JP2021063360A - 既設石積み砂防堰堤の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本件発明は、前記従来の砂防堰堤構築の変遷、砂防堰堤構築状況の変化に鑑みて創案されたものであり、多量の粗石を配置し間隙にコンクリートを詰める施工方法により構築され、空隙の多さと水抜け等の問題のある石積み砂防堰堤の補強、特に川幅方向の両端部に位置する袖部の補強（緩衝工）を簡単な施工で確実に、かつ施工コストを安価にして行える既設石積み砂防堰堤の補強構造を提供する。【解決手段】本発明は砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部１用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部１を構築したことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、既設石積みされた砂防堰堤の補強構造に関するものである。

砂防堰堤は、昭和５１年頃鋼製透過型堰堤が登場する以前、コンクリート重力式不透過型堰堤が主流であった。砂防堰堤におけるコンクリートの本格的な使用は大正５年の芦安堰堤（山梨県）とされている。

しかし、芦安堰堤は多量の粗石を配置するいわゆる粗石コンクリート構造で構成された砂防堰堤であり、同構造の堰堤はそれ以前の空石積み堰堤に代わって急速に普及し、昭和２０年代頃まではほとんどの砂防堰堤が粗石コンクリート構造となっていた。

ところが、技術の進展、施工機械の発達・普及とともに粗石を用いない純コンクリートの使用が多くなり、昭和３８年頃を最後に砂防堰堤の構築には粗石コンクリートは用いられなくなった。

近年、砂防堰堤の長寿命化に対するニーズの高まりとともに、砂防堰堤の堤体材料の老朽化状況の評価が重要になってきている。老朽化は、施工後の外力による損傷が影響することもあるが、施工時のコンクリートの品質も大きく影響している。

ここで、長寿命化対策を行ううえでの基礎資料として、砂防堰堤の施工技術の変遷を整理し、現在のコンクリートの品質に影響する内部構造との関連について検討すると、砂防堰堤にコンクリートが用いられ始めた大正期は全て人力施工で行われ、運搬手段の制約等もありコンクリートは昭和に入ってからも長らく現場で製造されていた。

手作業の時代のコンクリートは、鉄板を敷いてそこにセメント、砂、骨材、水をスコップで練り混ぜ、製造していた。昭和２０年代からはコンクリートミキサーが普及しはじめた。昭和３３年には河川砂防技術基準（建設省、1958）が制定され、同基準の記述でミキサー利用が必須となった。その他の施工方法についても同基準によって規定され、以後は品質のばらつきが少なくなったものと考えられる。

昭和２４年頃に民間の生コン製造が始まるが、山間部が主体の砂防工事では運搬環境等も影響して、現場練りが長らく行われていた。昭和４３年の「現場技術者のための砂防・地すべり防止工事ポケットブック」（矢野義男、1968）では一部で生コンが使用されている旨の記載があるが、現場練りのための記載が多く、この頃も生コンは普及していなかったものとみられる。昭和５０年代には、生コンが普及する。

大正期のコンクリート打設は突き棒を用いて突き固めを行っていた。突き棒は直径約１ｃｍの棒で、作業員がそれを突き下ろしてコンクリート内の空隙をなくしていた。昭和２０年代まではほぼ突き棒を用いていたが、昭和３３年の河川砂防技術基準では、砂防工事におけるコンクリートの打設方法としてバイブレータと突き棒の使用が併記され、昭和３０年代でバイブレータの普及がはじまったことがわかる。同年発行の「砂防工学」（伊藤武夫、1958）にはバイブレータのみの記載しかなく、ほぼこの時期にはバイブレータが普及していたものとみられる。

大正５年頃に施工着手された芦安堰堤は前記のように、粗石コンクリート構造の砂防堰堤であり、砂防堰堤は粗石コンクリート構造の砂防堰堤が昭和２０年代までは主流であった。

砂防堰堤における粗石コンクリートの施工は、３０〜４０ｃｍ程度の打設層ごとに粗石を配置し、コンクリートを突き固めるものであり、バイブレータ登場以前は突き棒を用いた突き固めを行っていた。

