JP5292864B2 - ダム堤体の変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダム堤体の変位（ひずみ）を計測するダム堤体の変位計測装置に関する。

一般に、ダムの堤体は貯水を堰き止めるものであり、ダムの貯水量により変形する。ダム堤体の変形量が急激に増えた場合、或いは、一時的に貯水量が増えたときに変形し、その後貯水量が元に戻っても変形量が減少しない場合などは、ダム堤体が異常な状態にある。このような状態になっていないかについて把握する必要がある。そのため、ダム堤体の変位を計測し、事前にダム堤体の異常を検出する方法がとられている。
従来において、ダムの堤体の変位を計測する手段として、プラムライン装置がある（特許文献１参照）。
図１０はプラムライン装置３０１の概略構成図である。ダム堤体３１０は貯水３２０を堰き止める。ダム堤体３０１の内部には、竪穴３３０が掘られ、その竪穴３３０には上方からライン３４０が垂下される。竪穴３３０には少なくとも一つ以上の計測室３５１、３５２が設けられ、計測器が固定設置される。計測室３５１、３５２に設置された計測器は、自身とライン３４０との距離を測定する。それぞれの計測器とラインとの距離の変化から、ダム堤体３１０の変位を計測する手段がプラムライン装置３０１である。

特開平１０−１０２９６７号公報

しかしながら、プラムライン装置では、ダム堤体に測定用の竪穴を掘らなければならず、コストが高くなるという問題がある。例えば、ダム堤体の高さは、何十メートルから大きいもので何百メートルとなり、竪穴も相当の深さを掘る必要があり、システムも非常に大きく、可搬性がない。
また、変位を計測する計測器を設置する計測室も、ダム建設時に建設される必要があり、計測室以外の他の地点では変位を計測することができないという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、コンパクトで可搬性のある傾斜計を用いて、ダム堤体の変位を正確に、かつ、低コストに測定することができるダム堤体の変位計測装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために本発明は、ダム堤体の変位を計測するダム堤体の変位計測装置であって、前記ダム堤体の内部の空間において、ダム堤体が設置された基礎地盤面より垂直距離ｒの位置にある基準位置に設けられた傾斜計と、前記ダム堤体が変形した際に前記傾斜計により測定された傾斜角度θ、及び、前記垂直距離ｒを用いて、前記傾斜計周辺のダム堤体の変位量ＤをＤ＝ｒ・sin θとして算出する変位算出手段とを具備する。
これにより、傾斜計にて傾斜量を検出し、この検出結果である傾斜量から変位を算出するようにしたので、傾斜量がわかれば、ダムの変位を算出することができるようになり、これにより、コンパクトで可搬性のある傾斜計を用いて、ダム堤体の変位を低コストに測定することができる。

また、本発明は、水平維持手段を更に具備し、前記基準位置に前記傾斜計を水平に設置することが可能である。
また、本発明は、前記傾斜計付近の温度を測定する温度計と、前記温度計により測定した温度を基に、前記傾斜計が測定した傾斜角を補正する温度補正手段と、を更に具備する。

本発明によれば、ダム堤体内部に設けられた空間の各所において、正確なダム堤体の変位量を計測することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るダム堤体の変位計測装置の実施形態について説明する。なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は、同様の機能を有し、同様の動作を行うものとして、再度の説明を省略する場合がある。

図１は、本実施の形熊におけるダム堤体の変位計測装置による変位計測の説明図である。図２は、ダム堤体の変位計測装置の概略ブロック構成図である。
図１に示すように、ダム堤体３は川などの貯水５を堰き止める。通常、ダム堤体３の内部には、ダムの運転を管理する管理制御室、漏水等を監視する監視室、エレベータ用の竪穴及びエレベータ乗降口を含むエレベータ室、それらを結ぶダム内通路等が設けられる。ここでは、図１に示すダム内通路１１−１に変位計測装置の傾斜計２１−１が設けられた場合を例に説明する。例えば、初期位置（基準位置）２１−１ａに設置された傾斜計２１−１の決められた位置から垂直下方に伸ばした軸ｌ１を考え、軸ｌ１と基礎地盤面７との交点を仮想固定点Ｐｘとする。

