JP2020193557A - 結合ダム及びその施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】治水や水力工事の新型ダム構築材料技術を使用した結合ダムおよびその施工方法を提供する。【解決手段】結合ダムは、順次積層された複数の施工層を含み、各施工層は、下から上に向かって順次積層された第１の結合砂利石層１と、結合ロックフィル層２と、第２の結合砂利石層３とを含み、結合ロックフィル層２における骨材の粒径は１５０ｍｍより大きく、第１の結合砂利石層１及び第２の結合砂利石層３における骨材の粒径は１５０ｍｍ以下であり、挟み込み舗装及び転圧により施工する。【選択図】図１

Description

本発明は治水や水力工事の新型ダムの構築という技術分野に関し、特に結合砂利石（Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｓａｎｄ， Ｇｒａｖｅｌ ＆ Ｒｏｃｋ）とロックフィル（Ｒｏｃｋｆｉｌｌ）からなる新型結合ダム（Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄａｍｓ）およびその施工方法に関する。

大きな体積の建築物として、治水や水力工事の建築材料の消費量は非常に大きい。例えば、小川における２０ｍの高さの重力ダムは、１００００〜２００００ｍ^３のコンクリートを消費する必要がある。治水や水力工事は、普通、建築材料の精密仕上げ、高規格高配置、又は専門の高級商業用コンクリートの購入を必要としない。水利水電工事は、普通、（ｉ）近くに取材すること、（ｉｉ）現地にある天然骨材或いは人工廃棄材を十分に利用すること、（ｉｉｉ）骨材の生産プロセスを簡略化すること、（ｉｖ）セメントなどの結合材の使用量を低減することに注目しており、その目的は工事のコストを低減し、建築材料の生産プロセスにおける環境への影響及び破壊を軽減し、可能な限りエネルギーを節約すると共に、廃棄物と有害物の排出を減らすことである。

ここ数十年、治水や水力工事は依然として普通のコンクリート材料を用いて建造されており、コンクリートの使用量は次第に減少している。１９８０年代に開発された転圧コンクリートはセメントなどの結合材の使用量の低減には有用であるが（第（ｉｖ）を満たす）、材料の入手が非常に不便であり、第（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の十分性では依然として普通のコンクリートと類似している。近年、結合砂利石、結合ロックフィル、ロックフィルコンクリートなどのダム建設材料が相次いで開発されている。この３種類の材料は第（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）の十分性で大きな突破を得たが、依然として骨材の分離、添加剤の需要量が大きいなどの欠点がある。

従来技術における特許（公開番号ＣＮ１０５３６６９７３Ａ）の結合砂利石ダムは、通常、最大許容粒径が１５０ｍｍである骨材を採用しており、通常、１５０ｍｍを超えるロックフィル骨材を取り除いたり、粒径が１５０ｍｍを超える骨材を破砕したりすることで、使用される骨材の粒径が当該要求を満たすことを確保している。結合砂利石ダムの建設で使用される骨材は一般に混練設備を用いて製造され、１５０ｍｍを超える骨材は混練が困難であり、且つ大粒径の骨材は混練過程において、骨材の分離現象が深刻であり、現在の結合砂利石の施工方法は１５０ｍｍ以上の骨材の分離問題を解決しにくく、この問題はダムの施工品質に対し深刻な影響を与えている。

治水や水力工事の工事現場には、河道中の天然骨材、工事の坂や地盤やトンネルの掘削で発生された廃棄材（廃棄された石材）、採石場で採掘された石材などがあるが、その大部分は粒径が１５０ｍｍを超える石材である。これらの天然骨材を有効に利用できなければ、大きな資源浪費となり、一部のダム付近では小粒径骨材が十分に供給されることも保証できない。

