2022年度河川技術に関するシンポジウム

越水による侵食破壊メカニズムを考慮した
新しい裏法面保護工法の検討

埼玉大学大学院 理工学研究科 学生会員

小野瀬 涼太埼玉大学レジリエント社会研究センター

正会員

田中 規夫

埼玉大学大学院 理工学研究科

正会員

五十嵐 善哉

株式会社NIPPO 総合技術部 技術研究所

非会員

黄旭

研究背景
平成27年9月関東・東北豪雨での水害の発生
国土交通省では決壊までの時間を少しでも引き延ばす堤防構造を工夫する対策を実施

国土交通省 水管理・国土保全局：水防災意識社会 再構築ビジョンより

令和元年台風19号での出水の際に危機管理型ハード対策(堤防天端の保護と堤防裏法尻の補強)を行った区間では，越流が発生しても堤防の決壊は生じなかった.

研究背景
危機管理型ハード対策が行われていな
い天端舗装のみの区間で決壊が発生【原因】• 川裏法面・法尻付近及び堤防下部の基礎地盤の洗掘• 洗掘域の拡大

堤防決壊を生じさせないためには天端舗装だけでなく，裏法面や裏法尻の補強も必要である.

埼玉県：令和元年台風19号洪水による堤防決壊調査報告書よりしかし...

既存の堤防すべてに法尻補強を施すことは時間と経費が必要になる.
喫緊の課題

天端舗装の強度を高めること，天端舗装とセットにする簡易な対策工を開発し，既存堤防の川裏の耐侵食性を早期に向上させる

研究背景
令和元年台風19号での堤防決壊被害
全国で142箇所で堤防決壊が発生
決壊原因のうち86％は越水

河川堤防の強化に関する技術検討会資料より

決壊しにくく、堤防が決壊するまでの時間を少しでも長くするなどの減災効果を発揮する「粘り強い河川堤防」の整備を進める必要がある．

｢粘り強い河川堤防｣の実現にあたって• 既存の堤防の性能を既存しないこと• 越水した場合でも決壊までの時間を少しでも長くする粘り強い性能を付加すること｢粘り強い河川堤防｣の実現に向けての提案• ブロック系• ブロックマット系• シート系• 法面土質改良系

• かご系
• 緑化系
• アスファルト系• 一部自立型

工法

利点欠点

ブロック系

流速の低減
＋侵食抑制

経済性シート系

侵食抑制

覆土流出天端舗装＋裏法面補強に加えて緑化系との組合せを考える.

本研究では簡易的に既存堤防に追加することが見込まれる工法を検討する

研究目的

堤防決壊までの時間を延ばすには…
①着水位置を遠ざける②落下流の発生を遅らせる③洗掘域の拡大を抑制【目的】
堤防裏法面保護工の違いが河川堤防の越水による侵食破壊に及ぼす影響を明らかにすることを目的とする．

研究方法
模型縮尺：1/10

越流水深：2㎝

表・裏法面勾配１：２0.30m

締固め度：90％
含水比：14.5％0.30m

砂質土（珪砂8号）

Flow

越水のみによる川裏の侵食破壊メカニズムを詳細に把握するために，第一段階として川表からの浸透を考慮していない．

木製模型
0.50m

1.50m

0.60m
0.15m
防水シート
Case A

Case 00.15m
防水シート
越流後に展開して錘(シート巻) 法面全体を覆う
Case B

グリッド材

0.10m
Case CCase 0(天端舗装のみ)の侵食メカニズム※1：落下流が発生※2：土塊落下により落下流発生位置が上流に移動※3：堤体が流失※4：土塊落下により流れがグリッド材に沿わなくなる時刻① 約1.5分で法面全体が侵食され，約5分後には着水距離が約14cmで一定に．

① 土塊の落下（約25分）が生じるまで最大侵食深は増加（堤防高の1.2倍程度）② 土塊の落下（約25分）により着水距離は ② 土塊落下後に最大侵食深は7cm程度（堤約-2cmに．
防高の1/4程度）減少している．
※着水距離が負のとき，初期断面の堤防の裏法肩よりも着水位置が内側(表側)に．

③ 天端舗装が折れ曲がり，剥がれ落ちることで，徐々に着水位置は堤体から離れ，約31分時点では約4cmとなった．

※落下した土塊が洗掘域内に入ることで，洗堀域が埋め戻されたためである．

Case A(法肩保護)の侵食メカニズム
法面下部の侵食
落下流形成

0.5(min)

洗掘域形成① 裏法面に沿う流れの発生
法尻部での洗掘域の形成

土塊落下

5 (min)

洗掘域拡大② 裏法面侵食後に落下流を形成 ③ 洗掘域の拡大による法面下部の侵食
落下流による洗掘域の拡大

着水位置の移動

着水位置の移動土塊落下

46 (min)40 (min)52 (min)

