JP4876102B2 - 海面処分場の遮水構造及び遮水工法 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物の海面処分場の遮水構造、及び海面処分場の遮水工法に関する。

海面処分場の遮水構造としては、ゴム、塩ビ等の合成樹脂系遮水材を用いる遮水構造がある。合成樹脂系遮水材を使用した場合には不織布等の合成繊維性保護材を上下に併用することが関係官庁の規格に記載されている。図２０に示すように、遮水シートを２重にし、２枚の遮水シートの間に不織布等からなる中間保護層を敷設し、上下に地盤や土質材料から遮水シートを保護する保護マットを敷設した遮水構造が必要とされている。中間保護層は、廃棄物の埋立処分等の負荷により上下の遮水シートが同時に損傷することを防止する目的で、十分な厚さと強度を有する不織布などの材料が用いられる。

海面処分場においては遮水材を二重に敷設し、さらにその上に潮位、波力による遮水構造の浮き上がり防止のためのカウンターウェイトとして土質材料の被覆層を敷設する。海面処分場の底面の法面部に遮水構造を施工する場合には、通常１：１．５から１：３の法勾配で施工され、その覆土重量によるせん断力が遮水構造全体にかかる。

特許文献１では、保護マットの遮水シートと接する面に滑り止めを設け、処分場の法面で遮水シートの上面に敷設した保護マットが滑り落ちるのを防止している。
特開２００１−３１４８３０号公報

ところで特許文献１の方法では保護マットは滑り落ちないものの、上部被覆層や、投入された埋立廃棄物の荷重に基づいて保護マットの受ける負荷の多くが遮水シートにかかった。万が一遮水シートが破損した場合には、陸上であれば容易に修復が可能であったが、海中では既に投入された廃棄物や覆土を一度取り除き、遮水シートを海上に引き上げ、船上で溶着等の修復を行い、再び沈めて遮水構造を作り直す必要があった。

従来技術では保護材（保護マット）として不織布を用いていたが、保護材は突起物が遮水シートに突き刺さったり遮水シートを引き裂いたりするのを防止するのが主目的であるため、最終覆土重量による下部への張力発生が保護材、及び、合成樹脂製遮水材へ与える影響を考慮できていなかった。法面部若しくは側面部遮水構造の最終覆土が敷設されると直近の保護材を摩擦により引き下げてシートに有害な、荷重を分担させる。したがって保護材の応力変形を防止するため、安定性が十分確保できるように覆土の法勾配をゆるくする必要がある。あるいは保護材の補強などにより法面の崩壊を防止するための対策をとる必要があった。

本発明の課題は、覆土等によって遮水シートにかかる引張力を減じて遮水シートの変形を軽減し、安全で施工性のよい海面処分場の遮水構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、海面処分場の遮水工法であって、
遮水シートと、前記遮水シートよりもヤング率が高くかつヤング率が２００００ｋＮ／ｍ ^２ 以上である、長繊維不織布からなる上下の保護材とを接合して第１及び第２の多層シートを形成し、海面処分場の法面を有する海底面の少なくとも法面部分上に第１の多層シートを海中に沈めて敷設し、次に、敷設された第１の多層シートの少なくとも法面部分上に、土質材料を投入することで中間保護層を形成し、次に、この中間保護層の少なくとも法面部分上に第２の多層シートを海中に沈めて敷設し、その後、敷設された第２の多層シートの少なくとも法面部分上に、土質材料を投入することで上部被覆層を形成することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の海面処分場の遮水工法であって、前記遮水シートのヤング率は６０００ｋＮ／ｍ ^２ 以上であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の海面処分場の遮水工法であって、前記遮水シートを下側の前記保護材と、または下側及び上側の前記保護材と、一部若しくは全面で接合することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、海面処分場の遮水構造であって、請求項１〜３のいずれか一項に記載の海面処分場の遮水工法により施工されたことを特徴とする。

ここで、ヤング率は二軸引張り試験機を用いた拘束引張試験により得られたものである。

請求項１記載の発明によれば、前記多層シートが、遮水シートとこの遮水シートの上下面にそれぞれ設けられた保護材とから３層以上に形成されているので、遮水シートが受ける負荷を遮水シートの上下面に設けられた保護材に分散してより一層、減ずることができる。

また、遮水シートと下側の保護材とを接合した場合には、遮水シートと下側の保護材とを同時に敷設することができ、敷設時の手間を省略し工期を短縮することができる。また上側の保護材にかかるせん断力は遮水シートに伝達されにくく、遮水シートにかかる引張力は接合部から下側の保護材へ効果的に伝達されるので、遮水シートの負担する引張力を小さくすることができる。
さらに遮水シートと下側の保護材、及び遮水シートと上側の保護材とをそれぞれ接合して一体とした場合には、遮水シートと上下２枚の保護材とを全て同時に敷設することができ、更に敷設時の手間を省略し工期を短縮することができる。この場合、遮水シートと上側の保護材との接合に、水中で時間とともに接着効果が失われる接着剤を使用して施工後に接着が水中ではずれて上側の保護材にかかるせん断力が遮水シートに伝達されにくくする。

