(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流量センサを内蔵した内部通水型のゾンデを地下掘削孔内に挿入し、孔内深さ方向にわたる水流変化を測定する場合において、ゾンデの通水中間部外周面には全周にわたり孔壁面との間に摺動可能な弾性パッカーを取り付けるとともに、孔内から常時定量の地下水を揚水し、又は孔内に常時定量の水を供給するようにしたことを特徴とする地下流水状況検層方法。
【請求項２】
水流量センサは電磁流量計を用いたフローメータであるところの請求項１に記載の地下流水状況検層方法。
【請求項３】
水流量センサは超音波流量計を用いたフローメータであるところの請求項１に記載の地下流水状況検層方法。
【請求項４】
ゾンデの先端部にはボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラが取り付けられ、孔内の壁面状況を、地上に設置したモニタにて観測できるようにした請求項１又は請求項２あるいは請求項３に記載の地下流水状況検層方法。
【請求項５】
水流量センサを内臓した内部通水型のゾンデと、該ゾンデに接続された検層ケーブルと、該検層ケーブルを介してデータ処理をおこなうデータ処理装置と、孔内から常時定量の地下水を揚水し、又は孔内に常時定量の水を供給するための地下水又は水供給手段とからなり、前記したゾンデの通水中間部外周面には全周にわたり孔壁面との間に摺動可能な弾性パッカーが取り付けられていることを特徴とした地下流水状況検層装置。
【請求項６】
水流量センサは電磁流量計を用いたフローメータであるところの請求項５に記載の地下流水状況検層装置。
【請求項７】
水流量センサは超音波流量計を用いたフローメータであるところの請求項５に記載の地下流水状況検層装置。
【請求項８】
ゾンデの先端部にはボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラが取り付けられ、孔内の壁面状況を、地上に設置したモニタにて観測できるようにした請求項５又は請求項６あるいは請求項７に記載の地下流水状況検層装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地層内における地下水の流水経路を探査するための検層方法および装置に関し、検層時間の著しい短縮と高精度の検層を可能にすることを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
地層内の地下水は地盤の中を一様に流れているとは限らず、特定のゾーンを集中して流れていることが多い。  そしてこのようなゾーンを一般的に「水みち」と称し、特に割れ目系の岩盤や砂礫地盤などでは汚染物質が予測より早く到達するなど地下水問題を複雑にしており、またかかる汚染問題に限らず建設工事に伴うコンクリート成分の流出状況の把握や、地滑りの予測調査など、多岐にわたる地下水の流動経路の把握、すなわち水みちの存在を調査して明らかにする検層作業が重要な課題となっている。
【０００３】
これまでに知られている検層手段としては、例えばボーリング孔内に塩水を満たし、孔内各部位における電気的比抵抗値の低下した箇所をもって水みちを特定する塩水検層方法や、あるいはボーリング孔内に温水を満たし、孔内各部位における水温低下箇所をもって水みちを特定する温水検層方法等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的にはボーリング孔や観測孔を掘削して調査するにしても、掘削されたボーリング孔や観測孔内の特定箇所だけでなく、深さ方向のどの深度に水の流動層があるのかを正確に特定することはきわめて難しい。  すなわち例えば１ｍ当たり複数個以上もの亀裂を有する岩盤層を地下５００〜１０００ｍ程度の長い掘削孔に沿って、その全長にわたる地層（岩盤層）における流水層（水みち）の存在を検層するには、前記した孔内５０ｃｍ〜１ｍ単位内において両端にパッカーを介在させて２つのパッカーにより仕切られたエリア内においておこなう水流速・流向を検出する在来の手段によっては、あまりにも非効率的であり、また正確な測定検層が不可能である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記した従来技術における問題点を解決し、掘削孔内の深さ方向にわたる正確でしかも効率的な検層方法および装置を開発するに至ったものであり、具体的には水流量センサを内蔵した内部通水型のゾンデを地下孔内に装入し、孔内深さ方向にわたる水流変化を測定する場合において、ゾンデの通水中間部外周面には全周にわたり孔壁面との間に摺動可能な弾性パッカーを取り付けるとともに、孔内から常時定量の地下水を揚水し、又は孔内に常時定量の水を供給するようにしたことを特徴とする地下流水状況検層方法に関する。
