内部侵食

内部侵食とは、浸透による物質の除去によって引き起こされる土壌内の空隙の形成です。^[1]これは堤防の破損の2番目に多い原因であり、アースダムの破損の主な原因の1つであり、^[2]堤防ダムの破損の約半数を占めています。^[3]

内部侵食は、ダムや基礎の材料の細孔や亀裂から浸み込む水によって生じる水力によって粒子が分離し、ダム構造から運び出されるほどの力がかかったときに発生します。内部侵食は、外部にそれが起こっているという証拠がまったくないか、わずかな証拠しかない場合があるため、特に危険です。通常、砂の沸騰は見つかりますが、沸騰は水の下に隠れている可能性があります。内部侵食の証拠が明らかになってから数時間以内にダムが決壊する場合があります。

パイピングは関連する現象であり、浸透による内部侵食の進行として定義され、下流に水を排出する穴として現れます。^[4] パイピングは、下流から上流の線に沿って粒子が外部環境に向かって後退侵食されることによって引き起こされ、連続したパイプが形成されます。^{[5] [6]}

国際大規模ダム委員会（ICOLD）によれば、堤防ダムとその基礎の内部侵食には4つの一般的な破壊モードがある。 ^[7]

• 堤防を通って
• 財団を通じて
• 盛土から基礎へ
• 貫通構造に関連する

内部侵食のプロセスは、侵食の開始、パイプ形成の進行、表面の不安定性、そして最後に破損の開始という 4 つの段階で発生します。内部侵食は、破損経路、侵食の開始と進行の方法、およびその場所に応じて、4 つのタイプに分類されます。

• 集中的な漏水: 浸み出した水が亀裂を侵食し拡大し、最終的に破損が発生します。亀裂は出口まで進まない場合もありますが (破損の可能性は依然としてあります)、最終的には侵食が継続してパイプまたは陥没穴が形成されます。
• 後方侵食: 浸透経路の出口点で始まり、このタイプの侵食は、水力勾配が十分に高い場合に発生し、粒子の剥離と輸送を引き起こします。出口点から破裂するまで後方にパイプが形成されます。
• 浸食: さまざまな粒径の土壌で発生します。細かい土壌粒子は、粗い粒子間の隙間から浸食されます。浸食の影響を受けやすい土壌は、内部的に不安定であると呼ばれます。浸食は、細かい粒子が占める体積が粗い粒子間の利用可能な隙間よりも小さい場合にのみ発生します。
• 土壌接触侵食: シートフローと呼ばれる現象は、粗い土壌と細かい土壌の境界面で発生します。水は 2 つの土壌の境界に沿って浸透し、細かい層の粒子を粗い層に侵食します。

集中的な漏水は、土壌に亀裂が生じると発生します。亀裂は貯水池レベルより低く、パイプを開いた状態に保つために水圧がかかっている必要があります。水の流れによってパイプの側面が膨張し、パイプが閉じて浸食が抑えられる可能性があります。^[7] さらに、土壌に亀裂を維持するのに十分な凝集力がない場合は、亀裂が崩壊し、集中的な漏水浸食が破裂にまで進むことはありません。^[8] 集中的な漏水を可能にする亀裂は、以下を含む多くの要因によって発生する可能性があります。

• 谷を横切るアーチによりダムの側面に垂直方向の応力が生じる
• 堤防の肩のコアアーチ
• 不同沈下（不同沈下が0.2%を超えると、ひび割れが発生する可能性がほぼ確実）
• コア処理中の小規模な不規則性（例：圧縮不良による）
• 放水路や橋台壁の隣接部、または導管周囲の亀裂や隙間
• 乾燥、地震時の沈下、凍結、動物の巣穴、植生/根などのさまざまな環境要因。

縦方向の亀裂は堤防の広がりによって生じ、横方向の亀裂はダムの垂直沈下によって生じるのがはるかに一般的です。集中浸食の開始に必要な臨界水圧せん断応力τ _{c は、}ホール浸食試験（HET）やジェット浸食試験（JET）などの実験室試験を使用して推定できます。^[9]