また、前記中間保護層が土質材料からなるので、中間保護層の重量で、潮汐や波浪による楊圧力によって遮水シートが浮き上がるのを防ぐことができる。また、中間保護層として土質材料を用いても、中間保護層と遮水シートとの間には保護材が配置されるので、土質材料によって遮水シートが傷つくことが無い。

また、保護材のヤング率が遮水シートのヤング率よりも高いので、遮水構造にかかる引張力の多くを保護材が負担することとなり、遮水シートにかかる負荷を軽減することができる。

また、前記保護材のヤング率が２００００kN/ｍ²以上であることにより、保護材に載荷された荷重による保護材の変形を極力小さく抑え、遮水シートに与える応力を極力小さく抑えることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を示す管理型廃棄物最終処理場（海面処分場）が造成される埋立予定地である。埋立地１に隣接して既設護岸３と外周護岸４により海の海域２の一部を囲って埋立地を造成する。外周護岸４で囲われた内部はさらに中仕切護岸５で区画されている。その区画が本発明の実施の形態例を使用する海面処分場１０である。なお海面処分場１０の一角には水処理施設６が設けられ、海面処分場１０の保有水を浄化処理して海域２へ放流している。

図２は図１の海面処分場１０の遮水構造を示す断面図である。中仕切り護岸５の背面（法面）に腹付け土１１ａと、海底面７を被覆する下地１１ｂとが設置されている。腹付け土１１ａおよび下地１１ｂは土質材料からなる。土質材料としては、山土、石材やスラグ等を用いることができる。
腹付け土１１ａおよび下地１１ｂの上に遮水構造２０（遮水工）が敷設され、上部被覆層１２（覆土）によって被覆されている。遮水構造２０は、２重の多層シート３０、３０と、その間に挟まれた中間保護層４０とからなる。

図３は海面処分場１０の法面部分の断面のモデル図である。腹付け土１１ａおよび下地１１ｂの上に多層シート３０、中間保護層４０、多層シート３０、上部被覆層１２の順に重なっている。上下の多層シート３０、３０はそれぞれ、合成繊維性の保護材（保護マット３１）と、保護マット３１、３１に上下面を覆われた合成樹脂製の遮水シート３２から形成されている。

保護マット３１のヤング率は遮水シートのヤング率よりも大きいことが望ましく、２００００kN/ｍ²以上、好ましくは３５０００kN/ｍ²以上、更に好ましくは４５０００kN/ｍ²以上であることが望ましい。ここで、ヤング率は二軸引張り試験機を用いた拘束引張試験により得られたものである。保護材３１のヤング率を高めることで、保護材３１に載荷された荷重による保護材３１の変形を極力小さく抑え、遮水シート３２に与える応力を極力小さく抑えることができる。保護マット３１としては、例えばポリエステル製の長繊維不織布などを用いることができるが、上記のヤング率を満たすものであれば、他の合成繊維製の長繊維不織布や織布などを用いてもよい。

遮水シート３２は保護材３１から受けるせん断応力に耐えうるべく、ヤング率が６０００kN/ｍ²以上、好ましくは６６００kN/ｍ²以上であることが望ましい。ヤング率は同様に、二軸引張り試験機を用いた拘束引張試験により得られたものである。遮水シート３２としては、ＰＶＣシートなどを用いることができるが、上記のヤング率を満たすものであれば、他の合成樹脂製のシートなどを用いてもよい。

ここで、遮水シート３２と下側の保護マット３１との摩擦係数が、遮水シート３２と上側の保護マット３１との摩擦係数よりも大きくなるよう設計されていてもよい。遮水シート３２と上側の保護マット３１との摩擦係数を小さくすることで、法面方向下向きにかかる上部被覆層１２の滑動力の多くを上側の保護材が受けることとなり、遮水シート３２に伝達されるせん断応力は極力小さくなる。また遮水シート３２と下側の保護マット３１との摩擦係数を大きくすることで、遮水シート３２が上側の保護マット３１から受けるせん断応力は効率よく下側の保護マット３１へ伝達されるので、遮水シート３２の負担する引張力を小さくすることができる。

遮水シート３２と上側の保護材３１との摩擦係数を低下させる方法としては、遮水シートの表面を平滑に仕上げる方法がある。また遮水シートの表面を平滑に仕上げてかつ遮水シートの硬度を高めるなどの方法がある。また上側の保護材３１の表面を火炎処理して滑らかにする方法や、遮水シート３２の上側に樹脂製の突起を設けて接触面積を減らす方法、あるいは遮水シート３２と上側の保護材３１との間に潤滑材を入れる等の方法がある。遮水シート３２と下側の保護材３１との摩擦係数を増加させる方法としては、遮水シート３２の下面をエンボス加工して凹凸をつける方法や、遮水シート３２と下側の保護材３１との間に滑り止めを入れる等の方法がある。

