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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

土石流構成材料の粒径区分と先頭部粒度偏析との関係
鳥取大学大学院工学研究科
１.背景と目的○虫明寛人，和田孝志，三輪 浩

土石流は大小様々な砂礫で構成されており，流下に伴って比較的粒径の大きい砂礫が先頭部に集積するという特徴（以下，先頭部粒度偏析と称する）がある．そのため，土石流が集落等へ到達すると大きな人的・物的被害を与える．一方で，この特徴は透過型砂防堰堤での閉塞効果をもたらす等，防災上利用可能であるため，先頭部粒度偏析メカニズムの解明は土石流被害の防止・軽減において重要である．先頭部粒度偏析メカニズムを解明するため，これまで多くの水路実験や考察がなされてきたが，土石流構成材料に含まれる細粒成分や中間サイズの粒径成分が先頭部粒度偏析に及ぼす影響に着目した実験はなされていない．そこで，本研究では砂成分を含有する 3 粒径階の混合砂礫土石流に関する水路実験を行い，砂成分を含有していない同条件での既往実験結果 1)と比較することで，砂成分または中間サイズの粒径成分が先頭部粒度偏表-1析へ及ぼす影響を検討する．
２.実験の概要

各実験Caseの実験砂粒度構成
大小粒径(mm)Case

本実験では実験水路 A，B の 2 つを用いた．実験

Case 1

水路 A は水路長 100 cm（移動床長 L = 90 cm），水路幅 7 cm，実験水路 B は水路長 350 cm（固定床 50 cm，移動床長 L =300 cm）， Case 2
水路幅 10 cm の直線水路である．本実験砂は，平均粒径 10.7 mm，Case 3

7.1 mm，3.0 mm，1.4 mm，0.6 mm の 5 つのほぼ一様な砂礫を用

Case 4

いた．実験条件は，平均粒径 0.6 mm 以外の混合する 2 つの粒径

Case 5階と使用水路（流下距離）を変化させて表-1 に示す 12 ケースをCase 6

設定し，実験結果のばらつきを考慮して各ケースで同じ実験を 3水路A
水路B
水路A
水路B
水路A
水路B
水路A
水路B
水路A
水路B
水路A
水路B

粒度構成
大小粒径配合割合dm0(mm)10.7, 7.1, 0.6

7.52

10.7, 3.0, 0.6

5.96

10.7, 1.4, 0.6

大16%
小64%
細砂20%

7.1, 3.0, 0.6

5.83
4.21

7.1, 1.4, 0.6

3.89

3.0, 1.4, 0.6

1.83

回実施した．全ケースで単位幅供給流量を 0.67 cm²/s，土砂の初期堆積厚を 5 cm，水路勾配を 15°に設定している．
なお，以下の考察では，3 つの粒径階を大きいものから，大粒子成分，小粒子成分，砂成分と称し，3 粒径階の総体積に対するそれぞれの割合を PL，PS，Psand と定義する．

大粒子存在割合PL

３.実験結果と考察

1.00

図-1 は流下距離 300 cm，Case 2 の砂成分含有・非含有条件における土石流先頭部の PL の時間変化を示している．この図に示されるように，砂成分を含有するこ0.600.40

初期存在割合0.160.200.00
0

大粒子存在割合PLとで先頭部の大粒子集積の進行が低下したこと，土石流の到達時間が短くなることがわかる．前者は，砂成分を含有することによって流動層内の平均的な粒子間距離が狭くなり，比較的小さい粒子のパーコレーションによる土石流流動層内での逆グレーディングの形成が抑制されたためと考えられる．
また，後者は，砂成分の混入による全体の平均粒径の減少が，10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1回目
10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―2回目
10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―3回目

0.80

121.00345678910 11 12
上流端給水開始からの経過時間(sec)
10.7:3.0＝1:4 [15°_67cm^2/s_300cm]―1回目
10.7:3.0＝1:4 [15°_67cm^2/s_300cm]―2回目
10.7:3.0＝1:4 [15°_67cm^2/s_300cm]―3回目

0.80
0.60
0.40

0.20

初期存在割合0.20

0.00567891011121314151617

上流端給水開始からの経過時間(sec)

図-1

流下時における砂礫間の摩擦・衝突等によるエネルギー散逸を低下させ，土石流流速を増大させたことが原因と考えられ

砂成分含有・非含有条件における先頭部大粒子存在割合の時間変化（上図：本実験Case 2，下図：既往実験1））

る．加えて，この土石流流速の増大も流動層内のパーコレーションを抑制する要因となったことも考えられる．
図-2 は Case 1 と Case 2 における流下距離 300 cm での土石流先頭部の PL，PS ，Psand の時間変化を示している．
Case 1と Case 2 では小粒子成分だけが異なっている．小粒子成分が比較的大きい Case 1 では，土石流先頭部の Psand はほぼ 0 であり，PL が初期存在割合より増大し，PS が初期存在割合より減少する傾向がみられる．これは，砂成分を含有しない既往実験結果 1)と同様の傾向であった．一方，小粒子成分が比較的小さい Case 2 では，土石流の最先頭部
では，Case 1 と同じく PL が初期存在割合より増大，PS，Psand が初期存在割合より減少するが，その直後からは PL－ 675 －続では PS が減少すると Psand が増加する傾向が見られた．
これらのことから，先頭部粒度偏析は比較的大きさの近い2 つの粒径成分の存在割合の交換が連鎖的に重なって発0.80
0.60
0.400.00
4子の次に大きい粒子の存在割合を一旦増加させるが，増加した粒子もやがてパーコレーションの対象となり，さらに0.80偏析へより強く影響することを示唆している．なお，パーコレーション対象粒子の次に大きい粒子が対象粒子に近1213140.40
10.7:7.1:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目
10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目

