１８−１９５１１１号公報
【特許文献５】特開２０１９−１０５１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術においては、斜面にセンサを設置して地表面の傾斜や土壌の変位などを測定することで地すべり等の表層崩壊を予測しているが、例えば、センサごと表土がスライド移動して傾きの変動が少ない等、センサによっては斜面の表土が移動したことを検出できない場合がある。また、センサごと表土が流されてセンサが回収不能になる場合もある。
【０００８】
そこで、本発明は、斜面の表土の移動量を時系列的に取得することで斜面崩壊の兆候を検知する斜面変位量測定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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明である斜面変位量測定システムは、斜面における地表面から表土層を貫通して先端部がすべり面より下に達するように埋設されるセンサポールと、前記センサポールに対して、先端部に設けた基準傾斜センサ、及び表土内のすべり面から地表面にかけて間欠的に複数設けた傾斜センサと、前記センサポールの上端に設置され、前記傾斜センサの傾きを送信する通信手段と、を有し、前記センサポールが撓ったときに前記通信手段から受信した制御装置は、前記傾斜センサのうち、一の傾斜センサの傾きとその一方に隣接する他の傾斜センサの傾きとから一の傾斜センサの座標を算出する、ことを特徴とする。
【００１０】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記センサポールは、先端部に凹凸構造を備える、ことを特徴とする。
【００１１】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記センサポールは、前記斜面に対して垂直方向に埋設される、ことを特徴とする。
【００１２】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記傾斜センサは、前記センサポールに対して、先端部に基準傾斜センサ、表土内のすべり面寄りの位置に第１傾斜センサ、及び表土内の地表面寄りの位置に第２傾斜センサが設けられ、前記制御装置は、前記第１傾斜センサが前記第１傾斜センサの傾きと前記基準傾斜センサの傾きの中間だけ前記基準傾斜センサから傾いた位置にあると推定し、前記第２傾斜センサが前記第２傾斜センサの傾きと前記第１傾斜センサの傾きの中間だけ前記第１傾斜センサから傾いた位置にあると推定する、ことを特徴とする。
【００１３】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記傾斜センサの変位前の位置座標と、変位後の位置座標の座標差から、変位ベクトルを算出して可視化する、ことを特徴とする。
【００１４】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記斜面に対して前記センサポールが複数埋設され、それぞれの前記通信手段から一の制御装置に送受信される、ことを特徴とする。
【００１５】
前記斜面変位量測定システムにおいて、前記制御装置は、前記傾斜センサから定期的に傾きを受信し、前記斜面の表土の移動量を時系列的に算出して、斜面崩壊の兆候を検知する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、斜面の表土の移動量から斜面崩壊の兆候を検知することができる。センサポールの先端部が抜けにくい凹凸構造を成しており、そこを基準位置として固定することにより、表土の移動に伴ってセンサポールが撓るので、センサポール内に配置された傾斜センサの変位を見ることで、表土の移動量を把握することができる。斜面の複数地点にセンサポールを設置することで、亀裂の発生箇所の推定や斜面崩壊の範囲と規模の危険性を予測することも可能となる。亀裂発見後に斜面にワイヤを張って亀裂幅を測定する必要もないので、安全性や経済性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明である斜面変位量測定システムの使用状況を説明する概観図である。
