農業水利施設へのジオシンセティックスの応用について

ジ オ シ ンセ テ ィ ッ ク ス技 術 情 報2008.11 技 術 報 文

農 業 水 利施 設 へ の ジオ シ ンセテ ィ ック スの 応 用 につ いて

神戸大学大学院農学研究科

河端 俊典

1.は じ め に 米 を 主 食 と し て 発 展 し て き た 我 が 国 に お い て 、 有 史 以 前 よ り農 業 用 水 確 保 の た め に 、 ダ ム や た め 池(堤 高15m未 満 を た め 池 と 呼 ぶ)な ど の 水 源 施 設 の 築 造 や 、 開 水 路 、 パ イ プ ラ イ ン な ど の 通 水 施 設 が 構 築 さ れ て き た 。 し か し な が ら 、2005年 農 林 水 産 省 農 村 振 興 局 調 べ1)で は,戦 後 国 営 土 地 改 良 事 業 な ど に よ り造 築 さ れ た ダ ム,頭 首 工 ・開 水 路 ・パ イ プ ラ イ ン な ど の 基 幹 農 業 水 利 施 設 は 、 再 建 設 費 ベ ー ス で25兆 円 に 及 ぶ 巨 大 な 社 会 資 本 ス ト ッ ク を 形 成 して い る が 、多 く の 施 設 が 老 朽 化 に よ り そ の 更 新 時 期 を 迎 え よ う と し て い る 。 さ ら に 近 年 多 発 す る 地 震 被 害 と 相 侯 っ て 、 防 災 の 観 点 か ら も 各 施 設 の 耐 震 性 の 向 上 を 考 慮 し た 改 修 が 望 ま れ て い る と こ ろ で あ る 。 本 報 文 で は 、 上 記 の 農 業 水 利 施 設 の 維 持 管 理 ・機 能 保 全 に 関 す る研 究 開 発 に 関 し て 、 当 研 究 室 に お け る ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス を 用 い た 改 修 技 術 の 取 組 に つ い て 報 告 す る 。 2.パ イ プ ラ イ ン 曲 管 部 へ の ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス の 適 用 に つ い て 圧 力 管 曲 部 に は 内 圧 と曲 が り 角 度 に 応 じ て ス ラ ス トカ が 作 用 す る 。 通 常 こ の ス ラ ス トカ に 抵 抗 す る た め に コ ン ク リ ー トブ ロ ッ ク を 使 用 す る こ と に な っ て い る 。 し か し な が ら 、 写 真-1に 示 す よ う に 、 重 量 構 造 物 は 地 震 時 に よ る位 相 差 な ど に よ り ウ イ ー ク ポ イ ン トに な る 。 当研 究 室 で は 2003年 よ り ジ オ グ リ ッ ドな らび に ア ン カ ー プ レー トを 曲 管 部 に用 い た 耐 震 性 の 高 い ス ラ ス ト対 策 工 法 を 考 案 し 、 水 平 載 荷 模 型 実 験 お よ び 数 値 解 析 か ら そ の 有 効 性 を 明 らか に し た 3)_{。 さ ら に2007年 ま で に 、 当 提 案 工 法 に 対 す} る ジ オ グ リ ッ ドの 伸 び 特 性 を 考 慮 し た 水 平 抵 抗 力 の 算 定 式 を 提 案 す る と と も に 、 口 径 300mmの 試 験 管 路 を 用 い て 行 っ た 実 大 規 模 実 験 の 結 果 と 比 較 を 行 い 、 提 案 式 の 予測 精 度 に つ い て 検 討 を 行 っ た4)。ま た 、2008年 に は 、 大 型 振 動 台 実 験 を 遂 行 し、 提 案 工 法 の 耐 震 性 能 に つ い て 確 認 を 行 う と と も に 、 当 提 案 工 法 を 用 い た φ800実 用 管 路 に て 現 場 実 証 試 験 を 行 い 、 そ の 施 工 性 や 長 期 安 全 性 に つ い て 検 討 した 。 今 後 、 企 画 や 施 工 基 準 な ど の 整 備 を 図 り 、 パ イ プ ラ イ ン 改 修 現 場 で 当 工 法 の 活 用 が 期 待 さ れ る と こ ろ で あ る 。 写 真-1コ ン ク リー トブ ロ ッ ク に よ る 被 災2) 北 海 道 南 西 沖 地 震1995 図-1軽 量 ス ラ ス ト防 護 工 法 概 略 図

