フラップ式陸閘の技術的課題と対応

1.はじめに
撫養港の海岸部では、津波や高潮から背後を守るため陸閘の整備が計画されている．東日本大慶災では，陸閘を閉鎖しようとしている際に津波によって命を落とすケースが発生した．そのため，大型の陸閘については閉鎖を無人・無動力化することが求められている.フラップ式陸閘は津波・高潮来襲時に浮体を用いて陸閘を稼動させる防潮堤構造で，港湾・海岸分野では新しい形式（可動式）である。本構造の扉体は交通荷重に耐える強度を有する必要があるが，一方で浮力を稼ぐために軽量化を図る必要がある。このように，浮力と重量のバランス調整や稼働部材の検討などについての技術的な経験は皆無に等しい。しかし、陸間は防潮施設として社会的役割が大きいため、仮に役割を果たせなかった場合は背後地域に対して致命的な負の影標を及ぼす.こういった背景から，新しい形式の構造物は詳細設計レベルの試設計を実施してはじめて課題が明確になり，その対応方針の検討が可能になると考えた.本稿では検討方針の立案と試設計を踏まえて抽出した課題とその解決方針について報告する.
2.フラップ式陸閘の概要
フラップ式陸閘の構造イメージを図−1に示す．通常時は重力によって扉体が倒伏している状態で，扉体の上を車両等が通行することができる．大雨等による若干の浸水時は扉体が起立すると車両等の通行に支障をきたすため，適切な排水設備を設けることで不必要時の起立を防止する.津波・高潮来襲時は扉体に作用する浮力および水圧を利用して陸閘を閉鎖させることで背後地を防護する.主要部材は扉体と底部戸当たり支承部，基礎工，テ

3. 現地状況
撫養港海岸では，７箇所の陸閘について自動化を検討している.当該地域で検討している陸閘で最大のものは計画幅8.00m,計画高さ2.51mである。各陸間は前面岸壁から背後地域へ貨物を運搬する目的で,荷役機械が頻繁に横断している。荷役機械は大型トラックをはじめ、フォークリフトやホイールローダーなどである.そのため,陸閘は繰り返し荷重が作用する状況下で要求される閉鎖・止水性能を満足する必要がある.また,運搬する貨物は背後の利用者により種類が異なる．当該地域で特徴的な貨物は，業務用塩およびホイールローダーで運搬される土砂である.業務用塩はフレキシプルコンテナバッグおよび貨物用のパレットを用いて運搬しているため塩が運搬中にこぼれる可能性は少ない(図−2)．しかし，土砂についてはバラ荷で運搬されているため，運搬中に荷役機械からこぼれ，運搬作業で生じる活荷重により土砂が締め固まってしまう(図−3).そのため,当該箇所でフラップ式陸閘を採用するためには砂の除去といった通常時の維持管理に配慮する必要がある。また，土砂が堆積している状況下でもフラップ式陸閘が閉鎖するかその適用性について検討する必要がある.
4.フラップ式陸閘の要求性能
フラップ式陸閘に必要とされる性能は，津波・高潮が発生した場合における背後地域の防護と,通常時における海岸の堤外地利用の両立である.前者については，陸閘の閉鎖状態であり，海岸整備事業における防護面での目的と合致しているため,要求性能はそれに従うことになる。ただし，地震発生時は倒伏状態で津波を防護するため起立する必要があるため,津波を発生させるレベル２地震動（海溝型）は使用性を満足する必要がある.後者については,陸閘の倒伏伏態での要求性能を立案する必要があり，また，倒伏伏態から閉鎖状態へ至る稼動状態についても考慮する必要がある.これらを踏まえ,各状態における性能規定を表−2に示す.なお,現段階では隣接する撫養港海岸の防潮堤整備基準に準じ,最大クラスの津波およびそれを発生させる地震動は考慮していない.

フラップ式陸閘の耐震性能
5.
フラップ式陸閘に求められる耐震性能は，レベル１地震動に対しては，損傷の程度が軽微であることであり，レベル２地震動（東南海・南海地震）に対しては,津波来襲時に陸閘を閉鎖できなければならない。かつ,閉鎖後に津波波力に対して安全である必要がある.ただし、レベル２地震動(中央構造線)に対しては、津波発生の可能性は無いことから人命の安全性が確保できればよいと考えられる．これらを踏まえ構造部材の照査基準を以下の通り設定した. (1)構造部材の耐力の照査基準（）レベル1地震動・レベル2地震動（東南海・南海地震)に対し、部材の応力が弾性限界以下. ②レベル２地震動(中央構造線)に対して、部材が降伏および座屈しないこと. (2)変形に対する照査基準①レベル1地震動・レベル2地震動(東南海・南海地震)に対して，傾斜角や不同沈下量が門扉の開閉可能な限界値以下であること。水平変位量および鉛直変位量は防潮堤の基準値以下であること. ②レベル２地震動(中央構造線)に対して，倒伏状態で，交通を妨げるような変形をしないこと.
6.構造諸元の設定と安定性照査の考え方
フラップ式陸閘は、閉鎖時（津波・高潮等の外力作用時),倒伏時(活荷重作用時),閉鎖動作時(津波来襲中)という状態が想定される.機能を確実に発揮させるためには，各状態における設計手法を検討する必要がある.フラップ式陸閘の設計手法は,全体の安定性や鉄筋コンクリート部材については港湾・海岸施設の類似事例を参考にするが、主要部材である扉体や可動構造についての設計手法は本検討において立案する必要がある.特に,津波浮遊物の作用や,確実な閉鎖を目的とした機構の維持管理について検討する必要がある.閉鎖時については，扉体が受ける津波・高潮の水圧や漂流物等の衝撃荷重が底部戸当たり支承部とテンションロッドを介して基礎構造に伝達するため、基礎構造の安定性（滑動，転倒など）は重力式または杭式構造物の設計の考え方を準用することができる.一方,浮体式防潮堤の主要部材である,屏体・支承部・テンションロッド等については、設計条件・構造条件・安定性の照査方法が「港湾の施設の技術上の基準・同解説」に明確な規定が無いため、照査方法を新たに立案した.立案するにあたっては「ダム・堰施設技術基準(案)」を参考に立案した．主要部材に対する設計条件・構造条件・安定性の照査方法の案を表−3に，構造諸元を表−4に示す.

