光ファイバセンサによる表層崩壊モニタリング技術

  1. 表層崩壊の特徴とモニタリングの課題
  2. 光ファイバセンサの概要
    1. 2-1.光ファイバセンサの特徴
    2. 2-2.光ファイバセンサの設置イメージと適用性
  3. 斜面管理と表層崩壊予測の考え方
  4. おわりに

1.表層崩壊の特徴とモニタリングの課題

@表層崩壊の特徴

  • 崩壊速度が速い
  • どこでどのくらいの規模で起きるのかよくわからない

A表層崩壊モニタリングの課題

  • センサの信頼性(従来のセンサは電気式で、落雷時に電磁誘導が起こり計測できない)
  • 崩壊が不特定域で起こるため、面的にモニタリングすることが必要
  • 実際の崩壊挙動を計測した事例が無く、危険度の判断および対応方法が不明確

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2.光ファイバセンサの概要

2.1.光ファイバセンサの特徴

  光ファイバ自体がセンサと導線の2つの機能を有し、線的・面的な設置・計測が従来型の伸縮計よりも容易であること、光ファイバの素材がガラスであり落雷による電磁誘導を受けないといった特徴があり、現状では表層崩壊モニタリングに最も適した技術です。表−1に従来型センサと光ファイバ型センサの特徴を整理したものを示します。

表-1  従来型センサと光ファイバ型センサの特徴
従来型(電気式) 光ファイバ型
点的?面的? 点・線・面的(原理による)
通信・計測用の結線は? 量が多く繁雑。
1ラインに1個のセンサ
基本的には、1ラインにn個のセンサ。従来型と同様に1:1のものもある。
落雷による電磁誘導は? 影響を受ける 影響を受けない
斜面内部の計測(水分、傾斜など) いろいろなセンサあり、一方式のシステムで可能 開発途上。場合によっては、複数のシステムが必要
コストは? 比較的安価。ただし、広域の多点計測では、やや割高? 高いものから安価なものまで幅がある。計測対象の範囲を考えれば比較的安価に

  一般的に光ファイバは,図−1に示すように,屈折率が異なるコア部とクラッド部の2層構造からなるガラス繊維であり,屈折率の違いにより光が外部に漏れることなくコア部を進行します。光ファイバセンサは,ガラスの屈折率や密度の微少なゆらぎにより散乱光が発生し,この一部が反射光として後方に戻ってくる後方散乱光や,ファイバ自体に何らかの加工をして反射点などを設けて発生させた反射光等を利用して計測します。光ファイバに曲げやひずみ等が生じると,散乱光や反射光あるいは透過光の波長や光強度などが何らかの変化をするので、この変化状態をひずみや変位等に換算して用います。計測分野で用いられている主な計測原理としては,B-OTDR方式,OTDR方式,FBG方式,MDM方式,干渉方式,光学ストランド方式(OSMOS)等たくさんの方式があります。
  また、計測原理とは別に,計測の形態からラインセンサとポイントセンサ(従来の伸縮計と同様)の2つに大別されます。FBG方式,MDM方式,干渉方式,光学ストランド方式(OSMOS)は主にポイントセンサに分類され、B-OTDR方式,OTDR方式は主にラインセンサに分類されます。土木研究所では,ポイントセンサの代表としてFBG方式,MDM方式,ラインセンサの代表としてB-OTDR方式を用いて表層崩壊のモニタリング技術に関する研究を行ってきました。

図-1 光ファイバセンサの計測原理と概念図

図-1  光ファイバセンサの計測原理と概念図

写真 光ファイバセンサ(BOTDR方式)の設置状況

写真  光ファイバセンサ(BOTDR方式)の設置状況

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2.2 光ファイバセンサの設置イメージと適用性

  図-2にそれぞれの斜面への設置イメージをします。斜面の変状を面的に捉えるために、センサをW字型に配置します。従来型の伸縮計はポイント型センサですから、センサ1つに対して1本の導線が必要となります。この導線が落雷による電磁誘導で焼きつくと計測ができなくなります。MDM方式は、従来型の伸縮計と同じ構成になりますが、導線自体が光ケーブルとなり電磁誘導が発生しません。FBG方式は、一本の光ファイバ中にひずみゲージのようなものを作り込むため、1つの導線上に複数のセンサがつながっているため、導線の本数が少なくてすみます。BOTDR方式は導線とセンサが一体となっているライン型のセンサで、一筆書きのように設置できます。

図-2 各計測方式の面的設置イメージ

図-2  各計測方式の面的設置イメージ

  導入検討にあたっての参考となるように,表−2に各方式のセンサの概算の導入コストを示します。地盤への設置具および設置人件費は場所によって異なりますが,計測方式による差違はほとんどないので,ここではセンサおよび計測器の材料費の試算をしています。光ファイバセンサは,比較的高いイメージがありましたが,技術開発が進むことにより計測器自体も比較的安価になってきています。ただし,導入にあたっては,導入時の計測計画だけではなく,導入後の計測範囲の拡張や設置箇所の追加などを考慮して経済的な計測システムを選定することが重要です。なお、金額については現状(平成19年4月時点)で把握しているコストであり、市場や技術開発の動向によってはより安価になる可能性があります。

