コ−４

積雪寒冷地における老朽化頭首工の劣化の傾向と表面温度

寒地土木研究所

水利基盤チーム

○横木淳一

小野寺康浩
本局農業水産部

農業水利課

草薙

忍

まえがき
北 海 道 内 に 築 造 さ れ て い る 頭 首 工 に は 、 建 設 か ら 数 10 年 を 経 過 し 老 朽 化 が 顕 在 化 しているものが多くある。本道の頭首工では、老朽化を進行させる大きな要因として、寒冷地特有の凍結融解の繰返し作用に加え、温暖な都府県ではあまりみられない雪氷形成に伴う特殊な現象も作用していることがある。さらに、施設本体に作用する大きな温度変化も劣化の要因となる。
老朽化が進行している道内の水利施設（ここでは主にコンクリート構造物）を補修
す る 場 合 、 積 雪 寒 冷 地 域 に 特 有 の 過 酷 な 気 象 環 境 に 配 慮 す る と と も に １ ）、 積 雪 寒 冷 地の土木技術を各種応用し、設計、施工の両面からの技術的な検討をすることが重要である。
本論では、積雪寒冷地における老朽化頭首工の補修技術開発の一環として、寒冷環境下で長年供用されてきた頭首工にみられる劣化の傾向や、頭首工の表面部に生じる温度変動の観測結果などを述べる。

１．調査・観測の概要
頭 首 工 は 、 取 水 堰 （ 固 定 堰 、 可 動 堰 等 ）、 取 入 れ 口 （ ゲ ー ト 等 ）、 付 帯 施 設 、 管 理
施 設 か ら 構 成 さ れ て い る ２ ）。 使 用 さ れ て い る 材 料 は 、 コ ン ク リ ー ト 、 鋼 材 等 の 金 属 、ゴム系材料に区分できる。本論では、主に取水堰のコンクリートを対象とする。

1-1 道 内 の 老 朽 化 頭 首 工 に お け る 経 年 劣 化 観 察 の 視 点
頭首工では、磨耗や河川中の流木・石礫による損傷劣化が生じる。これらの一般的劣化に加えて北海道内の頭首工では凍害や結氷による劣化・損傷が生じる。さらに一般的劣化部に凍害や結氷が作用することで劣化が促進される場合がある。
これらの状況を考えると、道内の老朽化頭首工の機能診断を行う際には、積雪寒冷地特有の劣化現象も考慮する必要があると考えられる。この点は、道内で供用されている老朽化頭首工の機能診断、補修・改修の設計、施工ばかりでなく、まだ老朽化していない頭首工の予防保全対策を考えるうえでも重要である。現状では積雪寒冷地の老 朽 化 頭 首 工 の 補 修 技 術 の 細 部 検 討 を 行 う 場 合 に 、 既 往 の 診 断 ・ 補 修 等 の 手 引 き ３）だ
けでは対応できない場合があるため、著者らは積雪寒冷地の頭首工を対象にした機能診断手法と、補修工法の選定フローが必要であると考えている。

Junichi Yokoki, Yasuhiro Onodera, Shinobu Kusanagi

1-2 頭 首 工 コ ン ク リ ー ト 部 の 表 面 温 度 観 測
寒冷地の老朽化頭首工に対する各種補修技術の適用性を評価するためには、まず頭首工がさらされる温度環境を計測する必要がある。
そのため頭首工のコンクリート表面温度を調査することとした。ただし、コンクリートの表面温度は、その部位の向いている方向による日射量の違いによって異なる。また、同一

写真－１ 堰柱床版南面の温度センサー面であっても近傍の地形条件によっては日陰になりやすい部分が生じて日射を受ける時間の長短による表面温度の差も生じる。それ ゆ え 、 こ れ ら の 条 件 を 考 慮 し て 多 数 の 点 で 計 測 中 で あ る 。 温 度 計 測 は 2006年 8月 31日から開始した。
観測の対象が供用中の水利施設であるため、維持管理作業等の支障にならないように 、 小 型 軽 量 の デ ー タ ロ ガ ー に 接 続 し た 温 度 セ ン サ ー の 受 感 部 （ 長 さ 10mm） を 被 覆 固定する手法（写真－１）を採った。この温度観測システムは、観測中も終了後にも構造物に一切の損傷を与えない。また、ロガーを用いた直接観測の他に現地調査時のみの放射温度計による測定も行った。

