(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中構造物１０の洗掘個所１６における水中側と土中側に臨ませて、少なくとも２本の細長い電極２１、２２を略水平に設け、これら２本の電極２１、２２間で形成される面内の抵抗値の変化から洗掘を計測するようにしたことを特徴とする構造物の洗掘監視装置。
【請求項２】
水中構造物１０の洗掘個所１６における水中側と土中側に臨ませて、少なくとも２本の細長い電極２１、２２を略水平に設け、これら２本の電極２１、２２は、洗掘個所１６をカバーするような長さを有し、水中側に一方の電極２１と水中用補助電極２３を設置し、土中側に他方の電極２２と土中用補助電極２４を設置し、前記２本の電極２１、２２間の抵抗値の変化を、それぞれの補助電極２３、２４の抵抗値で調整した値から洗掘を計測するようにしたことを特徴とする構造物の洗掘監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋脚、堤防、護岸、堰、河川管理施設、取水口などのような水中に構築された構造物において、この水中構造物の周りの河床が水流によって洗掘されたかどうかを監視するための構造物の洗掘監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８（ａ）および（ｂ）に示すように、橋脚１０のまわりでは、水流１５が渦流となり、上流側河床の土砂が水流１５によって削りとられるという洗掘現象が発生する。この洗掘個所１６が深くなると、橋脚１０が危険な状態となる。特に、鉄道線路が敷設されているような場合には、橋梁が傾いて列車運行に支障をきたすおそれがある。したがって、この洗掘個所１６が洗掘管理深さ１７を越しているかどうかを監視することは、極めて重要である。
【０００３】
従来、この橋脚１０の周りの河床が水流１５によって平水時１３よりもどれだけ洗掘されたか、その深さを検出するものとして、図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すような電気式洗掘計が知られている。
これは、橋脚１０の洗掘個所１６に臨ませて電極棒１８を直立させ、取付け金具２０にて固定したもので、電極棒１８には、図８（ｃ）に示すように、所定間隔（例えば１００ｍｍ間隔）で対をなす電極１９を設けておき、水中と土砂中での電気抵抗値の違いを測定し、測定データを延長ケーブルを介して遠隔の指示計に送って洗掘の状況を表示するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような１本の電極棒１８だけで検出する方法では、洗掘個所１６で水流１５により泥や小石が巻き上げて浮遊していたり、雨が降った後などのように水流１５自体に泥や小石を含んでいたりすると、水中と土砂中の電気抵抗値の違いが小さく、洗掘の計測が極めて困難であった。
【０００５】
また、１本の電極棒１８だけで検出する方法では、河床面の検出が点計測であるため、特に、橋脚１０付近の渦流が発生しているところでは、土砂が巻き上げて水流１５が濁り、水と土砂との境の判別が困難である、などの問題があった。
【０００６】
本発明は、洗掘個所を面でとらえてリアルタイムで、正確に検出できる装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水中構造物１０の洗掘個所１６における水中側と土中側に臨ませて、少なくとも２本の細長い電極２１、２２を略水平に設け、これら２本の電極２１、２２は、洗掘個所１６をカバーするような長さを有し、水中側に一方の電極２１と水中用補助電極２３を設置し、土中側に他方の電極２２と土中用補助電極２４を設置し、前記２本の電極２１、２２間の抵抗値の変化を、それぞれの補助電極２３、２４の抵抗値で調整した値から洗掘を計測するようにしたことを特徴とする構造物の洗掘監視装置である。
