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

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1 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
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

2 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
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

3 キャッピングの構造 侵食防止層 排水層 浸透防止層 ガス排除層 各層の代表的な物性値 キャッピング 廃棄物層

4 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

5 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） 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）

6 芯材の断面図 芯材厚さ 20mm 通水穴 φ6mm 芯材間隔 25mm

7 芯材の上面図 75mm間隔 通水穴 通水穴

8 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

9 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

10 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 勾配3% 基盤層 浸透防止層 ガス排除層 侵食防止層 排水層 側方排水集水 浸透水集水 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

11 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 下部排水集水 勾配3% 基盤層 浸透水集水 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

12 モデル実験土槽

13 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

14 実験結果 100 80 60 浸透率及び排水率(%) 40 20 10 20 30 40 50 散水強度(mm/h) 排水率 下部排水率
実験① 100 排水率 80 上部排水率 下部排水率 実験② 60 浸透率及び排水率(%) 40 20 浸透率 10 20 30 40 50 散水強度(mm/h)

15 水移動モデルの構築 侵食防止層 浸透防止層 ：侵食防止層からの浸入 ：排水層下部での側方流 ：排水層上部での側方流 ：浸透防止層への浸入流
θ 浸透防止層 ：侵食防止層からの浸入 ：排水層下部での側方流 ：排水層上部での側方流 ：浸透防止層への浸入流 ：通水穴から排水層下部への流出

16 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

17 侵食防止層からの雨水浸入流量 QD ：降雨強度 ：単位領域の面積 θ

18 排水層上部の側方流量 QU ～ 開水路流れ ～ θ ：上部流量係数 ：上部側方流断面積 ：上部水深 ：上部流速 ：重力加速度 ：傾斜角
：標高 ：上部損失係数 ：単位領域の長さ 添字1:上流側境界 上流側全水頭 下流側全水頭 損失水頭 添字2:下流側境界 θ

19 排水層下部の側方流量 QL ～ 開水路流れ ～ θ ：下部流量係数 ：下部側方流断面積 ：下部水深 ：下部流速 ：重力加速度 ：傾斜角
：標高 ：下部損失係数 ：単位領域の長さ 添字1:上流側境界 上流側全水頭 下流側全水頭 損失水頭 添字2:下流側境界 θ

20 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 非流動域 上部排水

21 下部の側方流れにおける流動域と非流動域 下部排水 流動域 下部の側方流れ

22 下部の側方流れにおける流動域と非流動域 流動域 非流動域 下部排水 下部の側方流れ

23 上部および下部での流動域の側方流 開水路流れ 断面１（上流側） 側方流下方向 断面２（下流側） 上流側の全水頭 下流側の全水頭 損失水頭
芯材の突起 側方流下方向 基準面 断面２（下流側）

24 通水穴からの流出量 QH ～ ベルヌイの定理 ～
：通水穴セル面積 ：降雨強度 ：流量係数 ：重力加速度 ：傾斜角 ：排水層上部からの流下断面積 ：排水層上部からの流下流速 ：排水層上部流速 ：排水層上部水深 θ

25 浸透防止層への浸入流量 QW ～ ダルシー則 ～
：流量係数 ：単位領域の面積 ：浸透流速 ：浸透防止層の透水係数 ：傾斜角 ：浸透防止層の厚さ ：排水層下部水深 θ

26 水収支式 θ 上部： 下部：

27 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 損失係数 上部側方流： [-] [-] 通水穴への流下：
下部側方流： [-] 浸透防止層への浸透流： [-] 上部側方流： [mm-1] 損失係数 下部側方流： [mm-1]

28 実験１の再現計算結果

29 実験２の再現計算結果

30 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。
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 k 1 排水層の形状 通水穴ピッチ 1 k 勾配 1 k 施工条件 施工長さ 1 k

31 標準ケース 施工長さ（排水長さ） 6ｍ 芯材厚さ20mm θ 通水穴ピッチ75mm 勾配=tanθ =0.03

32 芯材厚さの影響 下部排水率 排水率 上部排水率 浸透率

33 通水穴ピッチの影響 下部排水率 排水率 浸透率 上部排水率

34 勾配の影響 下部排水率 排水率 上部排水率 浸透率

35 施工長さの影響 上部排水率 排水率 下部排水率 浸透率

36 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。

37 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 組み合わせは１８パターン

38 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。
√２×１００ ｍ √２×５０ ｍ 勾配2% キャッピング 埋立廃棄物 想定した埋立地

39 計算方法：HYDRUS-2Dによる浸透流解析

40 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。 降雨強度別の発生頻度データ
I : 降雨強度[mm/h] t : 降雨継続時間[min] 降雨強度別の発生頻度データ 降雨強度式（タルボット式）

41 浸透防止層：土質 （k=10-5cm/s, t=50mm）
侵食防止層 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 排水層 ジオコンポジット型 不織布 礫材 浸透防止層 土質

42 浸透防止層：雨水制御シート(１) （k=10-5cm/s, t=1mm）
侵食防止層 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 排水層 ジオコンポジット型 不織布 礫材 浸透防止層 雨水制御シート（１）

43 浸透防止層：雨水制御シート(２) （k=10-6cm/s, t=1mm）
侵食防止層 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 土質（１） 土質（２） 排水層 ジオコンポジット型 不織布 礫材 浸透防止層 雨水制御シート（２）

44 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。