【図２】本発明である斜面変位量測定システムにおける各装置の設置を説明する概観図である。
【図３】本発明である斜面変位量測定システムにおける計測装置を示す斜視図である。
【図４】本発明である斜面変位量測定システムにおける斜面変位量の検出方法を示す概観図である。
【図５】本発明である斜面変位量測定システムにおける傾斜センサの位置の算出方法を説明する図である。
【図６】本発明である斜面変位量測定システムの通信制御を説明する図である。
【図７】本発明である斜面変位量測定システムにおけるセンサポールを実際に曲げたときの傾斜角度を時系列で計測したグラフである。
【図８】本発明である斜面変位量測定システムにおける傾斜角度からの位置算出について示す図である。
【図９】本発明である斜面変位量測定システムにおいて算出した位置の誤差を比較した表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１９】
本発明である斜面変位量測定システムについて説明する。図１は、斜面変位量測定システムの使用状況を説明する概観図である。図２は、各装置の設置を説明する概観図である。図３は、計測装置を示す斜視図である。図４は、斜面変位量の検出方法を示す概観図である。図５は、傾斜センサの位置の算出方法を説明する図である。図６は、通信制御を説明する図である。
【００２０】
図１に示すように、斜面変位量測定システム１００は、山などの斜面２００に複数の計測装置１１０を間欠的に設置して、各計測装置１１０から位置座標を取得することにより、斜面２００の変位量を測定する。計測装置１１０は、範囲的に追跡監視するために、例えば、格子状や千鳥足状のように多点設置する。
【００２１】
図２に示すように、斜面変位量測定システム１００は、斜面２００における地表面２３０から表土層２１０を貫通して先端部がすべり面２４０より下に達するように、計測装置１１０が埋設される。なお、斜面２００に対して複数の計測装置１１０が埋設され、各計測装置１１０の位置座標が通信手段を介して中継装置１２０に送信される。
【００２２】
図３に示すように、計測装置１１０は、斜面２００に突き刺されるセンサポール３００、センサポール３００に複数間欠的に設けた傾斜センサ、センサポール３００の上端に設置された制御装置４００、及び電源５００などを有する。なお、中継装置１２０も計測装置１１０と同様の構造であり、複数の計測装置１１０のうち、いずれか１つを中継装置１２０にしても良い。
【００２３】
センサポール３００は、細長い金属製の棒であり、先端部３１０は、ネジ山など抜けにくいように凹凸構造にすれば良い。地面に突き刺すことが可能な程度の強度を有し、横から強い力が掛かったときに撓る程度の弾力性を有する。傾斜センサを設けるために内部が中空の筒状のパイプにすれば良い。なお、センサポール３００として、ポリ塩化ビニル等の樹脂製パイプを用いても良い。
【００２４】
制御装置４００は、センサポール３００内に設けた複数の傾斜センサの傾きから傾斜センサの位置座標を算出し、ＬＰＷＡ（低消費電力で広域な無線通信）等の通信手段を利用して中継装置１２０に送信したり、インターネット等の通信ネットワークを利用してサーバ（クラウドを含む）に送信したりする。なお、これらの通信手段は、双方向通信機能を備えていれば良い。
【００２５】
電源５００としては、例えば、乾電池やソーラーパネル５１０等を用いれば良い。なお、天気が悪いときや夜間など太陽光が得られない場合のために、蓄電池や充電器などを備えても良い。
【００２６】
図４に示すように、センサポール３００を斜面２００の地表面２３０に対して垂直方向に掘削した穴に挿入する。表土層２１０を貫通させて、先端部３１０を表土層２１０と基盤層２２０の境界と推定されるすべり面２４０よりも先に到達させる。なお、すべり面２４０までの深さは、事前にドリル等で掘削したときの感触から推定しても良い。また、土質の変化から推定しても良い。センサポール３００の設置方向は、斜面の状況に応じて、重力方向や水平方向に埋設しても良い。
