わが国のフィルダムは内部浸食による問題を抱えているものが少なくないが、最近の研究によるとこの内部浸食の原因がハイドロリックフラクチャリングつまり水理破砕であると推定される場合が多いことが分かってきた。しかし、その詳細なメカニズムは不明な点が多い。Penmanは長年にわたる観察により、遮水ゾーン中の水平土圧がその深さでの貯水圧より低ければ水理破砕が生じる危険性があると定性的に述べている。しかし、このことは、現場レベルでの実験では確かめられていない。また、水理破砕の危険性を推定する方法は提案されていない。そこで、本研究では以下の2点を目的とする。

　(1)水理破砕に関する定性的事実の現場実験による確認

　(2)水理破砕発生の推定法の提案とその有効性の確認

　これらの目的に対する方法として、軟弱な土にも適用できる実験装置を開発し、農業用フィルダムが造られる様な軟弱な現場を対象として実際に水理破砕を発生させた。また、水理破砕の定性的性質に基づき、対象としたダムで水理破砕の発生の可能性を推定するために、基礎及び堤体の土の力学的性質の測定を行い、亀裂発生の判断基準となる破壊強度・破壊ひずみを測定した。

　1.実験対象のダムの概要:本研究では新潟県の高含水比火山灰ロームからなる大谷内ダムを対象とした。基礎地盤に直径約10cmのオーガー孔を掘り、塩ビパイプの注入管を差し込み液体を加圧注入した。これにより、圧力と注入量の関係から水理破砕による亀裂が生じる破壊水圧、注入量がほぼ零になる水圧等を調べた。

　設置条件を考慮して図-1に示す位置で行った。

図-1 大谷内ダム横断面図

　2.実験装置の概要:今回開発した水理破砕装置(図-2)はN₂ガスにより加圧された注入液を注入管に送り、オーガー孔壁に水理破砕によるクラックを発生させるものである。水理破砕の確認はスタンドパイプ流量計の変化を観測することにより行った。クラックが生じたならばその間に多くの注入液が流れ、亀裂の生じる前よりも流量が増えると考えられるからである。

図-2 現場実験装置概要図

　3.実験結果:オーガー孔は深さが1.5,2.5,4,5.5mの4種類とし、各2〜3本づつ、計11本掘った。試験結果を注入水圧Pと注入流量Qの関係で表し深さ1.5mの場合を図-3に、他の深さも含めた共通の傾向を図-4に示す。

図-3 水圧と注入流量の関係(深さ1.5m)

図-4 水圧と注入流量の関係

　1回目の増圧過程ではある圧力P_B以上(図-4のB点)になると注入流量が急増し、C点に達した後に減圧するとA点に戻る。再び加圧を行った場合は、P_Bより低い圧力P_Aで流量は増加し、ほぼ1回目の減圧経路(A-C間)を往復する傾向が見られる。つまり、増圧過程のB点でオーガー孔に亀裂が生じ、その間を注入液が流れることにより流量が急増し、減圧により土圧と水圧が釣り合う点で亀裂が閉じると考えられる。土中では、微視的なダルシー流と亀裂の間の巨視的な流れが考えられるが、今回の実験では、流量の変化後では亀裂の間の流れが支配的になっていたと思われる。また、着色した注入液を用いた実験の結果、亀裂はオーガー孔の円周に対し直角方向に発達しその後複雑に分岐していた。このことにより今回用いた装置により水理破砕が発生したことが確認できた。

　土中の亀裂の発生を検討する上で、土の力学的特性を検討することは重要であるが、特に今までほとんど検討されていなかった伸びによる破壊を含めた強度特性の測定を行った。その結果、ダムの基礎部(不撹乱土)の圧縮強度は63〜72kPa、引張強度は14.7〜19.4kPa、堤体(撹乱土)の圧縮強度は36〜55kPa、引張強度は5.9〜7.6kPaであった。また、不撹乱土の圧縮破壊ひずみは1%弱、破壊伸びひずみは0.08〜0.16%であり、不撹乱土は撹乱土(圧縮破壊ひずみ＝15%以上、破壊伸びひずみ＝0.5%)に比べ破壊ひずみが小さく、同様なひずみが生じた場合、盛土より基礎で破壊が生じやすいことがわかった。さらに、基礎部は過圧密を受けており、破壊により明確なセン断面を示し、圧縮により水平方向に伸びの限界を越えたひずみを生じた場合、鉛直方向の亀裂の発生が考えられる。

　平成四年の試験湛水の際、貯水位がEL.653.5mを越えると漏水量が急増したが、これが土粒子間の微視的な流れによるものであるか否かを検討するために有限要素法による浸透解析を行った。対象とした範囲は法先ドレーンの施工されている区間100mとし、室内透水試験の結果、基礎に比べ盛土の透水係数がかなり小さく、試験湛水時の堤体中に浸透流が認められなかったことにより基礎のみに浸透流が生じているものとした。透水係数は試験の結果より2.0×10⁵cm/sとした。その結果、漏水量の実測値は1.67×10^-3m³/sであるの対し解析値は3.32×10^-5m³/sとなりダルシー流では漏水を説明することはできなかった。

　大谷内ダムでは試験湛水時に漏水量が急増したことより、築堤過程に基礎で生じた亀裂が水理破砕へと発達したものと推定された。そのため、漏水測定区間を含む範囲に対し有限要素法による築堤解析を行った。解析の条件は非線形弾性解析とし、必要な物性値は築提直後の過剰間隙圧が発生している状態を再現するために非圧密非排水試験を行い求めた。解析の結果、破壊が生じ始めると言われている偏差応力と最大圧縮強度の比が0.8を越える部分、伸びひずみが0.15%を越える部分、満水時の水圧が水平土圧を上回る部分を図-5に示す。三者の重なり合う範囲(図中央部太枠内)では、圧縮による破壊とともに水平方向に限界を越えた伸びが生じ、鉛直方向の亀裂が生じ、さらに土圧より高い水圧で水理破砕へと発達した可能性が考えられる。

図-5 水理破砕の可能性の高い範囲

　漏水の対策として、水理破砕の生じる可能性の高い部分に粘土によるブランケットを追加施工した。図-6に施工前後での漏水量を示す。施工前は貯水位がEL.653.5mを越えたところで漏水量が急増していたが施工後はある幅で変動するだけで貯水位の変化による急激な増加は見られなくなった。これにより、今回示した、土の力学的性質(特に限界伸びひずみ)を亀裂発生の判断基準とし、有限要素法により水理破砕発生の可能性を推定する方法の有効性が確かめられた。

図-6 漏水対策前後での漏水量の比較

　1.軟弱な地盤での現場水理破砕試験を可能にし、貯水圧が水平土圧を上回ると水理破砕の可能性があるという水理破砕の定性的性質を確認した。

　2.土の力学的性質を測定し、亀裂の発生推定する基準となる応力・ひずみを測定した。特に、火山灰ロームの様な軟弱な土に対し、引張試験を可能とした。

　3.土の力学的性質の測定結果と有限要素法による計算値の比較により水理破砕の発生する可能性の高い範囲を推定する方法を示した。

　4.基礎部での水理破砕の危険性を示し、新たな問題提起をした。