関東森林研究論 文70-1(2019)

緩勾配渓流を流下する土石流の流動特性に及ぼす間隙水の微細砂濃度の影響
本田尚正 1
１ 東京農業大学地域環境科学部
要旨： 一般に土石流は渓床勾配が急な場合，渓床堆積物を侵食しながら大規模化して流下する。そして平衡勾配を境として勾配が緩くなると渓床上に土砂を堆積させ，停止に至る。一方，火山灰のような細粒分を多く含む土石流では，標準的な停止・堆積勾配より緩い勾配であっても流下が進行する場合がある。本研究では，上流域で発生した土石流が停止・堆積勾配よりも緩い勾配を有する下流域まで到達・氾濫する要因について考察する。検討対象は 2013年に集中豪雨に起因して伊豆大島で発生した大金沢泥流と，2014 年の熊本地震によって阿蘇地域で発生した山王谷川土石流の２事例である。渓床勾配と土石流の土砂濃度との関係に基づいて検討した結果，２事例ともに粒子サイズの小さい材料が間隙水の密度を高め，泥流となって緩勾配の渓流を流下し，下流域まで到達・氾濫したと推察された。
キーワード：緩勾配渓流，土石流，間隙水，微細砂濃度，泥流Influence of fine sand concentration in pore water upon runoff characteristics of debris flow
flowing down a torrent of mild gradient
Naomasa HONDA1
1 Faculty of Regional Environment Science, Tokyo University of Agriculture
Abstract: Generally, when the bed slope is steep, the debris flow erodes the bed material and flows down at a large scale. Whenthe bed slope becomes gentle at an equilibrium bed slope for a debris flow with a sediment concentration as a boundary, the debris
flow allows the sediment deposit and stops soon. But when the debris flow includes such fine sand as volcanic ash, it flows down
at a smaller incline than a general stop incline. We discuss the factors under which a debris flow moves downhill even if the bed
slope gradient is very small, based on the relationship between the bed slope and the sediment concentration of the debris flow. We
investigated two debris flow disasters in Japan: the Ohkanazawa torrent of Izuohshima, Tokyo Prefecture in 2013 (caused byheavy rainfall) and the Sanohdani torrent of the Aso district, Kumamoto Prefecture in 2016 (caused by a huge earthquake).
Judging from the results, when the debris flow structure consisted of a high sand-water mixture, material of a small particle size
raised the density of the pore water. A mud flow formed in the torrent of a mild gradient, arrived downstream, and overflowed.
Key-word: Torrent of mild gradient, debris flow, pore water, fine sand concentration, mud flow

Ⅰ はじめに考察する。
検討対象は 2013 年に集中豪雨に起因して伊豆土石流の流動特性は渓床勾配の影響を大きく受ける。

大島で発生した大金沢泥流と，2014 年の熊本地震によっ

一般に土石流は 15° を超えるような急斜面上で発生し，て阿蘇地域で発生した山王谷川土石流の２事例である。

勾配が急な場所では渓床堆積物を侵食しながら流下してCollapse

大規模化する。そして平衡勾配を境として勾配が緩くな・・・・・・・・・

ると，流れの形態は土石流から土砂流を経て掃流状集合流動へと変化し，渓床上に土砂を堆積させ，停止に至る

Occurrencezone( Erosion )cθ

む土石流では，標準的な停止勾配より緩い勾配であって( Erosion and
Deposition )・・・・・・・・ ・・・ ・・ ・・ ・・・・・・・・・・・・・ ・・・・・・・・・・ ・・(１，２)（図-1）。一方，火山灰のような細粒分を多く含

Developmentzone

θ ＝15～20°も流下が進行する場合がある(４，５)。

Stop and
Deposition zone
( Deposition )・ ・・・・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・・ ・・ ・ ・・・ ・・・・ ・・ ・・・・・ ・・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

River bed
θ ＝about 10°

本研究では，上流域で発生した土石流が停止・堆積勾配よりも緩い勾配を有する下流域まで到達・氾濫する要図-1. 土石流の流出過程

因について，渓床勾配と土石流の土砂濃度との関係から

Fig.1 Debris flow runoff process－89 －Waterfloodingθ ＝2～3°（受理日 2019 年 2 月 8 日）

Ⅱ 先行研究の概要および災害の概要

度 30～50％）と石礫で構成されるものとして，土石流の１．先行研究の概要 一般に，土石流の平衡勾配は次一次元支配方程式に基づく流動解析を行った。そして，式で与えられる。

tan  e 

土石流は泥水による浮力の増大によって流動性が高まり，緩勾配（３° 程度）の流路工を流下した結果，流路工内( /   1) ctan ( /   1) c  1(1)の土砂堆積量が少量であったと説明した。
２．大金沢泥流の概要(７) 伊豆大島では 2013 年 10

