自然災害科学 J. JSNDS 39 -4 423 -437（2021 ）

橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究
岡本 隆明1・染谷 智紘1・松本 知将1・山上 路生1・田中 健太1

EXPERIMENTAL STUDY ON SINK MOTION OF
DRIFTWOOD AND CRITICAL CONDITION FOR
DRIFTWOOD BLOCKING
Taka-aki OKAMOTO1, Tomohiro SOMEYA1, Kazumasa MATSUMOTO1,
Michio SANJOU1 and Kenta TANAKA1
Abstract
At the time of heavy rain, driftwood accumulates at river infrastructures and blocks a river.
Driftwood accumulation results in an increase of backwater. It is well known that driftwood
sinks under the water surface and the entire depth region is blocked. However, there is almost
no detailed information about the porosity of wood jam and the mechanism that driftwood
sinks under the water surface. In this study, two kinds of ﬂume experiments were performed.
First, driftwood accumulation experiments at a two-pier bridge were conducted. We examinedthe eﬀect of the approach ﬂow velocity, approach ﬂow depth and speciﬁc density of driftwoodon the porosity of wood jam. Then, we conducted PIV measurement to examine the effectof the downward ﬂow on the driftwood accumulation. The experimental results revealed thecritical condition for driftwood blocking.
キーワード：流木閉塞時の遮蔽率，流木沈下過程，全面閉塞の限界条件，修正リチャードソン数，表面流
況，PIVKey words:

Porosity of driftwood blocking, driftwood sink motion, critical condition for blocking whole depth
region, modiﬁed Richardson number, surface velocity, PIV

1 ．はじめに

1

川災害がしばしば報告されている。大量の流木

近年，豪雨時の山地斜面での流木流出に伴う河が河川に流出すると橋梁部で河道が閉塞し，広京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻
Department of Civil and Earth Resources Engineering,
Kyoto University

本論文に対する討議は 2021 年 8 月末日まで受け付ける。

423

424

岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

範囲の氾濫（図 1 ，平成29年九州北部豪雨，橋本

ソン数を定義し，捕捉時の流木沈下率との関係

ら（2018））や迂回流による周辺の家屋流失が生じを導出した。木村（2019）は流木径を長さスケーる。さらに，氾濫原に流入した流木が家屋被害をルとする修正流木リチャードソン数を支配パラ

より拡大させており，その対策が急務となっていメータとして新たに提案した。赤堀（2018）はフる（山本ら（2017），守屋ら（2018），矢野ら（2018））。

ルード数が大きいと橋脚前面で流木が沈下し堰上流木対策のためには流木の流出，流動，集積など

げ水深効果が大きくなることを示した。流木の浮のプロセスに分けて研究する必要があり，多くの力と重力の差と抗力が生じさせるモーメントを用既往研究により貴重な知見が得られている。

いて流木沈下現象が起きる接触角を示した。著者

流木の流動・集積に関する研究としては清水・ら（2018）は橋梁部での流木集積によるせき上げ

長田（2007）は流木が棒状である場合と枝付形状

水深を計測し，既知の遮蔽率のポーラス板によるとした場合での橋脚部での集積率の違いを数値実水深と比較することで橋梁部での河道閉塞率を定験から検証した。枝付き流木では最大値で集積率量的に評価した。また越流した迂回氾濫流を鉛直0.8にも達し，枝なし流木の 4 倍程度となること

PIV 計測し，左岸と右岸の高低差の影響を明らかを示した。

にした。さらに抗力計測により家屋流出被害につShrestha ら（2012）は氾濫流のオイラー的解析

いて調べた。

法，流木のラグランジェ追跡法を組み合わせた数

このように流木に関する研究は多くみられる。

値解析を行い，氾濫流による流木群の流動・拡散

しかしながら，水より比重の小さい流木が浮力に過程，スリットダムでの流木捕捉が良好に再現で逆らって水面から底面に向かって沈下するメカニ

きることを示した。

ズムや全面閉塞する限界条件については未解明点

中谷ら（2017）は流木長と流下時の流木濃度をが多い。著者らの既往研究（2018）では流速は変系統変化させて，橋梁部で流木集積が発生する限化させているが，初期水深・流木の比重を一定と界条件について調べた。山上・岡本（2016）は流しており，底面から水面までの領域が流木により木の重心位置の影響について調べ，流木の重心が全面閉塞する限界条件は評価できていない。流木

