JP2017031678A

JP2017031678A - 重力式防波堤

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Publication number: JP2017031678A
Application number: JP2015153019A
Authority: JP
Inventors: 本田　秀樹; Hideki Honda; 秀樹本田; 進吾粟津; Shingo Awazu
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: JP6296017B2

Abstract

【課題】津波などに対する滑動抵抗が高く且つ堤体に作用する揚圧力が抑えられることで堤体の安定性が高く、低コストに造成可能な重力式防波堤を提供する。【解決手段】捨石マウンド１の上に設置された堤体２と、堤体２の背面側に設けられる補強用支持部３を備え、補強用支持部３は、水中単位体積質量が石材と同等以上で且つ所定値以上の粘着力を有する補強土からなり、堤体２の背面と捨石マウンド１に接するようにして設けられる補強土層４と、この補強土層４の背面と捨石マウンド１に接するようにして設けられる石材層５を備える。捨石マウンド１内を流れる水流が石材層５を通過して防波堤の背面側に流れるため、堤体２に大きな揚圧力が作用することが抑えられ、堤体２の高い安定性が得られる。また、補強用支持部３が補強土層４と石材層５の複合構造であるため、高い滑動抵抗力が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、ケーソン式混成堤などのような重力式防波堤に関するものである。

従来、ケーソンなどで構成される堤体の背面側に補強用支持部（滑動抵抗体）を設置する重力式防波堤において、補強用支持部を石材で構成したものが提案されており、波力に対する滑動抵抗力の増大効果が解析・実験により示されている（非特許文献１，２）。また、石材の代わりにセメントによる固化処理土を設置したもの（非特許文献３）、鋼管などの支持構造体を地盤に鉛直に埋め込んだ構造のもの（特許文献１）なども提案されており、それぞれ補強効果が検証されている。

特開２０１４−１０１６６３号公報

国土交通省港湾局監修、港湾の施設の技術上の基準・同解説、下巻、社団法人日本港湾協会、平成１９年、p.８３８菊池喜昭、外２名、「ケーソンの安定性に及ぼす裏込めの効果」、港湾技術研究所報告、運輸省港湾技術研究所、１９９８年６月、第３７巻、第２号、p.２９−５８新舎博、外２名、「固化処理土を裏込めに利用したケーソン式混成堤の水平抵抗力に関する遠心模型実験」、土木工学会論文集Ｃ（地圏工学）、２０１５年、Vol.７１、No.２，p.６９−８０

しかし、以上のような従来技術のうち、補強用支持部を石材で構成した重力式防波堤は、石材の質量・内部摩擦角が決まっているため、得られる滑動抵抗力は補強用支持部の設置高さによって上限が決まってしまう。また、津波などのように、防波堤天端を越える流れが作用した際に補強用支持部の表層部に設置した被覆ブロックが剥がれてしまった場合、石材が流されやすい（洗掘が起こりやすい）という問題がある。

また、補強用支持部を固化処理土で構成した重力式防波堤は、固化処理土が水を通しにくいため、台風時の波浪や津波などが作用した時に、堤体の基礎である捨石マウンド内を流れる水流が補強用支持部で遮られてしまい、堤体に作用する揚圧力（堤体底面に上向きに作用する力）が増大して、堤体の安定性が低下してしまう。
また、鋼管などの支持構造体を地盤に鉛直に埋め込んだ構造の重力式防波堤の場合も、捨石マウンド内を流れる水流が支持構造体で遮られるため、堤体に作用する揚圧力が増大する問題があり、さらに、石材を設置する場合と比較して材料コストが高くなる問題もある。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、津波などの大きなエネルギーをもつ波に対する滑動抵抗が高く、且つ堤体に作用する揚圧力が抑えられることで堤体の安定性が高く、しかも低コストに造成することができる重力式防波堤を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］水底に構築された捨石マウンド（１）と、該捨石マウンド（１）上に設置された堤体（２）と、該堤体（２）の背面側に設けられる補強用支持部（３）を備えた重力式防波堤であって、補強用支持部（３）は、水中における単位体積質量が１０ｋＮ／ｍ^３以上で且つ２８日養生後の粘着力が１０ｋＮ／ｍ^２以上の補強土で構成され、堤体（２）の背面と捨石マウンド（１）に接するようにして設けられる補強土層（４）と、該補強土層（４）の背面と捨石マウンド（１）に接するようにして設けられる石材層（５）を備えることを特徴とする重力式防波堤。

