(57)【要約】【課題】中小出水時に発生する緩急並列流を解消しやすくして、二極化現象を抑制する。【解決手段】河川１における二極化現象への対策方法は、複数の突出部１０のそれぞれにおいて、上端が中小出水時の水面Ｗより上方に配置され、中小出水時の水面Ｗに沿った川幅方向Ｇ２に関する長さである突出長ｔ２が１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となり、複数の突出部１０同士における河岸に沿った方向に関する間隔が、２５ｍ以上且つ５０ｍ以下となり、且つ、突出長ｔ２を間隔で除した値が０．０５以上且つ０．２以下となるように、複数の突出部１０を設置する。【選択図】図２
2020180543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
河岸から対岸に向かって突出した複数の突出部を河岸に沿った方向に沿って設置することによる、河川における二極化現象への対策方法であって、
前記複数の突出部のそれぞれにおいて、上端が中小出水時の水面より上方に配置され、中小出水時の水面に沿った川幅方向に関する長さである突出長が１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となり、
前記複数の突出部同士における河岸に沿った方向に関する間隔が、２５ｍ以上且つ５０ｍ以下となり、且つ、
前記突出長を前記間隔で除した値が０．０５以上且つ０．２以下となるように、前記複数の突出部を設置することを特徴とする対策方法。
【請求項２】
前記突出部は、前記河岸の護岸上において、法面の傾斜方向に沿って延在する傾斜部を有しており、
前記傾斜部は、前記法面に対して垂直な厚みが前記傾斜方向に沿って一定な部分を有することを特徴とする請求項１に記載の対策方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川の湾曲部において、中小出水時に水裏部側で土砂が堆積し水衝部側で河岸が侵食・洗堀され、河道横断面内の高低差・比高が拡大し、河道地形が二極化に発展する二極化現象への対策方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の湾曲部においては、中小出水時に水裏部側の砂州に砂が堆積すると共に、水衝部側で河岸が侵食・洗堀され、河道横断面内の高低差・比高が拡大し、河道地形が二極化に発展する二極化現象が発生することがある。水裏部側に生じた砂州に樹木が繁茂すると、河積が減少して流下阻害による水位上昇で堤防を越水し決壊・氾濫に至った事例がある。また、水衝部側では、河岸が洗掘されることにより、自然河岸が侵食されたり、護岸が損傷したりするおそれがある。このように二極化現象は治水面・環境面に悪影響を及ぼす。
【０００３】
かかる二極化現象への対策の一例として、河道整正が行われている。また、別の対策として、特許文献１には、護岸構造物の壁面に設置されている横帯工を対岸に向けて突出させる技術について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３１７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の対策である河道整正や上記特許文献１に記載の技術においては、二極化現象に十分に対応できていない。例えば、河道整正により砂州を掘削しても、砂の再堆積により再度の掘削が必要となる。また洗掘した河岸や損傷した護岸を修復しても、さらにその下流で洗掘が生じるため、修復箇所の下流端で河岸侵食や護岸損傷が繰り返し発生することがある。また、上記特許文献１に記載の技術では、横帯工を単に突出させるだけでは、上記の二極化現象を回避するほどの効果がない。
【０００６】
本発明の目的は、中小出水時に二極化現象を抑制することができる、河川における二極化現象への対策方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、河川における中小出水時に「緩急並列流」が発生し、この「緩急並列流」が二極化現象の主要な原因の一つとなっているとの知見に到達した。ここでいう緩急並列流とは、河川の湾曲部における外岸側で流速が高くなる領域と、内岸側で流速が低くなる領域とが発生する現象である。これにより、外岸側では洗堀が進行し、内岸側では砂の堆積が進行する。かかる現象が中小出水ごとに発生するため、二極化現象が発生する。
【０００８】
