JP2016200416A - 洗掘検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価で正確な洗掘深度を計測できる洗掘検知システムを提供することを課題とする。
【解決手段】橋梁本体Ｂ１を支持する橋梁支持体Ｂ２が立設された地盤Ｐの洗掘状態を検知するシステムにおいて、橋梁支持体Ｂ２が立設された地盤面Ｐ１上に配置された錘２５と、橋梁支持体Ｂ２の陸上部もしくは橋梁本体Ｂ１に設置された回転自在なドラム２２と、一端側がドラム２２に巻回され他端側に錘が吊下されているワイヤ２１と、ドラムの回転量を計測するロータリーエンコーダ２４と、ロータリーエンコーダ２４に接続されて計測情報を通信する光ファイバケーブル１６Ａ〜１６Ｄと、上記光ファイバケーブルが接続された光送受信装置１１Ａ〜１１Ｄと、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、河川や海の上を通る道路や鉄道の橋梁本体を支持する橋脚が立設された川底面や海底面となる地盤の洗掘状態を検知するシステムに関する。

地盤の洗掘状態を検知するには、検知部として光学式または超音波式のセンサで空中から川底の状態を検知する方法が知られているが、洪水が生じる荒天や増水時には、大雨や濁流により光や超音波が妨害され正確な距離を検知することができない。

そこで、川底（地盤）に複数のセンサを埋設し、川底が洗掘されてセンサが水流にさらされるのを直接検知する方法が、例えば、特許文献１そして特許文献２で提案されている。センサは洗掘の有無を検知するものであるが、複数のセンサを鉛直方向で間隔をもった位置に埋設して、予め各センサの設置する深度を設定しておき、洗掘により露出することとなったセンサによって、洗掘の生じた深さを検知することができる。

特許文献１のセンサはＡＥ（アコースティック・エミッション）センサであって、複数のセンサが取り付けられている柱状のセンサ本体が立設された地盤の洗掘で露出することとなったセンサが河川水中の浮遊固形物等の衝突を受けて生ずる超音波を検出し、この検出信号をセンサ本体に設けられた変換増幅部で増幅して送信している。このセンサ本体毎に設けられる変換増幅部は電源により駆動される。

また、特許文献２におけるセンサは、洗掘の際にセンサ収納筺体の姿勢が変化することでスイッチが開状態となる揺動センサで形成されていて、スイッチの作動で検知信号を発するようになっている。この検知信号はセンサ毎に設けられる電源から電力を受けて発生する。

特開２００１−１０８４９１ 特開平１１−１２５５２４

特許文献１そして特許文献２の装置によれば、洗掘の深さを計測することができるが、洗掘の深度を計測するためには鉛直方向に間隔をもって複数のセンサを設置する必要がある。深度の検知精度はセンサ数に依存するので精度を高めるためには上記間隔を小さくしてセンサの数を多くする必要があり、その結果、設置費用が増大してしまう。

かかる事情に鑑み、本発明は、複数のセンサを用いずに、費用を低減して、なおかつ正確な洗掘深度を計測することを可能とする洗掘検知システムを提供することを課題とする。

本発明に係る洗掘検知システムは、橋梁本体を支持する橋梁支持体が立設された地盤の洗掘状態を検知する。

かかる洗掘検知システムにおいて、本願発明では、橋梁支持体が立設された地盤面上に配置された錘と、橋梁支持体の陸上部もしくは橋梁本体に設置された回転自在なドラムと、一端側がドラムに巻回され他端側に錘が吊下されているワイヤと、ドラムの回転量を計測するロータリーエンコーダと、ロータリーエンコーダに接続されて計測情報を通信する光ファイバケーブルと、上記光ファイバケーブルが接続された光送受信装置と、を有していることを特徴としている。上記錘は、それ自体の形態には限定がなく、要はワイヤに吊下されていることで、地盤が洗掘されたときに、それに追従して沈降するものであればよい。

このような構成の本発明にあっては、錘が地盤面上に、例えば川底面に配置されているので、地盤の洗掘深さの分だけ錘が沈降する。ワイヤには錘が吊下されており、錘の沈降に伴ってドラムに巻かれワイヤが繰り出される。ドラムに接続したロータリーエンコーダによってドラムの回転量が計測され、ドラムの回転量とワイヤの巻き径からワイヤの繰り出し量を算出し、洗掘の深度を計測する。センサとしてのロータリーエンコーダは一つで済む。

