20-6-1-05

第57回地盤工学研究発表会

直接基礎橋脚の洗掘危険度評価に関する被災要因の定量的抽出
直接基礎洗掘GIS

土木研究所寒地土木研究所

正会員○角田 富士夫

土木研究所寒地土木研究所

国際会員

林宏親

土木研究所寒地土木研究所

国際会員

江川拓也

１．はじめに台風や豪雨の経験が少なかった北海道では, 平成 28 年 8 月に観測史上初めて 1 週間に 3 つの台風が相次いで上陸した
後, さらに別の台風の接近の影響を受け, 道路橋の橋台の背面地盤の侵食, 洗掘, 流失による落橋被害のほか, 直接基礎形式橋脚まわりの洗掘に起因する沈下被害が多発するなど過去に経験したことのない災害が発生した. そのため, 本
研究では, 異常出水で洗掘が急速に進行する橋梁被災を未然に防ぎ, 要注意橋梁を簡易的にスクリーニングする危険度評価手法の開発を目標に, 北海道内の過去の洗掘に起因した直接基礎形式被災橋脚を標本に統計的手法である数量化理論Ⅱ類分析を行い, 洗掘被災に影響を及ぼす有効要因の定量的抽出を試みたので報告する.
２．既往研究と洗掘危険度評価手法
既往の橋梁の洗掘危険度評価に関する研究を挙げてみると, 鉄道では佐溝ら 1)の研究, 道路では太田ら 2)の研究, 藤田ら 3)の研究がある. 太田らは, 洗掘被災に影響を及ぼす素因に橋梁と河道の交差角, 曲率半径, 川幅, 表層地質, 単位川幅集水面積, 河床勾配, 橋脚斜角の有無, 竣工年, 橋長を用い, 北海道における洗掘被災の有無を判別する数量化
理論Ⅱ類分析を行い重要素因抽出手法の検討を行った.
渡河部の道路橋基礎に影響を及ぼす河道の区間全体の河床低下や平時の局所洗掘は, 橋梁点検で発見し対処可能と考えられるが, 橋梁点検でもスクリーニングされず記録的で急激な増水時の局所洗掘による急進的な橋梁被災は予知し難く, このような被災を未然に防ぐことが課題である. 記録的な豪雨に対し 1 次スクリーニング的に要注意橋梁を抽出す
る危険度評価手法として, 洗掘被災に影響を及ぼす要因があらかじめ想定できれば, その要因の数値情報を日常の管理業務で簡易的に算出し注意橋梁を見いだすことが可能と考える. そのため本研究では, 太田らの研究を踏まえ, 北海道内の過去の洗掘に起因した直接基礎形式被災橋脚を標本とし, 既存資料から得られる要因を新たに追加し各要因をカテゴリー化した上で数量化理論Ⅱ類分析を行い, 洗掘被災に影響を及ぼす有効要因を精度よく抽出することを目指した.
分析の対象は, 平成 28 年 8 月の台風 10 号により直接基礎形式の橋脚まわりが洗掘を受け沈下・傾倒・倒壊した主に北海道十勝地方の国道と道道と町道の被災橋梁であり, 被災橋梁数が少ないため前後の時期の豪雨や融雪出水により被災を受けた橋梁も追加し, 被災有りの橋梁は計 16 橋とした. これに対し, 被災無しの橋梁として, 台風 10 号がもたらした豪雨の範囲に含まれる河川と同じ水系の河川を渡河する直接基礎形式の橋脚を保有する橋梁に加え, 被災有り橋梁の河川と同じ水系の河川を渡河する直接基礎形式橋脚橋梁も含めた計 98 橋の国道橋梁を選定した. これらの合計 114 橋の被災の有無を数量化理論Ⅱ類分析の目的変数とした.
３．洗掘に影響を及ぼす各種要因
洗掘に影響を及ぼす要因情報の選定には, 橋梁を維持管理する関係者が水理学や河川工学や橋梁工学のうち高度な知識を携えていなくても一般的知識でもって扱っていけるよう選び出すことを目指した. そこで既往の研究も参考にしつつ, 新たな要因を追加することとした. 表-1 に対象とする 14 の要因情報を示す. 河川の特性から成る河川的要因と素因である地形・地質的要因と河川構造物から成る構造的要因に分け, これらを数量化理論Ⅱ類分析の説明変数とした.
また, 橋梁台帳や橋梁点検調書などやインターネット上のオープンデータや GIS も使用しながら, 対象エリアの各橋梁に対して各要因の数値情報を読み取ってデータベースを作成した.
４．数量化理論Ⅱ類分析
分析にあたり, 各種要因の中でどの分類に該当するカテゴリーが被災に影響を与えているかを評価できるようにするため, 全ての説明変数をカテゴリー化し質的変数に変換した. そして, 目的変数との相関が低い説明変数をあらかじめ見定めて削除する目的から, カテゴリ

