JP3698629B2 - 透過型ダムユニットおよび透過型ダム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に土石流対策用として開発された透過型ダムユニットおよび透過型ダムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、砂防堰堤は、急激な土砂の流出による山間部地域の荒廃や滞砂による貯水機能の低下などを防止するために従来から数多く設置されており、また梅雨、台風などに伴う集中豪雨で発生する土石流の被害から民家・施設・道路などを守るためにも早急な設置が望まれる所である。
【０００３】
ここでいう土石流は、土砂の運搬形態が掃流や土砂流とは著しく異なり、水と土砂とが高密度で一体となって流れる流体のことで、土石流における土砂の流速はきわめて速く、土石流中の礫は非常に大きな運動エネルギー有する。
【０００４】
このため、土石流中の礫が、土砂災害を防止するために河川に設置された砂防堰堤などの構造物に衝突すると、この構造物は非常に大きな衝撃力を受けることになる。
【０００５】
従来より、砂防堰堤としては、例えば図４に図示するようなコンクリート製の重力式砂防堰堤が一般的に施工されてきた。この重力式砂防堰堤は、土石流中の礫が衝突することにより発生する衝撃力を、その巨大な自重によって受け止め、安定を保つものである。
【０００６】
しかし、このようなコンクリート製の砂防堰堤は、小さな礫・泥水まで堰き止め、完全貯留してしまういわゆる不透過型が大半を占めている。また、小さな礫・泥水まで完全に貯留する反面、急速に土砂が堆積してしまい、砂防堰堤としての機能を短期間の間に失ってしまうという大きな欠点を有している。さらには、築堤に巨額の費用と日数を要するという欠点も有している。
【０００７】
ところで、最近では、下流への自然な土砂運搬が河岸および海岸の浸食防止に必要に欠かせない事象であること、また魚類などの生態系に対しても同様に通常時の下流への土砂流入を保全すべきとの考えが明確に打ち出されてきている。
【０００８】
このため、流下土石のうち、大きな礫のみを阻止し、小さな礫や泥水は下流に通過させる透過型砂防堰堤が提案され、特に鋼製の透過型砂防堰堤として、これまでさまざまなタイプのものが多数提案され、実用に供されている。
【０００９】
その一例として、例えば図５（ａ）に図示するように複数のセル構造物１０を平面的に互い違いに（千鳥状に）点在配置することで、土石流が発生した際、土石流中の巨礫ａはセル構造物１０によって堰止められ、小さな礫・泥水のみが隣接するセル構造物１０と１０との間を流れるようにした透過型の砂防堰堤が知られている。
【００１０】
なお、この場合の各セル構造物１０は、円筒状のセル（鋼殻）内に現地で大量に得られる砕石などを充填することにより構築されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述するようなセル構造方式の砂防堰堤の場合、図５（ｂ），（ｃ）に図示するように、隣接するセル構造物１０，１０間の開口部１２の開口幅Ｗが、土石流発生時に想定される巨礫の最大径から決定されるため、自ずとその開口幅Ｗ、すなわちセル構造物１０の配置間隔に制限があり、一般的に想定される最大巨礫径の１．５倍程度までが目安とされている。
【００１２】
このためセル構造物１０，１０間の開口部１２（以下「透過部１２」という）は、せいぜい１〜２ｍ程度が実情で、セル構造物１０の大きさが１０〜２０m 程度であるに比し、かなり狭いものとせざるを得なかった。
【００１３】
透過部１２が大きく取れないということは、長期的にはどうしても通常時の中小の礫が溜まりやすく、このため土石流発生時に、セル構造物１０の上流側では水位上昇が生じやすく、上流よりの土石流勾配が見かけ上緩くなり、土石流の先端がダムまで到達しない恐れがあった。
【００１４】
これは、結果的に透過部１２が閉塞しない事態となる、いわゆる「堰上げ現象」といわれるもので、ダムとしての機能が損なわれてしまうおそれがあるだけでなく、水位上昇から水圧が大きくなるため、セル構造物１０の断面も大きくせざるを得ず不経済となる面もあった。
