2023年度河川技術に関するシンポジウム
時間：2023年6月2２日、23日
場所：土木学会講堂・オンライン併用

導流工を適用した橋脚の局所洗掘の対策工に関する実験的検討

熊本大学
大本照憲・張 浩・濵砂 翔1

背景
台風や梅雨の集中豪雨による洪水増ダム建設や砂利採取による河床低下

床止め工
堰
橋脚の局所洗掘2017 年（平成 29 年） 九州北部豪雨
日田市 JR久大本線 橋脚転倒破壊

球磨川・沖鶴橋 局所洗堀
2020年08月26日14時撮影

Deng, L., and Cai, C. Bridge Scour: Prediction, Modeling, Monitoring,and Countermeasures-Review. Journal of2
Hydraulic Engineering, pp. 125–134, 2010.

目的・洗掘対策工の事例
ブロック工

出典:株式会社高野建設

捨石工

出典:大嘉産業株式会社

橋脚の形状を流線形に改善した事例や橋脚の上流に導流工としてベーンや杭を設置した事例5,6)があるが，導流工の形状，大きさ，配列について自由度が高く，橋脚の局所洗掘を最小化するための導流工の最適配置について不明な点が多く残されている．

本研究では，局所洗掘が大きい橋脚の直上流に導流工を設置することによって洗掘孔を抑制することを目的としている．
移動床実験を通して橋脚の直上流に杭群を用いた導流工が橋脚周りの洗掘孔に与える影響を検討した．
対策工の抑制効果に対して最大洗掘深に加えて，本研究では橋脚の安定性を配慮して導流工および橋脚周りの洗掘孔の体積も検討対象に加えた．
3

実験概要

水路 長さ:10m

幅 :39cm
高さ:20cm

橋脚

杭導流工

橋脚模型:直径30mm
中央粒径:0.77cm
導流工:直径20mm
均等係数:1.29
杭:直径5mm

移動床 4号珪砂4実験条件と測定方法
・実験条件

実験ケース
無補強

CaseN

導流工:2個CaseG２導流工:4個

CaseG4

導流工:6個CaseG6導流工:8個

CaseG8導流工:10個

CaseG10

導流工:12個

CaseG12

導流工:４個（杭有り）

CaseG4-P

導流工:6個（杭有り）

CaseG6-P

Variables
橋脚

導流工を各個数並べる

杭6本設置

流量 Q

6.7(l/s)

河床勾配 i01/1000

水深 h6.9(cm)平均流速 Um

24.9(cm/s)

摩擦速度 u2.23(cm/s)

無次元層流力τ

0.054

u/uc
(ucは限界摩擦速度）

1.08

フルード数 Fr

0.30
5河床コンター図 ー無補強ー
無補強 CaseN の場合
y/D0 flow

最大洗掘深zs/D0=1.71 (zs:51.3mm)

ⅹ/D0

洗掘

堆積

無補強における橋脚周辺の洗掘孔は，流下方向にxs/D0=6.3,横断方向にはys/D0=6.0，最大洗掘深zs/D0=1.71である．
また，橋脚近傍で洗掘された土砂はその下流で帯状に堆積し，流下方向にxd/D0=15.7,横断方向にはyd/D0=6.0，最大堆積厚zd/D0=0.64である．

Breusers etal の提案式
Zs/D=2tanh(ho/D) =1.84
Richardson and Davis の提案式
Zs/D=2KsKαKbedKa(b/h)0.35Fr0.43 =1.77

頂点を下にした
円錐形の洗掘

h0:

K:

b:
6

河床コンター図 ー導流工1/3ー
y/D0 flow

最大洗掘深zs/D0=0.99

y/D0 flow

x/D0(Number of guide pile:2)
Case G2
y/D0

最大洗掘深zs/D0=0.93(Number of guide pile:4)
Case G4
洗掘x/D0堆積flow 最大洗掘深z /D =0.80
s 0x/D0(Number of guide pile:6)(c) Case G6(c) Case G67

河床コンター図 ー導流工2/3ー
y/D0 flow

最大洗掘深zs/D0=0.77

y/D0 flow

x/D0y/D0(Number of guide pile:8)(d) Case G8flow
最大洗掘深zs/D0=0.80(Number of guide pile:12)(f) Case G12

