XII 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13～16年度）
(2) フィルダムの嵩上げ技術に関する調査（平成13～16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16年度は(3)、(5)、(6)を除く7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および嵩上げダムの地震時安定性について整理してきた。16年度は、これまでに得られた知見を踏まえて、より合理的な嵩上げ方法について検討し、実際的な荷重作用方法や、底面亀裂を許容する考え方を採用する重力式コンクリートダムの合理的な嵩上げ設計方法を提案した。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および開口部周辺に配置する鉄筋の効果について整理してきた。16年度は、開口部周辺に配置する鉄筋効果に関する検討をさらに進め、これまでに得られた知見も踏まえて、大規模地震を想定し、放流管側部の水平ひび割れ長さに着目して鉄筋量を検討するという合理的な堤体穴あけ設計方法を提案した。
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、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、および地震時における嵩上げダムの安定性について整理してきた。16年度は、嵩上げダムの水圧破砕に対する安全性を評価し、嵩上げする旧堤体の水没部での変形挙動を監視するシステムを開発した。これらの成果とこれまでの知見を踏まえて、経済性、湛水時や漏水時におけるせん断破壊や水圧破砕に対する安全性および大規模地震時の耐震性を評価するフィルダムの嵩上げ設計方法を提案した。
(2) ダムの放流設備増強技術の開発
本達成目標については、15年度までに「ダム機能強化のための放流設備設計手法に関する調査」を終了させている。既設ダムに新たな放流設備を設置する手法をして、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、騒音特性について検討を加えた。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。
「トンネル内放流設備の水理設計手法に関する調査」は、16年度から新たに開始した課題である。初年度の16年度は、円形一様断面トンネル内に円形ゲートから放流する場合を対象に、空気管がない場合のトンネル内流況および圧力降下量とトンネル断面規模、トンネル長の関係を水理実験により解明した。今後は、空気管による圧力降下の低減効果、複数放流管からの放流水脈の処理方法、放流管断面が長方形の場合の影響などの検討を行い、トンネル断面および空気管システムの設計方法を提案する予定である。
(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」を終了させた。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」においては、これまでに、低品質骨材のうち特に発生量の多い細骨材に着目して各種の試験を行い、フレッシュ性状が低下するものの、圧縮強度や耐久性にはほとんど影響がないことがわかった。16年度は、試料を変えて同様の検討を実施したが、これまでと同様の結果を得た。今後は、骨材の種類を変えた実験を継続するとともに、耐久性として凍結融解抵抗性のほか乾燥収縮特性や乾湿繰り返し抵抗性等についても検討し、低品質細骨材の品質、評価基準を提案する予定である。
15年度までに、「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」を終了させている。濁沸石によるモルタルの劣化原因について検討した結果、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。また、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。16年度は、ゆるみ岩盤を分類し、それぞれの特徴をまとめた。また、開口亀裂に着目し、6項目のゆるみ指標を示した。今後は、各ゆるみ岩盤の分類型式に応じたゆるみ指標の選定や、利用目的に応じた指標を使い分けたゆるみの評価方法を検討し、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。また、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。さらに、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。16年度は、軟岩の非線形変形性を高精度の軸ひずみ測定装置を用いた三軸圧縮試験により把握し、非線形変形特性を表現するパラメータのばらつきについて検討した。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変形係数の深度方向分布、堤高・ダム軸の掘削勾配を考慮して検討した。今後は、軟岩の非線形変形性について検討事例を増やすとともに、非線形変形性のばらつきや異種岩種・岩級の混在する場合の変形性のばらつきを考慮したダム軟岩基礎の安全性評価方法について検討を行い、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。また、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。16年度は、既設ダムのカーテングラウチング実績データを用いた、最終次数孔とチェック孔の改良効果判定の比較によるチェック孔の省略可能性に関する検討と、遮水性改良目的のコンソリデーショングラウチングにおいて上下流の施工範囲の比較的狭い場合の合理的な追加孔の施工位置に関する検討を行った。また、水みちの確率的評価を用いた透水性の空間的相関およびカーテングラウチングの深度の影響に関する検討を行った。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および公共事業費の削減等の要請を背景に、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。