【０００８】
水中の導電率σ１と土中の導電率σ２は、温度、濁度などの影響で変化する。そこで、洗掘が発生すると、上部水平電極２１と下部水平電極２２の間の抵抗値Ｒが変化する。この抵抗値Ｒの変化を検出することにより、河床１３から下部水平電極２２までの距離ｄ２が次式を用いてもとめられ、洗掘の進捗状況をリアルタイムで監視できる。
0003786765.tif 000002
ここで、ｄ０：上部水平電極２１から下部水平電極２２までの距離、Ｌ０：上部水平電極２１と下部水平電極２２の長さ、である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１実施例：図１（ａ）（ｂ）に示すように、水中構造物としての橋脚１０の上流側で、洗掘の発生し易い個所１６に臨ませて、細長い上部水平電極２１と下部水平電極２２とを巻き付けるようにして取り付ける。
前記上部水平電極２１の取付け位置は、平水時の河床１３と水面１４の間とし、また、下部水平電極２２は洗掘管理深さ１７より下側の土中とする。
【００１０】
そして、これら上部水平電極２１と下部水平電極２２との間の抵抗値Ｒが計測される。この抵抗値Ｒの計測原理は、上部水平電極２１と下部水平電極２２との間に存在する媒質の違い、具体的には、水と土砂との違いにより大きく変化することを利用して洗掘しているかどうかを計測するものであり、上部水平電極２１と下部水平電極２２に接続された図示しないケーブルによりテレメータなどの情報として検出し、洗掘が洗掘管理深さ１７まで達しているかどうかを監視する。
【００１１】
計測原理を図１（ｃ）および（ｄ）によりさらに詳しく説明する。
前記上部水平電極２１と下部水平電極２２との間の抵抗値Ｒは、次式で表わされる。
0003786765.tif 000003
ここで、σ１：水中の導電率、σ２：土中の導電率、ｄ０：上部水平電極２１から下部水平電極２２までの距離、ｄ１：上部水平電極２１から河床１３までの距離、ｄ２：河床１３から下部水平電極２２までの距離、Ｌ０：上部水平電極２１と下部水平電極２２の長さ、である。
【００１２】
前記式中、σ１とσ２は、温度、濁度などの影響で変化する。そこで、水中と土中に、それぞれ基準用電極としての水中補助電極２３と土中補助電極２４を一対ずつ設けて、これら水中補助電極２３と土中補助電極２４の計測データに基づき、次式により演算する。
σ１≒ｄ３÷（Ｒ１×Ｌ１）、    σ２≒ｄ４÷（Ｒ２×Ｌ２）
ここで、ｄ３：一対の水中補助電極２３間の距離、ｄ４：一対の土中補助電極２４間の距離、、Ｌ１：水中補助電極２３の長さ、Ｌ２：土中補助電極２４の長さ、Ｒ１：水中補助電極２３の抵抗値、Ｒ２：土中補助電極２４の抵抗値、である。
【００１３】
σ１≠σ２であれば、洗掘発生時に、上部水平電極２１と下部水平電極２２周辺の抵抗値が図１（ｃ）から（ｄ）のように変化する。この抵抗値の変化を検出することにより、次式を用いて洗掘の進捗状況をリアルタイムで監視することができる。
0003786765.tif 000004
この場合、下部水平電極２２の位置と洗掘管理深さ１７の位置とを一致させると、より明らかなデータが得られる。
【００１４】
第２実施例：図２（ａ）および（ｂ）に示すように、水中構造物としての橋脚１０の上流側であって、洗掘１６の発生し易い側に、複数本の縦電極２５（Ａ１、Ａ２、Ａ３、…Ａｎ）を一定間隔で垂直に取り付ける。
前記すべての縦電極２５の長さは、その上端が平水時の河床１３と水面１４の間に位置し、下端が洗掘管理深さ１７より下側の土中に埋没する長さとする。