偏心しているケースでは橋梁前面で縦向きに捕捉

沈下には橋梁前面の下降流の影響が大きいと考えされ，河道閉塞率が上昇することを指摘した。

られるが，これまで流木沈下する瞬間の流木の挙

木村・北園（2017）は流れの三次元性が流木挙動に及ぼす影響について調べた。流木リチャード

動と周辺の流れ場を計測し，流木沈下メカニズムについて考察した例はあまりみられない。

図 1 （a）都市域の河川での流木集積（2014年福知山市弘法川），（b）橋梁での流木による全面閉塞（2017年福岡県大肥川，橋本ら（2018））

425

自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）そこで本研究では流木集積実験を行い，橋梁前

流木模型として木製円柱（直径 d＝6.0 mm，長面での流木塊の形成過程を水路側方・上方の 2 台

さ l＝0.12 m，山上・岡本（2016），著者ら（2018））のビデオカメラで観察し，せき上げ水深と同時計を用いた。針葉樹は比重が 1 よりも小さいとされ測することで流木沈下過程と河道閉塞率の時間変ているため比重は 1 よりも小さく設定している化について調べた。また流木の比重，平均流速，（比重0.7，0.81）。

初期水深を変化させて流木沈下して全面閉塞する

流木捕捉実験では橋梁模型から 2 m 上流から限界条件と支配パラメータを明らかにした。次に水路中央に10本ずつまとめて同時に投入した。着流木沈下に与える周辺の流れ場の影響について考

水時の給木方向はランダムとなる。毎回捕捉され察するために，PIV 計測した。

た流木を除去した後，次の流木を投入している。
これを40回繰り返し行い（Shalko ら（2017）），橋2 ．実験装置と実験方法
2. 1 流木捕捉実験と流木集積実験による河道閉塞率の評価
本研究では，橋梁での捕捉率を評価する流木捕模型の前面での捕捉率を調べた。毎回投入した流
木本数10本に対する捕捉本数を流木が捕捉されていない状態（初期）の橋脚での流木捕捉率 Pb,i と定義する。

捉実験と河道閉塞率を評価する流木集積実験を

流木集積実験でも10本ずつ流木を投入している行った。実験には長さ10 m，幅0.4 m，高さ0.5 mが，捕捉された流木は除去せず投入を繰り返した。

の可変勾配水路を用いた。x, y および z はそれぞ供給した流木量は各ケース計300本とした。

れ流下方向，鉛直方向および横断方向である。x

流木塊の形成過程について調べるために，水路＝ 0 は河道閉塞部（橋梁の上流端位置に対応）の上方と側方にそれぞれビデオカメラを設置し，水流下方向位置，鉛直方向原点 y＝ 0 は水路底面，面付近での流木塊の流下方向長さ Lx1，底面側で横断方向原点 z＝ 0 は右岸側の水路壁とした。U,の流木塊の流下方向長さ Lx2，鉛直方向長さ Ly のV および W は各方向における時間平均流速を示す。

時間変化を計測した。流木集積時のせき上げ水深
H の時間変化も計測している。水深の計測位置

図 2 のように水路側方から橋梁前面に形成されは橋梁部の20 cm 上流側の点である。流木集積実る流木塊を観察できるようにするために氾濫原模験では橋梁での流木捕捉率を毎回投入した流木本型（塩ビ製）を左岸側に設置した。低水路幅は Bm

数10本に対して捕捉された流木の本数として算出＝0.2 m，氾濫原幅は Bf＝0.2 m である。氾濫原高し，流木捕捉率の時間変化 P（n）を調べた。各ケーbd

さは D＝0.1 m で流下方向に一様とした。

スについて 6 回実験を行った。

橋梁模型（1/80スケール）は水路上流端から4.0

また図 2 （c） のように流木捕捉時の橋梁部でのm の位置に設置した。本研究では流れに対して

河道閉塞率について調べるために，流木除去後に横向きに捕捉された流木がどのように沈下するの

橋模型の前面に既知の遮蔽面積のアルミ製ポーラ

かについて調べるために， 2 本橋脚を有している

ス板（0.2 m×0.15 m，パンチ径3.0 mm で穴の配橋梁模型を用いた。橋長0.2 m，幅員0.05 m，床置は均等，著者ら（2018））を設置して橋模型の上板厚0.01 m で，高さ0.09 m，幅0.01 m の橋脚部

