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堤体飽和度に着目した堤防の越流 侵食の

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堤体飽和度に着目した堤防の越流 侵食の
自然災害科学 J
.J
SNDS 331 2941(2014)
堤体飽和度に着目した堤防の越流
侵食のメカニズムに関する研究
與田 敏昭*・中川 一**・水谷 英朗***・川池 健司**・張 浩**
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キーワード:堤防,小型堤防実験,越流侵食,数値解析,サクション
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京都大学防災研究所 流域災害研究センター 河川防
災システム研究領域
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京都大学防災研究所 流域災害研究センター 流域圏
観測研究領域(白浜海象観測所)
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本論文に対する討論は平成26年11月末日まで受け付ける。
29
30
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
1.はじめに
ら16)による MPS法による解析や,藤澤17)による
河川の氾濫原に人口や資産の集中する我が国で
土の侵食速度式を用いた解析手法の研究などがあ
は,河川堤防は人命や資産を守るために大きな役
る。
割を担っている。しかし,河川堤防の大きな特徴
しかし,これらの模型実験や現地実験について
として,大部分の堤防が土を材料としているた
は,大型堤防であるが故に,実験条件や実験回数
め,大規模な洪水による越流,浸透,侵食により
に制約があるという課題があり,現時点では越流
破壊されることがあり,堤防の強化は治水上の重
破堤のメカニズムが十分に究明されていない状況
要な課題である。
である。また,解析的検討については,侵食速度
堤防強化にあたって,浸透や侵食については
の評価部分に課題が残されているため,現時点で
1)
『河川堤防設計指針』
による安全性照査の技術的
は実用的なモデル化には至っていない。
方針に基づき,堤防の質的強化が図られている。
このため,本研究では,越水堤防の開発に向け
しかし,洪水災害において,過去の破堤要因の多
て,越水のメカニズム解明のための新たな知見の
くを占めている越水に対して,現在のところ連続
収集・蓄積を図るために,一定の実験条件を管理
的な堤防における効果的な対策を施すための技術
することが可能な模型堤防を用いた越流実験を実
的な知見は不足しており,効果的な越水対策を具
施し,これまでに十分に検討されていない浸透現
体的に検討することが難しい状況にある2)。この
象と越流侵食現象の関係に着目した検討を行っ
ため,堤防の耐越水機能を強化することは,減災
た。また,数値解析モデルによる越流破堤現象の
に大きく寄与するものとなる。
定量化に関する検討を行った。
しかしながら,治水計画上は河川堤防の越水は
越流侵食に関する研究数は必ずしも多くない。ま
2.小型堤防実験による越流侵食・浸透メ
カニズムの評価
た,河川堤防はその履歴が複雑であることが多
浸透現象と越流侵食現象のメカニズムを検討す
く,また堤体土の強さや被覆植生の物理的機構な
るために,堤防模型による実験を行った。建設省
ど未解明な要素が多いことより,解析的アプロー
土木研究所での大型模型堤防での実験結果より,
チではなく,模型実験や現地実験を中心に研究が
実河川での越流侵食のメカニズムを知るために
進められてきた。
は,実際の堤防材料を用いて,また実堤防と同じ
模型実験としては,建設省土木研究所(現独立
ような施工方法で築造された実験を行う重要性が
行政法人土木研究所)において,堤体高3m程度
明らかとなっている。このため,堤防模型は,実
の実物大の土堤を用いた越流による土堤の破堤機
際の堤防材料を用いつつ,土質条件や施工条件を
構の実験が行われており,越流による堤防破壊は
管理することと,実験回数を多く実施できること
裏のり侵食から天端崩壊に進行すること,土質条
より,小型堤防模型(堤防高1.
0m)を用いるもの
件により堤体の侵食量が異なることおよび越流に
とした。
考慮されないものであることもあり,河川堤防の
対する保護工の効果等についての知見が得られて
いる3-5)。現地実験としては,現地堤防を用いた
610)
2.