【００１５】
この発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、特に巨大な礫類の衝突時の衝撃に対する抵抗力が大きく、また河川の下流への土砂運搬作用を妨げず、さらに短い工期でしかも低下コストで施工可能な透過型ダムユニットおよび透過型ダムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の透過型ダムユニットは、コンクリート基礎と当該コンクリート基礎の上にそれぞれ配置された重力式構造体、格子型構造体および補強フレームとから構成され、前記重力式構造体は金属製の収容体に中詰め材を充填して構築され、河川の幅方向に所定間隔をおいて配置され、前記格子型構造体は複数の水平アーチ材と連結材とから前記河川の上流側または下流側に円弧状または多角形状に突出したアーチ型状に構築され、前記重力式構造体間に配置され、前記補強フレームは鉛直材と斜材と水平材とから三角形状に構築され、かつ前記格子型構造体の少なくとも中央に配置されてなることを特徴とするものである。この場合の重力式構造体としては、円柱状または壁状のものが考えられる。
【００１７】
請求項２記載の透過型ダムユニットは、請求項１記載の透過型ダムユニットにおいて、収容体に中詰め材として砂が充填されてなることを特徴とするものである。この場合の収容体としては、鋼板、鋼板以外のその他の金属板、金属板などで補強された布袋、さらには大口径の鋼管、鋼板セル（鋼殻）、あるいは鋼矢板などで形成されていてもよい。
【００１８】
請求項３記載の透過型ダムユニットは、請求項１または２記載の透過型ダムユニットにおいて、格子型構造体の水平アーチ材と連結材、補強フレームの鉛直材、斜材および水平材はコンクリート充填鋼管から形成されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４記載の透過型ダムは、請求項１、２または３記載の透過型ダムユニットを、河川の幅方向に複数配置してなることを特徴とするものである。 この場合、透過型ダムユニットは、河川の河幅に応じて必要な数だけ配置し、また想定される土石流の規模に応じて複数列に配置してもよく、さらに河川の幅方向に千鳥状に点在させて配置してもよく、また河川の幅方向に連続させて配置してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
図１と図２は、この発明に係る透過型ダムユニットおよび透過型ダムの一実施形態を示し、図において、コンクリートの基礎１の上に重力式構造体２を２基、河川の幅方向に横並びに所定間隔おいて配置し、かつこの隣接する重力式構造体２，２間に格子型構造体３を配置することにより透過型ダムユニット４が構築されている。
【００２３】
基礎１は、重力式構造体２および格子型構造体３の基礎として充分な幅、奥行き、厚さ、そして充分な自重を有し、コンクリートより直方体形に構築され、その大部分は河川の底に埋設されている。
【００２４】
なお、基礎１は重力式構造体２と格子型構造体３からの荷重を地盤に確実に伝達できる構造のものであれば、必ずしもコンクリート構造である必要はなく、コンクリート以外の例えば金属製の枠体やかご体などに礫などを詰めた構造のものでもよい。
【００２５】
また、図においては、２基の重力式構造体について一体の基礎が構築されているが、設置条件によっては重力式構造体ごとに独立して構築されていてもよく、さらに格子型構造体３の部分については省略されていてもよい。
【００２６】
重力式構造体２は、円筒状の収容体５内に中詰め材６として砂を充填して柱状に構築され、コンクリートの基礎１とともに全自重によって土石流中の主に巨礫を塞き止め、かつ巨礫が衝突する際の大きな衝撃力を緩和する働きをするもので、その外径や高さ等の寸法は設置現場で想定される土石流中に含まれる礫の大きさ等を予測して適宜決定されている。なお、重力式構造体２の形状としては、柱状の他に壁状のものでもよい。
【００２７】
収容体５は金属製の外殻であり、充填された中詰め材６によるフープ応力（周方向の引張応力）に充分に耐え、かつ土石流の特に土石流中の巨大な礫の衝突時の衝撃力を塑性変形によって緩和できるような材質のもので形成されている。
