(57)【要約】      （修正有）【課題】通水施設への地下水の流れを考慮した等価透水係数を用いることにより、通水施設の設計を適切に行うことができ、好適に地下水流動の確保を図ることが可能な地下水流動保全工法を提供する。【解決手段】地下構造物３に設けた通水施設４で、地下構造物３によって遮断された地下水を通過させて地下水の流動を確保する地下水流動保全工法であって、通水施設４を含む地下構造物３全体を等価な透水性を有する材料に置き換えて設定される等価透水係数を、通水施設４への地下水の流れを考慮した等価透水係数算定式を用いて設定する。【選択図】図１
2010007450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下構造物に設けた通水施設で、前記地下構造物によって遮断された地下水を通過させて地下水の流動を確保する地下水流動保全工法であって、
前記通水施設を含む地下構造物全体を等価な透水性を有する材料に置き換えて設定される等価透水係数を、次式を用いて設定することを特徴とする地下水流動保全工法。
【数１】
2010007450.tif 000006
ここで、ｋｅｑ：通水施設部分の等価透水係数  [ｍ／ｓ]
η：井戸効率  [−]
ｋ１：地山の透水係数  [ｍ／ｓ]
Ｗ：流れを遮断する地下構造物の流れ方向の幅  [ｍ]
ａ：通水施設の設置間隔  [ｍ]
Ｒ’：見かけの影響圏半径  [ｍ]
ｒｗ：通水施設の等価井戸半径  [ｍ]
Ｂｗ：通水施設の開口幅  [ｍ]
ｋ２：通水施設部分の透水係数  [ｍ／ｓ]
ｔ：開口部の奥行き（充填材の充填厚さ）[ｍ]
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下構造物に設けた通水施設で、地下構造物によって遮断された地下水を通過させて地下水の流動を確保する地下水流動保全工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、図１０に示すように地下鉄や地下道路等の地下構造物１を構築することによって地下水流（帯水層２の地下水の流動）Ｔが遮断され、上流側では地下水位が上昇し、下流側では地下水位が低下して、井戸枯れや地盤沈下、あるいは生態系の変化や地下水の汚染などの被害を発生させることがある。
【０００３】
これに対し、図１０に示すように、土留め壁（地下構造物１の一部）３に井戸構造を有する装置を設置したり、アブレシブジェットを用いて土留め壁３を部分的に破壊しスリット状の開口部を設けるなどして、地下構造物１の所定位置に地下水を通過させるための通水施設４を設け、地下水の流動を確保することが提案、実施されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
一方、このような地下水流動保全工法の設計においては、一般に、有限要素法など数値解析手法が用いられているが、数キロメートル四方という広域の解析対象領域の中で、数センチメートルから数十センチメートル程度の比較的小さい通水施設４をモデル化すること（要素分割すること）は困難である。
【０００５】
このため、一般に、通水施設４を含む地下構造物１全体を等価な透水性を有する材料に置き換えてモデル化して解析する手法が多用されている（非特許文献１参照）。この手法においては、個々の通水施設４を表現してモデル化する必要がないため、モデル化の労力を大幅に低減することができる。
【特許文献１】特開２０００−８７３８５号公報
【特許文献２】特開２００１−３１７０４５号公報
【特許文献３】特開２００４−２３２３０６号公報
【非特許文献１】「地盤工学・実務シリーズ１９  地下水流動保全のための環境影響評価と対策  −調査・設計・施工から管理まで−」、社団法人地盤工学会、平成１６年１０月１５日、ｐ．３５１〜ｐ．３５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載された手法においては、通水施設４を含む地下構造物１全体を等価な透水性を有する材料に置き換えて設定する等価透水係数が単純平均により求められ、地下水を一様な流れとして評価するため、通水施設４へ地下水が集まりあるいは流出していくときに発生する水頭損失が考慮されていない。このため、実際よりも通水施設４の通水性能が過大に評価される（過小設計になる）おそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、通水施設への地下水の流れを考慮した等価透水係数を用いることにより、通水施設の設計を適切に行うことができ、好適に地下水流動の確保を図ることが可能な地下水流動保全工法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００９】
