キャピラリー･バリアシステムを試験導入した盛土式廃棄物貯蔵施設の性能

本研究は、capillary barrier（CB）システムの性能を扱う。CBは、傾斜した境界面上に、より細粒の土層（通常は砂）を上に、より粗粒の層（通常は砂利）を下に重ねた構造からなる。浸透が起きると、水は境界面の上に保持され、やがて「breakthrough（ブレークスルー）」が生じて水が粗粒層へ浸透するまで、斜面下方へ迂回（divert）すると予想される。このときのdiversion length（迂回長）は重要な設計パラメータである。理論上は浸透が小さい条件で迂回長が大きくなり得ることが示唆される一方、既報の観測では1–2 m程度しか報告されないことが多く、これでは埋立地カバーや斜面安定化用途での実用を制約し得る。こうした背景のもと、本論文は、地表面上に建設する浅層の陸上廃棄物処分施設を提案し、降雨浸透を低減する上部CBと、浸透してきた水を保護対象の廃棄物から遠ざける下部CBを組み込む。主な目的は、(i) 管理された室内試験により処分施設設計に適用できる迂回長を決定すること、(ii) 一般的な理論推定法が測定された迂回長を再現できるか評価すること、(iii) 実地試験用処分施設で土中の水移動を観測し、施工したCBの迂回機能を評価することである。

室内の土槽試験では、迂回長は境界面の傾斜、浸透率（模擬降雨）、および砂の締固め条件に依存した。代表例（砂の締固め90%、傾斜10°、浸透~10 mm/h）では、浸透—排水の質量収支（例：1077.4 cm³/10 minを10.8 mm/hに換算）を保ちながら、迂回長は170 cmとなった。傾斜5°と10°、浸透率5・10・20 mm/hを組み合わせ（砂密度は締固め90%と85%の2条件）た計12試験において、測定された迂回長はSteenhuis et al.（1991）の式で推定した値と良好に一致した。カラム試験から得た水理パラメータ（ha = 13 cm, hw = 1 cm, α = 0.12/cm）と、測定したKs値（締固め90%で1.31×10⁻⁴ m/s、85%で1.91×10⁻⁴ m/s）を用いた結果、著者らは、これらの式が迂回長推定に実用上適していると結論づけた。処分施設設計については、先行結果に基づき、迂回長として実用的に「約4メートル」を用い得るとしている。実地試験用処分施設では、体積含水率の時系列から、浸透水は砂層には入るが、CB区画ではその下の砂利層には入らないことが示され、CBのない参照区画が土中の水挙動の比較対象として用いられた。これらセンサーに基づく証拠は、観測された降雨条件下でCBが優れた水迂回を示したものと解釈された。

本研究は、制御された室内実験と、フィールドスケールの試験施工およびモニタリングを組み合わせた。室内では、アクリル製土槽（長さ300 cm × 幅20 cm × 高さ50 cm）に、砂利層7.5 cmと砂層20 cmを充填した。境界面には、砂が砂利の空隙へ移動するのを防ぐため透水性ポリプロピレンネットを敷設し、表面は水滴による侵食を防ぐガーゼシートで保護した。土槽を傾け、CB境界面の傾斜を5°または10°とした。降雨は、一定水頭のリザーバから注射針（内径0.3 mm）へ供給する方法で模擬し、降雨強度は採水による測定で一様性を確認しつつ較正した。水理特性の把握として、粒度分布と、カラム試験で測定した土壌水分特性曲線を用い、van Genuchten式にフィットさせて不飽和透水係数関数を導出した。breakthroughと迂回長は、底部に沿って10 cm間隔で設置した横方向の仕切り壁（高さ3 cm）により砂利層へ浸透した水を区画ごとに集水し、チューブでビーカーへ導くことで定量化し、集水された排水の空間分布から迂回長を決定した。試験は、傾斜角、浸透率（5、10、20 mm/h）、砂の締固め（最大乾燥密度1.616 Mg/m³に対する90%と85%）の組合せで計12回実施した。フィールドでの検証として、基盤を5°に締固めて傾斜させた試験用浅層陸上廃棄物処分施設を施工し、砂利層（厚さ10 cm、水平長4 m）の上に砂層（厚さ15 cm）を配置し、その上に覆土／廃棄物模擬の構成要素を設けた。隣接して、CBのない幅2 mの参照区画も構築した。CB層の砂密度の一様性は、円柱コア（100 cm³、高さ5 cm）を19本採取して乾燥密度と、それに対応する飽和透水係数のばらつきを評価した。6月から9月にかけて、EC-5 dielectric moisture sensorを両区画の複数深度（地表近傍、砂層、砂利層）に設置して土中の水移動を監視し、併せて5分間隔の降雨強度記録を取得した。

