河川技術論文集,第16巻,2010年6月

論文

自然形成型水制(トリピラ水制)の実用性に向けた実態調査とその考察
STUDY ON A PRACTICAL USE OFA NATURE MADE TYPE GROYNE (TRI-PYRA GROYNE)

須賀 如川1・三品 智和2
Nyosen SUGA and Tomokazu MISHINA
1フェロー員
2正会員

博(工)

工博

特別上級技術者[防災] 宇都宮大学名誉教授 河相工学研究堂 代表（〒276-0023 千葉県八千代市勝田台4-2-4）

中央技術株式会社 設計部 河川チーム（〒310-0902 茨城県水戸市渡里町3082番地）

This paper deals with a nature made type groyne which can be called laid triangular sharp pyramid
type groyne(Tri-Pyra groyne). Original nature made groyne can be seen at some gravel and stone bed
river channels. On the other hand, man-made old groynes of similar shape, called arako groyne, are still
functioning at ash-mud bed channels in Kyushu, some are for more than 300 years. Here, considering therationality of these groynes, stability and function of the groyne were evaluated by field consideration,and 2D calculation. Comparison was also made with another similar groynes. As conclusion, adaptationof this type of groynes, especially Tri-Pyra groyne, is proposed for practical application and the directionof its further development is also suggested.
Key Words : nature made type groyne, tri-pyra groyne, 2D calculation, practical application

１．はじめに
本論文では自然形成型の水制(不透過の越流型)を取上げる．既発表論文1)では，自然形成の造形物が水制機能として合理性を有していることに着目し，単純化した単体としての水理特性について第1段の考察を行った．
本論文では基本形状が近似する既存水制(荒籠･石出し水制等)と自然形成水制の実態について，実際面での機能を重視して検討を行い，水制機能を発揮する原因を明確にする．注目した水制とは，水制としての一般的な機能を有しており，自然河川において長期にわたり安定して存在する写真-1のような自然形成の造形物(自然形成水制)である．これをヒントに実河川への適用を考えたのが図-1のようなType1(後述)に示す自然形成“型”水制である．この自然形成型水制をLaid Triangular Sharp
Pyramid Type Groyne(Tri-Pyra Groyne)-トリピラ水制と呼称1)する．トリピラ水制の基本形状は，伏した三角錐体を基本とするが，細長い三角形状の横断形状と水制先端まで孤を描く平面形状である．本論文の特徴は，これまで注目されることのなかった自然の造形物が有する水制機能を総合的に評価したことである．そして，これは既に実在するものの改良であることから，信頼性は高いと評価され得るものであり，今後の実用化への発展に資することを目的としている．
本論文の構成を以下に示す．
1)自然形成の造形物の実例として，怒江(中国)や富士川(禹之瀬地先)等の実態調査を通して，自然形成の造形物の水制効果とその実用化に関する一般事項の検討を行う．
2)類似水制として，水制先端部が鋭角で，かつ側面が斜面となっている２つのタイプの水制(荒籠･石出し水制)を取上げ，実態調査及び2次元流況計算を行い，これらの改良型ともいえるトリピラ水制との比較検討を行う．
3)トリピラ水制の実用性に向けて，適用性･流況改善･安定形状等に関して，水理計算を含めた総合的な考察を行う． また，施工性や環境関連事項にも言及する．

２．自然形成の造形物の水制としての評価(1) 大礫構成の河岸堆積物の水制機能
水制周辺の局所洗掘軽減に対する斜面の効果については，荒籠の安定性等の事実からかねてより認識していたが，今回のトリピラ水制提案の直接のきっかけは，写真