そこで、本発明は、河岸から対岸に向かって突出した複数の突出部を河岸に沿った方向に沿って設置することによる、河川における二極化現象への対策方法であって、前記複数の突出部のそれぞれにおいて、上端が中小出水時の水面より上方に配置され、中小出水時の水面に沿った川幅方向に関する長さである突出長が１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となり、前記複数の突出部同士における河岸に沿った方向に関する間隔が、２５ｍ以上且つ５０ｍ以下となり、且つ、前記突出長を前記間隔で除した値が０．０５以上且つ０．２以下となるように、前記複数の突出部を設置することとした。
【０００９】
これによると、突出部の上端が中小出水時の水面より上方に配置されていることで、中小出水時に発生する緩急並列流が、突出部の上端部で発生する剥離渦と突出部の背後で発生する後流とによって攪乱され解消されやすくなって、二極化現象を抑制することができる。かかる効果は、後述の実施形態において説明する通り、突出部の突出長を突出部同士の間隔で除した値が０．０５以上且つ０．２以下となる場合に確保される。
【００１０】
一方、突出部同士の間隔が大き過ぎると、剥離渦や後流が緩急並列流を攪乱する効果が著しく弱まる。また、突出部同士の間隔が小さ過ぎると、突出部先端付近に発生した河床の深掘れが突出部の並びに沿って連続し、この新たな侵食面によって緩急並列流が発生する要因となる。
【００１１】
これに対し、本発明によると、突出部同士の間隔が２５ｍ以上且つ５０ｍ以下であるため、間隔が大き過ぎたり小さ過ぎたりすることによる上記の問題が生じにくくなる。また、突出部の突出長が大きすぎると、複数の突出部のうちの最も上流に配置された突出部により発生した水はねにより対岸に向けた流れが強くなって、対岸の侵食を助長しやすくなったり、突出部同士の間に土砂堆積や樹林化が発生しやすくなったりする。
また、突出部の突出長と突出部同士の間隔の比を所定の範囲とすることから、突出部の突出長が小さくなると突出部同士の間隔も小さく設定する必要が生じる。突出部同士の間隔が小さくなると、突出部先端付近に発生した河床の深掘れが突出部の並びに沿って連続し、この新たな侵食面によって、緩急並列流が発生しやすくなる。
これに対し、本発明によると、突出部の突出長が１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下であるため、突出長が大き過ぎたり小さ過ぎたりすることによる上記の問題が生じにくい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の対策方法によると、中小出水時に発生する緩急並列流が解消されやすくなり、二極化現象を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る河川における二極化現象への対策方法を採用した河川の湾曲部を示す概略平面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す突出部及びその周辺の平面図であり、（ｂ）は図２（ａ）に示すII−II線に沿った断面図である。
【図３】突出部同士の間隔及び突出部の突出長により発生する壁面領域の説明図である。
【図４】遮断率と相対粗度間隔との関係を示す図である。
【図５】相対粗度と相対粗度間隔との関係を示す図である。
【図６】河川の攪乱境界と代表粒径との関係を示す図である。
【図７】（ａ）は外岸に突出部が配置されていないときの水面の流速分布図であり、（ｂ）は外岸に水面上に突出した突出部が配置されたときの水面の流速分布図である。
【図８】（ａ）は外岸に突出部が配置されていないときの無次元掃流力の平面分布図であり、（ｂ）は外岸に水面上に突出した突出部が配置されたときの無次元掃流力の平面分布図であり、（ｃ）は外岸に水面上に突出しない突出部が配置されたときの無次元掃流力の平面分布図である。
【図９】河川の湾曲部において流量が４０ｍ3／ｓのときの三次元解析結果を示しており、（ａ）は水面流速ベクトルを示す図であり、（ｂ）は断面流速ベクトルを示す図であり、（ｃ）は側面・底面せん断力を示す図である。
【図１０】河川の湾曲部において流量が９０ｍ3／ｓのときの三次元解析結果を示しており、（ａ）は水面流速ベクトルを示す図であり、（ｂ）は断面流速ベクトルを示す図であり、（ｃ）は側面・底面せん断力を示す図である。
【図１１】河川の湾曲部において流量が１５０ｍ3／ｓのときの三次元解析結果を示しており、（ａ）は水面流速ベクトルを示す図であり、（ｂ）は断面流速ベクトルを示す図であり、（ｃ）は側面・底面せん断力を示す図である。
