河川模型実験における浸透流の可視化と河川流の非接触型流速計測
水文気象工学研究室

柴田堅太

1．背景
浸透流を含む河川模型実験では河川と浸透流を同時に相似させる手法が確立されておらず，模型実験は浸透流相似まで考慮していない．その結果，模型実験の浸透流は実物と異なり，地盤中の間隙水圧，動水勾配，浸透流速などを模型実験から実物へと縮尺を以って拡大することができない．一方，これらは構造物の安定性評価，地盤のパイピング評価を大きく左右する要素である．河川流と浸透流を同時に計算できる数値モデルを用いて模型スケールと実物スケールの数値実験を行い，流れの相似

図 2 数値モデルでの計算結果性を確認・検討する手法が考えられる．VOF モデルに比較した．アルミパイプは 2 種類あり，1 か所に穴を開けたものと，2cm 毎に穴を 6 か所開けたものである．

Darcy-Forchheimer 抵抗項を導入して浸透流と河川流を同時に計算する既発表の数値モデル 1)が国総研の模型実験

非接触型流速計測では，同様の水路で PIV2) を行った．

で検証されているが，模型実験では浸透流を計測せず間

本研究では，PIV 解析に使うトレーサーとしてアルミ粉隙水圧を複数箇所測定するのみで，浸透流に対する検証末を使用した．

が不十分であった．数値モデルは実物大の問題を直接扱える利点を有するものの，流れ場を高精度に計算できな

3．結果と考察ければ，相似性検討の前提条件が崩れる．本研究の目的

まず，流線，流脈，流跡 3)を説明する．ある瞬間の流は浸透流を含む河川模型実験を実施して，浸透流の可視速ベクトルを線で結んだものを流線，ある一点から通過化と河川流の非接触型流速計測(PIV)を行い，河川構造物した流体が描いた線を流脈，ある粒子が時間と共に動きの下を流れる浸透流場を明らかにする一方，前出の数値通った跡が流跡である．非定常流では三者は異なるが，モデルの検証に使われる高精度計測データをも提供する定常流では一致する．浸透流は流れが遅く上下流側の水ことである．

頭差で駆動されるので，定常流で考えても問題ない．今後，計算結果の流速ベクトルから読み取れる流線と実験

2．研究方法で観察される流脈を同様に扱う．

本研究では，図 1 の長岡技術科学大学にある大型アク

図 2 にある数値モデルの計算結果と，実験で観察したリル水路(10m×0.6m×0.37m)を使って浸透流が流れていく様子を観察した．水路途中に堰があり，堰落差 4cm，流脈を図 3，図 4，図 5 に示す．図 3 は，複数穴の開い水たたき長さ 17cm，止水矢板を上流側に 10cm，下流側に 5cm として設置した．地盤材には透水係数 0.726cm/s

比較すると，止水矢板より深い地点にある流脈 3 本が計の東北硅砂 5 号を敷き詰め，地盤材流出防止のために穴2 枚に囲まれた場所の流脈を獲得することも試みたが，の開いたコンパネを敷いた．

インクが潰れてしまったため図 2 と同じ結果を得ることたパイプを用いて実験した際の写真である．数値計算と算結果と同じ動きをしているのが読み取れる．止水矢板

浸透流可視化には地盤へアルミパイプを差し込んでイができなかった．図 4 は二枚の止水矢板を迂回して流れンクを注入し，流れてきたインクの流脈を撮影して確認した．その流脈と図 2 に示す数値モデルの計算結果をる 1 本の W 型流脈を獲得しようとして，一か所穴の開いたパイプを用いて実験したものであるが，矢板に囲まれたｗの上に凸な部分でインクが途切れてしまい，ｗ型流脈を確認することができなかった．この原因として，
模型実験では構造物と地盤の間に隙間ができやすく浸透流は抵抗の小さい所を選んで流れるため，隙間がある上方向に流れていったと考えられる．一方で，数値実験では地盤は均一に隙間なく敷き詰められた理想状態で計算している．そのため模型実験の結果と数値モデルの結果は，隙間のできやすい構造物周辺では異なってくると考えられた．図 5 の実験は構造物と地盤の間に隙間が出来

