JP3723779B2 - 多層覆土の遮水性能評価装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射性廃棄物、あるいは産業・一般廃棄物の埋立処理場に構築する多層覆土の遮水性能評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
安全で快適な環境を維持するためには、廃棄物を生活圏から隔離することが有効であり、従来より、埋め立てた廃棄物を土で覆土することが一般に行われている。覆土に浸透した一部の雨水は、廃棄物層を通過する間に汚染水となるため、処分場の下流域では浄化処理をする必要がある。また、底部遮水工が不完全な場合には、地下に浸透して地下水汚染を引き起こす。浄化処理費用を抑え、併せて地下水汚染リスクを軽減する上で、覆土の遮水機能を向上させ、降雨浸透量を抑えることが有効である。そこで、従来より以下のような覆土が行われてきた。
▲１▼単層覆土
現地発生土や残土を締め固めた厚さ０．５〜１．５ｍの覆土。
▲２▼遮水材料併用型覆土
▲１▼の覆土の層内に遮水シートを挟みこんだり、覆土の表面にアスファルト舗装を施すなど、土と遮水材料を併用することによって、遮水機能を向上させた覆土。
▲３▼ベントナイト混合土併用型覆土
覆土の一部（厚さ０．３〜０．５ｍ）に、ベントナイトと土砂を混合して遮水性を高めたベントナイト混合土を使用し、遮水機能を向上させた覆土。
▲４▼多層覆土
▲１▼の覆土の下位に細粒土（厚さ０．１５〜０．５ｍ）、その下位に粗粒土（０．１５〜０．３ｍ）を、層境界に勾配（３％以上）をつけて設置する覆土。発生土を通過して細粒土に浸透し下方に移動した水は、浸透量が少ない場合、粗粒土との境界面付近で流れの方向を勾配に沿って横向きに変え、細粒土中を通って側方へ排除される。このため、廃棄物層への浸透水量は減少する。これは、層を構成する粒の大きさが小さいほど毛細管吸引力が大きく保水性が大きいことを利用し、層を構成する粒が大きく保水性の小さい粗粒層の上層に、小さい粒で構成した保水性の大きい細粒層を設けることにより、降雨等による浸透水を細粒層で止まらせるようするとともに、覆土に導水勾配を付して粗粒層と細粒層の境界面に沿って流下させるようにしている（特開平２００１−１７９３３号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の覆土法には以下のような問題点がある。
▲１▼は単層覆土の遮水性は使用する土の性質によるところが大きいが、一般に遮水性能は低く、降水量の２〜５割が廃棄物層に浸透すると言われている。▲２▼は遮水シートやアスファルト舗装の耐久性や継ぎ手部の信頼性に課題がある他、シートについては劣化時に、それ自身が汚染発生源となる恐れもある。▲３▼のベントナイト混合土型は、他の覆土法に比べてコストが高いこと、施工が難しいことが課題である。▲４▼の多層覆土は、遮水性能を左右する細粒土と粗粒土の不飽和浸透特性（水分特性曲線や不飽和浸透性）を精度良く求めることが技術的に困難であり、覆土の遮水性能を評価し、設計する手段がないことなどが課題である。
【０００４】
上記のように、それぞれに課題が存在するが、多層覆土は、長期的に安定な土質材料のみで構築するため、他の覆土と比較して耐久性や経済性に優れ、また施工しやすいといった優位性がある。さらに廃棄物によってはその分解・浄化促進のために少量の浸透水を必要とする場合がある。この場合、遮水シート等を用いた覆土では浸透水量を調整することは困難であるが、多層覆土では、材料、層厚、勾配、覆土長を変えることによって浸透水量の調整が可能であるなど、他の覆土に比べて利点が多い。
【０００５】
