技術資料

堤防断面形状および堤体材料の相違が破堤口拡幅現象に与える影響
島田友典

渡邊康玄

前田俊一

大串弘哉

髙橋賢司

猪子長

堤内湛水については、服部・福島11)が東北地方太平洋

１．はじめに沖地震で観測された河川津波に関する現地調査を行
河道等の整備が進んでいる今日でも破堤等による氾い、ウォータークッション効果などについて整理して濫が発生し甚大な被害をもたらしている中、今後、気いる。また堤体材料および堤内湛水を考慮した複合要

候変動による豪雨の更なる頻発化・激甚化がほぼ確実

因については天端崩壊までを対象に島田ら10)が模型実視され、被害の拡大が懸念されている1)。

験を行っている。

2016年8月北海道豪雨災害では複数の河川において国土技術政策総合研究所では越水から破堤に至るま破堤が生じた 。常呂川直轄区間において7箇所で越での時間を少しでも引き延ばすことを目的に、河川堤水が確認されているが、破堤に至ったのは1箇所であ防の天端・裏法尻強化法に関する検討12)を、近年ではった。越水したにも関わらず破堤有無の相違が生じた

国土交通省が本格的な河川堤防の強化対策の実施に向要因について常呂川堤防調査委員会 では堤体材料、けた検討につなげるため、越水に対して減災効果を発

裏法面植生、内水湛水の条件相違によるものと推定し揮する「粘り強い河川堤防」の技術開発に必要な技術ている。

的検討13)を行っている。

2)

3)

2019年10月令和元年台風第19号による洪水では、全

このように様々な手法により検討が進められている国で142箇所もの河川堤防が破堤し甚大な被害をもたが、現地調査による手法では最終的な破堤形状の把握らした 。破堤の主な要因については122箇所（86%）

が中心であり、破堤現象にとって支配的な要因を分離が越水と推定されており、これまでの事例 と同様のすることは難しい。一方で実験による手法では正面越傾向であった。一方で越水が確認されているのは308

流による2次元破堤実験による破堤口拡幅が開始する箇所あり、越水したにも関わらず破堤に至らなかったまでの現象理解を中心として行われてきているが、特のは166箇所（54%）である。これについて、令和元に被害規模が大きくなると想定される破堤口拡幅現象

年台風19号の被災を踏まえた河川堤防に関する技術検に影響を与える要因を理解することは重要である。こ4)5)

討会 （以下、技術検討会と称す）では現地調査等にれらが明らかになれば破堤時における緊急対策工事等

より、堤防断面形状、堤体材料、内水湛水状況、植生の対策や、堤防強化技術を検討する上でも重要な知見状態など堤防法面の不均質性、天端舗装の状態などがとなる。

4)

破堤メカニズムに関係していると推定し、これらの観本資料では越流水による堤防侵食だけでなく破堤口点について調査・分析を進めていくことが必要である

拡幅現象まで対象とし、縮尺模型を用いて河道流れもとしている。

考慮した横越流3次元破堤実験を行い、堤防断面形状これらの観点に関する調査・分析については、従来から様々な手法により検討が進められてきている。堤や堤体材料の相違が破堤口拡幅現象に与える影響について報告する

防断面形状については、土木研究所が裏法面侵食から天端崩壊までを対象とした実物大規模の正面越流2次２．実験概要元破堤実験を行っている6)。
裏法面植生については谷瀬ら7)が北海道豪雨災害後

２．１

実験水路概要に常呂川直轄区間における堤防の根毛量等の調査を行

実験は既往検討と同様に千代田実験水路 14)の縮尺

い、破堤しなかった箇所では根毛量が比較的多かった

1/20模型 15)を用いて行った。図－1に実験水路概要、ことで、耐侵食効果が発揮されたと推定している。

および観測概要を示す。なお実物大規模の実験との比堤体材料の相違について関根ら や島田らが粘較も念頭に、以降に示す水路諸元、水理量、実験結果

性土を用いた越水破堤実験により検討を進めている。

はフルード相似則とし、特に記載がない限り実験結果

8)

寒地土木研究所月報№851

2023年12月9)、10)

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図－1

実験水路および観測概要

図－3

実験条件

端幅を6mとしている。ケース2-3は堤防断面積をケー
ス1の2倍とし天端幅を12mとしている。
ケース3は堤体材料の相違に着目したシリーズである。ケース3-1は堤防表面0.5mのみ、ケース3-2は堤防
図－2