1 実験装置
や,実験水路
小型堤水理実験装置を図1に示す。実験装置
に設けた堤防を用いた越流実験による破堤の横断
は,気象・外気環境等の影響を避けるため京都大
越流実験による耐侵食性の評価
11,
12)
方向への拡幅過程の検討
が実施されている。
また,越流水の水理学的・土質学的観点からの破
13)
学防災研究所宇治川オープンラボラトリー実験棟
内に作成した。水路長は全長4
7.
0m(沈砂池を除
堤機構の評価 や,越流水の水理特性と堤体挙動
く),幅2.
0m,高さ2.
5mであり,堤体側面の一
の調査14,15)なども実施されている。さらに,堤防
部は観測のためにガラス張りとした。模型堤防
の越流侵食に関する数値解析については,後藤
は,基礎部(高さ0.
5m,延長17.
0m)の上に,高
31
自然災害科学 J
.J
SNDS 331(2014)
図1 小型堤水理実験装置(単位:mm)
さ1.
0m,天端幅0.
7m,のり面勾配1:2の堤体
を作成した。なお,実験時の越流水深は,予備実
験でポンプ流量と越流水深の関係を求め,ポンプ
操作により越流水深を10c
m,20c
m,30c
mの3
通りに変化させた。
堤体および基礎部の材料は,河川堤防の堤防強
化工事等で使用している混合改良土を用いた。実
験に使用した土は,土の物理試験(土粒子の密度
試験,含水比試験,粒度試験,液性限界・塑性限
界試験,土の保水性試験)および力学試験(土の
図2 実験材料の粒度分布
三軸圧縮試験,土の締固め試験,土の透水試験,
土の圧密試験)を実施した。実験材料の粒度分布
2.
2 実験方法
-4
を図2に示す。また,土の透水係数は2 ×10
越流侵食実験では,同一の材料,手順により作
c
m/
s~4 ×10-4c
m/
sであった(90%締固め調整
成した土堤防を用いて,越流時の侵食状況を計測
時)。なお,実験材料は,実験の進捗にあわせて
した。浸透現象と越流侵食現象の関係に着目する
数回に分けて搬入し,搬入毎に土質試験を実施し
ため,堤体内への浸透に伴う湿潤状態について,
て,材料に大きな違いがないことを確認した。
以下のケースで実験を行った。
堤体,基礎部の作成は,土の含水比を散水等に
①越流侵食実験前に一定時間の湛水を行い堤体
より最適含水比に調整しながら,層厚10c
m程度
内に定常湿潤面(飽和域)を設けた後に越水
ごとに締固めを行った。堤体の作成方法および手
を開始するケース(堤体・基礎部とも湿潤す
順は常に同一として,締固めの各段階で RI試験
を行い,目標の締固め度(堤体部90%程度,基礎
部90%以上)となるように管理した。なお,堤体・
基礎部は裸堤とした。
るため「堤体湿潤時」とよぶ)
②越流侵食実験前に湛水を行わず,堤体内に湿
潤面を設けない条件で越水を開始するケース
(堤体・基礎部とも非湿潤状態であるため「堤
体非湿潤時」とよぶ)
32
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
なお,特異な実験結果を判別するため,同一条
(1)堤体湿潤時の越流侵食結果
件で複数回の実験を行った(①は基礎ケースとし
越流侵食実験前の堤体内湿潤面の時間的変化は
て実験結果のバラツキも評価するために13回,②
図4のようであり,2
4時間の湛水でほぼ定常状態
では3回の同一条件実験を実施)。
になったことを確認した後に越流を開始した。変
堤体湿潤時は,堤体上流側の水位を,天端水位
位計で計測した侵食形状を図5に示す。この実験
状態で24時間以上の湛水を行い,堤体内湿潤面が
ケースでは,まず通水2分後に,のり尻が局所的
定常状態となった後に,所定の越流水深となるよ
に深く(初期地盤高から30c
m程度まで)まで侵
うにポンプ流量を設定して越流させた。実験は,
食されるとともに,のり面中央付近より下が侵食
堤体天端が破壊されて所定の越流水深が維持され
された。のり面の侵食箇所は,越流前湛水による
なくなる時点(=「破堤」と定義)まで,越水と
湿潤面と概ね一致している。のり肩については,