【００２８】
したがって、収容体５は中詰め材６を漏らさず、特に土石流中の礫の衝突時に容易に塑性変形して土石流による衝撃を緩和できることが望ましいことから、土石流の衝突時にせん断破壊しない程度の厚さを有する鋼板などから形成されている。
【００２９】
こうして構築された重力式構造体２は、コンクリート基礎１の上に下端部を基礎１のコンクリート内に所定深さ埋設して建て付けられている。また、重力式構造体２の上端部には、中詰め材６が土石流で流出しないようにコンクリート製の上蓋７が被せられている。
【００３０】
なお、収容体５は、重力式構造体２の外殻として中詰め材６を漏らさず、かつ土石流中の礫の衝突時の衝撃を緩和できるものであれば、必ずしも鋼板製である必要はなく、鋼板以外の他の金属板や金属材料などで補強された布袋などから形成されたものでもよい。
【００３１】
また、収容体５は円筒状を呈する必要はなく、重力式構造体２の形状に応じて矩形筒状などの、円筒状以外の他の形状を呈する場合でもよいが、円筒状の収容体であれば、引っ張りのフープ応力のみを受けるので必要に応じて小型化することができる。
【００３２】
また上蓋７も、必ずしもコンクリート製である必要はなく、コンクリート以外の材質、例えば鋼や他の金属または樹脂などからなるものでもよく、また上蓋を設けない場合もある。
【００３３】
格子型構造体３は、土石流が発生した際に土石流中の特に巨大な礫類を堰止める一方、小さな礫・泥水のみを通すもので、平面的に上流側に円弧状に突出（膨出）するアーチ型状に構築されている。
【００３４】
また、格子型構造体３は、隣接する重力式構造体２，２間に平面的に上流側に円弧状に突出する水平アーチ材３ａを複数、重力式構造体２の上下方向に所定間隔おきに架け渡し、かつこの上下水平アーチ材３ａ，３ａ間に連結材３ｂを複数垂直に建て付けることにより構築されている。
【００３５】
各水平アーチ材３ａの両端部は収容体５の側壁部に接合され、最下段の各連結材３ｂの下端部は基礎１のコンクリート内に所定深さ埋設され、さらに各水平アーチ材３ａと連結材３ｂとは互いに連結されている。
【００３６】
また、水平アーチ材３ａと連結材３ｂはともに、原則として鋼管または鋼管内に鉄筋を配筋した上にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管、さらには形鋼または鉄筋などから巨礫の衝突にも充分耐えられる強さに形成され、また各部材どうしは溶接やボルト締結などの適宜の接合手段によって互いに接合されている。なお、連結材３ｂは、複数の上下水平アーチ材３ａ，３ａ間に連続して配置されていてもよい。
【００３７】
また、特に水平アーチ材３ａは、例えば図１（ｄ）に図示するように短スパンのアーチ材３ｃを数本、スパン方向につないで１本の水平アーチ材としたものでもよい。この水平アーチ材３ａを使用すれば、現場への搬入ならびに現場での組み立てが容易である上に、設置後でも、損傷した部分の補修を交換することで簡単に行うことができる。
【００３８】
なお、この場合のアーチ材３ｃどうしの接合は、双方の端部に継手としてフランジを突設し、このフランジどうしを接合するフランジ継手などでよい。また、複数の水平アーチ材３ａと連結材３ｂとで形成される格子目の大きさは、土石流中の想定される巨礫類を確実に堰止められるようにこれよりやや小さめに形成されている。
【００３９】
なお、格子型構造体３としては、他に例えば図１（ｅ）に図示するように平面的に上流側に多角形状に突出するアーチ型状に構築されたものでもよい。
また、例えば図２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ図示するように、格子型構造体３の下流側に補強フレーム８が配置される場合もある。
【００４０】
この場合の補強フレーム８は、鉛直材８ａと斜材８ｂと水平材８ｃとからほぼ三角形状に構築され、かつアーチスパン方向に所定間隔おきに複数配置され、各斜材８ｂの下端部は基礎１のコンクリート内に埋設されている。
【００４１】
