河川技術論文集,第11巻,2005年6月

論文

礫床河川の澪筋形成機構と河床粒度分布特性
FORMATION MECHAINSM OF GRAVEL BED RIVERS AND ITS
CHARACTERISTICS OF GRIN SIZE DISTRIBUTION

黒田勇一1・福岡捷二2・山本輝3・吉田和弘4・井内拓馬5
Yuichi KURODA, Shoji FUKUOKA, Teru YAMAMOTO, Kazuhiro YOSHIDA and Takuma IUCHI
1正会員

国土交通省北陸地方整備局富山河川国道事務所調査第一課長 (〒930-8537 富山市石金3-2-37)
2フェロー会員 Ph.D 工博 中央大学研究開発機構教授 (〒112-8551 東京都文京区春日1-13-27)
3正会員 大阪府港湾局建設部港湾課 (〒540-8570 大阪府中央区大手前2丁目)
4国土交通省北陸地方整備局富山河川国道事務所
5学生会員

広島大学大学院(〒930-8537 富山市石金3-2-37)(〒739-8527 広島県東広島市鏡山1-4-1)

To estimate the scouring depth and river-bed variation in steep channels is important for the flood
disaster prevention. The river bed material in steep channels which has a wide grain size distribution
provides useful information on river-bed scouring and variation. But reasonable methods to estimate thegrain size distribution are not established well and needed for the steep channel design.
In this study, we analyzed the past flood data and bed variation data and carried out the field
experiment in the floodplain of the Jyoganji River. From the present research we clarified thecharacteristics of the river-bed variation on gravel rivers and the grain size group which controls thestability of the river bed. Furthermore, we found availability of the use of the pictures of the bed’s surface
for understanding the grain size distribution in steep slope river.
Key Words : gravel rivers, field experiments, graded sediment, grain size distribution, thalweg

効性を示している．しかし，洪水時の水理量と洗掘深，河床粒度分布等の関係は明らかにされておらず，最大洗我が国の河川の勾配は諸外国の河川と比べ急峻であり， 掘深推定法の確立には至っていない．そこで，本研究ではわが国有数の急流礫床河川である常願寺川において，その上，土砂の生産域の近くに多くの人口や資産を抱え河床変動が生じる要因を明らかにし，最大洗掘深の推定ており，災害を受けやすい環境にある．急流河川は大洪法の確立につなげることを目指している．河床変動は土水といえども水位はそれほど高くはならない場合が多い
砂移動の収支によって引き起こされ，土砂移動は河床材が，流速が早く河岸を侵食し流路を変動させる．このた料の粒度構成に支配される．さらに，粒度分布は最大洗め，必ずしも大洪水が危険性が高いのではなく，中小洪掘深や洪水時の粗度係数，河川環境の把握などに非常に水時の河床洗掘によって破堤が懸念される．それに対し有用な情報となるが，これまでの河床材料調査法は利用て，現在では護岸の根入れ工を深くしたり，根固め工の目的ごとに定められておらず，同一の採取法に沿って行根継ぎをすることが主要な治水対策となっている．これわれてきた．急流礫床河川の河床材料は広い分布を持つに対しては，対策費がかかることと，有効性からも再検混合粒径によって構成されていることから，利用目的に討が必要となっている．従って，急流礫床河川の合理的応じた河床材料の調査法の確立が課題である．
な治水対策を検討する際，いつ，どこで，どのような大本研究では，最初に，縦横断河床高，河床粒度分布，きさの洗掘深が発生するかを精度良く判断できる技術の洪水流量等の既存の経年データの分析より洪水による礫確立が必要不可欠となる．急流河川の出水時の諸現象や床河川の河床変動を検討し，さらに，常願寺川における急流河川工法についての調査，研究は少ない．福岡・土2)
屋 は北陸の急流河川の河道特性と洪水流特性を整理し， 大規模現地実験により，礫床河川の河道の形成過程を把加えて急流河川の流れと河床変動に対する現地，水理模握する。
型実験と数値解析の結果を比較し，それぞれの検討の有