図 1 実験で使用したアクリル水路(矢印が水の流れる方向)ないよう留意して準備を行い，一か所穴の開いたパイプ改善して部分的に再現することはできた．
次に，非接触型流速計測の結果を述べる．解析ソフトを用いて流速を測定した結果，水路の流量が 0.67L/s の時における平均流速は，5.40cm/s であった．これは流量と通水面積から得られた平均流速 5.44cm/s とほぼ一致している．PIV を用いて計測を行う利点として，非接触で流れの空間分布を瞬時に計測できることにある．今回は単純な一様流を PIV で計測していたが，複雑な流れ構造
図3

実験で獲得した流脈(複数穴の開いたパイプの場合)を有する跳水や渦を巻いているような複雑な流れに対して PIV はその力を発揮する．さらにこの実験のように水深が浅いと，接触型流速計は流れ自体を影響してしまう
ため，精度の高い流速は計測できない．しかし，PIV にはその心配は少ない．
4．結論
1)構造物下の深いところを流れる浸透流の流脈は計算結果と良好に一致する．複数穴からのインク投入で同時

図4

流脈が途切れる写真(一か所穴の開いたパイプの場合)に 3 本の流脈を得ることもできた．このエリアは実験と計算の条件が近いためである．
2)二枚の止水矢板を迂回して通過するｗ流線は，その真ん中の形は緩いアーチ型をしているが，実験での再現は困難で止水矢板に囲まれた場所の中間部で切れることが多い．水叩き直下に隙間ができやすく流れは抵抗の小さいルートを選び，隙間に向かった上方向に流れるためである．
3) 上流側止水矢板をビニル管で迂回して止水矢板内側か

図5

インクが一色に染まり流脈が得られないケース

らインク注入する方法で，W 型流線のアーチ型の部分を再現することができた．二枚の止水矢板を迂回する
W 型の流脈を一本の流脈で再現することはできなかったが，流脈を分解して W 型流脈の真ん中の上に凸な部分を観察できた．
4)入念に実験して得られた流脈は数値モデルの浸透流結果を検証できたが，実際の現場はむしろ W 型流線でない状況が多く，それを想定してパイピングなど評価す

図6

矢板内側にインクを注入して得られた部分的な流脈る必要があると考える．
5) PIV による非接触型流速測定を行い，流れを干渉されを用いて止水矢板内側の W 型流脈を獲得しようと再実ずに流速を測定することができた．ただし，本研究は験して得られた写真である．ここでは，W 型の輪郭が得浸透流に主眼を置いているため，流速場の実験と計算られたが，中が一色に染まり個々の流脈は得られなかった．図 2 から上流側矢板先端で流れが収縮して右上後方へ広がる様子が読み取れるが，この特徴によって矢板先端の流脈は分かれることなく右上後方と広がっていったの比較はしなかった．
参考文献
1) 楊宏選，福元豊，細山田得三，大塚悟：水・地盤のである．止水矢板内側の流脈を獲得するためには，浸連成解析手法による落差工周辺の河床構造物の安定性評価, 土木学会論文集B1（水工学）, 第74巻, 5

透流路が密集する場所を避けてインクを注入することが号, I_655-I_660, 2018有効であると考えた．そこで，図 6 のようなビニル管を止水矢板内側に差し込んでシリンダーでインクを注入する方法で流脈を観察した．図 6 に示す通り，図 4 の矢印で書いた水叩き下をアーチ状で通過する流脈を確認することができた．これは W 型流脈の上に凸な部分である．
今回の研究で止水矢板を迂回して通過する W 型の流脈を獲得することはできなかったが，インクの注入方法を

2) 石間 経章：Particle Image Velocimetry (PIV)の基礎，(日本燃焼学会誌，第 61 巻，197 号，2019.
3) ものづくりウェブ 流体力学の基礎を学ぶ 流線，流跡線，流脈