Development Characteristics of Expansive Soils along the Handan Section (Hebei Province, China) of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project and Their Influence on Slope Stability

水を吸い込んで膨張し、乾燥すると縮むという、まるで生き物のように呼吸する土の塊を想像してみてください。これは、大量の水を吸収する能力を持つ粘土鉱物を含む、世界中の多くの地域で見られる物質である「膨潤性土壌」の性質です。これらの土壌は水分を含めば膨張し、基礎や道路、運河の壁を押し広げて、亀裂や構造的な損傷を引き起こすほどの力を発揮します。逆に乾燥すると収縮し、後に水が入り込み、さらなる動きを引き起こす原因となる隙間を残します。エンジニアや地質学者は、こうした土壌が扱いにくいものであることを古くから知っていましたが、真の危険は土壌そのものにあるのではなく、多くの場合、水がどのようにしてそこに到達するかという点にあります。多くの場合、地表の土層は固形に見えるかもしれませんが、地下深くにある隠れた亀裂や裂け目が「高速道路」として機能し、雨水が表面をバイパスして、最も水分に敏感な下の脆弱な層へと浸透してしまうのです。

この動的な変化は、中国の南から北への分水事業（南水北調）のような、広大な距離を移動させる大規模な水資源移送プロジェクトにおいて特に重要となります。河北省邯漢セクションの運河沿いで、エンジニアたちは特有の課題に直面しました。運河が、これらの水分に敏感な土壌が豊かな景観を横切っているのです。問題は単にそのような土壌が存在するかどうかではなく、それがどのように分布しているか、地域の典型的な夏の豪雨に対してどのように反応するか、そして水が地中深くへと浸透して、運河を支える斜面を弱体化させてしまう可能性があるかどうかでした。研究チームは、隠れた地質をマッピングし、ラボで土壌の強度をテストし、雨がどのように地面を通り抜けるかをシミュレーションすることで、これらの問いに答えるべく取り組みました。彼らの研究は、深い亀裂の位置が、どの部分の斜面が水に対して脆弱になるかを決定するという複雑な実態を明らかにしています。

研究者たちはまず、地面そのものに着目し、運河の80キロメートルに及ぶ区間に沿った土壌の履歴を辿りました。彼らは、ここにある膨潤性土壌が単なる一層の土ではなく、古代の湖の堆積物と風化した岩石の混合物であることを発見しました。この物質の一部は地表付近に存在しますが、より大部分は黄土や礫の層の下、地下深くにかくれています。チームは約220平方キロメートルの範囲をマッピングし、これらの土壌が存在することを確認しましたが、地表に見えるものよりも、埋没しているタイプの方がはるかに広範囲に及んでいることが分かりました。彼らは主に3つの種類の物質を特定しました。新第三紀の粘土岩、更新世下部の粘道、そして古い粘土岩が風化したことで形成された粘土です。テストされた土壌の多くは「中程度の膨潤性」または「弱い膨潤性」に分類され、これは膨張する潜在能力はあるものの、最強の品種ほど激しくはないことを意味します。しかし、彼らはこれらの土壌がどこに見られるかという特定のパターンを発見しました。採取されたサンプルは標高70メートルから90メートルの間に集中しており、この高度範囲は運河が地表を切り取っている場所と一致しています。

この土壌が濡れたときにどのように振る舞うかを理解するために、チームは数百ものサンプルを研究所へと持ち帰りました。彼らは土壌に一連のテストを行い、水が加えられたときにどれだけ膨張するか、そして強度がどのように変化するかを測定しました。結果は明白でした。土壌が水を吸収するにつれて、それをつなぎ止める能力を失っていくのです。一連の実験において、異なる含水率で土壌をテストしたところ、ある決定的な転換点が見つかりました。土壌の含水率が20パーセントから25パーセントに上昇すると、土壌の粘着力（粘着性）は劇的に約75パーセントも低下しました。これは、わずかな水分の増加が、堅固な斜面を非常に弱いものに変えてしまう可能性があることを意味します。また、テストの結果、土壌の強度はその履歴にも依存することが示されました。乾燥させた後に再び濡らした土壌は、単に飽和状態にあるだけの土壌とは異なる挙動を示し、水が通る経路が、存在する水の量と同じくらい重要であることを浮き彫りにしました。

パズルの最後のピースは、雨が実際にどのようにしてこれらの深い、脆弱な層に到達するのかを解明することでした。現場では、運河の斜面はしばとに人工的な盛土で覆われており、それが保護シールドのように見えることがあります。しかし、研究者たちは深い亀裂（フィッシャー）が雨水のショートカットとして機能するのではないかと疑いました。これをテストするため、彼らは典型的な運河の斜面のデジタルモデルを作成し、異なる条件下での降雨をシミュレートしました。彼らは、亀裂のない斜面と、深さ7メートルまで達する深い亀裂がある斜面を比較しました。亀裂のないモデルでは、数日間の豪雨の後でも、雨水は地面の約2メートルまでしか浸透しませんでした。水は単に表層に染み込み、そこで止まってしまうのです。しかし、深い亀裂を導入すると、物語は一変しました。亀裂が通路となり、雨水が斜面の底部へと流れ込み、地滑りが始まる可能性のある滑動面へと到達したのです。

シミュレーションの結果、この深い層が飽和する速度は、降雨の強度と亀裂の位置の両方に依存することが示されました。毎時3ミリメートルの激しい降雨条件下では、前方に亀裂がある斜面の底部付近の地点は、約100時間で飽和に達しました。同様に、亀裂が斜面の後方に位置していた場合も、その亀裂付近の下部地点は急速に反応し、約100時間で飽和に達しました。もし雨がもっと軽ければ、時間はるかに長くかかるか、あるいは水がその深さに到達することさえありませんでした。決定的なのは、亀裂の位置が重要であるということです。斜面の前面にある亀裂は、背後にある亀裂よりも底部の層を早く湿らせました。つまり、地面の特定の幾何学的形状が、水の行方をコントロールしているのです。研究者たちは、危険とは斜面全体が均一に浸水することではなく、亀裂を通じて水が通り道を見つけることによる局所的な弱体化であると結論付けました。これは、地表は安定して見えても、地中の土壌は深部で強さを失い、崩壊の条件を待っている可能性があることを意味します。

この研究は、いつ地滑りが起きると正確に予測するものでも、この地域のすべての斜面が破滅に向かっていると主張するものでもありません。そうではなく、リスクを理解するための明確な枠組みを提供しています。危険は、「水分に敏感な土壌の存在」、「水が表面をバイパスすることを許す深い亀裂の存在」、そして「それらの亀裂を満たすことができる降雨の強度」という3つの要因の組み合わせから生じます。研究者たちは、土壌自体が濡れると本質的に弱くなるものの、真の引き金となるのは水がそこに到達できる能力であると強調しています。この洞察は、単に土壌の種類を見ることから、地面に隠れた割れ目を調査することへと焦点を移させます。運河を管理するエンジニアにとっての教訓は、斜面の監視と維持には、表面を超えた視点が必要であり、亀裂が形成される可能性のある場所に細心の注意を払い、水が脆弱な層に到達する前に、これらの経路から水を逸らすようにすることです。地質学、ラボでのテスト、そして水の流れを結びつけることで、この研究は、これらの重要な水路の安定性を評価し管理するための実践的な方法を提示しています。