【００２７】
斜面２００の崩壊は、人工斜面で１〜２メートル、自然斜面で２〜３メートルが一般的である。そのため、センサポール３００は、例えば、２〜４メートルのように、表土層２１０の深さよりも長くする必要がある。なお、センサポール３００は、延長可能に構成しても良い。センサポール３００の上端に存在する制御装置４００及び電源５００等は、地表面２３０よりも上に出る。
【００２８】
センサポール３００には、先端部３１０に基準傾斜センサ６００と、表土内のすべり面２４０から地表面２３０にかけて間欠的に複数の傾斜センサが設けられる。例えば、１メートル間隔で傾斜センサを設けても良いし、表土内のすべり面寄り位置３２０に第１傾斜センサ６１０、表土内の地表面寄り位置３３０に第２傾斜センサ６２０を設けても良い。各センサ間の寸法を予め計測しておき、解析において使用する。
【００２９】
先端部３１０に設けた基準傾斜センサ６００は、基盤層２２０内に固定されることで、位置座標が一定となる。斜面２００に亀裂２５０などが生じ、すべり面２４０に沿って表土が移動すると、それに伴い、センサポール３００が撓った状態になる。
【００３０】
図５に示すように、センサポール３００内の傾斜センサ（基準傾斜センサ６００を含む）は、移動後の位置座標を直接取得するものではなく、センサポール３００が撓ることで変動した傾きを取得する。傾きは、湾曲したセンサポール３００の接線として得られる。なお、重力方向に対する傾きを取得しても良いし、斜面２００に対してセンサポール３００を垂直方向に埋設した時と比較して相対的に変化した傾きを取得しても良い。
【００３１】
制御装置４００は、複数の傾斜センサから取得した傾きから、各傾斜センサの位置座標を算出する。例えば、基準傾斜センサ６００の基準位置座標をＰ０（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）とし、第１傾斜センサ６１０の傾きｍ０から位置座標Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）及び第２傾斜センサ６２０の傾きｍ０から位置座標Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を初期値として算出しておく。
【００３２】
なお、基準傾斜センサ６００、第１傾斜センサ６１０、及び第２傾斜センサ６２０は、一直線上にあるので、基準傾斜センサ６００から第１傾斜センサ６１０及び第２傾斜センサ６２０までの距離と方向から位置座標Ｐ１及びＰ２が算出可能である。
【００３３】
表土が移動してセンサポール３００に撓りが生じたときに、第１傾斜センサ６１０の傾きｍ１、及び第２傾斜センサ６２０の傾きｍ２を取得する。制御装置４００は、基準傾斜センサ６００及び傾斜センサ６１０、６２０のうち、一の傾斜センサの傾きとその一方に隣接する他の傾斜センサの傾きとから一の傾斜センサの座標を算出する。
【００３４】
すなわち、第１傾斜センサ６１０が第１傾斜センサ６１０の傾きｍ１と基準傾斜センサ６００の傾きｍ０の中間（２分の１）だけ基準傾斜センサ６００から傾いた位置にあると推定し、第１傾斜センサ６１０までの距離と方向から位置座標Ｐ１’（Ｘ１’，Ｙ１’，Ｚ１’）を算出する。
【００３５】
また、第２傾斜センサ６２０が第２傾斜センサ６２０の傾きと第１傾斜センサ６１０の傾きの中間（２分の１）だけ第１傾斜センサ６１０から傾いた位置にあると推定し、第２傾斜センサ６２０までの距離と方向から位置座標Ｐ２’（Ｘ２’，Ｙ２’，Ｚ２’）を算出する。
【００３６】
傾斜センサの傾きが変動することで、センサポール３００が撓って傾斜センサの位置が変動したことが検出される。なお、基準傾斜センサ６００は、基盤層２２０に固定されているので、位置も変動しない。傾斜センサ６１０、６２０の変動により、表土層２１０に変位が生じたことが検出される。傾斜センサの変位前の位置座標と、変位後の位置座標の座標差から、変位ベクトル６３０、６４０を算出して可視化しても良い。
【００３７】
