第68回(2024年度)

北海道開発技術研究発表会論文

農業専用ダムの安全性評価について―羽幌ダムの耐震性能照査―
留萌開発建設部 農業開発課課○市川 越野鎌田 滝雄
高﨑 大輔

2012年3月に閣議決定された土地改良長期計画において、東日本大震災の教訓を踏まえ土地改良施設の耐震強化を推進する方針が打ち出され、全ての国営造成農業用ダムを対象に総合的な安全性評価が実施されている。本稿では、直轄かんがい排水事業により造成され、昭和42年度から供用を開始している羽幌ダムを対象に実施した耐震性能照査について報告する。
キーワード：農業用ダム、耐震性能照査

1. はじめに3ｍ、堤体積96千㎥の均一型フィルダムである（図-1、写真-1、図-2）。建設工事は1962年に着工し、1966年に近年、1996年の兵庫県南部地震、2008年の岩手・宮城内陸地震、2011年３月11日発生の東北地方太平洋沖地震、 完成している。
さらに2018年の胆振東部地震などの大規模な地震により、羽幌ダム
農業用ダムやため池においても、堤体、付帯施設に変状、損傷が生じた事例や堤体が決壊した被害が報告されている。このような背景のもと、ダムの地震時における安全性の検証が急務となっており、2012年３月に閣議決定された土地改良長期計画において、農業用ダムの耐震性能
図-1 羽幌ダム位置図照査について明記され、既設ダムの耐震性能照査が進められている。
本稿では、直轄かんがい排水事業羽幌地区で造成された均一型フィルダムである「羽幌ダム」について、堤体の耐震性能照査を行うために2020～2022年度に実施した総合的な安全性評価の結果について報告する。

2. 羽幌ダムの概要(1)ダム概要
羽幌ダムは、築別川水系築別川支流三毛別川に建設された有効貯水量 3,160千㎥、堤高27.8ｍ、堤頂長108.4
写真-1 羽幌ダム貯水状況

図-2 羽幌ダム堤体標準断面図

ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke-090-(2)地質概要
羽幌地区の地質は、中生界白亜系の上部蝦夷層群を基盤岩とし、その上位に白亜系最上部のパンケ沢層、新生界古第三系の羽幌層、三毛別層、新第三系の築別層、古丹別層が分布し、築別川沿いに新生界第四系更新統の段丘堆積物、完新統の沖積層が分布している。白亜系、古第三系は、ほぼ北西-南東方向に発達しているが、褶曲構造及び断層により地層は複雑な分布を呈する。
ダムサイトの地質は、白亜系の上部蝦夷層群に属する硬質砂岩、シルト岩、砂質シルト岩互層が分布している。
ダムの基礎岩は黒色泥岩、泥岩・砂岩薄互層、砂岩・泥岩薄互層、粗粒砂岩である。

3. 国営造成農業用ダム安全性評価について
国営造成農業用ダムは半数以上が供用後20年以上を経過しており、経年的な劣化の進行やこれに伴う性能低下、あるいは地震等の外力による施設機能の損失が懸念されている。このため、経年的な劣化の進行や性能低下の状況を把握する機能診断を実施している。
一方、震度法により設計された国営造成農業用ダムは既往の大規模地震においても貯水機能の喪失に陥ることなくその安全性が維持されてきたが、ダムサイトで想定されるレベル2地震動をはじめ、ダムサイトの地形や地質、造成時の設計や施工の詳細等の条件はダム毎に異なることから、これらの条件に応じた耐震性能を地震時のダムの挙動を再現しながら定量的に評価することが求められている。
このことから、農林水産省では、土地改良長期計画に基づき、国が造成し又は管理している農業用ダムを対象に、①ダム造成時の設計・施工内容の詳細を確認し、②設計・施工により期待される性能が発揮されていること(健全性)を検証した上で、③動的解析によりレベル2地震動に対する耐震性能照査を行う「農業用ダムの安全性評価」を実施しているところである。
安全性評価のうち、本稿で報告する耐震性能照査については「国営造成農業用ダム耐震性能照査マニュアル」
等に基づき、レベル1地震動(供用期間内に1～2度程度発生する確率をもつ地震動強さ)、レベル2地震動(現在から将来にわたって当該地点で考えられる最大級の強さを持つ地震動強さ)について解析を実施し、堤体への影響及び堤体に構造的な損傷が生じた場合でも、ダムへの貯水・放流機能が維持される等の性能を有しているか検討を行った。