【図１２】河川の湾曲部において流量が９０ｍ3／ｓのときの二次元解析結果であって、平面流速を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。本発明の一実施形態に係る河川１における二極化現象への対策方法については、図１〜図８を参照しつつ説明するが、まずは、中小出水時に、河川の湾曲部に二極化現象が生じるメカニズムについて、図９〜図１２を参照しつつ以下に説明する。
【００１５】
＜二極化現象について＞
河川の湾曲部においては、中小出水時に湾曲部の外岸側が高流速部となり、内岸側が低流速部となる緩急並列流が生じる。緩急並列流によって進行する二極化という現象は、大出水時の場合、高水敷も加えた複断面流路の複雑な流れ（高水敷への乗り上げ・下げ、高水敷樹林による流れの抵抗が加わること）となり、ほとんど発生しないが、中小出水時においては生じうる。以下は、緩急並列流の発生が再現された流況解析の内容である。本解析では、ｉＲＩＣのＮａｙｓＣＵＢＥを用いており、河川の断面形状を、法面が２割勾配、底幅が１０ｍの台形断面に設定し、半径５００ｍの緩い湾曲部において、所定流量時の流況解析が行われている。このときの結果を図９〜図１２に示す。なお、所定流量としては、中出水時の流量を１５０ｍ3／ｓ、小出水時の流量を９０ｍ3／ｓとし、平常時の流量を４０ｍ3／ｓとして導出する。そして、平常時（４０ｍ3／ｓ）の三次元解析結果を図９に示し、小出水時（９０ｍ3／ｓ）の三次元解析結果を図１０に示し、中出水時（１５０ｍ3／ｓ）の三次元解析結果を図１１に示す。なお、小出水時（９０ｍ3／ｓ）においては、三次元解析結果のみならず、二次元解析結果を図１２に示す。
【００１６】
図９〜図１１に示す、河川が緩やかに湾曲した台形断面での三次元流況解析では、流量が増えると、流速が全体的に増大する傾向を示し、内岸側よりも外岸側が流れの速い分布となる。図９〜図１２に示すように、三次元流況解析の水面流速ベクトル（図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ））において、各ケースとも内岸、中央、外岸で流速が異なっている。このように、三次元流況解析においては緩急並列流が再現されている。これに対し、二次元流況解析の平面流速（図１２）においてはほぼ均一な流速分布の傾向を示す。このように図１２に示す二次元流況解析では、緩急並列流を再現することができないことがわかる。従来、多く実施されてきたこのような二次元流況解析は、緩急並列流によって二極化現象が発生するという正しい現象の理解につながらず、適切な問題解決につながっていなかった。また、三次元流況解析においては、流量が９０ｍ3／ｓ（小出水時）を超えると、内岸、外岸の流速差が顕著となり始め、並列流が明確になる。つまり、図１１（ａ）では、流量が１５０ｍ3／ｓ（中出水時）のときに、外岸側の流速が内岸側の流速よりも速い状態が明確となる傾向が示され、緩急並列流がより一層明確になる。
【００１７】
図９（ｂ）、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すように、断面流速ベクトルにおいては、各ケースとも内岸、中央、外岸の３箇所で回転流が発生している。内岸での回転流は反時計回りであり、中央及び外岸での回転流は時計回りである。底面では外岸から内岸に移動する流れが発生している。図９（ｃ）、図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）では、側面のせん断力が、外岸が強く、内岸が弱い傾向を示す。
【００１８】
このような三次元流況解析に示す通り、中小出水時には、せん断力の大きな外岸が洗掘され、せん断力の小さい内岸に土砂がたまる。このように河川の湾曲部においては、中小出水時の緩急並列流により、二極化現象が生じる。
【００１９】
なお、高いレイノルズ数の条件下、水の流れに置かれた物体の抗力係数が大きく低下する現象が知られている。例えば、長さ：直径の比が５：１となる直径１０ｃｍの円柱を水の流れの中に置いた場合に、レイノルズ数が３×１０5〜２×１０6の範囲で抗力係数が大きく低下する（「流体の力学」  ｐ１３８、中山泰喜、１９９８年））。同様に、中小出水時に護岸の凹凸による抵抗が減少するため、河川の勾配及び川幅がいずれもある程度大きい場合であって、かかる高いレイノルズ数に対応する条件下、上記のような三次元流況解析を行うと、河川における実際の流況と異なる解析結果となる可能性がある。しかしながら、かかる条件下においては、実測水位から算出した逆算粗度係数を用いた解析を行うと、実際の流況に応じた解析結果が得られる。
【００２０】
＜二極化現象への対策方法＞