著者らは、上部および下部のCB層を組み込んだ浅層陸上廃棄物処分施設は、有害廃棄物または極低レベル放射性廃棄物を隔離する概念として実現可能であると結論づけ、2つの利点を強調している。すなわち、地表面上に建設することで地下水が廃棄物に流入して汚染物質を拡散させるリスクを低減できること、そしてCBが自然材料（砂と砂利）を用いるため、迂回機能が極めて長期間持続し得ること、である。実証的には、室内土槽試験により測定可能な迂回長が示され、迂回長が土の水理特性、境界面の傾斜、浸透率から推定できることが示された。これに基づき、本論文は、CB適用における迂回長推定の実用的な設計ツールとして、Steenhuis et al.（1991）の式（飽和近傍における指数関数的なパラメータ化を伴う）を用いることを推奨している。実地試験用処分施設はCBの機能主張も支持しており、含水率モニタリングから、浸透は砂層へは到達するが、その下の砂利には進行しないことが示され、砂—砂利境界面で有効に迂回が生じていることと整合した。設計上重要な含意として、迂回長は砂の飽和透水係数に敏感であり、飽和透水係数は締固め密度に依存する。コア測定ではKsに大きな変動の可能性が示され、著者らは、このようなばらつきが迂回長を大きく変化させ得ると述べている。総じて本研究は、CBを用いた浅層処分施設の設計において、迂回長の推定と密度管理が中核であると位置づけている。

本論文は、長期モニタリングの必要性を明示している。すなわち、長期間にわたるCB性能を評価するため、土中の水移動の継続観測が必要になり得ると述べている。この継続提案は、処分施設が長期に機能することを想定している点と、フィールド試験が6月から9月の測定に限られている点に基づく。さらに著者らは、今後の実務的課題として、砂の密度（したがって飽和透水係数）の一様性確保が重要であり、ばらつきが迂回長を大きく変え得ることを強調している。その結果として、さらなる取り組みは、含水動態の継続的な現地観測と、予測された迂回挙動を維持するための砂層の施工品質管理への注意を含むことが論理的に導かれるが、本論文は継続モニタリング以外の追加的な実験設計を具体的には示していない。

この研究では、capillary barrier(上に砂のような細かい土、下に砂利のような粗い土を重ねて境目を作り、水が下へ落ちにくくして境目に沿って流させる仕組みです。雨水のしみ込みを減らしたり、水を守りたい場所から遠ざけたりするために重要です。)（CB）という仕組みが、雨水などの水のしみ込みをどれだけうまく防げるかを調べています。CBは、上に細かい土（多くは砂）、下に粗い土（多くは砂利）を重ね、境目を斜めにした構造です。水が上からしみ込むと、砂と砂利の境目のところで水がいったん止まりやすくなり、砂利層へ真下に落ちる前に、境目に沿って斜面の下方向へ流れていくと考えられます。しかし、ある地点まで進むと「breakthrough(砂と砂利の境目にたまって迂回していた水が、ある地点で砂利層へ入り始める現象です。どこで起きるかがCBの性能を決めます。)（ブレークスルー）」が起きて、水が砂利層へ入り始めます。水が境目に沿って進める距離であるdiversion length(水が境目に沿って流れ始めてからbreakthroughが起きるまでに進める水平距離です。CBの必要な長さや施設の寸法を決めるための重要な設計値です。)（迂回長）は、CBを設計するときにとても重要です。理論では乾燥していてしみ込む水が少ないほど迂回長は長くなりうる一方、過去の報告では1〜2 m程度しか観測されないことも多く、これでは埋立地のカバーや斜面の安定化などに使いにくい可能性があります。そこで本研究は、地表面に作る浅い陸上の廃棄物処分施設を提案し、雨水のしみ込みを減らす上部CBと、しみ込んできた水を廃棄物から遠ざける下部CBを組み込みます。目的は、室内実験で設計に使える迂回長を決めること、よく使われる理論式が実測の迂回長をどれだけ再現できるかを確かめること、そして実地の試験施設で水の動きを観測して施工したCBの働きを評価することです。

室内の土槽実験では、迂回長は境目の傾き、しみ込みの強さ（模擬降雨の強さ）、砂の締固め(土を押し固めて密度を上げる作業です。密度が変わると水の通りやすさが変わり、迂回長にも影響するため施工で重要です。)具合によって変わりました。代表的な条件として、砂の締固め90パーセント、傾斜10度、しみ込みがおよそ10 mm/hのとき、しみ込み量と排水量のつじつま（質量収支(入ってきた水の量と外へ出た水の量のつじつまが合っているかを確かめる考え方です。実験結果が信頼できるかの確認に使われます。)）を確認しながら、迂回長は170 cmになりました。傾斜5度または10度、しみ込み5・10・20 mm/h、砂の締固め90パーセントまたは85パーセントを組み合わせた合計12回の実験では、測定した迂回長はSteenhuis ら（1991）の式で計算した値とよく一致しました。別の試験で求めた水のしみ込みやすさに関する値（haやhwやα）と、砂の飽和透水係数(土が水で十分に満たされた状態で、水がどれだけ通りやすいかを表す指標です。砂の飽和透水係数が変わると迂回長の見積もりが大きく変わるため、設計と施工管理で重要です。)Ks（90パーセント締固めで1.31×10のマイナス4乗 m/s、85パーセントで1.91×10のマイナス4乗 m/s）を使うことで、この式は実用的に迂回長を見積もれると結論づけています。処分施設の設計では、迂回長として「約4 m」を現実的な値として使えるとしています。実地試験施設では、土の中の水分量の変化を追うことで、水は砂層までは入るものの、CBがある区画ではその下の砂利層に入らないことが示されました。一方、CBのない参照区画では比較用として水の動きが観測され、これらの結果から、観測された雨の条件ではCBが水をうまく迂回させたと解釈されました。

