被災堤防緊急対応のための３次元可視化ツール及び対策設計支援システムの

開発（その３）－現場評価試験結果について－

高橋亨*（公益財団法人深田地質研究所）

相澤隆生，村田和則，西尾英貴（サンコーコンサルタント株式会社）

松岡俊文（京都大学）

Development of a 3D integrated geophysics guided countermeasure design support system for damaged river embankments

- Field test of the developed system -

Toru Takahashi (Fukada Geological Institute)

Takao Aizawa, Kazunori Murata, Hideki Nishio (Suncoh Consultants)

Toshifumi Matsuoka (Kyoto University)

ABSTRACT: For effective design of a countermeasure for a damaged or potentially damaged river embankment, we have developed a design support system using a 3-D geophysical imaging of its interior. In the last year of three-year research term, the developed system was tested on an actual river embankment to evaluate its performance. 3-D electric and seismic data were simultaneously acquired in a 20m long and 30m wide measurement area on the 8m high and 30m wide embankment. The data were analyzed with 3-D electric inversion and 2-D seismic tomography techniques to get 3-D image of the levee body. Electrical resistivity and seismic S-wave velocity thus obtained were integratedly used in rock physical interpretation for estimating soil type, permeability and strength of the levee soil. The properties thus estimated were verified by comparing with real data measured in the river embankment. It was proven through this field test that the developed system can be a useful tool to effectively select the levee section for its safety verification and to estimate physical properties required for its seepage analysis.

1. はじめに

筆者たちは，国土交通省の建設技術研究開発助成を

受けて，平成23年度～25年度の3年間，被災した河

川堤防あるいは規模は小さくても将来の破堤につな

がるような前兆的な堤体変状等が発生している河川

堤防の効果的な調査・対策工の立案を支援するための

3次元探査システムの開発を行ってきた．具体的には，

以下の２つの成果目標を設定し開発を行ってきた（高

橋他，2012；村田他,2012）．

1）堤防内部構造の3次元可視化装置の開発

堤防の内部状態をできるだけ迅速に且つ 3 次元的

に可視化するために，広範囲を高速に調査できるベル

ト状の計測装置を利用した探査システムを開発する．

探査手法としては，これまでの研究でその有効性が示

されている電気探査と弾性波トモグラフィを同時に

測定し，比抵抗と弾性波速度を解析できるシステムを

構築する．

2）被災状況把握・対策工設計支援システムの開発

測定・解析された物理探査データから，まず堤防の

評価に必要な土質構成，透水係数，強度といった諸特

性を推定する解析手法を開発する．次に，それらの解

析データとその他の調査データを合わせて堤防内部

の被災状況（範囲や位置）を推定する手法を開発する．

本稿では，開発した探査システムの性能を評価する

ために昨年，福井県の九頭竜川堤防で実施した現場試

験結果について報告する．

2. 探査実験地

探査実験地は，福井県の九頭竜川左岸10.8k地点付

近の堤防である．堤防の高さは約 8m，幅 30m で，過

去に樋門調査で開削され，土質構成，透水係数等の諸

特性が得られている．測定範囲は，開削地点の上流

15m地点に，縦断方向に20m，横断方向に30mを設定

し，3次元電気探査と弾性波トモグラフィ2断面を実

施した．

講演番号 22 公益社団法人　物理探査学会第130回学術講演会論文集（2014）

83

3.