続いて、本発明の一実施形態に係る河川における二極化現象への対策方法について、以下に説明する。まず、本実施形態における二極化現象への対策方法を採用する河川が、以下の条件を満たすかを判断し、条件を満たす河川に当該対策方法を採用する。判断条件としては、流量条件、河岸条件、浮遊砂堆積・樹木繁茂状況条件がある。これらの条件のうち流量条件と河岸条件とを満たす場合に対策方法を採用してもよい。なお、浮遊砂堆積・樹木繁茂状況条件はその確認事項である。流量条件としては、中小出水時の発生頻度に比べ大出水の発生頻度が少ない積雪寒冷地の河川等である、もしくは、洪水調節施設により、５〜１０年間、大きな洪水（すなわち、大出水）が発生していない河川である、ことである。大出水が生じると、例えば、深掘れによってできた侵食面が埋まるなどして、河床高の比高差が一旦初期状態に近い状態に戻る、すなわち小さくなり、そもそも二極化の状態が保たれない。このため、比較的、大出水が生じやすい河川については除外する。なお、河状係数に基づく流量条件を採用してもよい。河状係数は、１年の最大流量を１年の最小流量で除した値である。例えば、河状係数が所定値以下（未満）の河川を、流量条件を満たす河川と判断してもよい。河岸条件は、水衝部が形状として平滑な面であることである。具体的には、水衝部が、定型的な護岸、形状が一様で連続した侵食河岸、間隔が狭い水制工群前面の洗掘面、延長が長く敷高が高い水制工群前面の洗掘面、平滑な岩河床、根固工前面の洗堀面のいずれかであることである。このような河岸条件を満たす場合、高速流が生じやすく、緩急並列流が発生しやすい。つまり、二極化現象が発生しやすい。浮遊砂堆積・樹木繁茂状況条件としては、水裏部側は、段差がついて堆積し、無立木地としての砂州や礫河原・河原草地が無く、水際からすぐ高茎草本や樹木が繁茂しており、堆積物は、浮遊砂が主体であり、礫を含まないことである。
【００２１】
図１及び図２に示す河川１及びその湾曲部２は、上述の条件を満たしているとする。河川１は、図１に示すように、右下から左上に向かって流れている。つまり、河川１の川の流れる方向は、図１中矢印Ｇ１方向である。本実施形態における河川１には、低水路１ａの両側に高水敷１ｂが形成されている。湾曲部２の外岸３の低水路１ａには護岸２０が構築されている。護岸２０は、図２に示すように、公知の法覆工２１、基礎工２２、及び、根固工２３により、構成されている。なお、図２（ｂ）に示す水面Ｗは、中小出水時における水面の一例を示している。
【００２２】
本実施形態における対策方法は、図１及び図２に示すように、河川１の湾曲部２に複数の突出部１０を設置することによる。突出部１０の周辺には剥離渦（図３参照）が発生する。剥離渦は、川の流れが突出部１０に接触することで、川の流れの中であって突出部１０の下流側に発生する渦である。この剥離渦が河川１の川幅方向に関して水の流れを攪乱し、もって、緩急並列流の発生を抑制するというものである。本実施形態においては、４つの突出部１０が外岸（河岸）に沿った方向に等間隔に配置されている。図１に示すように、隣接する突出部１０同士の間隔ｔ１は、２５ｍ以上且つ５０ｍ以下に設定されている。また、各突出部１０は、護岸２０上にそれぞれ形成された構造物によって構成されている。
【００２３】
突出部１０は、護岸２０から対岸（内岸）に向かって突出するように、複数の根固め用ブロック１２を並べて構成されており、水平部１３と、傾斜部１４とを有する。水平部１３は、基礎工２２及び根固工２３上において、川幅方向Ｇ２（河川１の延在方向（川の流れる方向Ｇ１）に直交する方向）にブロック１２が４つ並べられたブロック列が方向Ｇ１に３列配置された下部分１３ａと、下部分１３ａ上に配置され、川幅方向Ｇ２にブロック１２が３つ並べられたブロック列が方向Ｇ１に２列配置された上部分１３ｂとで構成されている。傾斜部１４は、護岸２０の法面２０ａ上において、法面２０ａの傾斜方向に沿って延在している。また、傾斜部１４は、川幅方向Ｇ２に平行な傾斜方向に沿ってブロック１２が６つ並べられたブロック列が方向Ｇ１に３列配置された下部分１４ａと、下部分１４ａ上に配置され、当該傾斜方向にブロック１２が５つ並べられたブロック列が方向Ｇ１に２列配置された上部分１４ｂとで構成されている。傾斜部１４の下部分１４ａと上部分１４ｂとが重なった部分は、法面２０ａに対して垂直な厚みがほぼ一定に形成されている。傾斜部１４は、法面２０ａに沿って斜め下方にずり落ちないように、その左端部が水平部１３によって支持されている。
【００２４】