実験で用いた材料の粒度分布（模型値）全てを図－2に示す粘性土10)とした。
なお破堤のきっかけとして越水部分に深さ0.5mの切欠を設けている。通水流量は河道内の等流水深2.7mを含め全て現地規模に換算している。
実験区間の川幅は8m、河床勾配1/500、氾濫域幅は116m、ハッチ部分は深さ3.8mの移動床としている。

（切欠部の越流水深20cm程度）を満たすように上流ゲートから定常流70 m3/s程度を目標として流すこととした。

実験に用いた材料の粒度分布を図－2に示す。砂質土は千代田現地実験の粒度分布を参考に、既往縮尺模型

３．実験結果および考察

実験と同様に混合砂とし、若干の粘着性を持たせるため堤体体積に対してベントナイトを15%配合したもの

図－4に越水開始以降の破堤口幅、および氾濫流量を用いた。なお後述するが堤体材料の相違に着目したの時系列変化を示す。破堤口幅は表法肩から裏法肩側

粘性土は粘着性を持ち、流水により侵食しづらいもの

へ1.5m地点（天端幅3mなら天端中央地点）から読みとして黒土を選定した 。

取った。なお実験は複数年にわたり実施し、破堤実験10)区間の縦断延長が異なるため、破堤口幅50mまでを比２．２

実験条件較対象とする。また実験では越流水深が1cm程度（模実験は図－3に示す6ケースである。基本であるケー型値）と小さく精密な制御をすることは難しく、越水

ス1の堤防断面形状は高さ3m、天端幅3m、表裏法勾から破堤口拡幅開始までの時間にばらつきがあるこ

配2割、堤体材料は砂質土であり千代田実験水路におとを伊藤ら15)は指摘しているが、定性的な傾向把握はける背割堤を用いた破堤実験の基本ケース16)と同様で可能と考え、以下に示す破堤進行過程のStepならびにある。また基盤についてはいずれのケースも砂質土をStageを念頭に、各要因が破堤拡幅進行過程に与える用いている。

影響について述べる。

ケース2は堤防断面形状の相違に着目したシリーズ

ここで破堤進行過程は千代田実験水路による越水破である。ケース2-1およびケース2-2はケース1の堤防断堤実験16)より、図－5に示す通りStep1（越水による堤面積の1.3倍程度であり、それぞれ裏法勾配を4割、天防侵食）、Step2（破堤口拡幅開始）、Step3（破堤口拡44

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2023年12月

図－4

破堤口幅の時系列変化（上段）、氾濫流量の時系列変化（下段）幅加速段階）、およびStep4（破堤口拡幅速度低減）に分類出来る。
このうちStep1は技術検討会においてStage1（堤防表層侵食）、Stage2（裏法部侵食）、Stage3（天端崩壊）、およびStage4（破堤口拡幅開始 = Step2）に細分化出来ることが示されている4)。
３．１

図－5

 代田実験水路における越水破堤進行過程と千破堤被害規模の時系列イメージ

堤防断面形状の相違（ケース1・ケース2）

３．１．１

越水から破堤口拡幅開始まで（Step1）

裏法面を流れる越流水が堤体の限界掃流力を超える地点から裏法尻までの区間で侵食が始まる（Stage1

３．１．２

破堤口拡幅開始以降（Step2～）～2） 。そのため砂質土且つ裸体の条件では裏法尻に

前述のように砂質土且つ裸体の条件は破堤口拡幅開流れが到達する前に裏法面中間より侵食が生じてい始までにばらつきがあるものの、図－4より堤防断面る 。侵食が裏法肩まで到達した後、河道側に向かっ積が大きくなると破堤口拡幅速度はやや緩やかとなって天端が崩壊・後退し破堤に至る（Stage3～）。いずている。破堤口拡幅は図－6の破堤口周辺の流況に示れのケースも堤体材料が砂質土であり、侵食されやすすように、河道から氾濫域に向かう流れが破堤口下流

く短時間で現象が進行するため、各Stageにおいて堤側に作用し堤体を侵食することで進行する16)。そのた

防断面形状の相違による明瞭な現象の差は確認出来なめ堤防断面積が大きくなるに従い破堤口拡幅に要するかった。

侵食量が増えることで拡幅速度が低減されるものと考

6)

6)

えられる。
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図－6

図－7

PIV解析による破堤口周辺の流況

越水から裏法面侵食と天端崩壊に要した時間

氾濫流量についてはその差は破堤口幅より堤防断面積の影響が明瞭である。図－4より堤防断面積が大きくなるに従い、氾濫流量は低減する傾向が見られる。
これは図－6に示すようにケース1では河道から破堤口

