水工学論文集,第51巻,2007年2月

ダム前面に設置したウォールによる流入濁水の排除効果
DOWNSTREAM CONTROL OF PLUNGE DENCE
INFLOWS IN A RESERVOIR BY A WALL
秋山 壽一郎1・重枝 未玲2・安藤 祐馬3・小野 修平3
Juichiro AKIYAMA, Mirei SHIGE-EDA, Yuma ANDO and Shuhei ONO
1

Ph.D. 九州工業大学教授 工学部建設社会工学科（〒804-8550北九州市戸畑区仙水町1-1）

フェロー会員2

正会員 博士（工学）九州工業大学助教授 工学部建設社会工学科（同上）3

学生会員 九州工業大学大学院 工学研究科博士前期課程（同上）

Downstream control of plunging dense inflows into a well-mixed reservoir by a wall placed near a dam, as acountermeasure for fresh red tide bloom as well as sedimentation due to turbidity currents, is investigatedexperimentally. It is found that the inflows are displaced out of the reservoir and the position of plunging point ismaintained in stable condition by placing the wall, and hence reservoir water is rendered fresh. It is also found thatwhen the bottom end of the wall is placed at or slightly beneath the upper interface of the dense bottom currents
observed under the condition of no wall, the inflows are effectively displaced out of the reservoir.

Key Words: reservoir,plunge flow,water quality,turbidity,sedimentation,wallに中・底層から放流する「選択放流設備」がある2)．これらは，池内の流動制御により水質保全を図る方法であり，まとめて「流動制御法」と呼ばれる．
出水時に河川からダム貯水池に流入した濁水は，その一方，濁質を池外に排除する方法としては，浚渫，洪負の浮力のために池水に潜り込み，潜入密度流を形成す
水余水吐きや選択放流設備近くに流入水を導き放流する
る．潜入現象は，赤潮物質の集積機構，富栄養化，濁水副ダムとオリフィスあるいはバイパストンネル，貯水池の長期化等のダム水質問題のみならず，ウォッシュロー水位を強制的に低下させることで掃流力を上げ，ダム近ドの堆砂によるダム機能の低下と深く関わっている1)．
傍の堆砂を除去するフラッシング排砂，などがある．
池水に潜入した濁水は，成層型貯水池では中層密度流「流動制御法」のひとつである「選択放流」は，ダムとして躍層に沿って貫入し，濁水長期化現象をもたらす． 堆砂の原因となる高濃度のウォッシュロードを池外に放混合型貯水池では底面に沿って下層流として流下し，ダ流することになるので，水質保全対策としてだけではな
ム付近にウォッシュロードが堆砂する．また，濁質に吸く，ダム機能保全対策としても有効である．しかしなが着した栄養塩が蓄積され，底質が長期にわたって貧酸素ら，わが国の全てのダムに「選択放流設備」が設けられ状態に置かれるとヘドロ化し，排砂時に下流域や沿岸域ているわけではなく，流域面積が比較的小さな重力式ダの水質の悪化をもたらす場合がある．
ムの多くにはクレストゲートを持たない常用洪水吐きがダム貯水池の流動現象や水質は流入・流出水の影響を設置されている．このようなダムでは，自然越流による強く受ける．このため，出水時に流入する濁質や栄養塩表層放流を行うので，出水時に池内に流入してくる濁質を池内に滞留させることなく，濁質の捕捉率を下げ，適や栄養塩の排除が難しく，土砂の捕捉率も大きくなると切な方法により速やかに池外に放流することが，池水のいう問題がある．このため，このようなダムでは洪水吐
水質とダム機能の保全を図る上での基本となる．
き前面にウォールを設置し，下層流として池内を流下し貯水池の水質保全(池内)対策としては，(1)曝気によりてきた高濃度な濁水を貯水池底部からウォールで導き，循環流を発生させる「循環流制御設備」，(2)カーテンや洪水吐きから放流する方法が取られることがある3)．まパイプライン等の選択流入施設により，河川からの流入た，より積極的なダム機能保全対策として，ダム堤体の水を所定の水深位置に潜り込ませる「選択流入設備」，
上流側に垂直なバッフルウォールを設け，ダム貯水位と(3)ダム堤体に設けられたゲート付き放流管により出水時バッフルウォールの内側の水位差を利用した上昇流によ１．はじめに

