第28回河川技術シンポジウム
令和4年6月17日

越水による河川堤防の壊れ方に関する考察
本日の話題
1. 本検討のねらい
2. 既往の知見の整理
3. 現地調査とその結果
4. まとめ国土交通省 国土技術政策総合研究所
河川研究部 河川研究室
福島雅紀・笹岡信吾・田端幸輔

本検討のねらい2

東日本台風では，関東甲信地方及び東北地方を中心に全国で142箇所の河川堤防が決壊し，そのうちの122箇所の決壊要因が越水であった．
一部の河川で堤防調査委員会が開催されるなど，被災状況調査に加え洪水痕跡調査や土質調査などの重点的な調査が実施され，被災要因の分析と対策について検討されたが，これら以外の越水箇所では被災状況調査以外の調査はほとんど実施されていない．東日本台風による被害が広域かつ甚大であり，復旧作業が急がれたためと考えられる．
河川堤防の決壊箇所では，堤体及び基礎地盤が流失し決壊の進行過程を把握するための痕跡はほとんど残されていない．一方，決壊に至らなかった河川堤防の越水箇所では，堤防の壊れ方を把握するための貴重な痕跡が残されている可能性がある．例えば，堤防裏法部の侵食が顕著な箇所は，越水時に侵食が開始した位置と捉えることができる．

本論文では，東日本台風に伴う出水時の越水箇所の中から，少なくとも越流水深を推定することができ，1m程度の堤防高と盛土構造を有する河川堤防を対象として，堤防の形状測量，植生根毛量調査，土質調査等を実施した．
以下では，堤防の壊れ方に関する既往の知見を総合化し，越水外力，堤体の耐侵食力，堤内地の湛水状況等によって決まる堤防の壊れ方を体系的に整理するとともに，河川側からの浸透の影響を合わせて考慮する手法を提案し，越水箇所の堤防の壊れ方について考察した．
なお，得られた知見を粘り強い河川堤防の技術開発に活用する予定である．

越流水の挙動と法面損傷位置との関係イメージ

3

裏法部に作用するせん断力は，越流水が裏法面を流下するに従って増加し，越流水に作用する重力の法面勾配方向成分と法面摩擦がつり合うと等流状態になり，それより法尻側では極端に大きくならない（図－１）．
したがって，法尻付近に作用するせん断力が最も大きい．
ただし，越水開始前に内水等による湛水が生じている場合には，湛水位あたりで跳水が発生し，湛水面以下の法面や法尻の侵食が抑制される．

図－１ 越流水の挙動と法面損傷位置との関係イメージ

法面の侵食過程（１）4

堤防法面及び法尻には一般的に芝が植えられており，表層2～3cm程度の根毛層がある．
法面及び法尻の侵食過程は，根毛層の侵食段階（根毛層侵食過程）と土層の侵食段階（土層侵食過程）に分けることができる．
根毛層侵食過程については，平均根毛量（除草回数等の管理状態によって異なる）をパラメータとして，摩擦速度によって耐久時間を評価できる．
※根毛層が流失した後の侵食速度は裸堤と同程度となる。
※裸堤でも土質がよければ（No.31）、侵食速度は抑制される。

根毛層（厚さ2～3cm）
土層

図－B 根毛層のイメージ

図－２ 摩擦速度と耐久時間の関係参考文献７）
根毛層侵食過程（No.22) 土層侵食過程（No.22）
図－A 累積越流量と侵食量との関係参考文献４）

法面の侵食過程（２）5堤体そのものの耐侵食力は，堤体表面の引張破壊応力によって評価される．図－３は，引張破壊応力をパラメータとした，堤体表面に作用するせん断力と堤体表面の侵食速度との関係である．
堤防裏法部に流速4m/sの越流水が作用する場合，引張破壊応力が4.8～19.2gf/cm2（SI単位では0.48～1.92kN/m2）あれば毎分2.4cm程度侵食される（赤線）．
この引張破壊応力は実堤防で計測される一般的な値であり，堤体土が耐侵食力を期待できないと言われる理由がここにある．

裏法面の流速係数を１２として裏法面に作用する摩擦速度を算定すると、u*≒0.42m/sとなる。
∗=. × .
×≈0.18

左図から、横軸の値が0.18の時の縦軸の値を読み取ると、⁄=4×10-4= 10 × 980/1.0 × 4 × 10≈ 0.04/= 2.4/
図－３ 堤体土表面の侵食速度と作用する摩擦速度との関係参考文献７）