4. レベル１地震動に対する耐震性能照査

強さ」に対して「ダムにすべり破壊が生じないこと」とされている。
具体的には、ダム当該地点における地震力（地震係数）を水平方向に作用させた安定計算（震度法）において、すべり破壊に対して所用の安全率(Fs)1.2以上を確保することである。
(2) 堤体の安定計算結果
a)当初設計時の安定計算
当初設計時の安定計算は、完成直後の上下流斜面、水面急降下時の上流斜面、地震時の上下流斜面、低水時（地震）の上流斜面について安定計算がなされており、いずれにおいても安全率Fs＝1.2以上となっている（表1、図-3）。
表-1 安定計算結果一覧表
計算条件(1)完成直後(2)水面急降下時(3)地震時(4)低水時（地震）計算斜面 起動力 抵抗力 安全率 Fs

設計震度貯水位－－

上流
下流

541.56 377.20
514.41 357.66

1.441.44－－

上流

465.86 383.62

1.21－
－
0.15
0.15－

－
－
FWL144.20m
WL132.79m
－

下流
上流
下流
上流
下流

－－
－
－
618.14 516.22
452.63 378.11－
－

－
－
1.20
1.20－

図-3 当初設計の上下流側臨界円図b)現行基準による安定計算
当初設計時の安定計算が旧基準で行われているため、現行の設計基準に基づいた安定計算を行い、堤体の安定性を確認した。当初設計の設計震度については0.15とされていたが、現行基準に合わせると羽幌ダムは弱震帯地域に当たるため、設計震度0.12で安定計算を実施した。
安定計算の結果、「堤体最大断面」において、常時満水位、水位急降下時とも地震時の計算結果が安全率Fs＝1.2を満足した（図-4）。
以上により、本ダムの堤体は、レベル1地震動に対する耐震性能を有していると判断した。

(1) 耐震性能目標
フィルダムのレベル１地震動に対する耐震性能は、「供用期間内に１～２度程度発生する確率をもつ地震動
ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke-091-

具体的には、ダム当該地点における最大級の地震波形を設定しても、すべり破壊に対する安全率が1.0以上となること、又は、安全率が1.0未満となった場合においても、すべり土塊の変位量が許容値（一般的に1.0m以下）となること等である。

堤体安定計算結果一覧表
条件

地震係数 安全率 判定(Fs≧1.2)
1.964
OK上流側
常時満水位
0.12
1.216
OKFWL.144.20
2.006
OK
下流側
0.12
1.433
OK1.637OK
水位急降下 上流側
0.06
1.337
OK1.433

1.216

常時満水位地震時最小安全率のケース

図-4 安定計算結果（堤体最大断面）5. レベル２地震動に対する耐震性能照査(1)耐震性能目標フィルダムのレベル２地震動に対する耐震性能は、「現在から将来にわたって当該地点で考えられる最大級の強さを持つ地震動強さ」に対して、「地震によりダムに構造的な損傷が生じた場合でも構造的な損傷が修復可能であり、ダムの貯水機能、放流機能が維持されること」とされている。

(2) レベル２入力地震動の設定解析に用いる入力地震動は「内陸活断層型」と「境界プレート型」の２タイプとする。
入力地震動の設定にあたっては、位相特性と振幅特性を考慮する必要があり、ダム周辺の地震断層により発生する地震動、既往の地震動、地域の防災計画において想定される地震動等の情報を収集し、入力地震動を設定した（表-2、図-5、図-6）。
a)加速度応答スペクトルの作成
加速度応答スペクトル図は、H23年距離減衰式の最短距離式及び等価震源距離式を用いて作成する。
内陸活断層型地震では、最短距離式で算出した「増毛山地東縁断層帯」が最も大きい加速度応答スペクトル値を示す。このスペクトルは、照査用下限値より小さいことから、本ダムの内陸活断層型地震の加速度応答スペクト
ル（目標スペクトル）は「照査用下限値」を選定した。
プレート型地震では、等価震源距離式で算定した「北海道北西沖の地震5」が最も大きい加速度応答スペクトル値を示していることから、プレート型地震の加速度応答スペクトル（目標スペクトル値）は「北海道北西沖の地震5（等価震源距離式）」を選定した。