ここに θe は平衡勾配（土石流の土砂体積濃度（断面平均

月の台風 26 号により 24 時間雨量 824mm の記録的な集中濃度）c に対して侵食も堆積も生じない勾配），σは土粒豪雨（気象庁大島観測所で史上最大かつ 500 年超過確率

子の密度，ρは間隙水の密度，φは土粒子の内部摩擦角規模を上回る豪雨）に見舞われ，島西部に位置する大金である。なお，式(1)は次のように変形できる。

沢で 16 日未明に大規模な泥流が発生して家屋が多数被ce 災し，死者・行方不明者 39 名を出す甚大な被害が生じた。

tan ( /   1) tan   tan  (2)大金沢は三原山の噴火によって形成された西側山麓斜面を流下する渓流である（図-2）。山腹斜面は三原山に由ここに ce は平衡濃度（渓流勾配 θ に対して侵食も堆積も来する溶岩流とスコリア丘を基盤岩とし，細粒の降下火生じない土砂体積濃度）である。

砕物を含む１ｍ未満の薄い表層土層で覆われている。斜江頭ら(５)は，土石流の平衡勾配の式(1)に対して，泥面上の樹木根系は表層直下の難透水層である風化火山灰流の性質を考慮した次式を提案した。

tan  e 層（レス層）によって侵入を妨げられ、比較的水はけの良い表層内を斜面に平行に発達している。

( /   1) c hs
tan ( /   1) c  1 h(3)以上述べたような斜面が豪雨に見舞われ，表層の根系部分がマット状に広く浅く崩壊する「根系層崩壊」と呼ここに h は流動深，hs は層流領域あるいは掃流砂層の厚ばれる表層崩壊（崩壊深１ｍ以下）が同時発生した。火さ（hs≦h）である。

山灰を主体とする崩土は多量の水を含んで泥流化し，表式(3)で 0＜hs / h＜1.0 のとき，流れは土石流と浮遊砂層土壌を幅広く侵食しながら発達した。より起伏の少な流の中間的存在である。江頭ら(６)はそのうちの hs / h

い中・下流部では複雑な経路で流下して海にまで達し，=0.3 のとき，流れは泥流の状態であるとした。同じく hs

広範囲にわたって氾濫した。

/ h =1.0 のとき，流れは土石流の状態であり，式(1)と一３．山王谷川土石流の概要(８) 熊本県では 2016 年４致する。式(3)は，粒子サイズの小さい材料と水からなる

月 14 日 21 時 26 分頃に熊本地方を震央（震源の深さ約泥流の方が石礫と水からなる土石流よりも流動性が高く，11km）とするＭ＝6.5 の地震（前震）が発生し，益城町堆積勾配も緩くなることを示している。

宮園で震度７，震央周辺の多くの地点で震度６弱を記録

江頭ら(４)は，1996 年 12 月に長野県小谷村の蒲原沢した。余震への警戒が続く中，４月 16 日 1 時 25 分頃にで発生した土石流を多量の微細砂を含む泥水（微細砂濃

再び熊本地方を震央（震源の深さ約 12km）とするＭ=7.3

600

1200

27.7°

(A) : Confluence of a triburary(B) : Heisei-Nagano bridge(C) : Sanoujidanigawa check dam(D) : Nagano bridge

1000

400

Altitude (m)Altitude （m）

500
18.9°

300

11.6°
6.8°

200

800

(A)
(B)

(C)

600

(D)

3.8°
400

100

(6.8°)(11.6°)(5.4°)(7.7°)(0(2.9°))：mean gradient

200

0500

1000

1500

2000

2500

01000

2000

3000

4000

Distance (m)Distance （m）

図-2. 大金沢 渓流縦断形状

図-3. 山王谷川 河床縦断形状

Fig.2 Bed profile of Okanazawa torrent

Fig.3 Bed profile of Sanohdani torrent－90 －5000

関東森林研究70-1(2019)の地震（本震）が発生し，益城町宮園と西原村小森で震て土石流の土砂濃度 c と渓床勾配θとの関係を示したも度７を記録したほか，熊本県内の広範囲と大分県別府市，のである。同図におけるφは，土石流の流動解析で汎用由布市で震度６弱以上が観測された。

