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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

室内実験に基づく火山灰の細粒分含有率および堆積厚の違いが表面流出に及ぼす影響の検討
国立研究開発法人土木研究所 ○平岡 真合乃，今森 直紀，清水 武志，石田 孝司
１．はじめに火山灰（粒径 2 mm 以下の火砕物）の堆積が斜面の降雨流出量に与える影響の解明は，降灰後土石流の発生・流下過程を考える上で重要である。三宅島 2000 年噴火後の降灰斜面では，降雨強度が浸透能を上回ると表面流が発生しており，浸透能を境界条件とする流出解析法 1)が提案された。火山灰の浸透能をコントロールすると考えられる飽和透水係数 Ks は，火山灰中の細粒分含有率Fcの増加に対して減少傾向を示すことが様々な火山での火山灰を用いて確認2)されている。
また，冠水型浸透計を用いた現地計測による火山灰の浸透能は，堆積厚に応じて異なるとの報告もある 3)。一方，Fc は噴火直後であっても火砕物を採取できればある程度推定することが可能であり，堆積厚（以降，層厚）の推定・計測手法についても開発が進められてきている。Fc および層厚が浸透能に及ぼす影響が定量的に評価できるようになれば，噴火直後の表面流出の発生量の予測精度が向上すると考え，本研究では Fc および層厚の異なる火山灰試料を用いて，人工降雨による室内実験を行って表面流出量を比較し，Fc および層厚との関係を把握した。
２．研究方法2.1 室内散水実験
室内散水実験は，噴火後の降灰裸地斜面に対する最初の降雨を想定した。異なる試料条件での降雨流出量を把握するた
め，試料を充填した実験プロット（以降，プロット）を 4 個用意した（図－1）。プロットは幅 35 cm，奥行 50 cm，深さ 25cm であり，傾斜 10°で設置した。プロットの底面から所定の厚さで 4 号珪砂（D50 = 0.77 mm）を充填後，その上に所定の厚さの試料を充填した。試料はほとんど乾燥しており（w ≈5%）
，鋼板とジャッキにより同一エネルギーで締固めた。ただし，試料の層厚が 5 cm，10 cm のプロットは，1 層 2 cm ずつでそれぞれ締め固めた。試料は，桜島の降下火砕物のうち2 mm のふるいの通過分（DL0）に所定量の DL クレイ（D50 =ケース名C3-1～3-3
C4-1～4-3
C5-1～5-3
C6-1～6-3
C7-1～7-3

表－1 室内散水実験のケース一覧
火山灰試料
散水条件
試料名
層厚
DL0, DL10,1 cm
DL20, DL30
0.5 cm, 2 cm,
DL05 cm, 10 cm
降雨強度 30 mm/h,0.5 cm, 2 cm,
DL10
散水時間 3 時間5 cm, 10 cm
0.5 cm, 2 cm,
DL205 cm, 10 cm
0.5 cm, 2 cm,
DL305 cm, 10 cm0.023 mm4)）を添加して Fc を調整したものを，それぞれ DL10，DL20，DL30 とした。DL0，DL10，DL20，DL30 の Fc はそれぞれ17%，25%，34%，42%である。
人工降雨装置は給水部と散水部から成り，給水部では，貯水タンクから圧力計を付帯したポンプの吐出しバルブにおける圧力を変化させることで降雨強度を調整した。散水部に設置されたノズルに送水すると，自励振動が発生して散水が行われる。人工降雨は事前に各プロットにおける降雨強度が 30mm/h 程度となるよう調整した。実験ケースの詳細を表－1 に示す。
プロットから流出した水および土砂の総量は重量計で計測し，流出土砂の乾燥重量を差し引いてプロット面積で除すことで，3 時間あたりの表面流出量（mm）を算出した。すべての実験は各 3 回繰り返したが，プロットは再利用せず，都度作製した。実験はすべて国立研究開発法人土木研究所遠東実
験棟の建屋内で行った。
2.2 最終浸透能の推定
実験ではプロットに対する降雨強度が 30 mm/h になるよう調整したが，実際にはプロット間で 27.4～32.8 mm/h とばらつきがあった。与えた水量の違いが計測値に影響を及ぼす可能性があることから，以下の双曲線関数モデル 5)により，降雨強度が十分に大きい場合の最終浸透能 fc を推定し，Fc や層厚が浸透能に及ぼす影響を検討した。

fr = fc tanh r fc

(1)

ここに，fr は降雨強度 r における安定浸透強度，r は降雨強度である。ここでは，3 時間あたりの総散水量とプロットからの総表面流出量の差分を散水時間で除すことで 1 時間あたりのプロットの全層平均浸透量を算出し，fr とした。そして，実験の r と fr に対して式（1）を適用し，最小二乗法により fc を算出した。
３．結果および考察
3.1 Fc の異なる試料の層厚と表面流出量
実験開始後90分経過した試料表面の様子を図－2に示した。
実験中は DL0 を除く試料で表面流が発生しており，DL10 では部分的に発生し，DL20 および DL30 では試料全域で発生していた。表面流発生時の試料側面の観察から，土層内に飽和帯が形成されていなかったことから，発生した表面流は浸透余剰によるホートン型である可能性が高いと考えられる。
すべての試料について層厚と表面流の流出率 C（総流出量と総降雨量の比）との関係を図－3 に示した。流出率 C と試