当業界では、通常、粒径が１５０ｍｍ未満の骨材を砂利石と呼び、粒径が１５０ｍｍを超える骨材をロックフィル（Ｒｏｃｋｆｉｌｌ）と呼ぶ。

従来技術における上述の問題に対して、本発明は、工事現場に既存する骨材をより十分に利用し、人工的に骨材を採掘するプロセスを簡略化し、１５０ｍｍ以上の大粒径ロックフィルの隙間の結合信頼性を確保すると共に、施工品質を大幅に向上させる新型結合ダムおよびその施工方法を提供している。従来技術と比較して、結合ダムの骨材の粒径範囲は１５０ｍｍ以下の全ての寸法及び１５０ｍｍ以上の寸法を含み、最大粒径は工事現場の転圧機械の施工能力のみに依存し、粒径が１５０ｍｍよりも大きいロックフィル間の結合もより緊密であり、品質信頼性が高い。従来技術における治水建築材料として使用される骨材の粒径が最大で１５０ｍｍに制限される問題や、１５０ｍｍ以上の粒径の骨材を使用しても施工品質の信頼性が低いという問題を解決する。

上記発明の目的を達成するために、本発明が採用する技術案は以下のとおりである。
順次積層された複数の施工層を含み、各前記施工層は、下から上に向かって順次積層された第１の結合砂利石層と、結合ロックフィル層と、第２の結合砂利石層とを含み、結合ロックフィル層における骨材の粒径は１５０ｍｍよりも大きく、第１の結合砂利石層及び第２の結合砂利石層における骨材の粒径は１５０ｍｍ以下である結合ダムを提供している。
更に、各施工層において、第１の結合砂利石層と第２の結合砂利石層とが上下層になっており、結合ロックフィル層がコア層になっている。
更に、各施工層の厚さは４００ｍｍ〜７００ｍｍである。
上記結合ダムの施工方法は、
基礎坑を掘り、基礎の処理を行い、上流型枠と下流型枠を固定するステップ１と、
粒径が１５０ｍｍ以下の砂利石と結合材および水とを混練して、結合砂利石を形成し、基礎坑内の上流型枠と下流型枠との間に、舗装厚さが２００ｍｍ〜３００ｍｍである結合砂利石を舗装することで、前記第１の結合砂利石層（１）を形成するステップ２と、
２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧するステップ３と、
ステップ２における前記第１の結合砂利石層（１）の最終凝固する前に、粒径が１５０ｍｍ〜３００ｍｍであるロックフィルを、ステップ３における前記第１の結合砂利石層（１）の上方に舗装するステップ４と、
ロックフィルの舗装が完了した後、隣接するロックフィル間の間隔を前記第１の砂利石骨材層（１）における砂利石の最大粒径以上に調整することで、ロックフィル間の間隔は灌漑可能性があるようにさせ、ロックフィルの最大粒径はダム本体構造断面の最小辺長の１／４を超えないステップ５と、
ロックフィルの表面に水セメント比が０．７〜１．３であるセメントペーストを噴出し、セメントペーストをすべてのロックフィルの間の空隙に充填させ、且つすべてのロックフィルを包むことで、前記結合ロックフィル層（２）を形成するステップ６と、
セメントペーストの初期凝固の前に、前記結合ロックフィル層（２）の上方に、進占法でステップ２における前記結合砂利石を２００ｍｍ〜３００ｍｍの舗装厚さで舗装して、第２の結合砂利石層（３）を形成するステップ７と、
２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧するステップ８と、
転圧が完了した後、転圧後の第２の結合砂利石層（３）の頂面を指で１０ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で押圧し、押圧ピットが形成される場合、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ９を繰り返し、
押圧ピットが形成されておらず、且つ爪で擦っても擦った跡が残らない場合、下層の砂利石が露出するように第２の結合砂利石層（３）に対してバリの削取処理を行い、その後、１ｃｍ以上の厚さのセメントペーストを敷き詰め、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ９を繰り返すステップ９と、
非破壊検査方法を用いてダム本体内部の緻密状況を検出するステップ１０と、
前記緻密状況が予め設定された緻密要求値に達すると、ダム本体に対して浸透防止処理を行うステップ１１と、を備える。

