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水利施設を次世代に
中島 賢二郎
3-3.構造的機能■構造的機能に関する項目には、コンクリートの耐久性と施設機械の保全可能性とがあります。 コンクリートの耐久性 ■コンクリートの耐久性に関して一般的には、中性化、塩害、凍害、化学的腐食、アルカリ骨材反応、疲労が要因として挙げられます。水利構造物に関しては、このうち凍害が顕著です。さらにこれら以外に、施工に起因するかぶり不足、水による摩耗侵食の問題があります。 （1）薄いコンクリートの耐久性 ■薄いコンクリートの代表である水路コンクリートに関しては、施工に起因するかぶり不足、侵食、凍害があります。施工に起因するかぶり不足は、水路断面厚の薄さに起因するものと、鉄筋径に比較してスペーサ間隔が広いことに起因するものとがあります。施工に関する侵食に関しては、いわゆるジャンカ部や打継目の施工不良部を浸透水が長期間にわたり侵食することにより、止水性やコンクリートとしての一体性を失うものです。これらはいずれも長期的には、鉄筋の腐食をもたらします。凍害に関しては、大きく二種類に分けられます。一つは、水路天端部、構造物のコーナー部、ジャンカ等の施工不良部が凍害にあうものです。二つは、伸縮継目部に沿う凍害です。 前者は、天端部は締固め不十分の上にレイタンス処理が不十分なこと、コーナー部は雨水が浸透しやすいこと、施工不良部は透水係数が大きく水分が浸透しやすいことが原因です。後者は伸縮継目の設計が十分でないために、継目部に微細な亀裂が生じていることによります。この微細な亀裂に水分が浸透して凍害を引起こしている可能性が最も大きいと考えられます。継目部の微細な亀裂の発生原因は、次のようなものが考えられます。
■これらは、それぞれ適切な空気量の混入と水セメント比の低減や良質な骨材の使用で対応する方法があります。しかし､これらの方法は､仕様規定の考え方によるものであり、性能規定の立場からは、現場コンクリートの耐凍害性を検査する手法が別途必要です。 最も良く耐凍害性を示す指標として、気泡間隔係数が挙げられます。一般に気泡間隔係数が250mm以下であれば十分な耐凍害性を示しますが、現在のところコンクリートの配合により気泡間隔係数を直接制御することは困難と言われています。今後は、気泡間隔係数を多くの構造物について測定して、気泡間隔係数を耐凍害性の指標として用いるための技術を開発し実用化していくことが望まれます。またこのことにより、コンクリート配合以外の、目地構造や打設方法に由来する凍害の防止手法の解明にも繋げることができます。 さらにコンクリート表面の中性化試験の結果から、コンクリートの中性化を老朽化や劣化の原因としている例を散見します。水利構造物は、乾燥した気中に曝される機会は少なく、一般的には最も中性化の起こりにくい構造物です。水利構造物の中性化は、凍害特にスケーリングの結果として中性化を示している場合が少なくありません。造成時に凍害に着目せずに、コンクリート配合と設計・施工とを行えば、再び三度構造物の早期劣化を惹起する可能性が高まります。 なお水門等の金属の錆が激しい地区や海岸に接した強風地帯では、内陸部への塩分の飛来が推定できます。塩分の存在で凍害は促進されると言われていますので、気中の塩分濃度の測定や気泡間隔係数の測定時に塩分の浸透深さを測定することも必要でしょう。さらに古い時代のプレキャスト製品の耐久性が高いことは、実態調査で明らかにされていますが、近年のプレキャスト製品に施工後年数を経ていないにもかかわらず、スケーリングの観察される場合があります。そのような場合には経過の観察が必要でしょう。 （2）薄いコンクリートの補修 ■現在、薄いコンクリートに関して、亀裂や凍害の存在だけで改築の要因としている場合が多いようですが、亀裂の存在がどこまで水利構造物としての機能を低下させているのか、厳密に検討する必要があるでしょう。 たとえば、凍害について、
