河川技術論文集，第23巻，2017年6月
河川技術論文集，第23巻，2017年6月

論文
論文

橋脚周辺の軟岩侵食対策の効果検証に関する水理模型実験による検討
VERIFICATION OF COUNTERMEASURES FOR BEDROCK EROSION
AROUND PIER BY HYDRAULIC FLUME EXPERIMENT

加藤 一夫1・柿沼 孝治2・山口 昌志3・井上 卓也4・清家 拓哉5・サムナー 圭希1
Kazuo KATO, Kouji KAKINUMA, Masashi YAMAGUCHI, Takuya INOUE, Takuya SEIKE andTamaki SUMNER
1正会員
2正会員

工博

株式会社

北海道開発局

3非会員

北海道開発局

4正会員

工博

5正会員

水工リサーチ（〒062-0933 札幌市豊平区平岸3条3丁目2-7）

旭川開発建設部旭川開発建設部寒地土木研究所
一般財団法人

旭川河川事務所（〒079-8411 旭川市永山1条21丁目3-21）

旭川河川事務所（〒079-8411旭川市永山1条21丁目3-21）

寒地河川チーム（〒062-8602 札幌市豊平区平岸1条3丁目1-34）

北海道河川財団（〒060-0807 札幌市北区北7条西4丁目5-1）

In many rivers throughout the country, sediment has been flashed away due to proceed of river bed
degradation and local scouring on bedrock causes damage the decrease of stability, deformation androlling at the river structures. It was reported that the lack of safety by erosion around pier foundations inIshikari river and Tama river. Besides, the bridges were declined by local scouring around pier foundationin Totsuta river and Shikaribetsu river. In this study, we conducted the flume experiments to clarify thelocal erosion phenomena around the piers and to understand the effect of countermeasures for preventive
maintenance. The results suggested that the bedrock erosion mechanism is different from the erosion
mechanism of alluvial bed. Furthermore, the results demonstrated a suitable countermeasure method forsuppressing bedrock erosion around pier.
Key Words : bedrock erosion countermeasure, local scouring around pier, damage of river
structure, net, hydraulic flume experiment

特に軟岩河床は，流砂の衝突による侵食（磨耗）に対して脆弱であり，その侵食速度は驚くほど速く，一旦侵食すると元の形状に復元されることはない6）．
河川における様々な構造物周辺では，洪水時に急激な
図-1には，橋脚周辺の軟岩が侵食したことにより橋脚流れの変化が発生し局所洗掘をもたらす．河道内に設置基礎が露出した事例，図-2～図-4には平成28年8月北海される橋脚は，河床低下やその周辺の砂礫の洗掘によっ
道豪雨災害における構造物周辺の被災事例を示す．て変形，転倒などの被害がもたらされている例が少なく
砂礫河川においては，橋脚周辺の局所洗掘に関して多ない例えば1),2),3)．橋梁被害の特徴を分類すると，設計時にくの研究がなされており，洗掘機構についてはかなり明想定した外力を大きく超えた超過外力によるもの，橋脚らかになっている7),8)など．また多くの河川構造物の構造や橋梁に集積した大量の流木が要因となる河積阻害によ
令や設計基準2),9)などは，砂礫河川を前提としている．しるもの，出水時に橋脚の沈下や傾斜等を促す河床洗掘にかしながら，軟岩床上に存在する橋脚周辺の侵食機構はよるものがある1)．また，大規模な流路変動や河岸浸食把握されておらず，侵食を抑制するための対策の基準も
3)定まっていない．
による橋梁の被災事例も多く報告 されている．
本研究では，橋脚周辺の軟岩床の侵食機構解明に着目
近年，全国の多くの河川は，河床低下の進行に伴い河し，この局所侵食現象を水理模型実験により明らかにす
床砂礫が流失し，露出した軟岩層（土丹層）の局所侵食るとともに，根固めブロックなど3種の工法による侵食が，河川構造物の安全性の低下，変形，転倒などの被害をもたらし河道管理上の大きな問題となっている4),5),6)． 対策工の効果を検討することを目的とする．

１．はじめに- 483
485 -実 験
ケース
01
23

もともとの河床表-1 水理模型実験の条件
初期流量
水深対策工
（ℓ/s）
（cm）
11.44.6
無対策11.44.6
根固めブロック
11.44.6
袋型根固め11.44.6ネット