図－8

越水から破堤口拡幅開始まで（ケース3-2）を通過する主流部は河道流下方向への成分も持ち、氾濫域へ斜め方向に流出している。一方で堤防断面積が図－8に堤体材料が全て粘性土であるケース3-2にお大きいケース2-3では、河道から氾濫域に向かう流れける越水から破堤口拡幅開始までの状況を示す。①越が堤体に作用することで主流部の流下方向への成分が流水による裏法面の侵食はなく、②越流水が裏法尻に小さくなり、流向が堤防法線に対して直角方向に変化到達し基盤から侵食が始まる。③④堤防表面の侵食だすることで主流幅も狭く、氾濫流速も小さくなることけでなく堤防内部の崩壊にも時間を要することから、で、氾濫流量の低減に繋がったと考えられる。

ケース3-1と比較して破堤口拡幅に至るまでの時間が長くなっている。天端崩壊段階において⑤のように表３．２

堤体材料の相違（ケース1・ケース3）

法肩が残っていると、河道から切欠部へ向かう流れは越水から破堤口拡幅開始まで（Step1）ほとんど生じていないが、⑥表法肩周辺が崩壊すると図－7に裏法面の侵食（越水～裏法肩崩壊まで）とともに河道から切欠部へ流れ込み、被害規模が大きく３．２．１

天端崩壊（裏法肩崩壊～表法肩崩壊まで）に要した時なる破堤口拡幅段階へと移行する。

間を示す。砂質土を用いたケース1に比べて、粘性土

この時点で被害軽減の対策を考えるのは難しいかもを用いたケース3では破堤口拡幅開始までの時間が長しれないが、例えば表法面の強化等により堤体の一部くなっている。

が残り続ける状況などを作り出すことが出来れば、甚砂質土であるケース1では越流水が裏法尻に到達す大な被害とならないための最後の砦となる可能性がある前に裏法面中間から侵食が始まったが、ケース3-1る。

は越流水による裏法面の侵食はなく、越流水が裏法尻３．２．２

破堤口拡幅開始以降（Step2～）に到達し砂質土である基盤の侵食が生じていた。これ

ケース1と比較して破堤口拡幅開始までは現象に違をきっかけに裏法尻から裏法肩へと侵食が進行し、堤いが見られたが、図－4に示すように破堤口拡幅開始

防内部の砂質土も流出している。なお図－7より裏法以降では明瞭な違いは見られなかった。ケース3-1で面の侵食に要した時間と比較して、天端崩壊に要したはケース1と同様に、砂質土が多く占める破堤口部の時間は短く、今回用いた粘性土では天端をひさし状に堤体断面に直接、速い流れが作用し侵食することもあ保持する効果は小さかった。

り、破堤口拡幅速度に差が生じなかったと考えられる。

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またケース3-2については堤体がすべて粘性土であるが基盤は砂質土である。破堤口拡幅過程では基盤が河道条件も組み合わせた破堤口拡幅現象の理解も重要である17)。

先行して侵食され、不安定となることで堤体が崩落、破堤口拡幅が進行することより、相対的に耐侵食力が参考文献

小さい基盤が侵食されたことで拡幅速度の低減が見られなかったと考えられる。これは破堤口拡幅段階にお1） 気候変動を踏まえた治水計画に係る技術検討会：

いても堤体材料だけでなく基盤材料の相違にも着目す

気候変動を踏まえた治水計画のあり方(提言)，国る必要性があることを示唆するとともに、拡幅段階に土交通省，2021改訂.

おいて堤体の上部・下部など3次元的な崩壊過程の把握も重要であると言える。
用いた粘性土ついて、実堤防と比較して強度の相似則など課題があり経過時間など定量的な比較評価は難しいものの、横越流3次元実験を通じても越水初期から破堤口拡幅まで進行速度には既往の2次元実験同様

2） 国土交通省北海道開発局：平成28年台風第7号及び平成28年8月20日からの大雨に伴う活動状況
https://www.hkd.mlit.go.jp/ky/ud49g70000007
big.html（2023年10月10日確認）
3） 常呂川堤防調査委員会：常呂川堤防調査委員会報
告書，2017.の傾向が確認出来た一方、堤体材料の相違が破堤口拡

4） 令和元年台風第19号の被災を踏まえた河川堤防に幅現象に明瞭な差を与えることは確認されなかった。

関する技術検討会：令和元年台風第19号の被災

なお今回は千代田実験水路での実験も念頭においてを踏まえた河川堤防に関する技術検討会報告書，いたため、河道幅は8mと狭く、破堤口拡幅が進むに

2020.