【０００６】
また本発明は、上記したゾンデの先端部にはボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラが取り付けられ、孔内の壁面状況を、地上に設置したモニタにて観測できるようにした地下流水状況検層方法にも関する。  さらに本発明は水流量センサを内臓した内部通水型のゾンデと、該ゾンデに接続された検層ケーブルと、該検層ケーブルを介してデータ処理をおこなうデータ処理装置と、孔内から常時定量の地下水を揚水し、又は孔内に常時定量の水を供給するための地下水又は水供給手段とからなり、前記したゾンデの通水中間部外周面には全周にわたり孔壁面との間に摺動可能な弾性パッカーが取り付けられていることを特徴とした地下流水状況検層装置にも関する。  さらに本発明は上記したゾンデの先端部にはテレビカメラが取り付けられ、孔内の壁面状況を、地上に設置したモニタにて観測できるようにした地下流水状況検層装置にも関する。
【０００７】
上記した構成において、掘削した孔内にゾンデを挿入し、外周面に有する弾性パッカーを孔壁全周面に接触させる。  次いで孔内に溜まった地下水を単位時間当たり一定量ずつ継続的に地上に汲み上げる。  孔内水の汲み上げにより新たな地下水がゾンデ内に流入し、ゾンデ内に内蔵する水流センサにより、単位時間当たりのゾンデ内流量が継続的に測定される。  その後外周面に有する弾性パッカーを孔壁面に摺接させながらゾンデ外周側での地下水の通過を規制しつつ順次孔内に沿って深さ方向に向けてゾンデを降下させ、地下水のゾンデ内流量を継続して測定することにより、流量変化による水みちの存在を検層する。
【０００８】
なおこの場合において孔内測定位置が浅く地下水がないか、あるいは少ない場合においては、逆に孔内に単位時間当たり一定量の水を供給してゾンデ内を通過して孔内壁面から地中に浸入する水の流量変化を測定することによって、同じく水みちの存在を検層することができる。  さらにこの場合においてゾンデの先端部にボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラが取り付けられている場合においては、上記したゾンデ内における地下水流量変化箇所についての壁面状態を同時に地上モニタにより目視確認をおこなうことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において本発明の具体的な内容を図１および図２にあらわした実施例に基づいて説明すると、１はゾンデ、７は検層ケーブル、１０はデータ処理装置、１７は揚水手段をあらわしている。  ゾンデ１は図２にその詳細をあらわしたように、直径が５０ｍｍ程度で、長さ３ｍ程度の縦長の円筒体に構成され、下側寄りの箇所には通孔２が、また上側寄りの箇所には通孔３が、それぞれ設けられ、しかも円筒体内部の通孔３付近には水流量センサとして超音波センサ４を用いたフローメーターが設けられている。
【００１０】
この超音波センサは、具体的には発射波と水中の微粒子などで反射した反射波が粒子の移動速度によって異なる現象を利用したものであり、掘削孔Ｈ内において地下水中の微細物質に超音波を照射し、超音波によるドップラー効果を利用することにより鉛直方向の流速を求めるようにしたものであって、これによって１ｍｍ／ｓｅｃ〜３０００ｍｍ／ｓｅｃの範囲内での湧水の流速測定を可能とすることができる。  さらにゾンデ１の外周面であって前記した通孔２と３との間（通水中間部）には全周にわたり弾性パッカー５が取り付けられている。  ここで使用される弾性パッカー５は、例えば発泡させたゴムやウレタンその他のスポンジ状材質のものを環状（ドーナツ状）に形成し、これをゾンデ１の外周面に接着させるとともに、掘削孔壁面の凹凸に対応して放射外方に自在に伸縮できるように構成する。  またゾンデ１の先端（下端）部にはボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラ６が取り付けられている。
