自然災害科学 J. JSNDS 36 -4 447 -461（2018 ）流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究
岡本 隆明1・竹林 洋史2・鈴木 隆太1・山上 路生1・戸田 圭一1

EXPERIMENTAL STUDY ON POROSITY OF DRIFTWOODBLOCKING AT A BRIDGE AND FLOOD DISCHARGE
OF DETOUR FLOW
Taka-aki OKAMOTO1, Hiroshi TAKEBAYASHI2, Ryuta SUZUKI1,
Michio SANJOU1 and Keiichi TODA1
Abstract
Driftwood in rivers seriously increases the destructive power of flood flow. Largedriftwood accumulates at a bridge and blocks the river, which leads to a decreased discharge
capacity and increased water levels. In Uji city in August 2012, the detour ﬂood-ﬂow occurred
around the bridge and the house along Shizugawa River was washed away. However, there
is almost no detailed information about ﬂood discharge of a detour ﬂow around a bridge andflood damage area in a blocked river. In this study, three kinds of flume experiments were
performed. First, we conducted the driftwood accumulation tests at the model bridge toevaluate the porosity of driftwood blocking. Then, we measured the ﬂood ﬂow velocity in theblocked river by PIV to estimate the flood discharge on floodplains. Finally, the drag force
exerted on the model house on floodplain was measured using Force gauge to examine theﬂood damage of the nearby area.
キーワード：流木集積，橋梁閉塞，河道閉塞率，橋梁迂回流，氾濫流量，PIV，氾濫被害区域
Key words:

Driftwood accumulation, driftwood blocking, porosity of driftwood blocking, detour ﬂood ﬂow, ﬂood
discharge on ﬂoodplain, PIV, ﬂood damage area

1

2

京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻
Department of Civil and Earth Resources Engineering,
Kyoto University

京都大学防災研究所
Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University

本論文に対する討議は平成 30 年 8 月末日まで受け付ける。

447

448

岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究

1 ．はじめに型を流下させ，双方に PTV を適用することで流地球規模の気候変動の影響により，台風の規模

れ場と流木輸送の関係について調べた。実験・数が大きくなり各地で集中豪雨による水害が頻発し値解析結果から流木は流路内のせん断の強い領域ている。豪雨時には流木をはじめとした漂流物がを避けるように集中することを明らかにした。山

河川に流出し，橋脚に引っかかることで河道を閉

上・岡本（2016）は流木のピッチングモーメント・

塞させて水位上昇を招き，洪水被害を大きくする

ヨーイングモーメントを計測し，流木の重心が偏ことが知られている。さらに橋梁を迂回した氾濫

心しているケースでは流下時の迎え角が変化し，流が河岸を浸食して（2012年三重県五郷町，図 1

流木の水中投影面積が大きくなるため橋梁部での（a），竹林ら（2012）），家屋を流出させるなどの閉塞率が増加することを明らかにした。

被害が報告されている（2012年宇治市志津川，図橋梁部での流木集積に関するトピックは海外で

1 （b），2016年北海道清水町）。特に中小河川ではも注目されており，Bocchiola ら（2008）は流木

非常に短時間で氾濫する場合が多いため，洪水氾

長と流速を系統変化させて流木捕捉実験を行い，濫時に発生する迂回氾濫流の危険箇所を正確に把フルード数が増加すると流木の橋脚での捕捉確握する必要がある。

率は減少することを明らかにした。Schmocker &河川の横断構造物による流木捕捉の研究として

Hager（2013）は実験水路を用いて橋梁部での流は中川ら（1992）は流水のオイラー的解析法，流木集積実験を行い流木捕捉による堰上げ水深効果

木のラグランジェ追跡法を組み合わせた数値解析

について調べ，堰上げ水深を投入した流木塊の体を行い，実験値と比較することで堤内地を流動す

積とフルード数を用いて定式化した。Pfister らる流木群の拡散過程が良好に再現できることを示（2013）は流木集積によって上流側の水深が70％した。渋谷ら（2010）は流木捕捉工を用いた流木増加する可能性があることを指摘している。

捕捉実験を行い，捕捉工間隔と流木長の比や最大このように橋梁部での流木捕捉に関する研究は流木長が同じであっても，流木長が混在すること多くみられる。しかしながら，流木閉塞時の洪水により捕捉率が低下することを指摘している。初被害を予測するには流木集積のメカニズムだけで田ら（2012）は蛇行水路に水面追跡粒子と流木模なく，橋梁周辺の氾濫水の挙動を予測することが

図 1 （a）橋梁迂回流発生による河岸浸食（2012年三重県五郷町，竹林ら（2012））（b）橋梁迂回流の発生以前の氾濫原地形（2012年宇治市志津川，竹林ら（2012））（c）橋梁迂回流の発生による家屋の流出（2012年宇治市志津川）449

