コンクリート構造物への飛来塩分の影響因子に関する感度解析

1. はじめに近年，コンクリート構造物の建設の企画設計

コンクリート研究室

永島勝

指導教官

下村匠

2. 飛来塩分の発生と移動のモデル
2.1 計算フロー

段階において，メンテナンスフリーを前提に最本研究で用いる山田らの数値計算法のフロー適化した設計や工法を適用するのではなく，建チャートを図－１に示す。まず，計算の対象と設後の維持管理を考慮に入れた設計や工法を適する地形の境界条件および波や飛来塩分に関す用することの重要性が指摘されている。そのたる初期条件を与えた後，風の場，非線形性を考め，建設後の構造物の劣化やこれに伴う性の低慮した波浪場の計算を行う。続いて，非定常緩下を精度良く予測する手法が必要である。

勾配方程式の砕波モデルにより波の砕波の判定

鉄筋コンクリート構造物の耐力低下の主要因を行い，砕波が判定されると飛来塩分の発生量には，海から飛来する塩分による劣化がある。の計算を行う。続いて，風の場の解を用いて，構造物に到達する飛来塩分は，風および波など大気中における飛来塩分の移流拡散の計算を行の巨視的な条件だけではなく，構造物形状およう。つまり，飛来塩分の計算においては，風はび周辺地形など局所的な条件の影響を受けるこ定常状態を仮定する。次に，時間ステップを更とが知られている。そのため，これらの条件を新し，波浪場の計算と飛来塩分の移流拡散の計考慮可能な手法によって，構造物に到達する飛算を繰り返す。

来塩分を評価することが望まれる。

なお，本研究では，2 次元の問題を対象とする。

現在，塩害による劣化を予測する場合には，計算開始

コンクリート標準示方書の構造物の使用照査および耐久性能照査で示されている、海岸からの計算条件

距離に応じた表面における塩化物イオン濃度を風の場の計算与えることが多い。しかし，飛来塩分は風や波などの気象条件や地形あるいは構造物自身の形波浪場の計算状に影響されるため，実際には同じ距離に置かれた構造物であっても表面塩分量が大きく異なYESNO砕波る。
本研究では，波や風などの気象条件，海岸からの距離，構造物形状，周辺地形などの幾何学的条件が，沿岸部に置かれた構造物に到達する

飛沫発生量の風の場計算

飛来塩分量に与える影響を，数値シミュレーシ
ョンによりどの程度の精度と適用性をもって表飛来塩分の移流拡散の計算現できるか検討した。数値シミュレーション法
は，海岸工学分野において開発された山田・細時間ステップの更新

到達飛来塩分量山田の方法 1)を採用した。
計算終了
図－１

計算のフローチャート

2.2 風の場

体積，比例係数，波の砕波によるエネルギー損

Navier-Stokes 方 程 式 と 連 続 式 よ り 式 (1) の失量および気泡の直径である。また，C，Dsalt はPoisson 方程式が導かれる。これをもとに風の場

飛沫発生量，飛沫の直径である。気泡の直径との計算を行う。空気は非圧縮性と仮定する。数飛沫（水滴）の直径の関係は，図－２に示した

値計算法は SOLA 法で行う。

Wu(1979)の研究の結果を用いた。しかし，砕波2から発生する気泡の直径は未解明であるため，⎛ ∂v ⎞∂v∂u∂D ⎛ ∂u ⎞+ ⎜ ⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ + 2−∂x∂y∂t ⎝ ∂x ⎠⎝ ∂y ⎠気泡直径は一定の値を与えた。本研究では，すべての飛来塩分発生量の計算において気泡の直ここで，u，v，P，Re はそれぞれ水平速度，鉛直速度，圧力，レイノルズ数である。また，D は発散を表し式(2)で表される。

∂u ∂vD=+∂x ∂y(2)2.3 飛来塩分の発生モデル

径を 3.5mm，飛沫の直径を 0.55mm とした。
1.025d0.8

200.615h0.4

100.2

50.00024
Bubble Diameter D(mm)図－２

気泡の直径と飛散する海から飛沫が発生するメカニズムは，大きく分けて，a) 砕波によって発生する，b)海水が風

Droplet Ejection Height h(cm)∂ ∂P ∂ ∂P 1 ⎛ ∂ 2 P ∂ 2 P ⎞⎜⎟ (1)=−−−+∂x ∂x ∂y ∂y Re ⎜⎝ ∂x 2 ∂y 2 ⎟⎠Droplet Diameter d(mm)2によって海面からちぎれて発生する，の二つの6水滴の性質の関係パターンがある。さらに，砕波による飛来塩分の発生には，a1)砕波によって海水中に混入された気泡が海面で破裂した時に発生する，a2)砕波によってちぎれた海水が大気中に飛散することによって発生する，の二つのパターンがある。
a1 による飛沫は粒子径が小さく風に乗って遠くまで運ばれるが，その他のパターンでは飛沫の粒子径が大きく，大部分の飛沫はすぐに落下す