流側の水深 Hp を計測した。流木閉塞時のせき上を有しており，橋脚間距離は0.06 m である。橋げ水深の最終値 Hmax と比較することで河道閉塞

模型の上部には欄干部として高さ0.03 cm，幅0.2

率 Ab/A を評価した。ここで Ab は閉塞面積である。

m，厚さ 2 mm のメッシュ（メッシュサイズ 2 ×2

本研究ではアルミ板の空いている穴の大きさや個mm）板を取り付けている。また流木が捕捉され数を変えることで，河道閉塞率 Ab/A を変化させていない状態での河道全体の断面積 A（＝Bm×D）ている。

に対する橋模型の投影面積の割合は Ab/A＝0.19
である。

426

岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

図2

2. 2

橋梁での流木集積実験（a）流木塊の形成過程の計測，（b）橋梁模型，（c）
流木によるせき上げ水深と河道閉塞率の評価

流木閉塞時の橋脚前面の流れの流速計測

速度カメラ（1024×1024pixel）で撮影した。外部

流木集積過程への下降流の影響について調べる

トリガからのダブルパルス信号を用いてフレームために図 3 のように PIV 法による流速計測を行っレート500Hz，サンプリングレート30Hz で60秒た。流木集積時には水面は流木塊で覆われるため間撮影した。撮影領域のサイズは20 cm ×20 cm

水路上方からレーザー光を照射することは不可能領域である。

なので，水路下方から3.0W のアルゴンイオンレー

流木集積の初期過程では橋脚前面で発生する

ザー（LLS）を照射した。水路側方に設置した高下降流の影響が大きいと考えられるため，まず

427

自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）

図 3 （a）流木集積時の橋脚前面の鉛直 PIV 計測，（b）流木捕捉前後の鉛直 PIV 計測図 3 （b） のように流木が捕捉されていない状態（nd

2. 3

実験条件

＝ 0 ）で橋脚の上流側の流速を鉛直面 PIV 計測し表 1 に流木捕捉実験，流木集積実験の実験条件た。横断方向の LLS 照射位置は橋脚間の中心ラを示す。流木沈下の支配パラメータを明らかにすイン z/Bm＝0.5，橋脚前面の中心ライン z/Bm＝0.67

るために，水路勾配を調整して初期水深を Hm＝とした。

0.07，0.085 m，断面平均流速 Um を0.14-0.43 m/s

次に流木模型を 1 本投入し，橋脚で横向きに捕（実河川流速1.25-3.84 m/s に対応）に変化させた。

捉された状態（nd＝ 1 ）で PIV 計測し，流木捕捉

また流木の比重も0.7，0.81に変化させている。流による表面流況の変化を調べた。さらに流木模型

木集積実験の終了後，流木を除去し各ケースにつを 1 本投入し，投入された流木と前に捕捉されていて既知の遮蔽率のポーラス板の水深と比較し，いる流木の中心位置を追跡した。PIV 法によって河道閉塞率 Ab/A を評価している。

流木捕捉時の周辺の瞬間流速も計測することで，流木集積時の鉛直面 PIV 計測については流木

表面流況が流木の沈下メカニズムに与える影響に

集積前の初期水深，流速は Hm＝0.07 m，Um＝0.36

ついて調べた。

m/s とした。流木集積の初期過程について考察

また流木集積が進んでいくと水面付近で流木塊するために流木が 0 本， 1 本捕捉された状態で橋が上流側に成長し，流木が流木塊の下に潜り込む

脚前面の流速を PIV 計測した。また多数捕捉さのも観察された。流れてきた流木が流木塊の下れた状態での流木集積過程について調べるために潜り込み始めたとき（nd＝210），水路下方からに，流木210本投入時の流木塊近傍の流速を PIV

LLS を照射し，流木塊の周辺の流速を PIV 計測

計測した。

した。

428

岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

表1
Um(m/s)
0.14
0.18
0.21
0.25
0.29
0.36
0.43
0.14
0.18
0.21
0.25
0.29
0.36
0.43
0.14
0.18
0.21
0.25
0.29
0.36
0.43

実験条件

Hm(m)

D(m)

l(m)

d(m)

l/d

ρd

BR(m)

0.07

0.10

0.12

0.006

20

0.70

0.06

0.07

0.10

0.12

0.006

20

0.81

0.06

0.085

0.10

0.12

0.006

20

0.81

0.06

Fr
0.17
0.22
0.26
0.30
0.34
0.43
0.52
0.17
0.22
0.26
0.30
0.34
0.43
0.52
0.16
0.19
0.23
0.27
0.31
0.39
0.47