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）

重要であるが，これまで流木による橋梁閉塞時に量を正確に評価した。さらに左岸の氾濫原高さを越流した氾濫流を対象とした研究はあまりみられ

系統変化させて氾濫原の家屋抗力を計測し，洪水ない。著者ら（2016）は2012年宇治水害のような

氾濫危険区域を洪水被害を軽減するという観点か

中小河川水害を想定して水路実験を行い，氾濫原ら評価し，再発防止に向けた予測，対策の検討を

高さが低い左岸に迂回流が集中し，家屋が流出す行う。

る危険が大きくなることを明らかにした。しかしながら，流木投入実験を行っていないため実際に流木が集積したときの橋梁部での河道閉塞率はど

2 ．実験装置と実験方法
2. 1 流木集積による橋梁閉塞実験の程度かということを想定して実験を行うことは本研究ではまず流木捕捉による橋梁閉塞についできていない。また氾濫流の PIV 流速計測を行って調べるために，流木投入実験を行った。図 2 にているが，計測位置を横断方向に変えていないた

流木捕捉実験装置図を示す。実験には長さ10 m，め，河道閉塞時の橋梁迂回流の氾濫流量を算出す

幅40 cm，高さ50 cm の可変勾配水路を用いた。x,

ることはできなかった。さらに氾濫原高さを 2 パ

y および z は，それぞれ流下方向，鉛直方向およ

ターンしか変化させていないため，左岸と右岸のび横断方向である。流下方向原点 x＝ 0 は河道閉

氾濫原高さの差が何％以上であれば橋梁迂回流が塞部（橋模型の上流端），鉛直方向原点 y＝ 0 は橋局所集中し氾濫被害を拡大させるかについては課の上流側氾濫原底面，横断方向原点 z＝ 0 は右岸

題が残っている。

側の水路壁とした。U, V および W は各方向におそこで本研究ではまず橋梁での流木捕捉実験をける時間平均流速を示す。

行い，堰上げ水深から実際の流木集積時の橋梁部

図 2 に示すように氾濫原模型（1/80スケール：

での河道閉塞率を評価する。次に流木投入実験に塩ビ製）を水路両側に設置した。低水路幅は Bm

より得られた河道閉塞率をもとに閉塞率を設定＝20 cm，左岸側と右岸側の氾濫原の幅は Bf＝10

し，橋梁を迂回した氾濫流の流速を PIV 計測した。

cm である。両岸の氾濫原高さは DL＝DR＝10 cm

PIV 計測位置は氾濫原全域をカバーするように横（左岸と右岸で流下方向に一様）とした。橋梁模

断方向にシフトさせて，氾濫原に流れ込む氾濫流型（1/80スケール）は水路上流端から4.0 m の位置

図2

流木投入実験装置図

450

岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究に設置した。橋梁模型は橋長20 cm，幅員 5 cm，塞時の水深と比較することで河道閉塞率 Ab/A を

床板厚 1 cm で，高さ 9 cm，幅 1 cm の橋脚部を評価した。ここで Ab は閉塞面積である。本研究2 本有しており，橋脚間距離 BR は6.0 cm である。

ではアルミ板の空いている穴の個数を変えること

橋模型の上部には欄干部として高さ 3 cm，幅20で，河道閉塞率 Ab/A を変化させている。

cm，厚さ 2 mm のメッシュ（メッシュサイズ 2 ×2 mm）板を取り付けている。また流木が捕捉されていない状態での河道全体の断面積 A(＝Bm×

2. 2 迂回氾濫流の PIV 計測と家屋抗力計測実験
次に流木による橋梁閉塞時にどの程度の氾濫流

D) に対する橋模型の投影面積の割合は Abridge/A＝

量が氾濫原に流れ込むか詳細に調べるために鉛直0.19である。

面（x-y 面）PIV 画像計測法を導入した。図 3 に示流木模型として木製円柱（直径 d＝6.0 mm，長

すように橋模型の前面にアルミ製ポーラス板を設

さ l＝6.0, 9.0, 12 cm（1/80スケール），l/d＝10, 15,

置し，大量の流木が一度に橋梁に捕捉され河道20，比重0.5）を用いた。針葉樹は比重が 1 よりも閉塞した状態を再現した。ポーラス板の閉塞率小さいとされているため比重は 1 よりも小さく設

Ab/A は流木捕捉実験をもとに決定している。PIV定している。

計測実験ではポーラス板を設置して十分に時間が

橋梁模型の4.0 m 上流から水路中央に10本ずつ経過して，氾濫原の氾濫流水深が増加しなくなっまとめて同時に投入した。着水時の給木方向はラた状態（定常状態）に達したときに流速計測を行っ

ンダムとなる。これを10秒ごとに繰り返し行った。

た。

供給した流木量は各ケース計270本とした。流木2012年宇治豪雨時には氾濫原高さの低い左岸側閉塞による堰上げ効果について調べるために，捕に迂回流が集中して，家屋が流出している（図 1