最大洗掘深zs/D0=0.80

x/D0(Number of guide pile:10)(e) Case G10
洗掘
堆積x/D0(f) Case G128

河床コンター図 ー導流工・杭有り 3/3 ーy/D0flow

最大洗掘深zs/D0=0.93

ⅹ/D0(Number of guide pile:4, with 6piers)
Case G4-Pflow
y/D0
最大洗掘深zs/D0=0.80(Number of guide pile:6, with 6piers)(h) Case G6-P

堆積洗掘(c) Case G6

導流工:6個ⅹ/D0(h) Case G6-P

導流工:6個（杭有り）

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- 橋脚および導流工に沿った河床変動の縦断分布 橋脚周上の流下方向の洗掘分布
Bridge Pier Scour

2010
洗掘深Scour Depth (mm)31.6°32.4°

27.1°
26.6°
23.5°
26.3°

30.8°

23.3°

0-10[mm] -20

20.0°

-30

32.8°31.6°32.4°

-40

27.0°
33.7°
39.2°

-50-60CaseN
CaseG2
CaseG4
CaseG6
CaseG8CaseG10
CaseG12-30-20-100x(cm)Angle of 水中安息角:
repose in water 28.4°

1020304010

橋脚前面における洗掘孔の横断分布
CaseN 洗掘幅
CaseG4 洗掘幅

Bs=18cm

Bs=14cm

CaseG6 洗掘幅

Bs=10cm

Scour Depth (mm)

洗掘深0-10-20CaseN
CaseG2
CaseG4
CaseG6-30

CaseG8CaseG10
CaseG12-40-50-15-10-50y(cm)51015

橋脚直上流における横断方向の洗掘分布
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橋脚の最大洗堀深および洗掘孔体積対する抑制効果
最大洗掘深と導流工の杭の本数の関係
zs(CaseGN)/zs(CaseN)
Zmax(Bridge pier)Zmax(Sacrificial piles)

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.40.20.2

Scour hole(Bridge pier)Scour hole(Sacrificial ples)

0024洗掘孔体積

最大洗掘深

MaximumScour Depth

1Scour Hole VolumeVols(CaseGN)/ Vols(CaseN)
1 最大洗堀深：約50% Cut off

68
Number of piles

10120

洗堀孔体積：
約80% Cut off

導流工の杭本数
杭本数6以上で最大洗掘深および洗掘孔体積は変わらない

橋脚の局所洗堀に対する抑制効果

杭本数4以下では橋脚と杭先端部の洗掘孔が一体化導流工として杭本数6（4D0（橋脚径)）が適している

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まとめ
本研究では，橋脚の洗掘孔が最も大きくなる限界掃流力近傍において洗掘対策として馬蹄形渦の抑制に着目した導流工を適用した．導流工が橋脚周辺の洗掘孔への影響について得られた主な結果を以下に示す．
1）導流工の本数が洗掘形状に与える影響は，導流工が 6本以上では，導流工の先端部付近で洗掘，中央部で堆積，橋脚周りで洗掘となるパターンを示し，導流工が４本以下では，導流工の洗掘と橋脚の洗掘孔が一体化するパターンとなる．その洗掘孔を分離する境界は，導流工の長さが橋脚直径 D0 の約 4 倍であった．
2）無補強 CaseN に較べて 6 本以上の導流工を設置したCaseG6～CaseG12の場合，橋脚周りの最大洗掘深が約 50％，洗掘孔の体積は約20%にまで抑制された．
3)橋脚周辺の洗掘の縦・横断形状からCaseG6～CaseG12においては，橋脚周りの流れの構造，掃流力の空間分布は類似していることが示唆され，導流工が6本以上では橋脚の局所洗掘への影響はほぼ同一と判断された．
4)橋脚下流の土砂の堆積は，大きさは異なるが導流工の有無に関係せず類似の分布形状を示した．
今後の課題
なお，本研究では橋脚の直上流に円筒状の導流工を設置し，橋脚周りの局所洗掘に対して抑制効果のあることが示された．しかしながら，実河川に実装するには現場にて実証実験する必要があること，更には導流工の大きさ，河床面からの突出高さおよび配置によって更に抑制効果を高める可能性があり,導流工の形状も含めて今後の検討課題にしたい．
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