多くの技術書では、コンクリートは中埋石の周囲を含めて密に充填するとされていたが、実際には粗石の周囲（特に下部）や打設層下部では突き固めが十分にできず、空隙や多孔質の状態が残ることも多かった（尾関ほか、2010）。そして、しばしば打設層下部で連続的な空隙卓越部が生じ、層状の弱部を形成していた。また、粗石の下部にもコンクリートが十分に充填されず、空隙となっているところが多かった。

従って、昭和２０年代以前に施工した施設では、堤体断面において多孔質部分のセメントペーストが流出してオコシ状、砂礫状となった脆弱部がしばしばみられる。

昭和３０年代になると粗石の周囲等では空隙が残存しがちであるが、比較的密に充填されるものが多くなり、これはバイブレータの普及時期と重なっている。ただし、昭和３８年の会計検査院の指摘は、孔内に注入した水がすぐに抜けたことによるものであり、現在のコンクリートに比べると多孔質の施設も多かったものと考えられる。この指摘によって以後、粗石コンクリートの使用は廃止となり、純コンクリート主流の時期となったのである。

粗石コンクリートは、手作業主体の時期には、表面の石積み作業との施工サイクルも合い、効率的な施工であった。しかし、昭和２０年代後半からミキサーやケーブルクレーンなどの機械化が進み、昭和３０年代にはかなり普及が進んでいた。機械化により１回あたりの打設能力が増加し、人力作業が必要な粗石の配置や粗石周辺の突き固め作業が非効率なため、純コンクリートに移行しつつある時期でもあった。会計検査院の指摘はそのような時期に発生したものであり、これを契機として、砂防工事での廃止の方針が出されたものである。

今回、本件出願の発明者らが発明した既設石積み砂防堰堤の補強構造、すなわち、石積み砂防堰堤の緩衝工が必要とされる石積み砂防堰堤は、多量の粗石を配置し、間隙にコンクリートを詰める施工方法により構築されたもので、大正5年くらいから昭和30年にかけて普及し、昭和38年に、空隙の多さと水抜け等の問題から会計検査院の指摘により廃止となった砂防堰堤が対象とされるものである。

特開２０１８−２１３３３号公報

本件発明は、前記従来の砂防堰堤構築の変遷、砂防堰堤構築状況の変化に鑑みて創案されたものであり、多量の粗石を配置し間隙にコンクリートを詰める施工方法により構築され、空隙の多さと水抜け等の問題のある石積み砂防堰堤の補強、特に川幅方向の両端部に位置する袖部の補強（緩衝工）を簡単な施工で確実に、かつ施工コストを安価にして行える既設石積み砂防堰堤の補強構造を提供することを目的とするものである。

本発明は、
砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築した、
ことを特徴とし、
または、
砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築してなり、
前記粉末粘土は、粘土系鉱物より採掘された採掘物を水洗・分級・濃縮・濾過し、前記濾過した濾過物をフィルタープレスケーキとし、該フィルタープレスケーキを乾燥・粉砕の工程を経て微粉砕して生成した、
ことを特徴とし、
または、
砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築してなり、
前記粉末粘土は、粘土系鉱物より採掘された採掘物を水洗・分級・濃縮・濾過し、前記濾過した濾過物をフィルタープレスケーキとし、該フィルタープレスケーキを乾燥・粉砕の工程を経て微粉砕して生成し、該粉末粘土の粉末度はブレーン比表面積5,000 cm²/g以上である、
ことを特徴とし、
または、
前記補強部は、既設石積み砂防堰堤の袖部後方側に向かって所定の長さまで構築して略方形体状をなす基本部を構成すると共に、該基本部の後端部から下り傾斜状の斜面部を有して構成された、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、多量の粗石を配置し、間隙にコンクリートを詰める施工方法により構築され、空隙の多さと水抜け等の問題のある石積み砂防堰堤の補強、特に川幅方向の両端部に位置する袖部の補強（緩衝工）を簡単な施工で確実に、かつ施工コストを安価にして行えるとの優れた効果を奏する。

本発明の構成を説明する構成説明図である。

以下、図に基づいて本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1に補強すべき既設の石積み砂防堰堤を示す。
図から理解されるように、該既設の石積み砂防堰堤の補強に際しては、上流側が満砂状態になっている既設の石積み砂防堰堤の補強工（緩衝工）の場合が多いと考えられる。

従って、この満砂線より上側の袖部を補強すべく既設の石積み砂防堰堤の補強部１を形成するものとなる。尚、満砂状態になっていない場合は、砂防ダム本体についても補強部１を形成することもある。

