3 .2 ダ ム 上 流 締 切 に お け る 地 中 連 続 壁 に よ る 遮 水 効 果 の 検 討
研 究 年 度：令和 2 年度～令和 3 年度
研 究 分 野：台形 CSG ダムの設計に関する研究
調 査 研 究 名：砂礫を有する台形 CSG ダムの締切構築に関する研究
研 究 者：安田成夫、町屋政蔵、安藤駿平【要約】
札内川ダムは、ダムサイトに厚さ約 40m の河床砂礫が堆積している。当該ダムを重力式コンクリー
トダムとして建設を進めるにあたり、河床堆積物を掘削除去するとともに、仮締切として、遮水性確保の目的で仮締切堤の下に地中連続壁が計画された。地中連続壁は SMW(Soil Mixing Wall)工法により形成された。本報告では、連続地中壁設計の考え方、および連壁構築後の性能検証についてここに紹介する。
【キーワード】台形 CSG ダム，北海道胆振東部地震，3 次元解析，材料特性，耐震性能評価【背景・目的】② 浸潤面：掘削法面の安定計算にとって重要な要

地中連続壁の設計では、①力学的安定性の確保と素であるのと、遮水構造上流からの浸透量に大共に、②水理的安定性の確保（浸透流量の低減）が必要とされる。力学的安定性では、地中連続壁下流きく関わってくる。安定性の面から、可能な限り浸潤面を低下させること、浸透量を可能な限の掘削法面の安定性を検討することになる。掘削法り低下させる必要がある。

面の安定性は、法面内の浸潤面の形状が大きく関わることになるので、地中連続壁としてどのような構

このことから、掘削法肩から仮締切までの距離を100m と設定している。ただし、安定計算は、掘削造・工法を選択するかが重要となる。水理的安定性

法肩から仮締切までの距離を 50m、100m のケース

では地中連続壁を挟んで水位差が発生することにより、地中連続壁下流には、流速や動水勾配が発生すについて検討した。また、法面勾配は 1:2.0、1:2.5について計算を実施している。

ることになる。それらに対して掘削法面の安定性がこれら、予備計算では、ブランケットの有無、地確保されるかを検討することになる。これは、限界流速あるいは限界動水勾配に対して河床砂礫を構成中連続壁の有無について、円弧すべりで安定計算を実施している。

する土粒子の移動の可否を議論することになる。最

上記は、掘削法面の安定性を力学観点から検討し後に、掘削法面からの排水であるが、地中連続壁下流への浸透流の完全遮水は不可能であり、側方からているが、掘削法面が浸透流に対して構成粒子が流失しないか、あるいは大きな動水勾配によるパイピの浸透水も考えられ、掘削法面からの排水能力が実ングが発生しないか、水理的観点からも安定性を検行可能であるかを検討することになる。

討している。
そのため、掘削法面の安定計算の前に浸透流計算【令和 2 年度の研究内容】を実施している。

1.

仮締切堤の要求性能
札内川ダムでは、河床砂礫を約 40m 掘り下げて、ダム本体を施工することになるので、掘削法面の安2. 掘削法面の安定性
2.1 力学的安定性定性は重要な課題となっていた。そのため、上流仮締締切堤と掘削法面の平面的位置関係及び遮水構造

2.1.1 浸潤面の設定（基礎の遮水効果を踏まえた浸透流計算）が、掘削法面の安定性に関わることになる。

安定計算を実施する際に必要となる想定浸潤面を、掘削法面の安定性に関わる項目としては、以下を挙げている。

幾つかの遮水工法について検討し、選択した遮水工法について浸透流計算を実施している① 掘削勾配：勾配を緩くすることにより掘削量が数ある遮水工法のうち、イコス工法、SMW 工法増加するが、掘削量が最小限となる安定勾配を設定する。

及び無処理で浸透路長を長くとる方式について検討を行っている。

3-11

矢板工法：安価で完全止水が可能であるが、深さ約ということから岩盤部までの改良が可能ということ40m の砂礫層へ打ち込むのは不可能とした。

から検討の対象としている。

注入工法：ソレタンシュ、CCP、コラムジェット等があるが砂礫層に対して効果が期待できないとした

また、その他の工法として、施工速度が遅く高価であるが、完全止水が可能であり、その高い止水効（改良目標を設定し、それに対して後述する判定基果を期待して多用されているイコス工法（透水係数準をクリア―すれば可能性があったのではと考えられる。
）