斜面２００に複数埋設した各計測装置１１０における第１傾斜センサ６１０の位置座標Ｐ１’及び第２傾斜センサ６２０の位置座標Ｐ２’を算出することで、斜面２００の各地点における表土の変位量が測定される。なお、リアルタイム又は定期的に取得して、制御装置４００において算出した位置座標を履歴として時系列で蓄積しても良い。
【００３８】
図６に示すように、中継装置１２０は、計測装置１１０と同様に、制御装置４００や電源５００を備え、各計測装置１１０から傾斜センサ６００、６１０、６２０の傾き、及び算出された位置座標を、ＬＰＷＡ通信など双方向遠隔通信可能な通信手段４２０を介して受信する。
【００３９】
中継装置１２０の中央処理装置４１０は、各計測装置１１０から集計した情報を元に、斜面２００の変位量を分析し、インターネット等のクラウド通信４３０を利用してクラウドサーバ４４０に斜面２００の変位量などの情報を蓄積することで、斜面崩壊の兆候を予測する。パソコンやスマートフォンなど他の端末で可視化して参照することが可能となる。
【００４０】
なお、斜面崩壊の兆候が見られたら、他の端末に対してアラート（警告）を表示するようにしても良い。中継装置１２０の電源５００についても、ソーラーパネル５１０で太陽光発電し、蓄電池５２０などを利用して電源管理しても良い。
【実施例２】
【００４１】
本発明である斜面変位量測定システムについて試験した結果を示す。図７は、斜面変位量測定システムにおけるセンサポールを実際に曲げたときの傾斜角度を時系列で計測したグラフである。図８は、斜面変位量測定システムにおける傾斜角度からの位置算出について示す図である。図９は、斜面変位量測定システムにおいて算出した位置の誤差を比較した表である。
【００４２】
図７に示すように、試験的に斜面２００の表土層２１０を移動させて（又は想定して）センサポール３００に力を加え、センサポール３００の曲げ量６５０を３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍに変動させる。なお、センサポール３００には、基準傾斜センサ６００（原点）、第１傾斜センサ６１０（中央）、第２傾斜センサ６２０（先端）を設置している。
【００４３】
曲げ量６５０が変動する毎に各傾斜センサ６００、６１０、６２０の傾斜角度も変動する。なお、原点においては、基盤層２２０に固定される先端部３１０に近いので、傾斜角度の変動は少ない。中央及び先端においては、曲げ量６５０に対して円状に湾曲する訳ではないので、傾斜角度も曲げ量６５０に比例して大きくなる訳ではない。
【００４４】
図８に示すように、斜面変位量測定システム１００で各傾斜センサ６００、６１０、６２０の傾斜角度から推定される乖離量６６０を算出する。すなわち、第１傾斜センサ６１０が第１傾斜センサ６１０の傾きと基準傾斜センサ６００の傾きの２分の１だけ基準傾斜センサ６００から傾いた位置にあると推定し、第２傾斜センサ６２０が第２傾斜センサ６２０の傾きと第１傾斜センサ６１０の傾きの２分の１だけ第１傾斜センサ６１０から傾いた位置にあると推定する。
【００４５】
また、第２傾斜センサ６２０が第２傾斜センサ６２０の傾きと基準傾斜センサ６００の傾きの２分の１だけ基準傾斜センサ６００から傾いた位置にあると推定した場合の結果も算出する。
【００４６】
図９に示すように、３点で計測した場合、曲げ量６５０が３０ｍｍのときの傾斜角度は原点で８９．７度、中央で８８．２度、先端で８７．８度であり、推定した乖離量６６０は中央で９．８ｍｍ、先端で１８．４ｍｍ、合計で２８．２ｍｍであり、誤差は１．８ｍｍであった。
【００４７】
曲げ量６５０が６０ｍｍのときの傾斜角度は原点で８９．４度、中央で８６．５度、先端で８５．６度であり、推定した乖離量６６０は中央で１９．２ｍｍ、先端で３６．６ｍｍ、合計で５５．８ｍｍであり、誤差は４．２ｍｍであった。
【００４８】
曲げ量６５０が９０ｍｍのときの傾斜角度は原点で８９．０度、中央で８４．８度、先端で８３．４度であり、推定した乖離量６６０は中央で２８．８ｍｍ、先端で５４．７ｍｍ、合計で８３．４ｍｍであり、誤差は６．６ｍｍであった。
【００４９】
