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「ダム再生」に関する技術の動向
~放流設備増強・堆砂対策~


石 神 孝 之

櫻 井 寿 之

竹 内 大 輝


キーワード:ダム再生、放流設備増強、堆砂対策

1.はじめに
ダムが持つ治水・利水機能は、河道改修などの他の治水対策と合わせて洪水被害の防止・軽減を図るとともに、農業用水・生活用水などの水供給や水力発電による電力供給の安定化・効率化を図る役割などを果たしてきており、ダムは我々の暮らしと切っても切り離せないものとなっている。日本のダムは、明治以降の大規模な利水目的のダム建設から始まり、戦後には洪水調節を含む多目的ダムの建設が進められ、それぞれのダムの役割を果たしながらも、建設から数十年を経過したダムが多くを占める状況となっている。一方で、近年では、台風や前線性降雨などの広域にわたる豪雨だけではなく線状降水帯の発生による局地的に長時間に渡る豪雨の発生などによる洪水リスクの増大、無降水日数の増加や積雪量減少などによる渇水リスクの増大など、地球温暖化に伴う気候変動の影響が顕在化している。このような状況の中、ダムにかかる期待は益々高まっている。しかしながら、厳しい財政状況、生産年齢人口の減少、水需要の変化など、社会情勢の大きな変化に加え、ダム建設に適したサイトは限られていることから新たにダムを建設することは難しくなってきている。
こうした背景から、既存ストックを有効活用するものとして、既設ダムを賢く使い、機能向上を図るダム再生の需要が高まっている。平成29 年6 月にはダム再生の基本的な考え方、これまでの取り組み、ダム再生をより一層推進する上での課題、ダム再生の発展・加速に向けた方策を示す「ダム再生ビジョン」1)が、平成30 年3 月にはこれまでのダム再生事例をもとにダム再生の検討、計画と手続き、設計・施工に当たっての留意点等を示した「ダム再生ガイドライン」2)が国土交通省によってそれぞれ取りまとめられた。
ダムの長寿命化と高機能化のための施設改良を行うことができる背景には、これまでダム有効活用の実施事例が積み重ねられ、知見や技術が蓄積されてきたことにある。そこで、本稿では、「ダムの長寿命化」と「高機能化のための施設改良」に焦点を絞り、筆者らが関わってきたダム水理設計に関する技術分野として、放流設備増強と堆砂対策の技術動向について紹介する。


2.放流設備増強技術の動向
既設ダムの施設改良において、治水計画の変更、利水計画の変更、機能改善等の様々な理由から放流設備の改良・増設やダムのかさ上げ等が実施されてきている3)。ここでは、比較的大容量の放流能力向上を可能とする技術として代表的な(1)堤頂放流設備の改良・増設、(2)堤体放流設備の改良・増設、(3)トンネル洪水吐きの新設の3つを取り上げる。また、ダム堤体のかさ上げにおける水理設計についても紹介する。