あるいは、遮水シート３２と保護材３１とは、一部若しくは全面で接合していてもよい。一部で接合する場合には、多数箇所で点接合あるいは線接合してもよい。
接合方法としては，遮水シート表面を熱で溶かし、保護マットの繊維に圧力をかけて溶けた遮水シート表面へめり込ませる熱融着方法を使用してもよい。あるいは熱により分解し、粘着性が発生するアクリル系接着剤（ヒロダイン製接着剤など）を使用してもよい。接着剤としては、他にもウレタン系、アクリル系、ゴムアスファルト系、エポキシ系等の接着剤を使用することができる。あるいは遮水シート表面を例えば面ファスナー雄材状に毛羽加工して保護マットの繊維に絡ませる機械的な接着方法を使用してもよい。

遮水シート３２と下側の保護材３１とを接合した場合には、遮水シート３２が上側の保護材３１から受けるせん断応力は接合部分から効率よく下側の保護材３１へ伝達されるので、遮水シート３２の負担する引張力を軽減することができる。
また遮水シートと下側の保護材３１とを同時に敷設することができ、敷設時の工期を短縮することができる。

遮水シート３２と下側の保護材３１とを接合した上に、遮水シート３１と上側の保護材３２とを接合して一体とした場合には、遮水シート３２と上下２枚の保護材３１、３１とを全て同時に敷設することができ、更に敷設時の工期を短縮することができる。
なお遮水シート３２と上側の保護材３１との接合に水溶性の接着剤を使用した場合には、施工後に水中で外れる。水溶性でなくとも、接着剤で接着した場合には水中で外れやすい傾向がある。したがって、上側の保護材３１にかかるせん断力が遮水シート３２に伝達されにくくなる。
遮水シート３２と下側の保護材３１との接合には、熱融着方法や機械的な接着方法など、施工後にも外れないような接着法を採用することで、遮水シート３２にかかる引張力が接着部から効率よく下側の保護材３１へ伝達され、遮水シート３２の負担する引張力を極力小さくすることができる。

上記の多層シート３０、３０の間には中間保護層４０が造成される。また上側の多層シート３０の上には上部被覆層１２が造成される。中間保護層４０及び上部被覆層１２としては、土質材料を用いることができる。中間保護層４０及び上部被覆層１２として土質材料を用いた場合には、波浪や潮汐の影響による楊圧力に抗して遮水構造２０の浮き上がりを防止する作用を得ることができる。
中間保護層４０及び上部被覆層１２に用いる土質材料としては、山土、石材やスラグなどを好適に使用することができる。特に比重の大きい製鋼スラグ、銅スラグを用いた場合には、遮水構造２０を海中に沈めるのに必要な中間保護層４０及び上部被覆層１２の体積を減らすことができ、限定された用地内における廃棄物の処分容量を増大することができる。

次に遮水構造２０を施工する遮水工法について説明する。まず腹付け土１１ａを外周護岸４の背面に設置し、下地１１ｂを海底面７を被覆するよう設置し、その上に、下側の多層シート３０を敷設する。多層シート３０を構成する保護マット３１、遮水シート３２が接着されていないときは、保護マット３１、遮水シート３２、保護マット３１の順に重ねて敷設する。なお、保護マット３１と遮水シート３２との間には滑り止めや潤滑材を適宜、挟み込んでもよい。

遮水シート３２と下側の保護マット３１とが接着されている場合には、接着されている遮水シート３２と下側の保護マット３１とを同時に敷設し、その上に保護マット３１を重ねて敷設する。さらに遮水シート３２が上側の保護マット３１とも接着されているときには、遮水シート３２とその上下面に接着された保護マット３１、３１とを同時に敷設する。

次に下側の多層シート３０の上に中間保護層４０を造成する。土質材料からなる中間保護層４０を造成することで、下側の多層シート３０が潮汐や波浪による楊圧力によって浮き上がるのを防ぐことができる。

中間保護層４０を造成した後に、下側の多層シート３０と同様にして上側の多層シート３０を中間保護層４０の上に敷設する。その後中間保護層４０と同様に、上側の多層シート３０の上に上部被覆層１２を造成する。上部被覆層１２を造成することで、上下の多層シート３０、３０及び中間保護層４０の潮汐や波浪による楊圧力によって浮き上がるのを防ぐことができる。

以上のように、本実施例によれば、上側の保護マット３１にかかる中間保護層４０や上部被覆層１２による斜面下方への滑動力から受ける遮水シート３２へのせん断応力を極力小さく抑え、また遮水シート３２が受ける引張力は効率よく下側の保護マット３１に伝達されるので、遮水シート３２への負荷を極力小さくすることができ、安全で効率のよい海面処分場の施工を行うことができ、また使用時、すなわち廃棄物の埋立時の法面の安定を計ることができる。

〔実施例〕
以下に本発明に関する評価を示す実験結果を記載する。

実験１．せん断力を受けるジオシンセティックス多層ライナーの荷重伝達特性
法面部に敷設される多層ライナー（遮水構造）の部分モデルを対象として多層構造せん断装置を開発し、せん断力を受けるジオシンセティックス多層ライナーの法面模型実験を実施した。