通水停止(侵食変形計測)を繰り返し実施した。
侵食は見られない。通水1
2分後(累積)では,の
越流侵食実験での計測項目は,越流時の流況撮
り面の侵食が進行して,のり肩の少し下から崖状
影および堤体内に埋設した間隙水圧計(図3に示
の侵食面となる。通水2
2分(累積)では,天端中
す5箇所)による堤体内湿潤状態の計測である。
央付近までのり面の侵食が進行し,階段状になっ
堤体内湿潤面が定常状態かどうかの判定は,裏の
ていた基礎部も侵食され始めている。のり尻部お
り面に近い間隙水圧計♯3を常時観測して確認し
よびのり尻下流は侵食土の再堆積により実験開始
た。越流による堤体侵食量は,通水開始後2分,
時の地盤高付近まで上昇している。以後は,通水
10分等の間隔で通水を一時停止し,堤体および基
により堤防天端の侵食は上流側に進行し,のり尻
礎部の侵食変形をレーザー変位計により計測し
部およびのり尻下流は深く侵食される。最終的
た。この方法では,連続して通水する場合と侵食
に,通水169分(累積)で破堤し,実験を中止した。
形状が一致しなくなることも想定されたが,通水
また,同一条件で複数回の実験を行い,実験結
時の堤体形状を直接計測することが困難であった
果のバラツキについても評価した。その結果,特
ため,このような段階的計測方法によるものと
異なケースを除外すると,図7に示すように,い
し,各実験での通水時間やポンプ操作方法を統一
ずれのケースでも侵食開始場所がのり尻付近と
することで,実験間の差異を確認することに着目
なっており,実験結果のバラツキは小さい。ま
するものとした。
た,侵食進行の時間的変化については,局所的な
土質の状態が要因と見られる違いが見られる場合
2.
3 実験結果
があるが,概ねの傾向は同様であった。
堤体湿潤時および堤体非湿潤時の実験結果は以
下のようであった。なお,湿潤状況以外の条件
(2)堤体非湿潤時の越流侵食結果
は,越流水深30c
m,堤体締固め度9
0%で統一し
堤体非湿潤時の実験結果(堤体形状)を図6に
た。
示す。このケースでは通水2分後に,のり面が少
し侵食した程度でのり尻は変化が見られない。通
水12分(累積)でも,のり面の侵食は進行するが
のり尻の侵食は僅かであり,通水22分(累積)に
図3 計測機器設置位置(単位:mm)
図4 堤体内湿潤面の時間的変化
33
自然災害科学 J
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SNDS 331(2014)
なって,のり尻の大きな侵食が見られる。その
態の堤体は,非湿潤(不飽和)状態よりも侵食し
後,のり面の侵食が進行して破堤に至っている。
やすく,侵食量が多くなる。
不飽和土は飽和土と比較してサクションの影響
2.
4 堤体内湿潤状態の違いによる越流侵食へ
の影響
によりせん断強度が大きくなるとともに,飽和度
とともにせん断強度が変化する。このため,実河
越流時に侵食が開始する場所の評価は,越流開
川での堤防の越流侵食メカニズム解明のために
始後,短時間(2分間)で通水を一時停止した時
は,堤体土質の飽和・不飽和状態と侵食の関係が
点で侵食されている場所を侵食開始場所とするこ
重要な課題であると考えられる。
とにより比較した。通水2分後の侵食形状の比較
を,特異ケースを除くケースを重ねて図7に示
3.越流侵食の解析方法の検討
す。湛水ありの場合の侵食開始場所は裏のり尻付
小型堤防を用いた実験的検討で明らかとなった
近,湛水なしの場合は裏のり面となっており,堤
ように,実河川堤防での越流侵食は,堤体内の湿
体内湿潤状態による違いが見られた。また,湛水
潤状態の影響を大きく受ける。このため,越流侵
ありの場合の侵食開始場所は,概ね湿潤面より下
食現象の数値解析モデル化においては,浸透に伴
である。また,湿潤条件が異なる場合の,通水時
い不飽和土が飽和化するメカニズムを評価するこ
間と侵食量の関係を図8に示す。これより,同じ
とが重要であると思われる。
通水時間では堤体湿潤時の方が,侵食量が多くな