本発明の地下水流動保全工法は、地下構造物に設けた通水施設で、前記地下構造物によって遮断された地下水を通過させて地下水の流動を確保する地下水流動保全工法であって、前記通水施設を含む地下構造物全体を等価な透水性を有する材料に置き換えて設定される等価透水係数を、次式を用いて設定することを特徴とする。
【数１】
2010007450.tif 000003
ここで、ｋｅｑ：通水施設部分の等価透水係数  [ｍ／ｓ]
η：井戸効率  [−]
ｋ１：地山の透水係数  [ｍ／ｓ]
Ｗ：流れを遮断する地下構造物の流れ方向の幅  [ｍ]
ａ：通水施設の設置間隔  [ｍ]
Ｒ’：見かけの影響圏半径  [ｍ]
ｒｗ：通水施設の等価井戸半径  [ｍ]
Ｂｗ：通水施設の開口幅  [ｍ]
ｋ２：通水施設部分の透水係数  [ｍ／ｓ]
ｔ：開口部の奥行き（充填材の充填厚さ）[ｍ]
【発明の効果】
【００１０】
本発明の地下水流動保全工法によれば、上記の式（等価透水係数算出式）を用いて通水施設部分の等価透水係数を求め、この等価透水係数を地下構造物部分の透水係数として設定することによって、通水施設設置時の地下水の流れ状況を考慮して表現することが可能になる。これにより、通水施設へ地下水が集まりあるいは流出していくときに発生する水頭損失を考慮して、通水施設の設計を適切に行うことができ、好適に地下水流動の確保を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１から図１０を参照し、本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法について説明する。本実施形態は、例えば地下鉄や地下道路等の地下構造物１を構築する際に構築予定位置の両側に構築される地中連続壁などの土留め壁３（地下構造物１の一部）に設けた通水施設４で、土留め壁３によって遮断された地下水を通過させることにより地下水の流動を確保する地下水流動保全工法に関するものである。
【００１２】
本実施形態の地下水流動保全工法においては、土留め壁３の所定位置に設置する通水施設４を設計するにあたり、通水施設４を含む地下構造物１全体を等価な透水性を有する材料に置き換えて設定される等価透水係数ｋｅｑを、次式（式１〜４）を用いて設定する。
【００１３】
【数２】
2010007450.tif 000004
【００１４】
ここで、ｋｅｑは通水施設部分の等価透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、ηは井戸効率（−）、ｋ１は地山の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、Ｗは地下水の流れを遮断する地下構造物１の流れ方向の幅（土留め壁３の厚さなど）（ｍ）、ａは土留め壁３の延設方向（横方向）に設置される通水施設４の設置間隔（ｍ）、Ｒ’は見かけの影響圏半径（ｍ）、ｒｗは通水施設４の等価井戸半径（ｍ）、Ｂｗは通水施設４の開口幅（通水施設４の開口部の幅）（ｍ）、ｋ２は通水施設部分の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、ｔは開口部の奥行き（充填材の充填厚さ）（ｍ）である。
【００１５】
そして、上記の式４は、図１に示すように、地下水を通過させる通水施設４の開口部４ａの幅Ｂｗと、この開口部４ａと等価な性能を有する井戸の等価井戸半径ｒｗとの関係式である。この式４は、本願の発明者らが導出した式であり、有限要素法による浸透流解析を用いて通水施設４の集水能力及び／又は涵養能力（通水性能）を計算し、この結果と、通常の井戸の揚水能力（集水能力及び／又は涵養能力）を算定する井戸理論式とを比較して、図２に示すように、通水施設４の開口部４ａの幅Ｂｗと等価井戸半径ｒｗとの関係を求めて導出したものである。
【００１６】
また、図３は、式４を用いて設計した通水施設４を土留め壁３に設置した場合において、この土留め壁３で遮られた地下水の水位変動量を、有限要素法を用いて解析した結果と、式４に基づく設計法により求めた結果を比較したものである。ここで、図３においては、地下水の影響圏半径Ｒを１００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．０４６とした場合、地下水の影響圏半径Ｒを１０００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．００５とした場合、地下水の影響圏半径Ｒを１００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．００５とした場合の結果をそれぞれ示している。
【００１７】
