Pa-56
既設砂防堰堤の底抜け,本副間や堰堤下流の河床変動に着目した模型実験
日本工営(株) ○宮本 歩, 三池 力, 松山洋平, 村松広久,長山孝彦, 渡部春樹, 松田 悟, 伊藤隆郭政策研究大学院大学 水山高久
ち着くまでの過程は,Run1 と Run4 でほとんど同じであ1 はじめにった。Run1 の原型値における通水開始からの経過時間
砂防堰堤の基礎部の底抜けは,倒壊等,堰堤の安定性に 毎の水位・河床位の縦断分布を図 2 から図 5 に示す。ま大きな影響を与える。本研究では直線水路を用いた実験 た,本堤の底抜け時の状況の写真を図 6 に示す。底抜けにより,堰堤が底抜けする現象を再現し,砂礫基礎上の砂 が発生するまでの過程は表 2 の通りである。
防堰堤の底抜け現象の発生機構を考察した。また,底抜けを防止するための本堤・副堤の基礎構造に関する検討を
表 2 底抜けの発生とその後の河床変動の過程行った。
時刻流況詳細2 実験方法
本実験における実験条件を以下に示す。また，実験ケースの一覧を表 1 に示す。既往の実験 1),2)では,流量規模や本副間距離,重複高の組合せに対する堰堤下流の河床変動特性の検証が行われており,本実験で用いた施設の諸元は既往実験を踏襲した。本副間距離や重複高は経験式から算出した。本堤・副堤とも根入れを 2m とし,底抜け現象への有効な対策工を検討するために,本堤・副堤に矢板基礎や杭基礎を適用した実験を行った。図 1 に本堤・副堤の模型を示す。矢板基礎は土留め壁における最小根入れ深さを参考とし 3),矢板長を 3m とした。杭基礎は既往設計事例を参考とし,杭長 7m,杭径 609.6mm,杭間隔は 1.8m とした。通水中は直線水路側壁から流況や侵食の状況を動画で撮影し,水位・河床位の時間変化と底抜けに至るまでの過程を観察した。また,2 時間毎に水路下流端で流量・流砂量を計測し,輸送濃度と流出土砂の粒度分布を求めた。
 模型縮尺：1/75
 水路の勾配：1/20(=2.86°)
 給 砂 ： 河 床 勾 配 (2.86 ° ) に 対 応 す る 平 衡 輸 送 濃 度
cf=0.0120
 河床材料(原型値)：7.5mm～800mm, d95=428mm
 本副間距離(原型値)：14.1m, 重複高(原型値)：2.5m
 流量(原型値)：230m3/s(既往最大規模程度),127m3/s(d95の移動限界流量)の 2 種類。
本堤

有効高 8m

本堤

有効高 8m

根入れ深 2m

根入れ深 2m
矢板基礎 3m

副堤

杭基礎 7m
有効高 2.5m
根入れ深 2m

副堤

有効高 2.5m
根入れ深 2m
矢板基礎 3m

杭基礎 7m0時間

通水開始
本副間・副堤直下の侵食(図2)

本堤からの越流水により本副間,副堤直下の河床が侵食される。
副堤背面,副堤直下の侵食深・範囲が拡大する。

約4.5時間副堤の底抜け(図3)

副堤背面と副堤直下の侵食の範囲がつながり,副堤が底抜けする。
本副間に堆積していた土砂が副堤下部から流出し,本副間の河床が低下する。
本堤直下の河床が本堤の根入れよりも低下し,本堤背面の堆積土砂が本堤下部より流出し始める。

約5時間

本堤の底抜け(図4)

本堤の堆砂がくさび状に沈下し,本堤の基礎が背面から抜ける。
本堤上流から土砂が流出を続け,本堤上流側河床は遠方まで低下する。

本堤上流から流出した土砂が本副間に堆積し，副堤が埋没する。
本堤上流の河床低下,本堤下流の河床上昇 副堤下流にも土砂が堆積し始め,副堤下流の河床が上昇する。
本堤上流の土砂は抜け続け,本堤上下流での河床の比高差がほぼなくなる。
約7時間

河床変動の安定化(図5)

本堤上下流を通して,河床は底抜け前より急なほぼ一直線の勾配に落ち着く.

図 7 に水路下流端から流出した土砂の粒径の原型値における時間変化を示す。本堤底抜け後の 6 時間後まではd30，d60 が粗くなるが，河床勾配が安定した 8 時間後には粒径が細かくなっている。これは,本堤上流から供給された土砂のうちの粗粒な砂礫が,本堤下部に形成された凹型の地形を乗り越えられなくなるためであると考えられる。また図 8 に流出土砂濃度の時間変化を示す。本
堤底抜け後の 6 時間後以降に土砂濃度が増加している。
これは,本堤底抜け後に河床勾配が急になったことから,流砂量が増加したためと考えられる。

図 1 本堤・副堤模型(左：矢板基礎 右：杭基礎)
表 1 実験ケースとケース毎の底抜け発生の有無
実験ケース 流量(m3/s)

基礎構造

副堤

本堤⽔位
河床位

底抜けの有無 基礎構造

底抜けの有無初期河床

Run1127(定常)対策なし

底抜けRun2127(定常)矢板

底抜けしないRun3127(定常)矢板

底抜けしない

対策なし

本堤

底抜け

副堤

対策なし 底抜けしない
矢板

水路底盤

底抜けしないRun4127(定常)