この補強部１は、図に示すように、前記既設石積み砂防堰堤の袖部２の上端面の高さとほぼ同等の高さにした厚みとしてある。土石流による前記袖部２の損壊、破損を防ぐためである。

そして、前記袖部２の後方側、すなわち上流側に向かって約３メートルの長さまで構築し、略方形体状をなす基本部３を構成する。尚、前記約３メートルの長さに限定されるものではなく、現場の状況によって３メートルより長くなる場合もあり、短くする場合もある。ここで、約３メートルの長さは、この基本部３の上面に締め固め用の重機が搭載されて締め固めなどの作業が必要になるからである。一般に重機が搭載されて作業が出来る上面の広さは約３メートル程度となる。

さらに、前記基本部３の後端部側、すなわち上流側端部から下り傾斜状の斜面部４が形成される。ここで前記斜面部４の傾斜角度については何ら限定されない。すなわち、現場の状況により、緩やかな傾斜にして斜面部４の長さが長くなる場合もあるし、短くする場合もある。しかしながら、具体的には、下り傾斜角度は約３０度から４５度程度であると考えられる。また、斜面部４は比較的長い方が土石流からの衝撃を緩衝できるものとなる。

ここで、本発明においては、補強部１の形成に際して、土石流の衝突による衝突吸収性に優れた柔らかい構造であることが求められる。

土石流の衝突による衝突吸収性に優れた柔らかい構造の補強部１を形成する際に、まず考えられるのは、セメントの量を少なくすることである。しかしながら、セメントは高い強度を出すことは容易であっても、小さな強度を目標としてセメント量を調整することはきわめて困難である。特に、現地発生材が砂礫土砂や河床堆積物の場合はセメントが効きやすく、低強度にするにはごく少量のセメントを使用することになるが、少量の混合量の場合には施工ムラが生じやすく、未混合部が多くなり、目視での品質確認も出来ないため品質信頼性が著しく劣ることとなるからである。

そこで本件発明者らは、この補強部１の構築に際し、砂、砂礫土砂あるいは河床堆積物に乾燥した粉末粘土及びセメントを添加し、緩衝効果に優れた補強部１の構築に成功したものである。

すなわち、セメントに砂、砂礫土砂あるいは河床堆積物の粒度に応じて乾燥した粉末粘土からなる細粒分を混入し、強度を低下させても品質劣化を生じさせない補強部１が形成でき、しかも現場の補強すべき石積み砂防堰堤の要求される強度に応じてセメントの割合と粉末粘土の割合を変更して低強度にしうる補強部１が構築できる創案を発明したものである。

そして、本発明によれば、転圧機械による締め固めにより構築する転圧タイプ、セメントミルク等を添加し、自硬性により固化する流動タイプのいずれの方法によっても施工が可能である。さらに流動タイプの場合は、狭小な施工現場でも施工が可能となるとの利点もある。

このように、セメントと共に砂や砂礫土砂、河床堆積物に乾燥した粉末粘土を混合することによって、強度増進を抑制することが出来る。すなわち、砂、砂礫土砂、河床堆積物や粉末粘土は安定的な材料であるため、スムーズに強度を落とすことが可能である。そして、粉末粘土の細粒分を加えることで柔らかく、土石流などの衝突時には凹んで衝突の衝撃を緩衝する性能が期待できる。また、粉末粘土は扱いやすく、混合性に優れていることも大きな特徴となる。また、セメントの添加量を少なくするのではないため、強度にムラが生じにくく品質の信頼性が高い。

ここで、本発明で使用する粉末粘土につき説明する。
粉末粘土は、当初、土木用乾燥粘土として、開発されたもので、例えば栃木県の佐野地区に珪石と共に産出する粘土系鉱物より採掘されたものである。そして、前記採掘物を水洗・分級・濃縮・濾過し、前記濾過した濾過物をフィルタープレスケーキとし、該フィルタープレスケーキを乾燥・粉砕の工程を経て微粉砕したものである。