(1)堤頂放流設備の改良・増設
堤頂に設置される越流形式の放流設備や作用水頭が25m 以下のオリフィス形式の放流設備等を改良・増設するものであり、堤体を上部から開削して施工する手法がよく用いられる。改造部分が堤頂付近の施工となるため大きな水圧への対応に関する課題は少ない。さらに、貯水位を低下させることなどで仮締切等の設置が不要となる場合には、比較的施工が容易となる場合もある。
比較的初期に建設されたダムでは、常用洪水吐きと非常用洪水吐きのどちらもゲート調節型式の放流設備が採用されていることがあり、そのようなダムで、集水面積が小さく洪水時の流量増加が早い場合には、洪水調節機能の確実性を向上させるために、放流設備がゲートレス化される場合がある。ゲートレス化は維持管理の負担を軽減することにもつながる。非常用洪水吐きをゲートレス化するためには、越流幅を拡大することが多く、堤頂部に配置することができるか、放流される水脈を減勢して安全に下流河道に流下できるかといった点が課題になる。これらを解決するために、貯水池内の湖岸に新たな非常用洪水吐きを設置したり、堤頂部の越流幅の拡大と合わせてダム下流面に堤趾導流壁を設置したりする工夫がされている。
放流能力増強以外の目的を持った事例として、宮崎県耳川の山須原ダム、西郷ダム(九州電力)では、土砂を通過させる機能を高めるため、既設の堤頂部放流設備について堤体を切り下げて大きなゲート放流設備に改造を行っている。
堤体を堤頂部から開削する手法については、現在改造工事を実施中の徳島県那賀川の長安口ダム(国土交通省)がその開削深さにおいて既往最大規模の事例である。最大で深さ約37m の開削を行い、2 つの放流設備を増設するものである。ダムの貯水位を下げずに従来の貯水池運用を維持しながら開削するため、ダム堤体上流に予備ゲートを先行して設置し、予備ゲート設置後に堤体を開削している。長安口ダムでは増設放流設備により最大で約4,000m3/s の流水が既往の洪水吐きの流れに右岸側から合流することになる。そのため、増設洪水吐き下流の導流部と減勢工の大幅な改造が必要になり、水理模型実験で流況を確認しながら設計形状が検討された(写真- 1)。



(2)堤体放流設備の改良・増設(堤体削孔)
堤体放流設備の改良・増設は、既設のダム堤体に穴をあけ、放流設備を増設する手法で、基本的には重力式コンクリートダムに適用される。日本では、利水目的の貯水池運用上の制約から貯水位を大きく低下させることが難しい場合があり、大水深条件での施工が求められるため、ダム堤体上流側の仮締切の技術が重要となる
作用水頭が25m を超える放流設備は高圧放流設備と定義され、放流時に流れが高速となるため、局所的な負圧の発生等によるキャビテーション損傷を防止する必要がある。そのためには管内流速を小さくする必要があるが、堤体にあけることができる穴の大きさや数はダムの構造により制約があるため、経済性からは流速を大きくして放流能力を増加させたい。さらに、増設放流設備では放流管の呑口と出口の配置を直線上にできない場合があり、複雑に湾曲する形状となることがあるが、大口径放流管の湾曲部では局所的な圧力低下が生じやすくなる。こうした課題に対して、水理模型実験による湾曲部の壁面作用圧力に関する検討によって4)、現在では合理的な設計が可能となっている。
堤体削孔の事例としては、鹿児島県川内川の鶴田ダム(国土交通省)にて、増設放流管3 条(直径4.8m、削孔断面:高さ6.0m ×幅6.0m)、付替発電管2 条(直径5.2m、削孔断面:高さ6.4m×幅6.4m)を増設したものが既往最大規模である(写真- 2)。鶴田ダム増設放流設備の施工における仮締切では、ダム上流の水中に台座コンクリートを設置後、鋼製の仮締切扉体を組み上げる従来の工法の他に、台座が不要な浮体式仮締切の新技術が開発され5)、大深度潜水作業を軽減し、コスト縮減や安全性確保が実現された。



堤体放流設備は流量が小さければ、既設の減勢工に放流する形式とすることができるが、鶴田ダムのように大規模な場合には専用の減勢工が新設される。鶴田ダムについても長安口ダム同様に水理模型実験で流況を確認しながら設計形状が検討された(写真- 3)。