3 ．実験結果と考察
3. 1

流木塊の形成過程と河道閉塞率の変化

本節ではまず，橋梁での流木捕捉率に注目する。
図 4 に橋梁での初期の流木捕捉率 Pb,i の変化を示す。ここで用いた流木の比重は0.81である。流速が大きなケースほど橋梁での流木捕捉率が小さくなっている。流速が小さいケースでは流木の一部が橋脚に接触したときでも捕捉される。これに対し，流速が大きいケースでは流木が橋脚にぶつかったときに流木が流れによって回転して，下流側に流出してしまうためである。
初期水深 Hm の違う 2 ケースで比較したが，水深の流木捕捉率への影響はほとんどみられない。
Shalko（2017）は橋梁での流木捕捉率は水深の影響が少ないためフルード数で整理することは困難

図4

橋梁での初期の流木捕捉率（初期水深，
断面平均流速の影響）であるとし，断面平均流速で整理している。
次に，流木塊の形成過程と沈下メカニズムにつが一度捕捉されると，流木捕捉率は急激に上昇しいて考察する。図 5 に流木集積時の橋梁での流木

後続のほとんどの流木が捕捉されるようになる。

捕捉率 Pb の累計流木投入本数 nd による変化を示

このケースでは60本投入すると（nd＝60），投入

す。流木投入前の初期水深は Hm/D＝0.7，断面平した全ての流木が捕捉され，流木塊が形成される

均流速 Um＝0.36 m/s である。

ようになった。

流木が捕捉されていない状態（初期）の橋脚で

図 6 に橋梁前面での流木塊の形成過程のスナッの流木捕捉率は図 4 から Pb＝0.43であるが，流木

プショットを示す。図 7 （a） に流木集積時のせき429

自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）ており，先に橋脚で捕捉された流木が浮力に逆らって水面から底面に向かって沈下するのが観察された（流木の沈下メカニズム（ 1 ））。流木が沈下すると流木塊による遮蔽面積が大きくなって，せき上げ水深が増加している。40本を超えると（nd＝40）流木塊の鉛直方向長さ Ly と水深 H が一致しており（Ly＝H），これは水面から底面まで流木で閉塞していることを示している。
流木が底面まで沈下してもせき上げ水深は増加
し続けており，注目される。これは先に捕捉された流木が沈下して底面に到達すると，水面付近で
図5

流木捕捉率の流木投入本数による変化

流木塊が上流側に成長する。後続の流木の中には
水表面の流木塊の下に潜りこみ橋脚前に集積するものがみられ，この流木の沈下メカニズム（ 2 ）によって底面側の流木塊の厚みが増して，流木塊の空隙を小さくするためと推測される。60本を超えると（nd＝60），底面側の流木塊の厚さ Lx2 が急激に増加している。投入本数200本を超えると（nd＝200）せき上げ水深の増加は緩やかになり，せき上げ水深は一定値に達したと考えられる。
図 8 （a） に 流 木 塊 の 流 下 方 向 長 さ の 最 終 値
Lx1max を比較した。流木の比重は0.81である。流速が小さいケースほど，流木塊の流下方向長さが大きい。これは流速が小さいと流木が沈下せず，上流側に流木塊が成長していくためである。
図 8 （b） に流木によるせき上げ水深の最終値
Hmax と流木塊の鉛直方向長さの最終値 Lymax を比較した。流速が大きいほど流木塊の鉛直方向長さ

図6橋梁での流木塊の形成過程

が大きくなっている。これは流速が大きくなると，流木が沈下するためである。流速が Um＝0.21 m/s

上げ水深 H と流木塊の下端高さ yd,min の変化を示

を 超 え る と 流 木 塊 の 鉛 直 方 向 長 さ Lymax と 水 深す。流木投入前の初期水深は Hm/D＝0.7，断面平Hmax が一致し，これは水面から底面まで流木で閉

均流速 Um＝0.36 m/s である。流木の比重は0.81

塞したことを示している。

である。流木塊の上端位置は水面と一致するので，

Um＞0.21 m/s で Lymax が増加しているのはせき

堰上げ水深 H と流木塊の下端高さ yd,min の差は流上げ水深が大きくなっているためである。初期水

木塊の鉛直高さ L（＝H－y）となる。横軸はyd,min

深 Hm が変化しても流木沈下が起きる限界流速は投入した流木本数 nd である。氾濫原高さ D で無次元化している。図 7 （b） に水面での流木塊の流下方向長 Lx1 と底面での流木塊の流木塊の流下方
向長 Lx2 の変化を示す。
流木集積の初期過程では鉛直高さ Ly が増加し