水路
勾配
1/250
1/250
1/250
1/250

図-1 石狩川上流秋月橋の橋脚基礎の露出による安全性低下10）

落橋

橋脚基礎の沈下図-5 実験で使用する橋脚模型の形状

２．実験方法図-2 2016年8月北海道豪雨災害における戸蔦別川戸蔦大橋の橋梁の被災状況

橋脚基礎の沈下

図-3 2016年8月北海道豪雨災害における然別川
風雲橋の橋梁の被災状況

河岸浸食
護床工の崩壊図-4 2016年8月北海道豪雨災害における然別川
万年頭首工下流の被災状況(1) 実験条件
実験水路は，寒地土木研究所にある可傾斜水路で水路幅0.5m，水路長20mの直線水路である．実験条件を表-1に示す．実験条件は，現在河床低下対策10）を検討している石狩川上流（KP159～KP165）の縮尺50分の1で設定しており，流量は平成23年9月洪水流量に相当する
11.4ℓ/s，等流水深は4.6cm，水路勾配は1/250で水理実験の通水時間は各ケース8時間である．
水路長20mのうち上流から12mから17mまでの5m区間の水路床は，厚さ10cmの軟岩を模したモルタル（以後軟岩モルタルと呼ぶ）で製作し，その配合は1：150：24.8（白セメント：6号硅砂：水）である．このモルタ
ル床は，現地軟岩（石狩川上流）と同等の侵食速度10）になるように設定しており，流水のせん断力のみでは侵食せず，主に流砂の衝突によって侵食する強度になっている．軟岩ペネトロ計（丸東製作所SH-70）で軟岩モルタ
ルの強度を計測し一軸圧縮強度に換算すると0.04～0.21MPaの値を示した．
図-5に示す形状の橋脚模型を水路中央に1基設置する．
橋脚模型は，石狩川上流のKP160.1に設置している秋月橋（図-1参照）をモデルとする．この橋脚は，細長い楕円形状で流水の乱れを極力小さくできる構造となっている．なお本実験の橋脚による河積阻害率は6％である．
土砂供給は，平均粒径1.1mmの硅砂を人力でばらつきがないように投入し，給砂量は2.92ℓ/10分（空隙率は0.4として算出）である．この給砂量は，芦田・道上8）の掃流砂量式から算出した砂礫床上で流しうる最大流砂量の30％である．水路床は，各ケース終了後に取壊し，毎回平坦な水路床を新設する．

- 484
486 -ケース１（根固めブロック）

ケース２（袋型根固め）

ケース３（ネット）

500mm

230mm
図-6 橋脚周辺の対策工設置後の状況（橋脚前面を望む）(2) 軟岩侵食対策工
対象とする対策工は，実河川で多用されている①根固めブロック，②袋型根固め，及び緊急対策工法として提案11),12)している③ネットの3種類の工法を選定した．対策工模型は，橋脚周辺の縦500mm×横230mmの範囲の軟岩モルタル上に設置する（図-6）．これら3種の対策工模型は、それぞれ材質の異なる材料を加工して現地の50分の1スケールで製作する．なお無対策（ケース0）の実験では，橋脚模型のみ設置して実験を行う．
a）ケース1（根固めブロック）
根固めブロック模型は，現地で採用されている3tタイプのブロック13）を選定し，模型の型枠をシリコン樹脂で製作した．その型枠にセメントミルクを流し込み，ブロック同士を連結できるように針金を埋め込んだ．模型のサイズは，縦33mm，横33mm，高さ15mmである．
b）ケース2（袋型根固め）
袋型根固め模型は，現地の3tタイプ14）と同程度の形状になるようにポリエステル製の洗濯ネットを加工して製作した．中詰め材は、3～7mmの礫を使用した．模型のサイズは，縦48mm，横48mm，高さ11mmである．
c）ケース3（ネット）
ネットの模型には，現地試験11),12)で用いられている高密度ポリエチレン製のネット（前田工繊株式会社のセルデム）のほぼ50分の1のサイズに相当するトリカルネット（タキロン株式会社）を使用し，流失防止下地材として底面に延伸ネットを接着剤で貼り付けた．また軟岩河床面にピンを差し込んでネットを固定した．ネットの網目のサイズは，縦10mm，横10mm，高さ2mmである．

図-7 ケース0（無対策）の実験中に橋脚前面から撮影した斜め写真（黒：軟岩モルタル，白：硅砂）

水中の岩盤の侵食および砂礫の被覆状況は，上方から一眼レフデジタルカメラを用いて，5mの計測区間を1時間ごとに記録する．また，通水前、通水後及び砂礫撤去後の状況も同様に記録する．軟岩モルタルの強度は，軟岩ペネトロ計を用いて，実験開始前および実験終了後にモルタルを打設した供試体の針貫入試験を行う．

