JP2019090220A - ブロック組立式砂防ダム - Google Patents

Abstract

【課題】確立された重力ダムの安定計算法の適用が可能であり、かつ簡単な施工で急速施工が可能な砂防ダムを提供すること。【解決手段】多段的に積み重ねられた複数のブロック塊壁２０１〜２０５と、ブロック塊壁２０１〜２０５の水平の目地部に配設されたせん断柱３０とを具備する。ブロック塊壁２０１〜２０５は複数の単体ブロックの集合体と、単体ブロックの集合体群を一体化する連結材２５とからなり、各ブロック塊壁２０１〜２０５が連結材２５を介して重力式構造物として形成される。【選択図】図２

Description

本発明は簡易な手法で急速施工を実現しつつ、正確な安定計算が可能なブロック組立式砂防ダムに関するものである。

土石流、火山泥流等の対策施設として、ダム本体の躯体を場所打ちコンクリートで構築した重力式の砂防ダムが広く知られているが、工期が長期化して即応性に問題がある。
その一方で急速施工を求められる場合の対策施設としては、ブロック組立式の砂防ダムが提案されている(特許文献１,２)。
ブロック組立式の砂防ダムとしては、直方体形のブロックを工場で予め製作しておき、緊急時に現場へ搬入した複数のブロックを積み上げただけの堰堤構造体や、縦向きに複数の貫通孔を有するブロックを積み上げ、複数のブロック群の貫通孔に跨ってコンクリート充填鋼管等の剛性杭を縦向きに貫挿させて複数のブロックを位置決めした堰堤構造体が知られている。

特開平９−２２８３４８号公報 特開２０００−２９０９６９号公報

従来の砂防ダムにはつぎのような問題点がある。
＜１＞ダム本体の躯体を場所打ちコンクリートで構築した重力式の砂防ダムではダム本体が一体構造となっているので確立された安定計算法に基づいた設計が可能である。
これに対してブロック組立式の砂防ダムでは、複数のブロック群が剛性杭に位置決めされているものの、各ブロックは剛性杭に係留されて個別摺動が可能なように分離した構造となっている。
そのため、従来のブロック組立式の砂防ダムでは重力式ダムの安定計算法を適用できないうえに、確立された計算法も特にない。
＜２＞特に砂防ダムの設計にあたっては、想定外時も考慮しなければならないが、想定外の流下物荷重に対するブロック間の接合部における力学的特性が十分に解明されていない。
このことがブロック組立式の砂防ダムの安定計算をより困難なものとしている。
＜３＞特許文献２には、土石流の発生時に各ブロックが個別的にずれ移動をする際に剛性杭の曲げ靭性によって流下物荷重を吸収することが開示されている。
特許文献２に記載の砂防ダムでは、剛性杭として高いＰＣ鋼材を埋め込んだ高靭性のコンクリート充填鋼管を使用しており、剛性杭のコストが嵩むうえに大重量の剛性杭を現場で取扱うのが面倒であるといった問題点を内包している。
＜４＞このように従来の重力式の砂防ダムでは確立された安定計算法の適用が可能である反面、工期が長期化して即応性に問題があり、他方のブロック組立式の砂防ダムは工期を短縮できるものの、確立された安定計算法がないといった問題がある。
近年の大規模地震や集中豪雨等に伴い、大規模な土砂崩れや土石流の発生が今後も増加傾向が続くことが予想されている現在、安定計算が可能で、かつ工期の大幅短縮が可能な砂防ダムの提案が望まれている。

本発明は以上の点に鑑みて成されたもので、その目的とするところは確立された安定計算法の適用が可能であり、かつ簡単な施工で急速施工が可能なブロック組立式砂防ダムを提供することにある。