２．劣化の傾向と補修工法についての考察
現場の観察では気中にある部位と水中にある部位とで劣化の様子が異なっていた。
それゆえ補修工法の選択においては水中・気中の条件の違いを考慮する必要がある。
そこで本章では、気中部と水中部に分けて劣化を考察する。

2-1 気 中 部 の 劣 化
頭首工のコンクリート上面に雪が積もった場合、その雪は外気温、日射の変化に応じて融解と凍結を繰り返す。このような凍結融解作用は道内の多くの頭首工で初冬と融雪期にみられる。
写真－２は、床版の積雪が融雪した後に凍結し、天端コンリート面が氷で覆われている状況である。コンクリート上面にゲート開閉のための機械類などがある場合、積雪や日射が不均一になる。このとき積雪が少ない部分ではコンクリートが外気温の影響を受けやすくなり、また日陰となる部分では温度上昇が小さくなるため、機械類がない場合と比べて劣化の進行に差が生じることがある。天端の劣化を防ぐうえで、写真－２のような滞留水を生じないようにすることが重要である。しかし、滞留水が排除される構造であっても積雪が残れば下

写真－２

結氷被覆された天端コンクリート（青枠内は氷層の一部を壊しコンクリート面を露出させたもの）

の コ ン ク リ ー ト は 湿 潤 条 件 に な り や す い 。そ れ ゆ え 天 端 の 補 修 工 法 を 検 討 す る 場 合 は 、
当該老朽化頭首工における水分供給環境を考慮して、凍結融解試験等（条件等によって気中試験と水中試験を使い分ける）を行い、補修工法を相対評価することが必要であると考えられる。
写真－３は、付帯施設の鉛直面の一部にみられた凍害ひびわれと角部の一部が欠損している
状 況 で あ る 。堰 柱 な ど の マ ス コ ン ク リ ー ト で も 、天端側に凍害によるひびわれが進行していることがある。構造物の側面気中部に補修材を塗覆

写真－３

鉛直面の角・辺部の凍害の状況

写真－４

積雪期の堰体の状況する場合や、断面修復後に表面被覆を行う場合には、温冷の繰返しに対し耐久性の高いものを選択することが必要である。温冷の繰返し試験を 行 う 際 に は 、旧 体 ＋ 補 修 材（ 下 地 処 理 を 含 む ）、旧体＋断面修復材＋補修材（同上）の供試体を用いて、適性を評価する方法が考えられる。

2-2 水 中 部 の 劣 化①固定堰
固定堰の堰体やエプロンは、常時、流水と河床砂礫の移動により表面部が磨耗される環境下にある。さらにこのような磨耗は、一般のコンクリート構造物と異なり、コンクリート中のモルタル部分で選択的に生じる特徴もある。
写真－４は、冬期の固定堰の状況である。この写真では越流は生じていないが、越流の有無やクレスト部の結氷状況は時期により異なる。堰体の上流側とエプロン側には氷板が形成されており、その上には積雪がある。氷板の上の積雪は、日射と外気温によって一旦は融解するが、外気温が低い時間帯に結氷して徐々に氷板の厚さを増していく。堰体上流側の氷板によって堰体は水平方向・鉛直方向の力を受ける。それゆえ、堰体表面の補修工法を検討する場合には、氷圧に対する耐久性を加味しなければならない場合もある。
冬から春先に、固定堰が気中に露出している場
合は、外気温の変化が作用するので、水中にあった時と比べて頻繁な凍結融解作用を受ける。
堰 頂 付 近 に は 、摩 耗 と 凍 結 融 解 の 繰 返 し の 結 果 、粗骨材が洗い流されて凹部（ポップアウト）が形
成 さ れ る こ と が あ る （ 写 真 － ５ ）。 堰 体 の 補 修 工法を検討する際には、構造回復のための断面修復工に加え、頂面付近には表面保護的な補修材の適用も必要であると考えられる。