一方,第2章では実河川での越流侵食メカニズ
ることが示された。これらの比較より,堤体内湿
ムを把握するために,粘着性を有する実際の堤防
潤状態は侵食開始場所や侵食進行速さなどに大き
材料を用いた実験を行ったが,粘着性土の侵食速
く影響することが明らかであり,湿潤(飽和)状
度の評価については現在議論の段階であり,モデ
図5 越流侵食形状(堤体湿潤時)
図6 越流侵食形状(堤体非湿潤時)
図7 通水2分後の侵食形状の比較(実験結果重ね合わせ)
34
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
(3)
(4)
ここで,Seは有効飽和度,θ
,θ
s
rはそれぞれ飽和
図8 通水時間と侵食量の関係
および残留体積含水率,α,ηは土質試験より与
ル化の大きな課題である。
-1
,
えられる保水性に関するパラメータ,m=1-η
越流侵食モデルの開発においては,このような
Ksは飽和時の透水係数である。
課題を全て解決する必要があるが,本研究では,
まずは小型実験で重要性が明らかとなった不飽和
(2)越流水の流れ解析
土の越流侵食に着眼点をおき,不確定要因の多い
越流水の流れ計算には水深方向に積分した平面
粘着性土質ではなく,非粘着性土質を対象とした
2次元浅水流方程式を用いる。方程式内では水位
検討を行うものとした。
と水深平均流速が未知数となり,以下に示す x,
y方向の運動方程式および連続式から求められ
る。
3.
1 越流侵食解析法
越流侵食解析モデルは,①堤体内の浸透流解
析,②越流水の流れ解析,③堤体の侵食および堆
積の土砂輸送解析,④堤体法面のすべり破壊解析
(5)
の4つの解析モデルから構成されている。以下に
各解析過程について示す。
(1)堤体内の浸透流解析
(6)
非定常の飽和・不飽和浸透流解析は,次式の
Ri
c
ha
r
ds式を支配方程式としており,代表断面の
(7)
鉛直2次元の解析を行う。
(1)
ここで,u,vは x
,y方向の水深平均流速,gは重
力加速度,Hは水位,hは水深,ρは水の密度で
∂ψ),θ
ここで,C
(ψ)は比水分容量(=∂θ
w/
wは体
,τ
,τ
ある。また,τ
x
x
y
y
x
yは乱れによるせん断力で
,z方向の透
積含水率,ψは圧力水頭,Kx,Kzは x
次式より求められる。
水係数である。そして,Ri
c
ha
r
ds式を解くのに必
要な圧力水頭と含水率および圧力水頭と不飽和透
(8)
水係数 Kの関係式は,次式の va
nGenuc
ht
enの式
18)
/
6で与え,ここに κ
εは渦動粘性係数で,ε
=κ
u
*h
を用いた。
はカルマン定数(=0.
4)で u
*は摩擦速度である。
(2)
(9)
35
自然災害科学 J
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SNDS 331(2014)
pi
c
kupr
a
t
eは局所勾配の影響を考慮した式14)
(10)
にサクションによるせん断力増加を考慮した次式
より計算を行った。
ただし,Cfは河床抵抗係数,nはマニング粗度係
(14)
数である。底面のせん断力は次式で評価した。
(11)
(15)
(12)
(3)堤体の侵食および堆積の土砂輸送解析
(16)
越流水によって法面が侵食し堤体形状が変化
し,そして,侵食された土砂が法尻近傍もしくは
ここで,τ*,τ
*cは無次元掃流力と無次元限界掃
法尻から幾分離れた場所で堆積する。本研究では
流力,G*は流れと砂粒の移動方向の影響を考慮
侵食しながら変化する堤体法面の局所勾配の侵食
する補正係数,φは局所勾配が移動限界に与える
および堆積へ与える影響を考慮するために,地形
補正係数,σは河床材料の密度(σ
/
ρ
=2.
65),θ
bは
に沿った砂粒の運動方程式を解く非平衡流砂モデ
ルのフレームワーク19)を用いて解析を行った。
河床最大傾斜方向の勾配角,k
Lは抗力と揚力の比
7),ψは
(=0.
85),μsは砂の静止摩擦係数(=0.