その際、巨礫類の衝突時の衝撃に対する抵抗性を高めるには、補強フレーム８は、少なくとも格子型構造体３の中央に配置されているのが好ましい。なお、補強フレーム８の各部材は、格子型構造体３の水平アーチ材３ａなどと同様に鋼管などから形成されている。
【００４２】
こうして構築された格子型構造体３は、両側の重力式構造体２，２間に配置され、両側部と下端部の三方が重力式構造体２と基礎１にそれぞれ固定されていることで、巨礫の衝突にも充分に耐えられるようなかなり強固な構造に構築されている。
【００４３】
なお、図においては、最下段の連結材３ｂの下端部は基礎１のコンクリート内に固定された構造になっているが、必ずしもこのような構造にする必要はなく、この部分の基礎を省略し、河川の地盤に直接埋設して固定する構造にしてもよいし、さらに設置条件によっては、連結材３ｂの下端部を基礎１などに固定しない場合もあってもよい。
【００４４】
また、格子型構造体３は、土石流が発生した際に土石流中の巨礫類は堰止める一方、小さな礫・泥水のみを通すものであれば、必ずしも鋼管などを組み合わせた構造である必要はなく、他の構造方式のものでもよい。
【００４５】
中詰め材６には、収容体５の塑性変形能力との兼ね合い等により最も適した強度のものが使用され、主に砂が使用されている。収容体５に中詰め材６として砂が充填されていることで、砂どうしの摩擦と砂の圧壊とにより巨大な礫が収容体５に衝突する際の衝撃力を吸収するとともに、礫類の衝突で格子型構造体３が受けた衝撃力を緩和させることができる。
【００４６】
なお、中詰め材６としては、砂以外に例えば砕石なども使用され、さらに砂質土系の建設残土や廃材、各種製鋼スラグやカレット等の材料、粘性土系の建設残土、ソイルセメントや気泡モルタル等の材料、さらには廃タイヤやゴム等の材料も使用することができる。また、設置条件によっては各種廃棄物を中詰め材として用いることもできる。
【００４７】
こうして構築された透過型ダムユニット４は、河川の河幅に応じて必要な数だけ配置され、また想定される土石流の規模に応じて複数列に配置されている。
この場合、透過型ダムユニット４は河川の幅方向に千鳥状に点在配置されていてもよく、あるいは河川の幅方向に連続して配置されていてもよい。
【００４８】
このような構成において、透過型ダム４に土石流が作用した際の、土石流内の巨大な礫の挙動を説明すると、図１（ｂ）に図示するように格子型構造体３が上流側に円弧状に突出するアーチ型状に構築されていることで、格子型構造体３に衝突した巨礫ａは、両側の重力式構造体２側に移動しやすく、このため常に格子型構造体３の端部、すなわち重力式構造体２側で捕捉される。
【００４９】
また、小さな礫や泥水は、格子型構造体３の格子目を抵抗を受けずにスムーズに通り抜けることができ、したがって格子型構造体３のいわゆる「スクリーン効果」が長期間にわたり発揮される。
【００５０】
発明の実施の形態２．
図３（ａ）〜（ｃ）は、この発明に係る透過型ダムユニットおよび透過型ダムの他の例を示し、説明は先の実施の形態１と相違する部分についてだけ行うものとし、共通する部分については同一の符号を付して省略する。
【００５１】
この例では、特に格子型構造体３が平面的に河川の下流側に円弧状または多角形状（図省略）に突出するアーチ型状に構築されている。
格子型構造体３がこのような形状に構築されていることで、土石流が発生した際、巨礫の大部分は、最初に重力式構造体２に衝突することによりその大きな衝撃力は減衰されるため、その後格子型構造体３によって確実に堰止められる。
【００５２】
このように、土石流に対して二段構えで対処することで、格子型構造体３に作用する荷重（衝撃）をかなり減衰させることができるため、部材設計を経済的に行うことができ、また補修も容易になる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明は以上説明したとおりであり、以下に列記する効果が奏せられる。
▲１▼隣接する重力式構造体間に格子型構造体が配置されていることで、隣接する重力式構造体間に必要な開口部を十分確保できるため、従来のセル式構造方式の欠点であった透過部の巨礫径による制限はなく、従って通常時の中小の礫を目詰まりせず通過させることができ、スクリーン効果を長期間維持できる。