は 10-6 オーダー）を検討の対象としている。
当ダムの仮締切は仮設備であり、永久構造物でな

地中連続壁：SMW 工法、MACH 工法、CMP 工法、いということから地震係数は 0.06 とした。また、法MEH 工法、イコス工法、BW 工法を挙げている
このうち、SMW 工法は一種の注入工法で壁体を面 の安全率は地震係数を通常の半分にしているということから、フィルダムの安全率 1.2 と同じにし形成する工法で、これまで（1990 年代頃）完全止水た。 更に、ダムサイトが V 字谷ということから、は困難（当時の施工会社の完成後の評価では、透水係数が 1.0×10-4 程度の遮水効果であった。当時の浸透水が中央に集まるので、これに対する補正を行っている。

施工会社への聞き取りによると、当初から SMW 壁

上記 3 工法のうち、イコス工法と無処理については透水係数が 10-5 オ－ダ－を想定していたとのことである。これは都市部地下構造物の土留め＋止水壁

は、特に考慮する条件の違いはないが、SMW 工法
については、着岩部 0.30m の空隙を残した場合と岩に H 型鋼を挿入した事例があり、その実績から透水盤まで改良した場合の浸透流計算を行っている）。
係数は 10-5 オ－ダ－としているとのことであった。
図-1 浸透流計算模式図
B

計算上の浸潤面は青線となるか、実際に緑線のようになる。そのため、二次元で計算された浸潤面は実際の浸潤面によりも浅くなる。

hrhho

図-2(1) 補正断面3-12図-2(2) 浸潤面の求め方
浸潤面は、V 字谷を流れる浸透水が中央の一番深い部分に集まろうとする。そのため中央の最深断面0で求めた 2 次元解析の結果は、実際より低い水位となる。すなわち、川の両岸斜面を流れる水は斜面にとなり、図-2(2)に示すように h0 を h1 とすると、へばりつくのではなく、河床に集まってくるのでそ実際の水深 h1’は次式から求めることができる。

れによる水深を求める必要があり、解析上斜面を下流方向に流れるとした全流量と、河床に集まって流1＝下する全流量は等しいとして、浸潤面の補正を実施

図-2(2)の断面 A-A で浸透水は中央の低い部分に集した。その手順を以下に示す。
全透水流量ΣQ が等しくなるように、補正断面をまると考えると、実際の水深は計算値よりも大きくなる。掘削法面部の実際の浸潤線は以下の式で与え以下のようにして求める。
補正断面を図-2(1)に示す。

られる。

１ ｈ２ ｈｒ･ｈ･ ν

より

2′＝ 1′

ν･ける平均流速（m/sec）である。
ｈ3 種類の遮水工法について、浸潤面が求まったので掘削法面の安定性が検討された。表-1 に示すように、無処理、SMW 工法（着岩、底部に 30cm の隙間）、イコス工法についてである。

、ν＝ より、ν＝Ki、

ｈ０＝

12.1.2 掘削法面の安定計算

ここで、ΣQ は全浸透量（m3/sec）、νは水深 h にお＝

22 ･ｈ＝＝・ 1

SMW 工法は、着岩している場合、安全率 1.2 を満足している。イコス工法は透水係数が 1.0×10-6ｈ=αｈ０･・ ･と SMW 工法よりも一桁遮水性が高くなっているのよりで、上流仮締切から法肩までの距離は SMW 工法と同じでも安全率が格段に大きい結果となった。

･・ ･ ・

図-2(1)に示す青線部分の面積を a と、ν’を青線部分の平均流速とすると、a＝（h0・B）／2、ν’＝ΣQ／a なので、･0・ 0
ここで、青線部分の平均流速ν’と水深 h0 における流速 0がほぼ等しいとすると、ν’≒ 0ならば

3-13

表-1 掘削法面の安全率 1.2 の場合
工法

安全率 1.2 となる締切の法肩からの距離

備 考
法肩からの距離を確保しても、法面の安定確保は困難。

無処理
SMW 工法(底部 30cm 隙間）

450m

転流工トンネル延長が長くなる。
骨材採取が遠くなる。

SMW 工法(着岩）

60m

－

イコス工法

40m

－

図-3 上流締切位置と安全率の関係
2.2 水理的安定性
ここでは、浸透水に対する掘削法面を構成する河2.2.2 限界動水勾配に関する検討
限界流速は、土粒子と流速の関係であったが、こ床砂礫のパイピングに対する抵抗性を検討している。 こでは浸透水圧と土柱重量との関係を確認することになる。水が静止状態にある場合、土粒子に作用する水圧は間隙圧のみであるが、流水状態にある時に2.2.1 限界流速に関する検討
ここでは、Justin の方法によって検討が実施されは、浸透水圧を受ける。浸透水圧がある限度以上にている。Justin は土粒子の径に対し、浸透流速の限界値を次のように求める。粒子は浸透流速がある限なると、粒子は浮遊状態になる。この現象をクイックサンド現象といい、パイピングに移行する危険性界値を超えると移動し、パイピングが発生するとし、がある。図-4 で 洗掘された箇所における浸透水圧