３．結果と考察(1) 橋脚周辺の局所侵食現象
図-7はケース0（無対策）の実験中に橋脚前面から撮影した斜め写真である．これによると，①実験開始当初
から橋脚前面で左右に分かれる流れと，橋脚直下流の回転渦（馬蹄形渦）によって流砂が押し戻される．これに(3) 計測方法
より橋脚直近には流砂がほとんど寄ってこないため軟岩砂礫の堆積厚と軟岩の侵食深は，自走式レーザー砂面は侵食しない．②実験開始から1時間後には，橋脚側面計を用いて，実験の開始前，終了後及び砂礫撤去後に，の左右に分かれる流れに運ばれる流砂によって橋脚右岸5mの計測区間を縦断方向0.2m以下の間隔で計測を行う． 側に筋状の侵食が確認できる．③その後，橋脚より少しなお，砂礫と対策工撤去後に岩盤侵食形状を把握するた
離れた上流部まで筋状侵食が拡大している．④時間の経めにハンディスキャナーで河床の3D計測を行う．
過に伴い砂礫で被覆される範囲が拡大してくる．しかし通水中の水位と河床高は，ポイントゲージを用いて，橋脚周辺では砂礫を押し戻そうとする回転渦によって絶5mの計測区間を縦断方向に1m間隔，水路センターを1時えず岩盤が露出した状態になっている．砂礫による被覆間ごとに計測する．なお，橋脚が有る地点は，右岸側壁箇所と露岩箇所の境界付近を砂礫が多く通過するため他から12cm離れた地点で水位と河床高の計測を行う．通の箇所より深く侵食される．

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(a)軟岩床の場合(b)砂礫床の場合

図-8 橋脚周辺の洗掘形状と流れのイメージ(a)は橋脚前面，(b)は橋脚背面，(c)は上方から撮影した写(a)は橋脚前面，(b)は橋脚背面，(c)は上方から撮影した写真，

真，(d)は岩盤侵食深コンター図，赤丸は最大侵食箇所．

(d)は岩盤侵食深コンター図，赤丸は最大侵食箇所．

図-9 ケース0（無対策）の実験終了後の岩盤侵食地形と岩盤侵食深コンター図（実験終了後に砂礫を撤去）

図-10 実験終了後の岩盤侵食地形と岩盤侵食深コン

図-8(a)に示すように橋脚前面の複雑な流況と，橋脚側面の左右に分かれる流れによって運ばれる流砂によって実験終了後には，図-9(d)の破線で示すような8の字に似た流線型の侵食孔が表れた．これは一般的な砂礫床における橋脚周辺の局所洗掘と異なる結果である．
砂礫床の場合，橋脚前面での下降流は，河床に衝突し河床砂礫を巻き上げる回転渦を生じ，この渦によって巻き上げられた土砂は，橋脚の左右に分かれる流れにのって橋脚後方に運ばれ，掃流力の低下する橋脚下流部では堆積し，図-8(b)に示すような洗掘孔になる2),7),15)．

すなわち，砂礫床の場合には橋脚前面の下降流で足元の土砂を巻き上げ，その周辺だけが洗掘するのに対して，岩盤床の場合には橋脚前面の下降流のみでは侵食せずに，橋脚直下流の回転渦（馬蹄形渦）によって流砂が押し戻され，左右に分かれる流れと側面の流れに沿って砂礫が移動するため橋脚から少し離れた箇所が侵食することになる．
したがって，軟岩河川における橋脚周辺の侵食対策は，橋脚周辺の侵食孔を網羅する範囲を含めた検討が必要になると考えられる．

ター図（実験終了後に砂礫と対策工を撤去）

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(3) 橋脚周辺の水理現象
流れの中に橋脚が存在すると，流下断面積が減少し，縮流の現象が生じる．このため橋脚の上流側は水位の上昇による堰上げ背水，下流側は低下背水となるほか，橋脚の上流側では流れの阻害によって局所的な水位の上昇が見られる．図-11は，通水8時間後の水位と河床高の縦断図である（計測地点は，2.(3)計測方法を参照）．これによると無対策（ケース0）は，橋脚周辺（縦断距離3m地点）で水位上昇が確認できる．一方，対策工を設置した3ケースでは，橋脚周辺の水位上昇が見られない．
これは対策工の凹凸のある形状によって橋脚周辺の粗度係数が大きくなり，橋脚に衝突していた主流が分散されたことで周辺の水位上昇を抑制したものと推測される．
そのことを確認するために，実験中の水位と河床高の測定結果からマニングの粗度係数nmを求めた（図-12)．
マニングの粗度係数は0.0132～0.0190の範囲にあり，

case0（無対策）

case1（根固めブロック）case2（袋型根固め）

0.12

比高(m)

case3（ネット）

橋脚0.10水位

0.080.06
河床0.04
初期河床0.02
0.00
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

