急流河川用「侵食センサー」の開発パシフィックコンサルタンツ株式会社河川部部長渡邊眞道河川部河道診断ｸﾞﾙｰﾌﾟﾘｰﾀﾞｰ次長○佐々木博明河川部河道診断グループ新村卓也河川部河道診断グループ増山博之１はじめに護岸の被災原因の多くは、洪水時における護岸基礎前面の河床洗掘による基礎工の被災である。基礎工前面に根固工が設置されている場合でもその重量や敷設幅が不足していると、根固工が流出し、結果的に基礎工および法覆工が被災を受けることになる。堤防侵食や河岸侵食が進行すると、最悪、破堤に至ることになる。このため、護岸の設計を行う際には、基礎工天端高を決定するために、設計対象箇所における最深河床高を適正に評価することが最も重要となる。しかし、洪水時に洗掘された箇所は洪水ピーク後に埋戻されるために、洪水後の測量データを用いても洪水時に生じる最深河床高を定量的に評価することが困難な状況にある。そこで、現行の最深河床高の評価方法は、経年的な河床変動データや既往研究成果による評価、あるいは河床変動計算等の数値解析によっている。また、河道計画上、最も重要な区間においては、移動床水理模型実験により評価を行っているのが現状である。本報は洪水時の侵食実態を観測することの重要性から、今回新たに急流河川用として開発した「侵食センサー」と、観測地点の侵食状況や堤体浸潤線の上昇がリアルタイムでモニタリングできるシステムを開発したので報告する。２開発の目的河川管理者が堤防などの施設の安全性の向上と住民の避難誘導が必要となる際の情報提供能力を向上させることを目指し、洪水時河道の侵食実態を妨げず、時系列で計測ができる侵食センサーの開発を行うこと。また、観測地点の浸透・侵食の状況が一目で分かり、河川堤防の安全性が一元管理できるモニタリングのシステムを開発することを目的に行った。３堤防侵食センサーの開発３．１侵食センサーの特徴と原理写真―1 に今回開発した侵食センサーを示す。侵食センサーは観測地点の平均粒径程度の河床材料（自然石）を使用することで、実際の流水の変化による侵食実態を妨げることのない実現象の再現性が高い観測技術である。図―1 に侵食センサーの原理を示す。侵食センサーは電極を取り付けた自然石を、高さ調整用のスペーサーを挟んで所定の高さなるように何段にも積み上げ、その電極と内部に回路を組込んだ受信装置とを連結した簡単な構造である。センサーとなる自然石の大きさは、数ｃｍ程度の粒径でも加工が容易であることから、緩流河川の利用も十分に可能である。自然石と受信装置の連結は、観測地点の河床材料の大きさに応じて有線あるいは無線のいずれか確実な方法が選択できる。図―1 は有線による参考例を示しており、埋設した侵食センサー部である自然石が洪水時に流出すると電極が外れ、瞬時に受発信装置が感知し、その信号を堤防に設置した受信アンテナへ送信する簡単な仕組みとした。写真－1 侵食センサー図－1 侵食センサーの原理 1 減衰率３．２侵食センサーの通信方式図―２に今回通信手段として用いている地中無線（低周波電磁波）と、地上無線（高周波電磁波）の土中と極端に導電率の高い海中での通信距離に対する減衰率の比較を示す。ここで、一般的に減衰率 10－６を通信可能な目安と考えると、地 1.E+00１上無線は空中での減衰は全く問題ないも空中 1.E-01 のの、地中や海中での減衰が著しく、そ土中海中－２の通信距離は海中で 1ｍ程度、地中で 20 １０ 1.E-02 ｍ程度である。 1.E-03 一方、地中無線は地上無線に比べて空１０－４ 1.E-04 中での減衰は大きいものの、通信距離は土中でも 60ｍ以上（空中 100ｍ）有して 1.E-05 海中土中空中通信可能な目安おり、河川への適応が可能である。－６１０ 1.E-06 地中無線／空・土・海よって、侵食センサーの通信方式はそ 1.E-07 の設置場が河道内であることから、最適地上無線／空・土・海１０－８ 1.E-08 な「地中無線方式」を採用した。 