この限界値を限界流速と呼んでいる。計算は単純であり、土粒子の重量と土粒子断面が下から受ける流と土柱重量とのバランスを考える（一般的に、砂礫材料の水中重量は間隙比にもよるが、1.0kN/ 前後速のバランスが崩れる流速をもって、限界流速としであることから、限界動水勾配も 1.0 前後となる。
）。ている。まず、粒子径と限界流速の関係を Justinの式により求める。対象粒子径 0.05 ㎜の限界流速

限界動水勾配は、土柱の比重と間隙比で求められ、ここでは 0.94 となり妥当な結果である。計算によっ2.29cm/sec に対して、浸透流解析から求まる Darcyて求まる動水勾配 ic‘は、図-5 に示すように掘削法の平均流速から求まる実流速との比較で安定性を確認している。安全率は 100 としている。

面内における浸潤面で最大勾配となる箇所の値とした。この動水勾配が 1.0 を超えるようであれば、ボイリングが発生する。ここでの安全率は 3.0 を採用している。

3-14

図-4 クイックサンド現象

図-5 河床砂礫内浸潤面勾配
2.2.3 掘削法面からの浸透流量貯留されるわけであり、設置されるポンプの排水能浸透流量を計算する断面幅は、仮締切堤建設地点力の設定根拠となる。の河床幅としている。この浸透流量が掘削法面内に表-2 力学的安定及び水理的安定の検討結果一覧
ケース１

工 法１２
上部砂礫を矢板止
水
170m
350m

掘削法肩～締切中央
円 弧 安全率２３４

１２
SMW 工法(30cm 隙間)
170m
350m

１２
SMW 工法
(着岩)
60m
80m

１２
イコス工法
40m

110m

0.93

1.04

1.16

1.18

1.21

1.22

1.21

1.22

××××

○

○

○

○

す べり

評価

浸 透

ダルシ(cm/sec)
実流速(m/sec)
安全率

1.57×
10-4
0.05236.65×
10-5
0.02224.08×
10-4
0.13603.41×
10-4
0.11372.55×
10-5
0.00852.52×
10-50.00842.56×
10-50.0085

2.56×
10-50.0085

44103

1720269273

269

269

評価最急勾配安全率×0.35
2.7

○
0.24
3.9×0.22
4.3×0.16
5.9

○
0.14
4.1

○
0.23
6.7

○
0.094
10.0

○
0.024
39.2

評価
単位幅(m3/sec)
全量(m3/sec)
評価

×4.76×
10-4
2.86

○
3.19×
10-4
1.91

○
2.24×
10-4
1.31

○
2.17×
10-4
1.30

○
2.14×
10-4
1.28

○
1.41×
10-4
0.85

○
1.31×
10-4
0.79

○
1.31×
10-4
0.79

○

○

○

○

○

○

○

○

×××

×

○

○

○

○

流速

動 水
勾配
浸 透量

総合評価

3-15

【備 考】
MACH 工法：岩盤や転石層の掘削に最適とされて3.

いるダウンザホールハンマによる破砕方式に、リバースサーキュレーションによるカッティングス排出3.1 揚水試験による連続地中壁の遮水性
SMW 工法による地中連続壁完成後に、図-6 に示方式を取り入れた合理的な掘削工法。従来は困難とす上流仮締切にダム軸方向に 3 測線設定し、上下流されていた岩盤、崖錐、崩積土、転石、捨石層等での、大口径掘削を必要とする各種工事に適用するこ方向に観測井を設置した。SMW 施工前の揚水試験によるデータを基礎データとするとのことであるとができる。滞水層や水中での掘削、あるいは安定（ヒアリングによれば、厳密には施工前のデータで液の使用が可能。
CMP 工法：ソイルセメント柱列式地中連続壁 工法特許（通水性地中連続壁およびその構築方法）はない。何故なら地中連続壁完成前の No.1 、No.2の水位差が既に 3.0m となっている。施工前にこの3 測線の地下水位、原位置揚水試験を実施しておけ

MEH、MHL 工法：バケット式掘削工法、油圧または電動油圧開閉式バケットと、それを懸吊するベー

ば、地山周囲からの地下水の流入状況を評価できたと考えている。実際には堤体基礎掘削が開始されてスマシン部（クローラクレーン、専用台車）によっおり、進入路等の影響で観測井を設置できなかった。て構成される。特に MEH 機は、超厚壁大深度掘削機。