縦断距離(m)

図-11 通水8時間後の水位と河床高の縦断形の比較

マニングの粗度係数

0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
case0
（無対策）

case1（根固めブロック）case2（袋型根固め）

case3（ネット）図-12 実験中のマニングの粗度係数の比較
0‐400

侵食量(cm3）(2) 対策工周辺の侵食形状の特性対策工がない場合の侵食形状を図-9に示す．橋脚を中心にその周辺で侵食しており，侵食範囲は縦断方向約350mm，横断方向約180mmであった．そこでこの範囲を網羅する縦500m，横230mmの範囲に対策工を設置し（図-6），各ケース同じ条件で実験を行った．
その結果，いずれの対策も橋脚周辺の軟岩は保護され侵食は抑制された．しかし対策工の端部に流砂が集中する場合には局所侵食が生じた（図-10）．
各ケースの対策工周辺の侵食状況を以下に示す．
a）ケース１（根固めブロック）
対策工前面及び側面に流砂が集中するため，ブロック周辺が侵食された．実験中には，対策工の前面端部のブロックの下側に潜り込み渦を巻きながら流下する砂礫が確認されており，これによってオーバーハング状の侵食地形が現れた．この地点の侵食深は47.5mmで各ケースの中で最大であった．
b）ケース2（袋型根固め）
根固めブロックと同様な侵食の傾向を示し，袋型根固め周辺が侵食された．しかし，ケース1で顕著な侵食が見られた対策前面端部は，上流から流れてくる流砂によって侵食するが，流砂は袋型根固めの中詰め材の間隙を縫って流れるため、対策工付近の砂礫移動速度はブロックを設置した時と比べて遅くなることから侵食深は大きくならなかった．最大侵食は対策工から少し離れた下流右岸側に見られ，侵食深は44.5mmであった．
c）ケース3（ネット）
ネットは施工高が他の対策に比べて2mmと低く（根固めブロックの施工高は15mm，袋型根固めは11mm），流砂の流れが阻害されることなく，ネット上を硅砂が流下するため対策工との境界の流砂の集中度合いは上記2ケースに比べて少ない．このため，最大侵食深は20.1mmと前述の2つの対策に比べて50％以上減少した．

‐800
case0（無対策）
case1（根固めブロック）case2（袋型根固め）
case3（ネット）‐1200橋脚
‐1600
2.5

2.7

2.9

3.1

3.3

3.5

縦断距離（ｍ）

図-13 橋脚周辺の岩盤侵食量の比較

対策工の施工高が高くなるほど粗度係数が大きくなることが確認できた．ケース3は、対策工の高さが2mm，最大侵食深が20.1mmと全ケースで最も小さく，且つ岩盤床の凹凸が少ないため粗度係数は0.0132と最小であった．
Manning-Strickler16）によるとマニングの粗度係数は，相対粗度高さksと関連付けることができる．すなわち，対策工の施工高を相対粗度高さksとすると，施工高が高いほどマニングの粗度係数は大きくなることを意味しており，実験結果からもこのことが示された．
(4) 橋脚周辺の軟岩侵食抑制効果
対策工による侵食抑制効果を確認するためにレーザー砂面計の計測結果から実験後の岩盤侵食量を算出し図13に示す．なお，対策工で覆った範囲が侵食しないことも抑制効果であると考え，対策工設置箇所の岩盤高を含めて侵食量を算出した．これによると，いずれのケースも下流ほど侵食量が多く，特に根固めブロックと袋型根固めの橋脚直下流での侵食量が多いことが分かった．
ネットは，侵食量，侵食深ともに各ケースの中で最も少ない結果が得られ，軟岩侵食を抑制できる工法であることが分かった．これは，ネットの施工高が砂礫の最大粒径程度（2mm）であることから，砂礫の流下を対策工

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489 -

が阻害せずに流すことができる．このため，他のケースと比較して流砂が集中することなく流下するため侵食量が少なくなったものと推測される．また侵食量は，無対策と比べても少なくなることが確認できた．

