フィルダム研究室 ●平成10年度に実施した調査・試験・研究の成果概要

粗粒材料の動的せん断特性に関する研究

　ロックフィルダムのような粗粒材料で構成される構造物は、動的な地震時慣性力の影響を構造物の重量に設計震度を乗じた静的な水平加重として評価する震度法で耐震設計を行っており、材料強度は静的な強度を用いている。兵庫県南部地震を契機にして、重要な構造物についてはレベル１、レベル２地震動を想定した場合の耐震性能を照査することが求められており、時々刻々と変化する地震動のもとで材料の動的特性を考慮して耐震性を評価する必要がある。このために、粗粒材料の動的なせん断特性を解明する必要がある。
　10年度では、大型中空ねじりせん断試験機を用い、静的および動的強度試験を行い粗粒材料の動的強度特性について比較検討を行った。

軟岩基礎の強度変形特性の合理的評価に関する研究

　軟岩基礎上に安全でかつ経済的なダムを建設するためには、ダム基礎となる軟岩のひずみおよび応力レベルに依存する非線形変形特性を、試験寸法を考慮した上で精度良く評価する手法を確立する必要がある。
　10年度は、人工軟岩地盤の供試体を用いて行った高精度の三軸圧縮試験により、その非線形変形特性を厳密に評価した。さらに、その非線形変形特性をもとに軟岩地盤に対応した応力・変形解析コードを開発し、三軸圧縮試験における応力-ひずみ関係の再現精度の検証を行った。
　研究の結果、開発した解析コードにより要素試験における応力・変形挙動の再現がある程度の精度で可能であることがわかった。今後は、この解析コードを境界値問題である平板載荷試験やフィルダムの実測基礎変形問題に適用していく実務的な研究が必要である。

ダム基礎岩盤の透水特性評価と基礎処理技術に関する調査

　グラウチングはダムおよび基礎岩盤の安全性を確保するために必要不可欠な遮水工事である。しかし近年、複雑な地質条件を有する岩盤上にダムが築造される事例が増え、確実な遮水性の確保に加えて、経済的なグラウチングの施工が強く望まれている。そこで、基礎岩盤の透水特性を精度よく評価することによってグラウチングの施工範囲を合理的に設計する手法の確立のほか、基礎岩盤の性状に応じた合理的なグラウト材料、グラウチング工法を開発するための調査を行う必要がある。
　10年度は、上記の研究課題のうち、岩盤の水理地質特性に関する資料の収集、整理、分析についての検討を、ブランケットグラウチングを対象として行った。浸透流解析の結果にパーコレーション理論を適用し分析を行った結果、高透水性領域の流下方向の連続性がみずみちの形成に重要であることが分かった。

フィルダムの耐震設計法の高度化に関する調査

　ダムは重要な土木構造物であるため、発生確率は低いが極めて激しい地震動強さ（レベル２地震動）を想定して耐震性能を照査する必要がある。
　10年度は、フィルダムと基礎岩盤の動的相互作用の影響を検討するために、２次元FEM解析により、入力地震波の周波数特性やダムと基礎岩盤のインピーダンス比が、フィルダム堤敷での応答特性に及ぼす影響を評価した。また，地震観測記録や常時微動計測記録と比較することにより解析の妥当性を検証した。

フィルダム材料の有効利用と堤体設計法に関する調査

　フィルダムの建設では多くの堤体材料を必要とするため、従来のように良質な材料のみを使用して、ダムを築造した場合には、多くの廃棄岩（低品質フィル材料）を生じることになる。従来と同等の機能及び安全性を確保したうえで廃棄岩を出来る限り削減し、材料の有効利用を図るためには、これらの材料の工学特性（締固め密度、強度、変形、耐久性、排水性等）とその要因を的確に把握したうえで低品質フィル材料を適切な形で配置した設計、施工法の確認が必要となる。
　８年度は、低品質材料および改良盛立材料に関して工学特性を把握するための試験および施工法について検討してきた。
　９年度は、特に合理的な施工を目指す目的で転圧厚さに関して検討した。
　10年度は、低品質材料の有効利用を考えるうえで設計上問題となる室内と現場の締固特性の比較について検討した結果を述べる。

