河川の弱点部となる蛇行区間における治水と環境に配慮した河道断面設計法に関する研究
Cross-section Design Considering Flood Controls and Environments
in Meandering Channel Reaches Liable to Suffer from Disasters
都市環境学専攻 笹木 拓真
Takuma SASAKI
Key Words : longitudinal and cross-sectional form,bank erosion , gently sloped bank, numerical model

1. 序論

10.0m

我が国の大河川の河道断面形は，一般に複断面形でb＝1.0mあるが，低水路と高水敷の比高差の増大，澪筋の固定化，河道内の樹林化等の複断面河道がもたらす治水・

Θ＝306°

環境問題が顕在化しており，治水と環境の両面から望ましい河道断面形が求められている．福岡は治水と環Pond (upstream)

境の調和した河道断面形は船底形断面形が望ましいと

Tail gateの考えを示しており，実際に船底形河道への改修が行17.0m

われた遠賀川では，洪水時の流況が改善され，河床変Pond (downstream)
24.0m

図-1 実験水路平面図
表-1 実験条件

動量が減少することが示されている1)．しかし，検討対象とされた船底河道区間は，湾曲区間や蛇行区間を含Partition4.0mが望ましいのか，船底形河道は有効な手段になり得る

項目
流量
河床勾配
平均粒径
流路中心曲率半径
初期の側岸の角度かについてさらに検討が必要となった．福岡・山坂ら

側岸浸食実験及び外岸に緩傾斜河岸を有する湾曲水が行った外岸浸食を許す自由湾曲流れの検討から，緩路の実験は，図-1に示す一様湾曲水路で行われた．実験

やかな外岸斜面を有する安定な河道断面形が形成され条件は表-1に示す通りであり，詳しくは文献を参照されんでいなかった．湾曲区間や蛇行区間では，直線区間とは異なった流れや河床洗掘・河岸浸食が生じることから，安定して管理しやすい河道はどのような断面形

2)

福岡・山坂ら
2ℓ (2.0 ×10 m -3/s)
1/400
0.72mm
4.35m
30度

福岡・西村・三宮
18ℓ (1.8 × 10 m-2/s)
1/500
0.8mm
4.50m
1V:2H, 1V:3H

た ．このことは，河道湾曲部でも外岸に緩やかな斜面

たい2),4)．流れの計算には両実験ともBVC法2)を適用し，を有する河道は，維持しやすい有効な河道であると考河床変動は，二次元河床変動計算で検討している．BVC

えられる．緩やかな外岸斜面を有する河道を設計する

法は底面と連続する斜面部の底面流速を高精度で計算にあたっては，流れ構造や河床変動，河岸浸食の面かできることから，河岸は底面を連続する緩やかな斜面

ら，外岸斜面付近の流速分布，河床変動，河岸浸食をとして河床，河岸を一体的に扱い，流路の変動計算を評価できる計算モデルも求められる．

行う．

本研究は二つの目的を持っている．第一には，河道設計への応用が期待される内田，福岡の底面流速解析
法3)(以下BVC法)を一様湾曲水路内における外岸の自由な2）

4）浸食を許す実験 と外岸に緩傾斜河岸を有する実験 に(2) 計算結果とその考察
図-2に側岸浸食実験における水面形と平均河床高の時間変化と計算結果の比較を示す．流路の拡大に伴って浸食土砂が河道に堆積するため，平均河床高は上昇し，適用し，湾曲水路における安定な河道断面形の形成と， それに伴い計算で求められた水位はやや上昇する．平緩傾斜斜面付近の流れと河床変動の計算に有効適用で均河床高は実験値を概ね再現できている．図-3は通水開きることを示す．第二に，遠賀川の蛇行区間の外岸を始位置から16.5m地点の横断面形の時間変化を示してい緩勾配化し，洪水に対してこの縦横断面形状が維持可る．実験結果から，拡幅が進行するのに従って，外岸能かについてBVC法を用いて検討する．そして，上記の付近で緩やかな斜面を形成しながら，浅く，幅の広い検討から得られた知見より，治水と河川景観，親水性断面形へと変化していく様子が分かる．これは外岸のから望ましい河道断面形の設計法を提示する．

浸食土砂が内岸へと輸送されることで，水路中央での2)2. 底面流速解析法の湾曲部の側岸浸食実験 と外岸緩傾斜河岸を有する実験4)への適用河床上昇を引き起こすためである．計算結果は時間が(1) 実験条件と計算方法実験結果を概ね再現出来ている．以上の結果から，底経過し浸食が進むほど拡幅が大きく評価されているが，2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

水位：河床変動開始15分後(Exp.)

平均河床高：河床変動開始15分後(Exp.)