そして、これらの電極Ａ１とＡ２間、Ａ２とＡ３間、Ａ３とＡ４間、…Ａｎ−１とＡｎ間の抵抗値Ｒが測定される。この抵抗値Ｒは、前記図１と同様、相隣る縦電極２５の間に存在する媒質の違い、具体的には、水と土砂との違いにより大きく変化することを利用して洗掘しているかどうかを計測するものであり、縦電極２５に接続された図示しないケーブルによりテレメータなどの情報として検出し、洗掘が洗掘管理深さ１７まで達しているかどうかを監視する。
【００１５】
以上の計測原理を図２（ｃ）および（ｄ）によりさらに詳しく説明する。
隣同士の前記縦電極Ａ１とＡ２間の抵抗値Ｒは、次式で表わされる。
0003786765.tif 000005
ここで、σ１：水中の導電率、σ２：土中の導電率、ｄ０：２つの縦電極Ａ１、Ａ２間の距離、Ｌ１：水中部の電極の長さ、Ｌ２：土中部の電極の長さ、Ｌ：縦電極２５の長さ、である。
【００１６】
前記式中、σ１とσ２は、温度、濁度などの影響で変化する。そこで、前記図１と同様、水中と土中にそれぞれ水中補助電極２３と土中補助電極２４を設けて、これら水中補助電極２３と土中補助電極２４の計測データに基づき、次式により演算する。
σ１≒ｄ３÷（Ｒ１×Ｌ１）、  σ２≒ｄ４÷（Ｒ２×Ｌ２）
ここで、ｄ３：水中補助電極２３の距離、ｄ４：土中補助電極２４の距離、、Ｌ１：水中補助電極２３の長さ、Ｌ２：土中補助電極２４の長さ、Ｒ１：水中補助電極２３の抵抗値、Ｒ２：土中補助電極２４の抵抗値、である。
【００１７】
σ１≠σ２であれば、洗掘発生時に、縦電極Ａ１とＡ２の間の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することにより、次式を用いて洗掘の進捗状況をリアルタイムで監視することができる。ここで、前記したように、Ｌ＝Ｌ１１＋Ｌ２１＝Ｌ１２＋Ｌ２２である。平水時の河床１３より下に埋もれている電極長さと電極間抵抗計測値の関係は、つぎの通りである。
平水時の河床１３下の平均電極長さＬｍｎは、次式で表わされる。
0003786765.tif 000006
【００１８】
平水時の河床１３下に埋もれている平均電極長さと各電極間抵抗値とは、上式に示す関係があるので、洗掘現象が発生したとき、電極間抵抗値の計測を行うことにより、水面１４から平水時の洗掘面までの深さをリアルタイムで監視することができる。
【００１９】
第３実施例：図３以下の図面により説明する。この第３実施例は、図２（ａ）（ｂ）に示す第２実施例と基本原理で同様であるが、洗掘面をさらに高い精度で求める方法である。
すなわち、図３における縦電極（Ａ１、Ｂ１）、（Ａ２、Ｂ２）、（Ａ３、Ｂ３）、…（Ａｎ、Ｂｎ）は、互いに絶縁した短い（例えば５０ｃｍから１ｍ）電極ａ１、ａ２、…ａｎとｂ１、ｂ２、…ｂｎをそれぞれ垂直方向に分離して設け、これを所定の間隔をおいた２本１組として、１組ないし複数組を橋脚１０の洗掘発生個所に取り付けてなるものである。さらに詳しくは、一方の縦電極Ａ１の各電極を上からａ１、ａ２、ａ３、…、ａｎとし、また、他方の縦電極Ｂ１の各電極を上からｂ１、ｂ２、ｂ３、…、ｂｎとし、上方の電極ａ１とｂ１の左右１対でｃｈ１とし、ａ２とｂ２でｃｈ２とし、以下同様にしてａｎとｂｎでｃｈｎに設定する。
【００２０】
図４に示すように、前記一方の縦電極Ａ１の電極ａ１、ａ２、ａ３、…、ａｎは、一方のマルチプレクサ２６に接続され、また、他方の縦電極Ｂ１の電極ｂ１、ｂ２、ｂ３、…、ｂｎは、他方のマルチプレクサ２７に接続される。これら一方のマルチプレクサ２６と他方のマルチプレクサ２７は、抵抗計２８を介してＣＰＵ２９に接続され、さらにＣＲＴなどの表示計３０に接続される。また、前記一方のマルチプレクサ２６と他方のマルチプレクサ２７は、ＣＰＵ２９により切換制御される。
なお、前記一方のマルチプレクサ２６と他方のマルチプレクサ２７は、１台の中に構成されているが、作用の説明上２つに分割してある。
【００２１】