0.200.00
4567891011
上流端給水開始からの経過時間(sec)1.00
青砂存在割合Psand

石流粒度構成の中で比較的小さい粒径成分が先頭部粒度67891011
上流端給水開始からの経過時間(sec)

初期存在割合0.640.60

その次に大きい粒子の増加に寄与するという過程を経て先頭部粒度偏析が発達すると考えられた．このことは，土51.00

小粒子存在割合PS中のより小さい粒子から発生し，パーコレーション対象粒

初期存在割合0.160.20達していることが示唆された．また，最先頭部の Psand が最も小さいことを踏まえると，パーコレーションは土石流

10.7:7.1:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目
10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目

1.00

大粒子存在割合PLが初期割合に戻り，PS が初期割合より増大し，さらに後

121314

10.7:7.1:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目
10.7:3.0:0.6＝1:4:1.25 [15°_67cm^2/s_300cm]―1～3回目

0.80
0.60
0.40
初期存在割合0.200.200.00

い粒径の場合はさらに大きい粒子のパーコレーションが4発現しやすい傾向も確認されており，この場合はパーコレ

図-2

図-3 は，本実験および既往研究 1)2)における先頭部大粒

0.6567891011
上流端給水開始からの経過時間(sec)121314

中間サイズの粒径成分が異なる条件における各粒径成分存在割合の時間変化
ーション対象粒子とその次に大きい粒子の粒径が一体と（中間サイズ粒径7.1 mm：Case 1，粒径3.0 mm：Case 2）なったパーコレーションが発生すると考えられる．
初期存在割合0.65

なお，本実験結果の PL については既往研究結果と比較するため，砂成分を除いた 2 粒径成分の総体積に対する大粒子成分の体積としている．この図から砂成分含有の有無にかかわらず反比例の関係が確認でき，τ*では多様な粒度構成の土石流における先頭部粒度偏析のパラメータ0.55

先頭部大粒子存在割合 PL

子存在割合 PL と無次元掃流力 τ*との関係を示している．

前田ら2020_砂なし15度(水路長300cm, 100cm2/s)
前田ら2020_砂なし15度(水路長300cm, 200cm2/s)前田ら2020_砂なし15度(水路長90cm, 67cm2/s)
前田ら2020_砂なし20度(水路長90cm, 67cm2/s)
前田ら2020_砂なし25度(水路長90cm, 67cm2/s)
前田ら2020_砂なし15度(水路長300cm, 67cm2/s)
宮本1985_15度(水路長1200cm, 100-300cm2/s)
宮本1985_17度(水路長1200cm, 100-300cm2/s)
宮本1985_20度(水路長1200cm, 100-300cm2/s)
宮本1985_22度(水路長1200cm, 100-300cm2/s)
本実験_Case1～6砂あり[A]_15度(水路長90cm, 67cm2/s)
本実験_Case1～6砂あり[B]_15度(水路長300cm, 67cm2/s)

0.5

0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.20.15※宮本1985以外は3回の試行結果の平均値を使用※Case 1～6砂成分含有ケースは砂成分を除いた総体積に対する大粒子成分の割合0.1として適していると考えられる．なお，比較的 PL が大き0.050い結果は主に宮本 2)の実験によるものであるが，宮本 2)の実験では先頭部粒度偏析の発達を増大させると考えら

0図-3

れる流下距離（L=12m）がその他の実験よりも十分大き0.511.522.53

無次元掃流力 t*

3.544.555.5

本実験および既往実験における無次元掃流力τ*と先頭部大粒子存在割合PLの関係

い．しかし，この結果の範囲には本実験や前田ら 1)の実験結果も含まれており，これらはいずれも大小粒子成分の粒径が最も大きい組み合わせ（大粒子 10.7 mm，小粒子 7.1 mm）の結果である．これらの条件での PL が大きくなった原因として，小さい粒径成分によるパーコレーションだけでなく，比較的大きい粒子同士の衝突による大粒子の乗り上げが考えられ，パーコレーション以外の先頭部粒度偏析メカニズムも考慮する必要がある．また，宮本 2)の水路勾配 22°の実験では PL が小さくなっているが，これは宮本 2)が確認しているように，水路勾配が大きくなることで重力の流下方向成分が大きくなり，水路鉛直方向のパーコレーションが発生しにくくなったためと考えられる．
４.おわりに本研究より，土石流が砂成分を含むことで先頭部粒度偏析の進行が低下することを確認し，砂成分が先頭部粒度偏析に及ぼす影響を検討した．また，土石流流下に伴う 3 粒径成分の存在割合の変化過程から，先頭部粒度偏析の発達過程について考察できた．しかし，本実験では土石流構成土砂の配合割合が 1 パターンのみであり，土石流構成土砂の配合割合パターンを変更して実験を行うことで，本研究で得られた考察を検証する必要がある．

参考文献

1) 前田ら：2021 年度砂防学会研究発表会概要集，pp.49-50，2021，2) 宮本：立命館大学博士学位論文，pp.73-94，1986－ 676 －