初期河床水面(180分後)(Cal.)

水位：河床変動開始180分後(Exp.)

平均河床高：河床変動開始180分後(Exp.)

河床変動開始15分後(Cal.)

河床変動開始15分後(Exp.)

水位：河床変動開始15分後(Cal.)

平均河床高：河床変動開始15分後(Cal.)

河床変動開始60分後(Cal.)

河床変動開始60分後(Exp.)

水位：河床変動開始180分後(Cal.)

平均河床高：河床変動開始180分後(Cal.)

河床変動開始180分後(Cal.)

河床変動開始180分後(Exp.)

高さ(m)

0.13

高さ(m)

0.11

0.09
0.07

0.11
0.09
0.07
0.05
0.03

0.05
05

1015

0.2

20

0.3

0.4

縦断距離(m)

水位 (Exp.)

最深河床高 (Exp.)

水位 (Cal.)

高さ(m)

0.04

高さ(m)

-0.06

-0.11
24

68

101214縦断距離(m)
主流速 (Exp.)0

内岸から20㎝

内岸から40㎝

内岸から30㎝

内岸から20㎝

主流速(m/s)

主流速(m/s)

主流速(m/s)

主流速(m/s)

主流速(m/s)

00.5

100.5

10.500η= (zs-z)/h

0.5

0.5

00.5

10.5

0

0

0.5

0.2

-0.2

000.2

1

外岸から20㎝
-0.2

0

1214

160.2

0

水面(Cal.)

河床変動開始8時間後 (Exp.)

初期河床

河床変動開始8時間後 (Cal.)

0.01

11.0m

-0.09
0.0

1

1

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.8

1.0

0.8

1.0

0.8

1.0

0.01
-0.04

12.0m

-0.09
0.0

0.2

-0.2

00

外岸から30㎝
0.2

0.4

横断距離(m)0.6(a) 2 割勾配水路

二次流 (Cal.)

外岸から40㎝

外岸から20㎝

無次元流速
無次元流速
無次元流速
無次元流速
無次元流速
無次元流速
(二次流速/断面平均流速) (二次流速/断面平均流速) (二次流速/断面平均流速) (二次流速/断面平均流速) (二次流速/断面平均流速) (二次流速/断面平均流速)010

横断距離(m)

二次流 (Exp.)

外岸から30㎝

8縦断距離(m)-0.04

0.5(a) 2 割勾配水路(b) 3 割勾配水路
図-5 主流速の鉛直分布の比較
外岸から40㎝

60.5

0高さ(m)

0.5

高さ(m)

04

図-4 縦断水面形と最深河床高の比較

内岸から30㎝02

主流速 (Cal.)

主流速(m/s)
0.5

-0.06

-0.11

16

内岸から40㎝

0-0.01-0.2

00.2-0.2

0

000.2

高さ(m)

00

最深河床高 (Cal.)

0.04

-0.01

-0.20.6

図-3 断面形の時間変化

図-2 縦断水面形と平均河床高の比較

00.5

横断距離(m)

0.01
-0.04

11.0m

-0.09
0.0

0.2

0.4

0.6

0.5

0.5

0.5

0.50.5高さ(m)0.5

η= (zs-z)/h

横断距離(m)0.01-0.0412.0m

-0.09

0.0
111110.2

0.4

0.6

横断距離(m)1(a) 2 割勾配水路(b) 3 割勾配水路
図-6 二次流分布の比較(b) 3 割勾配水路
図-7 河床変動後の横断面形の比較

面流速解析法は，自由な河岸浸食を許す場合におけるかし，流速分布等が計測された9m～14m付近では実験値

断面形の形成過程を必要な精度で計算できることが明に近い値を示している．図-5に主流速の鉛直分布についらかになった．次に緩勾配化した固定外岸を有する湾て，実験結果と計算結果の比較を示す．外岸付近では曲水路の実験4)と計算結果を比較する．福岡，西村ら4)が運動量の輸送により，流速分布が一様化している．本

行った緩傾斜化した外岸の勾配は2割，3割勾配である．

解析法はその傾向を再現出来ており，計算結果は2割，3

図-4は縦断水面形と最深河床高の計算結果と実験値の比較を示す． 2割，3割勾配ともに水面形の計算結果は，割勾配とも実験の主流速分布をよく再現出来ている．

実験結果を概ね説明している．一方，最深河床高の計果と計算結果の比較である．計算結果は内岸側で実験算結果は上流付近で大きく計算されている．これは，値との対応はよくない．これは後述するように内岸で図-1に示すように実験水路上流端に仕切り板が挿入されの河床変動計算の再現性と関係している．しかし，主ており，上流端境界では，流入時の流れと土砂移動が流部である外岸付近の二次流分布をよく再現出来てい複雑化し計算ではこれを再現出来ないためである．しることが分かる．図-7に横断形状の実験値と計算結果の図-6は断面平均流速で無次元化した二次流分布の実験結2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