更に、ステップ２における結合材は、セメントと、フライアッシュとを含み、セメントはポルトランドセメントである。

更に、結合材は、４０〜６０部のセメントと、４０〜６０部のフライアッシュとを含む。

更に、結合材は、０．１〜０．３部の減水剤と、０．２〜０．７部の凝結遅延剤と、０．２〜０．４部のガス導入剤とを更に含む。減水剤により結合材の流動性を改善でき、単位セメント使用量を減少し、セメントを節約できる。凝結遅延剤により結合材の乾燥凝固速度を遅延でき、下層材と上層材との間により良い結合性を持たせることができる。ガス導入剤の添加はダム本体の耐凍性を向上させることができる。

更に、結合砂利石の混練に用いられる水セメント比は、０．７〜１．３である。

更に、舗装過程は、いずれもスプレッダ又はバックホーを用いて作業する。

更に、ステップ３及び８において転圧できない場所があるとき、セメントペーストを添加して結合砂利石を振動して搗き砕く。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。本技術案中の結合砂利石ダムは下から上まで順番に舗装して形成され、施工時に、全ダム面転圧舗装を採用し、舗装速度を向上させ、施工周期を大幅に短縮させることができる。舗装速度を向上させるため、上層材は下層材が初期凝固する前に舗装を完成し、上層材内の骨材が沈下して、下層材の表面にはめ込むことができ、層面と層面との間に良好な結合性を持たせ、更に、骨材の分離現象を軽減させ、粒径が１５０ｍｍよりも大きい骨材を結合砂利石ダムに応用し、粒径が１５０ｍｍより大きい骨材層を、技術的に成熟した２層の小粒径骨材層の間に挟むことで、ダム本体の強度を増加させ、施工品質を保証し、砂利石の利用率を高めることができ、層間の浸透防止にも有利である。

１つの施工層が完了し、次の施工層を舗装する前に、振動ローラの転圧を採用することによって施工層全体の内部を緻密にし、施工品質を向上させ、転圧過程によって上下層間の間隔時間が延長されるため、指での押圧又は爪で擦ることによって、下層材の状態を素早く判断することができ、更に、施工方式を的確に選択することができ、下層材が最終凝固段階に入った後、下層の砂利石が露出するまでバリの削取処理を行うことで、上下層材間の摩擦係数を高めることができ、剪断強度を向上させ、層間の浸透防止に寄与し、層間の結合性を向上させることができる。

大粒径骨材層の舗装時、大粒径骨材を直接的に舗装し、混練する必要がなく、既存の混練設備が過大な粒径骨材を混練できない問題を回避する。大粒径骨材によって、ダム本体の強度を向上させ、単位セメント使用量が少なくなり、水化学熱による温度上昇が低く、亀裂が少なく、ダム本体の施工品質を向上させることができる。

結合ダムの概略構造図である。 その中で、１は第１の結合砂利石層であり、２は結合ロックフィル層であり、３は第２の結合砂利石層である。

以下、当業者が本発明を理解しやすいように、本発明の実施形態について説明するが、本発明は実施形態の範囲に限定されるものではなく、当業者にとっては、それぞれの変形は添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲内であれば、このような変形は明らかであり、本発明の思想を利用した発明創造はすべて保護の対象となる。
図１に示すように、この結合ダムは、順次積層された複数の施工層を含み、各施工層は、下から上に向かって順次積層された第１の結合砂利石層と、結合ロックフィル層２と、第２の結合砂利石層３と、を含み、結合ロックフィル層２における骨材の粒径は１５０ｍｍより大きく、第１の結合砂利石層及び第２の結合砂利石層３における骨材の粒径は１５０ｍｍ以下である。第１の結合砂利石層１と第２の結合砂利石層３の厚さは２００〜３００ｍｍであり、単一施工層の厚さは４００〜７００ｍｍである。