［2］上記［1］の重力式防波堤において、補強土層（４）を構成する補強土は、浚渫土又は／及び土砂に水和反応を生じさせる改質材を混合したものであることを特徴とする重力式防波堤。
［3］上記［1］又は［2］の重力式防波堤において、捨石マウンド（１）上での補強土層（４）の高さは、堤体（２）の高さの１／３以上であることを特徴とする重力式防波堤。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの重力式防波堤において、捨石マウンド（１）の天端面に接する補強土層（４）の下端幅が２ｍ以上であることを特徴とする重力式防波堤。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの重力式防波堤において、補強用支持部（３）の上面が被覆ブロック（６）で被覆されることを特徴とする重力式防波堤。

［6］上記［1］〜［5］のいずれかの重力式防波堤の造成方法であって、水底の地盤に構築された捨石マウンド（１）の上に堤体（２）を設置した後、堤体（２）の背面側において、堤体（２）から離れた位置に石材を積み上げて石材層（５）を形成し、次いで、石材層（５）と堤体（２）との間に補強土を投入・敷設して補強土層（４）を形成することにより、補強土層（４）と石材層（５）を備えた補強用支持部（３）を構築することを特徴とする重力式防波堤の造成方法。

本発明の重力式防波堤は、捨石マウンド（１）内を流れる水流がそのまま石材層（５）を通過して防波堤の背面側に流れることができるため、台風時の波浪や津波などが作用した時でも堤体（２）に大きな揚圧力が作用することが抑えられ、堤体（２）の高い安定性が得られる。しかも、補強用支持部（３）が、石材層（５）と、水中単位体積質量が石材と同等以上で且つ所定値以上の粘着力（強度）を有する補強土からなる補強土層（４）の複合構造であるため、補強用支持部が石材のみからなる場合に較べて、高い滑動抵抗力を得ることができる。このため、津波などの大きな外力が作用した場合でも、防波堤の安定性を確保することができる。また、通常、補強用支持部（３）の外側は被覆ブロックで被覆されるが、津波などが防波堤天端を越流して被覆ブロックが流出した場合でも、補強土層（４）が強度を有しているため、洗掘が生じにくい。また、補強用支持部（３）を石材と補強土だけで構築できるため、低コストに造成することができる。さらに、補強土層（４）を構成する補強土に港湾工事で大量に発生する浚渫土を利用することができるので、浚渫土の有効利用も図ることができる。

本発明の重力式防波堤の一実施形態を模式的に示す縦断面図従来の重力式防波堤の一例を模式的に示す縦断面図本発明の実施例の重力式防波堤を模式的に示す縦断面図

図１は、本発明の重力式防波堤の一実施形態を模式的に示す縦断面図である。
本実施形態の重力式防波堤は、水底（地盤７）に構築された捨石マウンド１と、この捨石マウンド１上に設置された堤体２（堤本体）と、この堤体２の背面側（波をうける側を前面側とした場合、その反対側）に設けられる補強用支持部３を備えている。
重力式防波堤の設置場所が港湾の場合には、堤体２の前面側が港外側、背面側が港内側となる。捨石マウンド１は防波堤の設置場所の全長にわたり構築され、その上にケーソンなどの重量構造物を複数並べて堤体２が構成される。

補強用支持部３は、堤体２を背面側で支えて滑動抵抗力を付与するものであり、堤体２の背面と捨石マウンド１に接するようにして設けられる補強土層４と、この補強土層４の背面と捨石マウンド１に接するようにして設けられる石材層５で構成されている。ここで、石材層５は割石などの石材を積み上げることで形成され、補強土層４は補強土を積み上げる（敷設する）ことで形成される。
補強土層４は、その前面が堤体２の背面と接するとともに、下端部４１が捨石マウンド１の天端面の一部と接するようにして設けられている。後述するように補強用支持部３を構築するに当たっては、先に堤体２と離れた位置に石材層５を形成し、次いで、この石材層５と堤体２との間に補強土層４を形成するため、補強土層４の背面４２は、石材層５の前面側の法面５２に接する下向き傾斜面になる。

この補強土層４は、水中における単位体積質量が１０ｋＮ／ｍ^３以上で且つ２８日養生後の粘着力が１０ｋＮ／ｍ^２以上の補強土で構成される。なお、補強土の粘着力は、養生２８日後の試料（供試体）に対して、土の一軸圧縮試験（ＪＩＳＡ１２１６：２００９）で求められる一軸圧縮強さの１／２で算定される。
この補強土の条件は、以下のようにして求められたものである。
滑動抵抗体（本発明では補強用支持部３）の抵抗力は、その質量と抵抗体の強度（ここでは粘着力）によって決まる。そのため、補強土の質量については石材と同等かそれ以上のものが望ましい。このため水中における補強土の単位体積質量は１０ｋＮ／ｍ^３以上とする。また、補強土の水中単位体積質量が大きいほど補強用支持部３の滑動抵抗力も高まるので、この観点からは補強土の水中単位体積質量はより大きいこと（例えば、１３ｋＮ／ｍ^３以上）が好ましいが、補強土の製造における改質材の混合割合（粒状体の場合は７割程度が上限となる）などの制約から１７ｋＮ／ｍ^３程度が実質的な上限となる。

