透水トレンチを用いた河川堤防の揚圧力対策に関する模型実験

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透水トレンチを用いた河川堤防の揚圧力対策に関する模型実験

土木研究所正会員 ○ 増山博之、齋藤由紀子森啓年、佐々木哲也１．はじめに

堤防基礎地盤の揚圧力対策として、遮水矢板等を川表側に施工する川表遮水工法や難透水性材料を高水敷に施工するブランケット工法が用いられる。しかし、川表遮水工法は透水層が深い場合や転石・巨礫が含まれる場合はコストや施工性に、ブランケット工法は幅を十分に取ることのできる高水敷が必要であり設置性に課題が残る。

本研究では、それらの課題を解決するため川裏側に縦方向の砕石層を設置し、堤防のり尻部の揚圧力を解放する技術の適用性を確認するために、中型模型実験を実施し、その結果の浸透流解析による再現を行った。

透水トレンチは、図-1に示すように河川堤防の基礎地盤に薄い難透水性の被覆土層が堆積している箇所に、被覆土層を貫通する形で設置することにより、

洪水時に被覆土層下面に生じる揚圧力を地上へ解放することで、揚圧力対策としての効果を期待するものである^１）。

２．実験の概要 2.1 模型の概要

実験は無対策ケースと透水トレンチを堤体外に設置したケース、堤体のり尻直下に設置したケースの計３ケース行った。図-2～図-4に透水トレンチケース模型の横断・平面形状および計測項目・位置を示す。模型は透水層に薄い難透水性の被覆土層が堆積する盤膨れが生じやすい土層構成とした。透水層は川砂（透水係数

ks=3.4

×

10

^-2

cm/s、湿潤密度 ρ t=1.795g/cm

³）とし、被覆土層には層厚

50cm

のローム（透水係数

ks=1.9

×

10

^-4

cm/s、湿潤密度 ρ t=1.431g/cm

³）を設けた。堤体は堤防高

1.25m

とした。堤体および基礎地盤の締固め度はともに層厚

15cm

毎の盛り立て時に

Dc=90％となるよう作製し

た。

対策工のトレンチは、砕石（単粒度砕石４号）を使用し、のり尻位置に縦断連続的に設置するとともに、土粒子との境界には吸い出し防止材を設けた。

なお、比較対象として実施した無対策ケースは、トレンチがない以外は、図-3および図-4と同様の模型形状とした。

2.2 実験条件

初期条件として実験前に水位調節槽の水位を被覆土層上面で固定し、基礎地盤全体を飽和させた。基礎地盤の飽和後は、水位調節槽の水位を図-5のように段階的に上昇させ、水位上昇時の間隙水圧、変位の計測とともに地盤条件の確認を行った。なお、堤内地側に湛まった水は水中ポンプで随時排水し、その水位が地表面に保持されるようにした。

キーワード：河川堤防、浸透流、揚圧力対策、盤膨れ、トレンチ、ドレーン

連絡先：〒305-8516 茨城県つくば市南原

1-6 土木研究所

土質・振動チーム Tel 029-879-6771 図-2 透水トレンチ(堤体外)ケースの模型横断図図-1 透水トレンチ工法の浸透・揚圧力対策としての原理

初期条件 ←被覆土層上面

堤防天端高 → 1.25m

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

経過時間

給水槽の水位(m)

図-5 外力条件

図-3 透水トレンチ(堤体直下)ケースの模型横断図

図-4 透水トレンチ(堤体直下)ケースの模型平面図

0.3

8.0 1.0

1:2

2.5 4.2

0.3 1.0 1.0 0.5×10 0.7

基礎地盤

（川砂）

堤体

（ローム）

被覆土層

（ローム）

マノメータ間隙水圧計

[単位：ｍ]

堤内地川裏のり面

▼初期水位 ▼

↑ 天端水位変動

↓

Ks=3.4×10^-2cm/s Ks=1.9×10^-4cm/s

(堤体外)トレンチ 0.75

0.25

▼ 変位計 1.00

1.20 d3d4

0.3

8.0 1.0

1:2

2.5 4.2

0.3 1.0 1.0 0.5×10 0.7

基礎地盤

（川砂）

堤体

（ローム）

被覆土層

（ローム）

マノメータ間隙水圧計

堤内地川裏のり面

▼ 変位計

▼初期水位 ▼

↑ 天端水位変動

↓

Ks=3.4×10^-2cm/s Ks=1.9×10^-4cm/s

0.75

0.25 0.125

0.70 0.50

(堤体内)トレンチドレーン

d1d2

[単位：ｍ]

土木学会第66回年次学術講演会(平成23年度)

