論文原稿[P0240]

第2段審査 土木学会論文集B2（海岸工学）, Vol. 71, No. 2

海岸堤防の粘り強さ向上による減災効果の感度分析渡辺

国広1・姫野1正会員

国土技術政策総合研究所 企画部企画課（〒305-0804 茨城県つくば市旭一番地）
E-mail: watanabe-k92tc@nilim.go.jp

一樹2・榊原 弘3・有村 盾一4・八木
越智 達郎3・諏訪 義雄5

裕子4

2非会員

国土技術政策総合研究所 河川研究部海岸研究室（〒305-0804 茨城県つくば市旭一番地）
E-mail: himeno-k2mt@nilim.go.jp
3非会員 株式会社東京建設コンサルタント 環境防災部（〒170-0004 東京都豊島区北大塚1-15-6）
4正会員 株式会社東京建設コンサルタント 海岸・海洋部（〒170-0004 東京都豊島区北大塚1-15-6）
5正会員 国土技術政策総合研究所 河川研究部海岸研究室（〒305-0804 茨城県つくば市旭一番地）

海岸堤防が津波越流に対して粘り強い構造となることが背後地における家屋被害軽減や避難時間確保に及ぼす影響について定量的に感度分析するために，43ケースの津波浸水シミュレーションを実施した．津
波の規模と破堤遅延時間を変えて計算したところ，堤防の破堤が遅れることで津波浸水範囲の低減，背後地における津波到達の遅延が起こり，その効果は津波の規模が小さい時ほど顕著であることが確認された．
また，堤防の破堤遅延時間が長くなると，内陸部における二線堤等による減災効果がより高くなることも確認された．堤防の残存率を変えた計算では，減災効果を得るにはある一定以上の残存率が必要であることを示唆する結果が得られた． これらの結果は，粘り強い構造の海岸堤防に関する技術開発の意義を示すものとなった．

Key Words : tsunami, simulation, coastal dike,sensitivity analysis, disaster risk

1. 背景と目的
東北地方太平洋沖地震津波（以下，今次津波）で多くの海岸保全施設が被災したことを受けて，「設計対象の津波高を超えた場合でも施設の効果が粘り強く発揮できるような構造物の技術開発を進め，整備していく」とする方針が中央防災会議等から示された．「粘り強い」とは，海岸保全施設が破壊・倒壊するまでの時間を少しでも長くする，あるいは，施設が全壊に至る可能性を少しでも減らすことである．これによって，避難に使える時間を確保する，第二波以降の被害を軽減する．迅速な復旧を可能とすることで二次災害のリスクや復旧費用を低減するなどの効果が期待される．
粘り強い海岸堤防の構造については，多くの研究者により検討が進められてきた．しかし，海岸堤防の建設費増に直結するため，現場に適用するにあたっては，背後地における減災対策との組み合わせを含めて費用対効果を考慮したうえで性能を決定することが求められる．そこで本研究では，海岸堤防が粘り強い構造となることが背後地における家屋被害軽減や避難時間確保に対して及ぼす効果を津波浸水計算によって定量的に感度分析することを目的とした．

2. 方法(1) 検討対象地と地形条件の設定
仙台湾南部海岸の名取川から阿武隈川までの範囲を対象とした．地形データは日本水路協会発行の海底地形デジタルデータ（M7000）沿岸の海の基本図，東北地方整備局による河川縦横断データ，陸上は被災直後に国土地理院によって計測された結果をそれぞれ使用して構築されたものを用い，海岸堤防の高さは復旧後の高さとした．
津波浸水計算の際には，海域，陸域ともに津波の断層モデルから算出される地盤変動量を考慮した．海岸堤防の破堤条件は次節のとおり海岸堤防の粘り強さに応じたものとした．背後地における減災対策との相乗効果についても確認するために，復興計画に示されている道路盛土等による二線堤等を考慮した地形での計算も6ケース実施した（表-1）．二線堤等は，嵩上げ後の閖上地区の地盤の高さをT.P.+5m，貞山堀の土堤の高さをT.P.+3.7m，

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15越流水深 6.9m

水位(+T.P.m)

