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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

3 次元数値解析による暗渠閉塞機構についての考察
九州大学大学院生物資源環境科学府○原教介・江藤稚佳子

九州大学大学院農学研究院

水野秀明

1 はじめに
山間部に作られる道路などでは, 暗渠を用いて渓流を横断したり雨水を排水したりする必要のあるケースが多い. また敷地の狭い住宅地などでは, 排水路として開渠を採用する代わりに暗渠を用いることで道路幅を確保していることもある. このような背景もあり,
日本では豪雨に伴う土砂や流木の流出によって暗渠が閉塞してしまう事例が起きている. 暗渠が閉塞することによって溢れてしまった水や土砂により道路などの施設が破壊されてしまう場合もある. このような被害を軽減するためにも暗渠の閉塞機構を明らかにすることは重要である.

図1
2.2

実験水路の概要

3 次元数値解析による水路実験の再現計算

3 次元数値解析には流体解析モデルである
OpenFOAM に 備 わ っ て い る 二 相 流 を 解 析 で き る2017 年 9 月 17 日に台風 18 号が大分県津久見市を通過し, 道路上に濁流が押し寄せ, 家屋が冠水するといinterFoam ソルバを用いた. interFoam ソルバでは, 界面解析手法として volume of fluid 法を採用している.

った被害が発生した. 津久見市では, 降雨を排水しな流入口から水深 0.02m, 流量 1.31ℓ/s の条件で水を流がら道路の幅を確保する目的で暗渠が設置されていた入させた. 水面形が十分安定したことを確認し, 40 秒時が, 暗渠の一部は土砂によって閉塞しているものも見点の水面の高さを抽出した.

られた. この事例では, 暗渠の閉塞が排水を妨げ家屋2.3の冠水などの被害を助長した可能性がある.

結果と考察

水路実験と 3 次元数値解析から得られた壁面におけ大分県津久見市の事例においては住宅地内を通る道る水面形の変化を図 2 と図 3 に示す. 結果から, 水路実路の下に設置されていた暗渠が湾曲している部分が見験と 3 次元数値解析では水面形が概ね一致しており,られた. そこで, 本研究の目的は, 3 次元数値解析の暗本研究の条件の下では暗渠湾曲部において発生する跳渠湾曲部に対する適用性を水路実験の結果を用いて検水現象を精度よく再現できると考えられる.

証し, 水路実験における水の流れの構造を解明すること, さらに津久見市で発生した暗渠の閉塞に伴う土砂洪水氾濫の事例に 3 次元数値解析を適用し, その結果
から暗渠湾曲部における水の流れが土砂の堆積に与える影響を明らかにすることとする.
23 次元数値解析の暗渠湾曲部における水の流れへの適用性の検証

2.1

水路実験方法図2

右岸側の水深図3

左岸側の水深

実験水路はアクリル板を加工して作成した. 実験水路の平面図と断面図を図 1 に示す. 実験水路の流入口を拡張した部分にポンプから伸びたホースを天井側へ接続し, そこから 1.31ℓ/s で水を供給した. 拡張部と実験水路の接続部には水路の底面から高さ 0.02m の位置に L 字型の仕切りを取り付けており, これによって流入水深を制限した. また, 暗渠湾曲部付近で左岸側と右岸側に合計 2 つのカメラを取り付けてその映像から

3．津久見市事例の概要と 3 次元数値解析の適用

壁面における水深を読み取った.

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3.1

津久見市の事例の概要と計算条件

どのような挙動を示すか検討を行った. 検討に際して,前述の津久見市における土砂洪水氾濫により閉塞した暗渠の一つが津久見市上宮本町を通過する暗渠であ土砂を球に見立てた運動方程式を用いた.