つれ急激に河道水位が低下し堤体に作用する力が小さ

5） 吉川勝秀：河川堤防学，技報堂出版，p.98，2008．

くなっていたことや、破堤口幅50m程度と破堤口拡幅

6） 越水堤防調査最終報告書 -解説編-，建設省土木研が加速段階で実験を終了していることなどから明瞭な究所資料，第2974号，1984．

差が出づらかった可能性があったと考えらえる。今後

7） 谷瀬敦，矢部浩規，新目竜一：平成28年8月洪水

は堤体だけでなく基盤材料の相違や河道条件の相違もにより決壊した常呂川堤防の耐侵食評価，第5踏まえた検討が必要である。

回河川堤防技術シンポジウム論文集，pp.31-34，
2017.
8） 関根正人，堀江翼，佐藤耕介：越流による模擬河４．まとめ

川堤防の決壊プロセスに関する検討，土木学会
堤防断面形状、および堤体材料が破堤口拡幅進行過程に与える影響を理解すること目的に縮尺模型を用いた3次元横越流破堤実験を行った。得られた知見を以論文集B1（水工学），Vol.74，No.4，I_1057-1062，
2018.
9） 島田友典，横山洋，前田俊一，矢部浩規，桑村貴志：

下に簡潔に示す。

千代田実験水路を用いた堤体材料の相違が越水堤・堤防断面積が大きくなるに従い、破堤口拡幅のため防決壊現象に与える影響に関する実験，土木学会に必要な侵食量が増加し、その結果、破堤口拡幅速度

河川技術論文集，第26巻，pp.491-496，2020．

が低減されること、また河道から氾濫域に向かって流

10）島田友典，渡邊康玄，横山洋，米元光明：堤防材れづらくなるため氾濫流量の減少に効果があることが料および内水状況が越水堤防決壊現象に与える影示された。

響，土木学会論文集B1（水工学），Vol.74，No.5，・堤体材料が越流に対して侵食性の高い材料とする

I_1423-1428，2018．と、破堤口拡幅段階に至るまでの時間が長くなる効果

11）服部敦，福島雅紀：津波による堤防等河川管理施は期待できるものの、破堤口拡幅段階においては相対設の被害，土木技術資料，53巻，pp.22-27，2011.

的に耐侵食力が小さい基盤が洗堀されたことで破堤口

12）服部敦，森啓年，笹岡信吾：越水による決壊まで拡幅速度が低減しなかったため、明瞭な差は確認出来の時間を少しでも引き延ばす河川堤防天端・のりなかった。

尻の構造上の工夫に関する検討，国土技術政策総なお本資料では縮尺模型による現象理解を主としているため、得られた知見を現地堤防に適用するには実物大規模実験等も必要である。また堤防条件のほか、
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合研究所資料，第911号，2016．
13）国土交通省水管理・国土保全局：河川堤防の強化に関する技術検討会
47

https://www.mlit.go.jp/river/shinngikai_blog/

模型実験による氾濫域を含む越流破堤メカニズム

teibou_kentoukai/dai01kai/index.html（2023年10検討，土木学会河川技術論文集，第16巻，pp.371-月10日確認）

376，2010.

14）国土交通省北海道開発局帯広開発建設部治水課：

16）国土交通省北海道開発局，土木研究所寒地土木研

千代田新水路究所：河川堤防の越水破堤現象のうち破堤拡幅機

https://www.hkd.mlit.go.jp/ob/tisui/kds/構に関する実験報告書，2012．

chiyodashinsuiro/ctll1r0000002hgy.html（2023年

17）島田友典，渡邊康玄，横山洋，米元光明：河道形

10月10日確認）

状が堤防決壊拡幅現象に与える影響，土木学会河15）伊藤幸義，島田友典，横山洋，坂野章，茂木映治：

48

川技術論文集，第25巻，pp.523-528，2019.

島田 友典
SHIMADA Tomonori

渡邊 康玄
WATANABE Yasuharu

前田 俊一
MAEDA Shunichi

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒地河川チーム
主任研究員
博士（工学）

北見工業大学
地域未来デザイン工学科教授
博士（工学）

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
上席研究員（特命事項担当）
技術士（建設・総合技術監理）

大串 弘哉
OGUSHI Hiroya

髙橋 賢司
TAKAHASHI Kenzi

猪子 長
INOKO Takeru

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒地河川チーム
上席研究員
技術士（建設）国土交通省
北海道開発局
帯広開発建設部特定治水事業対策官

国土交通省
北海道開発局
帯広開発建設部流域治水対策専門官

寒地土木研究所月報№851

2023年12月