地下捷水路における水理模型実験や え が し たくみ

くろさわしょういち

ふたつもり かなこ

むらかみ まおにしむらすずな八重樫 匠 1・黒澤 祥 一 1・二ツ森加奈子1・村上真央1・西村鈴奈1
1三井共同建設ｺﾝｻﾙﾀﾝﾄ(株)本社(〒141-0032 東京都品川区大崎1丁目11番1-ｹﾞｰﾄｼﾃｨ大崎ｳｴｽﾄﾀﾜｰ15階)

近年，全国各地で気候変動等に伴う豪雨災害が激甚化・頻発化している．栃木県栃木市を流れる巴波川流域では甚大な浸水被害が発生し，早急な河川改修が必要であるが，中心市街地を貫流する河川特性や，沿川の歴史的街並み・景観を生かした観光業への配慮から，河道拡幅等の改修が困難な状況であった．そこで，県道下を活用した地下捷水路を整備し，浸水被害の軽減を図る河川改修方針が計画された．地下捷水路は高度な数値解析でも再現できない水理挙動が多いことから，水理模型実験を実施することで適切な施設計画を策定する．本稿では，各施設の水理挙動に対し，数値解析及び実験結果を踏まえた適切な施設計画の提案事例を紹介する．
Key Words : 浸水被害，地下捷水路，水理挙動，水理模型実験，数値解析

１．はじめに一級河川巴波川では，平成27年9月の関東・東北豪雨，令和元年10月の東日本台風の記録的豪雨により，栃木市で甚大な浸水被害が発生した(写真-1)．
これらの被害に対し，栃木市の中心市街地を貫流する巴波川は，沿川の歴史的な街並みや景観を生かした観光業への配慮から，河道拡幅等の河川改修が難しい状況である．そのため，河川激甚災害対策特別緊急事業として，県道下を活用した延長約2.4km(内径約5.5ｍ)の地下河川(地下捷水路)が計画された(図-1)．

地下捷水路で生じる水理挙動は，局所損失，偏流，空気混入等，高度な数値解析による水理検討でも再現できない現象が多い．そのため，本施設では，流入部抽出模型(S=1/30)，流出部抽出模型(S=1/30)，
管路全体模型(SV=1/50，SH=1/82)での水理模型実験を実施し(写真-2)，各施設で生じる水理現象を把握・確認することで，実験結果を踏まえた適切な施設計画を立案する(図-2)．各模型縮尺はフルード相似則に基づいて設定している．抽出模型縮尺は縮尺誤差の影響を小さくするため，越流水深4.0cm以上を確保できる縮尺として設定している1) ．管路全体模型は模型材料であるアクリル管の粗度を考慮したひずみ模型としている．
本稿では，流入施設及び流出施設の抽出模型実験，管路全体模型実験と数値解析結果を踏まえた適切な施設計画について紹介する．

写真-1 関東東北豪雨・東日本台風における被災状況(左：平成27年9月，右：令和元年10月)
河川激甚災害対策特別緊急事業

写真-2 模型実験の様子
分流ゲート

巴波川

流出施設
合流堰 流出水路

流出立坑
流入施設

巴波川地下捷水路(L=約2.4km)

図-1

栃木市浸水実績マップ

落差工
平成橋

図-2

地下捷水路施設配置図

分流堰
除塵機
沈砂池

下流端堰
流入立坑

２．実験に基づく捷水路施設計画(1) 流入施設における減勢対策
流入施設は巴波川本川からの流入・落水に対して減勢させる必要があり，減勢形式については用地制約・流れの状況・空気混入・減勢効果・トンネルに与える影響等を総合的に判断して採用する必要がある．流入施設周辺は住宅地に囲まれており，限られた用地制約下の施設計画の中で本川からの流入・落水に対して減勢させる必要があった(図-3)．また，落水音や低周波音に対する騒音・振動対策も必要となるため，これらに対応した合理的な施設形状を水理模型実験により確認・決定する必要があった．

実験の結果，撮影した流況データ・騒音計による測定値より，流況が安定し，騒音の小さい初期落下式が有効であることが判明した．初期渦流式の場合，減勢させるための渦が安定する前に，多くの空気を混入させながらトンネル内に流下する傾向となり，それに伴って騒音も発生した(写真-4)．本来，施設は複雑になるものの，壁面を沿って流入する初期渦流式の方が流況の安定が期待できるが，当該施設は流入立坑高が低く，渦の安定に必要な高さが確保できていなかったと推測される．立坑内の過度な空気混入はトンネル内に空気溜まりとして滞留し，断面阻害となるため，流入施設の減勢形式は初期落下式が最適と考える．また，空気溜まりは標高の高い流入立坑直後のトンネル内に形成されるため，立坑直下のトンネル上面に空気孔を設置・排気できることを確認できたため，施設設計に反映することとした．