ダム本体の実際の高さによって、必要とする施工層の層数を決定し、施工品質を保証するため、各施工層は完全でなければならず、結合ロックフィル層２は必ず中間芯層になる。ダム本体の高さが整数個の施工層の高さではない場合には、第１の結合砂利石層１及び／又は第２の結合砂利石層３の厚さ及び／又は結合ロックフィル層２の厚さを調整することによりダム本体の施工層数を整数とすることができる。図１には二つの施工層を有する場合が示されているが、本発明の施工層の層数はこれに限られていない。

本発明の結合砂利石は少なくとも砂利石および結合材を含み、結合ロックフィルは少なくともロックフィルおよび結合材を含む。

また、本発明は、前記結合ダムに基づいて、その施工方法を提供し、具体的には、以下のステップを含む。

〈ステップ１〉
ダムの設置場所の地形を測量し、構築するダム本体の形状を設計する。一般的には、ダム本体の断面を等辺台形に設計する。さらに、ダム本体の高さｈ、ダム本体の頂面幅ｂ及びダム本体の坂面の傾斜角θを決定する。施工中に崩壊しないように、θの大きさは安息角以下、好ましくは４５°〜６０°に制御しなければならない。そして、ダム本体の高さに応じて施工層ごとに第１の結合砂利石層１、結合ロックフィル層２、第２の結合砂利石層３の具体的な高さを算出する。
ダム本体のすべてのデータが決定されたら、施工図面に従って、基礎坑を掘り、基礎処理を行い、基礎バッフルを構築し、上流型枠と下流型枠を固定し、掘り出したスラグを上流の材料取り出し区域に搬送する。前記基礎処理は、具体的には岩盤処理で会ってもよく、基礎処理とは、ダムの基礎坑内にあるバルク材を掘り、岩を露出させる処理である。この部分は本分野の従来技術であるため、ここでは説明を省略する。

〈ステップ２〉
篩分けした粒径が１５０ｍｍ以下の砂利石を結合材および水とともに撹拌タンクに入れて混練する。その中で、砂率は２５％である。結合材は、４０〜６０部のセメントと、４０〜６０部のフライアッシュとを含み、好ましくは、５０部のセメントと５０部のフライアッシュを含む。セメントは、ポルトランドセメントである。結合材は、０．１〜０．３部の減水剤と、０．２〜０．７部の凝結遅延剤と、０．２〜０．４部のガス導入剤とを更に含んでもよい。好ましくは、０．３部の減水剤、０．７部の凝結遅延剤、及び０．３部のガス導入剤を含んでもよい。水使用量を変えることによって水結合材比と水セメント比を０．７〜１．３に制御することで、混練して得られた結合砂利石の相対密度を最大にして、均一に攪拌して結合砂利石を得る。
上記のように得られた結合砂利石を結合ダム骨材として基礎坑に搬入し、スプレッダ又はバックホーを使用して上流型枠と下流型枠との間に舗装し、舗装厚さは、ステップ１でダム本体の高さから計算された第１の結合砂利石層１の厚さであり、２００ｍｍ〜３００ｍｍの間にある。

〈ステップ３〉
２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧する。

〈ステップ４〉
ステップ２における第１の結合砂利石層１の最終凝固の前に、篩分けられた粒径が１５０ｍｍより大きく（好ましくは、粒径が１５０ｍｍ〜３００ｍｍである）質が硬いロックフィルを、スプレッダ又はバックホーを用いてステップ３で転圧された第１の結合砂利石層１の上方に舗装する。

〈ステップ５〉
舗装が完了した後、人工計測や画像走査方式により、ロックフィル間の間隔を取得し、隣接するロックフィル間の間隔を第１の砂利石骨材層１における砂利石の最大粒径以上に調整することで、ロックフィル間の間隔は灌漑可能性があるようにさせ、ロックフィルの最大粒径はダム本体構造断面の最小辺長の１／４を超えないようにする。前記調整は、人手やショベルカー等により行うことができる。ロックフィル間の間隔は灌漑可能性があるとは、ロックフィル間の間隙がグラウト材料の充填を受けることができるという特性を意味する。

