粒子法（SPH法）を用いた津波による構造物・浮体の移動変形シミュレーション

関西大学
環境都市工学部 都市システム工学科
准教授 安田 誠宏
2023年3月2日
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新技術の概要
津波による多くの被害を防ぐためには、港湾や沿岸市街地における津波の挙動や海岸構造物の被災、漂流物の移動メカニズム等を解明することが重要な課題である。
SPH (Smoothed Particle Hydro-dynamics) 法に基づいたオープンソース流体解析コード
DualSPHysicsを用いて、港内および沿岸市街地における津波の挙動やそれに伴う構造物の移動、浮体の漂流解析を行う技術を開発している。
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従来技術とその問題点
通常の津波解析は格子法、 本技術は粒子法。

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 格子法 ： 領域を格子に分割し，その格子点を計算点とする手法
 粒子法 ： 連続体を粒子の集合として計算する手法．
格子法

粒子法

変形が大きい際には計算が破綻

大変形問題への有用性が高い
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従来技術とその問題点
格子法（差分法／有限要素法）はEular法であり、粒子法（SPH）はLagrange法である。

構造計画研究所：流体・粒子法解析ソフト｜Particleworks 紹介セミナー（オンデマンド）
https://www.sbd.jp/event_seminar/webinar_particleworks.html より引用

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新技術の特徴・従来技術との比較
SPH法は、移流項がないため、離散化に伴う数値振動や数値拡散は発生しない。
そのため、自由表面を特別な取り扱いを必要とせずに表現することができ、海岸工学分野で扱われる大変形問題への有用性は高い。
さらに、GPUを用いて解析できるため、CPUよりも計算速度が速い。

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巨礫（津波石・台風石）の移動解析• 津波・台風後には巨礫群の打ち上げが報告されている。
インド洋大津波（2004年12月），東北地方太平洋沖地震津波（2011年3月）

(a)高波

(b)津波

後藤和久：津波石研究の課題と展望 II―2009年以降の研究を中心に津波石研究の意義を再考する―，
堆積学研究，第71巻，第2号，pp.129–139，2012.
7解析結果 【 石の移動，津波 】

計算条件
水深：0.840m，波高：0.150m
GPU:NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti
8解析結果 【 石の移動，高波 】

計算条件
水深：0.840m，有義波高：0.295m，有義波周期：2.55s
GPU:NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti
9解析結果 【 波の作用方向 】
津波
石を持ち上げるように作用
高波
砕波後，水平方向に作用波の作用方向の違いが，津波石と台風石の移動特性に影響を及ぼしている10

マウンド被覆ブロックの移動解析
防波堤の耐津波設計ガイドライン
 設計津波を超える規模の津波に対して，防波堤が変形しつつも倒壊しない「粘り強い構造」を今後の防波堤に求めている．
 腹付工の設置 ： 津波の落下高さを低くする
 被覆ブロックの設置：マウンド材の流出防止，洗堀速度の抑制
根固工

洗堀防止工 (海底地盤部)
被覆工 (腹付工部)

防波堤

洗堀防止工 (腹付工部)
腹付工

基礎マウンド被覆工 (法尻部)
国土交通省(平成25年9月)：防波堤の耐津波設計ガイドライン
国土交通省HP：粘り強い防波堤・防潮堤の導入
https://www.mlit.go.jp/page/kanbo01_hy_002327.html① 津波越流時の防波堤腹付マウンド被覆ブロックの飛散過程② 複雑な形状の被覆ブロックの移動を対象にした研究は行われていない．
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被覆ブロック

HC-blockST-block 六角形の孔を5個と脚をもつ複雑な形状をした被覆ブロック
 六角形の孔が揚力を逃がすため，低重量で高い安定(大熊ら,2017) 平坦な形状をした被覆ブロック
 河川の根固工から海岸の人工リー
フ・マウンド被覆工まで幅広く使用できるように開発された省力化ブロ
ック．
ST-block 8t 型 諸量（ 模型 ）HC-block 4t 型 諸量（ 模型 ）質量32.9(g)質量60.1

体積14.3 (cm3)

体積26.1 (cm3)

寸法 52.4mm×47.6mm×18.0mm(g)

寸法 55.4mm×46.2mm×15.4mm
13解析結果【 HC-block 】
港外側

HC-block，L.W.L.
NVIDIA GeForce RTX 2080Ti
所要計算時間：約10日

港
内側

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解析結果【 ST-block 】
港外側

ST-block，H.W.L.
NVIDIA GeForce RTX 2080Ti
所要計算時間：約10日

港
内側

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流体力による移動特性評価
飛散過程の違い• HC-blockは滑動してから転倒．
• ST-blockは滑動せずに転倒．
– HC-blockの孔内部にも流体力が作用するため．
d/H が小さい (港内側水位が低い) 時• HC-blockとST-blockは近いNS– Fzが同程度の値を示すため．
d/H が大きい (港内側水位が高い) 時• HC-blockが大きいNS– HC-blockに作用するFzが小さい．
– HC-blockの孔形状がブロックに作用する揚力を逃がしている．

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津波作用による浮体の漂流解析
東日本大震災での漂流物による被害
船舶の漂流、座礁、岸壁上に乗り上げなどの多くの被害が起きた．
津波・漂流物挙動のメカニズムを把握する必要がある．

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水位・流速の解析結果
WG2
0.15

DualSPHysics

Water Level (m)Experiment

0.1

0.05

030

40

5060

Time (s)18浮体の移動解析結果

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港内の津波流動解析

20想定される用途• 本技術の特徴を生かすためには、通常の格子法での解析が難しい物体の移動現象の解析に適用することが望ましいと考えられる。
• また、達成された計算手法の適用性に着目す
ると、流体解析分野や用途に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題• 現在、津波による構造体の移動について解析が可能なところまで開発済み。
• しかし、長時間作用する波浪に対する計算コストの問題が未解決である。
• また、土砂の移動について適用を試みている段階だが、未だ課題は多く残されている。
• 実用化に向けて、解析の再現精度を向上できるよう技術を確立する必要もある。
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企業への期待• 未解決の計算コストの問題については、高性能GPUの活用により克服できると考えている。
• GPU利用技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、水災害防災分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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産学連携の経歴
2016
年度

2017年度

2018年度

人工リーフに用いる被覆ブロックの安定性評価に関する研究

2019
年度

2020
年度

被覆ブロックの移動解析モデルの開発に関する研究

2021
年度

2022
年度

消波護岸形式の違いと越波量・打上げ高さの関係についての研究

地下空間の浸水対策検討に対する研究助成

サンゴの育成に効果的な海岸構造物に関する研究

津波・洪水の作用による補強
土壁の被災機構に関する実験的研究

補強土構造物の被災機構に関する研究
深層学習による高潮・波浪予測に関する研究助成
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お問い合わせ先

社会連携部

https://www.kansai-u.ac.jp/renkei/

産学官連携センター・知財センター
https://www.kansai-u.ac.jp/renkei/industry/sangakukan-mm@ml.kandai.jp
Tomohiro YASUDA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

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