図-1 実験装置と計測断面り堆砂を除去する方式も提案されている4)．しかしながら，ウォールの設置が池水の全体的な流動現象にどのような影響を及ぼし，またどのようにウォールを設置すれば，流入濁水を効果的に排除することができるのか，等々について必ずしも十分な知見が得られているわけではない．
本研究は，以上のような背景を踏まえ，流入濁水の排除と池内の清水保全の立場から，選択放流設備を持たないダムの洪水吐き上流側にウォールを設置した場合の設置効果について室内実験に基づき，検討を加えたものである．

２．実験

表-1 実験条件

CASEq0(cm2/s)

F0hc
(cm)

(L-xw)/he

A-1
A-2
A-3

6.5
8.0
10.0

0.70
0.86
1.08

3.95
4.54
5.26

-

B-1-1
B-1-2
B-1-3

6.5

0.70

B-2-1
B-2-2
B-2-3
B-3-1
B-3-2
B-3-3

8.0

10.0

0.86

1.08huz /h(cm) w u
12.0
11.6
11.4

-

3.95

-0.87
1.00
1.13

4.54

-0.87
1.00
1.13

-0.87
1.00
1.13

5.26

1

実験装置は，淡水を満たした全面ガラス製の水槽(長さ10m，深さ1.2m，幅0.6m)中に貯水池を模したアクリル製の水路(長さ7.6m，深さ0.4m，幅0.1m)を設置したも
表-2 重要なパラメータのである．水路勾配Iは潜入密度流とその下流の下層密g :重力加速度度流の挙動を規定するので，内部限界勾配Icがどのよう
hu :CASE A におけるウォール設置位置での上層水深な値を取るのかについて明確にしておく必要がある．ちH
1～4:断面1～4での全水深
なみに，Lee & Yu5)はI=1/50では緩勾配，福岡ら6)は1/10
xw :ウォールの設置位置
では急勾配，1/60では緩勾配としており，実験室スケー
L :流入点から越流堰までの距離
ルでは概ねIc=1/60～1/50の範囲にあると考えられる．著
zw :ウォールの設置水深者ら7)は水路勾配I=1/150～1/30の範囲における下層密度
Z1～4 :断面1～4での導電率計プローブの設置水深流の実験結果に基づきIc≒1/50とした．本研究では，著ε0 :流入水の相対密度差(=(ρ0-ρ1)/ρ1)
者らの基準に基づき，I=1/60の緩勾配に設定した．
水槽中に水深h=17.2cmまで淡水(密度ρ1)を貯留した後2.5に，流入部からウラニンで着色した塩水(密度ρ0，単位幅
CASE A-1
CASE A-1
CASE A-2
CASE A-2
CASE A-3
CASE A-3
流量q0)を流入させ，自然な潜り込み状態での潜入密度流2を発生させた．貯水池からの排水は流入分だけ，下流端1.5の越流堰(高さhe=16.7cm)から自然越流するようになってy/y1/2いる．
1実験は，越流堰から自然越流させた場合(CASE A)と0.5越流堰の上流側にウォールを設置し越流堰から自然越流させた場合(CASE B)を実施した．また，各CASE につ000.2
0.4 u/u 0.60.800.2
0.4
0.60.81
いて流入内部Froude数F0(=(q0/ε0gh03)1/2))を3通りに変化さε/εmaxmax
図-2 流速(左)と相対密度差(右)の鉛直分布 (CASE A)せた．なお，全てのCASE において，流入水深h0=5.0cm，

11(a)

1(b)

εe/ε0

εe/ε0

εe/ε0

0.5

0.50.50

CASE A-1
CASE B-1-1
CASE B-1-2
CASE B-1-3
0

12t/t0340

CASE A-2
CASE B-2-1
CASE B-2-2
CASE B-2-30

1

2t/t0

340(c)

CASE A-3
CASE B-3-1
CASE B-3-2
CASE B-3-30

12t/t034図-3 越流水の相対密度差の時系列 ((a)F0=0.70，(b)F0=0.86，(c)F0=1.08))

