関東森林研究

速 報71-1(2020)

立木による土砂と流木の捕捉効果を検討する水路実験岡田康彦 1 ・長井斎 2・玉井幸治 1
１ 国立研究開発法人森林研究・整備機構森林総合研究所
２ 株式会社建設技術研究所
要旨：流木を含む土砂が流下する現象に対し立木が発揮する効果を検討するために，水路模型を用いた実証的な実験を実施した。飽和させた土砂を全長 2.75m の流走域で加速させ，勾配が 15 度および 10 度の斜面に設定した立木に作用させて行った。実寸大で 15m 及び 7.5m の長さで与えた流木に関して，長さ 7.5m と短い場合に捕捉率が高い傾向が認められた。他方，土砂については立木の条件に依らずほぼ一定の捕捉率に収束した。
キーワード：水路実験，立木，流木Flume experiments on interactions between standing trees and driftwood/debris
Yasuhiko OKADA1, Hitoshi NAGAI2, Koji TAMAI11 Forestry and Forest Products Research Institute. Tsukuba Ibaraki 305-8687
2 CTI Eng. Co., Ltd. Tsukuba Ibaraki 300-2651

Ⅰ はじめに

Ⅱ 供試砂と水路実験森林が有する多くの公益的機能の中でも，山地の保全

供試砂は粒度調整砂（川砂の洗い砂）を用い，平均粒および土砂災害の軽減に対する期待は大きい。極端な集径 D50 は 0.6mm で，均等係数 Uc は 3.4，曲率係数 Uc’は中豪雨等の頻発により毎年のように土砂災害が発生して0.66 である。1 回の実験に使用する砂は 2.0×10-2m3 で，いる中，如何にその被害を軽減するのかが重要であり，これに 2.55×10-2m3 の水をゆっくりと供給することによ森林が果たす防災的な機能の定量的な解明は最も重要なり飽和供試体とした。
水路模型の縮尺は 1/20 とし，流走域は全長 2.75m（実課題の一つである。
山腹を流下してくる土石流に対し，立木は抵抗体とし

寸大では 55.0m）、堆積域は同 2.42ｍ（同 48.4m）で与えて機能する。他方，土石流により転倒して流出すれば，た。流走域 2.75m は、幅 0.15m，長さ 1.55m，勾配 30 度

流木となり下流域の被害増大につながるケースもある。の下端を幅 0.15m，長さ 0.80m，勾配 20 度と幅 0.15m，これまでに，立木単体が発揮する抵抗特性は現地引き倒

長さ 0.40m，勾配 15 度を連結してあり、上端部に止水ゲし実験により求められている(１)。

ートを設けその背後に供試体を作製した。
この流走域中、Mc = 2090.3 × 𝐷𝐵𝐻 2.58

長さ 0.40m，勾配 15 度の部分では，高さ 0.01ｍ，長さここで，Mc は現地引き倒し実験より導出した最大抵抗0.01m，幅 0.15m の瓦桟を 0.1m 間隔で設置して粗度調整

モーメント(kNm)，DBH は胸高直径(m)。

を行うと共に 4.0×10-3m3 の砂を水路底面に敷き詰めた。

他方，土石流は土砂と流木の混合物であることが一般

流走域の下流側の堆積域は、長さ 0.91m の 15 度斜面を、的であり，流木が複数の立木の間で詰まることにより，さらに長さ 1.51m の 10 度斜面に連結し、この部分に立その背後に土砂と流木が捕捉されやすくなる効果もある。

木を設定する仕様とした。実験は、流走域の下端部を土立木単体のみならず，複数の立木と，流木を含む土砂と砂が通過する時を初期条件として，土砂フロント部の波の相互作用を解明して被害軽減策を講じるためには，水高および流速が概ね 0.07m（実寸大では 1.4m），1.1m/s（同路を用いた実証的な実験を行うと共に，その結果を再現4.9m/s）になるように調整して実施した。なお，流木（直可能な数値シミュレーションモデルを構築して検討を進