捉された流木は除去せず投入を繰り返した。各投（b））。本研究では氾濫原の地形効果についても考入が終了するごとに橋模型の上流側 5 cm におけ察する。右岸側の氾濫原高さ DR は流下方向に一る水深を計測した。10回実験を行い，水深の集合様とした。これに対して，左岸側の氾濫原高さ

平均値を堰上げ水深とした。

は河道閉塞部（x＝ 0 ）より下流側では氾濫原高さ

また流木捕捉時の橋梁部での河道閉塞率についDL2を変化させている。

て調べるために，流木除去後に橋模型の前面に

x-y 鉛直面 PIV では水路上方から3.0W のアル

既知の遮蔽面積のアルミ製ポーラス板（20 cm ×ゴンイオンレーザー（LLS）を照射し，水路側方

15 cm，パンチ径3.0 mm で穴の配置は均等）を設に高速度カメラ（1024×1024pixel）を設置し，フ置して橋模型の上流側の水深を計測した。流木閉

レームレート500 Hz，サンプリングレート30 Hz

図 3 （a）鉛直 PIV 法による迂回流の流速計測，（b）氾濫原模型と河道閉塞部

451

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）で60秒間撮影した。撮影領域のサイズは河道閉塞

棒を介して固定したデジタルプッシュプルゲージ部を含むように20 cm ×20 cm 領域である。計測（分解能1/1000N）を用いて，迂回流によって氾濫

画像から鉛直面の時間平均流速（U, V）を算出し原家屋に作用する抗力を120秒間計測した。デジた。PIV トレーサーについては粒径80 μm，比重

タルプッシュプルゲージはパソコンに接続するこ

1.02のポリスチレンを用いた。氾濫原の氾濫流量とで，家屋にかかる抗力の時系列データ（サンプを正確に算出するため，氾濫原全域をカバーする

リングレート10 Hz）を得ることができる。家屋ように LLS 位置を横断方向にシフトさせている。

模型の設置位置は河道閉塞部より下流側（x＞ 0 ）

LLS の照射位置は z/Bm＝1.55, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9（左とした（x＝ 0 〜80 cm：10 cm 間隔）。

岸側），z/Bm＝0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.45（右岸側）とし

図 4 （b） に示すように家屋抗力は時間とともに増加するが，氾濫流水深が増加しなくなると一定た。
次に迂回流発生時の氾濫原家屋に作用する抗力値に達する。本研究では抗力が一定値に達したを計測した。PIV 計測実験と同様に橋模型の前面時の値をその計測位置における家屋抗力最大値にアルミ製ポーラス板を設置している。図 4 に示

Fmax(N) とする。

すように左岸と右岸の氾濫原に家屋を模した柱状物体（1/80スケール : 6.0 cm ×6.0 cm ×6.0 cm：

2. 3 実験条件

発泡スチロール製）を設置し，水路上方から支持

表 1 に流木捕捉実験の実験条件を示す。本研究

図4

氾濫原家屋抗力計測装置 （a）洪水前，（b）洪水後

452

岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究で用いた流木模型の重心位置は流木の中央であ迂回流への影響に着目した。図 4 に示すように右る。流木捕捉実験では左岸側と右岸側の氾濫原高

岸側の氾濫原高さは DR＝10 cm で流下方向に一さは DL＝DR＝10 cm(＝D) と流下方向に一様であ様とした。河道閉塞部（x＝ 0 ：橋模型の上流端る。流木投入前の低水路水深 Hm＝7.0 cm は全ケー位置）から左岸側の氾濫原高さが下がり始めるス

スで同じである。橋梁部の捕捉性能への影響を調

ロープ（流下方向長さは L＝20 cm）を設置した。

べるために，上流からの流入流量 Q(l/s) を 4 通

上流の左岸側氾濫原高さは DL1＝10 cm であり，りに変化させた。流木投入前に等流になるように

下流の左岸側氾濫原高さは DL2＝8.0, 8.5, 9.0, 9.5,

水路勾配を変化させている。Um は流木投入前の10 cm（高低差 ΔD/D＝0.2, 0.15, 0.1, 0.05, 0.0）の低水路における断面平均流速で，Um＝21, 36, 50,

5 通りに変化させた。

64 cm/s（実河川では1.9, 3.2, 4.5, 5.7 m/s に対応）

CaseR10L8-X(ΔD/D＝0.2) については迂回流のとした。また流木模型は流木長 l＝6.0,9.0,12 cm

発生条件について調べるためにポーラス板の河に変化させ，橋脚間距離 BR に対する流木長の比道 閉 塞 率 を Ab/A＝0.19, 0.3, 0.39, 0,49, 0.56, 0.65,