-1に示す怒江(中国雲南省)で見られる自然形成の河岸堆積物とそれによる自然の流れにある．怒江は標高5000mクラスの石灰岩主体の山岳地帯を流下する三江併流(東から長江上流の金沙江,メコン川上流の瀾滄江,サルウィン川上流の怒江)の一つで，ほとんど手つかずの原始河川である．表-1に現地観測に基づく怒江の河道緒元の推定値を示す．着目すべきは，この自然形成の河岸堆積物が水制機能を有しており，かつ長期間に亘り安定してい写真-1 怒江(中国雲南省) ※線は中小洪水時の流線ることである．
まず河岸堆積物の形成について述べると，その構成材料は大礫を含む混合粒径であり，径1m超の巨石が少なくない．巨石の生産源は，角ばった材料から判断して上流からの輸送ではなく，河岸近傍の山岳からの供給によるものと考えられる．また，流送土砂量は玉石や砂利･砂で構成される砂州の発達が限定的なこと，及び流末部デルタの発達が著しくないことから，比較的少ないものと判断される．このような河道条件下において，河岸堆積物の発達過程は，雨期洪水時の大礫によるジャムアップ効果の繰返しによって，徐々に規模を拡大し安定性が増大したものと考えられる．この一連の現象は，大礫を含む混合粒径河道で生じる横筋大礫帯2)の形成と類似している．なお，河岸堆積物の安定性は，複数の長老住民へのヒヤリングから大洪水の影響が少なく，少なくとも50年以上はほぼ不変とのことである．
次に河岸堆積物の水制機能について述べると，その河写真-2 テベレ川(イタリアローマ)
道中央側に突き出た孤状の平面形状と緩い傾斜の側面形状，及び大礫･巨石で覆われた表層の構造は，洪水流に対する十分な抵抗を有している．水制としての機能が発掘削による平坦な露床あり揮されるのは，大流量時には河岸洗掘の抑制･河道中央部での主流の形成･河岸堆積物への影響軽減などである．
中小流量あるいは大流量時の減水期には，写真-1に示すように河岸堆積物沿いの流れが形成され，振れ幅の大き↓石組の護岸兼用の高水敷
い蛇行が生じている．その安定性は，実際に何れの河岸堆積物においても，周辺の局所洗掘や河岸侵食を受けた痕跡が確認されていないことから，比較的長期に亘り安定していると判断される．
↑三角形状の荒籠タイプの水制(2) 自然形成水制の実用面への適用
前述の怒江の河岸堆積物の水制機能を活かして，ここでは自然形成水制の実用面への適用を述べる．水制機能を有した河岸堆積物は，実際には怒江以外に国内においても，笛吹川の琴川合流点付近，富士川南部町地先等においても存在する．この河岸堆積物の形状は，必ずしも自然形成だけとは限らず，既存の捨石工や石出し水制等

写真-3 網走川の水制3)

水制②

約5m

約5m

表-1 怒江(中国雲南省)の河道諸元最大流量※1

4000 m3/s

平均勾配

最大流速

4.3 m/s

乾期流水幅

雨期流量

2000 m3/s

乾期水深

2～4 m

乾期流量

80～150 m3/s

礫の地質

石灰岩主体

※1

1/400

水制①

70～100 m：住民ﾋﾔﾘﾝｸﾞによる最高水位と土地利用状況等から判断

写真-4 富士川(禹之瀬地先)