写真－５

堰頂付近の劣化凹部に溜まった融雪水の結氷（上から撮影）

なお、老朽化した頭首工の固定堰等の補修にあたっては、表面部での反発硬度（強度）やひびわれ等の観察だけでは劣化深度を把握できないため、コア採取により深度方向の劣化を把握して、断面修復だけを行うか、あるいは、断面修復に加えて補修材に よ る 表 面 保 護 を 行 う か と い っ た 細 部 を 検 討 す る 必 要 が あ る も の と 考 え ら れ る 。ま た 、頭首工の水中部は、補修後にも磨耗が再開し、条件によっては凍結融解作用も加わるため、これらの要因に対して耐久性の高い補修工法を適用しなければならない。
②護床工
護床工の護床ブロックでは夏期の磨耗・損傷と冬期の凍結融解・結氷が複合的に作用して劣化を促進する。夏期には石礫・流木等の衝撃で部材の一部が欠損することがある。また、冬期にはすでに損傷を受けて脆弱になった部分に結氷し劣化が促進される。写真－６は、ブロック頂部付近を中心に氷塊が形成されている状況である。これより水位が低い場合には、ブロック

写真－６

側面に氷塊が形成され凍結融解の繰り返しを受氷着がみられる護床ブロック

ける。護床工は河床部の洗掘を防ぐ重要な部分でもあるため、多くの場合は補修よりも改修が必要となる場合が考えられる。
③導流壁
写真－７から写真－１

写真－７ 導流壁側面の喫水部に形成された着氷

０は、冬期の導流壁の状
写真－８況である。外気温が氷点下となる時間が長い時期

導流壁側面
喫水部の着氷（上から撮影）には写真－７と写真－８のように喫水部に着氷し、導流壁の比較的広い部分が氷膜で覆われ、気温の上昇とともに氷膜の融解が進む（写真－９、
写 真 － １ ０ ）。 こ の よ うに着氷と融解が繰り返される部分は、夏期の高水時に石礫や土砂によって写 真 － 10

磨耗・損傷を受けやすい。つまり摩耗によって

写真－９

融氷時の壁喫水部

融氷後の導流壁表面部が浸食された箇所が、凍結融解の繰返し、ときには結氷中の水位変動によるずりを受けるため、劣化が進行しやすい部位である。
こ の よ う な 劣 化 現 象 は 、堰 柱 や 護 岸 擁 壁 等 の 喫 水 部 で も 同 様 に 起 き る 現 象 で あ る が 、とくに導流壁のような部材断面の薄いものの補修では、劣化深によっては構造面についての注意が必要であり、修復深度、修復後の再劣化を十分考慮する必要がある。
とくに、寒冷地の頭首工の場合、南、西、東の方位面を含むような喫水部は、摩耗に よ る 表 面 の モ ル タ ル 部 分 の す り へ り や 、骨 材 の 剥 離 に 加 え 、凍 結 融 解 等 を 受 け す い 。
④護岸擁壁
護岸擁壁には、背後の地山側からの浸透水を排除するための水抜き孔が設けられている場合もある。水抜き孔の下方側は、主に融雪期に凍結融解作用を受けるので、補修工法の設計の際には配慮が必要である。また、老朽化頭首工の擁壁で、背面土の凍上力によって壁体が変位している箇所や、洪水等で壁背面側の一部が洗掘しているよ
うな場所については、表面被覆的な補修のみでは対応できないため、抜本的な対策が必 要 と な る １ ）。
45

３．コンクリート表面の温度変化

気温西面

図－１は、秋期の老朽コンクリート
面の気中部における表面温度と外気温

温 度

3-1 方 位 の 違 い に よ る 温 度 変 化

(℃)