４．まとめ
本研究では，橋脚周辺の軟岩床の侵食メカニズムと，根固めブロックなど3種類の侵食対策工の効果を水理模型実験により明らかにした．なお，本論文には掲載していないが，平均粒径7mmの礫を橋脚周辺に敷き詰めた実験も行ったが，橋脚周辺の複雑な流れ場により，礫が流出してしまい，対策工としての効果を発揮しなかった．
本研究で得られた知見を以下に列記する．

図-14 実河川におけるネットの設置例
参考文献（1）橋脚周辺の軟岩侵食a）橋脚前面直下流の回転渦（馬蹄形渦）によって流砂が押し戻され，その流砂が左右に分かれる流れに運ばれて流下することで8の字に似た流線型の侵食孔が表れた．これは橋脚前面の下降流で足元の土砂を巻上げ洗掘する砂礫床の局所洗掘とは異なる事象である．
b）軟岩床河川における橋脚周辺の侵食抑制対策は，本実験で確認された侵食孔を網羅する範囲を含めた検討が必要である．

1）玉井信行，石野和男，楳田真也，前野詩郎，渡邊康玄：豪雨による河川橋梁災害‐その原因と対策‐，技報堂出版株式会社，2015．
2）財団法人国土技術研究センター：河川を横過する橋梁に関する計画の手引き(案)，2009.
3）土木学会水工学委員会「2016年8月北海道豪雨災害調査団」：2016年
8月北海道豪雨災害調査団緊急報告会資料，2016.
4）財団法人河川環境管理財団河川環境総合研究所：河川環境総合研究
所資料「河道特性に及ぼす粘性土・軟岩の影響と河川技術」，2010.
5）森僚多，石川武彦，長田健吾，福岡捷二：多摩川水系浅川における河床高回復現地実験と河道管理手法，河川技術論文集，第16巻，pp．
113-118，2010.

6）北海道開発局，国立研究開発法人 土木研究所 寒地土木研究所：岩（2）橋脚周辺の軟岩侵食対策の効果
盤河床における河床低下危険度評価の手引き(案)，2017．
a）対策工を設置すると橋脚周辺の軟岩は保護され侵
7）福岡捷二，富田邦裕，堀田哲夫，宮川朝浩：橋脚まわりの局所洗掘食は抑制された．しかしながら，根固めブロック推定のための実用的数値シミュレーションの開発，土木学会論文集，と袋型根固めによる対策は，対策工と軟岩床の境界に流砂が集中し，対策工端部に最大侵食が表れ， No.497/Ⅱ-28，pp.71-79，1994．
8）土木学会：水理公式集［平成11年版］，1999．
侵食深はいずれも40mm以上であった．また無対9）財団法人国土開発技術研究センター編：解説・河川管理施設等構造
策よりも周辺の侵食を助長させた．
令，社団法人日本河川協会，2000．
b）一方，ネットは施工高が流砂の最大粒径と同程度
10）山口昌志，柿沼孝治，井上卓也，清家拓哉，加藤一夫：軟岩洗掘を（2mm）であることから，流砂の流下を阻害する考慮した大型模型実験を用いた河床低下対策手法の評価について，土ことなく流すことができる．これにより侵食量及び最大侵食深は，各ケースの中で最小であった．
木学会論文集B1（水工学），70(2)，I_727-I_734，2017．
11),12）11）六浦和明，井上卓也，清水康行：ネットによる軟岩侵食抑制工法の開につc）ネットによる岩盤河川の侵食抑制工法
いては，北海道内の複数河川で試験的に採用し発と実河川における効果検証，河川技術論文集，第21号，pp．165-170，2015.
（図-14），岩盤の侵食抑制効果や砂礫の捕捉効
果及び他の地点に対する影響などを確認している
12）国立研究開発法人 土木研究所 寒地土木研究所：軟岩侵食に対するネットによる侵食抑制工法，URL: http://river.ceri.go.jp/
ところである．この工法は，経年的な劣化や磨耗及び洪水時の流水の作用に対しての耐久性など未13）株式会社エスモ技研：プラス－M型（製品カタログ）
14）大嘉産業株式会社：URL: http://www.daika.co.jp/sendo/products/05.html
だ未解明な点がある．
15）佐溝昌彦，輿水聡：増水時に弱点となる橋脚を見つける，特集：自謝辞：本研究にあたって，石狩川上流河道管理ワーキン
グ委員の皆様に多くのご助言を頂きました．ここに期して謝意を表します．

然災害に備える，pp．16-19，2008.
16）岸力・黒木幹男：移動床流における河床形状と流体抵抗（Ⅰ），工学部研究報告第67号，北海道大学，1973．
（2017.4.3受付）- 488
490 -