以上のような構成において、まず、ＣＰＵ２９からの切換信号により、一方のマルチプレクサ２６ではａ１を、他方のマルチプレクサ２７ではｂ１を選択する。そのため、抵抗計２８では、ｃｈ１の抵抗値が測定され、ＣＰＵ２９へ送られる。つぎに、ａ２とｂ２からなるｃｈ２の抵抗値が測定され、同様にｃｈ３、ｃｈ４、…ｃｈｎの抵抗値が順次測定される。
【００２２】
図３（ｃ）において、ｃｈ１は、水面１４から上方へ顔を出すこともなく、また、河床１３の下へもぐることもなく、常に水中にあるものとすると、洗掘深さに関係なく、ｃｈ１の電極間コンダクタンスは、一定の大きな値を示す。
ｃｈ２は、河床１３の洗掘がほとんど進んでいないため、最初土中に埋まっているものとすると、電極間コンダクタンスは小さな値を示している。洗掘が時間の経過とともに、図３（ａ）の点線のように１６１、１６２、…と進み、ｃｈ２が徐々に水中に現われると、電極間コンダクタンスは、次第に大きな値となり、完全に水中に現われると、ｃｈ１と同じ一定値を示すようになる。
ｃｈ３、ｃｈ４、…についても同様な特性となる。
ｃｈｎは、洗掘が進んでも常に土中に埋まっているような深さに設置されているものとすると、電極間コンダクタンスは一定の小さな値を示す。
図３（ｃ）において、Ｘ点位置が洗掘管理深さ１７とすると、ｃｈ４の電極間コンダクタンス値がＹのとき、警報を発するなどして監視する。
【００２３】
図５は、前記表示計３０による各ｃｈの洗掘面高さの時間的経過の表示例を示すものである。
この図５において、横軸は、図３（ｂ）における縦電極（Ａ１、Ｂ１）、（Ａ２、Ｂ２）、（Ａ３、Ｂ３）、…（Ａｎ、Ｂｎ）の位置を示し、縦軸は、各電極における洗掘面高さを表わしている。また、実線は、洗掘があまり進んでいない初期状態の洗掘面高さを表わし、点線は、洗掘が進み、洗掘管理深さ１７に達しているところがある状態を表わしている。
この図５によれば、洗掘は、第ｍ番目の電極（Ａｍ、Ｂｍ）がもっとも進んでおり、洗掘管理深さ１７を越えていることを表わしている。また、第５番目の電極（Ａ５、Ｂ５）を中心にして左右に遠くなるに従い洗掘が小さいことを示している。
【００２４】
なお、ＣＰＵ２９からのマルチプレクサ２６と２７の切換信号を、ａ１とｂ１、ａ２とｂ２、…のように左右１対毎に順次切り換えるのではなく、ａ１とｂ１、ａ１とｂ２、ａ２とｂ１、ａ２とｂ２、ａ２とｂ３、…などのように左右と斜めを組み合わせて切換制御することもでき、このようにすれば、さらに精度の高いデータが得られる。
【００２５】
以上のような電極間抵抗変化による構造物の洗掘監視装置が正しいことは、図６に示す試験１および図７に示す試験２によってより一層効果的なものとして確認された。
試験１
図６（ａ）に示すように、縦×横×奥行き＝６７×２３０×８０ｃｍの木製の水槽に、砂と水をいれ、長さ６７ｃｍの第１、第２、第３および第４電極を垂直で、かつ一直線上に差し込む。このとき、第１、第２電極間距離を１ｍ、第２、第３電極間距離を１．５ｍ、第３、第４電極間距離を２ｍとした。
【００２６】
図６（ｂ）は、水を水槽に満水状態に入れ、砂の高さを変化させたときの電極間抵抗値の計測結果を示している。この計測結果によれば、砂の深さと抵抗値は、略直線的に比例している。また、電極間距離と抵抗値も略直線的に比例している。このことは、抵抗値の変化から洗掘個所１６の計測監視が可能であることを表わしている。
【００２７】
試験２
図７（ａ）において、縦×横×奥行き＝６７×２３０×８０の木製の水槽に、砂と水をいれ、長さ６７ｃｍの第１、第２電極（縦向き）を垂直で、かつ電極間距離を１．５ｍおいて差し込み固定する。また、長さ１８０ｃｍの第３、第４電極（横向き）を水平で、底部から１０ｃｍ、かつ電極間距離を４０ｃｍおいて差し込み固定する。各電極は、直径９ｍｍのステンレスパイプを使用した。
【００２８】