また、実際には上流仮締切より下流、ダム軸までの間に小さな沢などがあったため、U 字溝などを設置

BW 工法：回転垂直多軸式掘削工法、BW ドリルは、して、上流仮締切より上流に流したとのこと。
）。

地中連続壁完成後の検証専用櫓またはクローラクレーンで吊り下げられ、２台の水中モータで駆動する５個または７個の縦軸回転ビットで掘削。掘削土はサクションポンプによるリバース循環で排出される地中連続壁構築工法。

図-6 観測井の位置（3 測線設定されている。
）

3-16

SMSM
上

C
L 下

上C
L 下

影響範囲

204Q300
Q

θ=
θ=120

DD1205,00

5,00

施工前

施工後

図-7 浸透水の供給モデル(平面図)

図-8 揚水試験解析モデル
SMW 造成後の浸透量 Q2 とすると、札内川ダムでは、SMW 造成前後で、図-7,8 に示したように、揚水試験を実施している。

Q2＝204 ㍑/分となり、SMW からの浸透量 Qw は、Qw = Q2-Q1 = 204-200＝4 ㍑/分となり、SMW 造成前の揚水量： 300 ㍑/分
SMW 造成後の揚水量： 204 ㍑/分

SMW の平面において長さは 2093cm（半径 10m なので 2×10×π×120/360）なので、単位幅当たり0.03185cc/秒/cm の浸透量となる。

また、図-7 に示すように SMW の下流からの浸透量 Q1 とすると、SMW 造成前後の No.1,No.2 の水位差は、以下のとQ1=300×240°/360°＝200 ㍑/分

おりとなった。
SMW 造成前の水位差： 3.0m （不透水層からの水位 H:19.46m。ただし、No1. No.2 は至近距離な

3-17ので、そもそも水位差が発生するのかは疑問ではあSMW の厚さが、55cm なので、図-9 の一次元流をるものの、実際には EL.416m 地表面から-4.0m は、考慮して SMW の透水係数 k は、透水係数が高く、更には SMW 壁もかなり良くできているので、揚水後比較的短時間で水位差がついた

Qw = k/（2×55）
・（H2－h2）なので、・(22232 – 19462) より、0.0385 = k/（2×55）と考えている。この揚水試験は，ローカルな状況把

k = 1.8×10-6 cm/s となる。

握には適しているものの、マクロ的に全体の遮水性を把握するという観点からすると精度的に問題があ

ここで、実際の浸透量は掘削法面底部釜場でるかもしれない。しかし、河床部の掘削開始にあた

2.37cc/秒/cm なので、揚水量は局所的な値であるとって、何等かのよりどころが必要であったと理解している。
）

はいえ 0.3185cc/秒/cm であるので、二桁異なっている。釜場での浸透量がマクロ的に妥当とすると、遮水壁の透水係数 k=1.8×10-6cm/s となり、後述の浸SMW 造成後の水位差： 5.77m （不透水層から）の水位 h：22.23m。

透流計算から求めた遮水壁の透水係数と整合するものと考えられる。

図-9 締切堤内の一次元流（ここでは、この締切堤が地中連続壁となる）
3.2 浸透流解析との比較による連続地中壁の遮水表-3 透水係数及び上流側地下水位性河床部の掘削を開始した後、図-6 に示した観測井

名称

透水係数 （cm/秒）

砂礫層

1.0 × 10-1（C 測線）の水位を継続的に観測し、図-10 に示す

シルト混じり砂礫層

6.0 × 10-3

浸透流解析モデルによって求めた浸潤面、浸透量と実測によるそれらを比較することによって、不透水層

1.0 × 10-10

SMW 壁（解析結果に示す。
）

SMW の透水係数を確認した。

上流側地下水位El. 412.7m

解析モデルを図-11 に示す。実測記録を図-12 に示す。掘削法面からの湧水量(法尻で計測)は 2.2 /分であり、連続地中壁の延長を 154.7m とするとSMW の透水係数は表-4 のように設定した。
表-4 透水係数の設定

SMW 単 位 幅 当 た り 2.37cc/ 秒 /cm と な る 。

ケース

透水係数 （cm/秒）①1.0 × 10-5

②3.0 × 10-5

③5.0 × 10-5

④7.0 × 10-53-18

図-10 浸透流解析モデル

図-11 有限要素

図-12 観測井による連続地中壁下流の水位と湧水量

3-19

図-13 ケース①（1.0×10-5cm/s）
点鎖線：実測水位、破線：解析による水位図-14 ケース②（3.0×10-5 cm/s）
点鎖線：実測水位、破線：解析による水位図-15 ケース③（5.0×10-5 cm/s）
点鎖線：実測水位、破線：解析による水位図-16 ケース④（7.0×10-5 cm/s）
点鎖線：実測水位、破線：解析による水位