既往の知見のまとめ

6

越水時に裏法面の侵食開始箇所は，堤体裏法部の耐侵食性および堤内地湛水状況によって変化する．
裏法面を流れる越流水の流速が堤体裏法部の耐侵食力を上回ると，裏法面の侵食が始まる．
湛水によって越流水の流勢が弱められ，裏法部や法尻の侵食が軽減される場合がある．
川側

川側

強
裏法尻の平場侵食が抑制
された箇所

川側

川側

川側

耐侵食力

裏法尻
下部
裏法面中腹侵食が抑制された箇所

裏法面中腹

川側侵食が抑制
された箇所

川側

裏法肩

川側

裏法肩

弱
【越水開始時に堤内地の湛水なし】【越水開始時に堤内地の湛水あり】

図－４ 裏法面の耐侵食力と損傷開始位置との関係

現地調査箇所の選定および主な調査内容

7

調査箇所を選定するため，河川管理者へのヒアリング，地盤標高データの整理等によって，越水外力（越流水深，越流時間），被災写真の有無，堤防形状，河道特性等を調べた．
国管理河川では洪水痕跡調査結果および水位観測記録を確認することで比較的多くの箇所で越流時間が推定されているのに対して，県管理河川では越流水深と越流時間の両方が推定されたのは9箇所のみであった（図－５）．
一方，越水箇所は県管理河川で多数確認されており，堤防形状の測量によって把握した堤防天端の縦断形と越水区間を比較することで越流水深を推定した．
上記を踏まえ，越水外力を確認もしくは越流水深を推定でき，盛土構造で堤防高が0.8m以上の堤防を対象として，その中から99箇所を現地調査箇所として抽出した．
1.8
県管理・決壊
県管理・非決壊
国管理・決壊
国管理・非決壊

1.6

越流水深（m）

1.4
1.2

注１：非決
壊事例には決壊には至らな
い変状事
例を含む

1.0
0.8
0.60.4

注２：越流水深1.5m，越流時間33時間の県管理・非決壊データを除いて表示した．

主な調査内容堤防形状の測量
裏法面の植生根毛量調査
裏法面表層土の引張破壊応力試験
堤体土の土質試験

0.20.0012345678
越流時間（hr）
図－５ 越水外力と決壊の有無との関係

910
図－Ｂ 引張破壊試験の実施状況

植生根毛量調査および引張破壊応力試験の結果 8
植生根毛量調査結果（図－６）
調査地点の平均値である0.017gf/cm3の根毛量では，図－２を参考にすると，越流水深10cmでも1時間以内で侵食されることが推定される．また，今回調査したほとんどの箇所で根毛量が0.04gf/cm3以下であり，越流水深が20cmとなった場合には根毛層による耐侵食力をほとんど期待できないと推測できる．根毛量の多寡と決壊の有無との関係も確認できない．
引張破壊応力試験結果（図－７）
引張破壊応力が一般的な値の平均値である1.2kN/m2未満となると，明らかに決壊事例が増加するが，これ以外に明確な関係を確認することはできない．
国管理河川を見ると，引張破壊応力が1.2kN/m2未満の堤防は1事例のみであること，引張破壊応力が4kN/m2以上では決壊事例がないことを確認できる．
引張破壊応力が8kN/m2以上ある県管理河川の堤防が決壊した理由等については後程考察する．
県管理・決壊
県管理・非決壊
国管理・決壊
国管理・非決壊
平均値

0.07
0.06
0.05

引張破壊応力(kN/m2)

上層3cmの平均根毛量(g/cm3)

0.08

0.04
0.03
0.02
0.01
00.0

0.2

0.4

0.6

0.8
1.0
越流水深(m)

1.2

1.4

1.6

図－６ 植生根毛量と越流水深，決壊の有無との関係

1.8

1098

県管理・決壊
県管理・非決壊
国管理・決壊
国管理・非決壊

765432100.00.2

0.4

0.60.8
1.0
1.2
1.4
1.6
越流水深(m)
図－７ 引張破壊応力と越流水深，決壊の有無との関係

1.8

引張破壊応力と越水外力，決壊の有無との関係

9

裏法面に作用する越水外力をより的確に評価するため，越流水深と法面勾配から等流流速を算定し，引張破壊応力との関係と決壊の有無を調べた（図－８）．
図中の実線は，引張破壊応力と侵食限界流速の関係を示す．この線の左上側では裏法面が侵食されるため決壊に至る可能性が高く，右下側では非決壊となる可能性が高い．
橙と紫の矢印を付した3点を除いて考えると，国管理河川の事例では，実線をやや左上に移動させた方がより適切と考えられるが，ほとんどの事例が上記の傾向に従っている．
県管理河川のデータを見ると，非決壊となると想定される領域に多数の決壊事例を確認できる．
⇒以下，色付矢印の例外事例を分析

