亀裂を流れる流体の透水経路の観察および亀裂の数値モデル化に関する研究

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岩盤内を流れる地下水など流体の透水挙動を把握することは,地下開発において重要な課題の一つである.岩盤内部を流れる流体は主にき裂を透水経路としているが,その詳細は明らかにされてはいない.本研究は,き裂を有する岩盤の精密なレプリカを透明な樹脂および石膏で作製し,き裂内の流体の挙動を実験室において直接観察した.レプリカを作成するための原岩石には,山口県産の大島花崗岩を採用した.この原岩石を2つに割岩し,その破砕面を粘性の低いシリコーンを用いてレプリカのメス型を作成した.このメス型は非常に細密で,それにより作成された岩盤レプリカの再現性は優れているものと考える.透明な樹脂および石膏で作成した岩盤レプリカを合わせ,き裂を有する岩石レプリカとした.この岩石レプリカを水槽内に設置し,観察用窓を有する圧板によって固定し,き裂幅を制御しながら着色水をき裂内に流した.着色水の挙動はビデオカメラで録画し,コンピュータによる画像解析によって,流域パターン(流域面積)や流速などを考察した.実験の結果,き裂内を流れる流体のチャンネルフローが観察され,流域の拡大はそのチャンネルフローによって決定されることが認められた.また,流域拡大の経時変化はき裂幅に依存しているが,き裂幅が小さくなれば流域拡大速度が一様に小さくならないことが認められた.つまり,本研究において最もき裂幅が大きな状態から最も小さな状態の各段階において,流域拡大速度が速くなる傾向から遅くなる傾向に移行することが明らかになった.この流域拡大速度の観察結果より,流体の流域拡大速度に及ぼす要因にはき裂を構成する壁面との摩擦が支配する領域と,き裂幅によって決定される透水特性が支配する2つの領域が存在することが明らかになった.