研究は、室内の実験と、実際の屋外に作った試験施設での観測を組み合わせています。室内では、長さ300 cm、幅20 cm、高さ50 cmのアクリル製の土槽に、下から砂利7.5 cm、その上に砂20 cmを詰めました。砂が砂利のすき間に落ち込まないように水を通すポリプロピレン製ネットを境目に敷き、表面は雨粒で削られないようガーゼシートで保護しました。土槽を傾けて境目の傾斜を5度または10度にし、注射針を使った装置で一定の雨を再現し、降雨の強さが均一になるよう測って調整しました。土の水理的な性質は、粒の大きさの分布やカラム試験による土壌水分特性曲線(土の水分量と、土の中で水が引っぱられる力の関係を表した曲線です。不飽和の状態で水がどう動くかを決める基礎データになります。)を使い、van Genuchten式(土壌水分特性曲線などを数式で表すための経験式です。測定データを式に当てはめることで、不飽和透水係数などを推定できるため重要です。)に合わせて不飽和透水係数(土の中に空気も残っている状態での水の通りやすさです。雨のしみ込みや境目付近での水の動きを考えるときに必要になります。)の変化を求めました。breakthrough(砂と砂利の境目にたまって迂回していた水が、ある地点で砂利層へ入り始める現象です。どこで起きるかがCBの性能を決めます。)と迂回長は、土槽の底に10 cm間隔で仕切りを置き、砂利層へ入った水を区画ごとに集めて量を測り、どの位置まで砂利層への浸透が起きなかったかから迂回長を決めました。実地では、地盤を5度に傾けて締固め(土を押し固めて密度を上げる作業です。密度が変わると水の通りやすさが変わり、迂回長にも影響するため施工で重要です。)、砂利層（厚さ10 cm、長さ4 m）の上に砂層（厚さ15 cm）を作り、その上に覆土や廃棄物を模した層を重ねました。隣にCBのない参照区画も作りました。砂層の密度のばらつきはコア採取で調べ、さらに6月から9月にかけて複数の深さに水分センサーを設置し、降雨記録と合わせて土中の水の動きを監視しました。

上部と下部にCBを組み込んだ浅層の陸上廃棄物処分施設は、有害廃棄物や極低レベル放射性廃棄物を隔離する考え方として実現可能だと結論づけています。利点は、地表面上に作ることで地下水が廃棄物に入り込んで汚染物質が広がるリスクを下げられること、そしてCBが砂と砂利という自然材料でできているため、機能が長い期間続きやすいことです。室内実験から、迂回長は土の水の通しやすさ、境目の傾き、しみ込み量から見積もれることが示され、設計の道具としてSteenhuis ら（1991）の式が推奨されました。実地試験でも、含水率の観測から、砂層には水が届いても砂利層へは進みにくいことが確認され、砂と砂利の境目で水が迂回していることと合っていました。さらに設計上の重要点として、迂回長は砂の飽和透水係数(土が水で十分に満たされた状態で、水がどれだけ通りやすいかを表す指標です。砂の飽和透水係数が変わると迂回長の見積もりが大きく変わるため、設計と施工管理で重要です。)に敏感であり、その値は締固め(土を押し固めて密度を上げる作業です。密度が変わると水の通りやすさが変わり、迂回長にも影響するため施工で重要です。)密度で変わるため、施工時の密度のばらつきが迂回長を大きく変えてしまう可能性があると示しています。つまり、迂回長の見積もりと、砂層の密度管理が設計の中心になります。

論文は、CBの性能が長期間にわたって保たれるかを確かめるために、土の中の水の動きを長期的に観測し続ける必要があると述べています。今回の実地観測が6月から9月に限られていることも理由です。また、今後の実務上の課題として、砂の密度をできるだけ均一にすることが重要で、ばらつきがあると飽和透水係数(土が水で十分に満たされた状態で、水がどれだけ通りやすいかを表す指標です。砂の飽和透水係数が変わると迂回長の見積もりが大きく変わるため、設計と施工管理で重要です。)が変わり、結果として迂回長も大きく変わりうる点を強調しています。したがって、今後は継続観測に加えて、施工の品質管理をより重視することが求められます。