また、補強土の強度条件については、以下の滑動抵抗力算定式に基づいて決定した。

標準的なサイズである前面側の高さ１９ｍ、背面側の高さ１７ｍの堤体２に、波高１０ｍの津波波力が作用した場合を想定する。堤体２の背面側に補強用支持部３を設けない場合、設計の基準である滑動安全率１．２以上を満たすためには、滑動抵抗力が９８８．７５ｋＮ／ｍ不足する。本発明の重力式防波堤において、補強用支持部３の設置高さを１２．５ｍ、補強土層４の天端幅を２１．０ｍ、石材層５の天端幅を２ｍとした場合、補強土の水中単位体積質量を１０ｋＮ／ｍ^３、粘着力を１０ｋＮ／ｍ^２（一軸圧縮強さ２０ｋＮ／ｍ^２）とし、石材の水中単位体積質量を１０ｋＮ／ｍ^３、内部摩擦角を４０度とすると、滑動抵抗力は以下のようになり、上述した必要条件を満たすことになる。

また、補強土の一軸圧縮強さが２０ｋＮ／ｍ^２未満になると、補強土層４がその上に設置される被覆ブロックを支えることができなくなる恐れが生じるため、強度は２０ｋＮ／ｍ^２以上とする必要がある。
以上の理由から補強土の２８日養生後の粘着力を１０ｋＮ／ｍ^２以上とする。また、この補強土の粘着力が大きいほど補強用支持部３の滑動抵抗力も高まるので、この観点からは補強土の粘着力はより大きいこと（例えば、好ましくは３０ｋＮ／ｍ^２以上、より好ましくは５０ｋＮ／ｍ^２以上）が好ましいが、通常、補強土層４の高さは堤体２の高さの１／３以上とすることから、１００ｋＮ／ｍ^２程度を実質的な上限とすればよい。

補強土層４を構成する補強土には、上記のような水中単位体積質量と粘着力を満足するものであれば、どのような材料でも利用可能であるが、水和反応により強度を発現する補強土として、浚渫土又は／及び土砂に水和反応を生じさせる改質材（水硬性を有する固化材）を混合した混合土が挙げられ、本発明ではこの混合土を補強土として好適に使用できる。
浚渫土は、事前に乾燥処理（例えば、天日乾燥など）や脱水処理（薬剤を添加して凝集させた後に脱水・減容化する方法）を施したものであってもよい。土砂は建設残土などでもよい。改質材としては、水和反応を生じさせるものであれば特に種類を問わないが、例えば、セメント、石灰、製鋼スラグなどの鉄鋼スラグ、コンクリート廃材などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。
これら改質材の種類と混合量を選択することで、補強土の一軸圧縮強さを調整することができる。

改質材として用いる鉄鋼スラグとしては、高炉で発生する高炉徐冷スラグ（但し、この高炉徐冷スラグは水中で硫化物が溶出しないようにするため、十分にエージング処理したものが好ましい）、溶銑予備処理、転炉脱炭精錬、鋳造、電気炉精錬などの工程で発生する製鋼スラグ（脱燐スラグ・脱硫スラグ・脱珪スラグなどの溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、鋳造スラグ、電気炉スラグなど）、鉱石還元スラグなどが挙げられ、これらの２種以上を用いてもよい。また、これらのスラグ中でも特に製鋼スラグが好ましく、そのなかでも特に脱炭スラグ（転炉スラグ）、脱燐スラグが好適である。また、十分な効果を得るためには、スラグは粉粒状のものを用いることが好ましい。

石材層５を構成する石材としては、一般に天然石材（割石）が用いられるが、例えば、コンクリートブロック、鉄鋼スラグを主原料とする炭酸固化体ブロック、鉄鋼製造スラグを主原料とする水和硬化体ブロック（例えば、鉄鋼スラグ水和固化体）などの人工石材を用いてもよく、天然石材を含めたこれらの材料の１種以上を用いることができる。
石材層５を構成する石材の大きさは任意であるが、通常１０〜２００ｋｇ程度のものが用いられる。