■また、台形水路のクラックは水路の機能にどのような機能低下をもたらしているのか機能に着目した検討が必要でしょう。 一方、開水路の改修に当たり表面に金属板やコンクリートパネルを張りつける工法や、樹脂による表面コーティングが行われることがあります。改修区間が短い場合は上下流部分の低下背水、堰上背水の影響を受けて水流に大きな問題を引起しませんが、粗度係数が極端に小さな素材では長区間では流速が大きくなり過ぎ、また水面低下を引起す可能性があります。改修素材の選別には水理的性能にも注意が必要です。 （3）マスコンクリートの耐久性 ■マスコンクリートの耐久性について、耐凍害性に関して新たな視点での対応を必要としています。一般的に耐凍害性は、良質なAE剤の使用と水セメント比の低減で達成されると言われています。しかし近年、既往の知識では想定できない凍害の発生が見られるようになりました。 それは次のようなメカニズムと推定されます。 良質のAE剤を用い、規定の水セメント比以下のコンクリートであっても、ポンプ打設を行うためにスランプ値を大きくしたコンクリートでは、単位水量が著しく増大します。一般に硬化したコンクリートの乾燥収縮は、単位水量200kgでおよそ700m（0.07%）に達すると言われます。乾燥収縮の場合は、完成後数年を経ずに収縮クラックを発生させます。柱の場合には、乾燥収縮の亀裂は通常縦方向に発生すると考えられます。しかし水門の柱のように、軸荷重が作用していると考えられるような場合においても、水平の亀裂が発達し得ます。これは、コンクリートが有するクリープ性のために、鉄筋に大部分の荷重が支持されコンクリートが無荷重に近くなり、縦の拘束が作用しないためと考えられます。（2） この結果縦横に微細な亀裂が発生し、その発生原因の特定を誤りやすく、熱応力による一過性のものと誤判定しがちです。特に初期の発見が遅れることにより、凍結融解作用の進行を早めてしまう場合があります。 ダム以外のマスコンクリートにあっても、今後打設されたコンクリートの凍結融解被害の実態調査や、硬化コンクリートの気泡間隔係数の測定が必要と考えられます。また、単位水量の制御に留意するべきでしょう。 施設機械の保全可能性 ■ポンプや水門ゲートのように維持管理を必要とする施設機械に関して、設計施工時において保全可能の思想や更新可能の思想が必要になっています。この考え方が不十分な場合には、維持管理費の高騰を招くでしょう。各地区の調査結果からも設備機器の維持管理に要する費用と時間はかなり大きいことが分かっています。ある地区の揚水機場の例では、機械そのものに対する信頼性が低い上に日常点検も容易ではなく、部品の取替えすら現地での対応が不可能で、故障時には当然工場への運搬を必要としていました。 施設機械類については、コンクリート構造物との耐用年数の違いもあり、耐用年数の短い機器類を更新可能とする設計思想を必要としていると思えます。 （1）頭首工 ■頭首工は、継続的な維持管理補修を必要とする構造物です。頭首工の躯体は、河床の低下に対応しては、護床ブロックの追加施工が、流水による躯体の摩耗に対してはエプロンの補強等が、また機器類については、ゲートの塗装、巻揚げ機の整備、電気関係の整備等が定期的に実施される必要があります。 このため、設計の時点からこれらの維持管理補修を考慮した構造設計がなされる必要があります。たとえば土木構造物については、周辺の河川工作物の事例等から河床の低下や躯体の摩耗についておおよその傾向を把握し、追加施工時の仮設の可能性を検討すること等が必要です。具体的には、エプロンの補強が数年ごとに必要と推定されるなら、エプロン・コンクリートに摩耗代を予め設計時点で設計厚さに見込むことや工事用の進入路や仮締切足場の確保を検討するべきでしょう。また非取水期の河川流量は、土砂吐で全量流下させることができ、洪水吐の転倒ゲートの点検が可能か検討するべきでしょう。予想される事態に対応できる施設を設計することが最も重要です。 機器類については土木構造物も含めて、保全可能なシステムとして設計する必要があります。保全とは、点検、試験、監視、診断、修理、交換、注油、清掃、調整等の仕事を言います。