本発明は複数のブロック塊壁を積み重ねた重力式の砂防ダムである。
ブロック塊壁は複数の単体ブロックと、複数の単体ブロックの間を縦方向に貫通して配置される連結材とからなる集合体であり、連結材を介して複数の単体ブロックが一体構造物として形成されている。
上下に隣接させたブロック塊壁の水平の目地部間には、受撃時にせん断キーとして機能するせん断柱が縦向きに配設されている。
各単体ブロックには連結材とせん断柱を縦向きに内挿可能な複数の貫通孔が等間隔に形成されている。
貫通孔と、ブロック塊壁の目地部に跨って位置させたせん断柱との周面間には隙間が形成されていて、この隙間を通じてブロック塊壁が滑動可能になっている。
せん断柱としては受撃時にせん断変形が可能な鋼材、または各種部材を使用することができる。
せん断柱はダム本体の高さ方向に沿って複数に分割した柱体でもよいが、一本ものの連続した柱体の何れでもよい。
単体ブロックの平面形状は特に制約はなく、多角形を呈していればよい。
単体ブロックを千鳥状に積み重ねたときに貫通孔が同一の鉛直線上に揃うように、単体ブロックの板面に複数の貫通孔が等間隔に形成されている。
ブロック塊壁に単数または複数の水通用の貫通口を横向きに貫通して形成し、貫通口を通じて排砂し得るように構成してもよい。

本発明は以上の構成を有することで少なくともつぎのひとつの効果を奏する。
＜１＞複数の単体ブロックを一体化して組み立てたブロック塊壁を一体構造物として取り扱うことができる。
したがって、複数の単体ブロックを組み立てていながら、重力式ダムの安定計算法の適用が可能であり、かつ急速施工の実現も可能となり、これまで達成が困難とされてきたふたつの課題を同時に達成することができる。
＜２＞上下に隣接するブロック塊壁の目地部に跨って配設したせん断柱は、せん断キーとして機能させるものであって、曲げ変形に対する抵抗部材として機能させるものではない。
そのため、せん断柱の素材に安価で軽量な鋼材をそのまま使用できて経済的であるだけでなく、現場での取扱いが容易である。
＜３＞ブロック塊壁の貫通孔とせん断柱との周面間に隙間が形成されているので、受撃時にブロック塊壁の一定範囲の滑動を許容して流下物荷重を緩和すると共に、流下物のエネルギーを吸収することができる。
＜４＞ブロック塊壁の一定範囲の滑動を許容した後、せん断柱がつぶれの靭性変形による抵抗部材として機能するため、想定外の流下物荷重が作用してもせん断柱の大変形を効果的に防ぐことができる。
＜５＞砂防ダムは複数の単体ブロックを千鳥状に積み重ねた構造であるため、一部の単体ブロックを抜いて組み上げてもブロック塊壁の自立性が損なわれない。
したがって、ブロック組立式の砂防ダムでありながらダム躯体の任意の位置に水通用の貫通口を開設することができる。

本発明に係るブロック組立式砂防ダムの全体斜視図 図１におけるII−IIの断面図 一部を省略したブロック塊壁の斜視図 ブロック組立式砂防ダムの施工方法の説明図 ブロック組立式砂防ダムの安定計算例の説明図 ブロック組立式砂防ダムの想定外の設計例の説明図 せん断柱のつぶれのモデル説明図 ダム躯体に貫通口を開設した他のブロック組立式砂防ダムの説明図

以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞砂防ダムの概要
図１，２を参照して説明すると、ブロック組立式砂防ダム１０（以下「砂防ダム１０」）は、施工はブロック組立式でありながら最終構造物は重力式となる砂防ダムであり、現場で構築して多段的に積み重ねた複数のブロック塊壁２０（２０_１，２０_２，２０_３・・・）と、上下に隣接するブロック塊壁２０の目地部を縦方向に貫通して位置させたせん断柱３０とを具備する。

＜２＞ブロック塊壁
ブロック塊壁２０（２０_１，２０_２，２０_３・・・）は砂防ダム１０を複数の水平分断面で分割した分割堰堤である。
図２，３を参照して説明すると、各ブロック塊壁２０は縦横方向に並べて積み重ねた複数の単体ブロック２１の集合体と、これら複数の単体ブロック２１間を縦方向に貫通して一体化する連結材２５とからなる。
ブロック塊壁２０の上下面は水平方向に向けて連続して形成してあって、複数のブロック塊壁２０を積み重ねたときにその水平の接合面が目地部となる。