１．はじめに- 363 -

250

2000
年最大流量 (m /s)

1503

標高（m）

200

100
500051/1295 1/443

1015
河口からの距離（km）
1/209 1/951/75

1500

1000

201/60

平均年最大流量
Q=787m3/s

5001/710

河床勾配

H02

図-1 河床縦断図

H04H06H08H10H12H14

洪水発生年

図-3 年最大流量1000.0H14H9H7H10洪 水 痕跡 水 位

8987
標高(m)

粒径（mm）

100.0

10.0
昭和63年
平成５年
平成８年

1.08583

平成10年

810.1

8502468

10 12 14 16 18
縦断距離（km）

20 22 24

13526 2889

図-2 D60の縦断変化

標高(m)(1) 常願寺川の概要
常願寺川は，我が国有数の急流・扇状地河川であり，
図-1 に示すとおり河口から7km付近が勾配変化点となっている．河床勾配は河口付近で1/1,300程度であったものが，河口からわずか10kmで1/70まで急激に変化している．図-2 は河床材料D60の縦断分布であり，下流域の数 cmから10km地点では30 cm程度と大きく変化する．
常願寺川の河床の形態は複数の澪筋を形成する複列砂州の領域に区分される．

285335285335H6H3H2洪水痕跡水位

87２．常願寺川河道経年データの分析

185235横断距離(m)85838185135185235
横断距離(m)

図-4 河床横断図（13.1km地点）て澪筋の洗掘問題を考える際には，中小洪水についても考慮する必要があるといえる．
b) 澪筋の変動特性(2) 河床変動特性
最大洗掘深は澪筋に現れるため，洗掘問題を考える際
a) 洪水規模と河床変動の関係に澪筋の形成と変動特性を把握しておくことは重要であ
図-3 と図-4 にそれぞれ年最大流量の経年変化とる．図-5 に澪筋本数の縦断分布を示す．ここでは，便13.1km地点の河床横断図を示す．平成7年から9年の間に宜上，澪筋は低水路平均河床高よりも低い部分と定義しは1200m3/s，平成10年には1,700m3/sの洪水が発生していている．また，平成3年から14年の間に5回の横断測量がる．図-4 よりこのような1,000 m3/sを超える洪水が発生行われており，澪筋最大本数は5回の測量のうち各横断
すると，澪筋と砂州の位置関係や洗掘深が大きく変化し，面内に現れた最大の本数，澪筋平均本数は5回の平均の河道全体で河床変動が生じているのがわかる．平成10年
本数である．常願寺川の河床形態は複列砂州に区分され，の洪水痕跡水位を見ると，砂州上の水深は1～2 m程度あ河道内には平均的に2,3本の澪筋が存在している．澪筋り，砂州上の河床材料も動くと考えられる．それに対しの本数は低水路幅と堤間幅に強く依存しており，幅が広て500 m3/s程度の洪水の起きている平成3年から6年の期
がる断面では本数が増加し，狭まっていく断面では減少
間では，砂州部はほとんど変化が無いが，澪筋部は洗掘している．このことから，堤間幅，低水路幅が洪水の流深が増加している．これらのことから，急流河川におい- 364 -700600
川幅(m)

9低水路幅
堤間幅
澪筋最大本数澪筋平均本数500

8764005300

4200

310020

澪筋本数

800

10510
利田大橋(未)常盤橋

15常願寺川橋

20
雷鳥大橋

縦断距離(km)

上滝床固 宮路床固

横江堰堤

図-5 澪筋本数の縦断分布（平成3年～平成14年）

澪筋面積(m2)

澪筋面積(m2)

13.1km

150

澪筋面積
平均面積

100500H6H7測量年

H9H14

澪筋面積
平均面積

100100505000
H319.2km

150

澪筋面積
平均面積

澪筋面積(m2)