(3)トンネル洪水吐きの新設
大容量の放流設備を増設する際にダム型式やダムの構造上の制約から既設ダム堤体を切削または削孔することが困難な場合には、ダム堤体周囲の地山内にトンネル洪水吐きを新設することとなる。事例としては、現在施工中の愛媛県肱川の鹿野川ダム(国土交通省)と京都府淀川の天ヶ瀬ダム(国土交通省)の2 つがある。
鹿野川ダムのトンネル洪水吐きは、トンネル直径11.5m、延長457m、放流量約1,000m3 /s、天ヶ瀬ダムは、トンネル直径10.3m、延長617m、放流量約600m3 /s である。比較的大きな水圧の作用する延長の長い設備となるため、トンネル水路の断面が大きく、流速を10m/s 程度に抑えた管路流の施設として設計された。管路流のため、流入部で空気を吸い込むと出口でのゲートの振動や流況の乱れを招く懸念がある。空気混入を減らすには流入部の位置を深くする必要があるが、大規模な施設であり、そのような配置が難しいため、水理模型実験によって吸い込み渦の発生を抑える流入部形状が検討された。
天ヶ瀬ダムの貯水池内流入部施設の施工においては民間企業が開発した陸上から遠隔操作で水中の掘削等の作業が行えるシャフト式水中作業機60)が採用された。
両ダムとも放流量が大きく、減勢工が必要になるが、河道内の配置の制約があり、鹿野川ダムでは段差やバッフルピアを配置することでコンパクトな減勢池形状とし(写真- 4)、天ヶ瀬ダムでは地山内に減勢工を設置する工夫がされている。鹿野川ダム及び天ヶ瀬ダムの減勢工についても、水理模型実験で減勢効果を確認しながら設計形状が検討された。



(4)堤体かさ上げ
堤体かさ上げの特徴は、貯水池が下部より上部の方が広がる地形となっており、わずかなかさ上げでも貯水容量を大きく増加させることが可能である点である。北海道石狩川の新桂沢ダム(国土交通省)においては、桂沢ダム堤体を約1.2 倍の高さに同軸かさ上げすることにより、貯水容量を約1.6 倍に増加させる事業を行っている。
堤体かさ上げが実施される場合には、水理設計上はかさ上げ後の放流設備の配置が重要になる。貯水位が高くなることにより、放流量の増加だけではなく放流水の流速も大きくなる場合があり、減勢工などの規模も大きくする必要がある。既存の設備を一部利用するような場合には放流水の処理に工夫が必要になるが、配置上の制約が少ない場合には新規ダム設計の知見を用いることができる。しかしながら、新規ダムと異なる点として、既設ダムの機能の一部または全部を確保しながらの施工が求められる場合が多く、施工中の流水処理が重要になる。このため、必要に応じて水理模型実験を行い、施工中の流況を確認して適切な施 工手順を検討することも必要となる。


3.堆砂対策技術の動向
ダムの堤体は適切に施工、維持管理されているものであれば半永久的に健全であることが期待できる1)。実際に、日本最古の重力式コンクリートダムである兵庫県生田川の布引ダム(神戸市)では兵庫県南部地震後に堤体補強が実施されたものの、110 年を経過した現在もその役割を果たしている。しかしながら、ダムを半永久的に使用するためには水と共に流入する土砂による堆砂に対する対策が重要である。ダム貯水池の容量には、原則100 年間で堆積すると見込まれる土砂量を堆砂容量として確保しているが、さらなる長寿命化のためには堆砂対策が必要となる。ここでは、堆砂対策の代表的な3 つの手法に関する近年の動向と新技術を紹介する。

(1)掘削・浚渫・貯砂ダム・下流河川土砂還元
堆砂の掘削・浚渫は最も一般的に実施されている堆砂の除去方法である。土砂が貯水池内に流入することを防止し、効率的に陸上掘削するために貯砂ダムが設置される場合も多い。除去した土砂はコンクリート骨材や盛土材として有効利用されたり、処分場に運びこまれたりしている。また、土砂の処分場の確保が困難な場合などで、貯水池内の有効貯水容量外の場所へ湖内移動される場合もある。排除した土砂の運搬コストが大きいことも課題の一つである。
近年では、ダム下流の河道に土砂を置き、出水時に下流河道へ還元する取り組み事例も増加してきている7)( 写真-5)。この取り組みは、ダム下流の河道に供給される土砂の減少などにより河床材料の粗粒化やアーマー化などの物理環境変化と合わせて生物環境変化が生じている場合に対して環境改善を目的に実施することが多い。このため、環境改善として必要とされる土砂還元量が小さい事例が多く、ダムの長寿命化のための堆砂対策としていくためには土砂還元量を増加することが求められる。
堆砂から採取した土砂をベルトコンベアで運搬している山梨県富士川の雨畑ダム(民間企業管理)の事例もあり、現在、堆砂対策を検討している長安口ダムや天竜川ダム再編事業の佐久間ダム(電源開発)でもベルトコンベアによる輸送案が議論されている。



