透水性

透水性とは

透水性（permeability）とは、土壌や岩石などの物質が水を通す性質のことを指します。土中の水に圧力がかかると、水は間隙を通って移動します。この現象を「透水」と呼び、透水性の研究は土質力学や土壌物理学の分野で重要なテーマとなっています。土の透水性は、ダム、堤防、トンネル、井戸などの土構造物の設計において、安全性を確保するために考慮すべき重要な要素です。

電磁気学においても透磁率（Permeability）という概念がありますが、これは磁場の通りやすさを示すものであり、土の透水性とは異なります。区別する場合には、磁気透磁率（Magnetic permeability）と明示する必要があります。

ダルシーの法則

地下水の流れを解析する上で基礎となるのがダルシーの法則です。この法則は、水の流れの速さ（浸透流速）と、水圧の変化（動水勾配）の関係を示します。ダルシーの法則は以下の式で表されます。

`v = k i`

ここで、

v：見かけの浸透流速（単位時間あたりに単位面積を通過する水の流量）[cm/sec]
k：透水係数（土の水の流れやすさを示す値）[cm/sec]
i：動水勾配（水頭差を透水距離で割った値）

動水勾配は以下の式で定義されます。

`i = h / L`

ここで、

h：水頭差 [m]
L：透水距離 [m]

ダルシーの法則は、1856年にアンリ・ダルシーが上水道の濾過砂を用いて導いたもので、層流状態でのみ成立します。この法則で求められる浸透流速は、厳密には水の「流れの速さ」ではなく、「流量」を示すもの（流束）です。実際の水分子が移動する速度を表す場合には、「実流速」という言葉が用いられ、これは浸透流速を空隙率で割った値となります。

透水係数

透水係数（hydraulic conductivity）は、土壌の透水性の程度を示す指標です。透水係数が大きいほど水を通しやすく、小さいほど水を通しにくいことを意味します。透水係数の値は、土の種類によって大きく異なります。

一般的な土の透水係数の目安は以下の通りです。

シルト質砂：10^-5～10^-1 cm/s
きれいな砂：10^-4～1 cm/s
礫：10^-1～10^2 cm/s

粒径別の目安は以下の通りです。

細砂（粒径 1/4～1/8 mm）：0.016 cm/s
中砂（粒径 1/2～1/4 mm）：0.086 cm/s
粗砂（粒径 2～1/2 mm）：0.34 cm/s
小砂利（細礫）（粒径 4～2 mm）：2.8 cm/s

一般的に、粘土は水を通しにくい不透水性であり、砂や礫は水を通しやすい透水性であると言えます。ただし、粘土は堆積環境によって微細な構造が異なるため、透水係数を単純なパラメータで表すことは難しいとされています。

土の透水性に関連する問題

土の透水性は、土構造物の安定性に大きな影響を与えます。水の浸透によって生じる透水力は、時に土構造物を破損させたり、崩壊させたりする原因となります。

ボイリング現象 (Boiling)

ボイリング現象は、地下水位よりも深い位置まで掘削を行った際に、掘削底面から地下水が湧き出す現象です。山留め壁の下から水が潜り込むように流れ込み、掘削底面を乱すため、まるで沸騰しているかのように見えることからこの名前がついています。

パイピング現象 (Piping)

パイピング現象は、山留め壁の裏側に空洞が生じた際に、そこへ地下水が土砂とともに流れ込み、空洞が拡大していく現象です。特に河川堤防では、パイピングが発生すると動水勾配が増大し、さらにパイピングが進む悪循環に陥り、堤防の決壊につながる危険性があります。

まとめ

透水性は、土の性質を理解する上で不可欠な概念であり、土木構造物の設計において重要な役割を果たします。ダルシーの法則や透水係数の知識は、地下水の流れを解析し、土構造物の安全性を確保するために必須です。また、ボイリング現象やパイピング現象のように、透水が原因で発生する問題についても、十分な対策が必要となります。

参考文献

石原研而『土質力学』（第3版）丸善出版、2018年1月30日。ISBN 978-4-621-30234-7。

関連項目

土木工学
透水性舗装

もう一度検索