堤内地の湛水によるウォータークッション効果

決壊

裏法面での等流流速(m/s)

10

非決壊
湾曲部外岸へ速い流れが越水（速度水頭の影響）
県管理・決壊
県管理・非決壊
国管理・決壊
国管理・非決壊

10.1

1.0
引張破壊応力(kN/m2)

図－９ 那珂川61.5kp右岸のCCTV映像の記録

洪水によって浸潤していた
表法面への逆越水
10.0

図－８ 引張破壊応力と等流流速，決壊の有無との関係

低い堤防高と裏法尻に沿う旧国道による
裏法平場の被覆
図－１０ 千曲川107kp付近右岸の堤防

引張破壊応力と顕著な侵食が確認された部位

10

越水による侵食痕が法肩部で顕著な事例，法面中腹から法尻で顕著な事例を抽出した．
名蓋川左岸の侵食痕は，引張破壊応力が比較的小さいことから法肩からの侵食を説明できる（図－１１）．一方，右岸堤体の引張破壊応力は3.4kN/m2と大きいが，法肩の侵食が顕著に見られ，浸透によって堤体の侵食耐力が低下していた可能性（後述）がある．
図－１２は法面中腹から法尻にかけての侵食が顕著な事例である．いずれも大きな引張破壊応力が記録されており，図－４に示した堤防の壊れ方と一致する．
名蓋川左岸

図－１１ 法肩の侵食が顕著な事例

図－１２ 法尻付近の侵食が顕著な事例

名蓋川右岸

天端舗装の侵食が顕著であった事例

11

図－１３は，図－９の那珂川61.5kp右岸の越水後の被災状況である．越流水深が1.8mと非常に大きかったにもかかわらず，堤内地の湛水によって決壊しなかったと推測されるが，天端舗装が被災した．
越水時に天端に作用するせん断力τと侵食限界せん断力τcとの関係を調べた結果（図－１４（a）），
越流水深が3mになっても舗装面は侵食されない．一方で，河川水が舗装面下に進入し，裏法面から流出していない状況を想定すると，天端上の越流水の速度水頭が舗装に揚圧力として働くこととなる．
越流水深を変えて，舗装に作用する揚力と舗装（厚さ5cm）の自重を比較すると（図－１４（b）），越流水深22cm程度で舗装が浮き上がる可能性がある．
亀裂等の入っていない舗装であれば，一部の舗装が浮き上がっても容易には流出しないと考えられるが，越流水深は1.8mと非常に大きく，揚圧力の作用で天端舗装が被災したと考えられた．

図－１３ 那珂川61.5kp右岸の堤防の被災状況
舗装の自重／舗装下面に作用する揚力

12τc/τ

1086
4
200

1

越流水深(m)

232.5
21.5
10.5
000.2

0.40.6越流水深(m)0.8

1(b) 越流水深と舗装下面に作用する揚力の関係(a) 越流水深とτc/τの関係
図－１４ 越流水深と舗装の耐力との関係

裏法部の状況が侵食開始箇所に影響した事例

12

那珂川19.5kp左岸の事例は，堤防裏法面の隅角部に越流水が集中し，越流水深以上の越水外力が作用した事例である．
内川左岸の事例は，越流水によって侵食された裏法面中腹の土砂が法尻にテラス状に堆積した事例である．堤内地が湛水していない場合には，侵食された土砂は堤内地に拡散するが，湛水していた場合にはテラス状になる．
千曲川57.5kp付近右岸の事例は，階段工周辺で越流水が乱れ，その影響で法面の侵食が顕著になった事例である．
吉田川24.0kp付近左岸の事例は，堤内地が畑地として利用されていたために生じた事例である．