Umc＝0.21 m/s であり，水深に依存せず表面流速によって決まることがわかった。
図 9 に流木集積による河道閉塞率 Ab/A を示す。
河道閉塞率はせき上げ水深の最終値 Hmax と既知の遮蔽率のポーラス板の水深 Hp と比較すること

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岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

図 7 （a）流木集積によるせき上げ水深と流木塊の鉛直高さの変化，（b）水面付近と底面側の流木塊の流下方向長の変化で評価している。流速が小さいケースでは流木がを0.7，0.81に変化させている。図10（a） に水面付沈下していないので河道閉塞率は小さい。流速が近の流木塊の流下方向長さの最終値 Lx1max を比較

小さいケースでは流木が水面付近にのみ堆積するした。図10（b） に流木によるせき上げ水深の最終ため，水深が大きいケースほど河道閉塞率が小さ

値 Hmax と流木塊の鉛直方向長さの最終値 Lymax をくなっている。流木が沈下して底面まで流木閉塞比較した。

すると，河道閉塞率は60％以上になる。流速をさ

流速が大きいケースほど流木塊の流下方向長さ

らに大きくすると橋脚前に流木集積し，底面側でが小さくなっているが，流木の比重の影響はあまの流木塊の厚みが増すため河道閉塞率は70％に達りみられない。

した。流速が大きいケースでは，初期水深 Hm の河道閉塞率への影響はみられない。

流木比重が大きいケースの方がせき上げ水深が大きくなっている。これは流木比重が大きいほど沈下し流木による遮蔽面積が大きくなるためであ

3. 2

流木沈下の支配パラメータについてる。流木が沈下して水面から底面まで流木で閉塞

本研究では流木沈下の支配パラメータを明らかする限界条件は流木比重によって異なっており，にするために初期水深，流速に加えて流木の比重

比重0.81の流木では流速が Um＝0.21 m/s，比重0.7

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自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）

図 8 （a）水面付近の流木塊の流下方向長の最終値（初期水深の影響），（b）
せき上げ水深と流木塊の鉛直高さの最終値（初期水深の影響）の流木では流速が Um＝0.25 m/s を超えると流木塊の鉛直方向長さ Lymax と水深 Hmax が一致している。
図11に流木集積による河道閉塞率 Ab/A を示す。
横軸は断面平均流速である。流木比重が小さい
ケースでは流木が沈下して底面まで流木閉塞すると，河道閉塞率は56％以上になる。
流木沈下して底面まで閉塞されるケースよりさらに流速を大きくしても，流木比重による差がみられる。これは図 7 （a） で考察したように流木の沈下メカニズム②によって底面側の流木塊の厚みが増すためだと考えられる。
木村（2019）は流木沈下のパラメータとして浮図9流木による河道閉塞率の変化（初期水深の影響）

力と慣性力の比を表す修正リチャードソン数を提案した。木村の研究では流量一定として水深の影

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岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

図10 （a）水面付近の流木塊の流下方向長の最終値（流木比重の影響），（b）せき上げ水深と流木塊の鉛直高さの最終値（流木比重の影響）

響については考察しているが，流木比重，同一水

本研究の初期水深，流速，流木比重を系統変化さ

深下での断面平均流速は変化させていない。

せた結果から全面閉塞する限界条件を評価することができた。

(1)
3. 3		橋梁前面，流木塊下の下降流が流木の沈
d は流木の直径，Δ ρ は水と流木の密度差，u は流速。図12に流木集積による河道閉塞率 Ab/A を