〈ステップ６〉
ロックフィルの表面にセメントペーストを噴出し、セメントペーストの水セメント比が０．７〜１．３であり、セメントペーストをすべてのロックフィルの間の空隙に充填させ、且つすべてのロックフィルを包むことで、結合ロックフィル層２を形成する。

〈ステップ７〉
セメントペーストの初期凝固する前に、結合ロックフィル層２の上方に、進占法でステップ２の方式で混練された結合砂利石を舗装して、第２の結合砂利石層３を形成する。舗装厚さは、ステップ１でダム本体の高さから計算された第２の結合砂利石層３の厚さであり、２００ｍｍ〜３００ｍｍである。さらに、結合砂利石における大きな粒径の骨材が集中して分布する現象を回避する必要がある。その中で、進占法とは、排材舗装方法の一つである。進占法は、ダンプトラックにより平らになった松土層の上を走行しながら材料を排出し、ブルドーザーを用いて松土層から下向きかつ前向きに材料を平らにする方法である。進占法は舗装層の厚さをコントロールしやすく、表面が平らになりやすく、圧密設備の稼働条件が良い。

〈ステップ８〉
２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧し、緻密に転圧し、転圧の緻密な程度の判定基準は施工層全体の厚さが２０〜３０％低減することであり、転圧できない場所に対しは、セメントペーストを添加しゲル化砂利石を振動して搗き砕き、強度を増加させる。

〈ステップ９〉
転圧が完了した後、転圧後の第２の小粒径骨材層頂面を指で１０ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で押圧し、押圧ピットが形成される場合、下層材が初期凝固していないことを意味するため、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ８を繰り返す。押圧ピットが形成されておらず、且つ爪で擦っても擦った跡が残らない場合、下層材が既に最終凝固段階に入っていることを意味するため、下層の砂利石が露出するように第２の小粒径骨材層に対してバリの削取処理を行う必要があり、その後、１ｃｍ以上の厚さのセメントペーストを敷き詰め、層間の良好な結合性を保証したうえ、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ８を繰り返す。

〈ステップ１０〉
非破壊検査方法を用いてダム本体内部の緻密状況を検出する。ここで、緻密状況とは、転圧後のダム内部の材料の緻密程度を示すパラメータである。緻密状況としては、締固め度、締固め厚さ、相対緻密度等を採用することができる。締固め度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）とは、土または他の道路建築材料の圧密後の乾燥密度と標準最大乾燥密度との比であり、百分率で表される。圧密厚さ（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）とは、各転圧作業層が転圧によって、設計上必要とされる見かけ密度または相対緻密度に達した場合の厚さを意味する。前記相対緻密度（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ）とは、施工倉面の実測見かけ密度と転圧コンクリート室内試験で得られた基準見かけ密度との比である。結合ロックフィル層２の任意の断面は相対的に緻密であり、結合ロックフィル層２中の骨材が第１の結合砂利石層１中に沈み込む深さは第１の結合砂利石層１の合計厚さの２０％〜３０％を超えてはならない。

〈ステップ１１〉
前記検出された緻密状況が予め設定された緻密要求値に達した場合、ダム本体の上流面と下流面とに対して浸透防止処理を行う。前記緻密要求値は、ダム工事の技術要求などによって予め設定することができる。

Claims (7)

