XIII 環境に配慮したダムの効率的な建設・再開発技術に関する研究
研究期間：平成13年度～17年度
プロジェクトリーダー：水工研究グループ長 永山功
研究担当グループ：技術推進本部（構造物マネジメント技術）、材料地盤研究グループ（地質）、水工研究グループ（ダム構造物、ダム水理）
1. 研究の必要性
環境保全の重要性に対する認識の高まりとともに、社会資本の整備にあたっては、事業の効率性を高めると同時に、自然環境や地球環境に及ぼす影響を極力回避、軽減することが求められている。このため、これまで整備されてきた社会資本ストックを有効に活用する方策を立案するとともに、新規の社会資本整備においても、環境に及ぼす影響を極力軽減できるような技術の開発が求められている。本重点プロジェクト研究では、ダム事業を対象として、上記の要請を踏まえて、既設ダムの有効活用技術の開発、自然環境へ及ぼす影響を極力回避できるような新規ダムの建設技術を開発する。
2. 研究の範囲と達成目標
本重点プロジェクト研究では、既設ダム、貯水池の有効活用を図るために、既設ダムの嵩上げ設計手法、放流設備の機能増強技術の開発を行う。また、新規のダム建設にあたっては、堤体材料を採取する原石山の改変を最小限に抑えるために、規格外骨材の有効利用方法の開発、およびダムサイトの掘削法面を最小化するために、ダム基礎岩盤の力学設計の高度化技術、貯水池法面の斜面対策を最小化するために、貯水池斜面の安定性評価技術の提案を行う。あわせて、自然環境への影響を軽減するために、従来よりも柔軟にダムサイトが選定できるように、ダム基礎岩盤の止水設計の高度化技術を提案する。これらの達成目標を整理すると以下のとおりである。
(1) ダムの嵩上げ設計手法の開発
(2) ダムの放流設備増強技術の開発
(3) 規格外骨材の品質評価および有効利用方法の開発
(4) 複雑な地質条件に対応した基礎岩盤、貯水池斜面の評価と力学設計技術の開発
(5) 岩盤性状に応じた透水性評価と止水設計技術の開発
3. 個別課題の構成
本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
(1) コンクリートダムの再開発技術に関する調査（平成13～17年度）
(2) フィルダムの嵩上げ技術に関する調査（平成13～17年度）
(3) ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査（平成12～15年度）
(4) トンネル内放流設備の水理設計手法に関する調査（平成16～17年度）
(5) ダムコンクリートにおけるスラッジの有効利用に関する調査（平成12～14年度）
(6) 濁沸石等含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査（平成12～15年度）
(7) 低品質細骨材の有効利用に関する調査（平成15～17年度）
(8) 複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査（平成14～17年度）
(9) ダム基礎等におけるゆるみ岩盤の評価に関する調査（平成11～17年度）
(10) ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査（平成13～17年度）
このうち、平成15年度は(4)、(5)を除く8課題を実施している。
4. 研究の成果
本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2. 研究の範囲と達成目標に示した」達成目標に関してこれまで実施してきた研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。
(1) ダムの嵩上げ設計手法の開発
「コンクリートダムの再開発技術に関する調査」では、ダムの嵩上げについては、これまで、施工時貯水位、嵩上げ比率、基礎岩盤の変形性が嵩上げダムの応力に及ぼす影響について整理してきたが、15年度は、主として嵩上げダムの地震時安定性について評価を加えた。また、放流設備の増設に伴う堤体穴あけについては、これまで、堤体の穴開け時に発生する引張応力の分布特性について整理してきたが、15年度は、開口部周辺に配置する鉄筋の効果について評価を加えた。今後は、堤体嵩上げ時や堤体穴開け時に大きな影響を及ぼす因子に着目してさらに検討を進め、コンクリートダムの嵩上げ設計方法や堤体穴あけ設計方法の提案を行う予定である。
また、「フィルダムの嵩上げ技術に関する調査」では、これまで、嵩上げ事例の調査、旧堤体の透水性が嵩上げダムの安定性に及ぼす影響の整理、高密度電気探査による既設ダムと基礎地盤の漏水探査の適用性について整理してきたが、15年度は、堤体応力から見て有利な嵩上げ方法を選定するとともに、地震時における嵩上げダムの安定性の評価を行った。今後は、既設堤体および基礎地盤の性状に応じたフィルダムの嵩上げ設計方法の提案を行う予定である。