洗掘位置の移動

堤体下部侵食61 (min)④ 法面下部侵食の進行により， ⑤ 法面落下に伴う着水位置と洗 ⑥ 堤体一部の落下に伴う着水位
置と洗堀位置は堤体への移動
法面一部がブロック状で落下
堀位置は堤体への移動
洗掘域の拡大による堤体一部のブロック状での落下

洗掘域の拡大による堤体下部の侵食と天端下堤体の流失

Case A(法肩保護)の侵食メカニズム① 約20分に着水距離は28cmで一定に．

① 最大侵食深は土塊落下の発生まで時間経過とともに増加し，最大値は33cm．

② 土塊の落下（46分）に伴い，21cmに減少．
※土塊の落下により落下流の発生位置が上流 ② 土塊の落下（46分）に伴い，28㎝まで減少に移動※落下した土塊が洗掘域内に入ることで，洗堀域が埋め戻されたためである．
③ 土塊の落下（52分）に伴い，12cmに減少．
③ 新たな洗堀位置で再び増加後，土塊の落下（52分）に伴い，21㎝まで減少④ 61分時点での着水距離は2㎝である．
※天端舗装の折れ曲がりにより，徐々に減少④ 新たな洗堀位置で増加し，61分後に堤体が流失．
61分後時点では32cmである．

Case A(法肩保護)の侵食メカニズム
Case 0(天端舗装のみ)との比較
・着水距離が増加した
14 cm(Case 0)→28 cm(Case A)

・最大侵食深の増加速度の減少した工法の利点
・落下流発生位置を下流側に移動させる
裏法肩(Case 0)→シート下端(Case A)

・洗堀域拡大による堤体内部への侵食を遅らせる
Case 0の落下
流発生位置

法面下部の侵食

落下流形成30 (sec)
土塊落下

洗掘域形成

5 (min)

洗掘域拡大

着水位置の移動

着水位置の移動土塊落下

46 (min)52 (min)40 (min)

洗掘位置の移動

堤体下部侵食61 (min)Case B(シート展開)の侵食メカニズム
落下流形成

シート展開

洗掘域形成
30 (min)5 (min)1 (min)① 越流水とともにシート下端の ② 裏法面のシート被覆により， ③ 法尻から洗掘域が拡大．
次第に越流水は法面上の流れ錘が流される．
法尻から侵食．
から落下流へ変化．
シートの展開により裏法面全※落下流は形成されていない
体をシートで被覆．
着水位置の移動空気の層

着水位置の移動土塊落下

80 (min)

洗掘域拡大④ 洗掘域はさらに拡大．

160 (min)

洗掘位置の移動190 (min)

土塊落下⑤ 洗掘域拡大による法面下部の ⑥ 土塊落下に伴い着水位置と洗掘位置が堤体側へ移動．
侵食と，法面の一部のブロッ185分後に洗掘域の拡大によク状での落下．
る法面下部とブロック状での落下．
※190分時点で天端下の侵食は見られなかった(堤体は流失しなかった)．

Case B(シート展開)の侵食メカニズム① 約30分後に落下流を形成．
落下流発生時点での着水距離は約52cm．
※初期堤防断面の裏法尻は裏法肩から60cm① 落下流形成までは4cm程度でほぼ一定．
※せん断力により洗掘域が拡大しているため．

② 落下流形成後はかなり緩やかであるが徐々に② 30分から50分の間の約20分間で，着水距離が増加している．
約45cmまで減少．
※落下流の洗掘域への突入により，湛水内で※法尻付近のシート下の土塊が徐々に崩れ落ち渦流が発生し，洗掘域が拡大するため．
発生位置が徐々に堤体に近づいたためである．
落下流の発生位置が低いため，増加速度が緩やかである．
③ 土塊の落下に伴い30cm，18cmと減少．
③ 土塊の落下（160分，185分）に伴い，12㎝，※土塊の落下により落下流の発生位置が上流10㎝と減少に移動※落下した土塊が洗掘域内に入ることで，洗堀域が埋め戻されたためである．

Case B(シート展開)の侵食メカニズム
Case 0(天端舗装のみ)との比較
・落下流の発生時刻を遅らせた
0 min(Case 0)→30 min(Case B)・洗掘域の拡大速度が減少した

工法の利点
・落下流による侵食の発生を遅らせる・シート展開により法面侵食を抑制
・越流時のみシートを展開させることで，降雨によるシート上盛土の流出を抑制
落下流形成

シート展開
洗掘域形成
1 (min)5 (min)30 (min)

空気の層

着水位置の移動

着水位置の移動土塊落下
80 (min)

洗掘域拡大

160 (min)

洗掘位置の移動190 (min)