は l/BR＝1.0, 1.5, 2.0 で あ る。 フ ル ー ド 数 は0.74, 0.84, 0.91に系統変化させている。

である（g は重力加速度）。

3 ．実験結果と考察

表 2 に PIV による流速計測実験と家屋抗力実

3. 1 流木集積による堰上げ水深と橋梁部での験の実験条件を示す。流木捕捉実験結果をもとに河道閉塞率の評価

ポーラス板の河道閉塞率を Ab/A＝0.56, 0.65の 2

本研究ではまず橋梁での流木捕捉実験を行い，通りに変化させている。また氾濫原の地形形状の表1
Q(l/s) Um(cm/s) Hm(cm) l(cm)
CaseL6-1

3.0

21.4

CaseL6-2

5.0

35.7

CaseL6-3

7.0

50.0

実験条件（流木投入実験）

d(cm) BR(cm)

6.0

l/BR

DR(cm) DL(cm) ⊿ D(cm)

1.0

Fr

水路勾配

0.26

1/1000 流木投入実験

0.43

1/400

流木投入実験

0.60

1/200

流木投入実験
流木投入実験CaseL6-4

9.0

64.3

0.78

1/100

CaseL9-1

3.0

21.4

0.26

1/1000 流木投入実験

CaseL9-2

5.0

35.7

CaseL9-3

7.0

50.0

7.0

9.0

0.6

6.0

1.5

10.0

10.0

0.0

0.43

1/400

流木投入実験

0.60

1/200

流木投入実験
流木投入実験CaseL9-4

9.0

64.3

0.78

1/110

CaseL12-1

3.0

21.4

0.26

1/1000 流木投入実験

CaseL12-2

5.0

35.7

CaseL12-3

7.0

50.0

CaseL12-4

9.0

64.3

12.0

表2

2.0

0.43

1/400

流木投入実験

0.60

1/200

流木投入実験

0.78

1/100

流木投入実験

実験条件（PIV 流速計測，家屋抗力計測実験）

Q(l/s) Um(cm/s) Hm(cm) DR(cm) DL1(cm) DL2(cm) ⊿D(cm) ⊿D/DR
CaseR10L8-1

7.0

50.0

CaseR10L8-2

7.0

50.0

CaseR10L8-X

7.0

50.0

CaseR10L8.5

7.0

50.0

7.0

10.0

10.0

8.5

1.5

CaseR10L9

7.0

50.0

7.0

10.0

10.0

9.0

CaseR10L9.5

7.0

50.0

7.0

10.0

10.0

9.5

CaseR10L10-1

7.0

50.0

CaseR10L10-2

7.0

50.0

7.0

7.0

10.0

10.0

10.0

10.0

8.0

10.0

2.0

Fr

Method0.65

0.60

PIV/ 家屋抗力
家屋抗力

0.56

0.60

0.19-0.91

0.60

家屋抗力

0.15

0.65

0.60

PIV/ 家屋抗力

1.0

0.10

0.65

0.60

PIV/ 家屋抗力

0.5

0.05

0.65

0.60

PIV/ 家屋抗力

0.65

0.60

PIV/ 家屋抗力

0.56

0.60

家屋抗力

0.0

0.20

Ab/A

0.00

453

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）堰上げ水深から流木集積時の閉塞率を定量的に評が増加し，越流し氾濫原で橋梁迂回流がみられた。

価 す る。 図 5 に CaseL12-1(l/BR＝2.0, Fr＝0.26)

図 6 に CaseL6-3(l/BR＝1.0, Fr＝0.60)，CaseL9-3と CaseL12-3(l/BR＝2.0, Fr＝0.60) の ケ ー ス に お(l/BR＝1.5, Fr＝0.60)，CaseL12-3(l/BR＝2.0, Fr＝ける流木100本投入時の橋梁部での流木集積のス

0.60) のケースにおける流木集積時の堰上げ水深

ナップショットを示す。

H の累計流木投入本数による変化を示す。値は10

実験初期の10本投入時における捕捉確率は，Fr

回の流木投入実験の堰上げ水深平均値で，流木投＝0.26では Pb＝0.3，Fr＝0.60では Pb＝0.23である。

入前の低水路水深 Hm で無次元化している。横軸既往研究でも報告されているように，流木が 1 本は投入した流木本数 nd である。

でも捕捉されると後続の流木がこれに接触しやす

l/BR＝2.0，Fr＝0.60ケースでは流木集積とともくなり捕捉確率が飛躍的に増大する。Fr＝0.26のに上流側の水深が堰上げされ，70本投入時に氾濫ケースでは Fr＝0.60のケースよりも水面付近で原への越流がみられた。200本投入以降では堰上流木捕捉が進行していることがわかる。Fr＝0.60