平成16年度は、既設堤体の嵩上げに関して、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について検討を実施し、合理的な嵩上げ設計方法を提案した。また、既設堤体への放流管増設に関して、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および鉄筋を考慮した解析モデルを用いて有限要素法解析を実施し、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した。
キーワード：重力式コンクリートダム、嵩上げ、穴開け、地震時安定性
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、本調査では、フィルダムの嵩上げを採り上げ、既設堤体および基礎地盤の漏水などの探査方法と物性評価方法、嵩上げ設計方法、嵩上げ堤体の挙動監視方法を提案するものである。
平成16年度は、まず、既設のロックフィルダムやアースダムからロックフィルダムへの嵩上げにおいて、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、それらを対象に築堤解析、湛水解析および動的解析を行い、嵩上げ形式が築堤時、湛水時および地震時における嵩上げダムの安定性に及ぼす影響について検討を行った。さらに、その安定性について特に注意が必要であると考えられる、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。これらの成果とともに、平成15年度までの成果も踏まえて、適切な嵩上げ設計方法および挙動監視方法を提案した。
キーワード：フィルダム、嵩上げ、水圧破砕、Newmark法、すべり量、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14～平17
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、宮脇千晴、大黒真希
【要旨】
既設ダムのより効率的な利用を促進するため、放流設備の増設が今後多く必要になることが予想される。既設ダム堤体内に設置スペースがない場合、この増設放流設備はトンネル式放流設備として地山内に設置されることになり、その合理的な設計方法の確立が求められている。本調査は、トンネル内放流設備の水理特性及び空気連行特性を解明し、トンネル断面及び空気管システムの設計方法を提案することを目的に実施するものである。16年度は初年度であり、円形一様断面トンネル内に円形ゲートから放流する場合を対象に、空気管がない場合のトンネル内流況及び圧力降下量とトンネル断面規模、トンネル長の関係を水理実験により明らかにした。
キーワード：トンネル放流設備、空気連行現象、水理模型実験、ウェーバー数
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：渡辺博志、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。16年度は東北地方の3箇所から品質の劣る河床堆積物（川砂利、川砂）を採取し、これを粗骨材、細骨材としてコンクリートを製造し、フレッシュ性状や硬化後の強度、耐久性について検討した。この結果、低品質な細骨材を用いると、(1)フレッシュ性状が変化すること、(2)圧縮強度や凍結融解抵抗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、凍結融解抵抗性
12.5 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現状にある。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16年度は、軟岩の非線形変形性を高精度の軸ひずみ測定装置を用いた三軸圧縮試験により把握し、非線形変形特性を表現するパラメータのばらつきについて検討した。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変形係数の深度方向分布、堤高・ダム軸の掘削勾配を考慮して検討した。
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】
ゆるみ岩盤は主に重力的作用や風化作用、応力解放等に起因する変形により、(1)力学的強度が低く、ゆるみの程度によって非弾性的な挙動をする、(2)透水性が高い、などのダムの基礎岩盤として好ましくない性質を有している。これらは、斜面部の安定、ダム軸選定や座取り、止水処理などダム本体の安定性に深く影響を及ぼすことから、早急にゆるみ岩盤の性状を見極め、調査・評価・対策方法を確立することが必要である。
16年度には、ゆるみ岩盤を分類し特徴をまとめた。また、開口亀裂に着目し、i）岩盤分類、ii）亀裂の開口量、iii）亀裂の連続性、iv）岩盤の密度、v）岩盤の弾性係数または弾性波速度、vi）岩盤の透水性の六項目をゆるみ指標として示した。
キーワード：ダム、ゆるみ岩盤、開口亀裂、ゆるみ指標
12.7 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16年度は、グラウチングの計画・設計の合理化に関する検討として、既設ダムのカーテングラウチング実績データを用いた、最終次数孔とチェック孔の改良効果判定の比較によるチェック孔の省略可能性に関する検討と、遮水性改良目的のコンソリデーショングラウチングにおいて上下流の施工範囲の比較的狭い場合の合理的な追加孔の施工位置に関する検討を行った。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、水みちの確率的評価を用いた透水性の空間的相関およびカーテングラウチングの深度の影響に関する検討を行った。
キーワード：ダム、グラウチング、最終次数孔、チェック孔、浸透流解析