本発明において、ロータリーエンコーダは、外周部の単数または複数位置に磁石体が取り付けられた回転体と、該回転体の周方向での磁石体の移動に伴う磁場の変動を検知する磁場変動検知部とを有し、磁場変動検知部は、磁場の変動により出力する光強度が変化するファラデ素子センサとすることができる。

このロータリーエンコーダは回転体と回転体の回転状態を検知する磁場変動検知部とで構成される。回転体の外周部には磁石体が配されており、回転体の近傍に磁場変動を検知する磁場変動検知部が設けられており、回転体の回転に伴い磁石体が回転体とともに回転体の周方向に移動することにより、磁場変動検知部近傍での磁場の変動をファラデ素子センサで検知して回転体の回転量を計測する。

ファラデ素子センサは磁石体が近接して磁場が変動すると該ファラデ素子センサの出力する光強度が変動するため、該ファラデ素子センサが磁石体の通過を検出しその通過回数を計数することで回転体の回転量を計測することができる。

ファラデ素子センサは光ファイバケーブルが接続されているだけなので、電気部品を使用しておらず、電源（設備）を要しないとともに、落雷等の雷撃の影響を受ける虞れがない。このようにファラデ素子センサに対しては電源（設備）が不要なので、建設のイニシャルコスト、適用のランニングコストの低減を図ることができる。

また、ファラデ素子センサと光ファイバケーブルは光学的に接続されているだけなので機械部品がないため、長期間使用しても故障する可能性が低く安定性が高い。

さらには、計測信号を光ファイバケーブルで光通信しているため送受信機や、制御装置、分析装置等を設置する基地局を橋梁から数ｋｍ〜数十ｋｍ離間した遠隔地に設置することが可能となり、検知システムの運用の自由度が向上する。

本発明において、ドラムに巻回されたワイヤの巻回始端はドラムに固定されていないようにすることができる。

このような形態では、ワイヤの巻回始端は、ドラムに巻回されているだけで固定されていないので、ワイヤは、全長にわたり繰り出されると、ドラムから離間した状態になる。仮にワイヤの巻回始端がドラムに固定されていると、台風や洪水により、洗掘で錘が沈降するだけでなく、錘が水勢によって流された場合は、ワイヤがドラムから繰り出されきった後で、ドラムがワイヤで引張られて破損する可能性がある。しかし、本発明のように、ワイヤの巻回始端をドラムに固定しないことにより、錘が流されてもワイヤはドラムから抜けるだけなので、ドラムが破損するのを防止することができる。

また、復旧する際もドラムにワイヤを巻回するだけでよいのでドラムを設置し直す必要がなく、費用を抑制して復旧時間も短縮することができる。

本発明において、ワイヤは、ドラムから錘までの範囲の少なくとも一部分で、橋梁支持体に沿って設けられた保護管に通されていることが好ましい。

このようにすると、ワイヤは外部に剥き出しにならず保護されているので、濁流等の流量の増大や、流木等の浮遊物の接触等で流されたり、振動したり、外傷を受けたりすることを防止できる。

本発明は、以上のように、地盤の洗掘に伴う錘の沈降によりワイヤがドラムから繰り出され、この繰り出し量をロータリーエンコーダで計測されたドラムの回転量から得ることにより、洗掘深度を計測することとしており、地盤に洗掘が生じた際には、地盤面上、例えば川底面に配置された錘が洗掘深度の分だけ沈降し、錘の沈降に伴ってドラムに巻かれたワイヤが繰り出され、ドラムに接続したロータリーエンコーダによってドラムの回転量が計測され、ドラムの回転量とワイヤの巻き径からワイヤの繰り出し量を算出し、洗掘の深度を計測するので、センサとしてのロータリーエンコーダを一つ設けるだけで済み経済的に有利であり、洗掘深度が連続的に計測でき正確に洗掘深度を知ることができる。

本発明の一実施形態としての洗掘検知システムのうち地盤洗掘監視装置を主体とした概要構成図である。 図１の洗掘検知システムのうち橋梁に位置する部分を示す概要構成図である。 図２に見られる検知ボックス部分の内部構成を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

