Transcript ジオシンセティクスを用いた埋立地キャッピング層における水分移動数値

2006.5.25
ジオシンセティクスを用いた埋立地キャッピング層
における水分移動数値シミュレーション
九州大学大学院
島岡隆行
小宮哲平
石橋俊将
1
内
容
１．キャッピングの構造とジオコンポジット型
排水層
２．ジオコンポジット型排水層における水移動
モデルの構築およびシミュレーション
３．浸透流解析による
キャッピング構造の雨水排除効果の評価
2
キャッピングの構造
各層の代表的な物性値
侵食防止層
キャッピ
ング
透水係数
[cm/s]
侵食防止層 10-2～10-4
層厚
[cm]
≧50～150
排水層
浸透防止層
ガス排除層
-2
≧30
-5
≧50
排水層
10
浸透防止層
10
ガス排除層
-
-
廃棄物層
3
キャッピングにおける水分移動
降雨
表面流出、蒸発
侵食防止層
排水層
雨水排除
浸透防止層
ガス排除層
廃棄物層への浸入
4
ジオコンポジット型排水層の構造
（ジオフローＷＰ322）
芯材 （高密度ポリエチレン）
保護材 （不織
布）
2mm
20mm
2mm
断面模式図
・高密度ポリエチレンをエンボス加工
・芯材厚20mm、芯材間隔25mm
・規則的に、直径数ミリの孔あり
芯材（上面図）
5
芯材の断面図
芯材厚さ
20mm
通水穴
φ6mm
芯材間隔
25mm
6
芯材の上面図
75mm間隔
通水穴
通水穴
7
ジオコンポジット型排水層における水移動
侵食防止層からの雨水浸入
上部排水
通水穴から流出
下部排水
浸透防止層への雨水浸入
8
２．ジオコンポジット型排水層における
水移動モデルの構築およびシミュレーション

目的


ジオコンポジット型排水層の水移動特性を
数式として把握し、数値計算によって排水
層による雨水排除効果を評価すること
内容
実証実験の結果
 水移動モデルの構築
 数値シミュレーション

9
人工散水実験①
～浸透量及び排水量の把握～
散水強度10～45mm/h
侵食防止層
排水層
浸透防止層
ガス排除層
勾配3%
基盤層
浸透水集水
側方排水集水
層名
材料
厚さ(cm)
透水係数(cm/sec)
侵食防止層
山砂
50
1×10-3
排水層
エンボス型排水材
2
―
浸透防止層
雨水制御シート
0.1
1×10-5
ガス排除層
砕砂
10
1×10-2
10
人工散水実験②
～排水層上部排水量及び下部排水量の把握～
散水強度40mm/h
排水層
上部排水集水
浸透防止層
ガス排除層
勾配3%
基盤層
浸透水集水 下部排水集水
層名
使用材料
厚さ(mm)
透水係数(cm/sec)
排水層
エンボス型排水材
20
－
浸透防止層
雨水制御シート
1
1×10-5
ガス排除層
ジオコンポジット材
20
－
11
モデル実験土槽
12
計測風景
散水量の計測
ガス排除層まで浸透した
水量の計測
13
実験結果
実験①
浸透率及び排水率(%)
100
排水率
80
下部排水率
60
実験②
40
上部排水率
20
浸透率
0
0
10
20
30
40
散水強度(mm/h)
50
14
水移動モデルの構築
侵食防止層
QD
Q U ,1
QU , 2
Q L ,1
浸透防止層
QH
QW
Q L ,2
θ
Q D ：侵食防止層からの浸入
Q L ：排水層下部での側方流
Q U ：排水層上部での側方流
Q W ：浸透防止層への浸入流
Q H ：通水穴から排水層下部への流出
15
設定条件
・定常状態
・側方流れは不等流 （昨年は等流）
・侵食防止層からの浸透流速 ＝ 降雨強度
・浸透防止層は飽和状態
16
侵食防止層からの雨水浸入流量 QD
I ：降雨強度
QD  I  A
A ：単位領域の面積
QD
θ
17
排水層上部の側方流量 QU
～ 開水路流れ ～
QU  C U  AU hU   vU
C U ：上部流量係数
v U ：上部流速
AU ：上部側方流断面積 hU ：上部水深
g ：重力加速度  ：傾斜角
2
 vU ,1 2
  vU , 2 2

vU

 hU ,1 cos   z U ,1   
 hU , 2 cos   z U , 2    U
 x
 2g
  2g

2g

 