表-2  各計測方式の概算導入コスト
型式 センサ部 計測器 制御PC 概算金額
従来型伸縮計 30万円×20台
=600万円/箇所
200万円/箇所 40万円/箇所 約840万円
2カ所目以降+840万円/箇所
MDM方式 15万円×20台
=300万円/箇所
150万円/箇所 40万円/箇所 約490万円
2か所目以降+490万円/箇所
FBG方式 30万円×20台
=600万円/箇所
300万円 40万円 約940万円
2カ所目以降+600万円/箇所
BOTDR方式 1,500円×10m×20区間
=30万円/箇所(20kmまで可)
1,000万円 40万円 約1,070万円
2カ所目以降+30万円/箇所

<試算条件>

  • 斜面幅を1箇所あたり100mに固定。
  • 1辺10mの正三角形をイメージしてW字型に斜面横断方向に設置。
  • 監視用ソフト費用,センサ固定用の冶具等の設置材料費および設置人件費は除く。

  表-3にそれぞれの特徴を踏まえて適用性を整理したものを示します。表に○が付いているところは特段問題はなく,△が付いているところは次の様な観点から検討が必要なところです。

表-3  各計測方式の適用性
B-OTDR FBG MDM
計測エリア △1
結線、センサ数
△1
結線、センサ数
△2
コスト
変状の程度
変状位置
リアルタイム性 △3
計測時間

※他にも、干渉型やOSMOSなど、いろいろあるが、基本的には点的なセンサで、MDMやFGBの評価に近い。

△1:ポイントセンサは,基本的に1ライン1個あるいは数個程度のセンサで,広範囲になると結線量が膨大になるため導入にあたっては,何らかの工夫や検討が必要です。 △2:センサ自体が安価ではあるが現状では計測器が比較的高く,計測範囲が狭い所では初期投資が割高となる可能性が高いので、導入にあたっては計測の目的を再確認するとともに,計測範囲の拡大の有無など計測計画を考え,ポイントセンサの導入も含めた検討が必要です。 △3:リアルタイム性をどこまで求めるかによりますが,1ラインの計測に解析時間を含めて5〜10分程度必要です。ただし,斜面計測の分野では余り問題にならない程度であると考えます。  他の原理の適用性についても,若干の違いはあるものの,ほぼ同様です。これらは今後の技術開発による改善を期待します。

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3.斜面管理と表層崩壊予測の考え方

  モニタリングを活用した斜面の日常管理と降雨時の表層崩壊に対する異常監視の考え方は以下の通りです。 @日常計測(崩壊危険位置の事前抽出) 日常計測では,崩壊危険箇所を抽出し,対応策の検討を行う。面的・線的に設置したセンサの累積ひずみ分布棒図(図−3)や図−4に示すような考え方で作成したひずみ軌跡図やひずみ速度図を用いて,変状の卓越している箇所を抽出し,そのひずみ分布形態から危険範囲を推定して,規模や周辺状況を踏まえて必要な対応を検討します。図―5に示すように、崩壊(変状)域がセンサの上方にある場合は、圧縮挙動を示し、崩壊(変状)域がセンサの下方にある場合は、引張挙動を示します。ベクトルの向きと反応しているセンサの範囲は、崩壊域のある方向と大きさを示します。

図-3 面的・線的に設置したセンサの累積ひずみ分布棒

図-3  面的・線的に設置したセンサの累積ひずみ分布棒

図-4 ひずみ軌跡図・ひずみ速度図

図-4  ひずみ軌跡図・ひずみ速度図

図-5 土塊の移動方向(ベクトル)による危険箇所の抽出

図-5  土塊の移動方向(ベクトル)による危険箇所の抽出

A降雨時の異常監視(崩壊の事前予測)
  降雨時の異常監視は,日常計測で崩壊域を確認した後の対応で,推定規模が小さく継続監視で対応する場合,対策工を実施するまでの期間の安全確保の場合,あるいは対策が困難な場合など管理上必要な場合に実施します。降雨時の斜面の異常監視の場合は,図−6に示すように,日常計測(災害に至らない降雨時を含む)データで得られるひずみ速度により“管理基準値”を設定して管理円(通常域A,異常域B)を設け,ひずみ速度の向きと大きさから崩壊を予測します。a)のようにひずみ速度が通常域付近で収束する場合にはすぐに崩壊に至ることはありませんが,b)のように急激な変化が連続しひずみ速度が増大し崩壊が予想される場合は,降雨が続いている状況では速いものは1〜2時間以内に崩壊する可能性がありますので周辺の安全を確保するように対応する必要があります。
  実際に斜面管理で計測データにより崩壊予測を行う場合には,植物の影響,動物の接触,落石による断線等,いろいろな挙動が確認されるので,日常的な挙動を踏まえてその判断を適切に行うことが重要です。

図-6 ひずみ速度図の見方

図-6  ひずみ速度図の見方

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4.おわりに

  研究成果を踏まえて「光ファイバセンサによる斜面崩壊モニタリングシステムの導入・運用マニュアル」および上記管理の考え方に基づいた「監視用表示ソフトウェア」の作成を行いました。 今後、データの蓄積による予測精度の向上を図っていくことも重要ですが,より利用しやすいシステムとするため,斜面における設置性・施工性の向上による人件費の削減も含め,既存の計測システム全体におけるさらなるコスト低減やより効率的な計測技術の開発が必要と考えています。

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