(2) ダムの放流設備増強技術の開発
「ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査」においては、これまで、既設ダムに新たな放流設備を設置する手法として、湾曲エビ継ぎ管の水理特性、既設放流設備の側方から空中放流する場合の減勢特性、騒音特性について整理してきた。15年度は、湾曲エビ継ぎ管については、これまでに得られた知見をもとに、その実用的な設計手法を開発した。湾曲開水路流については、水脈の導流壁への這い上がり量、減勢工への落下軌跡の推定方法を提案した。また、減勢時発生音について分析し、その大きさと周波数特性を明らかにした。
今後は、開水路の放流設備に対して、側方から湾曲導水する場合の導流、減勢方法についてさらに検討を進め、放流設備増設時における放流設備の水理設計手法の提案を行う予定である。
(3) 規格外骨材の品質評価および有効利用方法の開発
本達成目標については、14年度までに「ダムコンクリートにおけるスラッジの有効利用に関する調査」を終了させ、RCD用コンクリート、従来コンクリートにスラッジを混入させた場合のフレッシュ性状、圧縮強度、凍結融解抵抗性について検討を加えた。その成果として、硬化体組織が緻密になることによって、強度は増加し、乾燥収縮や中性化速度は低減することを明らかにした。また、ワーカビリティーの低下に対しては、適切な量の混和剤の利用によってこれを改善できることを示し、その配合設計方法をとりまとめた。
「低品質細骨材の有効利用に関する調査」は15年度から新たに開始した課題である。本調査では、低品質骨材のうち特に発生量の大きな細骨材に着目して各種の試験を行った。この結果、フレッシュ性状、圧縮強度に低下が見られるものの耐久性にはほとんど影響がないことが分かった。今後は、試料を変えてこれまでの試験結果の精度向上に努めるとともに、乾湿繰り返しに対する耐久性についても試験を行う予定である。
「濁沸石含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査」においては、これまでに引き続き、濁沸石によるモルタルの劣化原因について検討した。その結果、濁沸石周辺に異常膨張を起こすような新たな物質や水和物の生成は認められず、乾湿繰り返しによる濁沸石の膨張圧がコンクリートの劣化をもたらす原因であることを明らかにした。この結果、濁沸石使用骨材は乾湿繰り返しのない内部コンクリートに使用可能であることを示した。
(4) 複雑な地質条件に対応した基礎岩盤、貯水池斜面の評価と力学設計技術の開発
「ダム基礎等におけるゆるみ岩盤の評価に関する調査」においては、これまでに、ゆるみ領域の分布や変形性の把握を目的として地中風速測定、高精度傾斜変動測定の2つの手法、横坑やボーリング孔内でのゆるみ分布の把握を目的として、地中風速測定装置によるゆるみゾーンの判定方法、高密度弾性波探査によるゆるみゾーンの判定方法を開発した。15年度は、高密度弾性波探査によるゆるみ岩盤の調査を行い、P波の速度分布から緩み範囲を特定できることを確認した。今後は、ゆるみ岩盤の発生機構の解明を明らかにするとともに、ゆるみ岩盤に対する適切な地質調査方法の提案を行う予定である。
「複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査」は、これまでに、軟岩をダム基礎とする場合を想定し、軟岩の変形特性を高精度で測定する方法として高精度軸ひずみ測定装置を用いた三軸試験方法を提案し、その結果から軟岩の変形特性を高精度で表現できる力学モデルを提案した。15年度は、作成した力学モデルを用いて、原位置平板載荷試験結果、実ダム築堤時の基礎の変形挙動の再現性を照査し、モデルの適用性を確認した。また、基礎の変形性のバラツキが基礎の表面変位やひずみに及ぼす影響をモンテカルロシミュレーションを用いて分析した。今後は、岩盤の非線形性やそのバラツキを考慮したダム基礎岩盤の安定性評価手法の提案を行う予定である。
(5) 岩盤性状に応じた透水性評価と止水設計技術の開発
「ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査」においては、これまでに、グラウト注入3次元模型試験によるグラウトの注入特性の把握、浸透流解析によるグラウチングによる効果的な止水ゾーンの形成方法の検討、既設ダムのグラウチングデータに基づく最適なグラウチング孔間隔の設定方法について検討した。15年度は、既設ダムのグラウチングデータに基づく最適なグラウチング孔間隔の設定方法について引き続き調査を行うとともに、モンテカルロ法を用いて地盤の透水性とグラウチングの効果について整理を行った。今後は、原位置試験も含めた実験的検討、既存のグラウチングデータの分析をさらに進め、透水性の改良度の空間分布を考慮した適切なグラウチングの設計法、効果判定法の提案を行う予定である。
個別課題の成果