越流水深 4.0m

10越流水深 2.0m
堤防天端高 T.P.+7.2m

50
65

70

75

80

85

9095

100105110115

地震発生後の経過時間(分)図-2 堤前(X地点)における津波水位の時系列変化（海岸堤防の破堤なし）

水位(+T.P.m)

15

図-1 津波浸水計算の対象範囲と到達時間の計測地点
表-1 津波浸水計算のケース設定
X 地点における越流水深
2.0 m
4.0 m
6.9 m
6.9 m
+二線堤有

破堤遅れ時間（分）
0, 1.5, 3, 4.5, 5, 70, 1.5, 3, 4.5, 5, 70, 1.5, 3, 4.5, 5, 7

残存率（%）
96, 80, 50, 46, 40, 20, 1180, 60, 40, 30, 24
60, 50, 48, 30, 24, 7, 40, 1.5, 3, 4.5, 5, 7-

直後破堤
1.5分後破堤
3分後破堤
4.5分後破堤
5分後破堤
7分後破堤（破堤なし）

10 堤防天端高T.P.+6.92m(沈下考慮)

5065707580

地震発生後の経過時間(分)図-3 堤前(X地点)における津波水位の時系列変化（越流水深 6.9m）

堤防海側および堤防陸側における水位である．越流後の県道相野釜蒲崎線の高さをT.P.+5mとした．これらの設陸域における遡上計算は岩崎・真野5)の方法を用いた．
定は計算実施時点で得られた復興計画をもとにしており， 潮位条件は阿武隈川河川整備基本方針に示されている朔不明点については周辺状況を考慮して設定しているので， 望平均満潮位T.P.+0.76mとした．
必ずしも実際に進められているものとは一致しないことを留意されたい．地形データのメッシュサイズは1350m， (3) 計算ケース
450m，150m，50m ，10mの5段階とし， 陸上部分は10m
海岸堤防を粘り強い構造としたことによる破堤の遅延
メッシュとした．
効果を想定したケースとして津波が堤防を越流してから破堤するまでの時間（以下，破堤遅延時間）を6通り設(2) 計算モデルと計算条件定した．越流時間が破堤遅延時間より短いうちは堤防の津波浸水シミュレーションの手法，計算条件は，津残存率は100%であるが，越流時間が破堤遅延時間を超
1)
波浸水想定の手引きVer.2 に従って実施した．すなわちえると残存率が0%となり，瞬時に破堤すると仮定した．
波源モデルの断層パラメータよりOkada (1985)の方法 2) で破堤確率が低減することを想定した設定としては，破計算される海底基盤の鉛直変位分布を津波の初期水位と堤遅延が無い条件で越流が発生した場合の堤防の残存率して海面に与え，外洋から沿岸への津波の伝播・到達はを5～7通り設定した．破堤箇所を決めるにあたっては，非線形長波理論を基礎方程式とする計算によって求めた． 破堤が1メッシュ（10m）毎に独立して起こると仮定し，海岸堤防からの越流量は浸水想定区域図作成マニュアル
Microsoft Excelの乱数発生関数を用いて各メッシュに0～13)に従い,本間の正面越流公式 4) により完全越流の場合のまでの実数を与えた．この値を，海岸堤防の総延長に対式(1)と潜り越流の場合の式(2)により算定した．
する残存延長の割合が残存率と一致するようになるよう
0.35

2(1)

0.91

2(2)に設定した閾値と比較することで，その位置が破堤するか否かを判定した．
津波外力の大きさは堤防全面のX地点（N 38°7′37.30″，E 140°56′20.85″，図-1）における越流水深として定義し，東北地方太平洋沖地震津波の東北大モデ
ルver.1.2 6)を用いたときに得られる越流水深6.9m，その約2
ここにQは単位幅あたりの越流量（m /s），H1（m）， 6割，3割の越流水深に相当する4.0m，2.0mの3通りとな
H2（m）はそれぞれ，堤防の天端高を基準とした場合のるように，断層モデルの地盤変異量を調整した（図-2）．

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(a)

(b)

(c)

(d)

図-4 堤防の破堤遅延を考慮した計算による最大浸水深の分布 (a) 越流水深 6.9m 越流直後破堤，(b) 越流水深 6.9m 越流 4.5 分後破堤，(c) 越流水深 2.0m 越流直後破堤，(d) 越流水深 2.0m 越流 4.5 分後破堤