＜実験方法＞
（１）実験装置と原理
多層せん断試験装置の概念図（５層構造の場合）を図４に示す。最上層（第１層）の土質材料６１を詰めたせん断箱５１（B188ｍｍ×L288mm×H150ｍｍ）は法面上の土塊に相当し、これに水平に作用させるせん断力Ｆは土塊自重による滑動力に相当する。実際の側面遮水工の全体構造系に対しては部分構造モデルであり、不織布６２・シート６３はそれぞれ端部を締付金具で固定し、剛性が高くヒンジをもつ接続金具を介して支柱に固定されている。固定端にセットしたロードセルで各層に発生する張力を測定する。各層の固定端からせん断箱の後端の間（自由長）は、引張力に応じて自由に伸びが発生する。また、最下層の境界条件として、土質材料６１（下部土槽５２）を図示しているが、伸び拘束（固定）、伸び自由（ローラー）、も選定できる。

本実験では、せん断部の載荷範囲（B=188mmまたは240mm）に対してせん断部でネッキングの影響が少なくなる様に、シート・不織布供試体の幅を30cmとした。また、せん断箱の変位が150mmになるまで変位速度50mm/minでせん断力を載荷した。なお、第１層を不織布とする実験では、せん断箱に固定したダミー板（B240mm×L340mm）に不織布を接着した供試体を用いた。

（２）層間のせん断力・せん断応力
図４において、層間に作用するせん断力・せん断応力などを説明する。５層構造の場合、第１層：土質材料６１（せん断箱５１）、第２層：不織布６２、第３層：シート６３、第４層：不織布６２、第５層：土質材料６１（下部土槽５２）から構成される。実験の基本的な計測項目は、せん断力F₁および第i層（シート６３/不織布６２）に発生した引張力（i = 2, 3, 4）とせん断箱５１の変位量u₁
の関係である。F_rは、第５層が発揮するせん断力あるいは第４層と第５層間のせん断力F₄₅であり、全体の力の釣合から次式で得られる。
F_r= F₁ − F₂ − F₃ − F₄ (1)

F_ijは接触する第i層と第j層の間に作用する層間せん断力である。各層の力の釣合から以下の関係があり、計測値F_i(i=1〜4)から算定される。
F₁₂ = F₁
F₂₃ = F₁₂ − F₂ = F₁ − F₂ (2)
F₃₄ = F₂₃ − F₃ = F₁ − F₂ − F₃
F₄₅ = F₃₄ − F₄ = F₁ − F₂ − F₃ − F₄ = F_r

これより、接触する第i層と第j層の層間に作用するせん断応力τ_ijは、以下のように求められる。
τ_ij ＝ F_ij / A （A：接触面積） (3)

第i層、第j層におけるそれぞれの任意点で発生する変位をu_i 、u_jとすると、この2点間の相対変位u_ijは、以下の通りである。
u_ij = u_i − u_j (4)

せん断力F₁ が作用する範囲でにおいて、シート・不織布の変位は、自由長L_iの伸びδL_iと、せん断部直下部分の伸びの和となる。また、せん断箱内の土質材料の変位は、せん断箱の変位と必ずしも一致しない。ここでは簡単のため、第１層の変位は直接測定されたせん断箱の変位u₁ とした。また、第２〜４層の変位u_i は各層の自由長の伸びδL_iとした。
u_i = δL_i = F_i / (EAs)_i × L_i (i>1) (5)
ここで、(EAs)_iは第i層の自由長部の引張剛性であり、Eはヤング率、Asは断面積である。

（３）実験ケースと実験材料
５層構造のプロトタイプに対して、多層ライナーを構成する４層構造を実験した。その構成材料と最下層の拘束条件（伸び拘束・自由）を実験パラメーターとした。

遮水シートとして厚さ3mmのPVCシート、保護マットとして厚さ5mm相当の短繊維不織布と長繊維不織布、土質材料として相対密度Dr=50−60%の緩い状態の製鋼スラグを用いた。これらは、海面処分場を対象として検討した材料である。

実験材料の引張剛性EAsは、本試験装置のキャリブレーションの中で、シート・不織布供試体にダミー板を用いて固定したせん断箱にせん断力を作用させ、せん断力〜変位関係、すなわち引張力〜自由長伸び量の関係から測定した。その結果、シートはEAs=4.22kN、短繊維不織布はEAs=3.04kN、長繊維不織布はEAs=7.43kNであった。これらの値を式(5)にて用いた。

＜実験結果と考察＞
本報告では、長繊維不織布を用いた４層、５層構造のケースについて実験結果と考察を示す。

（１）せん断力・せん断応力と変位・相対変位関係
ａ）４層実験
第１層をせん断箱に詰めたスラグ６５、第２層を長繊維不織布６２、第３層をシート６３、第４層を長繊維不織布６２とする４層構造であり、第2〜３層は伸び自由、第４層は伸び拘束の条件である（図５）。図６に鉛直応力σ_n=30(kN/m²)に対して得られたF₁〜u₁と F_ij〜u₁関係を示す。F₃が小さく、シート６３に働く引張力が極めて小さいことがわかる。また、第２層と第３層、第３層と第４層とで摩擦係数を変えていないため、F₂₃、F₃₄(=F_r)の大きさは非常に近い値を示している。