表-2 2次元流況計算の計算条件からの変移で形成されることがある．例えば，写真-2はイタリアのテベレ川(ローマ)を示したが，護岸前面の捨Case1
Case2
水制基数
1基2基
石工は施工当初は直線的であったと推定される．波状形
水制間隔－30m(水制中心間隔)状に変移した理由としては，洪水を繰返すことで捨石の水制高：2 m
水制高※：2 m
離脱･輸送･堆積が生じ，かつ大礫のジャムアップによる水制長：5 m
水制長※：10m
捨石の集積によって安定したことが原因と考えられる．
※
下流側の水制,上流
その波状間隔は，怒江と比べて洪水流量と礫径が極端に側はCase1と同じ
水制諸元
水制タイプ：3タイプ
小さいこともあり，やや狭い間隔を呈している．しかも，
Type1：トリピラ水制，Type2：石出し水制(三写真からは捨石突端に鋭角な突部が形成されており，捨角錐型)，Type3：荒籠水制(先丸型)
石工が中小洪水流量以下に対しても流れを蛇行させる水河道データ：縦断延長100 m，横断幅60 m
制機能を有していることが確認される．写真-3に示す網河床勾配：1/200，粗度係数：0.035
走川では石積技術を適用して，約2mの城壁のような水制
Case1･2共通 流 量：Q=500･1000･2000 m3/s (定常流)
メッシュ：401×241＝96,641が建設された3)．天端は平坦だが平面的には三角形状で1メッシュ：0.25 m×0.25m (直交座標)ある．荒籠より鋭角と評価され，この時点で竣工後1年程度であるが，今後露床もある平坦な河道との調和が注形状とした．その曲線形状は，今回は仮に図-1のType1目される．に示したようにａ：ｂ：ｃの比率で示すと，概ねａを基次に既存の石出し水制が自然形成水制に変移した事例
準にａ：ｂ：ｃ＝1：1.0～1.3：0.1～0.3程度とした．
として，富士川禹之瀬地先の石出し水制を取上げる．当該地区の河道諸元は，既往最大流量6800m3/s(S57)，平３．水制３タイプの２次元流況計算
均河床勾配1/300，最大流速約5m/sである．石出し水制は，富士橋直下流60mの右岸の直線河道区間に2基存在する．写真-4は富士川橋より撮影したもので，写真右上にここでは，2次元流況計算4)を用いてトリピラ水制と基は石出し水制の概略図を示した．点線は施工直後の平面本形状が近似する石出し水制(三角錐型)･荒籠水制(先丸形状である．施工年代の詳細は不明であるが，平成18年型)の計３タイプの水制について，流況比較を行う．もには既に存在する．水制諸元としては，2基共に水制長とより2次元計算では厳密さを欠くことは否めないが，約10m･水制高約1.2m･水制幅約10mであり，構成材料は径
本論文では2次元性の大きな流れを対象とし，かつ既発40～70cmの巨石である．また，水制間隔は水制中心間で
表論文1)で取扱った類似水制周辺(荒籠)での洗掘量が軽約60mである．
微との実験結果を踏まえて，水平軸渦の発生を無視しう
調査結果として，施工直後の平面形状は水制先端を中ると推定し，2次元計算による再現性の信頼は高いと判
心に左右対称であり，水制上流側は現在のような孤状の断して計算を実施している．図-1は水制3タイプの立体平面形状ではなかったと考えられる．現状に至る過程に図である．Type1は本論文で提案するトリピラ水制であは，水制上流側の河岸接続部の巨石の移動があり，そのる．これは三角錐体を基本とするが平面･横断共に局面移動した巨石による水制先端部での巨石の集積があった． 形状を呈している．Tape2は石出し水制を模した三角錐
さらに以降の洪水によって巨石のジャムアップが繰返さ体の水制であり，Type1に対して直線形を呈している．
れ，集積部の安定化が得られたと判断される．その巨石Type3は九州有明海を河口に持つ潟土河川(ex.六角川･嘉の集積規模は，水制先端より横断方向に2m程度であり，瀬川･矢部川･筑後川等)に現存する荒籠(アラコ)を模し水制先端の深掘れは殆どない．しかも，水制先端には鋭た水制(ただし，天端の平坦部をトリピラ水制に近い形角な突部の形成があり，中小洪水時には河岸沿いから河状とした)である．荒籠の形状は，水制先端に向けてト道中央側に円滑した洪水流が生じたものと推測される．
リピラ水制とは逆に孤状(凸面)の形状を呈し，先端は丸
上述の調査結果を受けて，トリピラ水制の基本形状はみを持つ．荒籠の役割としては，潟土河岸の維持以外に自然形成の河岸堆積物に似せた三角錐体を基本とするが， も舟運が盛んな時代には，航路維持(水深確保)として設より伏した細長い横断形状と水制先端まで孤を描く平面
置5)されており，現存する荒籠には300年以上の歴史を誇
aType1-トリピラ