フィルタ材料の設計合理化に関する調査

　近年、強震地帯に分布する軟岩基礎上にも大規模フィルダムが建設されている。このような場合、フィルダムのコア材料の流出を防ぐために設置するフィルタ材料については、コアゾーンに地震、水圧破砕、万一の施工の不備、分散性粘土の存在などの理由により集中的な浸透が発生したという極限状態を想定した場合にも有効に働く、フィルタ材料の粒度基準（フィルタ基準）を確立しておく必要がある。本調査は、締め固めたコア材料にピンホールを設け、それに圧力水を通水し、その下流に配したフィルタ材料の効果を判定する非侵食試験を実施している。
　10年度は、9年度に引き続きできるだけ現場条件を再現するとの立場から、フィルタ材料の締固め度を変えて非侵食試験を実施し、締固め度がフィルタの有効性に与える影響について明らかにするとともに、新たなフィルタ基準の指標について提案した。

ＣＳＧを用いたダムの設計・施工法に関する調査

　ダム建設の経済性を図るためには、設計、施工の合理化とあわせて材料の合理化が必要となる。特に、近年、良好な堤体材料を経済的に確保することが次第に困難となり、ダムサイト近傍で採取される材料を有効に利用したダムの設計方法を確立することが望まれている。本調査は、ダムサイト近傍で得られる材料を有効利用する方法として開発されたＣＳＧ工法を用いたダムの合理的な設計・施工法について検討を行うものである。
　10年度は、母材が粘板岩であるＣＳＧを用いて密度のばらつき、降雨の影響、養生方法に着目した室内三軸試験を行い、せん断強度に与えるこれらの影響について検討した。この結果、密度が増加すると粘着力の増加が認められ、また10mmまでの降雨量ではせん断強度に影響しないこと、水中養生は、気中養生に比べせん断強度が小さいことがわかった。

コンクリート表面遮水壁型ロックフィルダムの設計・施工法に関する調査

　コンクリート遮水壁型ロックフィルダム(CFRD)は地震時の安定性等に懸念があったため、我が国では石淵ダム等数ダム建設の事例しかなく技術的な蓄積が少ない。ところが最近施工技術の進歩等により、諸外国で施工事例が増加している。CFRDは、他の形式のフィルダムに比べ堤体積を小さくできること等、建設コストの縮減、工期短縮などの面で大きなメリットがあるため、我が国においても高さ100ｍ級のCFRDの建設構想があり、安全で経済的なダムを建設する観点から、CFRDの安定性、耐震の評価方法、設計・施工法に関する調査研究を進める必要がある。
　10年度は、CFRDの安定性に関する検討として、モール・クーロンの破壊基準に基づくロック材料のせん断強度について、従来の設計値決定法についての考察を行った。また、曲線破壊基準に基づくせん断強度について適切な強度安全率の算定を試みた。

フィルダムの景観設計に関する調査

　フィルダムは大規模構造物であり、地域の景観に与える影響が大きい。ダム周辺の良好な景観を保つためには、堤体や周辺において景観評価の主要因となる要素を抽出し、景観設計法について確立する必要がある。
　本調査は、工事中に発生する残土の土捨と周辺環境整備を兼ねて、近年施工例が増加しつつある堤体下流面盛土について、盛土形状や緑化について景観設計を検討するとともに、盛土の施工面や安全管理面における留意点とその対策についても検討するものである。これまでに、最適な景観設計法および下流面盛土の景観設計、施工・安全管理手法について概略案をとりまとめてきた。
　10年度は現地発生材を有効利用する方法として開発されたＣＳＧ構造物において自然に発生した植生の調査を行った。この結果次のことがわかった。１）堤体下流法面の右岸側にコケ類および草本類が生育しており、一部に木本類もみられる。２）植生は転圧層の境界部に層状にみられるが、その箇所のｐH濃度との相関はない。３）生育している植物は近傍からの落下種子であり、風、動物などにより運ばれたと推察される。

基礎処理の合理化等に関する調査

　公共事業コスト縮減の一環として、ダム基礎グラウチングに関しても設計、施工および効果判定における合理化が求められている。このために、広い範囲の地盤の物理量分布を比較的安価に探査できるジオトモグラフィーの適用性を検討する必要がある。
　10年度はグラウチング結果の合理的評価方法について、比抵抗トモグラフィーを用いた砂岩基礎におけるグラウチング試験の注入効果の判定により検討した。その結果、比抵抗トモグラフィーから得たグラウチング前後の比抵抗変化率分布と、開削調査により得たグラウト脈の観察結果を比較することにより、グラウチングにともなう砂岩基礎内の比抵抗低下領域にグラウト脈が集中していることが分かり、比抵抗トモグラフィーのグラウチング効果判定法としての適用性が高いことが分かった。