以下、添付図面にもとづき、本発明の一実施形態を説明する。

図１は洗掘検知システムとしての本実施形態装置の概要構成図、図２は図１装置の各検知ユニットの光ファイバケーブルの先端側における検知部分を示す図である。

本実施形態装置は、図１に見られるように、駅舎、保安区等に設置された監視基地局としての地盤洗掘監視装置１０を有し、該地盤洗掘監視装置１０は、光を送信そして受信する光送受信装置としての多数の検知ユニット１１（図１では４つの検知ユニット１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄのみが示されている）と、各検知ユニットからの信号情報から洗掘深度を得る深度換算装置１２と、これらを制御するとともに深度換算装置１２からの出力を判定する制御装置１３と、その結果を表示する表示装置１４とを有している。上記制御装置１３は、列車Ｔ等に連絡する無線連絡装置１５に接続されている。

各検知ユニット１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄからは光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが延出していて、これらの光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、好ましい形態として、一つの幹線ケーブル１７としてまとめられて、地盤洗掘を検知すべき河川等の橋梁の位置に向け延びていてそれらの先端がファラデ素子を用いたファラデ近接センサ１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄに接続されている。既述したように、検知ユニット１１は多数設けられているので、一つの幹線ケーブル１７には、それに対応する数だけの光ファイバケーブル１６が挿通されている。

図１に見られるように、一つの幹線ケーブル１７は、図２のごとく、鉄道等の橋梁Ｂの位置から橋梁Ｂを支持する複数の橋梁支持体Ｂ２にまで延びている。光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂは順次上記幹線ケーブル１７から引き出されている。図２では、幹線ケーブル１７から引き出された光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂの先端が接続されているファラデ近接センサ１８Ａ，１８Ｂが図示されている。また、幹線ケーブル１７に複数の光ファイバケーブル１６を挿通させるのに代えて、例えば、幹線ケーブル１７に複数の光ファイバ心線を収容するとともに、光ファイバ心線を金属管に挿通させた光ファイバケーブル１６を幹線ケーブル１７から各橋梁支持体Ｂ２に対して分岐させることとしてもよい。

図２に見られるように、橋梁Ｂは河川の上方に位置する橋梁本体Ｂ１と、河川の地盤に立設させてその上端で上記橋梁本体Ｂ１を支える支柱をなす橋梁支持体Ｂ２を有しており、上記橋梁本体Ｂ１と橋梁支持体Ｂ２の両者がなす隅部に検知ボックス２０が支持されている。この検知ボックス２０は、橋梁本体Ｂ１と橋梁支持体Ｂ２のいずれか一方で支持することもできる。

上記各検知ユニット１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄから延びる光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄの先端は、既述のごとく、ファラデ近接センサ１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄに接続されていて、各光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは橋梁Ｂの対応橋梁支持体Ｂ２にまで延びているが、図２には、二つの光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂについてのみ図示されている。これら二つの光ファイバケーブル１６Ａ，１６Ｂの先端が導入されているそれぞれの検知ボックス２０は、内部構成が同一であるので、以下、光ファイバケーブル１６Ａが導入されている検知ボックス２０について説明する。

検知ボックス２０内には、回転自在に支持されたワイヤ２１が巻回されたドラム２２と、該ドラム２２とともに回転する回転体２３と、光ファイバケーブル１６Ａの先端に接続されて該回転体２３の外周に近接して配置された磁場変動検知部としての上記ファラデ近接センサ１８Ａとで構成された変位計が収容されている。上記回転体２３とファラデ近接センサ１８Ａとでロータリーエンコーダ２４を形成している。上記ドラム２２には、ワイヤ２１が巻回されており、その巻回始端となる一端はドラム２２に固定されず、他端は上記ドラム２２から検知ボックス２０外に延出し垂下していて錘２５が取り付けられている。該錘２５は川底となる地盤Ｐの上面（地盤面）Ｐ１上に位置している。該錘２５は、単に地盤面Ｐ１上に位置しているだけで、地盤内に埋設されているわけではない。上記錘２５の形状、材質は想定される河川の水流の流量によって適宜設定すればよいが、例えば河川や海岸に設置されるテトラポット状の形状にすると、通常の状態では川底の地盤に安定して配置できるので好適である。材質としては例えばコンクリートや鋼材とすることができる。