表-1 対象とする要因情報

ーデータを基にして 14 要因の独立係数（クラメールの連関係数）を求め相関調査を行った. 独立係数とはカテゴ
リー分類における説明変数と目的変数

既往の研究 1)2)3)より
河川的要因
地形・地質的要因

河床勾配, 表層地質

構造的要因

橋長
流路内位置比橋脚と水際線の距離の相関の強さを表し, 1 に近いと相関が高い. 表-2 に独立係数による相関調

曲率半径川幅比, 砂州の変化査結果を示す. 高い相関がある要因は追加した要因
落差工との距離示方書適用年, 径間数
下部構造形式, 角の形状
河積阻害率, 根入れ長Quantitative extraction of damage factors related to scouring risk

Fujio TSUNODA, Hirochika HAYASHI and Takuya EGAWA:

assessment of direct foundation piers

Civil Engineering Research Institute for Cold Region, PWRI.

© 公益社団法人 地盤工学会- 20-6-1-05 -20-6-1-05

第57回地盤工学研究発表会

上位から, 落差工との距離, 示方書適用年, 河床勾配, 橋長であることがわかる. 通常は 0.25 より大きな要因を分析に選択するが, 0.15 以上でもやや弱い相関ではあるが低くはなく, 被災に影響を及ぼす有効要因を広範に抽出する目的から採用することとした.
次に, 選定した 10 の要因の説明変数より数量化理論Ⅱ類分析を行い, 得られる予測関数の係数を使って各説明変数の中から被災に影響を及ぼす有効要因を評価した. 具体的には, カテゴリーウェイトとウェイト範囲を求め洗掘被災への影響度評価を行った. カテゴリーウェイトとは各要因中の各カテゴリーの影響度の大きさを表し, 正であれば安全の判別に影響を与え負であれば被災の判別に影響与える係数である. また, ウェイト範囲は各要因におけるカテゴリー値の範囲の大きさを示し, 大きければ要因自体の影響度が高く重要であることがわかる. 表-3 に要因の影響度評価結果を示す. 灰色に着色した部分は独立係数が 0.25 より大きな要因を示しており, ウェイト範囲も他の要因と同等か大きな値を示すことがわかる. その中でウェイト範囲が一番大きい示方書適用年では, 1970 年～1979 年の分類で被災有りに影響を与えている. これは 1976 年に制定された河川管理施設等構造令に橋脚の根入れ長が規定され, この年代以前の適用年では所定の根入れが少なく影響を受け易かったことが考えられる. また, 橋長では比較的長大橋である 180m～239m の分類で, 落差工との距離では上流 0m～249m の分類で, 河床勾配では 2%より大きな分類でカテゴリーウェイトが負の値で大きく, 被災有りに影響を与えている. これらのほかに独立係数が 0.25 より小さい要因では, 独立係数が比較的高かった曲率半径川幅比では 45～59 の分類で, 流路内位置比では 0.65～0.74 の分類で被災に寄与している. なお, 角形状では三角の分類で被災に寄与しているが, 三角の形状をした橋梁数が極めて少なかったため有効な要因として評価できなかった. よって, これらの要因の分類が洗掘に対して影響度が高い結果となった.
被災無しの橋梁 98 橋の中には, 平成 28 年以降の橋梁点検結果において橋脚の洗掘に関する損傷程度の評価が c（洗掘）である橋梁, および防災点検カルテにおいて橋脚の洗掘に挙げられている橋梁が 11 橋存在した. そのため, これらを被災有り数に置き換えた分析も行った. 評価表は割愛するが, 同様な要因と分類が抽出された.
５．まとめ
北海道内の過去の洗掘に起因した直接基礎形式被災橋脚を標本に数量化理論Ⅱ類分析により洗掘被災に影響を及ぼす有効要因の定量的抽出を試みた. その結果, 示方書適用年, 橋長, 落差工との距離, 河床勾配に加え, 曲率半径川幅比,流路内位置比が要注意橋梁判定の拠り所あるいは着目点になり得るものと考えられる.
表-2 独立係数による相関調査（被災有 16 橋, 被災無 98 橋）
曲率半径川幅比 落差工との距離
0.245
0.401
下部構造形式
角形状
0.077
0.247