Type2-三角錐

Type3-先 丸bc

図-1 ３タイプ水制の立体図 ※x,y,z座標の単位：mType2で9.0～9.5m/s，Type1で7.5～8.0m/sである．
るものも存在する．
3)水制背後には図-2に示したように，時計周りの平面渦３タイプの流況比較として，まずCase1では単体水制にの形成が見られる．その渦はQ=500m3/s時には3タイプ共おける流況特性の比較検討を行い，水制形状の違いによに渦が発生しており，その縦断範囲はType3が大きく水る流況変化の特徴を明確にする．次にCase2では水制群制先端部(x=30m)から渦中心(x=50)まで約20mである．次としての水制効果について，水制２基を設置した場合のいでType2で約17m，Type1で約8mである．また，Type1と流況比較を行う．最近では大礫を含む混合粒径の砂礫河Type2では流量増大(Q=1000･2000m3/s)により渦の規模は川において，中小流量や大洪水の減水期等に護岸前面の縮小傾向にあるが，Type3だけはQ=1000m3/s時に渦の範みおの鮮明化が顕在化し，それが引き金となって大規模囲が増大し，かつ複雑性を増している．ただし，Type3な河岸侵食力を有するクランクフローに発達することがある6)7)．河岸沿いみおの鮮明化の抑制対策の一つとして， のQ=2000m3/s時には渦の規模は縮小している．
水制工が期待される．そこで，2次元流況計算では下流側の水制規模を若干大きくし，流向の円滑化と河岸沿い(2) 水制群としての水制効果
流速の緩和に関する水制効果を確認することとする．な群体水制の流況特性について，図-3はCase2におけるお，表-2は2次元流況計算の計算条件を示しており，今0.5m/sピッチの流速コンター図である．また，図-4は回は日本で多く見られる扇状地河道(i=1/200,n=0.035)
Case2における水制による流速拡大の程度を示す指標のを想定して計算を行うこととした．
角度と流量との関係図である．なお，図-3には流量ケース毎に，簡単のため平均断面流速(水制設置無し)の1～5(1) 単体水制としての水制効果割増しの範囲について，上流側水制の先端部単体水制の流況特性について，図-2はCase1における(x=30,y=10)を基準に点線の直線で示し，その角度で比0.5m/sピッチの流速コンター図である．主な結果を以下較している．また，図-5には河岸沿いの流速分布として，に列挙する．
y=5～10m範囲の最大流速を縦断方向に示している．以下
1)水制設置による流況変化の拡大範囲は，流量Q=500･に主要な結果を列挙する．
3
1000･2000m /s共にトリピラ水制(Type1)が最も小さく，
1)Q=500m3/s時の流速コンター図(図-3)から流速拡大の
次いで三角錐型水制(Type2)，先丸型水制(Type3)の順で範囲は，Type1･Type2･Type3の順で拡大している．特にある．特にQ=500m3/s時には，３タイプ共に水制先端部
トリピラ水制(Type1)は20°とType3の60°に対して1/3(x=30,y=10)より下流側において流速の極大値を示してであり，流速拡大の範囲は狭い傾向を示している．
おり，なかでもType3が水制部より最も離れ，x=50～2)流量と流速拡大範囲の関係図(図-4)からトリピラ水制
57.5mでv=5.5～6.0m/sの流速値を示している．
(Type1)は，流量増大によって流速の拡大範囲が増大す
2)水制本体での最大流速部は，3タイプ共に水制中心よる 比 例 関 係 に あ る が ， 他 の 水 制 (Type2 ･ Type3) は3り下流側で発生しており，その最大流速部はQ=2000m /s
Q=500m3/s時の流速拡大の範囲が大きく，Q=1000m3/s時に時において，Type3が最も高く9.5m～10m/s，次いでは一旦減少し，Q=2000m3/s時に再び増大する傾向を示し
Type3-Q=500m3/s