方

電極

範

に設

個

下及

験

と

5m

を設

測

ー

あ

で

間

し

に変

は測

こ

間

較

の測

と

3次元可視

図１に測線配

向10m，横断

極による測定

囲をカバーし

設置した台座

おきに設置し

及び水平に起

では，開発し

して，弾性波

と15mの2地

設置したデー

測定に要した

タ収録に約

った．地震探

はそれぞれ半

をほぼ半減で

図2と図3に

た結果を示す

変えて解析し

測定精度と探

こでは，2m

隔のデータ

した．その結

測定では表層

がわかった．

視化装置によ

配置図を示す

断方向30m範

定を縦断方向

した．弾性波

座に上下動

し（つまり，

起振した際の

した装置の性

波トモグラフ

地点で横断方

ータ収録も同

た時間は，装

1時間，撤収

探査と電気探

半日程度要す

できたと考え

に収録したデ

す．同図には

した結果を比

探査時間を制

間隔で収録

を疑似的に作

結果，電気探

層（1-2m 程

．

図 1 測線

よるデータ収

す．3次元電

範囲に2m間隔

向に 2 回繰り

波トモグラフ

と水平動のジ

各4m間隔

のデータを収

性能評価を行

フィについて

方向に1m間

同時に実施し

装置の設置に

収に約1時間

探査を別々に

することを考

える．

データを通常

はセンサー間

比較して示す

制御する重要

したデータを

作成し同じ解

探査，地震探

程度）の分解

線配置図

収録

電気探査は，縦

隔に設置した

り返し 20m×

フィは，2m 間

ジオフォンを

），測線間で

収録した．探査

うための比較

ては，縦断方向

隔でジオフォ

した．

に約2.5時間

の計4.5時間

実施する従来

考えると測定

の解析法で解

間隔を 2m と

す．センサー間

要な要素であ

を間引く形で

解析を行って

探査とも4m間

能が低下する

縦断

た96

×30m

間隔

を 1

で上

査実

較用

向の

ォン

間，デ

間で

来法

定時

解析

と 4m

間隔

ある．

で4m

て比

間隔

るこ

図

図

図 2 解析で得

図 3 解析で得

得られた S 波

得られた比抵

波速度（上：

抵抗（上：2

：2m，下：4m

2m，下：4m

m）

m）

84

4. 探査データからの堤防特性の推定

3次元電気探査で得られた比抵抗と弾性波トモグ

ラフィで得られた弾性波速度の両物性を用いて，堤防

の土質構成，透水係数，強度を求める方法について検

討を行い，上記九頭竜川堤防で取得したデータに適用

し，その評価を行った．

（１）土質構成の推定

本研究では，Takahashi and Yamamoto (2010)と同

じロックフィジックス分野で利用されている未固結

砂岩モデルを用いてS波速度と間隙率の関係をモデ

ル化した(Mavko et al., 2009)．さらに，比抵抗と間

隙率の関係をモデル化するために，間隙を含む材料の

比抵抗を表すGloverの式(Glover et al., 2000)と混

合材料の比抵抗を表すHashin-Shtrikmanの平均式

(Hashin and Shtrikman, 1963)を用いた．S波速度と

間隙率，比抵抗と間隙率の関係がモデル化できると，

結果としてS波速度と比抵抗の関係がモデル化でき

る．本研究ではこの関係を用いて弾性波トモグラフィ

によるS波速度分布と電気探査による比抵抗分布を

用いて堤防の3次元的な土質構成を推定した．図4

に，九頭竜川堤防でのデータ解析に用いた上記関係図

を，図5に堤体の土質構成の推定結果を示す．

（２）透水係数の推定

土質構成が推定できると，堤防を構成する土質材料

の平均的な粒径がわかる．また，未固結砂岩モデルま

たはGloverの式で土質材料をモデル化すると，S波

速度または比抵抗から土の間隙率を推定することが

できる（図4参照）．粒径と間隙率が得られると，

Kozeny - Carmanの式(Carman, 1956)を用いて，堤防

を構成する土質材料の透水係数を推定することがで

きる（高橋・稲崎，2013）．図6に，九頭竜川堤防で

のデータに適用して推定した透水係数の分布図を示

す．図中には開削断面で採取された土質試料の室内試

験で得られた実測データとの比較も示す．

（３）強度の推定

堤防の強度定数として土質材料のC（粘着力），φ

（内部摩擦角）が用いられるが，これらの定数はN

値から推定される場合も多い．そこで，本研究では，

堤防の土質材料について得られているS波速度とN

値の経験式（稲崎,2005）を用いて弾性波トモグラフ

ィによるS波速度からN値を推定することとした．

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

20 30 40 50 60 70 80

S-w

ave v

elocity

(m/s

)

Porosity (%)

Model (C=20%)

Model (C=40%)

Model (C=60%)

Model (C=80%)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

20 30 40 50 60 70 80

Resi

stiv

ity

(ohm

-m

)