35

南面
北面

25

天端

15の 測 定 結 果 の 一 例 で あ る 。 9月 12日 は 、び 西 面 が 40℃ 付 近 ま で 上 昇 し て い る のに対し、北面は気温と同程度までしか

9/12

6:00

1:00

20:00

15:00

9/11

10:00

方位別に見てみると、南面、天端およ

5:00

ンクリートの表面温度も上昇している。

0:00

19:00

514:00

午 前 10時 頃 か ら 気 温 の 上 昇 と と も に コ

9/13

日 時

図－１

秋のコンクリート表面温度と外気温の変化

上昇していない。東面は頭首工の立地条件で日陰になることが多かったため図30には値を示さなかった。

20化を図－２に示す。この図でも図－１と同様に、南面で温度変化が大きいのに対し、北面では気温と同程度の表面温度であ る 。 気 温 が － 10℃ ま で 低 下 し た 日 で も南 面 で は 表 面 温 度 が 20℃ 程 度 ま で 上 昇 して い る 。 ま た 、 12月 9日 の よ う に 比 較 的
低温で日射が少ない日でも南面では０℃以上に上昇しているのがわかる。このこ

東面

10南面

0北面

-10-20
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0:00
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12:00

中部における表面温度と外気温の温度変

温 度 （℃）

12月 の １ 週 間 の 東 面 、 南 面 、 北 面 の 気

気温12/6 12/7 12/8 12/9 12/10 12/11 12/12日 時

図－２

初冬のコンクリート表面温度と外気温の変化

とは、冬期に気温が終日０℃以下のような条件下であっても、南面のような温度の上昇しやすい壁面については凍結融解作用が起こりえることを示唆している。

3-2

同一鉛直面内の温度分布

夏期から秋期の温暖な時期の放射温度計による表面温度の計測では、堰柱や門柱の同一面内の表面温度は、高い位置ほど高温を示す傾向がみられた。とくに南や西に向いた面で位置の高低による温度較差が大きかった。このような温度較差が生じる原因は今のところ不明である。

3-3 周 辺 の 地 形 と 温 度 変 化
現地調査を行った頭首工では北面に比べて南面で劣化が進んでいる例が多かった。
これは後者の方が一日の温度変化が大きいため、冬期間の凍結融解回数が多くなるためであると推察される。このことから考えると、周辺の地形条件により日射時間に違いがある場合、それが長いほど頭首工の劣化が進む可能性があると考えられる。

４．積雪寒冷地の老朽化頭首工の補修工法の選定にむけて4-1 寒 冷 地 で の 耐 久 性 に 関 す る 試 験
補修材（下地処理を含む）や、断面修復＋補修材の寒冷地での耐久性を評価する際には、現在のところ、凍結融解試験、乾湿繰返し試験などの劣化促進試験の実施が望ましいと考えられる。その際、２章で述べたように頭首工の各部位で劣化要因が異なるから、水中試験、気中試験に加え、喫水部を想定した条件を与えることも必要であると考えられる。これらの試験は、温度条件や水分条件を繰り返し与えるものであるが、各試験の温度環境は現地で頭首工が受けている条件と異なる。それゆえあくまでも相対評価を行うための試験である。室内試験では補修材や断面修復材＋補修材の材料としての耐久性を相対評価できるが、老朽コンクリート面や断面修復面に施工された場合の総合的な耐久性は評価できない。実験での総合的な耐久性については別途吟味することが重要である。
また、本道における気温の年較差や夏期・冬期それぞれの日較差を考慮すると、コンクリートや断面修復部と熱伝導や熱膨張が大きく異なる補修材については、事前に何らかの劣化促進試験を行う必要があると考えられる。たとえば、実際に厳しい冬を経験した部材に対し、補修時に行われる下地処理を行ったものを用いた試験研究によって、積雪寒冷地での適応性を検討しておくことが有効であろう。なお、劣化促進試
験は補修材や補修工法の相対評価に有効であるが、現時点では、実際に現地で施工された後の耐用期間や、個別環境条件下における耐久性の推定は困難である。北海道内
における冬期の日射条件・大きな気温の年較差さらには施設の部位によって多様な水分 条 件 を 反 映 さ せ ら れ る 試 験 方 法 は 確 立 さ れ て お ら ず 、そ の 開 発 が 今 後 の 課 題 で あ る 。