1. 結合ダムの施工方法であって、
   前記結合ダムは、順次積層された複数の施工層を含み、各前記施工層は、下から上に向かって順次積層された第１の結合砂利石層（１）と、結合ロックフィル層（２）と、第２の結合砂利石層（３）とを含み、前記結合ロックフィル層（２）における骨材の粒径は１５０ｍｍより大きく、前記第１の結合砂利石層（１）及び前記第２の結合砂利石層（３）における骨材の粒径は１５０ｍｍ以下であり、各前記施工層において、第１の結合砂利石層（１）と前記第２の結合砂利石層（３）とが上下層になっており、結合ロックフィル層（２）がコア層になっており、各前記施工層の厚さは４００ｍｍ〜７００ｍｍであり、
   基礎坑を掘り、基礎の処理を行い、上流型枠と下流型枠を固定するステップ１と、
   粒径が１５０ｍｍ以下の砂利石と結合材および水とを混練して、結合砂利石を形成し、基礎坑内の上流型枠と下流型枠との間に、舗装厚さが２００ｍｍ〜３００ｍｍである結合砂利石を舗装することで、前記第１の結合砂利石層（１）を形成するステップ２と、
   ２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧するステップ３と、
   ステップ２における前記第１の結合砂利石層（１）の最終凝固する前に、粒径が１５０ｍｍ〜３００ｍｍであるロックフィルを、ステップ３における前記第１の結合砂利石層（１）の上方に舗装するステップ４と、
   ロックフィルの舗装が完了した後、隣接するロックフィル間の間隔を前記第１の砂利石骨材層（１）における砂利石の最大粒径以上に調整することで、ロックフィル間の間隔は灌漑可能性があるようにさせ、ロックフィルの最大粒径はダム本体構造断面の最小辺長の１／４を超えないステップ５と、
   ロックフィルの表面に水セメント比が０．７〜１．３であるセメントペーストを噴出し、セメントペーストをすべてのロックフィルの間の空隙に充填させ、且つすべてのロックフィルを包むことで、前記結合ロックフィル層（２）を形成するステップ６と、
   セメントペーストの初期凝固の前に、前記結合ロックフィル層（２）の上方に、進占法でステップ２における前記結合砂利石を２００ｍｍ〜３００ｍｍの舗装厚さで舗装して、第２の結合砂利石層（３）を形成するステップ７と、
   ２０Ｔ以上の振動ローラを用いて１．０〜１．５ｋｍ／ｈの転圧速度で２回静転した後、更に８回振動転圧するステップ８と、
   転圧が完了した後、転圧後の第２の結合砂利石層（３）の頂面を指で１０ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力で押圧し、押圧ピットが形成される場合、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ９を繰り返し、
   押圧ピットが形成されておらず、且つ爪で擦っても擦った跡が残らない場合、下層の砂利石が露出するように第２の結合砂利石層（３）に対してバリの削取処理を行い、その後、１ｃｍ以上の厚さのセメントペーストを敷き詰め、施工層数が設計要求に達するまでステップ２〜ステップ９を繰り返すステップ９と、
   非破壊検査方法を用いてダム本体内部の緻密状況を検出するステップ１０と、
   前記緻密状況が予め設定された緻密要求値に達すると、ダム本体に対して浸透防止処理を行うステップ１１と、を備えることを特徴とする施工方法。
2. ステップ２における前記結合材は、セメントと、フライアッシュとを含み、前記セメントはポルトランドセメントであることを特徴とする請求項１に記載の結合ダムの施工方法。
3. 前記結合材は、４０〜６０部のセメントと、４０〜６０部のフライアッシュとを含むことを特徴とする請求項２に記載の結合ダムの施工方法。
4. 前記結合材は、０．１〜０．３部の減水剤と、０．２〜０．７部の凝結遅延剤と、０．２〜０．４部のガス導入剤とを更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の結合ダムの施工方法。
5. 前記結合砂利石の混練に用いられる水セメント比は、０．７〜１．３であることを特徴とする請求項１に記載の結合ダムの施工方法。
6. 舗装過程は、いずれもスプレッダ又はバックホーを用いて作業することを特徴とする請求項１に記載の結合ダムの施工方法。
7. ステップ３及び８において転圧できない場所があるとき、セメントペーストを添加して結合砂利石を振動して搗き砕くことを特徴とする請求項１に記載の結合ダムの施工方法。