下メカニズムに与える影響について
流木集積の初期過程での橋梁前面の下降流の影示す。横軸は修正リチャードソン数である。図 8

響について考察するために図13（a） に流木が捕捉（b），図10（b） で流木塊の鉛直方向長さ Lymax と水されていない状態の橋脚上流側の時間平均鉛直流

深 Hmax が一致するとき，修正リチャードソン数

速 V の鉛直面コンターを示す。流木投入前の初期

が Ri＝0.24-0.28となった。修正リチャードソン

水深は Hm/D＝0.7，断面平均流速 Um＝0.36 m/s

数が Ri＝0.24-0.28より小さくなると流木が底面である。

まで沈下し，河道閉塞率が急激に上昇している。

橋脚前の中心ライン（z/Bm＝0.67）では底面側

433

自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）

図11

流木による河道閉塞率の変化（流木比重
の影響）

図13

時間平均鉛直流速の鉛直面コンター（Hm/D＝0.7, Um＝0.36 m/s），（a）流木捕捉無し（nd＝ 0 ），橋脚
前面（z/Bm＝0.67）（b）流木捕捉無し（nd＝ 0 ），橋脚間中央（z/Bm＝0.5）（c）流木 1 本捕捉時（nd＝ 1 ），
橋脚前面（z/Bm＝0.67）

図12

流木閉塞率のリチャードソン数による変化

434

岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

で橋脚上流側で鉛直流速は負値をとっており，負流速が正値をとる領域はみられない。すなわち，値のピーク値は底面付近でみられる。水面付近は流木が捕捉されることで水表面の流れ場が変化し表面渦の影響で正値をとる。流木 1 本を投入してている。

捕捉されても流木は沈下せずに水面付近でとどま

図14に 1 本流木が捕捉された状態で 2 本目の流るのが観察された。これは水面付近の表面渦の影木を投入し，流木同士が衝突して沈下する瞬間の響だと考えられる。

流速ベクトルの時間変化を示す。図15に初期過程

図13（b） に橋脚間の中心ライン（z/Bm＝0.5）ででの流木沈下の模式図を示す。t＝0.0s で後続のも橋脚前面に比較して値は小さくなっているが，流木②が流木①に乗り上げ，流木②の下部で発生

鉛直流速は負値をとっている。流木が橋脚に捕捉する下降流によって先に捕捉された流木①が沈下されたときには，橋脚間の領域でも水面より下でしている。最終的に流木①と流木②は離れているは下向きに押し込む力が作用すると考えられる。

ため，後続の流木②が下に押し込むだけでなく橋

図13（c） に流木が 1 本捕捉された状態の橋脚

脚前面の下降流によって先に捕捉された流木①が上流側の時間平均鉛直流速 V のコンターを示す。

底面側に輸送されていると考えられる（流木の沈最初に捕捉された流木は沈下せずに水面付近でと下メカニズム（ 1 ））。流木投入本数を増やすと，どまるが，流木近傍では下降流が発生し，底面側先に捕捉された流木から沈下していき，橋脚前面

でも橋脚上流側で下降流が発生している。負値ので水面から底面まで閉塞される。

ピーク値は捕捉された流木近傍でみられる。鉛直

図14

図16に流木が捕捉されていない状態の橋脚の流木 2 本投入時の瞬間鉛直流速の鉛直面コンターの時間変化435

自然災害科学 J. JSNDS 39 -4（2021 ）図15

流木集積初期過程における流木沈下の模式図

図17
図16

橋脚前面における時間平均鉛直流速の鉛直プロット（流木捕捉無し（nd＝ 0 ），断面平均流速の影響）

橋脚前面における時間平均鉛直流速の鉛直面コンター（流木210本投入時，Hm/D＝0.7，Um＝0.36 m/s）

ことで底面側の流木塊の厚さが増加する（流木の上流側の鉛直流速の鉛直プロット V（y）を比較した。流木投入前の初期水深は Hm/D＝0.7である。
水面付近（y/D ＞0.6）では鉛直流速は正値をとり，沈下メカニズム（ 2 ））のがみられた。

4 ．結論

y/D＜0.5では鉛直流速は負で下降流が発生してい本研究では流木による河道閉塞を再現して水路る。鉛直流速の負値ピークは底面付近 y/D＝0.1

実験を行った。流木塊の形成過程をビデオカメラでみられる。断面平均流速が大きくなると，底面で観察し，流木沈下過程と河道閉塞率の時間変化

側で鉛直流速の負値は増加しているが，水面付近について調べた。また流木の比重，平均流速，初の正値も大きくなり流木 1 本だけ捕捉されたとき期水深を変化させて全面閉塞する限界条件と支配には流木は沈下しない。

パラメータを明らかにした。次に流木沈下に与え次に流木集積が進んだ過程での表面流況についる周辺の流れ場の影響について考察するために，て考察する。図17に流木210本投入時の流木塊近流木が捕捉された状態で橋脚前面の流れを PIV