Porosity (%)

Model (C=20%)

Model (C=40%)

Model (C=60%)

Model (C=80%)

40

60

80

100

120

140

160

180

0 200 400 600 800 1000

S-w

ave

velo

city

(m/s)

Resistivity (ohm-m)

Data

Model (C=20%)

Model (C=30%)

Model (C=40%)

図4 物性間関係のモデル化

上：S波速度と間隙率

中：比抵抗と間隙率

下：S波速度と比抵抗（粘土含有率の異な

る３つの曲線により４種類の土質に

分類．図5に示す土質分類に対応．図

中の点は断面１での実測データ．

① ②

③ ④

85

土質 実測値 推定値

砂質土 8.22x10-4 cm/s 10-3 ~ 10-2 cm/s

粘性土 1.21x10-5 cm/s 10-5 ~ 10-4 cm/s

5. 評価結果

現場実験の結果，計測時間についてはほぼ目標を達

成することができた．探査精度的には2m間隔のセン

サー配置が必要であるが，規模の大きい堤防でも今回

のように2回に分けて測定する等，センサーベルト配

置を工夫することで対応可能である．解析については

今回開発の対象外としたが，現在のＰＣの能力をすれ

ば，解析・解釈・表示も含めてオンサイトでの処理も

特に問題はないと考える．取得した探査データから堤

防特性を推定する手法も物理モデルを利用した手法

の適用性を実データとの比較を通して確認すること

ができた．

舗装・護岸堤防への適用性等の課題も残されている

が，被災堤防周辺や漏水等の変状箇所周辺の対策の必

要性の有無などを判断するための有効な調査法の１

つとして利用可能なシステムができたと考える．

謝辞

本研究開発は，国土交通省の平成23-25年度建設技

術研究開発助成を受けて実施した．本研究開発を実施

するにあたり，大津宏康，岡村政彦（平成 25 年度）

小林晃，利岡徹馬，中村則之（平成 24 年度），細川

雅（平成 23 年度），山口伸治，山本剛（五十音順）

各氏からなる推進委員会の助言をいただいた．ここに

記して感謝する．また，現場評価試験実施においては，

近畿地方整備局福井河川国道事務所九頭竜川出張所

の藤田悦夫，粂純司両氏に現場の手配や既往データの

提供等でお世話になった．ここに記して感謝する．

参考文献

Carman, P.C. (1956): Flow of gases through porous

media, Academic Press Inc., Butterworths Sc.

Pul., London.

Glover, P.W.J., P.J. Hole and J. Pous (2000): A

modified Archie’s law for two conducting phases,

EPSL, 180, 369-383.

Hashin, Z. and S. Shtrikman (1963): A variational

approach to the elastic behaviour of multiphase

materials, J. Mech. Phys. Solids, 11, 127-140.

稲崎富士(2005)：沖積層堆積物のS波速度と土質特性

の関係について，物理探査学会第113回学術講演会

論文集，217-220.

Mavko, G., T. Mukerji and J. Dvorkin (2009): The

Rock Physics Handbook, second edition,

Cambridge, Cambridge University Press.

村田和則・相澤隆生・高橋亨・松岡俊文(2012)：被災

堤防緊急対応のための３次元可視化ツール及び対

策設計支援システムの開発（その２）－３次元可視

化ツールの概要－，物理探査学会第127回学術講演

会論文集, 67-69．

高橋亨・相澤隆生・西尾英喜・松岡俊文(2012)：被災

堤防緊急対応のための３次元可視化ツール及び対

策設計支援システムの開発－研究開発の全体計画

と2011年度成果の概要－，物理探査学会第127回

学術講演会論文集, 63-66．

高橋亨・稲崎富士(2013)：物理探査データを用いた河

川堤防の浸透性の推定について，物理探査学会第

128回学術講演会論文集, 166-169．

Takahashi T. and Yamamoto T. (2010): An attempt at soil

profiling on a river embankment using geophysical data,

Exploration Geophysics, 41, 102-108.

図 5 探査データから推定した土質分類

（1:砂，2:粘性土質砂，3:砂質粘性土，4:粘性土）

図 6 探査データから推定した透水係数

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