されるφ=33～39°の範囲で実現象での流動性の高さを考のちに気象庁により「平成 28 年（2016 年）熊本地震」

慮して，最も小さいφ=33°を与えた(３，４)。式(2)中のと名付けられるこの地震により，南阿蘇村の山王谷川でhs / h は泥流の性質を示す hs / h =0.3 とし，ρ=ρw としたは強振動によって崩壊した山腹斜面の崩土が流動化した。

(６)。
図-5 は，
式(2)において θ が３° または６° のとき，2

山王谷川は流域面積 2.34km ，流路延長約５km，平均勾cs が 0％，30％，50％ の場合のφと ce の関係を示したも配 6.9° の荒廃渓流であり，土石流危険渓流Ⅰに指定されのである。図-6 は，式(1)において cs が 0％，30％，50％ている（図-3）。土石流の土砂供給源は山腹崩壊の表土，のときと，式(3)において hs / h = 0.3 および cs= 0％のと黒ボク土，ロームなどを主体とする崩土，中流域の渓岸

き，φが 25°，30°，35°の場合の土砂濃度 c と平衡勾配 θe

崩壊による崩土，渓床堆積物の侵食による生産土砂などの関係を調べたものである。

である。なお，下流域の砂防堰堤によって約 20,000ｍ3以上の図より，大金沢泥流および山王谷川土石流を事例として，間隙水の微細砂濃度 cs の変化を考慮した渓床の土砂が捕捉され，被害が軽減された。

勾配θと土石流の土砂濃度 c との関係から緩勾配渓流をⅢ 検討方法および計算条件

流下する土石流の特徴を考察すると，次のとおりである。

ここでは，上流域で発生した土石流が停止・堆積勾配

いま，大金沢下流部の平均勾配は，図-2 より 3.8° でよりも緩い勾配を有する下流域まで到達・氾濫した要因ある。これを図-4 中の式(1)でみると，流れは cs=30％のを明らかにするために，土石流の平衡勾配に関する式(1)ときには c=15％程度の土砂流の性質を保持し，cs=50％の～式(3)を用いて渓流勾配と土砂濃度との関係を調べる。

ときには c=30％近くの高濃度の土石流の性質を有する

なお，間隙水が微細砂を含む場合，それによる浮力のことがわかる。また，同図中の式(3)でみると，泥流は影響は無視できない(４)。ここで間隙水に含まれる微細30％を超える高い濃度を保持していた可能性があった。

砂とは，厳密には江頭ら(５)が定義した土石流と浮遊砂

一方，山王谷川下流部の平均勾配は，図-3 より 5.4° ，流の中間的存在としての泥流における乱流の上層を形2.9 ° である。そこで，図-5 で=33～39° の範囲に着目し成する微細砂と下層（掃流砂層）の間隙流体を構成するてみると，φ=35° の場合，cs=30～50%のとき，θ=６° で微細砂に分けられるが，本研究ではその両方を同じ扱い

は ce=22～38％の高濃度であり，θ=３° の緩勾配でもとし，ρを次式で与えることとする。

ce=10～18％の土砂流の濃度を保持できることがわかる。

     w cs   w(4)

砂防学会の現地調査によれば，山王谷川で発生した土砂の流れは，本震直後の土石流以外は粘土やシルトを多く含ここにρw は清水の密度，cs は間隙水中の微細砂濃度であみ，粘性が高い状態にあったとされ，上流域の崩壊地表面る。計算ではσ=2.70g/cm3，ρw=1.00g/cm3 を用いる。

付近の黒ボク土層や下流域の泥流堆積物の d50（通過質量百分率 50％粒径）はともに 0.1mm 以下と非常に小さい値が報告されている（８）。それらより，山王谷川土石流の図-4 は，式(1)と(3)にσ，ρ，φおよび hs / h を与え

構成材料のφは，通常の砂礫粒子で構成される土石流のφEq.(1) (c s =0%)

σ=2.70g/cm3
ρw=1.00g/cm3
φ=33°
cs=0，30，50%

15Equilibruim sediment concenration

Gradient θ （°）

20Eq.(1) (c s =30%)

10Eq.(1) (c s =50%)

5Eq.(3) (hs / h = 0.3)00102030405050
[a]

[a]

[a]

40by volume ce (％)Ⅳ 結果および考察

[b]
[b]

30
[b]

Eq.(2):[a]： θ = 3°[b]： θ = 6°

2010cs :000%

51030%

1550%

2025303540

Internal friction angle φ （°）

Sediment concentration by volume c (%)