＜２．１＞単体ブロック
単体ブロック２１は一定厚に形成したコンクリート製の直方体であり、その平面形状は方形を含む多角形を呈していて、その板面には等間隔で２つ以上の貫通孔２２が並設されている。

図３に例示した二種類の単体ブロック２１，２３について説明すると、平面形状が正方形を呈する一方の単体ブロック２１は、縦向きに４つの貫通孔２２が形成されている。
単体ブロック２１を反割りした平面形状が長方形を呈する他方の単体ブロック２３は、縦向きに２つの貫通孔２２が形成されている。
両単体ブロック２１，２３の貫通孔２２の形成間隔は共に等しい寸法関係にある。
貫通孔２２を等間隔に形成するのは、異種の単体ブロック２１，２３を積み重ねたときに上下の貫通孔２２を同一の鉛直線上に揃えるためである。

＜２．２＞連結材
連結材２５は位置合わせをした複数の貫通孔２２を通じて、各ブロック塊壁２０を構成する複数の単体ブロック２１，２３を構造的に一体化するための連結部材である。
連結材２５はブロック塊壁２０を単位として一体化するためのものであるから、その全長はブロック塊壁２０の高さを超えることはない。
換言すれば、連結材２５は組み上げた複数の単体ブロック２１，２３間のせん断抵抗部材としても機能するが、上下に隣り合うブロック塊壁２０の目地部におけるせん断抵抗部材としての機能は期待していない。

＜２．３＞連結材の例示
位置合わせをした複数の貫通孔２２を通じて複数の単体ブロック２１，２３を一体化する連結材２５としては、例えばモルタル、コンクリート、硬質樹脂等の固結材を適用できることの他に、貫通孔２２より小径の中空管体と、中空管体と孔壁の周面間に充填した固結材との組み合せであってもよい。
さらにＰＣ鋼材を用いて複数の単体ブロック２１，２３間を剛結してもよい。
連結材２５は流下物荷重が作用したときにブロック塊壁２０を構成する単体ブロック２１，２３がバラケない程度の連結力で以て一体化できる部材であればよい。

＜３＞せん断柱
せん断柱３０は受撃時にせん断キー（せん断抵抗部材）として機能させるものであり、前記した連結材２５のような複数の単体ブロック２１，２３を一体化する連結機能は具備しない。
せん断柱３０は上下に隣り合うブロック塊壁２０の目地部間に跨って配設できる長さを有する。
せん断柱３０は、せん断キーとしてブロック塊壁２０の過度の滑動を抑制した後はせん断方向に沿ったせん断柱３０の「つぶれ」によるエネルギー吸収を期待するものであって、曲げ変形によるエネルギー吸収を期待するものではない。

＜３．１＞せん断柱の例示
せん断柱３０は上下に隣り合うブロック塊壁２０の目地部においてせん断抵抗部材として機能する部材であればよく、例えば中空鋼材等を挙げられるが、コスト、重量、及び取扱性に優れている点で鋼管が好ましい。
せん断柱３０は中空構造に限定されるものではなく、せん断変形が可能な密実構造体でもよい。

＜３．２＞せん断柱の全長
せん断柱３０は一本ものの連続した柱体でもよいが、本例のように複数に分割した形態のせん断柱３０を使用してもよい。
分割形態の場合、複数のせん断柱３０を縦向きに配列することになるが、せん断柱３０の継目位置を、ブロック塊壁２０の目地部位置に対して高さ方向に位置をずらしておく。
ブロック塊壁２０の目地部位置とせん断柱３０の継目位置が同一であると、受撃時にせん断柱３０がせん断キーとして機能しないからである。

＜３．３＞せん断柱と貫通孔の径の寸法関係
貫通孔２２とせん断柱３０には径差が設けてあり、せん断柱３０と貫通孔２２との周面間に隙間が形成されている。
この隙間はせん断柱３０と貫通孔２２との貫挿作業を円滑化するためだけではなく、受撃時においてブロック塊壁２０の一定範囲の滑動を許容するための空間として機能する。
ブロック塊壁２０の滑動距離は隙間に比例して大きくなるため、この隙間は適宜選択する。
せん断柱３０に市販の鋼管を用いる場合、この隙間は３０〜５０ｍｍ程度でよい。