そこで、本発明は、上記多層覆土における課題を解決するためになされたもので、多層覆土に用いられる粗粒土と細粒土により形成される土層の遮水性能を評価する多層覆土の遮水性能評価装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る多層覆土の遮水性能評価装置は、埋立廃棄物の上表面に敷設する多層覆土に使用される粗粒土、細粒土、現地発生土のうち、前記粗粒土を下層、細粒土を上層にして二次元試験槽内に土層を形成するとともに当該土層内に水圧計を埋設し、給水設備により土層上から散水を行い、前記土層内を透過する浸透水の圧力水頭を前記水圧計により測定するとともに、前記二次元試験槽の底面に一定間隔で設けられた各排水孔から排出される浸透水の排出量を測定する排出量測定手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
【作用】
上記構成によれば、埋立廃棄物の上表面に敷設する多層覆土に使用される粗粒土、細粒土、現地発生土のうち、粗粒土と細粒土により粗粒土が下層、細粒土が上層とした土層を二次元試験槽内に形成する。形成した土層上から給水設備により散水を行い、土層内を水を浸透させる。土層内には水圧計を埋設されており、これにより浸透水の土層内における圧力水頭を測定することができる。また、二次元試験槽の底面には一定間隔で排水孔が設けられ、試験槽内を透過してきた浸透水を排出するようになっている。ここから排出される浸透水の排出量を排出量測定手段により測定することにより、各区分における浸透水の排出量を測定することができる。そして、得られたデータを解析することにより、多層覆土に用いる細粒土および粗粒土により形成される土層の遮水及び透水性能を評価し、多層覆土の設計に応用することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る多層覆土の遮水性評価装置を図面を用いて詳細に説明する。
図４に多層覆土を利用した廃棄物埋設構造の縦断面図を示す。図４において、廃棄物表面を覆う多層覆土は、廃棄物１の表面部に導水勾配を付して現地発生土２で覆った後、粗粒層３とこれに引き続いて細粒層４を敷設し、最後に全体を遮水性の良い現地発生土及び表土５で覆う構成となっている。
【００１０】
図４において、多層覆土を構成する粗粒層３は礫、砂利、砕石などの粗粒物により形成することができるが、これは細粒層に必要な粒度との関係でパイピング則を充足するような粒度に設定する。次いで、粗粒層３の上面部に砂などの細粒物を利用して細粒層４を敷設する。
【００１１】
このような層構成とすることにより、現地発生土層２の上層には空隙の大きい粗粒層３が存在するが、それらの更に上層側には空隙が小さい細粒層４が存在して、ここが降雨などによる浸透水の保水かつ排水層となる。ここで重要なのは、粗粒層３の上層に細粒層４を敷設し、降雨などによる浸透水が、毛細管現象により細粒層４内に止まるようにし、下層の粗粒層３が浸透水を現地発生土層２側に浸出させないように断絶する機能をもたせることである。この機能は、いわば傾いた（導水勾配を付した）スノコ（粗粒層３）の上に雑巾（細粒層４）が置いてあり、湿った雑巾の中を水が移動するような機能を持たせることにたとえることができる。したがって、細粒層４としては保水性が大きく、かつ浸透水を側方へ排除できる透水性を有した材料を用い、粗粒層３としては毛管水帯が小さく、負圧側で難透水性を示し、浸透水の浸入を抑制できる材料を用いて構成すればよい。これを図で示せば、図３に示されるものとなる。図３（１）は圧力水頭を体積含水率の一般的な関係を示したもので、細粒材は粗粒材に比較して、負の圧力が大きくなっても水分が低下し難い、即ち保水力が大きい。また、図３（２）は圧力水頭と不飽和透水係数の一般的な関係を示したもので、粗粒材の浸透性は負の圧力水頭が大きくなると急激に小さくなるのに対して、細粒材では透水性の低下は緩やかであり、このため同図中（ア）における圧力水頭を境に両材料の透水性は逆転する。
なお、粘性土は図３の細粒材と定性的には同様の傾向を示すが、透水性が悪い（不飽和透水係数が小さい）ため、多層覆土の細粒材としては適さない。
【００１２】
また、粗粒層３の上層に細粒層４が敷設されるため、これらの境界部分が混層状態になることを防止する必要がある。このため両層は原則としてパイピング則を満足するように設定する。すなわち、層境界が明瞭となるように粗粒層３と細粒層４の粒度分布を調整するのである。
【００１３】