げ水深の増加はあまりみられずほぼ一定値 Hmax

ケースでは橋梁前面で流木が集積していくと水深に達している。l/BR＝1.5，Fr＝0.60ケースでも氾

図5

橋梁部での流木集積のスナップショット（100本投入時）(a) l/BR＝2.0, Fr＝0.26, (b) l/BR＝2.0, Fr＝0.6

図6

流木集積による堰上げ水深の変化（流木長の影響）

454

岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究

濫原への越流がみられたが（140本投入時），l/BR程度であった。これは流木が捕捉されることによ＝2.0，Fr＝0.60ケースよりは堰上げ水深効果が小り閉塞率が約46％増加している。流木捕捉実験にさい。これに対して，l/BR＝1.0，Fr＝0.60のケー

よって求められた橋梁部での河道閉塞率の最大値

スでは流木捕捉はみられず，堰上げ水深 H は変は λd＝0.65となった。

化しない。流木が橋脚に接触しても，回転して下流側に流出する現象がみられた。
図 7 （a） に各ケースの流木270本投入時の橋梁

図 7 （b） に 各 ケ ー ス の 流 木 閉 塞 に よ る 閉 塞

率 λd＝Ab/A を示す。横軸は流木投入前の Mainchannel におけるフルード数 Fr である。流木閉部での堰上げ水深 Hmax を示す。横軸は流木投入

塞による閉塞率 λd は流木270本投入時の橋梁部で前低水路におけるフルード数 Fr である。堰上げの堰上げ水深 Hmax と既知の閉塞率 Ab/A のポーラ

水深 Hmax（270本投入時）は10回の流木投入実験

ス板を設置したときの堰上げ水深 H を比較してのデータを平均して算出した。図中に既知の閉塞算出した。

率 λd＝Ab/A のポーラス板を設置したときの堰上

l/BR＝2.0ではフルード数 Fr が大きくなると流げ水深を併示した。なお捕捉流木が存在しない状

木閉塞による閉塞率 Ab/A が増加する傾向がみら態における橋梁による河道の遮蔽率は Abridge/A＝れた。これはフルード数 Fr が小さいと流木が橋

0.19(19％) である。

梁断面で水面付近でのみ集積していくためであ

l/BR＝1.5，Fr＝0.60の ケ ー ス に お け る 堰 上 げる。フルード数 Fr が小さいケースでは橋梁前面

水深 Hmax はポーラス板閉塞率 Ab/A＝0.56の水深の流木塊は水面付近で上流側に向けて大きくなっと同程度である。270本投入時には流木集積にていく現象がみられた（図 5 （a），図 8 （a））。

よって閉塞率が37％増加したことを示している。

これに対して，フルード数 Fr が大きくなると

l/BR＝2.0，Fr＝0.60のケースにおける堰上げ水深

水面付近だけでなく，底面付近でも流木が捕捉さ

Hmax はポーラス板閉塞率 Ab/A＝0.65の水深と同れるのがみられた（図 8 （b））。これは流木が橋脚に捕捉された後に底面に向けて沈下するためである（図 8 （c），（d））。捕捉された流木が沈下した
結果，水面から底面まで流木塊が流れを阻害するようになり，流木閉塞時の閉塞率 Ab/A が大きくなったと考えられる。
本研究でみられた捕捉された流木の沈下現象は既往流木研究ではあまり明らかにされておらず，注目される。これは橋脚前面で水流がぶつかって下降流が発生するためで，フルード数が大きいケースでは下降流の鉛直下向き（V＜ 0 ）の流速が大きくなって流木を沈下させると推測される。
流木の比重，重心位置も流木の沈下現象にかかわる重要なパラメータである。
3. 2 橋梁閉塞時の迂回流の氾濫原流量の評価
次に流木閉塞時の氾濫流量を PIV 計測結果か

図 7 （a）流木集積による堰上げ水深最大値の変化（フルード数の影響）（b）流木集積による橋梁部での河道閉塞
率の変化（フルード数の影響）ら評価する。ポーラス板の閉塞率 Ab/A は流木捕捉実験をもとに決定している。本研究では流木閉塞時の橋梁迂回流の氾濫流量を正確に算出するため，横断方向位置をシフトさせて鉛直 PIV 計測

455

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）を行っている（z/Bm＝0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.45（右岸），
1.55, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9（左岸））。
図 9 （a），（b） に CaseR10L8-1（ 左 岸 8 cm， 右
岸10 cm），Ab/A（ポーラス板の閉塞率）＝0.65, Fr

上流端位置（x/Bm＝ 0 ）での単位幅流量 ΔQ(z)＝Hf(z)・〈U〉(z) の横断方向プロットを示す。
〈U〉(z)

は各横断方向位置の流速値を式（ 1 ）のように水深平均して算出した。

＝0.60のケースについて横断方向位置ごとに時間
平均主流速 U の鉛直断面（x-y 平面）コンターを示（1）している。図 9 （c） に CaseR10L8-1の氾濫原における氾濫流水深 Hf の水平面（x-z 平面）コンターを示す。図 9 （d） に横断方向位置ごとに氾濫流水（2）