(2)土砂バイパス
土砂バイパスとは、貯水池の上流に分流施設を設置し、洪水時の土砂を含む流れの一部をトンネル水路によってダムの下流にバイパスする技術であり、排砂バイパスとも称される。この技術は、日本とスイスが世界をリードしており、2015 年にはスイスで、2017 年には日本で排砂バイパスに関する国際ワークショップが開催されている8)。日本では約100 年前に建設された歴史的な立ヶ畑ダム(烏原ダム)(土砂バイパス完成年:1905年、ダム管理者:神戸市(以下のダムについても同様の標記。))と布引ダム(1908 年、神戸市)の土砂バイパスの他、旭ダム(1998 年、関西電力)、美和ダム(2005 年、国土交通省)、松川ダム(2016 年、長野県)、小渋ダム(写真- 6)(2016年、国土交通省)の合計6 つの事例がある。
利水専用ダムでは、洪水時の流入水を全量バイパスする運用も可能であり、堆砂対策としての効果が大きい。一方、多目的ダムでは、貯水池の運用面から洪水時に貯留する必要がある場合もあり、貯水池の運用とバイパス施設の運用のバランスを考慮する必要がある。日本ではバイパストンネルの呑口が貯水池上流端付近に設置されることが多いが、スイスでは貯水池内に呑口を設置し、貯水位低下操作と組み合わせた運用がされているバイパス施設もあり、これについては今後日本でも検討する余地があると考えられる。
土砂バイパスにおける課題は、トンネル水路に土砂を流下させることに伴い生じる摩耗損傷がある。シルト程度以下の小さい粒径を対象とした美和ダムのバイパスは施設の損傷が見られないが、砂礫を流下させる施設ではライニング材の工夫や損傷量の予測手法に関する研究が進められている。また、土砂バイパスは施設が大規模であるためイニシャルコストが大きいことも課題である。



(3)土砂フラッシング・スルーシング
土砂フラッシングは、排砂とも称され、ダムに堆砂した土砂を排出する概念であるが、スルーシングは、通砂とも称され、出水時に流入する土砂をそのまま排出する概念である。これらの技術は、ダムの堤体に排砂設備を設置し、貯水位を低下させて貯水池内を河川に近い状態(流速を土砂が動く程度以上に高めた状態)にして貯水池内の堆砂を侵食・運搬し、ダム下流に土砂を放流する技術である。日本では富山県黒部川の出し平ダム(関西電力)と宇奈月ダム(国土交通省)及び宮崎県耳川の山須原ダム、西郷ダム、大内原ダム(九州電力)(図- 1、2)で上下流の複数ダムで連携した土砂フラッシング・スルーシングが行われている。





出水時に大量の土砂を排出することが可能であるが、排砂後の水位回復が可能な流況かどうかが適用の必要条件となる。また、土砂バイパス技術同様に摩耗損傷に関すること(写真- 7)やイニシャルコストが大きいこと、貯水池運用条件に制約される面があること等の課題がある。



(4)堆砂対策の課題と新技術
掘削・浚渫については、排除した土砂の運搬のコストが大きいことや土砂の処分場の確保が困難になってきていることが課題となっている。土砂バイパスと土砂フラッシングは、施設が大規模であるためイニシャルコストが大きく、貯水池の運用条件に制約される面がある。
これらの課題を解決するために、ダムの上下流の水位差のエネルギーを利用して、無動力で堆砂を吸引・放流する吸引工法と称される新技術の開発が各方面で進められている9),10)(図- 3)。現状では堆砂中の塵芥や粘性土への対応等の課題があり、日本のダム貯水池では実用化に至っていない。海外では平水時に吸引工法によって粘性土を多く含む12 万m3の土砂を半年間でダム下流へ排出したグアテマラのエルカナダ貯水池の施工実績が報告されており11)、今後の実用化へ向けた検討が期待される。
いずれの堆砂対策手法においてもダム下流河川へ土砂供給することが対策の効率を向上させるための重要な鍵となっている。これを実現するために、下流河川への影響を合理的に予測する技術の高度化や下流河川の環境改善を目指す上での土砂供給の必要性の定量化、下流の関係者との連携などの取り組みを進めていくことが重要と考えられる。