突出部１０は、傾斜部１４の上部に相当する一部が河川１における中小出水時の水面Ｗよりも上方に配置されるように構成されている。図２（ｂ）には、かかる中小出水時の一水面である水面Ｗ２よりも傾斜部１４の上部が上方に配置された構成が示されている。図２（ａ）中ハッチングで示す部分は、突出部１０の水中にある部分を示す。本実施形態では、傾斜部１４の上部に配置された５つのブロック１２からなる上部部分１４ｃに水面Ｗ２が位置している。これら５つのブロック１２は、下部分１４ａの最も上方（最も右方）に配置された３つのブロック１２と、上部分１４ｂの最も上方（最も右方）に配置された２つのブロック１２とからなる。このように突出部１０の上端は中小出水時における水面Ｗ２よりも上方に配置される。より厳密には、突出部１０の上端１４ｃが、想定される中小出水時の水面Ｗのうちの最も低い位置にある水面Ｗ１よりも上方に配置される。なお、かかる最も低い位置にある水面Ｗ１は、河川の流量が中小出水時の下限の流量（後述）となるときの水面に対応する。河川１において、中小出水時の水面の高さ位置は状況に応じて変動する。したがって、中小出水時に水面が図２（ｂ）の水面Ｗの位置からずれることもある。しかしながら、上記のように、突出部１０の上端１４ｃが少なくとも中小出水時の水面のうちの最も低い位置にある水面Ｗ１よりも上方に配置され、水面が上記最も低い位置Ｗ１付近にある間は、突出部の上端部１４ｃで発生する剥離渦と突出部の背後で発生する後流とによって緩急並列流が攪乱され解消されやすい。また、突出部１０の上端１４ｃが上記最も低い位置Ｗ１より上方にあり且つ中小出水時に想定される最も高い位置にある水面Ｗ２よりも上方にあると、中小出水時の水面が上記最も低い位置Ｗ１より上方にある場合においても緩急並列流が攪乱され解消されやすくなる。なお、突出部１０の傾斜部１４は、法面２０ａからの厚みが一定となる部分を有している。このため、後述の突出長ｔ２においては、水面Ｗに多少変動があっても、ほぼ同じになる。つまり、中小出水時における水位が変動し水面が、図２（ｂ）に示すように、水面Ｗ２よりもやや低下した水面Ｗになった場合でも、突出長ｔ２´は、突出長ｔ２とほぼ同じとなって、安定する。
【００２５】
また、図２に示すように、突出部１０は、河川１の中小出水時において、突出部１０の水面Ｗ２に沿った川幅方向Ｇ２の長さである突出長ｔ２が、１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となるように設定されている。また、図１に示すように、４つの突出部１０は、突出長ｔ２を間隔ｔ１で除した値ｔ３が、０．０５以上且つ０．２以下となるように、設置されている。
【００２６】
ここで、４つの突出部１０の設置条件（突出部１０の間隔ｔ１、突出長ｔ２、突出長ｔ２を間隔ｔ１で除した値ｔ３）の設定理由について以下に説明する。まず、ｔ３を０．０５以上且つ０．２以下とする理由について、図３〜図５に基づいて説明する。図４は、相対粗度間隔と遮断率の関係を示すグラフである（「人工粗度の実験的研究−桟型粗度と溝型粗度−」、足立昭平、京大防災研究所年報第４号、昭和３６年３月；以下、参考文献という）。図５は、相対粗度と相対粗度間隔との関係を示すグラフである（上記参考文献）。以下の説明上、上記参考文献での表記に合わせるため、間隔ｔ１をｓで、突出長ｔ２をｋで表す場合がある。
【００２７】
図３に示すように、河岸に２つの突出部を設けた場合、突出部同士の間で後流が発生し、本来の川の流れを妨げる壁面領域が発生する。なお、図３は、河川の要部平面図であって、突出部同士の間隔及び突出部の突出長により発生する壁面領域の説明図である。この壁面領域の厚さをｃとすると、隣接する突出部を遮蔽する割合を意味する遮断率（ｃ／ｋ）は、突出長ｋに対する壁面領域の厚さｃの比率で表すことができ、突出部の間隔ｓに応じて、桟粗度の抗力が変化する指標となる。ｃ／ｋ＝１（ｃ＝ｋ）の時、完全干渉流といい、突出部の間隔ｓが小さすぎて、後流による壁面領域がほとんど突出部の先端まで及び、桟粗度の抗力は、突出部の頂面のせん断抵抗となる。この場合の粗度を溝型粗度とも呼ぶ。ｃ／ｋ＝０（ｃ＝０）の時、孤立粗度流といい、突出部の間隔ｓが大きすぎて、後流による壁面領域の影響が及ばなくなり、桟粗度の抗力は、単独の突出部から作り出される。０＜ｃ／ｋ＜１の時、不完全干渉流といい、突出部の間隔ｓがある程度大きいが孤立粗度流ほどではない場合、後流による壁面領域の厚さｃが間隔ｓに応じて変化し、各突出部１０における桟粗度の抗力は、当該突出部１０とその近隣の突出部１０との間隔ｓに影響を受ける。以上を単純化して、ｃ／ｋ＜０．５を非遮断（桟型粗度の領域）と呼び、ｃ／ｋ＞０．５を完全遮断（溝型粗度の領域）と呼ぶ。複数の遮断率（ｃ／ｋ）での抗力係数（ＣＤ）を予め実験で求め、近似式に置き換えると、図４に示すように、各相対粗度間隔（ｓ／ｋ）に対して遮断率（ｃ／ｋ）がある値に定まる。