上流側全水頭
下流側全水頭
損失水頭
z U ：標高
 U ：上部損失係数
 x ：単位領域の長さ
添字1:上流側境界
添字2:下流側境界
Q U ,1
QU , 2
θ
18
排水層下部の側方流量 QL
～ 開水路流れ ～
Q L  C L  A L h L   v L
C L ：下部流量係数
v L ：下部流速
A L ：下部側方流断面積 h L ：下部水深
g ：重力加速度  ：傾斜角
2
 v L ,1 2
  v L ,2 2

vL

 h L ,1 cos   z L ,1   
 h L , 2 cos   z L , 2    L
 x
 2g
  2g

2g

 

上流側全水頭
下流側全水頭
損失水頭
z L ：標高
 L ：下部損失係数
 x ：単位領域の長さ
添字1:上流側境界
添字2:下流側境界
Q L ,1
Q L ,2
θ
19
上部の側方流れにおける流動域と非流動域
上部の側方流れ
流動域
上部排水
非流動域
20
下部の側方流れにおける流動域と非流動域
下部排水
下部の側方流れ
流動域
21
下部の側方流れにおける流動域と非流動域
非流動域
下部排水
下部の側方流れ
流動域
22
上部および下部での流動域の側方流
開水路
流れ
2
 v1 2
  v2 2

v

 h1 cos   z 1   
 h 2 cos   z 2   
 x
 2g
  2g

2g

 

上流側の全水頭
側方流下
方向
芯材の突起
下流側の全水頭
v1
損失水頭
断面１（上流側）
x
h1

v2
断面２（下流側）
h2
z2
z1
基準面
23
通水穴からの流出量 QH
～ ベルヌイの定理 ～
Q H  C H  A H  hU   v H  I  A 
A  ：通水穴セル面積 I ：降雨強度
C H ：流量係数 g ：重力加速度  ：傾斜角
A H ：排水層上部からの流下断面積
vH 
vU  gh U cos 
2
v H ：排水層上部からの流下流速
vU
：排水層上部流速 hU ：排水層上部水深
QH
θ
24
浸透防止層への浸入流量 QW
～ ダルシー則 ～
CW
Q W  C W  A  vW
vW
hL 

 k  1 
  cos 
L 

QW
vW

：流量係数
：浸透流速
：傾斜角
A ：単位領域の面積
k ：浸透防止層の透水係数
L ：浸透防止層の厚さ
h L ：排水層下部水深
θ
25
水収支式
QD
Q U ,1
QU , 2
Q L ,1
QH
QW
Q L ,2
θ
上部： Q D  Q U ,1  Q U , 2  Q H  0
下部： Q H  Q L ,1  Q L , 2  Q W  0
26
係数の決定
実験値と計算値の誤差が最小と
なるよう係数を与えた。
流量係数
誤差＝

i
 計算値 i  実験値


実験値 i

上部側方流：
C U  0 . 8 [-]
通水穴への流下：
C H  0 . 2 [-]
下部側方流：
C L  0 .1
i




2
[-]
浸透防止層への浸透流： C W  2 . 0 [-]
損失係数
上部側方流：
 U  0 . 01
下部側方流：
L
[mm1]
 0 . 01 [mm1]
27
実験１の再現計算結果
降雨量に対する割合［％］
100
80
排水率（実験）
浸透率（実験）
排水率（計算）
浸透率（計算）
60
40
20
0
0
10
20
30
降雨強度［mm/h］
40
50
28
実験２の再現計算結果
降雨量に対する割合［％］
100
排水率（実験）
浸透率（実験）
上部排水率（実験）
下部排水率（実験）
排水率（計算）
浸透率（計算）
上部排水率（計算）
下部排水率（計算）
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
降雨強度［mm/h］
50
29
数値シミュレーション
ジオコンポジット型排水層に関する諸条件を変動
させた場合の雨水排除効果の変化を見る。
芯材厚さ
排水層
の形状
通水穴
ピッチ
k
1
k
1
勾配
1
k
施工条件
施工長さ
1
k
30
標準ケース
施工長さ（排水長さ）
6ｍ
θ
勾配=tanθ
=0.03
通水穴ピッチ
75mm
芯材厚さ
20mm
31
芯材厚さの影響
100
100
排水率
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
60
50
40
30
90
降雨量に対する割合［％］
90
降雨量に対する割合［％］
下部排水率
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
60
50
40
30
上部排水率
20
20
浸透率
10
10
0
0
0
20
40
芯材厚さ［mm］
60
0
20
40
60
芯材厚さ［mm］
32
通水穴ピッチの影響
100
90
90
排水率
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
60
50
40
30
20
浸透率
10
降雨量に対する割合［％］
降雨量に対する割合［％］
下部排水率
100
80
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
70
60
50
40
30
20
上部排水率
10
0
0
50
150
250
通水穴ピッチ［mm］
350
50
150
250
350
通水穴ピッチ［mm］
33
勾配の影響
100
排水率
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
60
50
40
30
20
浸透率
10
90
降雨量に対する割合［％］
90
降雨量に対する割合［％］
下部排水率
100
80
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
70
60
50
40
30
上部排水率
20
10
0
0
0
0.02
0.04
勾配［-］
0.06
0
0.02
0.04
0.06
勾配［-］
34
施工長さの影響
100
排水率
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
60
50
40
30
20
浸透率
10
0
90
降雨量に対する割合［％］
90
降雨量に対する割合［％］
上部排水率
100
80
70
5mm/h
10mm/h
20mm/h
30mm/h
40mm/h
60
50
40
30
下部排水率
20
10
0
0
2.5
5
7.5
施工長さ［ｍ］
10
0
2.5
5
7.5
10
施工長さ［ｍ］
35
内容２のまとめ