表-2 入力地震動の設定方針
1)内陸活断層型地震の波形について

2)プレート型地震の波形について

ａ）振幅特性 （加速度応答スペクトル）
1)被害地震、断層モデル から距離減衰式で対象地震を選定する。
最短距離式で選定
等価震源距離式で選定
・サロベツ断層帯
・サロベツ断層帯
・増毛山地東縁断層帯
・増毛山地東縁断層帯
・沼田－砂川付近の断層帯
・石狩低地東縁断層帯主部（北部）・石狩低地東縁断層帯主部（北部）
・沼田－砂川付近の断層帯（傾斜角45°）
・石狩低地東縁断層帯主部（北）（傾斜角45°）
・石狩低地東縁断層帯主部（北・南）（傾斜角30°）2)最短距離式、等価震源距離式それぞれから加速度応答スペクトルが最も大きくなるものを選定。
最短距離式で選定等価震源距離式で選定
・増毛山地東縁断層帯
・増毛山地東縁断層帯
3)上記2)で選定したもののうち、加速度応答スペクトルが大きい方を目標スペクトルとする。
「増毛山地東縁断層帯」の最短距離減衰式による加速度応答スペクトルが最も大きくなるが、照査用下限値を上回る部分はない。したがって、照査用下限値を目標スペクトルを設定する。

ｂ） 位相特性（原種波形）a)振幅特性 （加速度応答スペクトル）
1)被害地震、断層モデル から 距離減衰式で選定する。
最短距離式で選定
等価震源距離式で選定
・北海道北西沖の地震6
・北海道北西沖の地震5・千島海溝沿いの沈み込んだ・千島海溝沿いの沈み込んだプレート内のやや深い地震27
プレート内のやや深い地震27
・北海道北西沖の地震（西傾斜）・北海道北西沖の地震（西傾斜）・北海道西方沖の地震
・北海道西方沖の地震
・北海道留萌沖の地震（走向225°E）
・北海道留萌沖の地震（走向225°E）
・紋別沖（紋別沖構造線）
・紋別沖（紋別沖構造線）
2)最短距離式、等価震源距離式それぞれから加速度応答スペクトルが最も大きくなるものを選定。
最短距離式で選定
等価震源距離式で選定
・北海道留萌沖の地震（走向225°E）
・北海道北西沖の地震53)上記2)で選定したもののうち、加速度応答スペクトルが大きい方を目標スペクトルとする。
「北海道北西沖の地震５」の等価震源距離減衰式による加速度応答スペクトルが最も大きくなる。これを目標スペクトルとして設定する。
なお、プレート型は下限線への引き延ばしは行なわない。

ｂ） 位相特性（原種波形）①羽幌ダム地震観測データ
当該ダムの地震観測波形は存在しない。（×）①羽幌ダム地震観測データ
当該ダムの地震観測波形は存在しない。（×）②他ダムの地震観測データ
瑞穂ダムの基盤観測波（2018年胆振東部地震）を用いる。（〇）②他ダムの地震観測データ
漁川ダム、幕別ダムで25galを超える観測波があるが、これらのダムの基盤は羽幌ダムの基盤と少し異なるので、今回は原種波形としない。（△）③近傍での地震観測データ（ＫiＫ-net，Ｋ-NET）
KiK-net小平東の地震観測所において、25gal以上の観測波がある（2004年留萌地方南部地震）。
（△）③近傍での地震観測データ（ＫiＫ-net，Ｋ-NET）
KiK-net占冠の地震観測所において、25gal以上の観測波がある（2003年十勝沖地震）。（〇）④模擬地震波
(出典：J-SHIS)
増毛山地東縁断層帯を震源とした羽幌ダム地点における模擬地震波。（△）

【設定方針（内陸活断層型）】
a)振幅特性：照査下限値を目標スペクトルとして設定。
b)位相特性：原種波形として、瑞穂ダムの基盤観測波（2018年胆振東部地震）を用いる。

【設定方針（プレート境界型）】
a)振幅特性：距離減衰式で算定した「北海道北西沖の地震5」により設定。
b)位相特性：原種波形として、KiK-net占冠の観測地震波（2003年十勝沖地震）で設定。

ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke-092-【加速度応答スペクトル】【上下流方向加速度】※減衰定数は5.0％とした。
10000
120
加速度応答ｽﾍﾟｸﾄﾙ(gal)

加速度(gal)

4002000-200-400-600010203040経過時間(s)50607080【加速度応答スペクトル】※減衰定数は5.0％とした。
10000

最大加速度: 109.28 gal

90
1000

100

100.1
1
周期(s)

60300-30-60

振幅調整後波形
下限加速度応答ｽﾍﾟｸﾄﾙ
目標スペクトル10.01

加速度応答ｽﾍﾟｸﾄﾙ(gal)

最大加速度: 395.01 gal
600

加速度(gal)【上下流方向加速度】-90-1200

10204060

80
100
経過時間(s)120140

160

1000

100

1010.01

振幅調整後波形
下限加速度応答ｽﾍﾟｸﾄﾙ
目標スペクトル
0.1
周期(s)