住宅地

写真-4 流入立坑内流況
(左：初期落下式，右：初期渦流式)
図-3

流入施設の周辺状況及び課題(2) 沈砂池内流速の数値解析結果と実験結果の乖離
地下捷水路から自然流出できない土粒子は，流入流入施設の減勢形式は，用地制約を考慮して比較施設内に設置する沈砂池により，トンネル部へ流入的小規模な施設となる初期落下式と初期渦流式の２ケースを実験対象として選定した(写真-3)．模型は， する前に取り除く必要がある．机上計算より，地下捷水路の流出立坑から自然流出可能な土粒子径は流入施設及び流入立坑部分は共通で使用可能である
2.5mm 未満となったため，沈砂池対象土粒子径をため，減勢形式部分をアタッチメントで付け替え可2.5mm以上に設定した．
能となるよう製作した．初期落下式は４連の流入水沈砂池内の流速は，一度沈降した土粒子が再び浮路が立坑部で合流し，流入水を立坑内で衝突させて上しない限界流速とし，計画流量時における沈砂池減勢する形式である．初期渦流式は４連の流入水路内の水面積より机上計算を行い，限界流速が外壁に沿って立坑に流入し，合流点で渦を発生さV=0.81m/sを対象に，検証実験を行った(図-4)．
せて減勢する形式である．実験では，立坑内水位が水理模型実験の結果より，上層部で0.725m/s，下HWL時及びLWL時(トンネル表面の状態が施工直後で層部で0.931m/sと，机上計算値と大きく異なる結果良好であり，粗度は想定する初期値を維持・土砂堆(図-5)となった．机上計算値より下層部の流速が速積が生じない完成初期状態)を想定し，立坑内流況いことから，沈砂池内に土砂が沈降せずに巻き上がの観測及び流入口からの騒音を計測した．
ることでトンネル内に土砂が流入・堆積する可能性があり，通水断面阻害の原因になると考えられた．
そのため，流入水路内に減勢施設を計画し，土粒子が沈降する経路内の流速分布を机上計算値まで減勢させる必要があった．

V=0.81m/s
分流堰

写真-3 流入施設における減勢形式(左：初期落下式，右：初期渦流式)

Q=60m /s

沈砂池

図-4

沈砂池内の限界流速 (机上計算結果)

図-5

沈砂池内の流速分布(水理模型実験結果)

当該施設は用地制約上，流入施設の延長や沈砂池の拡幅等が困難であることから，計画沈砂池内で対応可能な減勢施設の設置・改良を行い，実験でその効果を確認した．改良前は分流堰からの落下水脈が潜流となり，減勢されずに沈砂池に流入するため，上層部に比べて下層部の流れが特に速い状態となって流れていた．そこで，減勢工流れの鉛直分布が一様化するように改良を行った．減勢に対する改良は，分流堰にステップを設置する等，潜流状態の流速分布を一様化及び上向きにする改良も含め，複数の減勢形式を提案し，その効果について検証した(図-6)．

図-6(3) 流出立坑における合流堰による水位制御
流出施設流末には，逆流防止や巴波川の土砂流入防止のための合流堰を計画した．合流堰は巴波
川本川と合流する際の流況の乱れを抑えるため，計画流量時に流出立坑内水位と巴波川の水位差がつかないよう潜り堰(固定堰)として計画した．合流堰上下流となる流出立坑，巴波川合流部の水位変動や合流線形の乱れの影響による流下特性を解析的に推定することは困難であることから，実験的に合流部の流下特性を把握することとした．
合流堰の越流形式を把握するために，捷水路流量及び本川流量を調整して，全14ケースの条件より実験を行った(表-1)．越流形式の測定方法は，捷水路流量を固定し，本川流量を増加させる．本川流量増加に伴って立坑内水位が上昇した場合に，潜り越流として判定する．その際，合計流量に応じて，巴波川の下流端水位を調整する(写真-5)．
表-1