【００１１】
検層ケーブル７は、前記したゾンデ１の上端部に繋ぎとめられるとともに、内部には前記した超音波センサ４およびテレビカメラ６による情報通信回線が内臓されており、掘削孔Ｈ直上の地上に設置された測深器８のプーリ８ａを介してケーブルドラム９に巻き取られあるいは巻き戻されるようになっている。  さらにデータ処理装置１０は、揚水ポンプコントローラや水位表示器等の検層コントローラ１１および揚水量表示器やＢＴＶ用モニタ、ＢＴＶ用ビデオデッキ１６、パーソナルコンピュータ等のデーターロガー１５などにより構成される。
【００１２】
なお揚水手段１７は、掘削孔Ｈ内の一定深さ位置にまで吊り下げられた揚水ポンプ１７ａと揚水パイプ１８、および揚水量測定用流量計１８ａ等から構成される。  この場合に使用される揚水ポンプ１７ａについては、小径の掘削孔Ｈ内に挿入可能とするために直径が５０ｍｍ程度の小型のものを用いる。  また２０は水位計をあらわし、ケーブル１３を介して検層コントローラ１１の水位表示器に接続され、測深器８からはケーブル１２を介して前記した検層コントローラ１１に接続される。  またケーブルドラム９からはケーブル１４を介して同じく検層コントローラ１１に接続され、さらに揚水パイプからはケーブル１９を介して検層コントローラ１１の水位表示器に接続される。
【００１３】
上記した構成において、直径が６０ｍｍ〜２８０ｍｍの範囲内とした掘削孔Ｈ内にゾンデ１を挿入し、外周面に有する弾性パッカー５を孔壁全周面に接触させる。  次いで掘削孔Ｈ内に溜まった孔内水を揚水ポンプ１７ａにより単位時間当たり一定量ずつ継続的に揚水パイプ１８を介して地上に汲み上げる。  孔内水の汲み上げにより新たな地下水が通孔２からゾンデ１内に流入し、通孔３から再び掘削孔Ｈ内に流出する際において、ゾンデ１内に内蔵する水流センサ（超音波センサ４）により、単位時間当たりのゾンデ１内流量が継続的に測定され、その測定結果が検層ケーブル７およびケーブル１４を介して逐次検層コントローラ１１に送信される。
【００１４】
その後ケーブルドラム９を回転させて検層ケーブル７を順次繰り出すことによって、外周面に有する弾性パッカー５を掘削孔Ｈの孔壁面に摺接させながらゾンデ１外周側での地下水の通過を規制しつつ順次孔Ｈ内に沿って深さ方向に向けてゾンデ１を降下させつつ地下水のゾンデ内流量を継続して測定し、逐次これを検層コントローラ１１に送信して流量変化による水みちの存在を検層する。  この場合前記した検層ケーブル７の繰り出し長さについては測深器８のプーリ８ａがこれを測定し、ケーブル１２を介して検層コントローラ１１に送信し、逐次地上からのゾンデ１の深さ位置を確認することができる。
【００１５】
なおこの場合において掘削孔Ｈ内における測定位置が浅く孔内水がないか、あるいは少ない場合においては、逆に孔内に単位時間当たり一定量の水を注水することにより人為的に孔内に垂直流を発生させ、ゾンデ１内を通過して孔内から地中に浸入する水の流量変化を測定することによって、同じく水みちの存在を検層することができる。  さらにこの場合においてゾンデの先端部にボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラ６が取り付けられている場合においては、上記したゾンデ１内における湧水流量変化箇所についての孔内壁面状態を検層ケーブル７およびケーブル１４を介して同時に地上のモニタなどのデータ処理装置１０に送信して当該箇所の目視確認をおこない、また必要に応じてビデオ録画する。
【００１６】
なお上記した実施例においては、水量センサとしてコンパクトな超音波センサを用いたが、電磁流量計を用いてもよい。  電磁流量計は超音波センサに比べると掘削孔内の孔内水温度や水質による影響が少ないために、より一層好ましいものといえる。
【００１７】
【実施例】
〔測定条件〕
フローメータによる検層では、孔軸方向の地下水の流速を連続的に計測することによって、水みちの存在箇所を特定するものである。  実施例として使用された掘削孔は、４５度に傾斜させて掘削された長さ５００ｍのＡ孔と、鉛直に掘削された口径７６ｍｍ、長さ６０ｍのＢ孔である。  別途実施した透水試験では、１０−８〜１０−４ｃｍ／ｓ程度の透水係数が得られている。  また測定は自然状態および揚水状態で実施した。