堤防越流による侵食現象は,流速が大きく,水
河床付近の流速と砂粒移動方向のなす角度,αは
深が小さく,そして法面勾配が急であるため,河
砂粒の移動方向と河床の最大傾斜方向のなす角度
道の河床変動計算で用いられているような流砂量
である。定数については,中川ら21)が飽和土の実
式や pi
c
kupr
a
t
eの式をそのまま用いた場合では
験で提案している F
03,k
7,mp=3を
0=0.
p=0.
侵食量が過大に算出される傾向がある。また,堤
そのまま用いた。
体は河道内の河床砂に比べて小さな粒径の土で構
ここで,前述の実験結果で着目された堤体の湿
成されており,サクションによるせん断抵抗の増
潤状態を考慮する手法として,本研究では中川
加などの影響により,砂質堤土の粒径が大きいほ
ら20)の研究に倣ってサクションによるせん断抵抗
ど侵食が大きくなる可能性があり,掃流砂量式を
の増加効果をこの pi
c
kupr
a
t
eの式の限界掃流力
そのまま堤防越流侵食に適用するには問題があ
に導入することを考える。サクションによるせん
る 。このため,本研究では,中川らの研究と同
22)
を参考に,浸透流
断抵抗増分 τ
s
ucは,既往研究
様にサクションによるせん断抵抗の増加を考慮す
計算で得られた各点の負の圧力水頭 ψから次のよ
ることを考え,pi
c
kupr
a
t
e式にその効果を導入
うに求められる。
20)
して堤防越流破壊シミュレーションを試みた。
各計算メッシュからの単位時間あたり離脱土砂
量は pi
c
kupr
a
t
ep
sを用いて次式のように表せ
る。
(17)
こ こ で,uaは 間 隙 空 気 圧,uwは 間 隙 水 圧 で,
(13)
│ua-uw│はサクションである。
本研究では,Eg
i
a
z
a
r
o
f
fの限界掃流力の式23)に
ここで,dは河床材料粒径,A2,A3は砂粒の2次
サクションによるせん断抵抗増の導入を考える。
元,3次元の形状係数(=π/
4,π/
6),Spは離脱地
抗力と摩擦力が釣り合う砂粒の移動限界を考え
点メッシュの鉛直方向射影面積である。
と,抗力 RT,摩擦力 Fは次のように表現できる。
36
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
によるせん断力増加の効果を表した。
(18)
(23)
(19)
本研究ではその浸透と侵食の現象を図9に示す
ここで,ρ
,σは水および砂粒の密度,CDは抗力
ように,表層の飽和層とその下に不飽和土が存在
係数,ubは砂粒に作用する代表流速,dは砂の粒
し,まず飽和層が侵食され,その次に不飽和層が
径,A2,A3は 砂 粒 の 形 状 係 数,fは 摩 擦 係 数
侵食され,浸透が進む侵食プロセスの繰り返しと
(=t
a
nφ)を表す。RT=Fの限界掃流力の条件よ
してモデル化を行った。このプロセスを飽和土と
り,
不飽和土の二つの pi
c
kupr
a
t
e式を用いて評価し
た。式(14)より不飽和土の侵食量を求め,飽和
(20)
土は同式でサクションによるせん断抵抗増を考慮
せずに侵食量を評価した。この侵食面のモデル化
が得られる。粒径 dの砂粒に作用する抵抗力の代
において,表層の飽和層の厚さは浸透流解析の結
dの位置の流速であると
表流速 ubは,底面より a
果より評価し,もし表層の解析メッシュが飽和し
仮定し,また混合砂礫床の相当粗度 k
sは,ほぼ平
ていない場合は,堤防表層において浸透は常に進
均粒径に等しいため,
行して表層にわずかな飽和層が存在していると考
え,その飽和層厚 Dsを透水係数と圧力水頭差 Δψ
(21)
と計算ステップを乗じて求めた。
4,u*= u'
となり,α
=0.
63,t
a
nφ=1.
0,CD=0.