7.1km
150

H3H6H7H9測量年

H3H14H6H7H9H14測量年

図-6 澪筋面積の変動⑪⑥⑩⑨③ ② ⑤ ④①⑧

澪筋部
砂州部

50cm

50cm

表層

通過質量百分率(%)

30cm

表層下

下層

⑦図-7 平面調査位置(13.1km)

1009080706050403020100

澪筋表層
澪筋表層下
澪筋下層
砂州表層
砂州表層下
砂州下層

0.1

図-8 鉛直方向調査位置

110粒径(mm)

100

1000

図-9 各層の平均粒度分布(13.1km)

通過質量百分率(%)

100
れ方と，流砂の運動を特徴づける重要な要素であり，よ①②り運動の自由度が高いほど多くの澪筋を形成する．また，③④80⑤⑥
橋梁や床固，堰堤などの構造物が存在する場所では流水①⑦⑧と流砂の動きが制限されるため，澪筋の本数が少なくな
60⑨⑩⑪り，澪筋の横断位置の変化も小さくなることが確認され40た．
⑥図-6 に3断面の澪筋面積の経年変化を示す．澪筋面積20は断面内の全澪筋の断面積を合計したものである．グラ0フより，それぞれの断面で澪筋面積の経年的な変化分は0.11101001000
それほど大きくないといえる．澪筋本数の経年的な変化
粒径(mm)が大きい19.1km断面（図-5 参照）においてもそのよう
図-10 表層粒度分布(13.1km)
であることから，断面ごとに平均的な澪筋面積がほぼ，決まっており，洪水で澪筋の本数やその位置が変動して深度による粒度特性の違いを把握するため，図-8 に示も，その平均の面積に近づくような河道の構造になるよ
す様に表層30 cm，表層下50 cm，下層50 cmの3層に分けうに変化していると考えられる．て河床材料を採取し，ふるい分析が行われた．
(3) 河床粒度分布特性a) 河床形態による粒度分布特性の違い
河道形態による粒度分布特性の違いを把握するために，図-9 に河道形態別の各層の平均粒度分布を示す．表
7.1kmと13.1km断面において，図-7 に示すとおり砂州部層，表層下のどちらも砂州部よりも澪筋部の粒径が大きと澪筋部の両方で河床材料調査を行なった．また，河床くなっている．これは，澪筋部のほうが流れの掃流力が- 365 -18L1-25m

H14 河床H9 河床

L-1 L0-25m

L0

開削水路
16④15⑥⑫⑤

自然水路

N2N5N7BO21BO17⑨⑪N21120

170

220
270
横断距離(m)

320370420

自然水路ふるい分析
自然水路画像分析
開削水路画像分析

50m

図-11 鉛直・横断採取位置(7.1km)

Flow

BO14BO151470

BO1(右)
BO4(N29
N34.5
BO1(左)
BO11(右)BO4(左)
BO7BO11(左)N18N15L0+10m
L1-20m L1-5m

図-13 水路平面図及び河床粒度調査位置
87⑦⑨⑫⑭8060⑧⑪⑬
平均

86

標高(m)

通過質量百分率(%)

100

2500

11/16 水位
11/17 水位
通水前 河床21時間通水後 河床
11/17 全水頭
掃流力τ

⑨85

40842083

0110粒径(mm)

100

1000

2000

1500

1000

500
L-1L0-25m820.1

粒度分布調査点

掃流力τ（g/cm2）

標高(m)17L1-12.5m
L1 L2-25m L2-50

0L0L1-25m

L150

L2-25m100

L20150縦断距離(m)

図-14 開削水路の河床高，水位，掃流力縦断分布

図-12 澪筋部表層下粒度分布(7.1km)