後方侵食は、細砂などの非塑性土でよく発生します。砂質土台、ダムや堤防内、建設中に高水圧を受けるコッファーダムなどで発生し、下流面での崩壊を引き起こします。また、斜面が乱れた地滑りや洪水が発生しやすい地域でも発生します。^[10]

逆浸食は、ダムの下流側で砂の噴出が起こることで最もよく見られる。Sellmeijer らの実験では、逆浸食は浸食土壌を覆う地層の溝（掘削や排水溝など）で始まり^{[11] [12]}、1 本ではなく多数の小さなパイプ（高さ 2 mm 未満）に広がることがわかっている。パイプの安定性は水頭に依存し、水頭が臨界値（流路長の 0.3～0.5 倍）を超えると、水路は上流に延びる。これを超えると、臨界値を超える水頭では浸食が進み、最終的にはパイプが上流の貯水池を突き破り、決壊が発生する。逆浸食が発生するためには、ダムまたは堤防本体がパイプの「屋根」を形成し、維持する必要がある。

浸透は、水が広く粒度分布した、または隙間のある粒度分布の非粘着性土を流れるときに発生します。^[7]細かい粒子は浸透によって運ばれ、粗い粒子が有効応力のほとんどを担います。^[13]浸透は、細かい土粒子が粗い粒子の間を通り抜けられるほど小さく、粗い土の空隙を埋めない場合にのみ発生します。水流の速度も、それらの細かい粒子を運ぶのに十分でなければなりません。

浸水は堤防中心部の透水性の上昇、浸透速度の上昇、ひいては水圧破砕を引き起こす。また、ダム基礎で浸水が発生すると沈下^{[14]につながることもある。浸水しやすい土壌は}分離 の影響も受けやすい。ケニー・ラウ法は浸水の解析によく使われる手法で、粒度分布を用いて土壌の内部安定性を評価する。この安定性は浸水発生の可能性に直接影響する。^[要出典]

土壌接触侵食は、面状流（界面に平行な水の流れ）が粗い土と接触している細粒土を侵食するときに発生します。^[7]接触侵食は主に流速に依存しており、流速は細かい粒子を剥離して運ぶのに十分でなければならず、また細かい土粒子が粗い層の孔を通過できる必要があります。接触侵食が開始されると、空洞が形成され、応力が減少します。次に空洞の天井が崩壊し、崩壊した物質が運び去られて、より大きな空洞が形成されます。このプロセスは、陥没穴が形成されるまで続きます。空洞が崩壊しない可能性があり、その場合は後方侵食が発生します。

土壌接触侵食は、シルト砂利などの粒状層とより細かい土壌の間で発生する可能性があり、安定性の喪失、間隙水圧の上昇、透水性層の目詰まりを引き起こすことがよくあります。実験結果によると、細かい粒子が粗い粒子の間を通過できるポイント（フィルター基準）である幾何学的限界に近づくと、侵食の開始と破壊の可能性がはるかに高くなります。

フィルターの使用により、内部侵食のプロセスを中断することが可能です。フィルターは浸食された粒子を捕捉しながら浸透を許し、通常は濾過された土壌よりも粗く、浸透性があります。必要なフィルターの種類と場所は、ダムのどのゾーンが最も内部侵食を受けやすいかによって異なります。規則により、フィルターは次の5つの条件を満たす必要があります。^[15]

• 保持: フィルターは侵食された土壌粒子の移動を制限または遮断する必要があります。
• 自己濾過: 安定性とも定義され、フィルターは内部的に安定している必要があります。
• 凝集性なし: フィルターは亀裂を維持する能力やセメント化する能力を持ってはなりません。
• 排水: フィルターは水圧を放散できるほど十分な透過性を備えている必要があります。
• 強度: フィルターは、押しつぶされることなくダム内の応力を伝達できる必要があります。