【００２８】
ところで、突出部によって発生する剥離渦は、突出部の間隔が突出部の突出長のほぼ８倍となるときに最大となることが知られている（「水制の水理機能に関する研究（１）−不透過水制の抵抗特性について−」、今本  博健、池野  秀嗣、京大防災研究所年報第１７号Ｂ、昭和４９年４月）。つまり、相対粗度間隔（ｓ／ｋ）が８となるときに突出部によって発生する水の流れに対する抵抗が最大となる。図４に示す相対粗度間隔と遮断率の関係において、最大抵抗を生ずる最適間隔に対応する点を境界として、粗度要素が溝型粗度又は桟型粗度に替わり、間隔ｓが最適間隔からずれるほど抵抗が減じる。図４に示すように、遮断率（ｃ／ｋ）は、突出長ｋと間隔ｓの比率ｓ／ｋの関数であり、最大抵抗となる（相対粗度間隔（ｓ／ｋ）が８となる）遮断率（ｃ／ｋ）は、その値域の中間値である０．５の時である。最も望ましい遮断率（ｃ／ｋ）は、不完全干渉域内の０．５であるが、間隔ｓの適用範囲を設定するにあたっては、遮断率０．５に対し不完全干渉域内で遮断効果が上下で等分となる範囲として、遮断率（ｃ／ｋ）を０．２５と０．７５とに設定した。この時の突出長ｋと間隔ｓの比率（ｓ／ｋ）は、５と２０となる。
【００２９】
また、図５においても、相対粗度間隔（ｓ／ｋ）が８のとき、相対粗度（ｋｓ´／ｋ）が最大値付近になっている。なお、図５は、突出部の形状が尖っている場合（ｔ／ｋ＝１）における、相対粗度（ｋｓ´／ｋ）と相対粗度間隔（ｓ／ｋ）との関係を示す図である（上記参考文献）。ここでいうｔは、突出部の先端部の幅である。また、ｋｓ´は、平担な砂粒面の粗度と相対比較するときの桟形状の粗度の値である。突出長ｋと間隔ｓの比率は、８程度で相対粗度（ｋｓ´／ｋ）が最大５付近となる。突出長ｋと間隔ｓの比率（ｓ／ｋ）が上述の通り５又は２０となるとき、相対粗度（ｋｓ´／ｋ）は、最大値の６割程度となる。つまり、突出長ｋと間隔ｓの比率ｓ／ｋが５〜２０の範囲内にあれば、相対粗度（ｋｓ´／ｋ）を最適値の６割以上に確保できる。
【００３０】
以上より、突出部１０の突出長ｔ２と間隔ｔ１との最適割合は、１：８となり、許容範囲の突出長ｔ２と間隔ｔ１の割合は、５〜２０となり、これより小さくても大きくても剥離渦の効果が小さくなる。なお、許容範囲の突出長ｔ２と間隔ｔ１の割合が５〜２０となることは、突出長ｔ２を間隔ｔ１で除した値ｔ３が０．０５以上且つ０．２以下の範囲内となることに対応する。
【００３１】
隣接する突出部１０同士の間隔ｔ１は大きすぎると、剥離渦や後流が緩急並列流を攪乱する効果が著しく弱まり、河床高の比高差が拡大し、二極化が発生し始める。水制工が実際に設けられた河川の事例によると、突出部１０が単独の場合、間隔ｔ１が５０ｍを超えると二極化が発生しやすい。このため、間隔ｔ１の上限は５０ｍとする。一方、間隔ｔ１が小さすぎると、突出部１０の先端付近に発生した河床の深掘れが突出部１０の並びに沿って連続し、この新たな侵食面によって緩急並列流が発生する要因となる。水制工が実際に設けられた河川の事例によると、間隔ｔ１が２０ｍ以内となる場合に突出部１０の先端の深掘れが連続する現象が発生しやすい。このため、間隔ｔ１の下限は２５ｍとする。これにより、突出部１０同士の間隔ｔ１を、２５ｍ以上且つ５０ｍ以下に設定することで、上述のように二極化が発生し始めたり、新たな侵食面が形成されたりするのを抑制することができる。
【００３２】
次に、突出長ｔ２について説明する。突出長ｔ２の上限は、以下の理由により８ｍとしている。突出部１０の突出長ｔ２が８ｍを超えると、複数の突出部１０のうちの最も上流に配置された突出部１０において、水はねが発生しやすくなる。この突出部１０によって発生した水はねにより対岸に向けた流れが強くなり、対岸の侵食を助長しやすくなる。また、突出部１０の突出長ｔ２が８ｍを超えると、突出部１０同士の間が死水域化することから、突出部１０同士の間に土砂堆積や樹林化が発生しやすくなる。また、突出部１０の突出長ｔ２が８ｍを超え、突出部先端の敷高が河床より高い場合、突出部１０の先端前面の河床の深掘れが発達し、上流から下流に連続して河床が下がり新たな侵食面ができ緩急並列流が発生しやすくなる。この先端付近の基礎地盤が洗掘されることで、突出部１０の先端が新たな侵食面の背面になることで突出しなくなり、緩急並列流を攪乱できなくなる。なお、突出部１０同士の間隔ｔ１の上限値５０ｍに対応する突出長ｔ２の最適値は、突出長ｔ２と間隔ｔ１の上記最適割合１：８に基づくと６．２５ｍとなる。また、間隔ｔ１の上限値５０ｍに対応する突出長ｔ２の許容範囲は、ｔ１／ｔ２の上記許容範囲５〜２０に基づくと２．５ｍ〜１０ｍとなる。一方、上記の通り、対岸に向けた流れを強くする水はねや樹林化の抑制を考慮すると、突出長ｔ２の上限値は８ｍとなる。さらに施工時の条件を考慮した場合には、突出部１０は、既設の護岸２０上に配置されることから、護岸２０の設置幅内に収めることが必要となる。この場合、突出長ｔ２は、８ｍを超えない範囲で、法覆工２１、基礎工２２及び根固工２３の敷設幅以内とする。