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平13～平16
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一、佐々木隆、金縄健一、石橋正義
【要旨】
近年の自然環境の保全の要請および公共事業費の削減等を背景に、ダムのさらなる効率的な建設・活用が求められている。既存ダムの効率的利用を進めるための再開発事業としては、(1)貯水容量を増やすための既設堤体の嵩上げ、(2)貯水容量の有効利用を目的とした既設堤体における放流設備の増設が主な方法としてあげられる。本課題は、(1)コンクリートダムの合理的な嵩上げ設計方法、(2)放流設備増設に伴う合理的な堤体穴開け設計方法を提案することを目的として実施するものである。
本年度の検討では上記(1)(2)に関して、以下のことを実施した。
既設堤体の嵩上げに関しては、現状同じ堤高の新設ダムと嵩上げダムを比較すると、嵩上げダムの方が著しく下流面勾配が緩やかとなる場合があるため、嵩上げダムの下流面勾配の設計合理化の可能性について検討した。また、現在の重力式コンクリートダムは高さ方向に一様な震度分布と仮定している震度法を用いて設計することを基本としているが、動的応答増幅特性を考慮した修正震度法により地震力を考慮して、地震動が嵩上げダムの堤体内発生応力に与える影響について検討を行った。
既設堤体への放流管増設に関しては、放流管増設時の堤体設計・鉄筋配置の合理化を進めることを目的として、コンクリートのひび割れを考慮した解析モデルを用いて、放流管周辺のひび割れ発生状況について検討した。また、充填コンクリート内に配置する鉄筋がひび割れ発生に与える影響についても検討し、既設堤体に放流管を設置する場合の放流管周辺のひび割れ発生状況や充填コンクリート内に配置する鉄筋がひび割れ発生抑制に与える影響は、新設ダムとは大きく異なることがわかった。
キーワード：重力式コンクリートダム、嵩上げ、地震力、穴開け
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平13～平16
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一，冨田尚樹，佐藤弘行，小堀俊秀
【要旨】
自然環境の保全に対する社会的要請の高まりや経済性の観点から，治水整備，水資源開発において，既設ダムの効率的な利用が求められている．このため，本研究では，フィルダムの嵩上げを採り上げ，嵩上げ設計手法および嵩上げダムの挙動監視方法を提案するものである．
平成15年度は，複数の嵩上げ形式を対象にすべり安定解析を行い，経済性も考慮したうえで適切な嵩上げ形式を選定した．選定した嵩上げ形式について，築堤解析および湛水解析を行い，応力や変位の分布，水理的破壊に対する安全性を評価し，フィルダムの嵩上げ設計上の基礎的な留意点について考察した．さらに，動的解析を行い，すべり変位量を評価することにより，大規模地震時の嵩上げダムの安定性を評価した．
また，水没した既設ダムの上流斜面や新旧堤体境界部の変形を，連続的かつ高精度に計測できる方法について検討を行った．
キーワード：フィルダム，嵩上げ，築堤解析，湛水解析，動的解析，Newmark法，外部変形計測
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平12～平15
担当チーム：水工研究グループ（ダム水理）
研究担当者：柏井条介、結城和宏、大黒真希
【要旨】
重力式コンクリートダム既設洪水吐き横に設置されるダムの増強放流設備では、放流水を既設減勢工に導流する必要があり、湾曲導流水路の水理設計手法の確立、既設減勢工を利用した減勢工の水理設計手法の確立が求められている。本調査では、放流管新設時に必要になる湾曲エビ継ぎ管路について圧力特性を明らかにし、キャビテーションに対し安全な管路の設計方法を示した。また、越流頂新設時に必要になる湾曲開水路について、曲率半径の最も小さい屈折形状を対象に、導流壁沿い水面形及び減勢工への落下軌跡の推定方法を示し、導流壁高の算定、減勢池放流方法の検討を可能にした。減勢工については、円形の空中放流水脈を対象に跳水条件及び導流壁沿い水深を把握した。また、空中放流時の減勢時発生音について、発生音の強さ及び周波数特性を明らかにした。15年度は最終年度であり、以上の事項について継続検討しとりまとめた。
キーワード：エビ継ぎ管、衝撃波、跳水、減勢音特性
13.4 濁沸石等含有岩石のダムコンクリート骨材としての有効利用に関する調査
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平12～平15
担当チーム：材料地盤研究グループ（地質）
研究担当者：佐々木靖人，阿南修司，伊藤政美
【要旨】