大きく，河床材料がふるい分けられるためである．また，礫床河川の流路形成機構とそれに伴う河床材料特性を砂州部は堆積が卓越するため図-10 の①や⑥のように特明らかにするため，また河床材料調査法を検討するため，異な粒度分布形状を示す場合が見られる．
現地に水路を開削し実験を行った．現地実験は図-13 にb) 深度特性示す常願寺川の13.1km地点付近で行った．これ以降実験
表層，表層下は砂州・澪筋それぞれ特徴的な粒度分布のために河道内に新設した水路を「開削水路」，それにとなっているが，下層では両者の粒度分布がほぼ一致し対して元々河道内に存在する澪筋流路を「自然水路」とている．図-11 に示す横断面内の調査位置を見ると，砂呼ぶこととする．開削水路は河床を素掘りにしたもので，州部の下層はほぼ澪筋の河床面の高さであり，大きな洪全長約170 m，水路幅約4 mの直線水路である．開削水路
水時には澪筋となって土砂が移動していた層であると考の上流端は，盛土により締切られている．締切り土を取えられる．そのため砂州部の下層には混合した河床材料り払い自然水路に締切りを設けることにより流れを自然が堆積しており，澪筋部下層と一致するといえる．図水路からの流れを開削水路へと切り替える．流れを切り12 は澪筋部表層下の調査結果であるが，⑨の粒度が特替え，自然水路を締め切ることにより，自然水路には水に小さくなっている．横断面内の調査位置に着目すると， 流が絶たれ，河床粒度分布，河床形状の測定が可能とな
表層下がちょうど平成9年時に砂州であった部分に当たる．一方，水流のある開削水路において，縦断水位，流り，砂州部を調査したことに相当しているためである．
量を測定する．開削水路の河床高が平衡状態になるまで逆に砂州の表層下が以前の澪筋部分になっているケース
通水した後，開削水路から自然水路へと流れを戻す．こも見られた．以上のことから，急流河川の河床粒度分布
こで，開削水路の河床表面粒度分布，縦断河床形状を測
特性は河道形態の違いや，洪水による河床変動履歴の影定することにより掃流力と河床変動，河床粒度分布の関響を受けるため，河床材料の調査法や調査結果を検討す係等を調べる．河床粒度分布は河床表面を(2 m×3 m)四る際にはそれらの点を考慮する必要がある．
方の大きさの区域を(1 m×1 cm)の6個の小区域に分けた
デジタル画像の解析よりそれぞれの小区域の粒度分布を求め，それらを平均することにより求めた．自然水路に
３．常願寺川現地実験
ついてはこの方法に加え，表層0 ～40 cmと表層下40 cm～80 cmの河床材料を採取し，それぞれふるい分析を行(1) 実験概要
い，画像解析による方法との比較を行った．実験初日の- 366 -

100

100
L-1L0L1-25m
L1-12.5m
L1L2-25m

60

L0L1-20m
N07N21N2980
面積百分率(%)

面積百分率(％)

80

4060
402020

000.1

1.0

10.0

0.01

100.0

粒径(mm)

0.1Di／D60

110

図-17 粒度分布形状の比較

図-15 開削水路粒度分布(%)

り，大部分の河床材料が移動する河床粒度と掃流力の関係となっている．このことから，掃流力の大きい場所では大きい粒径範囲の河床材料が河床の安定に対して必要な量が露出するまで河床が低下することになる．

80移動限界粒径
D○%粒径60402000500

1000

1500

2000

図-16 掃流力と限界粒径の関係

11月16日に降雨があったため，開削水路内の流量は初日が8.09 m3/s，17日には7.00 m3/sまで低下していた．

(4) 河床粒度分布の形状
図-17 は，各調査場所の粒径分布をD60 で無次元化して粒度分布形状を比較している．自然水路と開削水路の両方でD80 以上を除いてどの場所でも形状がほぼ一致している．D80 以上の粒度分布の形状が変わるのは，それぞれの粒度分布に大粒径の礫がどの程度含まれているかによる．自然水路と開削水路の比較から，両者の粒度分布形状特性は概ね一致している．これは，常願寺川の河床は非常に広い粒径幅を持ち，異なる掃流力に対しても応答できるほどの粒度分布を有していることを示している．以上のことから，流水の作用を受けた河床表面の粒度分布の粒径をD60 で無次元化した形状はほぼ同様になることから，D60 によって粒度分布を評価することが可能であり，掃流力等からD60 を予測することができれば，その場の河床粒度分布の概略を求めることも可能であると考えられる．