【００１８】
〔測定結果〕
Ａ孔およびＢ孔共に自然状態での明瞭な流速変化は認められなかった。  一方揚水状態においては両孔共に数カ所の流速変化がみられた。  すなわちＡ孔では図３にあらわされているように、深度２３９ｍ、２６３ｍ、２８２ｍ、３０３ｍの箇所において、それぞれ顕著な流速変化が認められ、しかも別途実施した透水試験結果（注水法）との比較においては図４にあらわされているように５ｍ区間での透水係数が概ね１０−４ｃｍ／ｓｅｃ以上区間で流速変化箇所との対応が確認された。  また２５ｍ区間での比較では、透水係数と、その区間での流速差（区間上端の流速−下端の流速）とが一致していることが認められた。  これはすなわち、その区間のプロファイルの傾きが透水係数の大きさを示しているものと思われる。
【００１９】
またＢ孔での流速の変化については図５に示されているように、３２ｍおよび５９ｍの箇所において流速変化が認められる。  この箇所では図６および図７のＢＴＶモニタによる記録写真によっても明らかであるように、幅１〜２ｍｍの開口割れ目の存在が確認されており、水みちを割れ目として特定することができた（図７参照）。  また５ｍ区間での透水試験との比較では、透水係数が１０−４ｃｍ／ｓｅｃ以上の箇所において流速変化箇所との対応が確認された。
【００２０】
〔考察１〕水みちの検出について
ゾンデに搭載されたボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラにより多数の割れ目が観測されたが、実際に流速変化が認められたのはそのうちのごく一部であった。例えばＢ孔では１５ｍから６１ｍの区間で１９１本の割れ目の存在が確認されたが、そのうち１ｍｍ以上の開口幅を有する割れ目は僅か９本であった。  しかしながら実際に水みち割れ目と判断できるのは図５におけるＡ部分をあらわした図６のものと、図５におけるＢ部分をあらわした図７のものの、僅か２本のみであった。
【００２１】
これは別途実施された透水試験の高透水性箇所と、ゾンデによるフローメータ検層による流速変化箇所が一致していることからも明らかであり、水みちとなった割れ目を的確に特定できたことを示すものといえる。  また同時に掘削孔内の孔壁面映像での割れ目の存在や、その開口現象のみではこれを直ちに水みちと断定することができないこともわかった。  これは多数の割れ目に対して、主な水みちが、ごく限られたものであるために、水みち割れ目を的確に検出するには水理的な側面から篩い分けすることが重要であることをも示唆するものといえる。
【００２２】
〔考察２〕水みちの透水係数の推定について
前記したＡ・Ｂ両孔共に顕著な流速変化が認められる箇所については、その箇所の地下水の湧水量、揚水による水頭変化量、割れ目の幅から透水係数を算出することが可能である。  Ｂ孔の２本の水みち割れ目の場合、開口幅をそれぞれＢＴＶにて計測した１ｍｍと１．５ｍｍとすれば、その透水係数はそれぞれ１．０ｃｍ／ｓｅｃ、２．６ｃｍ／ｓｅｃとなる。  また透水試験と対応する５ｍ区間には他に開口割れ目がなく、マトリックスも相対的にきわめて小さい透水係数と考えられるため、この２区間の透水係数がそれぞれの割れ目によってもたらされているものと考えることができる。
【００２３】
この際５ｍ区間の透水係数はそれぞれ、２．０ｘ１０−４ｃｍ／ｓｅｃ、および７．８ｘ１０−４ｃｍ／ｓｅｃとなる。  この値は透水試験から求めた値に近いものであり、水みちの透水係数がほぼ妥当な値にて評価されたものと考えられる。  また、明瞭な流速変化は認められないものの、流速プロファイルが傾きを有している場合には、個々の割れ目の透水性は小さいが、多数存在することによって、その区間の透水性を大きくしているものと考えられる。  このような場合には、個々の割れ目の透水係数を得ることはできないが、その区間前後の流速差から透水係数を推定することが可能である。
【００２４】