杭

底抜け

杭

底抜け

Run5230(定常)矢板

底抜けしない矢板

底抜けしない3 実験結果・考察
3.1 底抜け現象の発生機構
表 1 に実験条件と併せて実験結果の一覧を示す。基礎部が無対策であった Run1 と,杭基礎を適用した Run4 で底抜けが発生し,その他のケースでは底抜けは生じなかった。底抜けが発生し,その後,水位・河床位が一定に落

図 2 水位・河床位縦断 Run1 通水後約 2 時間後

⽔位
河床位
初期河床
本堤
副堤
水路底盤

図 3 水位・河床位縦断 Run1 通水後約 4.5 時間後- 498 -

下流の侵食が矢板底面まで達しないため,底抜けが生じないと推察されることから,特に副堤基礎の底抜けの防止に対して矢板が有効である可能性が示唆される。表 3に副堤下流の最大侵食深(Δzb)と副堤基礎部の長さ(de,根入れ 2m＋矢板長さ 3m)の比を示す。本実験より,最大侵食深と基礎長の比が 1.5 程度であれば副堤の底抜けは生じない結果が得られた。

⽔位
河床位
初期河床

本堤
副堤

水路底盤

図 4 水位・河床位縦断 Run1 通水後約 5 時間後

約 3.2 時間後
約 5 時間後⽔位
河床位

約 2.5 時間後

⽔位
河床位

初期河床

本堤
副堤

約 3.2 時間後
約 5 時間後

水路底盤

初期河床

矢板基礎
約 2.5 時間後

図 9 水位・河床縦断(Run2)

図 5 水位・河床位縦断 Run1 通水後約 7 時間後
本堤

約 1 時間後 約 3 時間後 約 8 時間後

⽔位
河床位

副堤

初期河床

矢板基礎
約 8 時間後

約 1 時間後

矢板基礎

図 10 水位・河床縦断(Run3)

図 6 本堤の底抜け時の状況
1000

約 3 時間後0.050.04

約 5 時間後
約 1 時間後 約 1 時間後

輸送濃度

粒径(mm)

100

初期河床
約 7 時間後
約 5 時間後0.02

100.010246810経過時間(時間)

図 7 下流端流出土砂の粒径(Run1)

約 7 時間後

矢板基礎

矢板基礎

図 11 水位・河床縦断(Run5)
表 3 副堤下流の最大侵食深と基礎部の長さの比

01⽔位
河床位

0.030246810経過時間(時間)

図 8 土砂輸送濃度(Run1)

3.2 底抜けへの対策工
副堤に矢板基礎を適用した Run2 の水位・河床位の原型値における時系列変化を図 9 に示す。副堤の基礎部に矢板を適用すると,副堤直下の侵食は矢板底面まで達しないため,副堤上下流の侵食範囲はつながらず,底抜けは生じない。
本堤・副堤に矢板を適用した Run3 の水位・河床位の原型値における時系列変化を図 10 に示す。Run2 と比較して本副間の最大侵食深の位置に違いがみられるものの,河床形状が一定に落ち着くまでの過程や最大侵食深に大きな差異はない。
図 11 に Run5 の水位・河床位の原型値における時系列変化を示す。流量が大きくなるため,本堤からの越流水の水脈飛距離が長くなり,本副間の最大侵食深の発生位置は Run3 と比較しより下流側(副堤直上流)となる。
最大侵食深も Run3 より大きくなるが,副堤基礎の侵食が矢板底面まで達しないため,副堤上下流の侵食範囲がつながることはない。副堤の矢板は,流量が小さい場合には副堤下流の侵食範囲が上流に伝播することを防止し,流量が大きい場合には,副堤上下流の侵食範囲の結合を防止しているように見受けられる。
Run2,Run3,Run5 のいずれのケースにおいても,副堤上- 499 -副堤下流の最大侵食深 Δ z b (m)

副堤の基礎部の長さ d e (m)Δ z b /d eRun26.3

51.26Run36.151.22Run57.551.54 まとめ
砂防堰堤の底抜けは,本副間及び副堤直下の河床の侵食が進行することによって,まず副堤から始まる。本堤の底抜けは,本副間の河床が根入れ以上に侵食されることにより生じる。本堤底抜け後は,本堤上流からの土砂流出により本堤上流の河床が低下し,この土砂の堆積により本堤から副堤下流にかけて河床が上昇する。本堤上流からの土砂流出と下流への土砂堆積が進行し,本堤上下流の河床の比高差がなくなると,本堤上下流の河床は底抜け前より急な勾配で落ち着く。
砂防堰堤の底抜け対策として,根入れ以上の侵食を防止するために,矢板基礎が有効となる可能性が示された。
今後は,非定常流条件での実験を行い，実際の出水時における矢板の機能を評価するため,定量的な水位・河床位や流出土砂量,粒径,適切な矢板長等に関するデータの蓄積を行う予定である。
参考文献
1)小林結ら：平成 25 年度砂防学会研究発表概要集 B，p.B-288-B-289，2013 ,2)山田勇智ら：平成 27 年度砂防学会研究発表概要集 B,p,B-28-29,2015 ,3)公益社団法人日本道路協会:道路土工-仮設構造物工指針,1993