(2) 開削水路の河床変動
図-14 に水位，全水頭，河床高，掃流力の縦断分布を示す．掃流力は，河床形状が形成されたと考えられるピーク時の流量(8.09m3/s)を用い算出している．通水によって初期河床の勾配が大きい区間(L1-25m～L1)の河床が大きく洗掘され，さらに勾配が大きくなっている．また，測岸の侵食についても急勾配で掃流力の大きいL125m～L1区間において侵食量が大きいことが確認された． (5) 礫床河川の流路・河床変動機構
これらのことから，河床変動・河岸侵食と掃流力の間にこれまでの結果を踏まえ,礫床河川の流路・河床変動は強い関係があり，流路が一様な直線区間であれば，最機構を考察する．平均年最大流量以下の規模の洪水が流も掃流力が大きくなる急勾配部で最大洗掘が生じる．
下すると，掃流力に耐えられない小さい粒径の河床材料は流送され，河床は低下し，粗粒化していく．同時に澪
(3) 開削水路の河床粒度分布
筋測岸の侵食も進行し，大きい礫は河床に転がり落ちて
図-15 に画像分析による粒度分布調査結果を示す．急留まり安定な河床に近づいていく．礫床河川は粒径の幅勾配区間であるL1～L1-25mの粒径が大きく，反対に緩が広いため，澪筋はある程度大きな掃流力に対しても粗勾配部であるL0～L-1区間，L2-25m～L1+10m区間の粒粒化することで河岸侵食に耐える河床粒度を形成し安定径は小さくなっている．ピーク流量時(8.09 m3/s)の水理化する．そのため，開削水路や自然水路において局所的量を用いて算出した掃流力の縦断分布と比較すると，掃な急勾配部や緩勾配部が澪筋内に連続して存在できるこ流力は急勾配部で大きく，緩勾配部で小さくなっており， とになる．この点が，下流の緩勾配区間の河床材料がほ河床粒度分布の大小関係と同様な関係になっている．
ぼ一様な粒径からなるために河床勾配もほぼ一様となる
図-16 の横軸は各粒度分布調査地点の掃流力，縦軸はそことと，大きくことなる点である。流量が増大し水深がの掃流力を移動限界掃流力として求めた粒径がその場の澪筋満杯以上になると，主流となっていた澪筋から他の粒度分布の何%粒径に相当するかを示したものである．
澪筋に流れが流入し分派する．それに加え，流速の小さ掃流力の大きい場所ほど移動限界粒径が大きくなっておい砂州部と大きい澪筋部の流れの混合により，流量が増- 367 -

8060402000.001

0.010.1110
粒径(cm)

緩勾配部

100

表層
表層下

通貨質量百分率(%)

通貨質量百分率(%)

BO-21BO-21Ｎ02N05N071001000

BO-14BO-14N15N188060402000.001

0.010.1

急勾配部

100

表層
表層下

通貨質量百分率(%)

最急勾配部

100

110粒径(cm)1008060BO-7(左)表層BO-7(左)表層下N34.5
N29402000.001

0.010.1

110100

粒径(cm)

図-18 ふるい分析と画像分析の比較

大してもある範囲内では澪筋内の掃流力の上昇が抑制される3)と予想される．さらに大きい平均年最大流量規模の洪水が流下すると，砂州上の水深が大きくなり砂州部でも河床材料の移動が始まる．また，澪筋部においても河床粒度の変化では掃流力に対応できなくなり，澪筋と砂州の位置関係が変化するような，河道全体での河床・流路変動が生じるものと考えられる．