堤体材料のゾーニングに関する調査

　本調査は、未利用材料の有効利用を行う場合の材料試験および評価法、堤体ゾーニング、品質管理手法に関する検討を行うものである。
　10年度は、これまでにゾーニングを行ったダムの事例調査とこれらに用いられた平均的な強度定数による安定計算を行い、低品質材料の利用率について検討した結果を述べたものである。

フィルダム材料の動的特性に関する調査

　通常ロックフィルダムのロック材料には砕石（以下角礫材）を用いることが多いが、現地状態によっては材料の有効利用の観点から河床砂礫材（以下円礫材）を用いることがある。この際、円礫材の力学特性を精度よく評価することが必須の条件となる。
　既往の研究では、角礫材と円礫材を用い、大型三軸せん断試験および大型ねじりせん断試験を行い、静的および、動的強度特性を求めており、円礫材のほうが過剰間隙水圧比の最大値が小さく、動的せん断強度が大きいことがわかっている。また、過剰間隙水圧の上昇過程と発生量は材料のダイレイタンシー特性の影響を受け、ダイレイタンシー係数は拘束圧と相対密度によって定まる。
　10年度では粒子形状の違いによる破砕質量率の差が、動的せん断強度特性に影響することがわかった。

ＣＳＧの材料特性に関する調査

　川辺川ダムの２次締切堤には、仮排水トンネルの掘削ズリを用いたＣＳＧ工法が計画されている。本調査では、廃棄岩を用いたＣＳＧの材料特性を把握し、本工法による締切堤の設計、施工法の提案を行うものである。これまでに多くの試験結果より原位置強度は、室内強度に比べて粘着力が低減する結果が得られている。この原因として、原位置と室内での締固め機構、材料の最大粒径の違いなどが挙げられている。
　10年度は、室内試験において原位置の密度と同等にし、材料の最大粒径がせん断強度に及ぼす影響について検討し、最大粒径が小さくなるとせん断強度が増加することや、粘着力は最大粒径の依存性が高いことを確認した。

フィルダムの品質管理手法の合理化に関する調査

　フィルダムは大量の材料を用いて築造する大型土構造物である。フィルダムの盛立施工においては、ほとんどのダムで長年にわたって置換法をベースにした締固め管理が行われている。
　９年度は新しい測定器である自動走査式ＲＩ密度計（ＳＲＩＤ）の適用性について検討し、従来のものに比べてあまり労力を必要とせず、多点数測定が可能であることを確認した。
　10年度は従来の品質管理の課題を整理し、本測定器を用いた新しい品質管理手法について検討した。

忠別ダム・フィル堤体材料に関する調査

　忠別ダムにおいては、材料の有効利用の一環としてダムサイト近傍で採取可能な砂礫材料を透水性材料とすることを前提とした力学的特性評価の高度化を図る必要がある。また、砂礫基礎上に築造される大規模フィルダムであることから、遮水性材料の浸透破壊抵抗性評価および遮水性材料保護を目的とした適切なフィルタ材料粒度の決定、さらには砂礫基礎の浸透破壊抵抗性の評価を併せて行い、堤体および基礎の安定性の総合的評価を行う必要がある。
　10年度は、砂礫基礎の浸透破壊抵抗性を精度良く評価するために、凍結サンプリング法により採取した乱さない試料に対して室内パイピング試験を実施した。その結果、対象砂礫は基質部分の十分な結合力により大きい浸透破壊抵抗性を有していることがわかった。

フィルダムの合理化施工に関する調査

　コア材料の一般的な転圧厚さは20cm程度である。盛立施工のより一層の合理化を図ろうとすれば、転圧厚さを増大させることがひとつの方法として考えられる。
　10年度は、緑色片岩と細粒材を混合したコア材料を用いた盛立試験において、従来のコア材料に比べて２倍程度大きい50cm厚までの転圧を行い、転圧厚さが大きくなっても転圧層の上部と下部においても密度差が少なく、透水係数にも大差がないことを確認した。

堤体材料の有効利用と軟岩の変形性に関する調査

　大保ダム脇ダムのような軟岩上に築造されるフィルダムに対しては、設計時にその変形性を室内および原位置試験結果に基づいて高精度に評価したうえで、築造時の変形挙動を精度良く予測する必要がある。
　10年度は、大保ダム脇ダム基礎を対象に実施された平板載荷試験結果の解析の高度化を図るため、試験面掘削により生じた緩みの厚さと程度および載荷板径と載荷方法に着目して数値実験を行った。
　上記の結果として、載荷力と地表の変位から変形性を評価する方法では、載荷板径が大きいほど緩みの影響が小さくなること、また、地盤内ひずみを計測したうえで変形性を評価することにより評価精度を高められることがわかった。