ｂ）５層構造
５層構造では、第１層をせん断箱に詰めたスラグ、第２〜４層は長繊維不織布−シート−長繊維不織布からなり、伸び自由、第５層は下部土槽のスラグである（図４参照）。５層実験ではσ_n=30, 50(kN/m²)の２ケースを実施した。ここでは、大きい引張力が生じるσ_n=50(kN/m²)のケースを示す。図７にF₁〜u₁と F_ij〜u₁関係を示す。F₃、F₄ が小さく、シート６３および第４層の長繊維不織布６２に働く引張力が極めて小さいことがわかる。
また、F₂₃、F₃₄、F₄₅(=F_r)の大きさは非常に近い値を示している。F₁が最大となる変位はu₁=30mmであり、４層構造の場合より大きい。ここに示した５層実験の方が鉛直応力σ_nが大きいために、最大せん断力が大きくなって各層の伸びが増加したことが考えられる。F₃＞F₄となった点については、第３層と第４層の剛性の差と、第３〜４層間と第４〜５層間とのせん断強度の差の両者に起因していると思われる。

（２）荷重伝達率
多層せん断実験におけるせん断力F₁に対して、第i層に生じる引張力F_iの割合F_i / F₁を荷重分担率と定義する。４層、５層構造の実験結果について荷重分担率F_i / F₁〜せん断変位u₁の関係をそれぞれ図８、図９に示す。
４層、５層構造のいずれについても、シートに対する荷重伝達率F₃/F₁が最も小さくなっており、第２層の長繊維不織布が荷重の多くを負担していることがわかる。

実験２．管理型海面処分場の表面遮水工における斜面滑りに関するＦＥＭ解析（シミュレーション）
管理型海面処分場の側面遮水工に関する安定検討において、先に実施した模型実験（多層せん断実験、実験１）の結果に基づき、力学的設計法・数値解析手法の開発を目的としている。ここで検討する断面は、二重遮水シートによる表面遮水工であり、上部遮水工と下部遮水工がそれぞれ「土質材料〜不織布〜遮水シート〜不織布〜土質材料」の５層から成る構造である（図２）。まず、一面せん断試験から得られた材料間のせん断特性について数値解析モデルを構築し、これを多層せん断実験のＦＥＭ解析に適用して多層構造に関する数値解析手法の妥当性を検証した。この解析手法を用いて海面処分場の側面遮水工の全体挙動について評価した。

＜検討条件＞
（１）検討断面
図２における管理型海面処分場の二重遮水シートから成る表面遮水工（遮水構造２０）に関する検討断面を図１０に示す。海面処分場外周護岸を透過する波浪による圧力と、潮位変動によって処分場内外に生じる水位差による静水圧が、遮水工に揚圧力として作用する。この揚圧力による浮き上がりに抵抗するため、表面遮水工の中間保護層と上部被覆層の両者に土質材料を用いて載荷重としての役割をもたせた構造である。中間保護層４０、上部被覆層１２の厚さがそれぞれ3m、5mであり、全体が8mとなる。これを決定した海象条件は、設計波高Ho=3.1m, 周期T=5.8sec、水深h=14.5m(海底地盤からMSL)、潮位差HWL−LWL：3.6mである。

図１０の図中の番号は側面遮水工の施工段階を示している。護岸背面に(1)腹付け土１１ａ、底面部に土質材料で(2)下地層（下地１１ｂ）を設置した後、(3)下部遮水工（多層シート３０）を敷設する。中間保護層４０を(4)底面部と(5)側面部に造成後、(6)上部遮水工（多層シート３０）を敷設する。上部被覆層１２を(7)底面と(8)側面部に造成後、(9)覆土する。ここでは、上部・下部遮水工はそれぞれ、保護マット（長繊維不織布）〜遮水シート（PVCシート）〜保護マット（長繊維不織布）から成り、土質材料として製鋼スラグ（粒径30mm以下）を用いる場合を検討する。

（２）材料の物性値
解析に用いた材料の変形・強度特性に関する物性値を表１、表２に示す。
表１ 材料の変形特性

表２ 材料（間）のせん断強度特性

図１１は、PVCシート、長繊維不織布について試験片寸法20cm×20cmにより、通常の引張試験と拘束引張試験を実施した結果である。ここで、拘束引張試験には二軸引張り試験機を用いた。土中に敷設された場合、ネッキングが拘束されると考え、拘束引張試験で得られた弾性係数を用いた。
中間保護層・上部被覆層は海中施工が中心となり、締固めを行わない場合、相対密度がDr=50〜60%程度の緩く堆積した状態になると想定される。スラグの強度変形特性は、初期相対密度Dr=60%の大型供試体（寸法D300mm×H600mm）を用いた圧密排水三軸圧縮試験から求めた。なお、単位体積重量は、気中γ=21kN/m³、水中γ'=14kN/m³とした（（財）沿岸開発技術研究センター・鐵鋼スラグ協会：「港湾工事用製鋼スラグ利用手引書」、平成12年3月）。

