JP5173782B2 - 地下水流動保全工法 - Google Patents

Description

本発明は、構築した土留め壁で遮断される地下水を土留め壁に設けた井戸構造で集水及び／又は涵養して地下水の流動を確保する地下水流動保全工法に関する。

従来、例えば、図８に示すように地下鉄や地下道路等の地下構造物１を構築する際に、構築予定位置の両側に地中連続壁などからなる土留め壁２を構築し、その間を掘削して地下構造物１を構築する、いわゆる開削工法が多用されている。

一方、土留め壁２によって帯水層３の地下水流Ｔ（地下水の流動）が遮断され、土留め壁２の上流側では地下水位が上昇し、下流側では地下水位が低下して、井戸枯れや地盤沈下、あるいは生態系の変化や地下水の汚染などの被害を発生させることがある。

これに対し、図８及び図９に示すように、土留め壁２に井戸構造を有する装置を設置したり、アブレシブジェットを用いて土留め壁２を部分的に破壊しスリット状の開口部（井戸構造５）を設けるなどして、土留め壁２で遮断された地下水の集水及び／又は涵養を井戸構造５の開口部５ａを介して行い、地下水の流動を確保することが提案、実施されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

そして、このような地下水流動保全工法においては、図９に示すように、地下水を集水及び／又は涵養を行うための開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）を決める際に（井戸構造５を設計する際に）、一般に、この開口部の幅（Ｂ_ｗ）と等価な周辺長をもつ井戸の等価井戸半径（ｒ_ｗ）に置き換え、式１で算定した等価井戸半径（ｒ_ｗ）を用いるようにしている（非特許文献１参照）。

特開２０００−８７３８５号公報 特開２００１−３１７０４５号公報 特開２００４−２３２３０６号公報 「地盤工学・実務シリーズ１９ 地下水流動保全のための環境影響評価と対策 −調査・設計・施工から管理まで−」、社団法人地盤工学会、平成１６年１０月１５日、ｐ．１４６

しかしながら、この式１の適用性、妥当性が十分に確認されていないために、土留め壁２に設けた井戸構造５によって地下水の集水及び／又は涵養を好適に行うことができず、好適に地下水流動の確保を図ることができないおそれがあった。すなわち、土留め壁２に設置する井戸構造５の設計を適切に行うことができないという問題があった。

これに対し、本願の発明者らは、地下水を集水及び／又は涵養する井戸構造の開口部の幅（Ｂ_ｗ）と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径（ｒ_ｗ）との関係式として式２を導き出し、その妥当性を確認した上で、式２を用いることにより土留め壁に設ける井戸構造の設計を適切に行うことが可能であることを見出した。

ここで、ｒ_ｗ：井戸構造の開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径 [ｍ]
Ｂ_ｗ：井戸構造の開口部の幅 [ｍ]

しかしながら、式２は、井戸構造の開口部の透水性が十分に確保されている理想的な状態を想定したものである。このため、実際の現場において、開口部に透水性の低い材料が充填された場合に井戸構造の集水性能及び／又は涵養性能が低下するが、このような状況を評価し設計に反映することができず、井戸構造の集水性能及び／又は涵養性能を適切に評価して設計に反映させ、あるいは設計の目標を明確にした上で施工管理を行うという課題が残されていた。

本発明は、上記事情に鑑み、土留め壁に設けた井戸構造の開口部の透水性を反映させて、井戸構造の設計を適切に行うことができ、好適な地下水流動の確保を図ることが可能な地下水流動保全工法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の地下水流動保全工法は、構築した土留め壁で遮断された地下水を前記土留め壁に設けたスリット状の井戸構造で集水及び／又は涵養することによって前記地下水の流動を確保する地下水流動保全工法であって、前記井戸構造の井戸効率を、次式を用いて設定することを特徴とする。

ここで、Q：井戸構造の実集水量又は実涵養量
ｓ_ｗ：開口部内の水位低下量又は水位上昇量
ｋ_１：地山の透水係数
ｋ_２：充填材の透水係数
D：開口部の長さ（＝帯水層の層厚）
Ｒ：影響圏半径
ｒ_ｗ：開口部の等価井戸半径
Ｂ_ｗ：開口部の幅
ｔ：開口部の奥行き（充填材の充填厚さ）
η：井戸効率（理想的な状態での集水量と実集水量の比、又は理想的な状態での涵養量と実涵養量の比）
Ｑ_０：理想的な状態での開口部の集水量又は涵養量