砂州の変化
0.130
径間数0.206

河床勾配
0.278
流路内位置比
0.217

表層地質
0.109
橋脚と水際線 の距離0.127

橋長0.269
河積阻害率0.212

示方書適用年
0.344
根入れ長0.191

表-3 要因の影響度評価（被災有 16 橋, 被災無 98 橋）
要因

分類
～14
15～29
曲率半径川幅比
30～44
45～59
60～
250～499
落差工との距離0～249(＋上流 , －下流) - 250～ - 1- 500～ - 251
(ｍ)
無し
～0.4
0.5～0.9河床勾配
1.0～1.4(％)
1.5～1.9
2.0～～59
60～119
橋長120～179(ｍ)180～239240～～1959
1960～1969
示方書適用年
1970～1979
1980～1989
1990～カテゴリーウェイト

0.575
0.546
1.099
-3.138-2.399-1.614-4.425-0.193-2.128
1.069
1.873
0.544
-0.9090.154-2.669
0.274
1.043
2.356
-4.8150.362-0.323-0.668-6.1102.254
5.766

ウェイト範囲4.237

独立係数(クラメールの連関係数)

0.245

要因
角形状
径間数

5.494

0.401
流路内位置比

4.542

0.278

河積阻害率
(％)

7.171

0.269

根入れ長(ｍ)11.875

0.344

分類
円
三角
四角～3
4～5
6～7
8～～0.54
0.55～0.64
0.65～0.74
0.75～
～2.4
2.5～4.9
5.0～7.4
7.5～9.9
10.0～～ -0.1
0.0～1.9
2.0～3.9
4.0～5.9
6.0～

カテゴリーウェイト

0.110-4.812
1.811
1.342-1.549-1.349-4.0041.651
5.151-1.330-0.337-1.340-0.5321.890
1.745-0.845-1.3420.461
0.639-2.801-2.573独立係数

ウェイト範囲(クラメールの連関係数)

6.623

0.247

5.345

0.206

6.481

0.217

3.230

0.212

3.439

0.191

【謝辞】
国土交通省北海道開発局, 北海道庁, および関係する町より橋梁台帳等の資料をご提供いただき, 分析にあたっては,北海道土木技術会土質基礎研究委員会基礎構造分科会より多くの助言をいただきました. ここに御礼申し上げます.
【参考文献】
1) 佐溝昌彦, 渡邉諭, 杉山友康, 岡田勝也：統計的手法による鉄道橋梁の増水時における被災注意橋脚抽出手法, 土木学会論文集 D3（土木計画学）, Vol.69, No.3, pp.237-249, 2013.
2) 太田凌平, 磯部公一, 江川拓也：素因の統計的分析による豪雨時の渡河橋梁直接基礎の洗掘沈下危険度評価, 地盤工学会北海道支部技術報告集, No.59, pp.233-242, 2019.
3) 藤田智弘, 七澤利明, 佐々木惇郎：洗掘被害を受けやすい既設橋梁の抽出への線形判別分析の適用, 土木技術資料,
Vol.61, No.11, pp.36-39, 2019.

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