3-20

実測の水位(浸潤面)は、解析による水位(浸潤面)が築かれたが、完成後 1 年足らずで、堤高 18m のを比較すると、ケース③(5.0×10-5）、ケース④（7.0

取水ダムが洪水による土砂の流入で、一晩で埋まっ×10-5）は、再現性が良い。また、掘削の法面からの湧水量は表-5②示すとおりであり、湧水量も実測てしまったという逸話がある河川であり、鳥海ダムに比べて転石の径が大きいとのことである。
これは、が 2.37cc/秒/cm となっており、オーダー的にはケー工事担当者が実際に鳥海ダムのダムサイトを訪問しス④の値(1.686cc/秒/cm)が近しくなっている。
結果として、SMW の透水係数を 1.0×10-4 としてた際の印象である。
また、浸透流解析上、掘削法面に浸潤線が出現すも再現性は確保されるのではと考えられる。また、

るが実際はどうであったか、特に降雨があると浸潤揚水試験における検討においても場合によってはSMW の透水係数は 1.8×10-4 ということもあり、結論として札内川ダムにおける SMW の透水係数は線から浸透水が出てきて浸食の原因となる懸念がある。これも、当時の工事担当者によれば、実際に掘削法面に浸潤線が現れることはなく、砂礫内へ浸透1.0×10-4 として差し支えないのではないかと思われる。

水していた。ただし、法面に浸透水が現れて法面が浸食されないよう、蛇籠を浸透流解析上の法面に出現する浸潤線を覆うように設置したとのことであった。また、降雨時の法面浸食について留意する必要があるとのことであった。

表-5 法面からの湧水量
ケース

透水係数( cm /秒)

湧水量( cc/秒/cm)

①

1.0 ×

10-5

②3.0 ×10-5

1.28③5.0 × 10-5

1.506

【結果とりまとめ】
今回、厚い河床砂礫層を有するダムサイトにダム④

7.0 × 10-51.686を築造する際の遮水壁として自立連続壁を検討する

0.698

場合の考え方、その検証を含め札内川ダムで実施された検討をここで紹介した。浸透流解析を実施する

実測の浸透水量：2.37cc/秒/cm
4.

にあたり、何を評価指標とするのかによって構造・現場での対応

札内川ダムの河床砂礫掘削後の対応として，使用したポンプは吐出径 200mm，50Hz，出力 75ｋｗ

工法も少し幅広に選択肢が増えるとともに、安定性を確保しつつ費用低減にも大きく関わることが明ら

400V，全揚程 60m, 最大吐出量 4.5m3/分で，2 台かとなった。今後のこのような検討を実施予定のダ設置していた。降雨による浸透量の増加に備えて 15台用意していた。降雨がない日は、ポンプの汲み上ムにあっては、必ずや施工後の検証をすることによってさらなる知見が蓄積されるものと期待される。

げ量は 2.5tm3/分であった。237cc/秒/m の浸透量が釜場で記録されていたことから、地中連続壁の延長154.7m（大きめに見積もる）とすると，【謝辞】
本資料をまとめるにあたり、札内川ダム管理所か

237×60×154.7＝2199834cc/分＝2.1m３/分

ら工事誌使用の承諾を得るとともに、株式会社安藤となり、ポンプの実際の汲み上げ量に相当する。
地中連続壁の前後の観測井は、実際は施工途中にハザマから資料の提供を受けました。ここに謝意を表します。

設置したのであって、施工前の地下水位を計測しているわけではない．地中連続壁施工前の状態を計測しておけば、地中連続壁の効果を適切に評価することができた可能性が高い。

【参考文献】
1) 国土交通省北海道開発局帯広開発建設部；札内川ダム工事誌、平成 13 年 12 月

当時の工事担当者からのヒアリングによれば、札内川ダムは、源流の札内岳（1900m 峰）からわずか

2) 間・地崎・三井共同企業体，平成 2 年度 札内川ダム建設事業の内札内川ダム堤体建設
工事報告書，平成 2 年 3 月

14km の地点に建設され、更にはアイヌ語でサチナ
イ、乾いた川の意味で、普段の河流は伏流水となっている。しかし、いざ洪水となると暴れ川となる急流河川であった。今では「ぴょうたんの滝」となって村民に親しまれている箇所には、過去には発電所

3-21