また、２点で計測した場合、曲げ量６５０が３０ｍｍのときの推定した乖離量６６０は２３．２ｍｍであり、誤差は６．８ｍｍであった。曲げ量６５０が６０ｍｍのときの推定した乖離量６６０は４６．７ｍｍであり、誤差は１３．３ｍｍであった。曲げ量６５０が９０ｍｍのときの推定した乖離量６６０は７０．７ｍｍであり、誤差は１９．３ｍｍであった。
【００５０】
斜面変位量測定システム１００の制御装置４００は、センサポール３００が湾曲したときの各傾斜センサ６００、６１０、６２０の傾斜角度から、各傾斜センサ６００、６１０、６２０の位置座標を推定することができ、それは計測点数が多いほど誤差が小さくなり精度は高くなる。
【００５１】
本発明によれば、斜面の表土の移動量から斜面崩壊の兆候を検知することができる。センサポールの先端部が抜けにくい凹凸構造を成しており、そこを基準位置として固定することにより、表土の移動に伴ってセンサポールが撓るので、センサポール内に配置された傾斜センサの変位を見ることで、表土の移動量を把握することができる。斜面の複数地点にセンサポールを設置することで、亀裂の発生箇所の推定や斜面崩壊の範囲と規模の危険性を予測することも可能となる。亀裂発見後に斜面にワイヤを張って亀裂幅を測定する必要もないので、安全性や経済性にも優れる。
【００５２】
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、傾斜センサとして、三軸加速度センサ等を用いて傾きを取得しても良い。また、隣接する傾斜センサの傾きから逐次的に位置座標を算出する以外に、基準傾斜センサを原点として、各傾斜センサの傾きから位置座標を算出しても良い。
【００５３】
斜面変位は複雑であり厳密な座標を算出することは困難であり、その他に、例えば、３点を通る任意曲線について、たわみ曲線の算出方法を利用して３軸方向の位置座標を算出するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
斜面変位量測定システムは、山などの大規模な斜面だけでなく、住宅地などの小規模な斜面にも適用可能である。また、自治体レベルで使用するだけでなく、個人レベルで使用しても良い。斜面に沿って複数のセンサポールを立てて、管理センター等に情報の集計を依頼し、斜面崩壊の危険性があればスマートフォンなどに警告メッセージを送信し、またスマートフォンから管理センター等に対して情報の提供を受けるようにしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１００：斜面変位量測定システム
１１０：計測装置
１２０：中継装置
２００：斜面
２１０：表土層
２２０：基盤層
２３０：地表面
２４０：すべり面
２５０：亀裂
３００：センサポール
３１０：先端部
３２０：すべり面寄り位置
３３０：地表面寄り位置
４００：制御装置
４１０：ＣＰＵ（中央処理装置）
４２０：ＬＰＷＡ通信（通信手段）
４３０：クラウド通信
４４０：クラウドサーバ
５００：電源
５１０：ソーラーパネル
５２０：蓄電池
６００：（基準）傾斜センサ
６１０：（第１）傾斜センサ
６２０：（第２）傾斜センサ
６３０：変位ベクトル
６４０：変位ベクトル
６５０：曲げ量
６６０：乖離量
【要約】
【課題】斜面の表土の移動量を時系列的に取得することで斜面崩壊の兆候を検知する斜面変位量測定システムを提供する。
【解決手段】斜面変位量測定システムは、斜面における地表面から表土層を貫通して先端部がすべり面より下に達するように埋設されるセンサポールと、前記センサポールに対して、先端部に設けた基準傾斜センサ、及び表土内のすべり面から地表面にかけて間欠的に複数設けた傾斜センサと、前記センサポールの上端に設置され、前記傾斜センサの傾きを送信する通信手段と、を有し、前記センサポールが撓ったときに前記通信手段から受信した制御装置は、前記傾斜センサのうち、一の傾斜センサの傾きとその一方に隣接する他の傾斜センサの傾きとから一の傾斜センサの座標を算出する、ことを特徴とする。
【選択図】図４【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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