*cと
(24)
すると,Egi
a
z
a
r
o
f
fの式にサクションによる限界
掃流力の増加の項が追加された次式が得られる。
ここで,Usは飽和層の進行速度,Kzは鉛直方
向の透水係数,Δtは侵食計算の計算ステップで
ある。
(22)
上記した浸透流解析結果を用いたモデル化によ
り,浸透速度の大きな堤体土の計算では飽和土の
侵食に近いものとなり,浸透速度の小さな堤体土
右辺第2項がサクションによるせん断抵抗増分で
の計算では,不飽和土の浸透速度影響を強く受け
ある。本研究では一様砂の実験への適用を行って
た侵食プロセスを表現することが可能となる。
いるため,d
m=dとし,次式によってサクション
図9 侵食過程の概略図
37
自然災害科学 J
.J
SNDS 331(2014)
(4)堤体法面のすべり破壊解析
(29)
堤防の越流破壊において,シルトや粘土で粘着
性を含む場合や砂でも粒径が小さい堤土は,侵食
面が切り立ちオーバーハングやそれに近い形状と
なり,すべり破壊を生じて破壊に至る。そのた
(30)
め,堤体の越流破壊解析において,なんらかのす
べり破壊を再現できる計算過程を導入する必要が
ある。
本研究では,越流破壊モデルに斜面安定解析を
浸透流解析の含水率の計算結果は各スライス重
導入した24,25)。斜面の安定解析には,これまで
量の計算に反映され,圧力水頭がスライス底面に
様々な手法が提案されているが,今回対象とする
働く平均間隙水圧の計算に用いられる。上式で求
堤防破壊現象においてすべり面は必ずしも円弧状
められる安全率が最小となるすべり面の形状を,
とは限らないため,任意形状のすべり面が見いだ
数理計画法の一つである動的計画法(Dyna
mi
c
せるスライス分割法の一つである簡易 J
a
nb
u法が
pr
o
gr
a
mmi
ng
)の最適化手法26,27)を用いて見出す。
適していると判断し,これを用いた。
また,すべり土塊については,すべり破壊と同
時に越流水によって下流へ全て流されると考え,
(25)
解析範囲から土塊を取り除く方法もこれまでの研
究28,29)で見られるが,すべり土塊が大きい場合は
(26)
その土塊が下流側の流れや侵食に与える影響は少
なくないと考えられる。本研究では簡易的ではあ
(27)
るが,下流側へすべり土塊を移動させ,流送過程
も他の砂と同様の越流水によって輸送されること
'は分割スライス数,添字 iはスライス
ここで,n
とした。図10には本研究で用いたすべり土塊の簡
,uwi,αiはそれぞれ各スライスの重
番号,Wi,l
i
易的な移動および堆積方法の模式図を示す。
量,スライス底面の長さ,スライス底面に働く平
本モデルでは,簡易的に斜面安定解析から計算
均間隙水圧,水平面に対する傾きを表す。そし
されたすべり土塊は,下流側の安息角以下となる
て,c
'
は土の粘着力,φは土の内部摩擦角であ
地点まで移動させて堆積させる。その際,堆積範
る。上述した簡易 J
a
nb
u法の式は,不飽和土のサ
囲の縦断距離はすべり土塊の縦断距離と一致さ
クションによるせん断抵抗増の効果は考慮されて
せ,堆積高はすべり土塊体積と縦断距離より求め
いない。本研究では,その負の間隙水圧によるせ
られる平均的な高さとして計算を行った。
ん断抵抗増を斜面安定解析にも考慮する。不飽和
堤体内すべり土塊底面のせん断抵抗にサクション
によるせん断抵抗増分を加え次式で表す。
(28)
そして,式(25)と同様の導出過程により,以下
のサクションによるせん断抵抗増が考慮された式
が得られる。
図10 すべり土塊の模式図
3
8
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
図11 検証実験模型装置
3.
2 非粘着性土質を用いた越水実験
表1 実験ケース
構築した非粘着性土質堤防の越流侵食解析モデ
ルの検証データを取得することを目的として,非
#
粘着性土を用いた堤防模型による越流侵食実験を
行った。
流量
(c
m3/
s
)
堤体土
1
2
7840.
0
3
堤体の
d
堤体土の
m
初期含水量
間隙率
(mm)
(%)
No
.
6
0.