【００３３】
突出長ｔ２の下限値は１．２５ｍとする。突出長ｔ２が短すぎる場合に、相対的に突出長ｔ２と間隔ｔ１の最適割合を保とうとすると、突出部１０同士の間隔ｔ１が狭まる。このため、突出部１０の先端の深掘れが連続して、新たな侵食面ができ、緩急並列流が発生しやすくなって、効果が現れなくなる。突出部１０同士の間隔ｔ１の下限値２５ｍに対応する突出長ｔ２の最適値は、突出長ｔ２と間隔ｔ１の上記最適割合１：８に基づくと３．１ｍとなる。また、間隔ｔ１の下限値２５ｍに対応する突出長ｔ２の許容範囲は、ｔ１／ｔ２の上記許容範囲の５〜２０に基づくと１．２５ｍ〜５ｍとなる。これにより、突出長ｔ２の下限値は１．２５ｍとする。
【００３４】
このように突出部１０の突出長ｔ２を、１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となるように設定することで、上述のように、対岸に向けた流れを強くする水はねに起因した対岸侵食の助長や死水域化による堆積・樹林化の進行、突出部１０の先端の深掘れの連続による新たな侵食面の形成などを抑制することができる。さらには、突出長が大き過ぎたり小さ過ぎたりすることによって形成される新たな侵食面によって緩急並列流が発生しやすくなるという上記の問題が生じにくい。
【００３５】
以上より、突出部１０同士の間隔ｔ１が２５ｍ以上且つ５０ｍ以下に設定され、突出部１０の突出長ｔ２が１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となるように設定され、突出長ｔ２を間隔ｔ１で除した値ｔ３が、０．０５以上且つ０．２以下の範囲内とされる。
【００３６】
続いて、本実施形態における中小出水時の流量の定義について以下に説明する。本実施形態における中小出水時の下限の水位（水面Ｗ１）となる流量は、河岸沿いの澪筋の河床材料が移動し始める流量とし、上限の流量は、低水路１ａの肩（高水敷１ｂの高さの水面であって、中小出水時に想定される最も高い位置にある水面Ｗ２に相当）の水位となる流量とする。本実施形態における中小出水時の流量は、低水路１ａ内に緩急並列流が発生し、河床材料が移動を始める流量である。これに対し、平常時の流量では、緩急並列流はほぼ発生せず、河床材料も移動しない。
【００３７】
一般に、河床材料が移動するかどうかは、下式で示される無次元掃流力（τ*）を指標として評価する。
（数式１）τ*＝ｕ*2/ｓ・ｇ・ｄR
（数式２）ｕ*＝（ｇ・ＨL・Ｉe）0.5
τ*：無次元掃流力
ｕ*：摩擦速度
ｓ：河床構成材料の水中比重（≒１．６５）
ｇ：重力加速度
ｄR：河床構成材料の代表粒径
ＨL：水深
Ｉe：不等流計算結果等より得られるエネルギー勾配
【００３８】
図６は、砂州の稚樹の生育している砂礫が移動するかどうかを判別する際に抽出した、複数の河川に関する攪乱境界における河床構成材料の代表粒径（ｄR）に対する無次元掃流力（τ*）及びその近似線のグラフである。本グラフは、北海道の河川を対象とした調査結果（樹林化抑制を考慮した河岸形状設定のガイドライン（案）、国土交通省  北海道開発局、（独）土木研究所寒地土木研究所、平成２３年３月、Ｐ５０）に基づく。河岸沿いの澪筋の水深（ＨL）とその流量でのエネルギー勾配（Ｉe）を数式２に代入すると摩擦速度（ｕ*）が算出される。この摩擦速度（ｕ*）と観測等に基づいて得られた河床構成材料の代表粒径（ｄR）とを数式１に代入することによって得られる無次元掃流力τ*を図６に照らし、τ*が図６の近似線を超える場合、河床材料が移動するものと考える。かかる考え方に基づき、河床材料が移動し始める水深（ＨL）の下限、つまり、ちょうどτ*が図６の近似線と一致するときの水深（ＨL）を求める。この水深（ＨL）の下限に対応する流量を、本実施形態における中小出水の下限の流量とする。水面Ｗの位置は、かかる中小出水の下限の流量に対応する位置より高く、低水路１ａの肩より低いいずれかの位置である。
【００３９】