1 10 100 1 10 100 また、侵食センサーの実用化に向けて通信距離[ｍ] は、堤防の利用・環境、敷設時のワイヤ図―２地上無線（高周波）と地中無線（低周波）損傷等のトラブルを考慮し、バッテリーの通信距離に対する減衰率の関係内蔵のワイヤレス化を進めた。３．３施工方法写真―２に侵食センサーの設置手順を示す。侵食センサーは、施工時の運搬および設置を容易にするために、新たに考案した高さ調整用のスペーサーを返して、左右 2 本の拘束バーで積上げた自然石全体を挟むように連結固定する。拘束バーは侵食センサーの設置後に簡単に引抜ける構造とした。施工は侵食センサー全体を吊上げ所定の位置に据付し、センサー欠落防止のための保護カバーで覆い、センサー周辺を充填しながら、埋戻しを行い設置する。 (1)掘削・据付観測地点を設置深度まで掘削後、侵食センサーの据付を行う (2)保護カバー設置埋戻しによるセンサー欠落防止のための保護カバーを設置し丁寧な施工を行う (3)埋戻し埋戻しはセンサー周辺の充填・保護カバー引上げ繰返し行う。埋戻し材は現地発生土を利用 (4) 侵食センサー設置完了保護カバーおよび拘束バーを撤去し、余盛を行い周辺の高さに整形・締固めを行う写真―２ 2 侵食センサーの設置手順４堤防モニタリングシステム４．１モニタリングの仕組み図―３に堤防モニタリングの仕組みを示す。今回新たに開発した堤防モニタリングシステムは、河道に設置する侵食センサーと堤体に設置する浸透センサーで構成し、河川堤防の浸透および侵食状況を一元管理でモニタリングするシステムである。侵食センサーの下部に取付けた受発信装置は、センサーである自然石が流されると「何時何分に自然石が流された」という信号を感知し、瞬時に受信アンテナへ送信する。その信号は受信アンテナから光ファイバーを経由し、河川事務所等に送信され河川管理者の手元のパソコンでリアルタイムにモニタリングができる仕組みである。一方、従来の地上無線を用いた侵食センサーでは、センサー部が水面に浮上しないと通信ができないために、正常に稼動しているか分からないといった欠点を有していた。今回、図―３河川堤防モニタリングの仕組み地中無線を用いることで、地上無線の欠点が克服でき、通年でセンサーの稼動状態が分かる信頼性の高いモニタリングシステムが構築できた。さらに、侵食センサーは自然石を用いることで、縦向きおよび横向きの設置が可能であり、河岸侵食（側方侵食）および堤防侵食（直接侵食）のいずれの侵食形態もモニタリングできるようになった。４．２リアルタイムモニタリングシステム図－４にモニタリング画面を示す。表示画面は観測位置図と堤防横断図に浸透・侵食状態のリアルタイムを表示したものである。これは、手元のパソコンに送信された数値データでは現在の堤防の状況が瞬時には判別が付かないことから、観測地点の堤防断面図で示し、一目でその時点の堤体浸潤線の状況や侵食状況、洗掘深が分かるように工夫を図った。また、CSV 出力可能なデータベースも同時に構築している。図―４ 3 リアルタイムモニタリング画面４．３履歴データ検索システム図―５にモニタリング情報履歴の経時変化を示す。これは将来、観測値の分析評価を行う際に、観測値が一目で検索できようにデータベース化したものである。表示画面は雨量・水位データと各観測地点の計測値をグラフおよび CSV 出力の一覧が表示できるように構築した。図―５履歴データの検索画面５．おわりに今回、実際の流水の変化による侵食実態を妨げることがなく、実現象の再現性が高い観測技術として、対象箇所の侵食状況や最深河床高を定量的に評価ができる侵食センサーを新たに開発した。また、高度情報化に向けた河川管理の観点からは、浸透・侵食の現地情報がリアルタイムでモニタリングでき、水防団等の的確な初動態勢が可能となりうる堤防モニタリングのシステムを提案した。今後は実河川現場での実績を重ねるとともに、堤防管理技術高度化のための観測技術の開発を進めることが重要である。謝辞：最後に本論文をまとめるに当り侵食センサーのコア技術である地中通信技術に関わる貴重なデータを坂田電機株式会社営業部長の山城睦様よりご提供をいただいた。ここに記して謝意を表する。 4