流入相対密度差ε0=0.0007の一定値とした．
ウォールの設置位置は，越流堰の設置位置での水深と同じ距離だけ上流側に離れた位置とした．また，ウォールの設置深さは，CASE A における自然な潜り込み状態での目視界面(以下，目視界面を「界面」という)を基準とし，ウォール下端が界面上方(zw/hu=0.87)，界面(1.00)
あるいは界面下方(1.13)となるように設定した．実験装置の概要ならびに導電率計の設置断面と設置状況を図-1に示し，表-1と表-2にそれぞれ実験条件と重要なパラメータを示す．
測定および解析方法については，各CASE について，(1)ウォール設置位置における流動層厚を目視により決定した後に，流入開始から貯水池全体が流入水と入れ替わるまでの流動状況をビデオカメラで撮影し，その映像をパソコンに取り込み画像解析することで，全体的な流況などを把握した．(2)水路縦断方向の断面1～断面4(図-1)
において，水深方向の3～5点に導電率計を設置し，各測点での相対密度差εの経時変化を求めた．また，越流水の相対密度差εeも同様に求めた．(3)流入水の先端が越流堰に到達したときのウォール設置位置での流速と密度の鉛直分布をそれぞれサーマル式微流速計と導電率計で測定した．さらに，(4)CASE A では，設定した水路勾配の妥当性，つまり流れの状態が常流になっているかどうかを確認する目的で，下層流が越流堰天端に達した時刻での流速と密度の鉛直分布を計測した．

３．実験結果と考察
図-2は，CASE A において流入密度流の先端が越流堰天端に到達した時刻での，ウォール設置位置における流速と相対密度差の鉛直分布を示したものである．いずれの分布もそれぞれの最大値と流速の最大値を取る距離の半値半幅で無次元化されている．なお，画像解析の結果から，流入密度流の先端が越流堰天端に到達するまでの無次元到達時間は，CASE A-1，CASE A-2 およびCASEA-3 でそれぞれt/t0=0.43，0.49および0.54であった．ここに，t0(=貯水池の全容量/流入流量)は総入れ替え時間ある