▲２▼隣接する重力式構造体間に大きな開口部を確保できることで、開口部が閉塞するおそれもないことから、水位上昇のおそれもなく、いわゆる「堰上げ現象」を全く生じない構造となっており、従って、水位上昇による水圧を設計荷重として考慮する必要がなくなり、部材断面も経済的なものとすることが出来る。
▲３▼土石流発生時には、格子型構造体のアーチ式効果により、巨礫と中小礫とを分別しやすく、中小礫は抵抗少なく透過させることができ、巨礫のみを効率的に捕捉することが出来る。
【００５４】
▲４▼格子型構造体の水平アーチ材が平面アーチ型状に形成され、またその両端が重力式構造体の収容体に固定されていることで、水平アーチ材および収容体の緩衝効果により衝撃力を緩和させることができ、この点からも経済的な部材設計を行うことができる。
▲５▼万一、設計荷重以上の土石流が発生しても、収容体の外殻が破損するかあるいはアーチ型構造体の構成部材が塑性変形する程度ですむため、補修時にはきわめて簡易な補修でこれを済ますことが出来る。
▲６▼格子型構造体の下流側に補強フレームが配置されていることで、高耐力、高靭性の構造を提供できるので土石流で突破されることはない。
▲７▼重力式構造体は、円形または矩形の収容体に砂や砕石などの中詰め材を充填して構築され、格子型構造体は鋼管などから格子型状に構築され、いずれも特別な構造ではないので、短い工期でしかも低コストで構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る透過型ダムユニットおよび透過型ダムの一例を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は重力式構造体と水平アーチ材との連結部を示す平面図、（ｄ）は水平アーチ材の一例を示す平面図、（ｅ）は透過型ダムユニットの他の例を示す平面図である。
【図２】この発明に係る透過型ダムユニットおよび透過型ダムの他の例を示し、（ａ）、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）におけるイ−イ線断面図である。
【図３】この発明に係る透過型ダムユニットおよび透過型ダムの他の例を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は重力式構造体と水平アーチ材との連結部を示す平面図である。
【図４】従来の不透過型砂防堰堤の一例を示す斜視図である。
【図５】従来の透過型砂防堰堤の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は平面図である。
【符号の説明】
１ コンクリートの基礎
２ 重力式構造体
３ 格子型構造体
３ａ 水平アーチ材
３ｂ 連結材
３ｃ アーチ材
４ 透過型ダムユニット
５ 収容体
６ 中詰め材
７ 上蓋
８ 補強フレーム
８ａ 鉛直材
８ｂ 斜材
８ｃ 水平材

Claims (4)

1. コンクリート基礎と当該コンクリート基礎の上にそれぞれ配置された重力式構造体、格子型構造体および補強フレームとから構成され、前記重力式構造体は金属製の収容体に中詰め材を充填して構築され、河川の幅方向に所定間隔をおいて配置され、前記格子型構造体は複数の水平アーチ材と連結材とから前記河川の上流側または下流側に円弧状または多角形状に突出したアーチ型状に構築され、前記重力式構造体間に配置され、前記補強フレームは鉛直材と斜材と水平材とから三角形状に構築され、前記格子型構造体の少なくとも中央に配置されてなることを特徴とする透過型ダムユニット。
2. 収容体に中詰め材として砂が充填されてなることを特徴とする請求項１記載の透過型ダムユニット。
3. 格子型構造体の水平アーチ材と連結材、補強フレームの鉛直材、斜材および水平材はコンクリート充填鋼管から形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型ダムユニット。
4. 請求項１、２または３記載の透過型ダムユニットを、河川の幅方向に複数配置してなることを特徴とする透過型ダム。

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