る. 本研究では, この暗渠の一部区間を解析対象とし

4𝑑𝑢𝑠
1
𝜎 𝜋𝑟 3= − 𝜌𝐶𝐷 ∙ 𝜋𝑟 2 ∙ (𝑢𝑠 − 𝑢𝑊 )23𝑑𝑡
2た. 対象の暗渠の平面図を図 4 に示す. 地点 A が対象区

ここで, σは球の密度[kg/m3], rは球の半径[m], ρは水の間の上流端である. 対象暗渠におけるピーク流量を合密度[kg/m3], 𝐶𝐷 は抗力係数, 𝑢𝑊 は流速[m/s],3

理式により算出したところ 1.83m /s であった.

(1)

𝑢𝑠 は球の速度[m/s], t は時刻[s]である. ただし, 球と流路の摩擦

3 次元数値解析には OpenFOAM を用いた. 地点 A のは無視できるほど小さいとする.

上流側を延長し, 延長した部分の底面からピーク流量

この条件下では, 流水中の土砂に見立てた球は抗力に等しい 1.83m3/s の水を供給し, 水面形が十分安定しのみで停止に至ることはないが, 特定の条件下で後続た 400 秒時点を解析対象としたの球と衝突しすることが分かった. このような衝突が連鎖することによって, 土砂が停止することが考えられる. また, 今回の仮定では流路底と球の間の摩擦を考慮しておらず, 球の停止に不利な条件のため, 実際にはより停止に至りやすいと考えられる.
4．まとめ
本研究では, まず暗渠湾曲部の水の流れに対する 3次元数値解析の適用性を明らかにするため水理実験とその再現計算を行った. その結果, 湾曲部において跳水が発生した位置は水路実験と 3 次元数値解析での差

図4が小さく, 3 次元数値解析は本研究における水路実験を対象暗渠の平面図精度よく再現したといえる. さらに, 津久見市において土砂により閉塞した暗渠内の水の流れを 3 次元数値解析により分析した.その結果, 暗渠湾曲部において跳水が発生し流速が著しく減少することが分かった. そして, このような流速の減少により抗力が働くことが土砂の堆積する要因だと考え, 特定の条件下でどのように土砂が堆積するのか検討を行った. その結果, 抗力により土砂が減速し, 後続の土砂と衝突することで
図53.2

両岸の水深と流心付近の流速土砂が停止し堆積していく可能性が示唆された. また,

結果

この条件では流路底と土砂に見立てた球体の間の摩擦

水面形が十分安定した 400 秒時点では, 湾曲部１の開始地点(地点 C)から 2m 程度上流側で満管になった後,を考慮していないため, 実際にはより土砂は停止しやすいと考えられる.

湾曲部 2 の終了地点付近まで満管状態を保っていた.

今後は摩擦などを考慮してより現実に即した条件の本研究では, 跳水が発生した湾曲部 1 についてより詳下で土砂が堆積するメカニズムを明らかにすることが細に解析を行った. 湾曲部 1 付近における水深と流心課題である.

付近における底面から 0.1m の高さの流速を図 5 に示す.

貴重な資料を提供して頂いた津久見市役所の関係各

流心付近の流速については, 跳水の起こった 25ｍ地点位に厚く御礼申し上げます.

付近から流速が大きく低下していることが分かる.

引用文献

3.3

江藤稚佳子ら(2021)：暗渠内における流れと流砂の停止考察

結果から, 本研究の条件では暗渠の湾曲部周辺にお過程, 砂防学会誌, Vol.73, No.5, p.38-43, 2021

いて跳水とそれに伴う流速の減少が起こることが分か

川 崎 浩 司 ら (2013) ： 3 次 元 数 値 流 体 力 学 ツ ー ルった. このような流速の減少により, 土砂に対して流OpenFOAM における自由表面解析手法の妥当性に関れ方向の逆向きに抗力が作用する. そこで, 流速の変する検討, 土木学会論文集 B3(海洋開発), Vol.69, No.2,化に伴い暗渠内の土砂に抗力がはたらくことで土砂がI_748-I_753, 2013

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