濁沸石を含む原石の有効利用を行う事を目的として，モルタルの曝露試験および曝露によって劣化したモルタルの形態・化学分析，ならびに濁沸石の吸水による膨張圧の測定を行った。その結果，濁沸石周辺に異常膨張を起こすような物質や水和物は認められず，濁沸石を吸水，乾燥させると繰り返し膨張圧が生じることが明らかとなった。このことから，濁沸石によるコンクリートの品質低下は，濁沸石結晶の乾湿繰り返しに伴う膨張圧による疲労破壊に起因し，濁沸石を含む骨材の利用は乾湿の変化の乏しい条件であれば問題を生じないと考えられる。
キーワード：コンクリート骨材，濁沸石，乾燥湿潤繰り返し，膨張圧，疲労破壊
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平15～平17
担当チーム：技術推進本部（構造物マネジメント技術）
研究担当者：河野広隆、片平博
【要旨】
ダムに使用する骨材量は膨大でその採取に伴う環境への影響が大きいために、多少品質の劣る岩石であっても有効利用に努め、掘削量を減じる必要がある。これまで、低品質骨材の研究は粗骨材を中心に行われてきたが、品質の劣る原石は破砕時に細粒化され細骨材となりやすい。このことから本研究では、低品質細骨材の有効利用技術の開発を目指すものである。15年度は性状の異なる3種類の低品質岩石から細骨材と粗骨材を製造し、これらがコンクリートのフレッシュ性状や硬化後の強度、耐久性に与える影響について実験的な検討を行った。この結果、低品質な細骨材を用いると、(1)フレッシュ性状が大きく変化する場合があること、(2)圧縮強度はやや低下する場合があること、(3)凍結融解耐久性はほとんど低下しないこと、等が分かった。
キーワード：コンクリート、低品質細骨材、フレッシュ性状、圧縮強度、凍結融解耐久性
13.6 複雑な地質条件のダム基礎岩盤の力学的設計の合理化に関する調査
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平14～平17
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一、冨田尚樹、佐藤弘行、中村洋祐
【要旨】
環境保全上の制約から、さまざまな地質条件を有する地点をダムサイトとせざるを得ない。本課題では、このような状況を踏まえて、軟岩をダム基礎とした場合について、ダム基礎岩盤の変形性評価方法の提案および変形に対する基礎岩盤の安全性評価方法の提案を目指した研究を行う。
平成15年度は、昨年度、軟岩の三軸圧縮試験結果である応力-ひずみ関係を精度よく再現できることを示した非線形変形性の構成式を用いた数値解析により、原位置における平板載荷試験と実ダム築堤時の軟岩基礎の変形挙動の再現性検討を実施した。また、軟岩基礎の変形係数のばらつきがダム築堤時の基礎表面の沈下量や伸び方向のひずみの評価に与える影響を検討した。
キーワード：ダム，基礎岩盤，軟岩，非線形変形特性，ばらつき
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究機関：平11～平17
担当チーム：材料地盤研究グループ（地質）
研究担当者：佐々木靖人、倉橋稔幸
【要旨】
ゆるみ岩盤の存在は、ダム本体やアバット部分の斜面を不安定にさせ、大規模な基礎置換や長大のり面を生じ、自然環境やコスト縮減において大きな問題となっている。長大のり面を縮小させたり、大規模な対策工を回避するためには、ゆるみ岩盤の的確な調査・評価手法を開発する必要がある。
15年度は、ゆるみ岩盤の範囲や性状を的確に把握するために、横坑内で高密度弾性波探査を実施し、P波速度（Vp）とS波速度（Vs）から、ゆるみ領域をゾーニングした。さらに、ポアソン比を算出することで、ゆるみ岩盤の力学特性を明らかにした。
キーワード：ダム、ゆるみ岩盤、高密度弾性波探査、ポアソン比
13.8 ダム基礎グラウチングの合理的計画設計法に関する調査
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究機関：平13～平17
担当チーム：水工研究グループ（ダム構造物）
研究担当者：山口嘉一、佐藤弘行、中村洋祐
【要旨】
環境に配慮したダム建設を行う場合、環境保全上の制約から複雑な地質条件を有する地点をダムサイトとせざるを得ない場合がある。このため、ダムの安全性を確保するうえで、複雑な地質条件に応じた基礎岩盤の合理的、経済的な止水設計方法の開発が求められている。平成15年度は、ダム基礎岩盤の性状に応じた透水性評価手法の検討として、実ダムで実施された高透水ゾーン把握のための調査手法について整理し、その適用性についての検討を行った。また、グラウチングの計画・設計の合理化に関する検討および透水性の空間分布を考慮したグラウチングの効果判定法の検討として、それぞれ既設ダムのグラウチングデータの分析による最適な規定孔間隔の検討およびグラウチングの効率的な施工範囲を目的とした透水係数の空間的相関を考慮した浸透流解析による検討を行った。
キーワード：ダム、グラウチング、高透水ゾーン、改良目標値、規定孔、浸透流解析