図－１５ 裏法部の状況が侵食開始位置に影響した事例

土質試験結果と引張破壊応力との関係

13

堤防強化にあたっては，使用する土や施工条件の設定は可能であるが，引張破壊応力と土質，土の締固め度との関係は十分には把握されていない．
特に，三軸圧縮試験の結果と引張破壊試験の結果との相関がないことは従前より指摘されているが，今回多地点で調査を行ったことから，両者の関係等を改めて確認した．
10

礫分 0～10%
礫分 10～20%
礫分 20～30%
礫分 30%以上

9765438765432211000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
シルト・粘土含有率（%）

0109988
引張破壊応力（kN/m2）

10765432• 内部摩擦角との関係はほとんど見られない．

9引張破壊応力（kN/m2）

引張破壊応力（kN/m2）

8引張破壊応力（kN/m2）• シルト・粘土含有率が増加すると，引張破壊応力が増加する傾向がある．
• また，シルト・粘土含有率が10%以下の堤体土の引張破壊応力は1.2kN/m2以下であり，平均粒径がそれぞれ引張破壊応力の小さい方から7mm，12mm，1.5mmであった．

10123 4 5 6 7
粘着力c（kN/m2）

8910県管理
国管理765432110
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
内部摩擦角（度）• 粘着力がゼロの堤体
土でも引張破壊応力が0.18～7.82kN/m2とバラツキが大きい．
• 粘着力との関係は明確ではない．

076 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100
締固め度（%）

図－１７ 土質試験結果と引張破壊応力との関係• 堤体土の締固め度との関係も見られない．
• 締固め度が90％を超えると，引張破壊応力が1点を除いて1.2kN/m2以上となる．

堤体土の耐侵食力に与える浸透の影響

14

越水による裏法面の侵食に浸透がどの程度影響したかを確認するため，最高水位を天端高，水位がピークに達するまでの時間を越水箇所近傍の水位計等から概略算定した上で，現地調査によって計測した透水係数を用いて，堤防脆弱性指標を算定した．
図－１８は，決壊の有無と堤防脆弱性指標，引張破壊応力との関係を示す．越水箇所のほとんどで、堤防脆弱性指標が0.01以上となり，その半数が0.1を超え，浸透による決壊の危険性が高い状況であったと言える．
灰矢印の名蓋川の決壊箇所について，引張破壊応力が3.4kN/m2であった右岸側も堤防脆弱性指標が0.04程度と大きく浸透の影響によって法肩からすべっていた可能性が考えられた．名蓋川右岸で確認された法肩の侵食痕は，すべりによって生じた可能性もあると考えた．
109引張破壊応力（kN/m2）

8765

県管理・決壊県管理・決壊
県管理・非決壊
県管理・非決壊
国管理・決壊国管理・決壊
国管理・非決壊
国管理・非決壊

裏法滑り、崩壊の危険性が高まる
決壊の危険性が高まる

432

図－１１の右半分のみ 法肩の侵食が顕著な事例

10
1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03 1.E-02堤防脆弱性指標

1.E-01

1.E+00

図－１８ 決壊と堤防脆弱性指標，引張破壊応力との関係

おわりに越水による河川堤防の壊れ方を既往の知見を参考に図－４の通り整理した．その上で，東日本台風時に越水した箇所の堤防の壊れ方を越流水深，裏法面に作用する流速，裏法面植生の根毛量，引張破壊応力，土質等の観点から考察した．
その結果，既往の知見によって東日本台風時に越水した箇所の被災状況をほぼ説明できることを確認した．また，粘り強い堤防構造を検討する上で，以下の点に留意することが重要と考えられた．
① 堤防裏法面の越流水に対する耐侵食力を高めるためには，シルト・粘土含有率が10%以上の土を用いて，90%以上の締固め度で施工することが有効である．
② 越水が生じるような河川水位が継続する場合，裏法部が浸潤し越流水に対する堤体土の耐侵食力が低下する可能性があることから，表法面に遮水シートを敷設するなどの浸透対策も有効である．なお，同対策は天端舗装の流失を防止する上でも有効である．

謝辞：
宮城県，山形県，福島県，群馬県，栃木県，茨城県，埼玉県，長野県，新潟県，東京都，東北地方整備局，北陸地方整備局，関東地方整備局の関係の皆様には各種情報を提供していただきました．また，これらの情報の整理にあたって，水管理・国土保全局治水課，国立研究開発法人土木研究所土質・振動チームの関係の皆様からは貴重な御助言をいただきました．ここに記して，謝意を表します．

15