Type2-Q=500m3/s

Type1-Q=500m3/s
渦中心(2.5m/s) ↓渦中心(2.5m/s) ↓↓渦中心(2.5m/s)↑4.0m/s↑5.0m/s↑4.5m/s↑5.0m/s↑5.5m/s↑4.5m/s

Type1-Q=1000m3/s

Type2-Q=1000m3/s

渦中心(2.5m/s) ↓↑5.0m/s

Type3-Q=1000m3/s

渦中心(2.0m/s) ↓↓渦中心(1.5m/s)↑6.0m/s↑6.0m/s↑5.5m/s↑5.5m/s↑6.0m/s↑5.5m/s

Type1-Q=2000m3/s

Type2-Q=2000m3/s

渦中心(1.5m/s) ↓Type3-Q=2000m3/s

渦中心(3.0m/s) ↓渦中心(3.5m/s) ↓↑7.0m/s↑6.5m/s↑6.5m/s↑6.5m/s

↑7m/s

↑7m/s

図-2 流速コンター図（Case1）※流速値：Vx,Vyの絶対値,コンターピッチ：0.5m/s，xy座標の単位：m↑7.5m/sている．ただし，３タイプのQ=1000から2000m3/sに掛けの流況改善の計画立案が簡便であること，c)施工性･コての流速拡大範囲の拡大傾向は，同程度である．
スト･景観等に優れていることなどが考えられる．
3)河岸沿い流速の縦断分布(図-5)からは，水制設置が無(1) 現地調査に基づく考察
33い場合の等流流速がQ=500m /sで約3m/s，Q=1000m /sで約
自然形成水制は，斜め状(孤状)の平面形状，斜面の側34.5m/s，Q=2000m /sで約6m/sとすると，上流側の水制面形状に特徴がある．類似タイプ(荒籠･石出し水制)は(x=30)では，Type2とType3は水制の上流側に流速の低減
斜面の効果があり，越流すれば流速が増大し，周辺の洗が見られる．一方，トリピラ水制(Type1)はQ=500･掘が生じている．トリピラ水制は類似タイプを自然形成
1000m3/s時に水制の上流側，約10m(x=20m)まで流速が増水制にならって改良したいものと位置付けられる．トリ
大し，それより上流側で水制の影響が少なく，ほぼ等流
ピラ水制周辺では大きな局所洗掘がないものと推定でき流速と近似する．また，水制下流側の流速の低減効果は， ることから水平軸渦の発生は顕著ではなく，2次元計算
上下流の水制共にType3が最も低減効果があり，次いでによる再現性は高く，今後の設計に応用可能と考えられ
Type2･Type1の順でトリピラ水制の低減効果は小さい．
る．トリピラ水制は自然形成を基本としいることから自4) 洪 水 流 が 水 制 本 体 に 与 え る 影 響 に つ い て は ，然の姿に近く，その景観も評価されよう．また，トリピ
3
Q=2000m /s時の河岸沿いの縦断分布(図-5)から判断する
ラ水制周辺の局所洗掘が小さいことは，基礎工軽減の可と，３タイプ共に水制付近で局所的な流速増大が確認さ能性を高め，その場合には仮締切の省略の可能性も大きれるが，なかでも先丸水制(Type3)の局所流速が大きく， く，工期短縮も考えられ，コスト面でも優れていると推
特に上流側水制で顕著である．
定される．
(2) 2次元計算に基づく補足事項
トリピラ水制の流況特性について，石出し水制(三角４．自然形成型水制の実用性に関する考察
錐型)と荒籠(先丸型)を加えて，計3タイプの2次元流況
トリピラ水制の特徴としては，通常の不透過の越流型計算による流況比較を行った．その結果，まず単体水制水制の一般的機能を有し，かつa)水制周辺の洗掘量が小として見た場合，トリピラ水制は他の2タイプと比べて，さいことから水制自体の安定性が大きく，河岸保全に有水制周辺への流況変化の拡大範囲が小さく，水制本体の効的であること，b)2次元計算による想定流況から流れ局所流速が小さい傾向を示している．特に大流量時
Type2-Q=500m3/s