本発明の地下水流動保全工法によれば、上記の式を用いることで、土留め壁に設ける井戸構造の開口部の透水性を反映させ、井戸構造の集水能力及び／又は涵養能力を精度よく求めて、井戸構造の設計を適切に行うことが可能になる。また、開口部に充填する充填材の透水性に対する施工上の管理目標値が明確になるため、信頼性の高い施工を行うことが可能になる。これにより、確実に好適な地下水流動の確保を図ることが可能になる。

以下、図１から図９を参照し、本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法について説明する。本実施形態は、例えば地下鉄や地下道路等の地下構造物を構築する際に、構築予定位置の両側に構築される地中連続壁などの土留め壁で遮断される地下水を、土留め壁に設けた井戸構造で集水及び／又は涵養することで、地下水流動を確保する地下水流動保全工法に関するものである。

本実施形態の地下水流動保全工法においては、構築した土留め壁２で遮断された地下水の流動を確保するために土留め壁２に設ける井戸構造５を設計するにあたり、地下水を集水及び／又は涵養する開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）と、この開口部５ａと等価な性能を有する井戸の等価井戸半径（ｒ_ｗ）との関係式として上記の式２を用い、井戸構造５の開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）を設定する（図８及び図９参照）。

この式２は、有限要素法による浸透流解析を用いて土留め壁２に設置される井戸構造５の集水能力（及び／又は涵養能力）を計算し、この結果と、通常の井戸の揚水能力（集水能力及び／又は涵養能力）を算定する井戸理論式とを比較して、図１に示すように、井戸構造５の開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）と、この開口部５ａと等価な性能を有する井戸の等価井戸半径（ｒ_ｗ）との関係を求めて導出したものである。

図２は、この式２を用いて土留め壁２の井戸構造５を設計した一例であり、地下水の影響圏半径Ｒを１００ｍ、１０００ｍとした場合における井戸構造５の開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）に対する井戸構造５の開口部５ａの設置間隔の変化を示している。そして、このような計算結果を参考にして、開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）や開口部５ａの設置間隔を変化させた種々の条件での設計比較を行うことで、合理的な設計が可能になる。

また、図３は、式２に基づき土留め壁２に井戸構造５を設置した場合において、この土留め壁２で遮られた地下水の水位変動量を、有限要素法を用いて解析した結果と、式２に基づく設計法により求めた結果を比較したものである。ここで、図３においては、地下水の影響圏半径Ｒを１００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．０４６とした場合、地下水の影響圏半径Ｒを１０００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．００５とした場合、地下水の影響圏半径Ｒを１００ｍ、地下水の動水勾配Ｉを０．００５とした場合の結果をそれぞれ示している。

そして、図３に示すように、全てのケースにおいて、有限要素法により求めた地下水の水位変動量と、式２に基づく設計法により求めた地下水の水位変動量とがほぼ同値となり、これらの結果から式２を用いて井戸構造５の開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）や開口部５ａの設置間隔を設定する設計法の妥当性が実証されている。なお、式２は、地盤の透水性や影響圏半径Ｒなどが異なる種々の条件で適用可能である。

一方、この式２は、井戸構造５の開口部５ａの透水性が十分に確保されている理想的な状態を想定したものであるため、実際の現場において、開口部５ａに透水性の低い材料が充填され、井戸構造５の集水性能及び／又は涵養性能が低下してしまう状況を評価して設計に反映することができない。

これに対し、本実施形態においては、井戸構造５の集水性能及び／又は涵養性能（井戸効率）を、下記の式３及び式４を用いて設定する。

ここで、図４及び図５に示すように、Ｑは井戸構造５の実集水量又は実涵養量（ｍ^３／ｓｅｃ）、ｓ_ｗは開口部５ａ内の水位低下量又は水位上昇量（ｍ）、ｋ_１は地山の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、ｋ_２は充填材６の透水係数（ｍ／ｓｅｃ）、Ｄは開口部５ａの長さ（＝帯水層３の層厚）（ｍ）、Ｒは影響圏半径（ｍ）、ｒ_ｗは式２で求めた開口部５ａの等価井戸半径（ｍ）、Ｂ_ｗは開口部５ａの幅（ｍ）、ｔは開口部５ａの奥行き（＝充填材の充填厚さ）（ｍ）、ηは井戸効率（理想的な状態での集水量と実集水量の比、又は理想的な状態での涵養量と実涵養量の比）（−）、Ｑ_０は理想的な状態での開口部５ａの集水量又は涵養量（ｍ^３／ｓｅｃ）である。