2.4 飛来塩分の移動モデル
飛来塩分の移動は，式(4)に示す移流拡散方程式に基づき計算を行った。

∂c∂c∂c+u+ (w − ws )∂t∂x∂y=∂ ⎛ ∂c ⎞ ∂ ⎛ ∂c ⎞⎟−Q⎜kx⎟ + ⎜ky∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎜⎝ ∂y ⎟⎠(4)る。海岸近くの陸上に存在する構造物に到達す

ここで，ws，Q，k はそれぞれ飛来塩分粒子の沈る飛沫を対象とする場合は，a1 の砕波の気泡に降速度，塩分吸収量，乱流拡散係数である。塩よって発生する飛沫のみを考慮すればよい。

分吸収量は樹木や建物の飛来塩分遮蔽吸収効果

気泡によって発生する飛沫量は，砕波によるを考慮できるように式に取り入れたものである。

波のエネルギー損失量が気泡の発生量に比例す

飛来塩分粒子の沈降速度は，式(5)，(6)，(7)におるとし，式(3)，(4)より求る。

いて，沈降速度 ws の初期値をストークスの沈降

3Vair = a ⋅ Wloss ⋅ Dair速度として反復計算を行って求めた。
(3)

C d Re2 =⎛D ⎞C = Vair ⎜⎜ salt ⎟⎟⎝ Dair ⎠3(4)

ここで，Vair，a，Wloss，Dair はそれぞれ気泡生成

Cd =4 D s3 ρ s − ρ fg
3 µρf(241.0 + 0.150 ⋅ Re0.687
Re(5))(6)

Re =D s ⋅ ws表－１(7)

ν air

ここで，Cd，Re，Ds，μ，ρs，ρf はそれぞれ抵
抗係数，レイノルズ数，飛来塩分の直径，空気の粘性係数，飛来塩分の密度および空気の密度である。また，ここでの飛来塩分の直径の値は式(4)における飛沫の直径の値とは一致させていない。以降，飛来塩分の直径とは，式(7)における飛来塩分の直径のことを指す。
3. 感度解析3.1 計算条件
構造物に到達する飛来塩分に対する影響因子

計算条件

構造物と海岸の距離 L150m

構造物の高さ H5m

壁の距離 L2∞m (壁無し)

風速 u5m/s

飛来塩分の直径0.05mm

波の波高4m波の周期9s式(2)の比例係数

1.0

時間刻み間隔0.1s

水平方向刻み幅1.5m

鉛直方向刻み幅0.25mの感度解析を行うために，図－３のような 600m×60m の範囲の 2 次元の解析対象モデルを設定した。図中の陸上に設置した構造物に到達する
飛来塩分量の計算を行う。波は，海岸から 150m沖の地点で発生させた。波の発生点によって発生する飛来塩分量は変わるが，本研究ではすべてこの条件にした。風は海側から陸側に向かって設定する。また，構造物の周辺地形による影構造物響を検討する場合には，構造物の背後に壁を模擬した壁を設置する。計算に用いた主な条件を
表－１に示す。風速は風の場の計算を行なう際に使用する初期水平風速である。
図－４は構造物付近の風の場の計算結果を示したものである。線の長さが風の大きさを表している飛来塩分の移流拡散過程の数値解析は差分法により行った。構造物に到達する飛来塩分

海岸
図－４

構造物付近の風の場のベクトル図量は，到達飛来塩分量が安定してから 5 分間の3.2 海岸からの距離値の平均値を用いた。
標高(m)
50

図－５は，構造物と海岸の距離 L1 を 5m，50mおよび 250m とした場合の，構造物に到達した飛風u波の発生点
海岸

海岸からの距離 50m および 250m の構造物で

H

0-10

L10

来塩分量（mg/dm2/day）を示したものである。

壁構造物

は，構造物の海側の面における飛来塩分量は，
L2

水平距離(m)図－３

解析対象モデル

地表から高くなるにつれ増加している。これは，600構造物の手前で上昇気流が発生するためである。
しかし，海岸からの距離 5m の構造物では，逆に飛来塩分量は高いところほど減少している。こ到達飛来塩分量(mdd)