3.た め 池 へ の 適 用 3.1補 強 土 工 法 を た め 池 堤 体 に 用 い た 現 場 試 験 施 工 農 業 用 水 確 保 に 必 要 な 施 設 と して ダ ム や た め 池 が あ る が 、兵 庫 県 下 に は44,000個 弱 の た め 池 が あ り、そ の う ち 約 半 数 の23,000個 が 、淡 路 島 に 存 在 す る 。2004年10月 に 発 生 し た 台 風23号 に よ る 豪 雨 に よ り 、1,299個 の た め 池 が 被 災 し、そ の う ち181堤 体 が 決 壊 し 甚 大 な る 被 害 が 発 生 した こ と は 記 憶 に 新 し い 。 こ の よ う な 背 景 の も と 、 当 研 究 室 で は 、2006年 兵 庫 県 営 土 地 改 良 事 業 の 中 で 、 図-2 な らび に 写 真-2に 示 す よ う な 堤 高6mの ジ オ グ リ ッ ドで 補 強 し た 試 験 堤 を 築 造 し 、 そ の 施 工 性 に っ い て 検 討 した 。 さ ら に 、 半 年 間 で は あ る が た め 池 に 湛 水 供 用 を 行 い 、 漏 水 の 有 無 、 た め 池 基 盤 や 底 樋 管 の 沈 下 、 な らび に 堤 体 各 位 置 に お け る 作 用 土 圧 の 経 時 変 化 な ど に つ い て 検 討 し た 。 そ の 結 果 、 特 に ジ オ グ リ ッ ド敷 設 に 起 因 す る 漏 水 な ど の 不 具 合 な ど は 確 認 で き な か っ た 。 下流 上 流 図-2試 験 堤 断 面 図

3.2ジ

オ シンセテ ィックスを用いた補強

洪水吐 に関す る研究

農業用 ため池 の洪 水吐 は、一般 的に鉄筋 コ

ンク リー ト製の重量構 造物で ある。 兵庫県南

部地震で は、多 くの農 業用ため池が被災 し、

ため池洪 水吐 と堤体 間のは く離 とそれに伴 う

地盤 の破壊 が報告 され た。被災の状 況か ら、

洪水吐周 辺部が破壊す る主要因 として洪水 吐

重量による慣性 力お よび側壁 に作用 する土圧

が指摘 された。そ こで洪水吐の耐震性 向上を

写 真-2ジ オ グ リ ッ ドを 用 い た 試 験 堤 の 築 造 目的 と し て 、 重 量 と 断 面 形 状 ・補 強 材 の 有 無 に 着 目 し た 振 動 台 実 験 を 行 い 、 ジ オ グ リ ッ ドを 用 い て 補 強 し た 軽 量 な 洪 水 吐 は 極 め て 高 い 耐 震 性 を 有 す る こ と が 明 らか に な っ た 。 ま た 、 ジ オ グ リ ッ ドの 有 無 が 洪 水 吐 の 動 的 挙 動 に 与 え る 影 響 に つ い て 検 討 した 。 これ ら の 研 究 成 果 は 昨 年 度 シ ン ポ ジ ウ ム

写 真-3堤 体 模 型 Case A Case C Case B Case D 図-3実 験 ケ ー ス と 計 測 器

(a)

Case A

(c)

Case C

(b)

Case B

(d)

Case D

図-4堤 体 の 破 壊 状 況(800gal加 振 後) 論 文 集5)を 参 考 に さ れ た い 。 写 真-3に 実 験 状 況 を 示 す と と も に 、 各 実 験 ケ ー ス と洪 水 吐 な らび に 周 辺 地 盤 状 況 を 図-3 ,4 に 示 す 。 (a) Case_A (b) Case_B (c) Case_C (d) Case_D 写 真-4800ga1加 振 後 の 各 ケ ー ス の 様 子