4.おわりに
放流設備増強に関しては、この数年の間に、代表的な3 つの手法について、それぞれ既往最大規模の事業の工事が開始され、施工が進められている。これらの設計や施工を実施する中で多くの技術的な知見が各分野で蓄積されてきている。
堆砂に関しては古くから課題が認識され対策が検討されてきているが、近年大規模な施設の運用実績が蓄積されるとともに新しい施設も完成してきており、運用時のモニタリングの取り組みが開始されている。これらの知見から、より効率的な運用方法や施設の改良の検討が進むことが期待される。また、「ダム再生ビジョン」で示唆されているダムの半永久的な活用を実現するためには、新技術の開発も含めてより一層の取り組みが望まれる。
平成30 年度には新たに雨竜川ダム(国土交通省)、矢作ダム(国土交通省)、早明浦ダム(水資源機構)の3 つのダムがダム再生事業として着手された。また、国土交通省では、都道府県が実施するダム再生の計画策定を支援する「ダム再生計画策定事業」が平成30 年度に創設され、既に幾つかの都道府県でダム再生計画の検討が進められている。
地球環境の変化や厳しい財政状況、少子高齢化等の日本の現状を考慮すると、今後ますますダム再生事業に取り組むダムが増加することが予見できる。未来に向け、既存ダムのストック効果を最大限高められるようなダム再生事業を行うためにもこれまで培われてきた技術を結集し、蓄積されてきた知見を今後の事業に活用することが期待される。


参考文献
1)国土交通省水管理・国土保全局:ダム再生ビジョン、平成29 年6 月
2)国土交通省水管理・国土保全局:ダム再生ガイドライン、平成30 年3 月
3)日本大ダム会議ダムリフレッシュ分科会:ダムリフレッシュ技術調査報告、大ダム、
  No.202、pp.4-186、2008 年1 月
4)柏井条介、宮脇千晴:円形放流管湾曲部の圧力特性、ダム工学、Vol.9、No.4、
  pp.245-252、1999 年
5)加治賢祐、川元壊二、山田信一郎:鶴田ダム再開発事業における浮体式上流仮締切、
  ダム技術、No.339、pp.62-65、2014 年12 月
6)谷地宜之、蒲谷大輔、八重田義博、上山淳:T-iROBO UW(シャフト式遠隔操縦水中作業機)
  について、土木学会第70 回年次学術概要集、VI-723、pp.1445-1446、2015 年
7)国土交通省河川局河川環境課:下流河川土砂還元マニュアル(案)第2 版、2011 年
8) h t t p : / / e c o h y d . d p r i . k y o t o - u . a c . j p /
  index/2nd+Bypass+Tunnel+Wokshop.html
  (第2 回排砂バイパストンネルに関する国際ワークショップWEB サイト)
9)前田修一、多田康一郎、庄路友紀子:ダム堆砂土の吸引・下流供給技術としての
  鉛直二重管吸引工法の開発、電力土木、No.371、pp.54 - 58、2014 年
10)宮川仁、宮脇千晴、石神孝之:自然エネルギーを活用したダムからの土砂供給技術の開発
  ~潜行吸引式排砂管の現場適用に向けた検討~、
  土木技術資料、第58 巻、第10 号、pp.22 - 25、2016 年
11)Tom JACOBSEN、Alberto JIMENEZ:マニホールド吸引工法による粘性土の渡諜グアテマラの
  エルカナダ貯水池、ダム工学、Vol.24、No.2、pp.129 - 132、2014 年


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