110

図-5 内陸活断層型入力地震動

図-6 プレート境界型入力地震動b)原種波形の設定
内陸活断層型地震の原種波形については、本ダムでの25gal以上の観測地震の波形がないため、他ダムの観測波形について調査した。その結果、瑞穂ダムは、本ダムと地質年代は異なるものの、弾性波速度が同程度であり、基礎地盤の固さと大きな差異がないと考えられることから、瑞穂ダムの観測波（2018年胆振東部地震）を原種波形として採用した。
プレート境界型地震の原種波形についても、本ダムに25gal以上の観測地震の波形がないため、他ダムの観測波形及び近傍での地震観測データについて調査した。その結果、KiK-net（基盤強震観測網）から、弾性波速度および地質年代が同程度である占冠の観測波（2003年十勝沖地震）をプレート境界型地震の原種波形として採用した。

(3) 解析モデル及び解析パラメータの設定
a)解析モデル
解析モデルは、最大断面である標準断面をモデル化し、解析領域は、解析モデル境界の影響を緩和するため、「水平方向に堤敷幅の5倍」「鉛直方向は堤高の3倍」とした。また、解析モデル端部の境界条件は、耐震マニュアルに準じて、「静的解析」では底面は完全固定、側面は鉛直ローラとしている。「動的解析」では、底面は弾性基盤との境界にρ・Vsのダッシュポット、側面はダッシュポット（ρ・Vs）で自由地盤と連結するモデル（粘性境界）とした（図-7、図-8）。

図-7 解析モデル図及びゾーン区分

図-8 全体解析モデル図
表-3 初期応力解析パラメータ番号①②③④⑤⑥材料

不透水性ゾーン
ロックゾーン
インターセプター
フィルタ―
ドレーン
捨土盛土
基礎地盤（泥岩・砂岩）

単位体積重量
設計数値
設定値
湿潤密度 飽和重量 湿潤密度 飽和重量
3333t/mt/mt/mt/m
1.810
1.846
1.931
1.987
―
―
1.943
2.002

せん断強度
設定値
設計数値
CC
φ
φ
22°
°
t/mt/m
2.94
20
1.56
20.9
―
―
0.00
21.6

―

―

1.900

1.900

―

―

0.00

30.0

―
―
―

―
―
―

2.000
1.671
2.300

2.000
1.855
2.300

―
―
―

―
―
―

0.00
0.48
9.80

35.0
18.5
38.0

：設計値を採用：施工時の試験結果を採用：調査・試験値を採用：文献値を採用

ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke
-093-

透水係数
静的解析物性値
静的弾性 変形係数非線形パラメータ ポアソン比非線形パラメータ
設計値
設定値
係数EskknＫ
Ｒｆ
ν
ＧＦＤ
2cm/s
cm/s
kN/m
-7-7―
110 0.849 0.941 －0.45 0.08 10.00
1.49×10
2.98×10-4――338 0.179 0.954 －0.32 0.27 13.82
1.19×10-3-3
8.90×108.90×10―8500.3700.490－0.32 0.27 13.82
001.80×10
1.80×10-2-2―
850 0.370 0.490 －0.32 0.27 13.82
1.30×101.30×10――
140 0.948 0.891 －0.32 0.27 13.82
1.79×10-6―－－－
0.30－－－
5.00×10-4 9.3×105

表-4 地震応答解析パラメータ
動的解析パラメータ一覧表
料

せん断強度
C
φ°t/m 2①

不透水性ゾーン

1.931

1.987

1.56

20.9

②

ロックゾーン
インターセプター
フィルタ―
ドレーン
捨土盛土
基礎地盤（泥岩・砂岩）

1.943

2.002

0.00

21.6

1.900

1.900

0.00

30.0

2.000
1.671
2.300

2.000
1.855
2.300

0.00
0.48
9.80

35.0
18.5
38.0

③④⑤⑥①線形パラメータ
せん断弾性係数
GkN/m2動ポアソン比νｄ

減衰定数h

PS検層調査値から求めた近似式より算出

岡本式を用いてVsを算出
し、このVsを用いて（γ/g)
2×Vs より算出

澤田式より算出

1.86×1060.37②双曲線モデルG/G0-γ、h-γ
双曲線モデル（H-Dモデル)

γｒhmax(％)