334
13.
0
0.
51
No
.
7
0.
174
11.
5
0.
51
No
.
8
0.
100
12.
0
0.
55
(1)実験方法
実験は長さ5
00c
m,幅30c
m,深さ50c
mの直線
水路を用いた。水路勾配を水平に設定し,水路下
流部に模型堤体を作成した。模型装置を図11に示
す。堤高は40c
m,法勾配は表法,裏法とも1.
0:
2.
0とした。
実験ケースを表1に示す。堤体土は珪砂の6
号,7号,8号を使用した。粒度分布を図12に示
す。また,流量条件は同一とした。本実験では,
実験前の湛水は行わずに越流侵食させた。このた
め,堤防のり面からの浸透により堤体表層から飽
和域が拡大するものとなった。なお,飽和速度は
粒径の大きな6号砂が最も速くなる。
水路の壁面は透明アクリル製であるため,側面
図12 堤体土の粒度分布
(2)実験結果
から浸透の様子や侵食プロセスが観察でき,本研
実験結果を解析結果とあわせて図13に示す。こ
究では,実験中に横からデジタルビデオカメラに
れより,粒径が侵食速度に与える影響は大きく,
より堤体侵食の様子を撮影し,その撮影画像から
本研究で用いた堤体土の粒径範囲では,粒径が小
堤体形状の変化を読み取った。
さいほど,侵食が軽減される結果となった。粒径
が大きいケースほど,堤体裏法面の侵食面の勾配
は緩勾配で,裏法尻下流部の体積が多い結果と
39
自然災害科学 J
.J
SNDS 331(2014)
図14 土の水分特性曲線
図15 せん断力の増加とサクションの関係
の関係を図15に示す。これより,サクションとせ
図13 越流侵食実験結果と解析結果の比較
ん断力の関係は,土の粒径と関連し,粒径が小さ
いほどサクションによるせん断抵抗の増分が大き
く,土が飽和状態に近づきサクションの値が小さ
くなるほど,せん断抵抗の増分の効果が小さくな
表2 土壌パラメータ
ることが示されている。さらに,粒径が小さく透
パラメータ
No
.
6
No
.
7
No
.
8
θ
s
0.
319
0.
351
0.
40
水性が小さいほど,浸透して飽和に達する時間が
θ
r
0.
061
0.
095
0.
025
長くなることより,サクションによるせん断抵抗
α
3.
837
2.
552
1.
043
η
3.
852
4.
148
1.
701
が維持される時間が長くなることになる。また,
K
(m/
s
e
c
.
)
s
2.
15×10-4
8.
75×10-5
1.
56×10-5
河川のシミュレーションで用いられている粒径や
勾配のみで決まる移動限界評価による流砂量式で
なった。粒径の小さな8号砂ケースは,侵食初期
は,粒径が小さいほど侵食量が大きくなることに
過程において堤防天端は侵食せず,裏法尻近くか
なるため,実験結果のような堤体侵食現象を再現
ら侵食し,上流へ侵食が拡大し裏法面が急勾配と
することが難しいことが示唆された。
なっている様子が確認できる。
これらの実験で用いた土のパラメータについて
20)
3.
3 数値シミュレーション
は,Na
ka
g
a
wae
ta
l
. により調査された表2の値
非粘着性土を用いた越水侵食実験により得られ
を適用した。ここで,Va
nGe
nuc
ht
en式18)のパラ
た実験データを用いて,越流侵食解析モデルを検
メータは,pFメータ計測により得られた土壌水
証することによりモデル構築を図った。
分量の非線形回帰式を用いて評価した。土の水分
特性曲線を図14に,せん断力の増加とサクション
40
與田・中川・水谷・川池・張:堤体飽和度に着目した堤防の越流侵食のメカニズムに関する研究
(1)計算条件
異なるとともに,また同じ土質であっても堤体
計算格子の解像度については,水平面の堤体越
の湿潤状態により侵食進行が異なるなど,堤体
流方向は Δx
=1.
0~2.
0c
m,堤防法線方向(実験
内の湿潤状態は越流侵食に大きな影響を与え
水路の横断方向)に Δy
=1.