位 Hwl の流下方向プロット図を示す。

図 9 （a） からどの位置においても橋梁部より下

単位幅流量 ΔQ(z)＝Hf(z)・〈U〉(z) は橋梁の欄干

流側で氾濫流速が増加している。これは氾濫流水部（z/Bm＝0.45（右岸），1.55（左岸））付近で小さ深が流下方向に減少しているためだと考えられるい。これは氾濫流水深が橋梁部では横断方向に非（図 9 （c））。氾濫原高さの低い左岸側では流速値

一様で橋梁部付近では Hf(z) が小さいためである。

は大きく，下流側に進むにつれて右岸との流速差

また，単位幅流量 ΔQ(z)＝Hf(z)・〈U〉(z) は氾濫

は大きくなることが確認できる。

原の中央部（z/Bm＝0.3（右岸），1.7（左岸））付近

横断方向位置ごとに比較すると氾濫原の中央部

で大きくなっている。これは前述したように，氾付近（z/Bm＝0.4（右岸），1.6（左岸））において氾濫原の中央部付近の氾濫流速の方が大きくなるた濫流速が最も大きくなっている。これは氾濫流速めである。

が橋梁の欄干部付近で低減するためである。図 9

図10にはプロットした単位幅流量 ΔQ(z) の横（d） から橋梁の上流側（x/Bm＜ 0 ）では氾濫流水断分布をもとに描いた多項式近似曲線を併示して位に横断方向の差はあまりみられない。

いる。どのケースも多項式近似を用いて精度良

図10に CaseR10L8-1, Ab/A（ ポ ー ラ ス 板 の 閉く近似することができた。多項式近似した ΔQ(z)塞率）＝0.65, Fr＝0.60，横断方向位置の橋梁のを積分することで左岸と右岸における氾濫流量を

図 8 （a）橋梁部での流木集積の模式図（フルード数が小さいケース）（b）橋梁部での流木集積の模式図（フルード数が大きいケース）（c），（d）橋梁で捕捉された流木の沈下現象のスナップショット（l/BR＝2.0, Fr＝0.6）

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岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究

図 9 （a）橋梁迂回流発生時の左岸側主流速の鉛直面コンター（b）橋梁迂回流発生時の右岸側主流速の鉛直面コンター

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）

図 9 （c）橋梁迂回流発生時の氾濫流水深の水平面コンター，（d）橋梁迂回流発生時の氾濫流水位の流下方向プロット図

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岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究

次式から算出することができる。
（3）（4）
主流域での流量 QM，両岸の氾濫流量 QF は次式で表される。

図11（5）
図 11 に CaseR10L8-1, CaseR10L8.5, CaseR10L9,

迂回流発生時の左岸と右岸の氾濫流量の変化（Fr＝0.6：左岸と右岸の高低差の影
響）

い左岸に氾濫流が集中するため，左岸側氾濫流

CaseR10L9.5 and CaseR10L10-1, Ab/A（ 河 道 閉 塞

QL は QR の1.4倍となった。左岸と右岸の高低差率）＝0.65, Fr＝0.60のケースにおける橋梁の上流が小さい CaseR10L9.5（ΔD/DR＝0.05）では QL は

端位置（x/Bm＝ 0 ）での右岸と左岸における氾濫

QR の1.07倍となった。また，左岸と右岸の高低

流量 QR，QL を示す。横軸は左岸と右岸の高低差差がない ΔD/DR＝ 0 のケースでは QL と QR は同

ΔD/DR である。

左岸と右岸の高低差がもっとも大きい
CaseR10L8-1(ΔD/DR＝0.2) で は 氾 濫 原 高 さ の 低じ値をもつ。
同図中には両岸の氾濫流量 QF を併示した。左岸と右岸の高低差がない CaseR10L10（ΔD/DR＝0.0）のケースではトータルの河川流量の18％の氾濫流が左岸と右岸の氾濫流に流れ込んでいる。これにより大量の流木が捕捉された橋梁閉塞時には河川流量の 2 割程度の氾濫流が両岸の氾濫原に流れ込む可能性があることが示唆された。左岸と右岸の高低差がもっとも大きい CaseR10L8-1(ΔD/
DR＝0.2) のケースでは氾濫流量が大きくなり，
トータルの河川流量の21％の氾濫流が氾濫原に流れ込んでいる。CaseR10L10-1と比較して全体の氾濫流量が増加しているが，これにより左岸側の水位が低いため上流側の氾濫流が引き込まれている可能性が示唆される。
3. 3 橋梁迂回流による氾濫被害区域について
流木閉塞時の迂回氾濫流による家屋流出被害について考察するために，氾濫原家屋（本研究の家屋模型は1/80スケール）にかかる抗力を測定した。家屋が氾濫流から受ける抗力は次式で表される。