(2) 最大浸水深の平面分布
堤防の残存率を固定して破堤遅延時間を変化させた計算ケースでは，越流水深6.9mの場合の浸水範囲は，破堤(4) 津波減災効果の評価
が4.5分遅れた場合には直後破堤の場合に比べて，仙台海岸堤防が粘り強い構造となることによる減災効果は， 東部道路より内陸の一部が浸水を免れる程度の違いであったが，浸水範囲内における最大浸水深はほとんどの箇
最大浸水深の分布，A地点（N 38°7′54.57″，E 140°54′50.53″，B地点（N 38°9′20.80″，E 140°55′
所で低下した（図-4 (a), (b)）．これに対して越流水深2.0mの場合には，破堤が4.5分遅れることで浸水が海岸線54.71″，図-1）における津波到達時間および津波水位のこれらの組み合わせからなる計43ケースの津波浸水計算をおこなった（表-1）．

3. 結果(1) 越流の継続時間と破堤の発生
堤防前面（図-1中X地点）における水位の時系列変化（図-2）によれば，越流水深6.9mとなる規模の津波の場
合には地震発生から67.25分後には海岸堤防の前面に津波の第1波が到達して越流が発生した．堤防の残存率を固定して破堤遅延時間を変えたケースでは，越流時間が設定された海岸堤防の破堤遅延時間を超えると，堤防が破堤して津波のせきあげが解消されて堤防前面の水位が急減した．破堤遅延時間を7分としたケースでは津波の越流時間は最大で6.25分にとどまり，破堤遅延時間の設定を超えることがなかったので，最後まで堤防が存在し続ける結果となった．同様に越流水深4.0mとなる津波についても，破堤遅延時間が7分の場合には破堤が発生する前に越流が終了する結果となった．越流水深2.0mとなる規模の津波の場合には，越流時間は最大でも3.5分にとどまり，破堤地遅延時間の設定が4.5分，5分，7分のケースではいずれも破堤しない結果となった．なお，堤防前面における地盤沈下量は越流水深6.9m，4.0m，2.0mでそれぞれ0.28m，0.16m，0.12mであった．

から約500m内陸までの範囲に留まり，明瞭な違いが生じた（図-4 (c), (d)）．
家屋被害の指標として大部分の木造家屋が全壊する浸水深2m以上の面積に着目すると7)，どの規模の津波に対しても，破堤遅延時間が長くなるに従い，面積が減少する傾向が見られた（図-5）．越流水深6.9mの規模の津波に対しては破堤が5分遅れた場合は3,727haとなり，越流直後に破堤する場合の4,503haと比べて面積が17.2%減少した．効果は津波の規模が小さいほど顕著であり，越流水深2.0mの場合には破堤が3分遅れるだけでも最大浸水深が2m以上となる面積が2,402haから1,278haへと46.8%減少した．
背後地の二線堤を考慮した計算では，越流水深6.9mの津波に対して破堤遅延が無い場合には，二線堤が加わる
ことで低減される浸水範囲の面積は134haであった．こ最大深水深2m以上の面積(ha)時系列変化によって評価した．なお，A地点は二線堤よりも陸側，B地点は二線堤よりも海側に位置する．

5,000
4,500
4,000
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
0

越流水深6.9m
越流水深4.0m
越流水深2.0m
越流水深6.9m＋二線堤02468

破堤遅れ時間（分）図-5 破堤遅れ時間と最大浸水深 2m 以上の面積の関係

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5(a)

432
1直後破堤

(b)

4

水位(+T.P.m)

水位(+T.P.m)

5

1.5分後破堤

33分後破堤2

4.5分後破堤
5分後破堤

1

0

7分後破堤

060

120180240
地震発生後の経過時間(分)