このように、多層覆土により遮水を行う場合、粗粒層と細粒層を構成する粗粒土と細粒土の選択と組み合わせが重要である。そこで、本発明に係る多層覆土の遮水性能評価装置では、以下に述べる構成で粗粒層および細粒層を構成する材料とその組み合わせの評価を行う。
【００１４】
図１に本実施形態に係る多層覆土の遮水性能評価装置を示す。図１において、１０は二次元試験槽、１２は二次元試験槽上端から給水を行う給水設備である。材料の評価のためのデータは、この二次元試験槽内に粗粒土１４および細粒土１６の土層を形成し、給水設備１２より水を給水することにより土層内に広がる浸透水の挙動を、浸透水の圧力水頭を土層内に埋設された水圧計１８（テンシオメータ）により、二次元試験槽底面に設けられた排水孔から排出される浸透水の排出量を排出量測定手段である電子天秤２６により測定する。
【００１５】
二次元試験槽１０は、下辺および側面にアクリル板が用いられており、内部が観察できるようになっている。二次元試験槽１０の一端下部には図示しないジャッキが設置され、勾配の変更を可能としている。また、二次元試験槽１０の下辺には下辺に到達した浸透水を横方向に一定の領域ごとに区分して採水できるように仕切板２０が一定間隔で設けられ、仕切板２０の間には排水孔２２が設けられている。この排水孔２２にはチューブ２４が接続されており、排水孔２２から排出された浸透水はこのチューブ２４を通じて電子天秤２６に載せられたビーカ２８に流入するようになっている。このような構成とし、二次元試験槽下辺に達した浸透水を二次元試験槽１０の横方向にデータを必要とする区分ごとに採水することにより、土層内における浸透水の流動状況について解析するための情報を得ることができる。
【００１６】
給水設備１２は、アクリル製タンクの底面に一定間隔でノズルを取り付け、定量ポンプ３０から送られてくる水の圧力によって各ノズルから均等に散水するようにしている。給水量は、定量ポンプ３０の回転速度によって制御することができる。これにより、一定時間に決まった量を給水することができ、また、給水量を自在に変えることができる。
【００１７】
電子天秤２６には、二次元試験槽１０の下辺から排水された浸透水が流入するビーカ２８が載せられており、排水量を測定するようになっている。この電子天秤２６は情報処理端末３２に接続されており、情報処理端末３２による制御により５分間隔で排水量を記録する。また、水圧計１８により測定される圧力水頭のデータは、データ収録機３４により５分間隔で記録される。この構成により、土層内における浸透水の挙動について、連続的にデータを得ることが可能である。
【００１８】
次に計測の手順について説明する。まず、図２（ａ）に示されるように、図示しないジャッキにより全体を傾斜させた二次元試験槽１０の中に、下流端の一部を残して粗粒土１４を厚さ０．２ｍ前後詰め、残された下流端の一部に細粒土１６を詰めた後、粗粒土１４の表面に水圧計（テンシオメータ）１８を設置し、さらに全体の表面に細粒土１６を厚さ０．１〜０．３ｍ詰める。このとき、粗粒土１４には、礫、砂利、砕石などを、細粒土１６には砂などの細粒物を利用することができる。次いで、二次元試験槽１０の上端から給水設備１２により一定流量の水を給水し、層境界における浸透水の圧力水頭の経時変化を水圧計１８により測定し、水圧計１８に接続されたデータ収録機３４により５分間隔で測定結果を記録する。
【００１９】
層境界に到達した浸透水は、図２（ｂ）〜（ｃ）に示すように、境界面に沿いながら導水勾配に沿って流下・浸透し、二次元試験槽１０の下辺に設けられた排水孔２２より排出される。この時の浸透水の挙動は粗粒土１４と細粒土の物性の差や導水勾配の大きさ、時間あたりの給水量などのパラメータに依存している。すなわち、例えば細粒土１６が粗粒土１４に比較して、保水性や透水性に優れ、浸透水の排除能力に余裕があるときは、層境界に達した浸透水はほとんど粗粒土１４には浸透せず、境界付近を下方に向かって流下し、多くは下流端の細粒層下部の排水孔から排出される。一方、材料選定が不適切な場合や時間あたりの給水量が排除能力を上回った場合は、粗粒土１４に移動する浸透水が多くなり、粗粒層下部の排水孔からも排出されるようになる。このようにして排水孔２２から排水された浸透水は、チューブ２４を通して電子天秤２８に載せられたビーカ２６に流入する。電子天秤２８では随時流入量を測定しており、これにより下辺排水の位置と流量の経時変化が測定され、接続された情報処理端末３２で測定されたデータを５分間隔で記録する。