示方書の表面塩分量

5.0E+01

構造物

上面

到達飛来塩分量

3.03.0示方書
計算値

0.0E+00

海側陸側

L1=50m

1.0

H=5m
L1=250m
L1=5m
5.0E+01

0.0E+00

1.00.00.0012m

1

海岸からの距離(km)0.0E+00

5.0E+01

図－６

到達飛来塩分量(mdd)
図－５0.5

示方書の表面塩分量と到達飛来塩分量の計算値との比較

海岸からの距離 L1 を変化させた
場合の到達飛来塩分量

れは，海岸からの距離が非常に近いために，飛構造物の高さ H来塩分が構造物の表面に直接到達するためであると考えられる。
また，構造物の上面では，海側ほど到達飛来塩分量が多くなっている。これは，構造物の手前で8.0E+00は上昇気流が発生し，飛来塩分が構造物を乗り越えようとするからである。また，構造物の陸側の構造物

2m5m
30m
0.0E+00

到達飛来塩分量(mdd)
図－７

面では，他の面に比べ小さな値となった。

構造物の高さ H を変化させた

場合の到達飛来塩分量（海側）

コンクリート標準示方書の構造物の使用性照査では，海岸からの距離に応じて，コンクリー3.3 構造物の高さ

ト表面における塩化物イオン濃度が示されてい構造物の高さ H を 2m，5m および 30m とし，る。図－６に，本研究で得られた到達飛来塩分構造物に到達する飛来塩分量の計算を行った結量の計算結果と，示方書に示された表面の塩化果を図－７に示す。なお，縦軸はそれぞれの構物イオン濃度の比較を行う。示方書の系列の縦造物の高さ H を 1 とした無次元量で示した。

軸は，海岸から 100m のコンクリート表面におけ構造物の高さが高いほど海側の面で到達飛来る塩化物イオン濃度を 1 とした値，計算値の系

塩分量が多なったのは，構造部の高さが高くな列は，海岸から 100m の到達飛来塩分量を 1 としると構造物の手前で風速の弱い領域が多くなるた値である。

ため，飛来塩分が構造物を乗り越えることが出

示方書と計算値とでは，距離による減衰の様子が異なっている。この原因は，計算値は到達来なくなり，構造物の手前で飛来塩分が停滞したためであると考えられる。

塩分量であるが示方書はコンクリート表面に到達した飛来塩分が付着し雨などによる洗い流し

3.4 壁の影響を受ける表面塩分量であること，計算で周辺の地形が構造物に到達する飛来塩分量に仮定した粒子径や粒子の沈降速度が現実をよく与える影響を調べるために，構造物の背面に壁表していないこと，などが考えられる。

を設置し，構造物と壁の距離 L2 を変化させ計算を行った。構造物と壁の距離を 5m，10m および

壁との風速 u

距離 L2

構造物

5m
15m
なし
8.0E+00

0.0E+00

図－８構造物

2m/s
5m/s
20m/s
0.0E+00

8.0E+00

2.0E+01

0.0E+00

到達飛来塩分量(mdd)

到達飛来塩分量(mdd)

壁の距離 L2 を変化させた場合の図－９

風速 u を変化させた場合の到達飛来塩分量（海側）

到達飛来塩分量（海側と陸側）
壁なしとした場合の結果を図－８に示す。
壁があることによって，構造物手前で上昇気流が発生し飛来塩分が構造物に到達しにくくなるために壁との距離が短くなるほど到達飛来塩分量が少なくなる結果となったと考えられる。
3.5 風速風速 u を 2m/s，5m/s および 20m/s とした場合の構造物に到達する飛来塩分量を図－９に示す。
風速が大きくなるほど，到達飛来塩分量が多構造物

飛来塩分の直径0.01mm
0.05mm0.2mm
1.5E+01

0.0E+00

到達飛来塩分量(mdd)
図－10 飛来塩分の直径を変化させた場合の到達飛来塩分量（海側）

くなると考えられるが，風速 5m/s では，風速 2m/sの到達飛来塩分量より少なくなるという結果となった。この原因としては，飛来塩分が地表へ落下して消滅することが考慮できていないため，本来構造物に到達しない飛来塩分が多く到達したためにこのような現象が起きたと考えられる。
また，実際には風速が大きくなれば波高が高くなり飛沫の発生量が多くなるが，計算では波高は一定として計算していることにも原因があると考えられる。

