2_2_3 地下施設周辺の掘削擾乱領域の評価技術
達成目標

大規模な地下施設の建設・維持管理時(操業時)には,地下施設内に湧出する地下水を長期にわたって排水するため,周辺の地下水流動や水質が変化します。特に,断層や高透水性割れ目が多い岩盤においては,地下施設建設前に地上からの地質環境調査により理解された地下水の水圧・水質分布が,広範囲に変化する可能性があります。そのため,実際の地下施設での観察事例に基づき変化プロセスを理解するため,瑞浪超深地層研究所の研究坑道掘削前から掘削時・維持管理中の周辺地下水の水圧・水質長期観測結果に基づいて,それらの経年変化,変化プロセスを示し,それらを理解するための観測・解析技術,経験に基づく留意点を整理することを目標とします。

方法・ノウハウ

①地下施設建設による影響の考え方:

地下施設建設や維持管理に伴う周辺環境への影響領域は,2つに大別されます1)。1つは,坑道掘削により元の状態に回復し難い掘削損傷領域(Excavation Damaged Zone (EDZ))であり,岩盤のゆるみにより形成された割れ目やセメント材料の影響を受けた領域です。もう1つは,施設閉鎖後に元の状態に回復する可能性のある掘削擾乱領域(Excavation disturbed Zone (EdZ))であり,排水による水圧低下や浅層地下水の流入による水質の変化が該当します(図1)。EdZの変化プロセスや変化速度を把握することが,坑道周辺のEdZが閉鎖後にどのように回復するかを推測するための手がかりとなります。

短期的な周辺環境影響は瑞浪超深地層研究所などの地下研究所での観察により知見を得ることができます。一方で,百年~万年オーダーの長期的な現象については観察することができないため,短期的な観察結果に基づく再現解析などで数値解析手法の信頼性を確認し,それらに基づくシミュレーションなどにより長期的な影響を予察することになります。

この図は,地下施設の建設・操業に伴う周辺環境影響の領域分類と想定される変化を概念的に示したもの。地下施設の建設・操業に伴う周辺環境への影響として,掘削擾乱領域(水圧低下,浅層地下水の浸透など,施設閉鎖後に建設前の地質環境に回復する可能性のある領域)と,掘削損傷領域(割れ目形成や力学的緩みなど,掘削時の物理的損傷やセメント材料などの使用により,施設閉鎖後,建設前の地質環境に回復し難い領域)が挙げられることを示した概念図。個々の現象により,変化プロセスや変化速度が変わる。
図1 地下施設の建設・操業に伴う周辺環境影響の領域分類と想定される変化

②地下水流動への影響解析:

水理地質構造の不均質性を考慮した地下水流動解析と地下施設建設に伴う水圧変化や湧水量の観測データを組み合わせることで,地下施設建設による地下水環境への影響の程度や範囲を推定することが可能となります。その際,断層などの水理地質構造で囲まれた領域ごとに地下施設建設の影響が異なる可能性に留意するとともに,水圧変化だけではなく,水質変化の観点からも解析結果の妥当性を確認することが重要となります。

③地球化学解析:

ここでは経年変化データを用いた多変量解析(主成分分析)を行います。①水質変化に対する寄与が大きい端成分地下水の明確化,②当該端成分地下水の寄与割合の経年変化に基づく変化速度の見積もり,③将来の地下水水質の外挿,という手順で地下施設建設・操業中の将来的な地下水水質を推定することが可能です。ただし,この解析手法は,水質変化が主に異なる水質の地下水の混合状態の変化によって生じている場合に限り有効です。また,地下施設閉鎖以降の長期的な水質変化については,地下水流動が滞留し混合プロセスの前提が成り立たなくなるとともに,閉鎖系での水-鉱物-微生物反応が主要なプロセスとなる可能性があるため(2_2_8),これらを念頭に置いて解析する必要があります2)

瑞浪超深地層研究所における実施例

2003年の瑞浪超深地層研究所の研究坑道掘削開始以降,日量約700~800トン前後の地下水の湧水を排水しました3)。前述の方法・ノウハウに示した手法を適用し,地表からの地下水の水圧・水質観測孔と各深度の水平坑道の竣工後に順次掘削された長さ約50~100mの観測孔においてモニタリングされた地下水の水圧・水質の変化に基づいて,擾乱の内容について整理しました4-7)

地下水の水圧の擾乱

この図は,研究所用地周辺の断層(北西-南東系,東北東-西南西系)の分布と,坑道掘削以降の地下水圧の変化量を示したもの。断層に囲まれた岩盤ブロックのうち,立坑の無い領域は地下水圧の変化量が少なく,立坑のある領域は地下水圧の変化量が大きいことを示している。
図2 地下水の水位低下量を指標とした観測値と解析結果との比較

地下水質の擾乱

この図は,換気立坑に設置した集水リングの塩化物イオン濃度の経年変化を示した図。内容は本文に(地下水質の擾乱)に記載。
図3 換気立坑に設置した各深度の集水リングで採取された地下水のCl-濃度の経年変化
この図は,超深地層研究所計画の第2段階,第3段階で取得された地下水質データの主成分分析により,中長期的将来の変化を予測したもの。内容は本文(地下水質の擾乱)に記載。
図4 主成分分析による地下施設の建設・維持管理時における中長期的な地下水の水質変化の予測
参考文献
  1. Tsang, C.F., Bernierb, F. and Davies, C. (2005): Geohydromechanical processes in the Excavation Damaged Zone in crystalline rock, rock salt, and indurated and plastic clays—in the context of radioactive waste disposal, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Volume 42, Issue 1, pp.109-125.
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  12. 新宮信也,齋正貴,萩原大樹,水野崇 (2011): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2009年度),日本原子力研究開発機構,JAEA-Data/Code 2011-004,49p.
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  21. 福田健二,渡辺勇輔,村上裕晃,天野由記,青才大介,熊本義治,岩月輝希 (2020): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2018年度),日本原子力研究開発機構,JAEA-Data/Code 2019-019,74p.
  22. Iwatsuki, T., Hagiwara, H., Omori, K., Munemoro, T., Onoe, H. (2015): Hydrochemical disturbances measured in groundwater during the construction and operation of a large-scale underground facility in deep crystalline rock in Japan, Environmental Earth Sciences, vol. 74, pp.3041?3057.
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  24. 水野崇,青才大介,新宮信也,萩原大樹,山本祐平,福田朱里 (2013): 瑞浪超深地層研究所の建設に伴う地下水水質の変化,日本原子力学会和文論文誌,12巻,1号,pp.89-102.

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