双曲線モデル

0.079620.22

双曲線モデル

0.0658

14.96

ロックゾーンの双曲線モデル

ロックゾーンの値を使用

1.030

0.9
25

0.8
0.7

200.6

不透水ゾーン

0.5

ロックゾーン

0.4

捨土盛土

15
10

0.3
0.2

双曲線モデル

0.05：設計値を採用：施工時の試験結果を採用：調査・試験値を採用：文献値を採用

0.0616-21.18-減衰定数h材G/G0番号

単位体積重量
湿潤密度 飽和重量t/m3t/m3

50.10.001.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01

せん断ひずみγb)解析パラメータ
耐震性能照査に関する解析パラメータは、「国営造成農業用ダム耐震性能照査マニュアル」に基づき、初期応力解析、地震応答解析パラメータを設定した（表-3、表-4）。
羽幌ダムの解析パラメータは、施工時や供用期間中の試験値を主に用いることとし、それらの値がないものについては、設計値や文献からの一般値を使用することとした。

最大加速度は、ダム基礎部で396.3galであるのに対して、天端中央では1118.8galであり、約2.8倍の応答倍率である（図-11）。
(gal)

1118.8gal
上流468.4gal

下流396.3gal

図-11 最大加速度分布図（内陸活断層型）

b) プレート境界型地震
プレート境界型地震を入力波とした場合の解析の結果、(4)初期応力解析結果
最大加速度は、ダム基礎部で110.3galであるのに対して、非線形弾性モデルによる築堤解析を行い盛立完了後の天端中央では566.9galであり、約5.1倍の応答倍率であ堤体応力状態を再現し、堤体上流面に貯水圧を作用させる（図-12）。
試験湛水時の応力状態を再現するとともに、飽和・不飽和浸透流解析を実施した。築堤解析の結果、最大鉛直変位は0.33mであり、浸透流解析により求めた満水時の堤(gal)566.9gal
体内水頭分布は、深度方向に連続的な変化を示しており、242.9gal
下流
上流
流線も全体的に滑らかであった（図-9、図-10）。
110.3gal
築堤解析及び湛水解析結果から得られた盛立完了後及
図-12 最大加速度分布図（プレート境界型）
び満水時の応力分布については、特異な応力分布は認められなかった。
(6)すべり変形解析結果
すべり変形解析は、ニューマーク法、渡部・馬場法に(m)より、内陸活断層型及びプレート境界型それぞれの地震-0.326m
下流動についてのすべり破壊について、安定計算を行った。
上流a)内陸活断層型地震
すべり安定解析結果は、最小すべり安全率1.0未満と図-9 築堤解析結果（鉛直変異分布図）
なる円弧はあるが、沈下量はいずれのケースにおいても許容値1.0m未満（最大沈下量は、上流側法面で0.697m、下流側法面で0.179m）であった（図-13）。
FWL.144.20m
上流

飽和(m)

下流

図-10 浸透流解析結果（圧力水頭分布図）(5) レベル２地震応答解析結果a)内陸活断層型地震
内陸活断層型地震を入力波とした場合の解析の結果、
ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke-094-

図-13 最大沈下量を示す円弧(内陸活断層型)

b)プレート境界型地震
すべり安定解析結果は、最小すべり安全率1.0未満となる円弧はあるが、沈下量はいずれのケースにおいても許容値1.0m未満（最大沈下量は、上流側法面で0.092m、下流側法面で0.006m）であった（図-14）。

すべり土塊の鉛直変位量（沈下量）は、許容値内である。
また、水位低下設備によって常時満水位から最低水位まで速やかに水位を低下することが可能であり、浸透破壊を引き起こす可能性はないと評価した。

6. おわりに

図-14 最大沈下量を示す円弧(プレート境界型)(7)耐震性能照査結果
地震応答解析及びすべり変形解析の結果から、レベル２地震発生時には、内陸活断層型地震及びプレート境界型地震で最小すべり安全率を下回る円弧はあるものの、本報告では、羽幌ダムにおける耐震性能照査の検討結果を報告した。
本検討と併せて、ダムサイトの地質、堤体の設計、基礎掘削、基礎処理工、堤体盛立品質管理等の設計・施工内容の確認及び堤体の表面変位、浸透量の観測結果を確認した。さらに、洪水吐、貯水池内や堤体周辺法面・斜面の目視確認等健全性の確認を行い、羽幌ダムが安定した状態にあることを確認するとともに、今後の管理における留意事項を抽出整理し、適切に施設管理者へ引き継ぐこととした。
最後に本報告をまとめるにあたり、ご助言等をいただ
いた関係各位に対し、深く感謝を申し上げる。

ICHIKAWA Etsuya, KAMADA Takio, TAKASAKI Daisuke-095-