波の条件

構造物

H2mT07s
H4mT09s
H6mT10s
2.0E+01

0.0E+00

到達飛来塩分量(mdd)
図－11 波の条件を変化させた場合の到達飛来塩分量（海側）

3.6 飛来塩分の直径落下するので，飛来塩分の直径が大きいほど到理想的には，飛来塩分の直径は，飛来塩分の発達飛来塩分量が少なくなると考えられる。しか生機構モデルにより決定するべきであると考えし，計算の結果では，飛来塩分の直径が 0.05mmている。しかし，現段階ではまだ検討が及ばなの場合よりも 0.2mm の方が，到達飛来塩分量がいため，飛来塩分の直径を変化させた場合の到わずかに多くなるという結果となった。これは，達飛来塩分量の計算を行った。その結果を図－

風速の感度解析でも述べたように，飛来塩分の10 に示す。飛来塩分の直径が大きくなれば沈降地表への落下が考慮できていないためであると速度が大きくなり構造物に到達する前に多くが考えられる。

表－２

観測地点の計算条件と飛来塩分量の実測値と観測地

観測地点

海岸からの距離(m)標高(m)風速(m/s)

A0101.0

B

150

40.6

C

450

71.9

D

1000

151.9

波高(m)

1.3

実測値(mdd)

計算値(mdd)

3.92

11.76

16.78

0.00

1.08

0.00

0.75

0.00の様子，例えば砂浜，岩礁，消波ブロックの有無などを考慮していないこと，などある。実測

3.7 波
波の波高，周期を変化させた場合の結果を図値と計算値との違いの原因については，このよ－11 に示す。波高が大きくなると，砕波が起きうな検討をさらに詳細に進めることで，もう少やすく，また砕波による波のエネルギー損失量し的を絞れると思われる。今後も検討を続けるが大きくなるために，飛沫発生量が多くなり到予定である。

達飛来塩分量が多くなっている。
5. まとめ
4. 実測値との比較

山田・細山田により開発された，飛来塩分の新潟県において測定された実測値 2）との比較

数値シミュレーションモデルを用いて，海岸かを行う。実測値は，1992 年 10 月～1994 年 12 月

ら構造物への飛来塩分の影響因子の感度解析をまでの 2 年 2 ヶ月に渡って，土研式塩分捕集器行った。海岸からの距離や風などによって構造を用い新潟県内の 15 箇所で測定された結果の中物に到達する飛来塩分量が変わることを数値解から抽出した。表－２に示す A，B，C，D の 4

析によって表現できることを確認した。

箇所を選び出し，本研究で用いた数値解析法にまた，実測値との比較を行い，現段階では，より飛来塩分量の計算を行った。計算で使用し実構造物の飛来塩分量を精度良く予測できるレ

風速は，各地点の近くの気象観測所のデータかベルではないことが明らかとなった。その原因

ら，波の波高と周期は，新潟沖で観測されたデ解明は，本研究で行った感度解析の方法論に基ータ

3）を平均したものを用，波の発生点を海岸づき，進めることが可能と思われる。

から 150m 沖とした。構造物全体に到達した飛来塩分の平均値と，捕集器で測定された飛来塩分

参考文献量との間で比較を行った。表に示した値は 1993

1) 細山田得三，山田文則，田安正茂：波年 3 月の値である。B 地点は，海岸に消波ブロ動場数値計算の砕波判定によって発生するックが設置されており，飛沫が多く発生する要飛来塩分とその輸送に関する数値実験，海岸因があるために他の地点に比較し実測値の飛来

工学論文集，第 49 巻，pp.1256-1260，2002

塩分量が多くなっている。
A 地点以外の計算値は 0.00 となった。実測値と計算値が異なる理由として現段階で考えられ

2) 土木学会新潟会：コンクリート構造物の塩害およびその対策に関する調査研究委員会報
告書，その２，pp.1-30，1995.3

るのは，a)風速，波のデータとして，年間の平均

3) (財)沿岸開発技術研究センター：全国港湾海値よりも大きな値を与える必要があること，b)

洋波浪観測 25 ヶ年統計資料，pp.422-423，

砕波によって発生する飛沫の直径が正しく評価

1996.1

出来ていないこと，c) 砕波に影響を及ぼす海岸