3.3ジ オ グ リ ッ ド補 強 に よ る た め 池 堤 体 土 の 透 水 性 に 関 す る 研 究6) 3.1で 紹 介 し た とお り、 た め 池 堤 体 の 補 強 に 今 後 ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス を 利 用 す る こ と が 考 え ら れ る が 、 遮 水 機 能 が 必 要 な 土 構 造 物 で あ る 堤 体 に 、 ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス な ど の い わ ゆ る 異 物 を 挿 入 し て 、 止 水 性 能 が 確 保 で き る か と い う 課 題 に 対 し て 、 大 型 土 槽 に よ る 定 水 位 透 水 試 験 を 実 施 し 、 補 強 土 の 透 水 特 性 に つ い て 検 討 し た 。 (1)試 験 概 要 試 験 に は6-7混 合 珪 砂 を 用 い た 。 試 料 の 物 理 特 性 は 表-1に 示 す と お り で あ る 。 地 盤 の 作 製 は 各 層 5cmで 、 質 量 管 理 の も と相 対 密 度 が95%に な る よ う に バ イ プ レ ー タ ー で 締 固 め た 。 写 真-5に ジ オ グ リ ッ ドの 写 真 を 示 す 。 ジ オ グ リ ッ ドは ポ リ エ チ レ ン製 で 厚 さ2mmの も の を 用 い た 。 定 水 位 透 水 試 験 写 真-6、 図)5に 試 験 装 置 正 面 か らの 写 真 と 実 験 断 面 図 を 示 す 。試 験 装 置 は 、幅190cm, 高 さ60cm、 奥 行 き40cmの 土 槽 、 水 頭 調 整 用 タ ン ク 、 フ ィル タ ー な らび に マ ノ メ ー タ か ら 構 成 さ れ る 。 水 頭 調 整 用 タ ン ク と フ ィル タ ー は 位 置 を 調 整 す る こ と が 可 能 で あ り 、 所 定 の の 水 頭 差 と 浸 透 路 長 で 実 験 を行 う こ とが で き る 。 フ ィ ル タ ー に は 不 織 布 を 用 い 、 本 実 験 の 浸 透 路 長 は60cmで 行 っ た 。 マ ノ メ ー タ 孔 は 走 10cm間 隔 で 配 置 さ れ て お り、図-6に 浸 透 路 長60cmの と き の 土 槽 正 面 か ら み た マ ノ メ ー タ 孔 と 地 盤 の 関 係 を 示 す 。 透 水 係 数 の 算 定 に は ダ ル シ ー 則 を 用 い た 。 各 区 間 の 透 水 係 数 K(cm/s)の 計 算 に 用 い る 動 水 勾 配iと 流 量 q(cm3/s)は 、高 さ 方 向 の マ ノ メ ー タ の 読 み 値 の 平 均 と 下 流 側 で 計 測 す る 流 量 を 用 い た 。 (2)実験 ケ ー ス 図-7に 示 す よ う に 、 実 施 した 実 験 の 地 盤 条 件 は3種 類 と した 。 Case1:ジ オ グ リ ッ ドを 敷 設 しな い 地 盤 Case2:上 流 側 に ジ オ グ リ ッ ドを 敷 設 し た 地 盤 Case3:下 流 側 に ジ オ グ リ ッ ドを 敷 設 し た 地 盤 写 真-5ジ オ グ リ ッ ド 表-1試 料 の 物 理 特 性

写真-6透

水試験装置

図-5実 験 断 面 図 図-6マ ノ メ ー タ 孔 配 置 図(正 面)

(a) Case

1

(b) Case

2

(c) Case

3

図-7地 盤 条 件 Case1に お い て 無 補 強 地 盤 の 透 水 性 を 確 認 し 、 Case2とCase3に お い て ジ オ グ リ ッ ド敷 設 の 影 響 が 表 れ る か 否 か を検 討 し た 。 な お 、 ジ オ グ リ ッ ドの 敷 設 枚 数 は3枚 と し た 。 (3)試 験 結 果 と 考 察 実 験 結 果 か ら算 定 し た 各 位 置 に お け る 透 水 係 数 の 変 化 を 図 一8に 示 す 。 Case1の 図 よ り 、無 補 強 地 盤 の 透 水 係 数 が1.5 ×10-5程 度 で あ る と確 認 で き る 。 理 論 限 界 動 水 勾 配ic=((ρs/ρw-1)/(1+e))の 値 は 本 実 験 条 件 下 に お い て0.97で あ る 。地 盤 の 異 方 透 水 性 を 考 慮 し て 、 本 実 験 に お い て は 変 化 さ せ る 動 水 勾 配 の 値 を0.8ま で と し た 。Case1の 地 盤 の 両 端 の 透 水 係 数 が や や 高 め で あ る の は 、 両 端 の 締 固 め が 中 央

(a)

Case

1

(b)