径 10mm の丸棒，実寸大では 0.20m）は，土砂が流走域めることが必要である。本研究は前者に取り組むものでの 15 度勾配部を通過する際に上方から置くように落下ある。なお，これまでに類似の実験研究が一部なされてさせて与えた。流木の長さは，実寸大では 15m（16 本）はいるが(２)，そこでは，立木に与える強度特性が過大におよび 7.5m（32 本）とし，流木量は両者で同じになるよ設定されていることが問題と考えている。

うにした。立木を設定した堆積域中、15 度勾配部の幅は，－185 －（受理日 2020 年 2 月 17 日）

上流側が 0.6m，下流側が 1.2m で，10 度勾配部は幅 1.2m

他方，与えた土砂量に対して立木を設定した区間に堆で一定である。

積した量の百分率を土砂捕捉率として整理した（図-2）。

現地引き倒し実験で導出した最大抵抗モーメントに対この場合は，立木面積率に依らず，概ね 70%弱とほぼ一し，立木の設置条件に関する予備実験を実施して，フル定値に収束した。土砂の流れは，立木との相互作用はあード則に従って強度を発揮するように粘土材料と根入れまり働かず，斜面勾配の低下に伴って堆積が促進される深さを決定した。立木の胸高直径(m)は，実寸大では 0.12，ことが運動を支配していると考えられる。ただし，流木0.20，0.30 とし，立木本数密度(本/ha)を 2,700，1,800，1,000が目詰まりを起こしてダムアップするようなケースがあとした（表-1）。

れば，その場合は土砂捕捉率も上昇すると考える。今回与えた流木は丸棒で形状抵抗が実物よりも小さく目詰ま

表-1. 水路実験の諸元りは発生しづらかったと推定される。流木の目詰まりに

流木長(m)

立木直径(m)

立木本数密度(本/ha)

立木面積率(%)

Case A150.122,7000.305

を模した部分を取り付け，形状抵抗を大きくして検証すCase B

150.121,8000.203

る必要がある。また立木が転倒，流出した結果の検討もCase C

150.12

1,0000.113

課題として今後取り組む予定である。

Case D

150.201,8000.565

Case E

150.201,0000.314

Case F15

0.30

1,0000.707

Case G

7.5

0.12

2,7000.305

Case H

7.5

0.12

1,8000.203

Case I

7.5

0.12

1,0000.113

Case J

7.5

0.20

1,8000.565

Case K

7.5

0.20

1,0000.314

Case L

7.5

0.30

1,0000.707

よるダムアップなどの現象の確認のためには，立木に枝引用文献(1) Y OKADA（2019）Measuring the critical turning
moment of the Japanese cedar (Cryptomeria japonica)
in situ. JFR 24(3)：168-177(2) 藤堂千景・山瀬敬太郎・杉山和史・溝口裕也・長井斎（2017）引き倒しモーメントを勘案した災害緩衝林水路
実験．平成 29 年度砂防学会研究発表会概要集 92-93

Ⅲ 結果と考察合計 12 回の実験に対し，立木面積率(%)での検討を試みる（表-1 参照）。通常，林分は本数密度（本/ha）での検討がなされるが，本数が同じでも立木が太くなれば一定面積内における立木が占める面積は大きくなり，その分を考慮する必要があると推定されるからである。
与えた流木の本数に対して捕捉された数の百分率を流木捕捉率として整理した（図-1）。Case B と E については異なる結果となっているものの，立木面積率が同じで

図-1. 立木面積率と流木捕捉率の関係

あれば流木長が 7.5m と短い場合に流木捕捉率が大きい傾向が認められた。流木が 15m と長い場合は，流木自体の慣性も大きく，立木と衝突したとしても直進的に流下してきた運動が継続されやすく，従って捕捉されづらいものと推定された。他方，7.5m の場合は，流下中に横ブレが生じやすく，その結果立木間で目詰まりを発生させると考えられる。立木面積率が 0.6%あたりで流木捕捉率が比較的良好のように見受けられる。立木が太い場合は単体が発揮する強度は大きいが，立木面積率が小さく立木間隔が大きい場合は流木の目詰まりが生じづらいと推定されるため，今後は流木長のみならず立木間隔の検討

図-2. 立木面積率と土砂捕捉率の関係も必要であると考えられる。

－

186 －