河床変動特性と粒度分布特性について
礫床河川の特徴は，河床が広い粒径集団から構成されていることから，洪水の規模（掃流力）に応じた河床材料が河床で卓越するように澪筋の構造（大きさ，深さ，数等）が決まることである．
・ 年最大流量(800 m3/s)程度の洪水で河道内全体での河床変動が見られるが，中小洪水でも澪筋内では河床変動が生じており，洗掘問題を考える際には中小洪水についても考慮する必要がある．
(6) 河床材料調査法の検討
・ 礫床河川の流路・河床変動と河床粒度の間には洪水
図-18 は自然水路におけるふるい分析と画像分析の結規模に対応した密接な関係がある．
果である．自然水路は，上流の急勾配部，中流の緩勾配部，下流の最急勾配部により構成されている．急勾配部， ・ 直線部であっても，水面勾配は局所的に大きく変化する．水面勾配が局所的に最大となる急勾配部で最大最急勾配部において二つの分析方法を比較すると，D20洗掘が生じる．
～D30 程度より小さな粒径で，両者の差が大きくなっている．これは，画像分析では数 mm以下の粒径の河床材
・ 河床材料の粒度分布は河床変動の履歴や，澪筋・砂料を分析することが困難であり，逆にふるい分析では河州など河床形態の違いの影響を受ける．
床表層下の細粒分まで分析可能なためである．河床表層・ 掃流力の大きい場所では，大きい粒径範囲の河床材に多くの細粒分が存在する緩勾配部では，ふるい分析と料が河床安定に重要な役割を果たしている．
画像分析の差が顕著に現れている．しかし最大粒径や・ 河床表面の粒度分布は，粒径D60 で無次元化するとほぼ同様な形状をとる．
D60 などは両者ほぼ同様の値を示しており，特に急勾配・ 河床表面の画像分析から求めた粒度分布は，ふるい部では画像分析によって，ふるい分析結果の特徴を表せ分けで得られる粒度分布とほぼ同じ分布を与える．画ている．以上の結果から画像分析の特徴を示す．
像解析から求めた粒度分布は掃流力，粗度係数等の流・ 広範囲の河床粒度を容易に把握でき，尚且つ多くのれの把握に有効な情報を与える．
点を平均化できる．
このような大規模現地実験によって，礫床河川の流・ ふるい分析結果の特徴を表せる．
路・河床変動と河床材料の間に洪水規模に対応した密接・ 細粒分の分析が困難である．
な関係があることが明らかとなり，礫床河川の河道形成
これらに加え，河床表面の粒度分布は掃流力や洗掘深とについて展望が開けたといえよう．さらに，大きい洪水対応したものとなっていることから，粒度分布から掃流流量について開削水路を用いて現地実験を再び行い，流力など流れの特徴を知ろうとする場合や，河床表面が重路変動機構と河床粒度の形成機構を調べ，本文で得られ要である粗度係数の推算に河床表面画像の分析は有効でた結果が広い範囲で成立するかを確認することが今後のある．次にふるい分析の特徴を示す．
課題である．
・ 深度特性を把握できる．
・ 細かい粒径を分析できる．
参考文献
以上のことに加え，図-9 に示されているように河床の1) 建設省北陸地方建設局富山工事事務所：常願寺川の急流河川工法，第一共同印刷，1979．
下層は平均的な粒度分布になることから，ふるい分析は2)
土屋進：急流河川の河道計画と河床変動対策，広島
河道の平均的な粒度を把握したい場合や，細粒分も重要
大学学位論文，2001．
である河川環境の把握に有効であると考えられる．
3) 福岡捷二：洪水の水理と稼動の設計法，治水の環境の調和した川づくり，森北出版，2005．
５．結論と今後の課題（2005.4.7受付）- 368 -