この図３に示すように、全てのケースにおいて、有限要素法により求めた地下水の水位変動量と、式４に基づく設計法により求めた地下水の水位変動量とがほぼ同値となる。これにより、式４を用いて通水施設４の開口部４ａの幅Ｂｗや開口部４ａの設置間隔ａを設定する設計法の妥当性が実証されている。
【００１８】
一方、この式４は、通水施設４の開口部４ａの透水性が十分に確保されている理想的な状態を想定したものであるため、実際の現場において、開口部４ａに透水性の低い材料が充填され、通水施設４の通水性能が低下してしまう状況を評価して設計に反映することができない。
【００１９】
このため、通水施設４の通水性能（井戸効率η）を、次のように式２（上記の式２と同式）及び式５を用いて設定している。
【００２０】
【数３】
2010007450.tif 000005
【００２１】
ここで、図４及び図５に示すように、Qは通水施設４の実集水量又は実涵養量（ｍ３／ｓｅｃ）、ｓｗは開口部４ａ内の水位低下量又は水位上昇量（ｍ）、ｋ１は地山の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、ｋ２は充填材５の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、Dは開口部４ａの長さ（＝帯水層２の層厚）（ｍ）、Ｒ’は式３で求めた見かけの影響圏半径（ｍ）、ｒｗは式４で求めた開口部４ａの等価井戸半径（ｍ）、Ｂｗは開口部４ａの幅（ｍ）、ｔは開口部４ａの奥行き（充填材の充填厚さ）（ｍ）、ηは井戸効率（理想的な状態での集水量と実集水量の比、又は理想的な状態での涵養量と実涵養量の比）（−）、Ｑ０は理想的な状態での開口部４ａの集水量又は涵養量（ｍ３／ｓｅｃ）である。
【００２２】
そして、図６は、土留め壁３に設けた通水施設４の通水性能を、有限要素法を用いて解析した結果（計算値）と、式２及び式５を用いた設計法によって求めた結果（式２）をそれぞれ示している。ここで、図６は、影響圏半径Ｒを１００ｍとし、開口部４ａの奥行きｔを０．５ｍとし、開口部４ａの幅Ｂｗを変化させた際の通水施設４の通水性能を示したものであり、横軸を地山の透水係数ｋ１と充填材５の透水係数ｋ２の比とし、縦軸を井戸効率ηとしている。この図に示すように、有限要素法を用いて解析した結果と、式２及び式５を用いた設計法によって求めた結果とが一致しており、式２及び式５の妥当性が実証されている。
【００２３】
本実施形態においては、このような式２及び式４を用いて式１から通水施設部分の等価透水係数ｋｅｑを求め、この等価透水係数を地下構造物部分の透水係数とすることにより、通水施設設置時の地下水の流れ状況を考慮して表現することができる。
【００２４】
図７は、設計条件として、地山の透水係数ｋ１を１×１０−５ｍ／ｓｅｃ、地下水の流れを遮断する地下構造物１の流れ方向の幅Ｗを１０ｍ、通水施設４の開口部４ａの幅Ｂｗを０．７５ｍ（ｒｗ＝０．２ｍに相当）、通水施設部分の透水係数ｋ２を１×１０−２ｍ／ｓｅｃ、帯水層２の厚さＤを１０ｍ、自然状態での地下水の動水勾配Ｉを０．０１として、従来式（非特許文献１に記載された従来の等価透水係数算出式）と、式１（本発明に係る等価透水係数算出式）とをそれぞれ用いて、通水施設設置間隔ａを変化させたときの等価透水係数ｋｅｑを算定した結果を示している。
【００２５】
この図７から、単純平均により等価透水係数ｋｅｑを求める従来式においては、通水施設４の設置間隔を大きくするに従い漸次等価透水係数ｋｅｑが小さくなるが、上記の設計条件で通水施設４を設置すると、等価透水係数ｋｅｑが元の地山の透水係数ｋ１よりも大きくなってしまう。このため、通水施設４の通水性能が過大に評価されて、設計に適用することができない。
【００２６】
一方、本発明に係る等価透水係数算出式（式１）においては、通水施設４の設置間隔を大きくするに従い漸次等価透水係数ｋｅｑが小さくなって、この等価透水係数ｋｅｑが元の地山の透水係数ｋ１よりも大きくなることがない。
【００２７】
ついで、図８は、このような式１で求めた等価透水係数ｋｅｑと一次元流れの理論式を用いて、通水施設１箇所当たりの通過流量を算出し、この結果を有限要素法による浸透流解析の結果と比較したものである。そして、この図に示すように、式１で求めた等価透水係数ｋｅｑによる通過流量と、有限要素法による浸透流解析から求めた通過流量とが実用上十分な精度で一致することが確認された。
【００２８】
また、図９は、この式１により求めた等価透水係数ｋｅｑと一次元流れの理論式を用いて、発生する水位変動量を算出し、この結果を有限要素法による浸透流解析の結果と比較したものである。この図から、式１で求めた等価透水係数ｋｅｑによる水位変動量と、有限要素法による浸透流解析から求めた水位変動量とが実用上十分な精度で一致することが確認された。