図－1 室内散水実験の概要－ 325 －

Maximum final infiltration
rate, fc (mm/h)

160140120
10080604020002468 10 12Thickness of volcanic ash (cm)DL10DL10

図－2 実験開始後 90 分経過した試料表面の様子（C3-1 を例示）

料の層厚の間でみられた傾向は，DL0 とそれ以外の試料で異なっていた。DL0 は層厚によらず表面流は発生しておらず，流出率 C の平均値が最大で 0.01 と低かったことから，表面流出はほとんど発生しなかったと考えられる。
一方，
DL10，DL20，DL30 では，流出率 C の平均値は 0.09 以上であり，試料が厚くなるほど高くなる傾向がみられた。これらのことから，降雨強度が約 30 mm/h の場合，Fc = 17%では試料の層厚によらず表面流出はほとんど発生せず，Fc = 25%以上では，表面流出は層厚の増加にしたがって増加傾向を示す可能性が示された。
このことから，Fc の違いもしくは DL クレイの添加の有無が表面流の発生・非発生と関連していることが示された。
3.2 Fc の異なる試料の層厚と浸透能表面流が発生した DL10，DL20，DL30 について，式（1）により求めた fc と各試料の層厚との関係は図－4 のようになった。今回の実験条件では，層厚が 2 cm までは fc のばらつきが大きいが，層厚が 5 cm 以上の場合，試料間の Fc の違いによらず fc は 20 mm/h 前後となった。このことから，層厚が薄い場合と厚い場合で，浸透能に対する Fc の影響が異なる可能性が示唆される。
ここで，表面流発生中の地表は湛水条件であるものの，表面流の厚さが比較的小さい場合は，実験ケースによる地表面の水圧に大きな違いはないと考えられる。また，珪砂層の下部（プロット底面）には排水孔があり，大気に開放されている。すなわち，プロットの表面と下端の水理水頭勾配の違いは実験ケース間で小さいと考えられる。この時，プロット全層の平均浸透流速はダルシー則により，プロット全層の平均透水係数によってある程度決まると考えられる。珪砂の透水係数は試料よりも十分に大きいことから，プロット全層の平1.5

Runoff ratio, C

1.25
10.75
0.50.25002468 10 12Thickness of volcanic ash (cm)DL0DL0DL10DL10DL20DL20DL30DL30

図－3 各試料の層厚と流出率 C との関係
プロットは 3 回繰り返しの平均値，ヒゲは標準誤差をそれぞれ表す．

－ 326 －DL20DL20DL30DL30

図－4 各試料の層厚と最大安定浸透強度 fc との関係
プロットは 3 回繰り返しの平均値，ヒゲは標準誤差をそれぞれ表す．

均透水係数は，比較的透水係数の低い試料の層厚に応じた透水係数になると考えることができる。実験結果はこの考えと整合しており，層厚が厚くなるにしたがい，層厚に反比例するように浸透能が低下した。
４．おわりに人工降雨装置を用いた室内散水実験により，Fc の異なる火山灰の層厚が降雨流出量に与える影響を調べた結果，次のことが分かった。降雨強度 30 mm/h では，DL クレイを添加しなかった Fc = 17%の試料からの表面流出はほとんど発生しなかった。一方，DL クレイを添加した試料では表面流の発生が確認され，その発生量が層厚の増加に対して増加傾向を示すことが確認できた。ただし，層厚の変化に対する表面流出量の変化率は，層厚が厚くなれば小さくなる傾向があった。これは，層厚が厚くなると，プロット全層の平均的な浸透能がDLクレイの添加量によらず一定の値になったこととの関連が示唆される。今後，本研究で適用した降雨強度や細粒分含有率，層厚の条件を拡張した実験や細粒分を異なる材料で調整した実験行うことで，火山灰の細粒分含有率や層厚が降雨流出過程に及ぼす影響の解明につながることが期待される。
謝辞
本研究で使用した火砕物は国土交通省九州地方整備局大隅河川国道事務所よりご提供いただいた。人工降雨装置の準備段階で，国立研究開発法人土木研究所の火山・土石流チームの皆様にご協力をいただいた。データの解釈では，筑波大学の内田先生に建設的なアドバイスをいただいた。ここに感謝申し上げます。
参考文献
1) 山越隆雄・笹原克夫・田方智・石田哲也・竹島秀大・若林栄一（2006）：新規細粒火山灰堆積地における表面流発生モデル，砂防学会誌，Vol. 59，No. 4，p. 24–31
2) 田方智・武澤永純・山越隆雄・栗原淳一（2007）：主要な火山における火山灰の透水性の実態とその決定要因の考察，土木技術資料，Vol. 49，No. 8，p. 58–63
3) 清水収（1998）：1996 年北海道駒ケ岳噴火後の侵食と土砂移動，火山防災学研究会報告書，p. 126–131
4) 小林孝彰・佐々真志・後藤翔矢・福井晶浩・大塚悟（2018）：細粒分の塑性と含有率を変化させた砂質土の液状化強度と地盤 N 値に関する実物大室内試験，土木学会
論文集 B3（海洋開発），Vol. 74，No. 2，I_838–I_843
5) 田中茂信・時岡利和（2007）：現地散水試験による流出・浸透特性の把握手法に関する検討，土木学会第 62 回年次
学術講演会，2-003，p. 5–6