彦山川

比較を示す．実験では，外岸を緩勾配化することによ

18.0km

水位・流量観測所
20.0km

日の出橋
勘六橋

り、最大洗掘深は減少し，洗掘位置は水路中央へと寄計算区間(19.8km～30.5km)

N

26.0km

22.0kmっている．計算結果は、内岸の形状が実験と整合しな計算区間

検証対象蛇行区間

24.0
28.0kmい部分が見られるが，外岸の緩勾配化による実験の河床形状を概ね再現できている．以上のことから底面流30.0

遠賀川

速解析法は緩傾斜河岸を有する湾曲水路の縦断的な流川島

標高(m)況，河床変動の変化を説明できることから，船底形河道断面の設計に活用できると考えられる．

緩傾斜化する範囲

3. 遠賀川蛇行区間における安定な河道縦横断面形の検討(1) 検討方法

図-8 対象区間平面図

本章では，現地河川蛇行区間の外岸を緩傾斜した場合の，安定な河道形状についてBVC法を用いて検討する．
対象とする蛇行区間は，図-8に示す遠賀川の27.0km～29.0kmとした．本検討では最初に，現況河道に対し，平
成22年洪水を対象とした洪水流・河床変動計算を行い，27.0km (現況)27.2km (現況)27.4km (現況)27.6km (現況)27.8km (現況)式(1)を満たすように低水路幅を拡幅
27.0km (Case1)

27.2km (Case1)

27.4km (Case1)

27.6km (Case1)

27.8km (Case1)

水衝部の低水路幅を多地点より大きくする
27.0km (Case2)

計算結果と無次元流量-無次元河幅・水深の関係を分析


 Q 

2.80
 gId r5 し，流れと河床変動の課題を整理する．次にこれらの課題を踏まえた，外岸を緩勾配化した河道断面形を設

105定し，洪水流・河床変動計算から河道の安定性についBて検討する．

dr

27.2km (Case2)

0.40


Bdr

 Q 
 6.33
 gId r5 

27.6km (Case2)
0.40
 (1)

(2) 現況河道における無次元流量-河幅・水深の関係
図-9に，現況河道の洪水流河床変動計算から得られた，

104

低水路満杯流量時における無次元流量と無次元河幅の関係を示す．福岡は安定な河道の無次元流量と無次元h

河幅の関係は，図中の式(1)に示す曲線式にプロットさhれることを多くの河川データから明らかにしている1)．

dr

現況河道における無次元流量と低水路満杯時の河幅のdr

 Q 

 0.14
 gId r5 
0.38
 (2)

1010

関係(四角プロット)は，全ての地点で下限曲線を下回っQ

図-9 無次元流量-無次元河幅・水深の関係
洪水時水位ている．特に27.0km，27.6km，27.8km地点では，下限曲線式を大きく下回っており，改修が必要なことが分か

堤防

低水路満杯時の低水路幅式(1)より拡幅する川幅ΔBを決め，そこから緩傾斜化する．
堤防

ΔB

高水敷高水敷る．そのため，縦横断的に望ましい河道に改修するた
めには，式(1)を満たすように低水路幅を拡幅すること

1011

gId r5

平水位斜面は維持できるのか

外岸
河床は安定するのかを考える．

低水路

平水位以下の低水路幅を維持する(護岸の設置)

図-10 断面設計の考え方(3) 改修案

河床変動量(m)図-10は断面設計の考え方を示す．本検討の制約条件
として，平水位を下げないようにするため，外岸の護堆積Case1

岸を残したまま，平水位より高い位置の高水敷を緩傾斜化する．現況河道では，河幅が図-9中の式(1)を満たしていないことから，Case1として，式(1)を満たすように低水路満杯時の河幅を広げ，外岸の緩勾配化を行った河道を設定した(図-9丸プロット)．Case2では，高速流が洗掘

Case2発生する蛇行頂部下流(27.0km～27.2km，27.6km～27.8km)
は危険箇所となるため，河幅を他の地点よりも大きく設定した(図-9三角プロット)． これらの設定した河道にと同じ外力条件を用いた洪水流・河床変動計算法を適用し，河道の安定性，外岸の緩勾配化の効果について検討する．

図-11 改修河道における洪水終了後河床変動量コンター図2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)

図-11はCase1,2における洪水終了後の河床変動量コンター図を示す．27.1km付近と27.6km付近では，1.5m以上の局所洗掘が発生しており，低水路河幅をできるだけ標高(T.P.m)