300

60

120180240
地震発生後の経過時間(分)300

図-6 A地点における津波水位の時系列変化 (a) 越流水深 4.0m，(b)越流水深 6.9m
1000

津波到達時間の遅延（分）

津波到達時間の遅延（分）

1000

(a)
100
101

※実務に利用する際は流速の計算精度に留意すること

0.102

46100
10

越流水深6.9m(b)（A地点）

越流水深 6.9m

越流水深4.0m（A地点）

越流水深 2m

越流水深 4m
X=Y

越流水深2.0m（A地点）

1X=Y0.180

破堤遅れ時間（分）246

図-7 破堤遅れによる津波到達の遅延効果 (a) A 地点,れに対して破堤遅延が4.5分間の場合には，二線堤が加わることで浸水範囲の面積が1279ha減少した．
(3) 背後地における津波到達時間
破堤遅延時間についての感度分析では，海岸線から約2km内陸に位置するA地点（図-1）への越流水深4.0mの8

破堤遅れ時間（分）(b) B 地点に大きな違いは見られなかった．
残存率の増大に応じて浸水範囲の低減も大きくなる傾向が認められたものの，残存率と浸水面積は上に凸の関係となった（図-10）．例えば堤防の残存率が0%から7%に上昇した場合，最大浸水深が2m以上となる面積は4,503haから4,487haへと16ha（0.36%）減少するだけであ

津波の到達時間は，破堤が4.5分遅れることで，破堤がったのに対して，残存率が50%から60%に増加した場合遅延しない場合に比べて32.25分と大幅に遅れる結果とには，浸水面積は4,222haから4,115haへと107ha（2.5%）
なった．一方で，越流水深6.9mの津波については，破堤も低減した．すなわち，堤防の残存率が低い場合には多が4.5分遅れた場合の津波到達の遅延は4.5分に留まり，少の残存率の増加では浸水面積は低減しないが，残存率破堤遅延時間とほとんど変わず，その他の遅延時間につがある程度高い場合には残存率の増加による浸水範囲のいても同様であった（図-6）．
低減効果が明確になるという傾向にあった．
また，海岸からの距離が同程度であるB地点（図-1）
では，破堤の遅延による津波到達の遅延はA地点に比べ4. 考察て少なく，特に越流水深6.9mの津波に対しては破堤遅延(1) 破堤遅延による浸水面積の低減効果
時間が長くなっても津波到達時間はほとんど変わらない結果となった（図-7）．
計算をおこなった全ての規模の津波について，越流開二線堤の有無による違いに着目すると，越流水深6.9m
始から破堤までの時間が長くなるほど浸水面積が低減すの津波に対してA地点では直後破堤の場合には二線堤のる傾向は共通していたが，低減効果は津波の規模が小さ存在によって遅延がさらに0.5分遅れるだけであった．
いほど顕著であった（図-5）．小規模な津波ほど発生確これに対して破堤が4.5分遅延した場合には，二線堤が率が高いことを考えれば，海岸堤防を粘り強い構造とすあることでさらに3.75分，到達が遅延した（図-8）．まることの費用対効果は，最大クラスの津波（L2津波）たB地点については，二線堤の有無による到達時間の違だけでなく，様々な規模の津波を想定した評価も重要でいは見られなかったが，津波水位は二線堤が存在する場あると考えられた．ただし本研究の結果は，越流水深合の方が二線堤が無い場合と比べて高くなった（図-9）． 4.0m，2.0mの規模の津波については波源モデルの設定が簡便なものであるので，津波の規模が小さくなれば継続(4) 残存率の向上による津波浸水の変化時間も小さくなる（図-2）．実際には規模が小さくても堤防の残存率を変化させた津波浸水計算では，得られ継続時間が長い場合もあることにも考慮せねばならない．
た最大浸水深の分布に，破堤時間を考慮したものと傾向