図-4. 土砂体積濃度 c と渓床勾配θの関係

図-5. 内部摩擦角φと平衡濃度 ce の関係

Fig.4 Relationship between c and θFig.5 Relationship between φ and ce－91 －45

Equilibrium gradient θe （°）

20

20[1]～[3]: Eq.(1)[1] c s= 0％，[2] c s=30％ [3] c s=50%

20[1]～[3]: Eq.(1)[1] c s= 0％，[2] c s=30％ [3] c s=50%

15[1]～[3]: Eq.(1) , [1] c s= 0％[2] c s=30％ [3] c s=50%

15[4]: Eq.(3)hs / h=0.3，

1015[4]: Eq.(3)hs / h=0.3，[1]
10c s= 0％c s= 0％

[3]

[3]

[3]

5500010203040

[4]

[4]

[4]0[2]c s= 0％

10[2]

[2]
5[1]

[4]: Eq.(3)hs / h=0.3，[1]050

102030405001020304050

Sediment concentration by volume c (%)

Sediment concentration by volume c (%)

Sediment concentration by volume c (%)(a) φ=25° の場合(b) φ=30° の場合(c) φ=35° の場合

図-6.

土砂濃度 c と平衡勾配 θe の関係

Fig.6 Relationship between c and θeよりも小さかったことが想定される。そこで，図-6 によ

謝辞：本研究の実施にあたっては，東京農業大学「大学り，φの変化に伴う c と平衡勾配 θe の関係の変化をさら戦略研究プロジェクト（研究課題名：伝統的農地管理にに細かくみてみる。すると，同図(a)(φ=25°)より θe=３°

よる生物多様性ならびに国土保全の評価と持続的地域となる c は，式(1)では cs=30～50％のとき c=16～28％であ防災マネジメントの構築）」から研究費の補助を受けた。

り，式(3)では c=35％程度である。同図(b)(φ=30°)より

ここに記して深謝いたします。

θe=３° となる c は，式(1)では cs=30～50％のとき c=13～22％であり，式(3)では c=26％程度である。いずれも緩引用文献

勾配で高濃度の流れを保持できることがわかる。

（１）江頭進治（1993a）土石流の停止・堆積のメカニ

ここで，式(1)において hs / h = 0.3 の場合の式(3)による θe とほぼ一致する cs の値は 55％であり，それは河床における土砂の静止堆積濃度（土石流が土砂を取り込めるズム(1)．砂防学会誌 46(1）：45-49（２）江頭進治（1993b）土石流の停止・堆積のメカニズム(2)．砂防学会誌 46(2）：51-56限界の濃度）とほぼ等しい。さらに，cs=30～50％は江頭（３）江頭進治・本田尚正・伊藤隆郭・有村真一（1999）ら(４)による蒲原沢土石流の流動解析結果から推定した

土石流による河床侵食に関する実験的研究．水工学論文

間隙水中の微細砂濃度ともよく一致している。

集 43：641-646

以上より，大金沢，山王谷川ともに粒子サイズの小さ（４）江頭進治・本田尚正・宮本邦明（1998）姫川支川蒲

い材料が土石流を構成する間隙水の密度を高め，浮力を原沢土石流のシミュレーション．水工学論文集42：増大化させ，緩勾配の渓流を流下したと推察される。大919-924

金沢では，火山灰を主体とした泥流が高い流動性を保持（５）江頭進治・佐藤隆宏・千代啓三（1994）砂粒子を高したまま海にまで達し，広範囲にわたって氾濫した。山濃度に含む流れに及ぼす粒子径の影響．京都大学防災研究

王谷川では黒ボク土，ロームなどを主体とする崩土が土所年報 37(B-2)：359-369

砂流または泥流となって下流域まで到達し，氾濫した。

（６）江頭進治・関根正人・竹林洋史（2014）砂防施設の役割と課題．土木学会・地盤工学会・日本応用地質学

Ⅴ おわりに会・日本地すべり学会 平成 25 年 10 月台風 26 号によ

土石流は一般に，急勾配地形における土砂災害と認識る伊豆大島豪雨災害緊急調査団報告会資料，東京：6pp

されがちであるが，その流動特性は渓流勾配の影響とと（７）平成25年10月台風26 号による伊豆大島豪雨災害

もに，土石流を構成する材料（土砂および泥水）の影響

緊急調査団（2014）平成25 年10 月台風26 号による伊も強く受ける。その結果，土石流，土砂流，泥流など，

豆大島豪雨災害調査報告書．土木学会・地盤工学会・

流れの質が変化し，災害の形態や規模も異なってくるこ

日本応用地質学会・日本地すべり学会，東京：90ppとを防災対策上，十分留意する必要がある。

（８）砂防学会（2016）平成 28 年熊本地震による土砂災害に関する緊急調査報告書．砂防学会，東京：81pp－92 －