上記検知ボックス２０からは保護管２６が川の水面下まで垂下して設けられていて、上記ワイヤ２１は該保護管２６内に自由状態で挿通されており、該ワイヤ２１の他端である下端が保護管２６から出ている。かくして、このようにすると、ワイヤ２１は外部に剥き出しにならず保護されることとなり、濁流等の流量の増大や、流木等の浮遊物の接触等で流されたり、振動したり、外傷を受けたりすることがない。

上記ドラム２２は、図３（Ａ），（Ｂ）に見られるように胴部２７、フランジ部２８Ａ，２８Ｂそして軸部２９Ａ，２９Ｂを有していて、検知ボックス２０内に設置された軸受収容部３０Ａ，３０Ｂに収められた軸受３１Ａ，３１Ｂにより回転自在に支持されている。上記ドラム２２の両端に設けられたフランジ部２８Ａ，２８Ｂから突出する軸部２９Ａ，２９Ｂが対応する軸受３１Ａ，３１Ｂによりそれぞれ支持されている。

ドラム２２はその胴部２７にワイヤ２１が巻回されていて、既述のように巻回始端となる一端がドラム２２に固定されず、他端側がドラム２２から垂下し、検知ボックス２０の底壁に形成された窓部２０Ａを通って吊下し、上記底壁から垂下して設けられた保護管２６内を挿通している。

上記ドラム２２の一方の軸部２９Ｂは、対応の軸受３１Ｂから突出していて、その先端にロータリーエンコーダ２４の回転体２３が取り付けられていて、該回転体２３が軸部２９Ｂと一体に回転するようになっている。

上記回転体２３は、多角形（図示の例では８角形）に作られ、その外周面が多面体となっていて、各面に磁石体２３Ａが取り付けられている。

上記回転体２３の直下には、ロータリーエンコーダ２４のファラデ近接センサ１８Ａが上記回転体２３の外周面に近接して配置され、検知ボックス２０の底壁に取り付けられた支持体３２により支持されている。上記ファラデ近接センサ１８Ａからは光ファイバケーブル１６Ａが検知ボックス２０外に延びている。ロータリーエンコーダ２４には光ファイバ１６Ａが接続されているため、光送受信装置を設置する監督基地局は橋梁支持体からは数ｋｍから数十ｋｍ離れた位置に設置することができるので、橋梁が設置される場所が山間部や奥地等であっても、橋梁から離れた場所で光送受信装置の設置が容易な場所に監督基地を設置することができ、遠隔地から橋梁支持体の洗掘の状況を確認することができる。また、検知ボックス２０ではファラデ近接センサと光ファイバが接続されているだけなので、電気部品を使用しておらず、落雷等の雷撃の影響を受ける虞れがない。さらには、ファラデ近接センサと光ファイバは光学的に接続されているだけなので機械部品がないため、長期間使用しても故障する可能性が低く安定性が高い。

このように構成される本実施形態装置において、河川の増水により地盤Ｐが橋梁Ｂの橋梁支持体Ｂ２の基部位置にて洗掘されると、図３で二点鎖線で示されるように、地盤Ｐが局部的に没するので、地盤面Ｐ１上に位置していた錘２５はその自重により洗掘深さだけ降下する。すなわち、ワイヤ２１は、錘２５の降下分だけ繰り出され、それに伴いドラム２２が回転する。ドラム２２の回転により該ドラム２２の軸部２９Ｂに取り付けられている回転体２３もドラム２２と同一量だけ回転する。回転体２３の回転により、該回転体２３の外周面に取り付けられている複数の磁石体２３Ａは、回転体２３の直下で該回転体２３の外周面近接配置されているファラデ近接センサ１８Ａの前を次々と通過する。したがって、ファラデ近接センサ１８Ａが置かれている位置における磁場は、磁石体２３Ａの通過のたびに磁場の強さが変動する。

ファラデ近接センサ１８Ａは、ファラデ素子を有しており、該ファラデ素子は、上記磁場の強さによって直線偏光の偏波面を回転させて反射光の強度を変化させる特性があるので、このファラデ素子を用いたファラデ近接センサ１８Ａでは、磁石体２３Ａの接近の際の磁場の変動により、出力光の光強度の変化として検知する。