例えばＡ孔の流速プロファイルから２５ｍおよび５ｍ区間の透水試験と同じ区間の透水係数を求めた場合、それぞれ１０−４ 〜１０−６ｃｍ ／ｓｅｃ、１０−４ 〜１０−５ｃｍ ／ｓｅｃオーダーの透水係数が得られた。  これを同じ区間で実施した透水試験結果と比較した場合、１０−５ｃｍ／ｓｅｃ以上であれば両者の透水係数の差が１オーダー以内であることが解る。  一方透水試験で１０−５ｃｍ／ｓｅｃ未満の透水係数が得られた区間に付いては、区間の流速差がないために透水係数が算出できなかったり、あるいは１オーダー以上の差が生ずる結果となった。
【００２５】
これは自然状態と揚水状態での水頭差や、揚水量如何にもよるが、本実施例のゾンデを用いたフローメーター検層による透水係数の推定限界が概ね１０−５ｃｍ／ｓｅｃ程度であることを示している。  一方これ以上の透水係数を有する区間については、流速プロファイルの傾きから、その区間での透水係数を評価することができると考えられる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上詳述した通り、電磁流量計や超音波流量計等の水流量センサを内蔵した内部通水型のゾンデを地下孔内に挿入し、孔内深さ方向にわたる水流変化を測定する場合において、ゾンデの通水中間部外周面には全周にわたり孔壁面との間に摺動可能な弾性パッカーを取り付けるとともに、孔内から常時定量の地下水を揚水し、又は孔内に常時定量の水を供給するようにしたために、掘削孔内壁面の凹凸に伴って、長さ方向に向けて掘削孔内径の多少の変化がある場合においても、弾性パッカーの外方向への弾性により、その外周端縁部を孔内壁面に常時接触させることができ、これによって掘削孔内の深さ方向にわたる連続した検層が可能となり、しかも検層深さが５００ｍ以上の場合にも適用でき、従来方法による場合に比して著しい測定範囲の拡大をはかることができるのみならず、水みちの存在を正確でしかも迅速に確認することができ、効率的で低コストでの検層を実施することができる。
【００２７】
また特に冬季など地下水位の低下する時期に、比較的地表面寄りの浅い地層内検層を実施する場合においては、孔内に常時定量の水を供給することにより、浅い層の亀裂箇所に水が入り込み、ゾンデ内において容易に供給水の流速を測定することができるので地下水の減少期や浅い地層内の検層をおこなう場合において、検層作業がより一層容易となる。  さらにゾンデの先端部にボアホールテレビ（ＢＴＶ）カメラが取り付けられ、孔内の壁面状況を、地上に設置したモニタにて観測できるようにした場合においては、孔内地下水の流量変化による検層箇所について、地上ＢＴＶモニタにより目視確認することができるために、より一層確実な水みちの検出を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例である地下流水状況検層システムの概略をあらわした原理的説明図。
【図２】図１におけるゾンデの概略構造をあらわした要部拡大断面図。
【図３】Ａ孔の流速プロファイルをあらわしたチャート図。
【図４】Ａ孔の流速プロファイル（深度１９０ｍ〜３２０ｍ）と透水試験結果をあらわしたチャート図。
【図５】Ｂ孔の流速プロファイルと５ｍ区間透水試験結果をあらわしたチャート図。
【図６】図５におけるＡの箇所の亀裂箇所を拡大してあらわしたモニタ図面。
【図７】図５におけるＢの箇所の亀裂箇所を拡大してあらわしたモニタ図面。
【符号の説明】
１        ゾンデ
２        通孔
３        通孔
４        超音波センサ
５        弾性パッカー
６        テレビカメラ（ボアホールＢＴＶカメラ）
７        検層ケーブル
８        測探器
８ａ      プーリ
９        ケーブルドラム
１０      データ処理装置
１１      検層コントローラ
１２      ケーブル
１３      ケーブル
１４      ケーブル
１５      データーロガー
１６      ＢＴＶ用ビデオデッキ
１７      揚水手段
１７ａ    揚水ポンプ
１８      揚水パイプ
１８ａ    揚水量測定用流量計
１９      ケーブル
２０      水位計
【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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