［砂防ダムの施工方法］
つぎに砂防ダムの施工方法について説明する。

１．最下段のブロック塊壁の構築
＜１＞単体ブロックの積み上げ工
図４（Ａ）に示すように、複数の貫通孔２２が同一の鉛直線上に揃うように複数の単体ブロック２１，２３を千鳥状に配置しながら最下段のブロック塊壁２０_１の高さまで積み上げる。

＜２＞連結材による単体ブロックの連結工
図４（Ｂ）を参照して連結材２５による単体ブロック２１，２３群の連結工について説明する。
多段的に積み上げた複数の単体ブロック２１，２３群の各貫通孔２２は縦向きに連続している。
多数の露出した貫通孔２２のうち、一部の貫通孔２２に固結材を充填する等して、最下段のブロック塊壁２０_１を構成する多段的に積み上げた複数の単体ブロック２１，２３群を連結材２５で以て一体に連結する。
連結材２５に固結材を用いる場合、固結材が小量で済むため急速施工の障害とならずに済む。

＜３＞せん断柱の挿入工
図４（Ｂ）を参照してせん断柱３０の挿入工について説明する。
連結材２５が設けられていない他の貫通孔２２にせん断柱３０を挿入する。
この際、せん断柱３０の上部を最下段のブロック塊壁２０_１の上面から真上に向けて突出させておく。

貫通孔２２を通じて配置する連結材２５とせん断柱３０は、特定方向(流下物荷重の作用方向に対して平行または直交方向)へ向けて整列させているが、ランダムに配置してもよい。
連結材２５とせん断柱３０の設置数はそれぞれ適宜選択が可能である。

２．中段のブロック塊壁の構築
図２を参照して説明すると、最下段のブロック塊壁２０_１の上面に、同様に単体ブロック２１，２３の積み上げ工、および連結材による単体ブロックの連結工を行って中段のブロック塊壁２０_２，２０_３を積み上げる。
この際、最下段のブロック塊壁２０_１と中段のブロック塊壁２０_２のとの間に水平に形成された目地部にせん断柱３０を縦向きに介挿する。

３．上段のブロック塊壁の構築
図２を参照して説明すると、中段のブロック塊壁２０_３の上面に、同様に単体ブロック２１，２３の積み上げ工、連結材２５による単体ブロック２１，２３の連結工、およびせん断柱３０の挿入工を行って上段のブロック塊壁２０_４，２０_５を構築して、天端に溝形の水通部１１を形成した砂防ダム１０の施工を終了する。
尚、砂防ダム１０を構成するブロック塊壁２０_１〜２０_５の積載数は例示した段数に限定されない。

このように単体ブロック２１，２３と連結材２５とせん断柱３０はそれぞれ小分けした形態で現場へ搬入でき、しかも現場での施工が容易であるので、急速施工が可能となる。

［砂防ダムの特性］
つぎに砂防ダム１０の特性について説明する。

１．砂防ダムの安定計算方法
砂防ダム１０を構成する複数のブロック塊壁２０_１〜２０_５はそれぞれブロック単位で一体構造化されていることから、ブロック単位で段積みした各ブロック塊壁２０を重力式構造物として取り扱うことが可能である。

＜１＞安定計算例
前記したように砂防ダム１０はブロック組立式でありながら、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５を重力式構造物として扱うことがでるため、砂防ダム１０の設計にあたっては、重力式ダムの安定計算法を適用することができる。

図２に示した砂防ダム１０を重力式ダムとして計算する場合、一体化された各ブロック塊壁２０_１〜２０_５における「転倒」と「滑動」について照査する。すなわち、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５毎に重力式ダムの安定計算を行う。
各ブロック塊壁２０_１〜２０_５毎の安定計算では、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５の自重と上載荷重を合せた鉛直荷重に対して、そのブロック塊壁２０_１〜２０_５が負担する土圧、および各ブロック塊壁２０_１〜２０_５上部に積載されるブロック塊壁の滑動力等の水平荷重で検討する。