（３）安定解析
極限平衡法による安定解析から、検討断面（図１０）における遮水工に必要な層間摩擦角を算定した。極限平衡法であるため、土塊や遮水材に発生する変形・ひずみを無視し、最大摩擦角が滑り面に沿って同時に発揮されると仮定している。

安定解析モデルとして、既往の法面部分を対象とする法面モデル（R.M. Koerner: Designing with Geosynthetics - fourth edition, Prentice Hall, Chapter 5 Designing with Geomenbrane, 1999，J.P.Giroud and J.F.Beech: Stability of soil layers on geosynthetic lining system, Proceedings of Geosynthetics '89, Vol.1, pp.35-46, 1989）と底面部を含めた全体モデル（図１２）の２種について解析した。

図１２において、以下の式が成り立つ。
N_A ＝ W_A cosβ − F
N_P = W_P + E_P sinβ − F’
E_A sinβ = W_A − N_A cosβ − ( N_A tanδ +C_a ) sinβ / F_S
E_P cosβ = ( N_P tanδ + C ) / F_S + A_P
E_A = E_P

ここに、W_A：滑動土塊総重量（kN/m)、W_P：抵抗土塊総重量（kN/m）、N_A：斜面垂直方向の反力(kN/m)、N_P：底面垂直方向の反力(kN/m)、β：法勾配(°)、F：法面にかかる波圧(kN/m)、F’：底面にかかる波圧(kN/m)、P_P：抵抗土塊（水平部）による受動土圧(kN/m)、E_A：抵抗荷重の法面水平方向の力(kN/m)、E_P：滑動荷重の法面水平方向の力(kN/m)、δ：土塊と遮水材の層間摩擦角(°)、F_S：遮水材上の土塊滑りの安全率、C_a：土塊と遮水材の付着力(kN/m)、C：土塊の粘着力(kN/m)、φ：土塊の内部摩擦力(°) である。

全体モデルでは、このように底面部の土塊と受働土圧を考慮している。処分場底面にも遮水工を敷設する必要がある場合には、底面遮水工に沿った滑りがクリティカルになる場合がある。

図１０の検討断面におけるａ）下部遮水工と中間保護層、ｂ）上部遮水工と上部被覆層、ｃ）下部遮水工と遮水工全体の３断面に関して、全体モデルによる安定解析結果を図１３に示す。ここで、層間摩擦角δは、多層ライナー構造である遮水工の全体と覆土（中間保護層と上部被覆層）および下地との間で発揮される摩擦角と見なしている。ただし、外力として遮水工に作用する波圧の影響は、法面、底面からの反力N_A、N_Pを低減させる様に働くと考えているが（図１２）、この安定解析では考慮していない。

不織布−シートおよびスラグ−不織布（水中）の層間摩擦角δ=27°が小さく（表２）、法勾配1：2 (傾斜角θ=26.6°)の遮水工全体の滑りについて支配的と考えられる。検討した３断面についてδ=27°に対する安全率Fsは、それぞれa) Fs=1.8, b)Fs=1.4, c)Fs=2.2 である。これは、覆土と遮水工との摩擦抵抗力、覆土底面の土の摩擦抵抗力あるいは受働土圧が発揮され、側面遮水工の安定が確保されることを示している。一方、不織布−シートの層間摩擦角が小さくFs<1.0になる場合には、遮水工を補強して土塊の滑動力に抵抗するか、遮水材の発揮する引張力に期待して必要安全率を満たす必要がある。

＜側面遮水工のFEM解析＞
（１）解析条件
管理型海面処分場の側面遮水工（図１０）を対象として、２次元平面ひずみ弾塑性FEM解析によって施工過程における遮水工の安定と多層ライナー構造の挙動を検討した。

土質材料は平面要素でモデル化し、法面部分は高さ・幅を約0.5mに分割した。材料モデルはMohr−Coulombの降伏側に従う弾塑性体とした。シート(t=3mm)と不織布(t=5mm)は、引張剛性だけもつ（曲げ剛性と圧縮剛性をもたない）部材として、非線形トラス要素でモデル化した。各材料の物性値は表１、表２に示した通りである。スラグ〜不織布、不織布〜シートの境界に弾塑性モデルの境界要素を配置し、一面せん断試験結果のシミュレーションから得たモデルパラメーターを用いた。なお、今回の検討範囲では、境界要素のメッシュサイズ依存性が無視できるくらい小さいことを事前計算により確認している。
境界条件として、裏込め石と基礎地盤との境界は固定境界、処分場側の側方境界は鉛直ローラーとした。シート・不織布の天端は、遮水工の天端位置に固定した。