ここで、ダムの貯水５が増水し、ダム堤体３が変形し、ダム内通路１１−１がダム内通路１１−２に移動し、傾斜計２１−１が、位置２１−１ａから位置２１−１ｂの位置に移動したとする。このとき、傾斜計２１−１が計測した傾斜角度は、仮想固定点Ｐｘを中心に軸ｌ１から軸ｌ２への回転移動角θｘと等しい。こうして、傾斜計２１−１により計測された傾斜角θｘから変位量Ｄｘ、即ちダム堤体３のｘ方向の変位量が求められる。ここで、ｘ方向は、ダム（川）の上下流方向を示し、ｙ方向はダム（川）の幅方向を示す。ｙ方向の変位量に関しても同様に求められ、両者の変位量をダム堤体３の変位とするものである。変位の算出方法については後に詳細に説明する。

図２に示すように、ダム堤体３の変位計測装置は、傾斜計２１、温度計２３、記憶部２５、制御部２７、報知部２９等から構成される。傾斜計２１は、前述のように、水平面に対する傾斜角を求める装置である。温度計２３は、傾斜計２１の周囲の温度を測定する。例えば、傾斜計２１は、油中に振り子を配した構成を有し、油の温度（周囲の温度）が出力値に影響を及ぼすため、温度によって出力値を補正する必要がある。この補正処理については後に説明する。傾斜計２１、温度計２３は、予め決められた時間ごとに傾斜角と温度とを測定する。
記憶部２５は、傾斜計２１及び温度計２３によって計測された傾斜角や温度を記憶する。尚、傾斜計２１と記憶部２５とが一体となっていてもよい。

制御部２７は、傾斜計２１や温度計２３からの出力から正しい傾斜角度を算出し、ダム堤体３の変位を計算する。後述する温度による傾斜計２１の補正も制御部２７が行う。即ち、制御部２７は、変位算出手段であり、温度補正手段である。制御部２７は、例えば、ダム堤体３に設けられたダム管理室に設置されたコンピュータであってもよい。報知部２９は、音、光等を出力することによって周囲に異常等を報知するものである。制御部２７はダム堤体３の変位の計算値が異常である場合は、報知部２９に通知し、報知部２９はダム堤体３の変位に異常があることを音や光などを出力することにより報知する。

次に、ダム堤体の変位計測装置による変位の計測、算出方法について説明する。
図３は、図２に示す測定部２０の設置の一例を示す正面図であり、図４は、測定部２０の設置の一例を示す上面図である。
固定板３１上に設けられた測定用ボックス３０内には、傾斜計２１−１、２１−２が固定板３１に固定設置され、温度計２３が設置される。固定板３１は、高さ調整ねじ３３−１、３３−２、３３−３、３３−４によって支持され、例えば、ダム内通路１１に設置される。

図５は、高さ調整ねじ３３の高さ調節機能を説明する図である。図５に示すように、変位計測装置を設置する設置面６１が水平でない場合、高さ調整ねじ３３−１、３３−２、３３−３、３３−４の長さを調整することによって、固定板３１を水平に調整し、測定ボックス３０内の傾斜計２１−１、２１−２は常に水平に設置される。

図４に示すように、傾斜計２１−１はダム堤体３のダム(川)の上下流方向の変位量Ｄｘを計測するために、傾斜計２１−２はダム堤体３のダム(川)幅方向の変位Ｄｙを計測するために設置される。以下、傾斜計２１−１による変位量Ｄｘの計測を例に説明する。