例えば地上に露出する上位３つのブロック塊壁２０（２０_３〜２０_５）の区間についての「転倒」と「滑動」の安定計算例を図５に示す。
すなわち、「転倒」に対しては地上に露出する３つのブロック塊壁２０の鉛直力（総自重）について検討し、「滑動」に対してはブロック塊壁２０の目地部の滑動抵抗について検討すればよい。

＜２＞想定外時の設計
想定外時（想定外の荷重が作用する時）については、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５の水平の目地部で滑動（摺動）するが、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５の目地部の摩擦抵抗、および鉛直方向に配置したせん断柱３０がせん断キーとして機能することでせん断柱３０の大変形を抑制できて、最終的に砂防ダム１０の破壊を効果的に防ぐことができる。

具体的には、想定外時は各ブロック塊壁２０_１〜２０_５の目地部における滑動抵抗と、せん断柱３０のせん断抵抗について照査する。
想定外の荷重については、各ブロック塊壁２０_１〜２０_５の目地部間の摩擦およびせん断柱３０のつぶれを仕事量として計算し、土石流の衝突エネルギーとの比較で照査する。

地上に露出する上位３つのブロック塊壁２０（２０_３〜２０_５）を対象とした想定外時の設計例を図６に示す。

図７は上位のブロック塊壁２０ｕと下位のブロック塊壁２０ｄとの間に配設したせん断柱３０のつぶれのモデル図を示していて、同図の（Ａ）は流下物荷重が加わらない通常時を示しており、（Ｂ）は上位のブロック塊壁２０ｕに流下物荷重の水平力Ｆが加わったときの滑動時を示し、（Ｃ）は上位のブロック塊壁２０ｕの滑動が進行してせん断柱３０がつぶれる破壊時を示している。

滑動時はせん断柱３０と貫通孔２２との周面間に形成された隙間分だけ上位のブロック塊壁２０ｕが滑動する。
上位のブロック塊壁２０ｕにブロック塊壁２０ｕ、２０ｄ間の滑動抵抗を超えた水平力Ｆが加わると、せん断柱３０の破壊（つぶれ）が進行して摺動する。
このように想定外の荷重に対してはブロック塊壁２０ｕ、２０ｄ間の滑動による一定の変位を許容し、衝撃力を緩和することにより柔構造的に水平荷重Ｆを受けとめることができる。

［他の実施例１］
図８を参照して、ダム躯体の一部に水通用の貫通口１２を横向きに貫通して開設した他の砂防ダム１０について説明する。

＜１＞水通用の貫通口
本例の砂防ダム１０は、ブロック塊壁２０の一部にダム躯体に断面形状が閉鎖形状を呈する単数または複数の貫通口１２を開設している。
砂防ダム１０は複数の単体ブロック２１，２３を千鳥状に積み重ねて複数のブロック塊壁２０を構築するものであるから、貫通口１２を形成するために一部の単体ブロック２１，２３を抜いて組み上げてもブロック塊壁２０の自立性が損なわれることはない。

貫通口１２の断面形状、開口寸法、開設高さ等は適宜選択可能である。
この貫通口１２はブロック塊壁２０の境界部に面して形成してもよいし、境界部から離れた位置に形成してもよい。
さらに、間隔を隔てて複数の貫通口１２を横列または縦列させて形成することも可能である。

＜２＞本例の効果
従来の砂防ダムは満砂状態になると、水や土石と共に流木が下流側へ越流してしまい下流側で甚大な流木被害を生じる危険性がある。
砂防ダムの機能回復方法として、堆積した土石等を取り除く浚渫方法が知られているが、多くの浚渫コストと時間を要することからその実績が少ない。

本例では、砂防ダム１０の中間部に開設した貫通口１２を通じて水や土石等を放出できるので、ブロック組立式の砂防ダム１０であっても水位の急上昇と土石の堆積を抑制しつつ、流木被害を低減することができる。