実験結果を再現可能なジオコンポジット型排
水層の水移動モデルを構築した。

ジオコンポジット型排水層に関連する諸条件
を変動させた結果、排水率および浸透率の変
動が最も大きかったのは施工長さであった。

ジオコンポジット型排水層を埋立地規模で施
工した場合、実験規模とは異なる排水および
浸透特性を示す可能性がある。
36
３．浸透流解析による
キャッピング構造の雨水排除効果の評価
検討したキャッピング構造
侵食防止層
（2ﾊﾟﾀｰﾝ）
排水層
（3ﾊﾟﾀｰﾝ）
浸透防止層
（3ﾊﾟﾀｰﾝ）
土質（１）
土質（２）
-2
1×10 cm/s
1,000 mm
-3
1×10 cm/s
1,000 mm
ジオコンポジット型
不織布
1×10 cm/s
10 mm
-0
2.82×10 cm/s
10 mm
1×10 cm/s
300 mm
雨水制御シート（１）
土質
雨水制御シート（２）
-5
1×10 cm/s
500 mm
-5
1×10 cm/s
1 mm
1×10 cm/s
1 mm
礫材
-1
-2
組み合わせは１８パターン
-6
37
設定条件
・埋立面積２ｈａの埋立地
・年間降雨量 1,854mm/h （福岡市，2004）
・蒸発および表面流出は考慮しない。
√２×５０ ｍ
キャッピング
埋立廃棄物
想定した埋立地
38
計算方法：HYDRUS-2Dによる浸透流解析
39
年間降雨の与え方
・降雨強度別の発生頻度データを使用
・１回の雨の降雨継続時間は降雨強度式で与えた。
250
降雨継続時間 ［min］
2000
降雨時間 (hour)
200
150
100
50
I 
1600
1200
5440
t  32
I : 降雨強度[mm/h]
800
t : 降雨継続時間[min]
400
0
0
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
降雨強度 (mm/hour)
降雨強度別の発生頻度データ
10
20
30
40
降雨強度 ［mm/h］
50
降雨強度式（タルボット式） 40
排水量および浸透量 (万m3)
浸透防止層：土質
（k=10-5cm/s, t=50mm）
侵食防止層
排水層
浸透防止層
5
5
5
4
4
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
0
0
0
土質（１）
土質（２）
ジオコンポジット型
土質（２）
土質（１）
不織布
排水量
浸透量
土質（２）
土質（１）
礫材
土質
41
排水量および浸透量 (万m3)
浸透防止層：雨水制御シート(１)
（k=10-5cm/s, t=1mm）
5
5
5
4
4
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
0
0
0
侵食防止層
排水層
浸透防止層
土質（１）
土質（２）
ジオコンポジット型
土質（１）
土質（２）
不織布
排水量
浸透量
土質（２）
土質（１）
礫材
雨水制御シート
（１）
42
浸透防止層：雨水制御シート(２)
（k=10-6cm/s, t=1mm）
5
5
4
4
4
3
3
3
2
2
2
1
1
1
0
0
0
排水量および浸透量 (万
m3)
5
侵食防止層
排水層
浸透防止層
土質（１）
土質（２）
ジオコンポジット型
土質（１）
土質（２）
不織布
排水量
浸透量
土質（２）
土質（１）
礫材
雨水制御シート
（２）
43
内容３のまとめ

浸透防止層が土質の場合、排水層がジオコンポ
ジット型および不織布の場合は雨水排除効果が高
いが、礫材の場合は８割以上が排除されずに浸透
する結果となった。

浸透防止層が雨水制御シート（１）の場合、約６～８
割が排除されなかったが、シート（２）の場合では浸
透した量は約２～４割と（１）の約１／３程度に抑え
られた。
44