＜検討条件＞に述べた施工過程に従った解析手順で段階解析を行った（計61ステップ）。法面部の覆土層は高さ0.5m毎（要素高さ）に平面要素を発生させ、その自重を作用させていく形で、段階的な盛土解析を行った。その間のシート・不織布の敷設段階で、非線形トラス要素を発生させた。

（２）解析結果（基本ケース）
ここでは、覆土の滑動力によって多層構造遮水工の各構成材に発生する引張力に着目し、層間せん断抵抗との相互作用を検討する。
上側不織布、下側不織布、シートのそれぞれに発生する引張力とこれらの合力について、天端から法面に沿った距離に対する分布を図１４に示す。法尻の位置は、下部遮水工ではX=37.5m、上部遮水工ではX=29.7mである。ここでは、ａ）下部遮水工の中間保護層完了時（39ステップ）、ｂ）下部遮水工の覆土(9)完了時、ｃ）上部遮水工の覆土(9)完了時（以降、最終時と称す）、の３通りについて示した。

全般的な傾向として、引張力の発生する範囲は上部法面だけである。ａ）とｂ）を比較すると、上部被覆層の荷重により下部遮水工の引張力が増加していき、引張力の発生する範囲が法面の約1/2から2/3に拡大している。また、ａ）とｃ）は類似の分布傾向を示すが、上部被覆層の方が中間保護層より法面の覆土厚が大きく、底面の覆土厚が薄いため、ｃ）の引張力が大きくなっている。

上側・下側不織布の引張力は、シートの引張力の10倍程度大きく、全体の大部分の力を負担している。この基本ケースに関しては、上部・下部遮水工とも、また中間保護層完了時と最終時の両者ともこの傾向を示す。これは、層間の相対変位が比較的小さく、不織布の方がシートより弾性係数が高いためと考えられる。また、天端付近では、直接覆土層のせん断力を受ける上側不織布の方が下側不織布よりも大きい傾向を示すが、法面の途中では、ほぼ同様な大きさになっている。

なお、シート・不織布に発生しているひずみは、最大で1％程度であり、弾性範囲内にある。安定解析によるとFs>1.4を満足している断面に関して応力変形解析による照査を行ったが、基本ケースの設定条件に対しては、側面遮水工全体および構成材料の応力ひずみについて安定上問題ないと言える。

（３）パラメータースタディ
不織布〜シートの層間せん断強度と不織布の弾性係数に関してパラメータースタディを実施した。各ケースで得られた下部遮水工（最終時）の引張力分布を図１５〜１８に示す。

ａ）不織布〜シートの層間せん断強度の影響
上側・下側の不織布〜シートの層間せん断強度だけを変化させた場合について解析した。これは不織布〜シート間の摩擦係数を低下させた場合に相当する。上側・下側の不織布〜シートの層間せん断強度を基本ケースの0.5倍にすると、層間摩擦角ではφ=27.0°からφ=14.3°に低下させることに相当し、遮水工全体の安全率はFs=1.1になる（図１３）。直接土塊からせん断力を受ける上側不織布の引張力が基本ケースの2〜5倍程度大きくなり、下側不織布の分担する引張力は相対的に小さくなる。引張力の発生する範囲は法長の90%程度となり、引張力の合力は4倍程度増加する（図１５）。一方、不織布〜シートの層間せん断強度を1.5倍にした場合（φ=37.4°）、すなわち、摩擦係数を上げた場合、大きな変化はないが、基本ケース（図１４ｂ）と比較した場合、基本ケースでは上側不織布の引張力が下側不織布より高くなっているが、層間せん断強度を1.5倍にした場合では上側不織布と下側不織布とで同等の引張力となっている。したがって、シートと下側不織布との摩擦係数を高くすれば下側不織布が引張力を分担する割合を増やしてシートにかかる引張力を減少させることができる。

極端なケースとして、上側・下側の不織布〜シートの層間せん断強度を基本ケースの0.05倍にした場合（φ=1.5°）、引張力の合力が基本ケースの20倍程度に増加し、そのほとんどを上側不織布の引張力が負担している。これは、不織布の引張強さの1/2程度の値である。一方、下側不織布とシートには、基本ケースと同様な引張力しか生じていない（図１７）。
以上のことから、上側不織布とシートとのせん断強度は小さく、下側不織布とシートとのせん断強度は大きくすると、シートにかかる引張力は極力小さくすることができると考えられる。

ｂ）不織布の剛性の影響
上側・下側不織布の弾性係数を基本ケースの1/10倍にしたケースの下部遮水工（最終時）の引張力分布を図１８に示す。不織布の引張力は、不織布の剛性に対してほぼ比例関係を示し、1/10倍になった。上側・下側不織布の弾性係数を10倍にした場合も上記と同様な傾向であった。
一方、シートの引張力は不織布の剛性に関係なくほぼ一定値であった。このため、不織布の剛性が低い時には相対的に大きな引張力をシートが負担し、反対に不織布の剛性が高い時には不織布が負担する引張力が大きくなると考えられる。したがって、シートより不織布の剛性（ヤング率）が高いほうがよいと考えられる。