7. 試設計
試設計を行うための基本条件を表−5に示す.今回は自動化を予定している陸閘７基のうち,最大寸法の陸閘を対象とし試設計を実施した. 港波の水位は，別途検討が行われた津波数値シミュレーションの結果を用いた.また,構造物の天端高はシミュレーション結果を基に防潮堤直近位置における最大津波水位に地震による地殻変動量および余裕高を考慮して設定した.今回は主要部材の材質をステンレス（SUS304）で検討を実施した.試設計を踏まえて作成した構造断面図(テンションロッド無しの場合）を図−4に示す.
試設計を実施した上で課題となったのは以下の通りである. ①今回は扉体を閉鎖（起立）させた状態で衝突荷重を検討したため、底部戸当り支承部への作用は小さいが，完全に起立しない状態では扉体の軸方向に荷重がかかるため，その荷重に対する扉体および底部戸当り部の照査が必要である. ②テンションロッドは荷重を分散させることが出来るため，全体重量を小さくすることが出来るが，テンションロッドを設けることによって，その損傷リスクが高まることから，総合的に評価しテンションロッドの有無を決定する必要がある. ③テンションロッドなしの場合は，構成部材の断面寸法が大きくなり、それに伴い必要とする浮力が大きくなるため，起立補助ウェイトの大きさが７ t程度になった. ④基礎が重力式の場合は，安定を確保するために基礎の部材箇面が大きくなり，狭隘な箇所では敷地面積内に収まるか十分に検討する必要がある. ⑤基礎が杭式の場合は隣接する重力式防潮堤との不同沈下が生じないか検討する必要がある. ⑥主要部材をステンレス(SUS304)で設計を行ったが、鋼材の特性、防食性、維持管理の容易さ等を踏まえて採用する材質の総合評価を実施する必要がある.
8.フラップ式陸閘の課題と解決方針の提案
防潮堤に要求させる性能は，津波・高潮に対する背後地の浸水防護であり，そのためには地震・津波・高潮に対して安定な構造としなければならない．また，フラップ式陸閘は倒伏時には車両等の通行があるため,通常時の確実な倒伏と活荷重等に対して安定性を確保する必要がある.これらを踏まえて考えられる技術的な課題を整理し，解決方針（案）を提案した. ◇技術的課題(1)津波・高潮作用に対する技術的課題①津波・高潮に対する閉鎖性能の確保②頻度の低い最大クラスの準波に対する閉鎖性能の確保③低水位の津波に対する止水性の確認④ 漂流物，堆積物に対する閉鎖性能の確保⑤漂流物を含む津波作用に対する構造耐力の確保(2)車両利用に対する技術的課題①繰り返し荷重に対する構造耐力の確保◇解決力針(1)津波・高潮作用に対する技術的課題は水理模型実験を実施する. (2)車両利用に対する技術的課題は実績の多い橋梁等の基準を準用し机上検討を実施する.前述した課題を解決するための水理模型実験について検討内容(案)について，表−6に示す.

9.おわりに
本稿ではフラップ式陸閘の試設計の結果より明らかとなった課題及び解決方針について報告したが,フラップ式陸閘の実用化に向けて水理模型実験を踏まえて詳細な検討を進めていく所存である.本稿は，国土交通省四国地方整備局高松港湾空港技術調査事務所発注の撫養港海岸陸上設置型浮体式防潮堤検討調査の成果の一部をまとめたものである.調査にあたっては，撫養港海岸陸上設置型浮体式防潮堤技術検討会(委員長:早稲田大学清宮教授)の各委員，四国地方整備局港湾空港部の関係者から貴重なご意見，ご指導をいただきました．ここに厚く御礼申し上げます. 1)国土交通省四国地方整備局高松港湾空港技術調査事務所:撫養港海岸陸上設置型浮体式功潮堤検討調査報告書,平成25年3月.