27.2km (洪水前)(4) 設定した河道(Case1,Case2)の検証

27.2km (洪水後)

13
11

高水敷

9高水敷

7

外岸
低水路河床

5護岸

3050100150200

横断距離(m)
図-12 洪水前後の横断面形の比較広げたCase2においても改善されていない．図-12はCase2における洪水前後の横断面形の比較を示す．外岸の斜底面流速(m/s)

面部については，大きな変動は見られず，斜面部の形状を維持することが出来ている．しかし，護岸付近のCase1

斜面部は数十㎝程浸食され，低水路河床は護岸付近で大きく洗掘されている．図-13に底面流速のコンター図を示す．図-11において局所洗掘が発生していた27.1m，27.5km付近の低水路際では，Case1,2とも流速分布が偏り，高流速が発生しているため，局所洗掘の改善に至らなCase2かったと考えられる．本検討で行った数値計算から，流れが直線部と大きく異なる蛇行区間では，斜面部と低水路河床を接続する護岸付近で，局所洗掘，浸食の問題が生じることから，護岸を有する河道の設計には注意を要することが分かった．

た河道では，護岸付近で大きな局所洗掘問題が生じることが明らかとなった．そこで，本節では，蛇行区間での河道断面形をどのように改修すべきかについて，

図-13 改修河道における底面流速コンター図
標高(T.P.m)(5) 治水と環境の両面から望ましい河道断面設計法
Case1,2の検討から護岸を残したまま，外岸を緩勾配化し

13113

く浸食され，緩やかな斜面を有する船底形の断面形へと変形しており，外岸の局所洗掘も発生していない．

50

外岸

低水路河床

27.2km

50100

150

200

横断距離(m)13

標高(T.P.m)

化(途中経過)を示す．護岸が設置されていた外岸は大き高水敷7検討する．図-14に現況河道の護岸を取り除き，洪水流・河床変動計算を行った際の洪水前後の断面形の変

高水敷

911高水敷9高水敷
外岸7527.6km

3050

低水路河床

100150200

護岸が設置されていた箇所が緩やかな傾斜となること

横断距離(m)
図-14 護岸を取り除いた場合の断面形の変化と，Case1,2の検討から，護岸を設置したまま，船底形縦うかについてBVC法を用いて検討を行った．その結果，横断形状を維持することは困難であると考えられる．

外岸斜面部と低水路河床を横断方向に接続する護岸付

そのため，現況河道の護岸を取り除き，自由な浸食に近には，河床洗掘と斜面部の浸食が発生することを示

よって形成される断面形を洪水流・河床変動計算からした．このため，複断面形から船底形河道への改修に求め，これを設計外力に対する安定な河道断面形と考あたっては，低水護岸を取り除き検討した河道断面にえる．さらに，設計外力を超える洪水に対して．高水

対して，治水と環境に配慮した石積み護岸等で設計外敷利用，堤防保護等の観点から護岸設置が必要な場合力を超える大洪水に対しても，斜面部を安定に維持でには，河川景観や親水性を考慮して，石積みの護岸をきる本研究で示した川づくりが求められる．

設置する．このような低水路河床，斜面部を有する断

参考文献

面形の河道は，洪水流に対して望ましい断面形となる

1)と考えている．

4. 結論と今後の課題
湾曲水路における側岸侵食実験と外岸に緩傾斜河岸

2)を有する水路の実験にBVC法を適用し，本解析法が外岸浸食過程，緩傾斜付近の流速分布，河床変動が再現可

3)能であり，船底形河道の断面の設計に活用できることを示した．さらに，遠賀川の複断面蛇行区間において平水位が変化しないように低水路護岸を残したまま外岸を緩傾斜化すると，河道断面形状が維持できるかど

4)

福岡捷二：大規模洪水に適応可能な河道の設計・管理技術，第 50 回水工学に関する夏季研修会講義集 A7, pp.1-20, 2014.
福岡捷二，山坂昌成，竹内聡，古屋晃，永納栄一：
湾曲流路の側岸浸食，第 27 回水理講演会論文集，
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内田龍彦，福岡捷二：底面流速解析法による連続する水没水生群を有する流れと河床変動の解析，土木学会論文集 B1，Vol.67，No1，pp.16-29，2011．
福岡捷二，西村達也，三宮武，藤原剛：緩傾斜河岸を設置した河道湾曲部の流れと河床形状：土木学会
論文集，No.509/Ⅱ-30，pp.155-167，1995.

2015 年度 中央大学理工学部都市環境学科修士論文発表会要旨集(2016 年 2 月)