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第2段審査 土木学会論文集B2（海岸工学）, Vol. 71, No. 2(2) 二線堤等による減災効果の向上
関数的に増加することから，技術開発によって海岸堤防の粘り強さを向上させることは大きな減災効果を生む可海岸堤防の破堤遅延が無い場合には二線堤が加わって能性があることが示された．
も越流水深が6.9mの津波による浸水面積はほとんど変わらないが，破堤遅延がある場合には二線堤が加わること(4) 地点による津波到達遅延効果の違いで浸水面積が大きく低減する結果となった（図-5）．
海岸堤防の破堤遅延が背後地における津波到達に与え二線堤よりも海側に位置するB地点では，二線堤が存る影響は，海岸からの距離が同程度であるにもかかわら在したほうが津波水位が高かったことを考慮すれば（図ず，B地点では小さかった（図-7）．津波水位の時系列-9），海岸堤防と二線堤の間に越流水が留まることで，変化によれば，破堤が4.5分遅延した場合のB地点におけ
本間の公式によって算定される海岸堤防からの越流量がる水位は，津波到達後にT.P.+3～4mまで急上昇して停滞抑制された結果と考えられた．
したあと，地震発生から75分後周辺で再び急激に上昇しこの結果は，海岸堤防を粘り強い構造とすることで，た．この結果は，浸水経路が２通り存在したことを示唆
背後地に構築される二線堤がより効果を発揮しやすくなする．
ることを示すものである．二線堤によって堤防背後に一A地点はの北の名取川と南の阿武隈川のほぼ中間地点
時的に貯留される水はウォータークッションとして，海にあるのに対してB地点は名取川に近い．そのため，1岸堤防の破壊の主要因である裏法尻における洗掘の低減に寄与し，より堤防が壊れにくくなることも期待される． 回目の水位上昇は名取川を遡上した津波が河川堤防を越えてきたものであり，海岸堤防を越流してきた津波は2(3) 津波到達遅延効果回目の水位上昇が相当するものと考えられた．このことは，B地点における2回目の水位上昇は直後破堤の場合越流水深4.0mの規模の津波に対しては，破堤が4.5分遅れるだけでもA地点への津波到達は30分以上遅れる結果の水位上昇から約4.5分遅れており，A地点における遅延となった（図-6）．この時間は避難の可能性を高めるう効果と同等であったことからも支持される．
えでは十分な効果である．地震発生から津波到達までのこの結果は，海岸堤防を粘り強くすることの効果は地時間が短い，南海トラフ巨大地震の浸水想定地域におい点によって大きく異なる場合もあり，代表点で得られたては人的被害の低減に大きく寄与するものと考えられる． 結果を地域全体について適用するべきではないことを意
また，さらに破堤が30秒遅れて5分の遅延となった場合味する．効果を評価する場合には必ず津波浸水計算を実には，到達時間は60.5分まで増加した（図-6）．このよ施して，津波の遡上経路や時系列の水位変化なども確認
うに破堤時間の遅延に対して津波到達時間の遅延は指数せねばならない．
8水位(+T.P.m)

765

二線堤無し

直後破堤

二線堤有り

直後破堤

二線堤無し

4.5分後破堤

二線堤有り

4.5分後破堤

4321065707580859095100

地震発生後の経過時間(分)図-8 二線堤の有無による津波水位の時系列変化の違い(5) 堤防の残存率を想定した効果の評価
堤防の残存率が低い時には残存率が多少増加しても減災効果は大きく変わらなかった（図-10）．残存する箇所が10mごとにランダムに決まる場合には，ある箇所が残存したとしても近隣からの浸水があるため，背後への浸水にはあまり影響がないためと考えらえる．この結果は，堤防の粘り強さを向上させる場合には，想定する外力に対して一定以上の残存率を確保することが重要であることを示唆する．例えば越流水深4.0mの規模の津波に二線堤無し 直後破堤

水位(+T.P.m)

7二線堤有り 直後破堤

65二線堤無し

4.5分後破堤

二線堤有り

4.5分後破堤

4321065707580859095100

地震発生後の経過時間(分)図-9 二線堤の有無による津波水位の時系列変化の違い（B地点：越流水深 6.9m）

最大浸水深2m以上の面積（ha）（A地点：越流水深 6.9m）
8

5,000
4,500
4,000
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
0

越流水深 6.9m
越流水深 4.0m
越流水深 2.0m

050
堤防残存確率（%）

100

図-10 堤防残存率と浸水面積の関係

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対しては約30%以上の残存率が求められるので，これを開発目標として設定することも考えられる．
(6) 実務への適用にあたっての留意点
海岸堤防を粘り強い構造とする工夫についてはいくつか提案されているものの3)，それによる破堤の遅延や破堤確率の低減などの効果を定量的に示すことができる段
階にまではない．また，背後地における津波到達時間は越流水の流速に大きくする依存するが，本研究で用いた津波浸水計算手法は浸水範囲については精度が高いが，水深方向に等流速を仮定しているために，流速の精度については保証されていない4)．
今回の検討では海岸堤防の粘り強さは全て同じとして単純化した．実際には海岸堤防を全て同じ構造に設計したとしても，その地点の地盤や施工時の条件によって品質にばらつきが生じることが予想される．仮に計算手法が高度化され，流速の計算精度が高くなった場合にもこうした不確定要素は残ることから，粘り強い構造としたことによる効果を過信したまちづくりとならないように留意せねばならない．