図６は、傾斜計２１−１の移動を示す図であり、図７は、傾斜計２１−１の回転移動量とダム堤体３の変位量Ｄｘとの関係を示す図である。
図６に示すように、ダム堤体３が変形したことによって、傾斜計２１−１が初期位置２１−１ａから位置２１−１ｂまで回転移動したとする。いま、初期位置２１−１ａの傾斜計２１−１の重心Ｇａから垂直下方に伸ばした軸ｌ１を考え、軸ｌ１と基礎地盤面７との交点を仮想固定点Ｐｘとする。また、傾斜計２１−１が位置２１−１ａから位置２１−１ｂに移動したときの、傾斜計２１−１の重心Ｇｂと仮想固定点Ｐｘとを通る軸をｌ２とする。傾斜計２１−１は、あらかじめ決められた時間ごとに傾斜角を測定する。位置２１−１ｂにある傾斜計２１−１が測定した傾斜角θｘは、軸ｌ１と軸ｌ２とがなす角、即ち、回転移動角に等しい。

従って、図７に示すように、傾斜計２１−１の周囲のダム堤体３の変位量Ｄｘは、傾斜計２１−１より測定された傾斜角θｘ、初期位置２１−１ａの傾斜計２１−１から基礎地盤面７までの垂直距離ｒを用いて次式で表される。
Ｄｘ ＝ ｒ・sin θｘ …（１）
この変位量Ｄｘの算出は、傾斜計２１−１と温度計２３が測定を行うたびに、変位計測装置の制御部２７によって行われる。
ここでは、ｒを傾斜計２１−１の重心から仮想固定点までの距離としたが、傾斜計下面から仮想固定点の距離としてもよい。
ダム幅方向の変位量Ｄｙについても同様に求めることができる。

次に、傾斜計２１−１、２１−２の出力に対する補正について説明する。傾斜計２１−１、２１−２には個体固有の出力値の誤差があるため、本実施の形態ではその出力値の誤差を補正することが可能である。また、傾斜計２１−１、２１−２の出力は、その周囲温度によって変化するため、本実施の形態では、温度を考慮した出力補正も可能である。

ここでは、傾斜計２１−１、２１−２は傾斜角を電圧として出力する傾斜計であるとする。例えば、温度の影響がない場合は傾斜計の出力電圧Ｖ［Ｖ］は次式で表される。
Ｖ ＝ Ｋ × sin θ …（２）
ここで、Ｋは係数、θは傾斜角であり、例えばθｘ或いはθｙである。
そして、傾斜計２１の個体差の補正、温度による補正を行った後の補正出力電圧Ｖｈ［Ｖ］は次式で表される。
Ｖｈ ＝ Ｇ（Ｔ） × Ｋ × sin θ × Ｚ（Ｔ） …（３）
ここで、Ｔは温度計２３によって測定された傾斜計２１の周囲温度、Ｇ（Ｔ）は温度補正係数、Ｚ（Ｔ）は個体差による補正係数（以下、オフセット補正電圧とする）である。

温度補正係数Ｇ（Ｔ）、オフセット補正電圧Ｚ（Ｔ）を求めるために、予め、傾斜計の決められた温度での決められた角度の出力を測定する。
図８は、角度と温度による傾斜計２１の出力電圧値の一例を示す表である。ここで、傾斜計２１は、傾斜角度「−１（度）」から「１（度）」を出力電圧「−５．０（Ｖ）」から「５．０（Ｖ）」の範囲に対応させて出力するように規定されているとする。理想的には、傾斜角度が「０（度）」の場合、どの温度でも「０（Ｖ）」を出力するのだが、実際の傾斜計２１には個体差や周囲温度による誤差がある。

図８に示すように、傾斜計２１の出力電圧は、温度「０℃」のときに「−０．０３９（Ｖ）」、温度「１５℃」のときに「−０．０２５（Ｖ）」、…と変化する。そこで、傾斜角度「０（度）」の場合の測定した温度と傾斜計２１の出力電圧とを測定点としてプロットする。図９が、測定点をプロットして得られた近似カーブ６１を示す図である。図９に示すカーブ６１から近似式を求め、測定点以外の温度Ｔにおける出力電圧の逆数を、（３）式のオフセット補正電圧Ｚ（Ｔ）として加算する。