各流量時における立坑内水位減勢工改良実験フロー図

実験の結果，分流堰越流部に段落ちステップ(H=2.2m)とシュートブロック(H=1.0m)を組み合わせた形式で，沈砂池沈降部(土粒子沈降経路内)の流速が0.81m/s以下と机上計算値を下回った(図-7)．また，分流堰に改良を加えたことで，土粒子が沈降する経路内の中・下層部の流速が減勢し，流速分布が一様化されていることを確認した(図-8)．これより，分流堰の減勢工改良によりトンネル部への土粒子流入による通水阻害リスク低減が図れるものとした．
ｼｭｰﾄﾌﾞﾛｯｸ
(H=1.0m)

写真-5

流出施設実験概要

実験結果より，流出部の合流堰周辺の流況は，ケース1～13では流出立坑内水位が変動しないことから完全越流状態であり，ケース14(計画流量時)で流出立坑内水位が上昇したことから潜り越流状態であることが分かった．流出施設の流下特性は計画通りとなることから現施設諸元を採用し，施設形状の改良等は不要である(写真-6)．

ステップ(H=2.2m)

図-7分流堰改良形式

立坑内水位上昇(ステップH=2.2m，シュートブロックh=1.0m)
巴波川
潜り越流

図-8

沈砂池内流速結果

写真-6 計画流量時における合流堰周辺の流況

(4) 地下捷水路のトンネル内流況
地下捷水路は流入施設から落水する際，空気とともにトンネル内に混入する．トンネル内に空気だまりが発生すると，必要な流下断面積が確保できずに通水阻害となる．そのため，本実験では流入ハイドロを再現した非定常実験より，混入した空気の流況について確認し，必要に応じて対策を講じることとした (図-9)．

図-11トンネル管内圧力状況(計画流量時)
Q=30m /s

Q=60m /s

全て排気

図-9

実験用流入ハイドログラフ

写真-7 非定常時における空気溜まりの様子（左：Q=30ｍ /s時，右：Q=60ｍ /s時）
全体模型では，トンネル内流況(空気混入)の把握を目的として非定常流実験を行い，立坑・トンネル６．おわりに内の各ポイントの撮影及び管内圧力を測定した(図10)．最大流量時においては定常流実験も行い，管近年の気候変動等に伴う激甚化・頻発化する豪雨
内圧力状況について比較した．
災害に対して，中心市街地を貫流する巴波川では，測定結果より，計画流量時の管内圧力について，沿川の歴史的な街並みや景観に配慮し，県道下を利定常時が非定常時の管内圧力より小さくなることを用した地下捷水路が計画された．高度な数値解析で確認した．定常流実験は，流入直後から最大流量がも再現できない水理挙動に対して，模型実験を実施流下し，以降増加圧力が生じないことから，一度空することで，適切な施設計画を本業務にて実証でき気が流入するとトンネル内に空気溜まりとして滞留た点は，当該河川の沿川地域のニーズに即した施設し，管内圧力が低下する原因となる(図-11)．
整備に繋がったものと考えている．また，現在流域非定常流実験では，流量増加に伴い管内流速及び全体で水害を軽減させる治水対策「流域治水」への圧力も増加するため，洪水とともに流入した空気が転換が進んでおり，当該河川も国や市等と協働し，下流側に押し出される．最大流量時には管内の空気多層的な水災害対策を実施中である．近年の浸水被がすべて流出立坑より排出され，トンネル内は満管害対策として地下空間の活用における期待が高まっ状態となり管内圧力が大きくなると考えられる．流ている一方で大規模な模型実験を実施する機会は多入ハイドロを再現した非定常流実験は実現象に近しくは得られにくいことからも，本実験結果は重要ない水理挙動と考えられることから，設計ではトンネ参考例となるものと考える．
ル中間に空気孔等の対策は不要と判断した(写真-7)．
謝辞：本稿における業務は，栃木県県土整備部並びに栃木土木事務所改良復旧部からの業務委託により流入施設実施したものです．
水理模型実験においては，見学会やTV取材，実験動画の作成等を実施いたしました．ご協力いただいた関係各位に深く感謝申し上げます．
参考文献
1)柏井条介，安達孝実，菅原嵩之：ダム水理模型実験における縮尺効果-越流及び水平水叩き上の跳
水における影響，土木技術資料，土木技術の総合
情報誌 37(2)，p30-35，1995-02

流出施設
図-10

全体模型図(水頭測定位置図)