従来、複数のブロックを三次元的に組み上げたブロック組立式の砂防ダムが知られているが、ブロックの縦横方向に形成される目地部が分離不能に連結した構造となるために、自立性確保の観点から一部のブロックを抜いて組み上げることができなかった。

これに対して、本発明の砂防ダム１０では複数の単体ブロック２１，２３を千鳥状に積み重ねただけの構造であるから、貫通口１２を形成するために一部の単体ブロック２１，２３を抜いて組み上げてもブロック塊壁２０の自立性が損なわれることはない。
したがって、ブロック組立式の砂防ダム１０でありながらダム躯体の任意の位置に水通用の貫通口１２を開設することができる。

［他の実施例２］
ブロック塊壁２０を構成する単体ブロック２１,２３の上下左右の接合面は平滑に形成して接合しもよいが、その接合面に互いに嵌合可能な凹凸を形成して所謂インロー嵌合させてもよい。
隣り合う各単体ブロック２１,２３の接合面をインロー嵌合させると、ブロック塊壁２０の一体性がより高まり、連結材２５による連結負担を軽減できる。

［他の実施例３］
以上の実施例ではブロック塊壁２０の目地部を構成する上下の接合面を平滑に形成した形態について説明したが、目地部の接合面に互いに嵌合可能な凹凸を形成して接合させることも可能である。
本例における凹凸嵌合とは、ブロック塊壁２０の水平滑動を完全に規制する完全嵌合状態を意味するものではなく、想定外時に目地部に凹凸の嵌合力を越えた水平力が作用するとブロック塊壁２０の滑動を許容する不完全嵌合状態を意味する。
このような不完全嵌合手段としては、例えば凹凸の嵌合深さを浅くするか、または凹凸の表面を傾斜させて嵌合抵抗を小さくしたり、或いは凸部のみを脆弱に形成して受撃時に凸部が破壊するように構成したりする等の嵌合構造を適用できる。

本例にあっては、ブロック塊壁２０を上下に積み上げる際の目地部の位置決めが容易になって施工性が向上する。さらにブロック塊壁２０間の目地部に高い止水性が求められるときは目地部にシール材等を貼付することにより対応が可能となる。

１０・・・・・砂防ダム
１１・・・・・水通部
１２・・・・・貫通口
２０・・・・・ブロック塊壁
２０_１〜２０_５・・・ブロック塊壁
２１・・・・・単体ブロック
２２・・・・・貫通孔
２３・・・・・単体ブロック
２５・・・・・連結材
３０・・・・・せん断柱

Claims (6)

1. 現場で構築されて多段的に積み重ねられた複数のブロック塊壁と、上下に隣接させたブロック塊壁の目地部間を縦方向に貫通して位置し、受撃時にせん断キーとして機能する複数のせん断柱とを具備する重力式の砂防ダムであって、
   前記ブロック塊壁は複数の単体ブロックと、
   前記複数の単体ブロックの間を縦方向に貫通して一体化する連結材とからなる集合体であり、
   前記単体ブロックは縦向きに貫通する複数の貫通孔を有し、
   複数の単体ブロックが、前記一部の貫通孔に挿通された連結材を通じてブロック塊壁単位で一体に連結された重力式構造物として形成されていることを特徴とする、
   ブロック組立式砂防ダム。
2. 連結材が挿通されていない他の貫通孔と、複数のブロック塊壁の目地部に跨って位置させたせん断柱との周面間に隙間が形成されていて、該隙間を通じてブロック塊壁が滑動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のブロック組立式砂防ダム。
3. 前記せん断柱は受撃時にせん断変形が可能な鋼材であることを特徴とする、請求項１または２に記載の砂防ダム。
4. 前記せん断柱はブロック塊壁の高さ方向に沿って配設されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載のブロック組立式砂防ダム。
5. ブロック塊壁を構成する複数の単体ブロックを千鳥状に積み重ねたときに貫通孔が同一の鉛直線上に揃うように、前記単体ブロックの板面に複数の貫通孔が等間隔に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載のブロック組立式砂防ダム。
6. 前記ブロック塊壁に単数または複数の水通用の貫通口が横向きに貫通して形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載のブロック組立式砂防ダム。

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