補強土層４及び石材層５の設置形態は、上述した点以外に特別な条件はないが、以下のような設置形態が特に好ましい。
補強土層４については、図１に示すように、補強土層４の下端部４１（下端面）が、堤体２の背面側の捨石マウンド部分１０の天端面の一部と接するように設けること、すなわち補強土層４は捨石マウンド部分１０の天端面に対して面で接することが好ましい。津波などの波力による補強用支持部３の破壊は、堤体２の下端縁と捨石マウンド１の天端面とが接する点ｐを起点として生じるため、補強土層４が捨石マウンド部分１０に対して面で接していないと（例えば、補強土層４が捨石マウンド部分１０に接しておらず、或いは点で接していると）、補強土層４が破壊に対する抵抗にならず、波力により補強用支持部３が破壊されやすくなる。この観点から、補強土層４の下端部４１の幅ｗ_１（下端幅）は２ｍ以上とすることが好ましい。

また、捨石マウンド１上での補強土層４の高さｈ（天端部４０の高さ）は、滑動抵抗体としての機能面から、堤体２の高さＨ（捨石マウンド１から最も高い堤体部分の高さ）の１／３以上であることが好ましい。
補強土層４の天端部４０の幅ｗ_２（天端幅）は、補強土層４による補強効果を確保する一方で、補強土層４の断面が大きくなって造成コストが増大するのを抑えるという観点から、１０〜２０ｍ程度とすることが好ましい。

石材層５については、石材層下面が、捨石マウンド部分１０の天端面の一部及び側端面と、捨石マウンド１後方の水底部分８に接するように設けることが好ましい。これにより、捨石マウンド１内を流れる水流が、特に円滑に石材層５内に流れることができる。
石材層５の天端部５０の幅ｗ_３（天端幅）は、石材層５の安定性を確保する一方で、石材層５の断面が大きくなって造成コストが増大するのを抑えるという観点から、２〜５ｍ程度とすることが好ましい。

石材層５の背面側及び前面側の法面５１，５２の勾配は、１：１．２〜１：１．５程度が好ましい。法面５１，５２の勾配が１：１．２よりも大きいと、石材の内部摩擦角によっては石材が崩れる恐れがある。一方、法面５１，５２の勾配が１：１．５よりも小さいと、石材層５の断面が大きくなるため造成コストが増加してしまう。

また、図示しないが、補強用支持部３（補強土層４、石材層５）を構成する補強土や石材の流出を防止するため、通常、補強用支持部３の上面は被覆ブロック６（図３参照）で被覆されるとともに、堤体２の前面側の捨石マウンド部分の上面も被覆ブロックや根固ブロックで被覆される（図３参照）。
なお、堤体２やこれを支持する捨石マウンド１の大きさは、設置する海域の水深や想定される波高などによっても異なるので一概には言えないが、一般には、堤体２は幅（前面−背面間の幅）が約１０〜２０ｍ、高さが約１５〜２５ｍ、捨石マウンド１は幅（前面−背面間の幅）が約４０〜６０ｍ、厚さが３〜１０ｍ程度である場合が多い。

比較のために、補強用支持部が石材（割石）のみからなる従来の重力式防波堤を図２（縦断面図）に示す。
本発明の重力式防波堤は、捨石マウンド１内を流れる水流がそのまま石材層５を通って防波堤の背面側に流れることができるため、台風時の波浪や津波などが作用した時でも堤体２に大きな揚圧力が作用することが抑えられ、堤体２の高い安定性が得られる。しかも、補強用支持部３が、石材層５と、上述したような水中単位体積質量が石材と同等以上で且つ所定値以上の粘着力（強度）を有する補強土からなる補強土層４の複合構造であることにより、図２に示すような石材のみからなる補強用支持部に較べて、高い滑動抵抗力を得ることができる。すなわち、水中単位体積質量が石材と同等以上で且つ粘着力１０ｋＮ／ｍ^２以上の補強土からなる補強土層４は、石材のみからなる補強層に較べて滑動抵抗力が高く、したがって、補強用支持部３が、補強土層４と石材層５との複合構造であることにより、高い滑動抵抗力を得ることができる。また、通常、補強用支持部３の外側は被覆ブロック６で被覆されるが、津波などが防波堤天端を越流して被覆ブロック６が流出した場合でも、補強土層４が強度を有しているため、洗掘が生じにくい利点もある。