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Ⅲ‑189

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３．実験結果

3.1 のり尻変位と盤膨れの関係

図-6にのり尻から堤内地側に

50cm

～

120cm

の位置に設置した変位計の鉛直変位量を示す。無対策では、

変位量が概ね

3mm

に達した５時間

32

分後（給水槽水位：被覆土層上面+80cm）と変位量が概ね

5mm

を上回った８時間

58

分後（給水槽水位：被覆土層上面

+125cm）の２回、模型地盤の写真-1

および写真-2の

×に示す位置から漏水が発生し、揚圧力の解放が生じた。一方、透水トレンチケースについては、トレンチが揚圧力を解放しているため、無対策で見られたような地盤の急激な圧力解放は生じなかった。

3.2 のり尻の圧力水頭

図-7に無対策ケースののり尻部・被覆土層下面における初期値からの圧力水頭の増分（以下、圧力水頭増分）の時間変化を示す。図より１回目に圧力解放が生じた５時間

32

分後の圧力水頭増分は

41.4cm

であった。

同時間の透水トレンチケースの圧力水頭増分は図-8、

図-9 に示すとおり、堤体外に設置したトレンチで

12.0cm

、堤体のり尻直下に設置したトレンチで

14.0cm

であり、無対策と比較してそれぞれ７割程度、

６割以上と大きく低減されていることが分かる。図-10 に５時間

32

分後の圧力水頭増分の平面分布を示す。図より、透水トレンチ工法の堤内地盤における圧力水頭増分は堤体外のトレンチで

10cm

以下、堤体直下のトレンチで

15cm

以下と無対策と比較して大きく低減されていることが確認できる。これらより、透水トレンチの揚圧力対策としての効果を確認することができた。

3.3 解析による対策工の透水係数の同定

実験における透水トレンチの透水係数を推定するために、実験時と同様の初期条件・境界条件・外力条件を用いて二次元の飽和・不飽和非定常浸透流解析を行った。土の不飽和特性は手引き^２）の砂質土・粘性土特性に基づき設定した。なお、ローム・川砂の透水係数は、無対策ケースの解析により、図-7 に示すとおり、

妥当と評価できることが確認できた。

上記の条件で、透水トレンチの透水係数をパラメトリック・スタディにより求めた。図-8、図-9にその結果を示す。図より、解析値が実験値と概ね一致するのは

ks=1.0×10

^-1

cm/sec

程度であることが推定された。

４．おわりに

堤防高さ約

1.3m

の模型実験の結果、のり尻部の揚圧力は透水トレンチにより無対策時の６割以上低減した。また、実験結果を飽和・不飽和非定常浸透流解析により再現し、実験で使用した透水トレンチの透水係数を二次元換算で

ks=1.0×10

^-1

cm/sec

程度と推定した。

これらの結果から、透水トレンチが揚圧力対策として利用可能であることが示唆された。今後は、実規模堤防への適用性、設計方法の検討等を実施したい。

参考文献１）US Army Corps of Engineers: Design and Construction of Levees,pp5-3 5-5. April 2000 ２）(財)国土技術研究センター、「河川堤防の構造検討の手引き」平成 14 年 7 月

写真-1 盤膨れの状況 (無対策：5 時間 32 分後)

図-6 変位量の時間変化

図-7(上)､図-8(中)､図-9(下) のり尻部・被覆土層下面の圧力水頭増分の時間変化

写真-2 盤膨れの状況 (無対策：8 時間 58 分後)

図-10 5 時間 32 分後の被覆土層下面の圧力水頭増分の平面分布

←圧力解放（無対策）

　　5hr32min後

←圧力解放（無対策）

　　8hr58min後

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (hr)

変位計の鉛直変位量(mm)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

初期水位からの外水位の増分(cm)

無対策：のり尻から50cm（d1）

無対策：のり尻から70cm（d2）

堤体外ﾄﾚﾝﾁ：のり尻から100cm（d3）

堤体外ﾄﾚﾝﾁ：のり尻から120cm（d4）

堤体直下ﾄﾚﾝﾁ：のり尻から50cm（d1）

堤体直下ﾄﾚﾝﾁ：のり尻から70cm（d2）

外水位

12.0cm G/W=1.0

100 2030 4050 60 7080 10090 110120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

(hr)

圧力水頭増分(cm)

020 4060 80100 120 140160 180200 220240

初期水位からの外水位の増分(cm) 解析値：堤体外ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E-02cm/s

解析値：堤体外ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E-01cm/s 解析値：堤体外ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E+00cm/s 解析値：堤体外ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E+01cm/s 実験値（堤体外トレンチ）

外水位

14.0cm ^G/W=1.0

0 10 2030 4050 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12（hr）

圧力水頭増分（cm）

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

初期水位からの外水位の増分（cm）

解析値：堤体直下ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E-02cm/s 解析値：堤体直下ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E-01cm/s 解析値：堤体直下ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E+00cm/s 解析値：堤体直下ﾄﾚﾝﾁks=1.0×E+01cm/s 実験値（堤体直下トレンチ）

外水位

←8hr58min

←5hr32min

41.4cm

G/W=1.0 0

10 2030 40 50 60 7080 10090

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (hr)

圧力水頭増分(cm)

0 20 4060 80 100 120 140160 180200

初期水位からの外水位の増分（cm）

解析値実験値（無対策）

外水位

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