予防保全とは、事後保全に対して用いられる概念で、システムの停止が致命的になる部位についてあらかじめ故障率等のデータに基づき計画的に保全を行うことです。予防保全は長期的には、施設機械全体の寿命を延ばす効果があり、かつ経済的であるとされています。 ある地区の頭首工のゴム堰の場合、日常点検は通路が確保されていないために定期的に行うことが不可能になっています。ゴム自体の点検手法が確立していないうえに、点検用通路を確保するとしても河川の締切りを必要とし、保全可能な施設とは言えない状況です。また給気設備系の保全計画を十分検討するべきと思われます。これに対して洪水吐のうち1門と土砂吐は、将来の塗装費の増大を避けるためにステンレス製としています。ゴム堰との思想に一貫性が欠けるように見えます。 なお鋼製ゲートに関しても、近年道路橋で採用されているように扉体に塗装足場用の金具を設置すること等も検討すべきと思えます。 いずれの頭首工、取水工も取入口に集積するごみが維持管理上大きな問題となっています。今後問題解決のために十分な検討を必要としています。 （2）揚水機場 ■揚水機場は、ポンプ、モータ等の電気機器類、土木構造、建築構造の補修間隔、更新間隔が異なることに十分対応できていないために、構成要素の更新期間または耐用年数の最も短いものに全体の耐用年数が規制されているのが現状です。また付帯するゲートや電気機器類の据付は、更新することがあり得るにもかかわらず、土木構造物に埋め込まれています。 ポンプの機種について、管理者は、維持管理のしやすさから横軸ポンプを強く要望しています。このことに関してはまず、ポンプの据付高さについて再考する必要があります。現行の基準では、電動機の据付高さを洪水に対して安全な高さと規定しています。このため極端な場合には、既往洪水最大高さとしている例があります。このため、ポンプ形式が縦軸型になりがちです。しかしその水位が発生する確率は、ポンプの平均的な耐用年数30年程度に対してどの程度の大きさでしょうか？ 事象によるリスク＝事象による損害額×事象の発生確率 です。この場合、（電動機の損害額）×（既往最大洪水の発生する確率）とすれば、リスクの額をポンプを縦軸にすることにより発生するマイナスの便益、すなわち縦軸にすることによる管理費や修理費の増大が上回るのであれば、管理しにくい縦軸をあえて採用する必要はないでしょう。維持管理機能を確保するためには、このようなライフサイクル・コストの考え方を導入する必要があります。 揚水機場に関する補修記録からは次のようなことが言えます。
■今後は、ポンプ本体の耐久性能の検討の必要性にも増して、補機の基本的な要求性能の水準、特に耐久性に関する要求性能の水準に関する長期的な視点からの検討が必要でしょう。 （3）ゲート・バルブ ■ゲート・バルブについては、単純な構造であるにもかかわらず操作性の改善が遅れています。ゲートは水門の門柱の構造が点検可能な構造となっていないために、日常点検不能となっているものが多くあります。また塗装については、こまめな補修が大補修を回避できることを管理者に対して数値を示して周知するべきでしょう。ゲートは特定の開度で維持されることが多いため、スピンドルのねじ山に緩みが生じやすいようです。 バルブは、軸受部のシールが浄水用で構成されている水道用バルブを農業用水に採用することは適切ではありません。農業用水の場合には、原水に耐える軸受シールを用いないと、操作頻度の低い農業用水では軸受部が固着しがちです。特に非常用バルブについて原水用バルブを使用しない場合には、非常時の安全度を確保するためにも定期的な操作を必要とします。ゲート・バルブ類の駆動装置は、頻繁に操作するもの以外は補修を必要とする電動機を避け、錆び難く堅固な構造を管理者は望んでいます。 以上施設機械の保全可能性については、次のようにまとめることができます。
中島 賢二郎 H20.5.14
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