実験３．
図１９に示すように、転炉スラグで作成した方面角度１：２、高さ５ｍの盛土斜面８１に、５００g/m²、ヤング率３５０００kN/m²のポリエステル製長繊維不織布３１（保護材）と、３ｍｍの塩ビの遮水シート３２とを、保護マット３１〜遮水シート３２〜保護マット３１の順に積層し敷設した。遮水シート３２は下面をエンボス加工して摩擦係数を高くした。各材料の上端は遮水シート３２、保護マット３１を個別に斜面８１の上の固定部８４に固定し、個別に移動量を測定できるように各固定部にコイル式のエキスパンダー８２を設置した。遮水シート３２、保護マット３１を固定後に法面上端と同じ高さまで山砂８３を積み立てて遮水シート３２、保護マット３１の移動量を確認した。

評価方法として材料間の摩擦係数はＪＩＳ Ｋ７１２５を用いて各３回測定し最大値を採用した。

比較例として上下の保護マットに通常の５００g/m²、ヤング率１５０００kN/m²の短繊維不織布とエンボス加工のない３ｍｍ塩ビ遮水シートを敷設しテストした。その結果を表３に示す。

以上に示したように、本発明の実施例によれば、ヤング率が高い保護マット３１を使用し、また遮水シート３２の下面をエンボス加工して下側の保護マット３１との摩擦係数を大きくしたことにより、遮水シートの移動量を大幅に抑えることができ、また上側の保護マットの移動量も大幅に抑えることができた。

本発明の実施の形態例を示す管理型廃棄物最終処理場（海面処分場）が造成される埋立予定地である。 図１の海面処分場の遮水構造を示す断面図である。 海面処分場１０の法面部分の断面のモデル図である 実験１の多層せん断実験（５層実験）の概念図である。 実験１の４層実験の構造図である。 実験１の４層実験におけるF_i〜u₁と F₂₃(=F_r)〜u₁の関係を示す図である。 実験２の５層実験におけるF_i〜u₁と F₂₃(=F_r)〜u₁の関係を示す図である。 実験１の４層構造の実験結果について荷重分担率F_i / F₁〜せん断変位u₁の関係を示す図である。 実験１の５層構造の実験結果について荷重分担率F_i / F₁〜せん断変位u₁の関係を示す図である。 実験２で検討する管理型海面処分場の二重遮水シートから成る表面遮水工に関する検討断面図である。 実験２の解析に用いたPVCシート、長繊維不織布についての引張試験結果である。 実験２で検討する底面図の土塊と受動土圧を考慮した安定解析のための全体モデルを示す図である。 図１２の全体モデルによる安定解析結果を示す図である。 実験２において、ａ）下部遮水工の中間保護層完了時、ｂ）中間保護層の覆土完了時、ｃ）最終時の、上側不織布、下側不織布、シートのそれぞれに発生する引張力とこれらの合力について、天端から法面に沿った距離に対する分布を示す図である。 実験２において、不織布〜シートのφ＝14.3°における最終時の引張力分布を示す図である。 実験２において、不織布〜シートのφ＝37.4°における最終時の引張力分布を示す図である。 実験２において、不織布〜シートのφ＝1.5°における最終時の引張力分布を示す図である。 実験２において、上側・下側不織布の弾性係数を基本ケースの1/10倍にしたケースの下部遮水工の最終時の引張力分布を示す図である。 実験３の装置を示す図である。 従来の海面処分場の遮水構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 埋立地
２ 水域
３ 既設護岸
４ 外周護岸
５ 中仕切護岸
６ 水処理施設
７ 海底面
１１ａ 腹付け土
１１ｂ 下地
１２ 上部被覆層
２０ 遮水構造
３０ 多層シート
３１ 保護マット（保護材）
３２ 遮水シート
４０ 中間保護層

Claims (4)

1. 海面処分場の遮水工法であって、
   遮水シートと、前記遮水シートよりもヤング率が高くかつヤング率が２００００ｋＮ／ｍ ^２ 以上である、長繊維不織布からなる上下の保護材とを接合して第１及び第２の多層シートを形成し、
   海面処分場の法面を有する海底面の少なくとも法面部分上に第１の多層シートを海中に沈めて敷設し、
   次に、敷設された第１の多層シートの少なくとも法面部分上に、土質材料を投入することで中間保護層を形成し、
   次に、この中間保護層の少なくとも法面部分上に第２の多層シートを海中に沈めて敷設し、
   その後、敷設された第２の多層シートの少なくとも法面部分上に、土質材料を投入することで上部被覆層を形成することを特徴とする海面処分場の遮水工法。
2. 前記遮水シートのヤング率は６０００ｋＮ／ｍ ^２ 以上であることを特徴とする請求項１に記載の海面処分場の遮水工法。
3. 前記遮水シートを下側の前記保護材と、または下側及び上側の前記保護材と、一部若しくは全面で接合することを特徴とする請求項１または２に記載の海面処分場の遮水工法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の海面処分場の遮水工法により施工されたことを特徴とする海面処分場の遮水構造。

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