次に、温度補正係数Ｇ（Ｔ）の算出について説明する。
理想的には、傾斜計２１の出力は、どの温度であっても、傾斜角度が「１（度）」のときの出力電圧は「５．０（Ｖ）」、傾斜角度が「−１（度）」のときの出力電圧は「−５．０（Ｖ）」であるが、実際の傾斜計２１の出力電圧は、図８に示すように温度によって変化する。そこで、本実施の形態では、角度が「−１（度）」から「０（度）」までの出力電圧の傾きと、角度が「０（度）」から「１（度）」までの出力電圧の傾きとの平均を求めて、その逆数を温度Ｔにおける温度補正係数Ｇ（Ｔ）として、（３）式に示すように実際の傾斜計の出力電圧に乗算する。

尚、（３）式を基にした、傾斜計２１の出力補正処理は、制御部２７によって行われる。
以上説明したように、本実施の形態では、傾斜計２１の個体差による補正、温度による補正を出力に施すことが可能であり、正確な傾斜角、即ち、正確なダム堤体の変位量を求めることが可能である。

尚、本実施の形態では、傾斜計２１を設置した場所は１箇所として説明したが、複数個所に設置可能である。
また、本測定部２０（記憶部２５を含めた場合でも）はコンパクトに設計可能であり、運搬移動可能であり、従来のプラムライン装置に比べて、低コストである。
また、高さ調節機能（水平維持機能）を有するため、ダム堤体３内に設けられた空間内のどこでも設置可能であり、補正機能を有するため、どの場所でも正確な傾斜角を測定することが可能である。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上のように、本発明に係るダム堤体の変位計測装置は、ダム堤体内に設けられた空間の各所に設置可能であり、設置箇所付近のダム堤体の変位量を正確に求める手段として有用である。

ダム堤体の変位計測装置による変位計測の説明図 ダム堤体の変位計測装置の概略ブロック図 測定部２０の設置の一例を示す正面図 測定部２０の設置の一例を示す上面図 高さ調節機能を説明するための図 ダム堤体の変位Ｄｘと傾斜計の回転移動θを示す図 ダム堤体の変位Ｄｘと傾斜計の回転移動θの関係を示す図 各角度、各温度における傾斜計の出力電圧の一例を示す図 傾斜角「０度」における各温度の出力電圧の近似カーブを示す図 従来のプラムライン装置による変位計測を説明するための図

符号の説明

３…ダム堤体
５…貯水
１１−１、１１−２…ダム内通路
２１、２１−１、２１−２…傾斜計
２３…温度計
２５…記憶部
２７…制御部
２９…報知部
３１…固定板
３３、３３−１、３３−２、３３−３、３３−４…高さ調節ねじ

Claims (3)

1. ダム堤体の変位を計測するダム堤体の変位計測装置であって、
   前記ダム堤体の内部の空間において、ダム堤体が設置された基礎地盤面より垂直距離ｒの位置にある基準位置に設けられた傾斜計と、
   前記ダム堤体が変形した際に前記傾斜計により測定された傾斜角度θ、及び、前記垂直距離ｒを用いて、前記傾斜計周辺のダム堤体の変位量ＤをＤ＝ｒ・sin θとして算出する変位算出手段と、
   を具備することを特徴とするダム堤体の変位計測装置。
2. 水平維持手段を更に具備し、
   前記水平維持手段は、前記基準位置に前記傾斜計を水平に設置することを特徴とする請求項１記載のダム堤体の変位計測装置。
3. 前記傾斜計付近の温度を測定する温度計と、
   前記温度計により測定した温度を基に、前記傾斜計が測定した傾斜角を補正する温度補正手段と、
   を更に具備することを特徴とする請求項１又は２に記載されたダム堤体の変位計測装置。

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