5. まとめ波の規模に応じたある一定以上まで残存率を高めることが必要である．
これらの結果は，海岸堤防を粘り強くすることが背後地の減災に寄与することをはじめて具体的に示したものであり，粘り強い構造の海岸堤防に関する技術開発の意義を示すものでもある．
参考文献
1)

2)

3)

4)
5)

本研究では，海岸堤防を粘り強い構造とした場合の効6)果について津波浸水計算をおこない，以下の結果を得た．
・堤防の破堤が遅れることで津波浸水範囲の低減と背後地における津波到達の遅延効果が得られ，その効果は津波の規模が小さい時ほど顕著である．
7)・堤防の破堤遅延時間が長くなると，内陸部における二線堤等による減災効果がより高くなる．
・堤防の残存率を高めることで減災効果を得るには，津国土交通省水管理・国土保全局海岸室，国土交通省
国土技術政策総合研究所河川研究部海岸研究室: 津波
浸水想定の設定の手引き Ver.2.00（オンライン），
http://www.mlit.go.jp/river/shishin_guideline/bousai/saigai/tsunami/shinsui_settei.pdf ，2012．参照 2015-5-9．
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国土交通省水管理・国土保全局河川環境課水防企画室，国土交通省国土技術政策総合研究所危機管理技術研究センター水害研究室: 浸水想定区域図作成マニ
ュ ア ル （ 改 訂 版 ） （ オ ン ラ イ ン ） ，
http://www.mlit.go.jp/river/bousai/main/saigai/tisiki/syozaiti/pdf/01.pdf，2014，参照 2015-5-9．
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岩崎敏夫，真野明: オイラー座標による二次元津波遡上の数値計算，第 26 回海岸工学講演会講演集, pp.7074, 1979.
今村文彦，越村俊一，馬渕幸雄，大家隆行，岡田清宏: 東北地方太平洋沖地震を対象とした津波シミュレーションの実施 東北大学モデル（version1.2）（オンライン），http://www.tsunami.civil.tohoku.ac.jp/hokusai3/J/events/tohoku_2011/model/dcrc_ver1.2.pdf ，2012．参照 2015-5-9．
首藤伸夫: 津波強度と被害，東北大学津波工学研究報
告，第 9 号，pp.101-136，1992.
(2015. 3. 18 受付)

SENSITIVITY ANALYSIS FOR EVALUATING THE DISASTER RISKREDUCTION ACHIEVED BY ENHANCING PERSISTENCE OF COASTAL DIKESAGAINST TSUNAMIS
Kunihiro WATANABE, Kazuki HIMENO, Junich ARIMURA, Hiroko YAGI, Tatsuro
OCHI and Yosio SUWA
The effectiveness of coastal dikes was quantitatively assessed by simulating 43 cases of tsunami inundations. The duration of a tsunami overflow that a coastal dike can withstand was asumed to be the persistenceof the dike against a tsunami. Three types of tsunami height, six levels of dike endurance, and 5 to 7 typesof dike collapse probabilities were selected as parameters for investigating the sensitivity of the dike endurance to risk reduction. The area of inundation and the available evacuation time were selected as theindexes representing the expected reduction in risk; these parameters were compared between cases. Theresults showed a clear relationship between the persistence levels of a dike and the degrees of risk reduction.
The effect of enhancing the persistence of a dike to reduce damage is high when the height of a tsunami islow. The road and the bank also exhibit a synergistic disaster reduction effect when they are constructedlandward as secoundary dike-like structures. These results are the first quantitative evidence supporting thenecessity of reinforcing coastal constructed in the Tohoku district.