Case

2

(c) Case 3

図-8透 水 係 数 の 比 較 部 に 比 べ て 十 分 で な か っ た た め だ と 考 え られ る 。 同 様 に 各 ケ ー ス の 通 水 開 始 時 の 透 水 係 数 を 比 較 す る と多 少 の バ ラ ツ キ が 見 ら れ た が 、 これ は 地 盤 作 製 時 の 締 固 め に よ る 影 響 で あ る と 思 わ れ る 。 Case2で は ジ オ グ リ ッ ド敷 設 部 分 で 透 水 係 数 の 変 化 が み られ る が 、Case3で は ジ オ グ リ ッ ド敷 設 部 分 に 透 水 係 数 の 変 化 が 見 ら れ な か っ た 。さ ら にCase2,Case3と も に 地 盤 上 流 部 分 に お い て 透 水 係 数 の 値 が 上 昇 し 、 下 流 部 分 に お い て は 透 水 係 数 の 低 下が 見 られ た 。 こ の よ うな 傾 向 が み ら れ る の は 、 動 水 勾 配 を 上 昇 さ せ て い く 過 程 で 地 盤 上 流 部 分 か ら 破 壊 が 生 じ 、F流 部 分 で は 細 流 分 の 流 動 に よ る 目 詰 ま り が 起 こ っ て い る た め で あ り 、 ジ オ グ リ ッ ドの 影 響 で は な い も の と考 え られ る 。

(4)透 水実験ま とめ

ジオ グ リッ ドの敷設条件 を変化 させ て地盤 中の透水 係数の値 を比較 ・検 討 した結果 、今回の実験

条件で はジオ グ リッ ドが地盤の透水性 に与える影 響は極 めて小 さ いことが分 かった。また、地盤 の

浸透 破壊は上流側 か ら発生す る傾 向がみ られ た。今後 は、浸透路 長 ・ジオグ リッ ドの敷 設枚数な ど

を変 化 させた実験 か ら、さ らに検 討 を加 える予定で ある。

4.ま

とめ

補強土工法の主材料 として発展 してきたジオ シンセテ ィ ックスであるが 、今 回、農業水利 施設 の

維持管 理 ・機能保 全 に関 して、特 にパ イプ ライ ンやため池な どの改 修 ・更新 を対象 に、ジオ シンセ

テ ィックスを利活 用 した各種新 技術 の研究 開発状況 につ いて紹介 させて いただ いた。

最近、食の安全 ・安心の観点か ら特 に注 目されてきた我が国 の食糧 自給率 の低 さな ど、 日本の食

料 ・農業問題は多大な課題 を抱えて いるが、ジオ シンセテ ィック スが低 コス トでかつ耐震性 の高 い

安全な農業水利施設の更新技術の 一つ としてさ らに発展で きるよ う、現場のニー ズに合 った研究 開

発 に傾注で きれば と考えて いる。

なお、パイプ ライ ン曲管部の ス ラス ト防護 工法に関す る研究な らびにため池洪水吐の振動台実 験

に関 して は、農村工学研究 所土質研究室 との共 同研究 として実 施 された ものである。

参考文献

1) 岩 村 和 平: 展 望; ス ト ッ ク マ ネ ー ジ メ ン ト 時 代 の 制 度 づ く り に 向 け て,農 業 土 木 学 会 誌, Vol.73, No.11, pp.1-2, 2005

2)

Mohri,Y., Yasunaka,M. and Tani,S., Damage to Buried Pipeline Due to Liquefaction Induced

Performance at the Ground by the Hokkaido-Nansei-Oki Earthquake in 1993, Proceedings of First

International Conference on earthquake Geotechnical Engineering, IS-Tokyo, pp.31-36, 1995.

3) 河 端 俊 典, 内 田 一 徳, 田 中 泰 雄, 平 井 貴 雄, 斉 藤 喜 久 雄, 澤 田 豊, 中 瀬 仁, 平 山 豪 隆,今 井 正 幸: ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス を 用 い た 曲 管 部 ス ラ ス ト防 護 工 法 に 関 す る 基 礎 研 究, ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス 論 文 集, Vol.18, pp.215-220, 2003 4) 澤 田 豊, 河 端 俊 典, 毛 利 栄 征, 内 田 一 徳: ジ オ グ リ ッ ド の 伸 び 特 性 を 考 慮 し た 圧 力 管 曲 部 軽 量 ス ラ ス ト防 護 工 法 の 水 平 抵 抗 力 算 定 手 法, ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス 論 文 集, Vol.22, pp.253-258, 2007 5) 河 端 俊 典, 内 田 一徳, 北 野 知 洋, 渡 邊 康 治, 毛 利 栄 征: ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク に よ り 補 強 し た た め 池 洪 水 吐 の 動 的 挙 動, ジ オ シ ン セ テ ィ ッ ク ス 論 文 集, Vol.22, pp.243-248, 2007 6) 内 出 一 徳,, 河 端 俊 典, 井 上 一 哉, 松 川 哲 也, 松 田 光 平: ジ オ グ リ ッ ド を 用 い た 補 強 地 盤 の 模 型 透 水 実, 験H19年 度 農 業 土 木 学 会 大 会 講 演 要 旨 集, 松 江, 2007