4-2 積 雪 寒 冷 地 の 特 殊 外 力 等 へ の 配 慮「 寒 地 フ ル ー ム 水 路 設 計 施 工 要 領 ４ ）」 で は 都 府 県 で 通 常 は 考 慮 さ れ な い 寒 冷 地 特 殊
荷 重 を 設 定 し て い る 。 ま た 、 頭 首 工 の 設 計 基 準 ２）で は 、 固 定 堰 等 に つ い て 、 寒 冷 地 では条件により氷圧を考慮することとされている。上記の寒冷地特殊荷重は、新設時の構造設計の際の外力として見込まれるものである。
積雪寒冷地に築造された老朽化頭首工の今後の補修工法における設計や評価の際には、氷や雪の影響、凍結および凍結融解に対する抵抗性、さらに積雪寒冷地の河川で起きる現象等も考慮することが必要であると考えられる。積雪寒冷地の農業水利施設に作用する特徴的な外力や現象については、文献１）を参照されたい。なお、老朽化頭首工の機能診断の際には、長年の供用中に発生した劣化部位の形態や原因、損傷や変状の程度を観察・記録する。補修後に再劣化が生じた場合の原因推定のためにも役立つので、その際には詳細な観察記録を残すことが重要である。

あとがき
道内の老朽化頭首工は、都府県ではみられないほどの積雪寒冷条件にさらされ長年の供用を経てきている。また、補修後も同様の過酷な気象条件のもとで供用される。
頭 首 工 は 、農 業 水 利 施 設 の 中 で も 、基 幹 的 な 役 割 を も つ 重 要 構 造 物 の ひ と つ で あ る 。
北 海 道 の 基 幹 的 農 業 水 利 施 設 の ス ト ッ ク は 、 平 成 15年 時 点 に お い て 頭 首 工 は 215箇 所に の ぼ り 、 そ の う ち 約 5 5 ％ は 昭 和 5 0 年 以 前 に 完 成 し て い る ５ ）。 農 業 水 利 施 設 の ス ッ ト
クマネジメントを円滑に進めていくためには、維持管理していくべき頭首工のストッ
ク量とそれらの劣化の進行を常に把握しながら、最適な工法で適期に補修を行うことが重要である。
今後も、水利基盤チームでは、積雪寒冷地における農業水利施設の劣化と原因等について検討をすすめる予定である。
謝辞：本研究をすすめるにあたり、本局農業水産部農業水利課をはじめ、関係開発建設部の担当課所に、調査対象の老朽化頭首工の施工時の資料の収集や現地調査等において多大なるご支援を頂戴している。また、頭首工の原位置温度観測では関係土地改良区等のご協力を得ている。末筆ながら、関係者の皆様に対して謝意を表します。

参考文献１ ） 秀 島 好 昭 ： 水 利 施 設 の 設 計 ・ 維 持 ・ 改 修 に お け る 寒 冷 地 対 策 、 農 業 土 木 学 会 誌 、 70号 、4、 pp.15～ 18.（ 2002）
２ ） 農 水 省 構 造 改 善 局 ： 土 地 改 良 事 業 計 画 設 計 基 準 設 計 「 頭 首 工 」、 農 業 土 木 学 会 （ 1995）
３）例えば、農水省農業振興局：農業水利施設のコンクリート構造物診断・補修の手引き(案 )（ 2005）
４）北海道開発局農業水産部農業設計課：寒地フルーム水路設計施工要領、北海道土地改良
設 計 技 術 協 会 （ 1998 ）、５ ）黒 崎 宏 ・ 広 部 圭 一 ： 北 海 道 の 農 業 農 村 整 備 の 状 況 、農 業 土 木 学 会 誌 、72号 、6 、pp.3～ 8.
（ 2004）