以上の述べたような本発明の重力式防波堤を造成する場合は、まず、防波堤の設置場所の全長にわたる水底の地盤７に捨石マウンド１を構築し、その上にケーソンなどの重量構造物を複数並べて堤体２を設置する。次いで、補強用支持部３を構築するに当たっては、まず、堤体２の背面側において堤体２から少し離れた位置に石材を積み上げて石材層５を形成し、次いで、この石材層５と堤体２との間に補強土を投入・敷設して補強土層４を形成する。これにより、図１に示すような補強土層４と石材層５からなる補強用支持部３が構築される。さらに、通常では、補強構造部３の上面を被覆ブロック６で被覆するとともに、堤体２の前面側の捨石マウンド部分の上面も被覆ブロックや根固ブロックで被覆する。

朔望平均満潮面＋０．５ｍ、水深１６．５ｍの海域に、図３に示すような本発明の重力式防波堤を設置した。この重力式防波堤は、捨石マウンド１の厚さを３ｍとし、堤体２は、幅を１９ｍ、パラペット天端までの高さを１９ｍとした。補強土層４の設置高さは捨石マウンド１の天端から６．５ｍとし、補強土層４の天端幅を１１ｍ、石材層５の天端幅を２ｍとした。また、石材層５の法面勾配を１：１．５とした。補強土は少量でも滑動抵抗力が発揮されるようにするため、水中単位体積質量は石材以上が望ましく、本実施例では、浚渫土に製鋼スラグ（改質材）を混合し、浚渫土７０体積％、製鋼スラグ３０体積％とした混合土を用いた。室内配合試験の結果、この混合土は、水中単位体積質量が１１．０ｋＮ／ｍ^３、２８日養生後の一軸圧縮強さが１２０ｋＮ／ｍ^２（粘着力６０ｋＮ／ｍ^２）であった。

波高１０ｍの津波を想定して計算したところ、波力合力２７２４．１２ｋＮ／ｍに対して、滑動抵抗力は３２９２．５７ｋＮ／ｍ（うち補強土層４の滑動抵抗力は１０１２．３８ｋＮ／ｍ）となり、設計基準である滑動安全率１．２を満足した。
図２に示す従来の重力式防波堤のように石材（水中単位体積質量１０．０ｋＮ／ｍ^３，内部摩擦角φ＝４０°）のみからなる補強用支持部（石材層）を設けた場合について計算したところ、補強用支持部の設置高さを６．５ｍとした場合、滑動抵抗力の上限は９７１．５２ｋＮ／ｍとなり、補強用支持部の幅を広げても安全率１．２を満たすために必要な滑動抵抗力が得られないという結果になった。一方、本発明の重力式防波堤の場合には、補強土層４と石材層５との複合構造により、補強用支持部３の断面をより小さくしても、必要な滑動抵抗力を確保できると考えられる。

１捨石マウンド
２堤体
３補強用支持部
４補強土層
５石材層
６被覆ブロック
７地盤
８水底部分
１０捨石マウンド部分
４０天端部
４１下端部
４２背面
５０天端部
５１，５２法面

Claims

水底に構築された捨石マウンド（１）と、該捨石マウンド（１）上に設置された堤体（２）と、該堤体（２）の背面側に設けられる補強用支持部（３）を備えた重力式防波堤であって、
補強用支持部（３）は、水中における単位体積質量が１０ｋＮ／ｍ^３以上で且つ２８日養生後の粘着力が１０ｋＮ／ｍ^２以上の補強土で構成され、堤体（２）の背面と捨石マウンド（１）に接するようにして設けられる補強土層（４）と、該補強土層（４）の背面と捨石マウンド（１）に接するようにして設けられる石材層（５）を備えることを特徴とする重力式防波堤。
補強土層（４）を構成する補強土は、浚渫土又は／及び土砂に水和反応を生じさせる改質材を混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の重力式防波堤。
捨石マウンド（１）上での補強土層（４）の高さは、堤体（２）の高さの１／３以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の重力式防波堤。
捨石マウンド（１）の天端面に接する補強土層（４）の下端幅が２ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の重力式防波堤。
補強用支持部（３）の上面が被覆ブロック（６）で被覆されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の重力式防波堤。
請求項１〜５のいずれかに記載の重力式防波堤の造成方法であって、
水底の地盤に構築された捨石マウンド（１）の上に堤体（２）を設置した後、堤体（２）の背面側において、堤体（２）から離れた位置に石材を積み上げて石材層（５）を形成し、次いで、石材層（５）と堤体（２）との間に補強土を投入・敷設して補強土層（４）を形成することにより、補強土層（４）と石材層（５）を備えた補強用支持部（３）を構築することを特徴とする重力式防波堤の造成方法。