【００２９】
このように、土留め壁３に設置した通水施設４への地下水の流れを考慮した本発明に係る等価透水係数算出式を用いることで、従来式を用いた場合よりも精度よく地下水流動保全工法（通水施設４）の設計が行える。
【００３０】
したがって、本実施形態の地下水流動保全工法によれば、式１〜４（等価透水係数算出式）を用いて通水施設部分の等価透水係数ｋｅｑを求め、この等価透水係数ｋｅｑを地下構造物部分の透水係数として設定することによって、通水施設設置時の地下水の流れ状況を考慮して表現することが可能になる。これにより、通水施設４へ地下水が集まりあるいは流出していくときに発生する水頭損失を考慮して、通水施設４の設計を適切に行うことができ、好適に地下水流動の確保を図ることが可能になる。
【００３１】
このとき、周辺の地下水流れが単純で、理論式により表現できる場合には、理論式上で式１を用いて算出した等価透水係数ｋｅｑを用いればよい。また、複雑な条件の下では、有限要素法などの数値解析手法を用い、当該部分の透水係数として式１を用いて算出した等価透水係数ｋｅｑを入力すれば、通水施設設置時の地下水の流れ状況を考慮した設計を精度よく行うことが可能である。
【００３２】
さらに、通水施設設置間隔ａ、通水施設４の開口部４ａの幅Ｂｗ、通水施設部分の透水係数ｋ２などを変化させ、等価透水係数ｋｅｑを計算した上で通水量や水位変動量を評価することにより、所定の設計条件が満足でき、かつ効果的な仕様を決定することが可能になる。
【００３３】
また、地下水流動保全工法（通水施設４）の設計においては、複雑な繰り返し計算を必要とするが、式１から式４の等価透水係数算出式を用いた手法を表計算ソフトによってシステム化しておくことにより、簡易に設計を行うことも可能になる。
【００３４】
以上、本発明に係る地下水流動保全工法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】通水施設を設計する際に、通水施設をこの通水施設の開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径に置き換えることを示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、通水施設の開口部と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径との関係（式４）を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、通水施設の開口部の幅と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径との関係式（式４）の妥当性を実証した図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式２及び式５の諸条件を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式２及び式５の諸条件を示した図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式２の妥当性を実証した図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式１と従来式の通水施設設置間隔と等価透水係数の関係を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式１の妥当性を実証した図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式１の妥当性を実証した図である。
【図１０】土留め壁に通水施設を設けて地下水の流動を確保した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      地下構造物
２      帯水層
３      土留め壁（地下構造物）
４      通水施設
４ａ    開口部
５      充填材
Ｔ      地下水の流れ
【図１】
2010007450.tif 000007
【図２】
2010007450.tif 000008
【図３】
2010007450.tif 000009
【図４】
2010007450.tif 000010
【図５】
2010007450.tif 000011
【図６】
2010007450.tif 000012
【図７】
2010007450.tif 000013
【図８】
2010007450.tif 000014
【図９】
2010007450.tif 000015
【図１０】
2010007450.tif 000016