図10

橋梁迂回流発生時の単位幅あたりの氾濫流量の横断方向プロット図（CaseR10L8-1, Fr＝0.6, Ab/A＝0.65）（a）
左岸，（b）右岸

（6）

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自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）CD は抗力係数，Ax は家屋の水中投影面積，Us はく上回るため，家屋流出の危険性が増している。

家屋前面での氾濫流流速である。式（ 6 ）とフルー

CaseR10L8-1(ΔD/DR＝0.2) で は 左 岸 側 の 家 屋 抗

ド相似則を用いて実スケールの家屋にかかる抗力は F/Fwd＝3.6程度，右岸側の家屋抗力は F/Fwd

力を算出し，木造家屋の破壊基準値 Fwd と比較す＝0.3程度となった。左岸と右岸の高低差が小さる。木造家屋は 1 m あたりの抗力が1.06 tf/m をい CaseR10L9.5(ΔD/DR＝0.05) でも左岸側の家屋超えると破壊されるとされている（Koshimura &抗力の値は右岸側と 2 倍程度となった。このこと

Kayaba (2011)）。

から左岸と右岸の高低差が 5 ％程度であっても氾図12に Fr＝0.60，Ab/A＝0.65のケースにおける左岸と右岸の高低差 ΔD/DR に対する迂回流発生

濫流を集中させ，洪水被害をより大きくすることが示唆された。

時に左岸と右岸の氾濫原の家屋にかかる抗力の最図 13（a） に CaseR10L8-1,2(ΔD/D R ＝0.2），

大値 Fmax の変化を示す。抗力値は木造家屋の破CaseR10L10-1,2(ΔD/DR＝0.0）の左岸と右岸にお壊基準値 Fwd で無次元化している。家屋の流下方

ける家屋抗力の最大値の流下方向変化 Fmax(x) を

向位置は x/Bm＝1.0である。

示す。フルード数は Fr＝0.60，Ab/A（ポーラス板

ΔD/DR が大きくなるにつれて左岸氾濫原家屋にかかる抗力が増加して破壊基準値 Fwd を大きの閉塞率）＝0.56, 0.65である。
CaseR10L8(ΔD/DR＝0.2) では河道閉塞率 Ab/A
＝0.49を超えると氾濫原に越流して迂回氾濫流が

図12

迂回流発生時の左岸と右岸氾濫原の家屋抗力最大値の変化（左岸と右岸の高低差の影響）

図13 （a）左岸と右岸氾濫原の家屋抗力最大値の流下方向変化

図13 （b）迂回氾濫流発生時の氾濫被害区域

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岡本・竹林・鈴木・山上・戸田：流木集積による橋梁閉塞と迂回流の氾濫流量に関する実験的研究

発生するのがみられた。Ab/A＝0.49の抗力値はポーラス板閉塞率 Ab/A＝0.65の水深と同程度小さいため図中には示していない。河道閉塞率で，流木集積によって河道閉塞率が約46％増加

Ab/A＝0.56のときに左岸側 x/Bm＝1.0の家屋抗力した。流木長 l/BR＝1.5，Fr＝0.6(CaseL9-3) のの最大値 Fmax が木造家屋の破壊基準値 Fwd を超え，ケースではポーラス板閉塞率 Ab/A＝0.56の水家屋が流出する危険が大きい。Ab/A＝0.65のケー

深と同程度で流木集積によって閉塞率が37％増

スでは1.0＜x/Bm<2.5の範囲で左岸氾濫原家屋に加した。これらの結果から流木長が長くなると破壊基準値 Fwd を超える抗力が作用する。これよ

橋梁部での河道閉塞率が増加することがわかっり，氾濫原高さの低い左岸側の氾濫危険区域（図た。

13（b））が流下方向まで続いていることが確認さ2 ）フルード数が大きくなると流木閉塞による閉れた。本研究では浸水深が大きくないため家屋に塞率 λd＝Ab/A が増加する傾向がみられた。こかかる浮力の影響を考えていないが，浮力を考慮

れはフルード数が小さいケースでは流木が橋梁すると家屋流出の被害域が広がる可能性がある。

前面で水面付近でのみ集積していくためであ

これに対して，右岸側では氾濫原全域で Ab/Aる。これに対し，フルード数が大きいケースで＝0.56, 0.65で Fmax が木造家屋の破壊基準値 Fwd よは，流木が橋脚に捕捉された後に流木が底面にり小さいため，家屋流出の危険は少ないと考えら向けて沈下する現象がみられた。流木が沈下すれる。