図７（ｂ）は、水を水槽に満水状態に入れ、砂の高さを変化させたときの電極間抵抗値の計測結果を示している。この計測結果によれば、第１、第２電極間における砂の深さと抵抗値は、略直線的に比例している。また、第３、第４電極間における砂の深さと抵抗値は、電極３が砂に埋まるまでは、抵抗値はほとんど増加していないが、電極３と電極４の間に砂が介在するようになると、電極間距離と抵抗値が略直線的に変化している。このことは、抵抗値の変化から洗掘個所１６の計測監視が可能であることを表わしている。
【００２９】
【発明の効果】
（１）本発明は、構造物１０の洗掘個所１６に臨ませて、少なくとも２本の電極を略水平に設け、これら２本の電極は、洗掘個所１６をカバーするような長さを有し、水中側に一方の電極を設置するとともに補助電極を設置し、土中側に他方の電極を設置するとともに補助電極を設置し、２本の電極間の抵抗値の変化を、それぞれの補助電極の抵抗値で調整した値から洗掘を計測するようにしたので、洗掘個所１６で水流１５により泥や小石が巻き上げて浮遊していたり、雨が降った後などのように水流１５自体に泥や小石を含んでいたりしても、水中と土砂中の電気抵抗値を確実に判別して、正確な洗掘の計測ができる。
【００３０】
（２）複数本の電極により面計測であるため、構造物１０の水と土砂との境の判別が確実である。
【００３１】
（３）洗掘深さをリアルタイムで、正確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による構造物の洗掘監視装置の第１実施例を示すもので、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、横断平面図、（ｃ）は、洗掘前の計測説明図、（ｄ）は、洗掘後の計測説明図である。
【図２】本発明による構造物の洗掘監視装置の第２実施例を示すもので、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、横断平面図、（ｃ）は、洗掘前の計測説明図、（ｄ）は、洗掘後の計測説明図である。
【図３】本発明による構造物の洗掘監視装置の第３実施例を示すもので、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、横断平面図、（ｃ）は、各ｃｈの電極間コンダクタンス値の特性線図である。
【図４】本発明による構造物の洗掘監視装置の第３実施例の計測に用いられるブロック図である。
【図５】図４の表示計３０の表示例の説明図である。
【図６】試験１を説明するもので、（ａ）は、試験装置の断面図、（ｂ）は、実測データの波形図である。
【図７】試験２を説明するもので、（ａ）は、試験装置の断面図、（ｂ）は、実測データの波形図である。
【図８】従来の構造物の洗掘監視装置を示すもので、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、横断平面図、（ｃ）は、電極棒１８の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…構造物、１１…構造物基礎、１２…橋桁、１３…平水時の河床、１４…水面、１５…水流、１６…洗掘個所、１６１、１６２、１６３…  …洗掘面、１７…洗掘管理深さ、１８…電極棒、１９…電極、２０…取付け金具、２１…上部水平電極、２２…下部水平電極、２３…水中補助電極、２４…土中補助電極、２５…縦電極、２６…一方のマルチプレクサ、２７…他方のマルチプレクサ、２８…抵抗計、２９…ＣＰＵ、３０…表示計。
【図１】
0003786765.tif 000007
【図２】
0003786765.tif 000008
【図３】
0003786765.tif 000009
【図４】
0003786765.tif 000010
【図５】
0003786765.tif 000011
【図６】
0003786765.tif 000012
【図７】
0003786765.tif 000013
【図８】
0003786765.tif 000014