0c
mと設定し,鉛直断
る。
面 に つ い て は,Δx
=1.
0c
m,Δz
=0.
5c
mと 設 定
し計算を実施した。
・粒径の異なる非粘着性土質を用いた越流侵食実
験結果より,本実験で用いた粒径範囲では,粒
径が小さいほどサクションの効果が大きく,侵
(2)越流侵食解析結果
食が軽減されることが示された。
図13に,Ca
s
e
1,
2,
3の解析結果と実験結果の比
・堤体内の浸透流解析,越流水の流れ解析,堤体
較を示す。実験での越流侵食の時間的進行状況
の侵食および堆積の土砂輸送解析,堤体法面の
は,解析モデルで良好な再現性を示した。Ca
s
e3
すべり破壊解析の4つの解析モデルを結合し,
(8号砂)のケースでは,計算の侵食量が実験値よ
堤 防 越 流 破 壊 解 析 モ デ ル の 構 築 を 行 っ た。
り,やや大きくなっているものの,特に,Ca
s
e
2
(7号砂)の解析結果の整合性は良好である。
pi
c
kupr
a
t
eの式にサクションによるせん断抵
抗増の効果を考慮し,飽和土および不飽和土の
解析での侵食量は,6号砂・7号砂に比べて8
両式を用いて不飽和堤土の侵食と浸透がほぼ同
号砂で小さくなっている。これは,サクションに
時に進行する越流侵食プロセスのモデル化を提
よるせん断抵抗の増加の影響であり,図15に示す
ように8号砂のサクションの最大値が他の粒径に
比べて大きい。このように,解析モデルは,実験
で見られたように粒径が小さくなるほど侵食速度
案した。
・構築したモデルを用いて実験ケースに適用し,
解析結果は概ね良好な結果が得られた
・本モデルでは,非粘着性土質堤防を対象とし
が小さくなることを表現することが可能であり,
た。今後,本モデルを実河川の堤防越流侵食に
以前の土砂掃流モデルより精度が高い予測が可能
適用するためには,非粘着性土の侵食速度につ
である。
いて,実用的な手法の検討を進めることが課題
また,サクションによるせん断抵抗は,越流水
である。
による堤体表層からの浸透で飽和状態に近づくに
従い減少する。粒径の大きな6号砂では,他の砂
参考文献
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耐力に係わる水理実験実施解析検討業務報告
越流水により直ちに飽和状態に変化するため,サ
クションによるせん断抵抗の影響が小さい。この
メカニズムにより,粒径が大きい土の堤体の方
が,速く破壊に至っている要因にもなっている。
4.まとめ
本研究では,小型堤防を用いて,湿潤状態の異
なる堤体での越流侵食実験を実施し,堤体湿潤状
態が侵食進行過程に与える影響について考察を行
うとともに,浸透現象に着目した越流侵食の数値
解析モデルの構築を行った。本研究で得られた知
見は以下のようである。
・実堤防を想定した小型模型を用いた越流侵食実
験より,堤体内湿潤条件で越流侵食開始場所が
自然災害科学 J
.J
SNDS 331(2014)
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fo
v
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r
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l
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14)Po
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, ASCE, Vo
l
.
115, No
.
8, pp
10
401055,1989.
15)Po
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i
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, ASCE, Vo
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115, No
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114,
学 会 論 文 集A
2,Vo
l
.
68,No
.
2,pp.
I
1032012.
18)Va
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44,PP
.
892898,1980.
19)長田信寿・細田 尚・村本嘉雄・中藤達昭:3
次元移動座標系・非平衡流砂モデルによる水制
周 辺 の 河 床 変 動 解 析,土 木 学 会 論 文 集,
No
.
684,I
I
56,pp.
2134,2001.
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SCE,Vo
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.
55,
SK1K
4,2011.
21)中川博次・辻本哲郎・村上正吾:側壁における
非 平 衡 流 砂 過 程,第2
9回 水 理 講 演 会 論 文 集,
pp.
561566,1985.
22)Va
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K.
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33, No
.
3,
pp.
379392,1996.
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4,pp.
225247,1965.
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(投 稿 受 理:平成25年8月16日
2月26日)
訂正稿受理:平成25年1
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