ることで水面から底面まで流木塊が流れを阻害

CaseR10L10(ΔD/DR＝0.0) で は Ab/A＝0.56 でし，閉塞率 λd＝Ab/A が増加したと考えられる。

は迂回流は発生しているが，両岸の氾濫原全域

3 ）氾濫原全域をカバーするように LLS 位置を横で家屋抗力値は小さく家屋流出の危険は少ない。

断方向にシフトさせて PIV 計測を行った。単

Ab/A＝0.65のケースで0.0＜ x/Bm＜1.0の範囲で破位幅流量の横断分布を近似曲線を用いて積分す

壊基準値 Fwd を超える抗力が作用する。

ることで，河道閉塞時の氾濫原の氾濫流量を正確に算出した。左岸と右岸の高低差がもっとも4 ．結論
本研究ではまず流木の集団投入実験を行い，橋大きい CaseR10L8(ΔD/DR＝0.2) では氾濫原高さの低い左岸に氾濫流が集中するため，左岸側

梁前面が流木で閉塞したときの橋の上流側の堰上

氾濫流 QL は右岸側氾濫流 QR の1.4倍となった。

げ水深を計測した。また流木除去後に橋模型の前

4 ）左 岸 と 右 岸 の 高 低 差 の あ る CaseR10L8-1

面に既知の遮蔽面積のアルミ製ポーラス板を設置(ΔD/DR＝0.2) のケースでは左岸と右岸を合計して水深を計測し，流木閉塞時の水深と比較する

した迂回流の氾濫流量 QF はトータルの河川ことで流木閉塞時の河道閉塞率 Ab/A を評価した。

流量の21％の氾濫流が氾濫原に流れ込んでい次に流木閉塞時の迂回氾濫流の流量を評価するたる。高低差のない CaseR10L10と比較すると，めに PIV 画像計測法を用い，迂回流の流速計測

CaseR10L8の方が左岸と右岸を合計した氾濫流を行った。左岸と右岸の氾濫原高さを変化させて，

量 QF が増加している。これにより CaseR10L8

氾濫原の地形形状の迂回流への影響について調べ

では左岸側の水位が低いため上流側の氾濫流がた。さらに氾濫原家屋にかかる抗力計測を行い，引き込まれ，全体の氾濫流量を増加させている

迂回流の家屋流出被害の危険域を評価し，迂回流の発生条件についても考察した。
以下に総合的な考察も加え，結論とする。

可能性が示唆された。
5 ）左 岸 と 右 岸 の 高 低 差 の 小 さ い CaseR10L9.5(ΔD/DR＝0.05) でも左岸側の家屋抗力の値は右岸側の 2 倍程度となった。このことから左岸と1 ）流木長を変化させて橋梁部での流木集積によ

右岸の高低差が 5 ％程度であっても氾濫流を集る河道閉塞率の変化について調べた。流木長

中させ，洪水被害をより大きくすることが示唆

l/BR＝2.0，Fr＝0.6(CaseL12-3) の ケ ー ス で は

された。

461

自然災害科学 J. JSNDS 36 -4（2018 ）6 ）左岸と右岸の高低差のある CaseR10L8(ΔD/
DR＝0.2) では河道閉塞率 Ab/A＝0.49を超えると氾濫原に越流して迂回氾濫流が発生した。閉塞率 Ab/A＝0.56を超えると左岸側 x/Bm＝1.0の位置の家屋抗力の最大値 Fmax が木造家屋の破壊基準値 Fwd を超え，家屋が流出する危険が大きくなった。河道閉塞率 Ab/A＝0.65を超えると左岸側1.0＜x/Bm＜2.5の範囲で氾濫原家屋に
破壊基準値 Fwd を超える抗力が作用した。右岸
では抗力値は小さく，家屋被害はみられなかった。

謝辞
本研究は科学研究費補助金（若手（B），集中豪雨による中小河川の橋梁閉塞と迂回氾濫流の河岸浸食防止のための実践的特進研究，代表：岡本隆明）の研究助成の下で行われた。ここに謝意を表
する。

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訂正稿受理：平成29年11月16日）

Vol.10(3)., pp.87-101, 2011

要旨

集中豪雨時には大量の流木が河川に流出し，橋脚に引っかかることで河道を閉塞させて水位上昇を招き，洪水被害を大きくすることが知られている。さらに橋梁を迂回した氾濫流河岸を侵食して，家屋を流出させるなどの被害が報告させている。流木被害を予測するには川道閉塞
時の橋梁周辺の氾濫水の挙動を予測することが重要であるが，これまで流木による橋梁閉塞時に越流した氾濫流を対象とした研究はあまりみられない。
そこで本研究ではまず橋梁での流木捕捉実験を行い，堰上げ水深から実験の流木集積時の橋梁部での河道閉塞率を評価する。次に流木投入時実験により得られた河道閉塞率をもとに閉塞率を設定し，橋梁を迂回した氾濫水流の流速を PIV 計測した。PIV 計測位置は氾濫原全域をカ
バーするように横断方向にシフトさせて，氾濫原に流れ込む氾濫流量を正確に評価した。さらに左岸の氾濫原高さを系統変化させて氾濫原の家屋抗力を計測し，洪水氾濫危険区域を評価し，迂回流被害の予測，対策の検討を行った。