【００２０】
試験は、時間あたり給水量を変えて繰り返し行い、粗粒土下辺の排水孔からの排出が始まる限界の時間あたり給水量と、それ以上に時間あたり給水量を増やしたときの両材料（粗粒土・細粒土）からの下辺排水の比率を求める。
【００２１】
次に、これらの試験で得られた圧力水頭と下辺排水の挙動をシミュレーション解析しながら、細粒材（細粒土）と粗粒材（粗粒土）の物性値（水分特性曲線、不飽和透水係数など）を微調整し、挙動を正確に再現できる物性値を求める。
【００２２】
覆土の遮水性評価では、はじめに、最上位となる現地発生土を一次元でモデル化し、建設予定地の降水・蒸発散量の日変化モデルを入力値として解析し、発生土を通過して下方へ浸透する水量の日変化を一年分求める。次いで、覆土を構成する細粒土と粗粒土を二次元断面でモデル化し、細粒土の上表面に上記解析で得られた現地発生土を通過する浸透水量の日変化を与えて解析し、細粒土内を通り側方へ排出される水量を求める。これらの解析は、有限要素法による飽和不飽和浸透流解析によって容易に行うことができる。
【００２３】
以上のような評価を行うことにより、対象となる土質材料を用いて実際に細粒土の側方排水挙動を確認し、そのシミュレーションを通して不飽和浸透特性を求めるため、信頼性の高い不飽和浸透特性が得られる。また、覆土の遮水性評価では、物性の非線形性が強い不飽和領域の非定常解析となるため、現地発生土、細粒土、粗粒土からなる覆土全体をモデル化し解析すると、多大な計算時間を要するという問題があるが、上記のように、現地発生土を対象とした解析と、細粒土および粗粒土を対象とした解析とを別々に行うことにより、計算時間は大幅に短縮でき、層厚や勾配など種々の構造条件が遮水性能に及ぼす影響を効率的に比較検討できる。なお、このような分割解析した場合の解析結果は、覆土全体をモデル化した場合と有意な差は認められない。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多層覆土の遮水性能評価装置によれば、多層覆土に用いる細粒土の側方排水挙動を確認し、そのシミュレーションを通して不飽和浸透特性を求めるため、信頼性の高い不飽和浸透特性が得られる。これにより、多層覆土に用いる細粒土および粗粒土により形成される土層の遮水及び透水性能を評価し、多層覆土の設計に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る多層覆土の遮水性能評価装置の実施形態を示す構成図である。
【図２】 土層内における浸透水の流動状況を示す説明図である。
【図３】 細粒材と粗粒材の物性を示すグラフである。
【図４】 多層覆土を利用した廃棄物埋設構造の縦断面図である。
【符号の説明】
１………廃棄物、２………現地発生土、３………粗粒層、４………細粒層、１０………二次元試験槽、１２………給水装置、１４………粗粒土、１６………細粒土、１８………水圧計、２０………仕切板、２２………排水孔、２４………チューブ、２６………電子天秤、２８………ビーカ、３０………定量ポンプ、３２………情報処理端末、３４………データ収録機。

Claims (1)

1. 埋立廃棄物の上表面に、粗粒土、細粒土、現地発生土を下位から順に積み上げて形成する多層覆土に使用予定の前記粗粒土と前記細粒土を、前記粗粒土を下層、細粒土を上層にして二次元試験槽内に土層を形成するとともに当該土層内に水圧計を埋設し、給水設備により土層上から散水を行うことにより、前記土層内を透過する浸透水の圧力水頭を前記水圧計により測定するとともに、前記二次元試験槽の底面に一定間隔で設けられた排水孔から排出される浸透水の排出量を測定する排出量測定手段を備えたことを特徴とする多層覆土の遮水性能評価装置。

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