土塊落下Case C(グリッド材)の侵食メカニズム
グリッド材に沿う流れ

落下流形成

洗掘域形成 グリッド材の垂れ下がり
5 (min)1 (min)堤体下部侵食70 (min)① 裏法肩付近でグリッド材に沿 ② 法面全体を侵食後，落下流は ③ 洗掘域は徐々に拡大し，堤体う流れの発生．
基礎に突入し，洗掘域を形成． 下部を侵食．
小さな落下流の形成により，グリッド材はのれん状に垂れ裏法面を徐々に侵食．
下がる．

グリッド材に沿わない流れ
着水位置の移動土塊落下

92 (min) グリッド材の移動

洗掘域拡大
100 (min)

堤体下部侵食118 (min)④ 92分後に堤体の一部がブロッ ⑤ グリッド材の洗掘域底面への ⑥ 洗掘域の更なる拡大により堤体下部が侵食され，天端下のク状で落下し，天端舗装が垂移動後，洗堀域は拡大する．
土塊が落下し，118分後に堤れ下がる．
体が流失．
洗掘域付近のグリッド材は水面付近から洗掘域底面へ移動．
越流水はグリッド材に沿わなくなり，着水位置は堤体から遠ざかる．

Case C(グリッド材)の侵食メカニズム① 落下流形成時刻は約1分．
① 85分後までの最大侵食深は5㎝程度．
※裏法肩で投射された越流水が法面上に突入し※洗掘域内のグリッド材が流体抵抗となり，たため，落下流の発生時間に大差がなかった．
洗掘域内への入射時に生じる流れの流体力を低減させたと考えられる．

② 10分後に着水距離は約9cmに減少．
※グリッド材がのれん状に垂れ下がり，越流水 ② 土塊落下後は徐々に増加し，118分時点で18㎝．
※土塊落下によりグリッド材が洗掘域底面にがグリッド材に沿う流れになったため．
移動したためである．
③ 土塊落下に伴い，着水距離は11㎝に増加．
※土塊落下により，グリッド材の位置が変化し，越流水がグリッド材に沿わなくなったため．

Case C(グリッド材)の侵食メカニズム
Case 0(天端舗装のみ)との比較
・最大侵食深を大幅に抑制した
Case0では増加するのに対し,85minまで5㎝程度・洗掘距離の減少を抑制した工法の効果
・洗掘域内のグリッド材による洗掘域の発達を抑制する
・法面植生との併用が可能である
グリッド材に沿う流れ落下流形成

1 (min)
グリッド材に沿わない流れ
着水位置の移動土塊落下

92 (min) グリッド材の移動

堤体下部侵食

洗掘域形成 グリッド材の垂れ下がり
5 (min)70 (min)

洗掘域拡大
100 (min)

堤体下部侵食118 (min)全ケースのまとめ本研究で注目すべき破壊メカニズムを以下に列挙する．
① 落下流の着水位置を堤体から遠ざけて堤体内部への侵食を遅らせること② 落下流が発生するまでの時間を延ばし，洗掘域の発達を遅らせること③ 洗掘域の発達そのものを抑えること考慮したケースは，ブロック等による法尻補強と比べて簡易ではあるが，川裏での洗掘域の発達による堤体内部方向への侵食を抑制することで堤防の粘り強さを向上させるという効果が確認された．
グリッド材工法は空隙があるため，シート工法では考慮していない川裏法面への植生を考慮できる点も長所の1つである．
そのため，本工法は既存の天端舗装を強化する際にグリッド材をいれて再舗装し，その際に法面にグリッドを展開するなどすれば，簡易に粘り強さを増強できる可能性を示している．

まとめ• 防水シートにより裏法面の一部を保護する場合，落下流の発生位置が下流側に移動した結果，着水位置を堤体から遠ざける効果が確認され，堤体流失までの越流時間は天端舗装のみの場合の約2倍となった．

• 越水後にシートが展開し，法面全体を保護した場合，洗掘域が法尻付近から発生した結果，落下流が形成される時刻を遅らせる効果が確認された．また，落下流の着水距離は大きくなり，堤体の土塊落下時刻を大幅に遅らせた．
• グリッド材により裏法面全体を保護した場合，洗掘域内にグリッド材が入り，洗掘域の拡大を大幅に抑制する効果が確認された．これは，洗掘域内のグリッド材が渦流の発達を抑制したためであると考えられる．

課題• 社会実装に向けて，大型実験が必要である．
本研究は縮尺1/10の縮小水理実験であるが，堤体及び基礎地盤の材料は実物大材料を使用しており，無次元限界掃流力を踏まえると，洗掘形状は材料の粒径による影響があると考えられる．

• グリッド材については1種類のみの検討であるため，グリッド材の性質（目開きや曲げ剛性等）の影響についての検討が必要である．
• 実現象では浸透影響も複合的に作用する場合があるため，本研究の比較実験として将来的には浸透影響を考慮した実験が必要である．