かくして、検知ユニット１１Ａから送信された光が、上記ファラデ近接センサ１８Ａで反射して出力される際、磁石体２３Ａの接近毎に出力光の光強度が変化した計測情報信号として出力され、検知ユニット１１Ａはこれを受信し、その光強度の変化の回数から磁石体２３Ａの通過回数を知り、これからドラム２２の回転数を得る。この回転数を示す信号は深度換算装置１２へ送られる。そして、該深度換算装置１２が、上記回転数をドラム２２の直径およびワイヤ２１の巻き径からワイヤ２１の繰り出し長さに換算することにより洗掘深度を計測することができる。さらに、該洗掘深度を示す信号は制御装置１３へ送られる。そして、制御装置１３が、算出された洗掘深度を予め設定された危険深さを示す許容値と比較し、許容値を超え危険状態であると判定したときには、その判定結果を表示装置１４が表示する。また、無線連絡装置１５は、上記判定結果に対応する無線信号を列車Ｔあるいは保安区へ向けて送信し、該列車Ｔの乗務員に報知するようにすることができる。この結果、列車Ｔを適宜停止させることにより、事故を未然に防止する。

本実施形態では、ワイヤ２１の巻回始端はドラム２２に固定されていないので、台風や洪水により洗掘で錘２５が沈降するだけでなく、錘２５が流された場合はワイヤ２１がドラム２２から繰り出されきった後で、ワイヤ２１はドラム２２から抜けるのでドラムがワイヤで引張られて破損する虞れがない。かくして、ドラムを破損するのが防止される。

また、復旧する際も、ドラム２２にワイヤ２１を巻回し直すだけでよいのでドラム２２を設置し直す必要もないので、費用を抑制して復旧時間も短縮される。

本実施形態では、複数の橋梁支持体の検知ボックスに至る光ファイバケーブルのそれぞれに対応して複数の検知ユニットを設ける例を図示したが、検知ユニットを複数とせずに、各光ファイバケーブルに対して共通として一つだけ設けて、この共通な検知ユニットが各光ファイバケーブルに順次切り替わり接続されるようにしてもよい。こうすることで検知ユニットを設けることに関してコストの大幅低減が可能となる。

１１Ａ〜１１Ｄ 光送受信装置（検知ユニット）
１６Ａ〜１６Ｄ 光ファイバケーブル
１８Ａ〜１８Ｄ ファラデ素子センサ（ファラデ近接センサ）
２１ ワイヤ
２２ ドラム
２３ 回転体
２３Ａ 磁石体
２４ ロータリーエンコーダ
２５ 錘
２６ 保護管
Ｂ 橋梁
Ｂ１ 橋梁本体
Ｂ２ 橋梁支持体
Ｐ 地盤
Ｐ１ 地盤面

Claims (4)

1. 橋梁本体を支持する橋梁支持体が立設された地盤の洗掘状態を検知するシステムにおいて、
   橋梁支持体が立設された地盤面上に配置された錘と、
   橋梁支持体の陸上部もしくは橋梁本体に設置された回転自在なドラムと、
   一端側がドラムに巻回され他端側に錘が吊下されているワイヤと、
   ドラムの回転量を計測するロータリーエンコーダと、
   ロータリーエンコーダに接続されて計測情報を通信する光ファイバケーブルと、
   上記光ファイバケーブルが接続された光送受信装置と、
   を有していることを特徴とする洗掘検知システム。
2. ロータリーエンコーダは、外周部の単数または複数位置に磁石体が取り付けられた回転体と、該回転体の周方向での磁石体の移動に伴う磁場の変動を検知する磁場変動検知部とを有し、
   磁場変動検知部は、磁場の変動により出力する光強度が変化するファラデ素子センサであることとする請求項１に記載の洗掘検知システム。
3. ドラムに巻回されたワイヤの巻回始端はドラムに固定されていないこととする請求項１または請求項２に記載の洗掘検知システム。
4. ワイヤは、ドラムから錘までの範囲の少なくとも一部分で、橋梁支持体に沿って設けられた保護管に通されていることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載の洗掘検知システム。

Images