そして、図６は、土留め壁２に設けた井戸構造５の集水性能（又は涵養性能）を、有限要素法を用いて解析した結果（計算値）と、式３及び式４を用いた設計法によって求めた結果（考案式）をそれぞれ示している。ここで、図６は、影響圏半径Ｒを１００ｍ、開口部５ａの奥行きｔを０．５ｍとし、開口部５ａの幅Ｂ_ｗを変化させた際の井戸構造５の集水性能（又は涵養性能）を示したものであり、横軸を地山の透水係数ｋ_１と充填材６の透水係数ｋ_２の比とし、縦軸を井戸効率ηとしている。この図から、有限要素法を用いて解析した結果と、式３及び式４を用いた設計法によって求めた結果とが一致しており、式３及び式４の妥当性が実証されている。

したがって、本実施形態の地下水流動保全工法によれば、式３及び式４を用いることで、土留め壁２に設ける井戸構造５の開口部５ａの透水性（充填材６の透水性９を反映させ、井戸構造５の集水能力及び／又は涵養能力を精度よく求めて、井戸構造５の設計を適切に行うことが可能になる。また、開口部５ａに充填する充填材６の透水性に対する施工上の管理目標値が明確になるため、信頼性の高い施工を行うことが可能になる。これにより、確実に好適な地下水流動の確保を図ることが可能になる。

また、図７は、式３及び式４を用いて土留め壁２の井戸構造５を設計した一例であり、地山の透水係数ｋ_１と充填材６の透水係数ｋ_２の比を変化させた場合の井戸構造５の開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）に対する井戸構造５の開口部５ａの設置間隔の変化を示している。そして、このような計算結果を参考にして、開口部５ａの幅（Ｂ_ｗ）や開口部５ａの設置間隔を変化させた種々の条件での設計比較を行うことで、合理的な設計が可能になる。

以上、本発明に係る地下水流動保全工法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、井戸構造の開口部の幅と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径との関係（関係式）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、井戸構造の開口部の幅と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径との関係式を用いて土留め壁の井戸構造を設計した一例である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、井戸構造の開口部の幅と、この開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径との関係式の妥当性を実証した図である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式３及び式４の諸条件を示した図である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式３及び式４の諸条件を示した図である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式３及び式４の妥当性を実証した図である。 本発明の一実施形態に係る地下水流動保全工法において、式３及び式４を用いて土留め壁の井戸構造を設計した一例である。 構築した土留め壁に井戸構造を設けて地下水の流動を確保した状態を示す図である。 井戸構造を設計する際に、井戸構造をこの井戸構造の開口部と等価な性能を有する井戸の等価井戸半径に置き換えることを示した図である。

符号の説明

１ 地下構造物
２ 土留め壁
３ 帯水層
５ 井戸構造
５ａ 開口部
６ 充填材
Ｔ 地下水流

Claims (1)

1. 構築した土留め壁で遮断された地下水を前記土留め壁に設けたスリット状の井戸構造で集水及び／又は涵養することによって前記地下水の流動を確保する地下水流動保全工法であって、
   前記井戸構造の井戸効率を、次式を用いて設定することを特徴とする地下水流動保全工法。
   

   

   ここで、Q：井戸構造の実集水量又は実涵養量
   ｓ_ｗ：開口部内の水位低下量又は水位上昇量
   ｋ_１：地山の透水係数
   ｋ_２：充填材の透水係数
   D：開口部の長さ（＝帯水層の層厚）
   Ｒ：影響圏半径
   ｒ_ｗ：開口部の等価井戸半径
   Ｂ_ｗ：開口部の幅
   ｔ：開口部の奥行き（充填材の充填厚さ）
   η：井戸効率（理想的な状態での集水量と実集水量の比、又は理想的な状態での涵養量と実涵養量の比）
   Ｑ_０：理想的な状態での開口部の集水量又は涵養量

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