傍の時間平均鉛直流速 V のコンターを示す。流

計測した。以下に総合的な考察も加え，結論とす

木投入前の初期水深は Hm/D＝0.7，断面平均流速る。

水面付近で流木塊が上流側に成長し，流木塊近傍

1 ）流速の大きなケースほど橋梁での流木捕捉率

では下降流が発生している。流木集積の初期過程が小さくなることがわかった。また初期水深のとは異なり，投入した流木が先に捕捉されている

流木捕捉率への影響はほとんどみられなかっ流木塊の下に下降流によって潜り込み，集積するた。

Um＝0.36 m/s である。流木集積が進んでいくと436

岡本・染谷・松本・山上・田中：橋梁部での流木沈下過程と全面閉塞の限界条件に関する実験的研究

2 ）流木集積の観察結果から 2 つのメカニズムに率が上昇することがわかった。

よって流木が水面から底面に向かって沈下する
ことがわかった。すなわち，流木集積の初期過謝辞

程では流木塊の鉛直高さ Ly が増加し，先に橋本研究は科学研究費補助金（若手，ゲリラ豪雨

脚で捕捉された流木が浮力に逆らって沈下する

時の流木閉塞による氾濫被害予測と科学的知見にのが観察された（流木の沈下メカニズム（ 1 ））。

基づく流木対策工法の提案，代表：岡本隆明）の流木が沈下すると流木塊による遮蔽面積が大き研究助成の下で行われた。ここに謝意を表する。

くなって，せき上げ水深が増加する。
3 ）水面から底面まで流木で閉塞してもせき上げ

参考文献

水深は増加し続けるのがみられた。水表面の流1 ）Nakatani, K., Hiura, M., Hasegawa, Y., Kosugi, K.
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木塊の下に潜りこみ橋脚前に流木が集積し（流木の沈下メカニズム（ 2 ）），底面側の流木塊の厚みが増して，流木塊の空隙を小さくするためだとわかった。
4 ）流速の大きなケースほど流木が沈下し，全面閉塞するのがみられた。底面まで流木閉塞すると，河道閉塞率は60％程度になった。流速をさらに大きくすると橋脚前に流木集積し，底面側での流木塊の厚みが増すため河道閉塞率は70％に達した。
5 ）流木が沈下して水面から底面まで流木で閉塞する限界条件は初期水深によって変化しないが，流木比重によって変化することがわかった。
6 ）初期水深，流速，流木比重を変化させた結果から全面閉塞の限界条件を評価した。修正リ
チャードソン数が Ri＝0.24-0.28より小さくな
ると流木が底面まで沈下し，河道閉塞率が急激に上昇することがわかった。
7 ）流木集積の初期過程では，PIV 計測結果から橋梁の上流側で水面付近は表面渦が発生し， 1
本目の流木が捕捉されても沈下せずに水面付近でとどまるのが観察された。後続の流木②が流れてくると，先に捕捉された流木①の上に乗り上げ，その後先に捕捉された流木①が下降流によって沈下するのがみられた。
8 ）PIV 計測結果から流木集積が進んでいくと水面付近で流木塊が上流側に成長し，流木塊近傍
では下降流が発生するのがみられた。流木集積の初期過程とは異なり，投入した流木が流木塊の下に下降流によって潜り込んで集積し，底面側の流木塊の厚さが増加することで，河道閉塞

1713., 20173 ）Shrestha, B., Nakagawa, H., Kawaike, K. Baba, Y.
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要

九州北部豪雨による流木災害の発生要因に関する分析，土木学会論文集 B1（水工学）Vol.74（5），pp. I_1063-I_1068，2018
13）山 本 晴 彦・ 山 崎 俊 成・ 坂 本 京 子・ 山 下 奈 央：
2017年 7 月 5 日に発生した九州北部における豪雨と災害の特徴自然災害科学 J.JSNDS，Vol.36（3），pp. 257-279，2017（投 稿 受 理：令和 2 年 3 月30日
訂正稿受理：令和 2 年 7 月 2 日）旨

本研究では橋梁での流木集積実験を行い，流木が浮力に逆らって沈下する過程と流木集積による河道閉塞率の時間変化について調べた。また流木の比重，平均流速，初期水深を変化させて，水面から底面まで流木で全面閉塞する限界条件と支配パラメータを明らかにした。次に流木沈下する瞬間の流木の挙動と周辺の流れ場を PIV 計測し，沈下メカニズムを調べた。