以上の通りに設定された中小出水時の水面Ｗよりも、突出部の上端が上方にあることで、図７及び図８に示すように、剥離渦が発生しやすくなって突出部の下流側であって内岸側に効果的に作用して川の流れが攪乱され、内岸側の水面の流速が増加する。以下は、突出部の有無による河川の流れを再現した流況解析の内容である。本解析では、ｉＲＩＣのＮａｙｓＣＵＢＥを用いており、河川の断面形状を、法面が２割勾配、水深が１．６ｍ、底幅が３２ｍの台形断面に設定し、半径５００ｍの緩い湾曲部において、流量が９０ｍ3／ｓで粗度係数が０．０３の流況解析が行われている。このときの結果を図７及び図８に示す。図７は、（ａ）は外岸に突出部が配置されていないときの水面の流速分布図であり、（ｂ）は外岸に水面上に突出した突出部が配置されたときの水面の流速分布図である。図８（ａ）は外岸に突出部が配置されていないときの無次元掃流力の平面分布図であり、図８（ｂ）は外岸に水面上に突出した突出部が配置されたときの無次元掃流力の平面分布図であり、図８（ｃ）は外岸に水面上に突出しない突出部が配置されたときの無次元掃流力の平面分布図である。
【００４０】
図７（ａ）には、外岸近傍の水面の流速が高い状態が示されている。これに対し、図７（ｂ）には、突出部の背面、すなわち、突出部の下流側（外岸側）の水面の流速が低下して洗堀が抑制されると共に、内岸側で水面の流速が増大して砂州を攪乱する作用が増強される状況が示されている。また、図８（ａ）に示すように、突出部がないときの無次元掃流力の平面分布においては縦断的変化がほとんどない。これに対し、図８（ｂ）に示すように、水面上に突出する突出部があるときの無次元掃流力の平面分布は大きく変化する。これら図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）及び図８（ｂ）より、剥離渦が突出部から突出部の下流側であって内岸側へと作用して、川の流れが攪乱されていることがわかる。このように突出部によって川の流れが攪乱されることで、外岸側（突出部の背面側）の河床のせん断力が突出部の無いときよりも低下し、このせん断力低下領域に対して川幅方向に並ぶ内岸側の河床領域におけるせん断力が突出部の無いときよりもやや増加する。また、図８（ｃ）に示すように突出部が水面上に突出していない場合では、図８（ｂ）と比較して無次元掃流力の変化が小さいことがわかる。このように突出部の上端が中小出水時の水面よりも上方にあることで、突出部の上端部で発生する剥離渦と突出部の背後で発生する後流とによって川の流れが効果的に攪乱されることがわかる。これらより、中小出水時に発生する緩急並列流が解消されやすくなり、河床高の比高差が拡大するのが抑制され、二極化現象の発生が抑制されることが示される。
【００４１】
以上に述べたように、河川における二極化現象への対策方法により、突出部１０の上端を中小出水時の水面Ｗ（ここでは、水面Ｗ２）より上方に配置させ、突出部１０同士の間隔ｔ１を２５ｍ以上且つ５０ｍ以下に設定し、突出部１０の突出長ｔ２を１．２５ｍ以上且つ８ｍ以下となるように設定し、突出長ｔ２を間隔ｔ１で除した値ｔ３を、０．０５以上且つ０．２以下の範囲内とすることで、中小出水時に発生する緩急並列流が、突出部１０の上端部で発生する剥離渦と突出部１０の背後で発生する後流とによって攪乱され解消されやすくなって、二極化現象を抑制することができる。
【００４２】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、突出部は、法面２０ａの一部に直接固定して設けてもよい。この場合、突出部を構成する部位が、基礎工２２や根固工２３上に配置されていなくてもよい。また、中小出水時における水面Ｗの位置が決まっている場合、傾斜部１４は、法面２０ａに対して垂直な厚みが傾斜方向に沿って一定な部分を有していなくてもよい。また、本実施形態における突出部１０は、複数の直方体形状のブロック１２により構成されているが、護岸に直接的に形成された構造物により構成されていてもよいし、直方体形状以外の１以上のブロックにより構成された構造物により構成されていてもよい。また、突出部は、護岸が形成されていない外岸に複数形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  河川
２  湾曲部
３  外岸
１０  突出部
１４  傾斜部
２０  護岸
２０ａ  法面
Ｇ１  川の流れる方向
Ｇ２  川幅方向
ｔ１  突出部同士の間隔
ｔ２  突出部の突出長
ｔ３  突出長を間隔で除した値
Ｗ  水面
【図１】
2020180543.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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