Type1-Q=500m3/s
20° ↑4.0m/s

Type3-Q=500m3/s
60°

40°

↑4.5m/s↑4.5m/s↑4.5m/s↑5.0m/s↑4.0m/s↑4.5m/s↑4.0m/s

Type1-Q=1000m3/s

Type2-Q=1000m3/s

Type3-Q=1000m3/s

30°

35°

25°
↑5.5m/s↑5.0m/s↑5.0m/s↑5.5m/s

Type1-Q=2000m3/s↑5.0m/s↑5.5m/s

Type2-Q=2000m3/s

Type3-Q=2000m3/s

45°

45°

40°
↑7.0m/s↑7.0m/s↑6.5m/s↑6.5m/s↑7.0m/s↑6.5m/s↑6.0m/s↑6.0m/s

図-3 流速コンター図（Case2-Q500m3/s）※流速値：Vx,Vyの絶対値,コンターピッチ：0.5m/s，xy座標の単位：mθ（°）
v（m/s）(ex.Q=2000m3/s, 平均断面流速：約6m/s)の場合，水制
その後流量増大によって流速拡大範囲が減少し，再度増本体の最大流は，荒籠(Type3)が9.5～10m/sに対して，加するような不連続な流速拡大変化を呈している．この
トリピラ水制(Type1)は7.5～8.0m/sであり，流速が2m/sことからも，トリピラ水制は洪水流量に応じて連続した程度低減している．このことからトリピラ水制は洪水流流速拡大が期待できる点で優れているとみなしうる．
に対する抵抗を抑える効果があるものと判断される．また，水制背後の渦形成について，トリピラ水制は他の2５．結 論タイプに比べて，流量増大ともに渦規模が縮小傾向を示
本論文で自然形成型水制(トリピラ水制)に関して，自し，その流速は2.5m/s以下である．このことから実河川
然形成水制及び基本形状がそれと近似する既存水制(荒でトリピラ水制を適用した場合，小流量時には河岸前面籠･石出し水制等)を取上げ，トリピラ水制の実用性に向の寄州形成を促進し，大流量時には河岸堆積物への影響が軽減されると推定される．次に水制群として見た場合， けて実態調査と2次元流況計算に基づく考察を行った．
以下に主要な結果を示す．
トリピラ水制は河岸沿い流況改善，及び対岸への円滑な
1)現地調査によれば，自然形成水制及び類似水制の着目
流速拡大にも効果が期待できる．その効果として，流量点は，水制周辺の洗掘量が小さい点にある．これは水平増大とともに対岸への流速拡大の範囲は連続して拡大し軸渦の主因となる局所的な流れの3次元性が低いことをており，他の2タイプ(三角型･先丸型)と異なる．他の23タイプ水制は小流量(ex.500m /s)での流速拡大が大きく， 示すと考えられる．これにより長期的な河岸維持と蛇行流路の安定を実現していると判断される．トリピラ水制
90はこれらの利点を取り入れたものであり，合理性があり，Type1Type2かつ実用性が高いものと位置付けられよう．
Type3602)既発表論文1)によると，自然形成型水制周辺の流れに関しては，2次元計算による再現性の近似度が大きいと考えられるが，これによるとトリピラ水制は荒籠等の類
30
似水制より流況が円滑であり自然的な流れであることが判明した．
03)水制の計算に2次元計算を活用しうることは，合理的
0500
1000
1500
20002500
設計に役立つ．また，今後の河川への適用として仮締切Q（m3/s）
や基礎工の縮減･省略の可能性もある．なお，トリピラ
図-4 流量と角度で示した上流側水制
水制は自然形成の形状を基本としていることから環境面の影響範囲の関係（Case2）
15や景観面でも歓迎されよう．
3Type1(Q=500)
Q=500 m /s

12Type2(Q=500)
Type3(Q=500)

9

参考文献
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図-5 河岸沿い流速の縦断分布（Case2）0(2010.4.8受付)