その為、前記粉末粘土は、次のような特長を有する。すなわち、微粒子であるため、分離が小さい。セメントと比較してプレーンで、5,000cm²/g以上に微粉砕されているため材料分離が起こりにくくなっている。次、流動性が良好である。各粒径が均等に分布しているため、モルタルとしての流動性が著しく改善されている。さらに、粘性が大きい。粘土鉱物が微粉砕されているため、高い粘性が確保されている。そして、さらに、粒子が小さく、かつ密度が小さいため、モルタル中で均等に分散され、品質の安定化が図れる。採掘した粘土鉱物（天然鉱産物）を水桶処理した後、前記の乾燥・粉砕の工程を経て大量生産されるので品質の安定性が確保できる。

ここで、本発明で使用する粉末粘土の製造規格の一例について説明すると、
（１）粒度規格保証
湿式フルイ残分 ７５μｍ １５％以下
（２）水分規格保証
工場出荷時３．０％以下
物理的性質
粉末度 ブレーン比表面積5,000 cm²/g以上
真密度 ２．６０〜２．７５g/ cm³
かさ密度 ０．６０〜０．８０g/ cm³
との製造規格の例となる。

次に、前記補強部１の形成につき説明する。
補強部１の形成につき、骨材となる砂、砂礫土砂、河床堆積物は、例えば、補強すべき山中の砂防堰堤からできるだけ近傍に存在するものが使用できる。

次に、セメントにつき述べる。セメントは、一般に販売されているコンテナパックを使用できる。荷姿は１tでセメントの種類は普通セメントか高炉セメントＢ種が一般的である。骨材となる砂、砂礫土砂、河床堆積物とセメントに粉末粘土を混合するものとなる。

砂、砂礫土砂、河床堆積物やセメント、粉末粘土を練り混ぜる水の供給につき述べる。練り混ぜ水については、砂防堰堤が山中にあるとき、その山中に存する河川の水を利用することが考えられる。すなわち、前記河川水を水中ポンプで汲み上げ、汲み上げた河川水を５〜１０ｍ³程度の練り混ぜ水用水槽に貯めておくのである。従って、前記練り混ぜ水用水槽の設置場所は、山中にある河川の近傍位置が好ましい。尚、前記練り混ぜ水の計量については、計量計を使用して行っている。

混和剤は前記貯留した河川水を利用し、この水で希釈して生成できる。すなわち、一般に販売されているＡＥ混和剤などを現場で１〜２ｍ³の混和剤用水槽に５〜１０倍液に希釈して貯めておくのである。尚、場合によっては前記混和剤について希釈しない原液を使用してもかまわない。また、前記混和剤の計量についても計量計を使用して行うものとなる。

ここで、砂、砂礫土砂、河床堆積物、セメント、粉末粘土、各々水槽に貯留された混練り用の水及び該水で希釈された混和剤とを有して補強部１形成用の現場練り材料が構成されるものとなる。

そして、この補強部１形成用の現場練り材料は、粉末粘土の細粒分を加えることで柔らかく、土石流などの衝突時には凹んで衝突の衝撃を緩衝する機能を果たすものとなる。

１ 補強部
２ 袖部
３ 基本部
４ 斜面部

Claims (4)

1. 砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築した、
   ことを特徴とする既設石積み砂防堰堤の補強構造。
   
2. 砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築してなり、
   前記粉末粘土は、粘土系鉱物より採掘された採掘物を水洗・分級・濃縮・濾過し、前記濾過した濾過物をフィルタープレスケーキとし、該フィルタープレスケーキを乾燥・粉砕の工程を経て微粉砕して生成した、
   ことを特徴とする既設石積み砂防堰堤の補強構造。
   
3. 砂、砂礫土砂、セメントに、粉末粘土からなる細粒分を混入して補強部用の材料を生成し、前記生成した材料を既設石積み砂防堰堤の上流側に打設して補強部を構築してなり、
   前記粉末粘土は、粘土系鉱物より採掘された採掘物を水洗・分級・濃縮・濾過し、前記濾過した濾過物をフィルタープレスケーキとし、該フィルタープレスケーキを乾燥・粉砕の工程を経て微粉砕して生成し、該粉末粘土の粉末度はブレーン比表面積5,000 cm²/g以上である、
   ことを特徴とする既設石積み砂防堰堤の補強構造。
   
4. 前記補強部は、既設石積み砂防堰堤の袖部後方側に向かって所定の長さまで構築して略方形体状をなす基本部を構成すると共に、該基本部の後端部から下り傾斜状の斜面部を有して構成された、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の既設石積み砂防堰堤の補強構造。

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