いは1/t0は回転率である．両分布に基づき，モーメント法により層平均水理量(hW，UW，εW)を求め，これらを用いてウォール設置位置での内部Froude数Fwを算定したところ，CASE A-1，CASE A-2 およびCASE A-3 でそれぞれ，Fw=0.98，0.88および0.85であった．著者らにより7)，I=1/60では流動層の内部Froude数は0.90程度の値を取ることがわかっており，I=1/60が緩勾配であることが確認できる．
図 -3 は ， 各 F0 に お け る 越 流 水 の 相 対 密 度 差 εe(=(ρe-ρ1)/ ρ1)とε0との比の時系列を示したものである．これより次のことがわかる．(1)CASE A では，CASE Bに比して流入水と池水が希釈混合された状態で排水されている．(2)CASE B では，CASE A に比して1.2～1.8倍程早く流入水が排水されている．(3)ウォールの設置深さが排水された相対密度差に及ぼす影響は僅かである．
図-4は，CASE A において，図-3で示した流入開始からεe=ε0となる時刻t/t0までの無次元潜入水深hp/hcとウォール設置地点での無次元水深hw/hcの時系列を併せて示したものである．なお，hw/hcの始点が流入水が越流堰天端に到達した時刻に対応している．ここで，hcは流入条件に基づく内部限界水深(=(q02/ε0g)1/3))である．これより次のことがわかる．
CASE A では，hp/hcは流入開始から急増した後に微増あるいはほぼ一定となり，再度急増している．このような挙動を取る理由は次のように考えられる．(1)hp/hcが流入開始後に急増から微増へ変化する時刻は，流動層が越流堰天端に到達した時刻とほぼ一致している．hp/hcの流入開始後の急増は，流入水が先端部を有する非定常状態の重力密度流として流下しているためである．(2)著者
ら7)が明らかにしたように，潜入点が平衡状態に達するまでは，流入条件と水路勾配の影響を受け，平衡状態に近づくに従ってそれらの影響が弱くなり，Fp≒0.5に漸近していく．このような理由で，hp/hcは急増後，微増あるいはほぼ一定となっている．また，この時間帯ではhw/hcが急増しているが，その影響はまだ潜入点まで及んでいない．(3)図中に示した縦の実線は，貯水池下流端で上昇した流動層厚が上流側へ伝播し，潜入点に到達した時刻を示している．これは，画像解析から得られたことであ5(a)る．これから明らかなように，潜入点が再度急増する時刻は，貯水池下流端で上昇した流動層厚が潜入点に到達4する時刻とほぼ一致している．このことから，緩勾配水
hp/hc路での潜入密度流であるので，越流堰近傍での流動層厚hw/hc
3の上昇の影響を受け，その影響が潜入点に到達した時点で，平衡状態に近づきつつある潜入点の状態が変わり，また清水の一部は越流堰から排水され続けるので，一気2
CASE A-1(h p)に潜入点が下流側へ移動すると考えられる．
CASE A-1(h w)
一方，CASE B では，(1)hp/hcは流入開始後の急増後はCASE A-2(h p)1
CASE A-2(h w)
ほぼ一定値を取っており，一定値に遷移する時刻は，増加した層厚の到達時間
CASE A-3(h p)CASE A と同様に，流入水が越流堰に到達した時刻とほCASE A-3(h w)
0ぼ一致している．(2)CASE A と比較すると，潜入点の01
2 t/t0 34下流への移動距離が小さくなっている．これは，先述しCASE B-1-1(hp)
CASE B-1-1(hw)
たように，CASE A では表層から放流されているために，
CASE B-2-1(hp)
CASE B-2-1(hw)CASE B-3-1(hw)CASE B-3-1(hp)
潜入点が下流側に引っ張られていたものが，ウォールの2(b)設置によって抑制されるためである．(3)急増後の潜入点
hp/hcの位置は安定している．(4)ウォールの設置位置別に見る
hw/hcと，若干ではあるが，界面上方，界面，界面下方の順で流入開始後の潜入点の下流への移動が小さくなっている．
(5)F0別に見ると，hp/hcには顕著な傾向的な違いは認めら
1
れない．hw/hcにはt/t0が増加するにつれて，緩やかに増加
CASE B-1-2(hp)
CASE B-1-2(hw)する傾向が認められ，CASE A のように急速ではないが，CASE B-2-2(hw)CASE B-2-2(hp)
CASE B-3-2(hw)CASE B-3-2(hp)
排水できなかった流入水の一部が徐々にウォール付近に2残留していることがわかる．
(c)h/hp c
図-5は，CASE A とCASE B の潜入点の内部Froude数
Fpの時系列を示したものである．図中には著者らが得た
hw/hc
I=1/60での平衡状態でのFp値(=0.52)7)も併せてプロットしている．なお，Fpとhp/hcとの間には，hp/hc=Fp-2/3なる関係
1がある．これより次のことがわかる．(1)CASE A のFp値
CASE B-1-3(hw)CASE B-1-3(hp)は時間の経過とともに，絶えず変化しており，またそのCASE B-2-3(hp)
CASE B-2-3(hw)
値も平衡状態のものとは全く異なっている．(2)CASE B
CASE B-3-3(hp)
CASE B-3-3(hw)2では，急減した後のFpは平衡状態ではないのでその値は(d)hp/hc
若干異なっているが，平衡状態の値に漸近している．また，ウォールを界面位置とした場合が最も平衡状態でのhw/hc
Fp値7)に近いこともわかる．
図-3～図-5から，ウォールを設置することで，次のような機能と効用が期待できると考えられる．(1)流入水は
101
2 t/t0 34
速やかに池外へ排除される．(2)表層放流で生じる池水の図-4 hp/hcとhw/hcの時系列 ((a)CASE A，(b)CASE B(界面上方)，流動による潜入点の下流側への移動を抑制する．(3)貯水(c)CASE B(界面)，(d)CASE B(界面下方))
池下流端での層厚の上昇とその上流側への伝播が抑制され，潜入点の下流への移動が抑制され安定化する．また， (2)CASE B では，ウォール下端を界面上方に設定したウォール下端を界面位置とした場合に最も効果が得られ場合は流入水の拡散が大きい．界面あるいはその下方とる．(4)これらのことから，池水の清域が保全される．
した場合は，流入水の拡散が緩やかである．
図-6は，断面4での相対密度差の時系列の一例を示し
図-7は，流況がほぼ定常状態となった時間帯での，たものである． F0によって顕著な傾向的な違いは認め
ウォール直上流点でのCASE B の相対密度差の鉛直分布られなかったので，ここではF0=0.86の結果を示していを示したものである．F0別にウォールをそれぞれ界面上る．なお，各プローブの設置深さは断面4における水深方，界面および界面下方としたときの分布形として示し
H4(=16.67cm)で無次元化されている．これより次のことている．なお，いずれの分布もそれぞれの最大値と流速がわかる．(1)CASE A では，下層流の先端が越流堰にの最大値を取る距離の半値半幅で無次元化されている．
到達直後，短時間で流入水が水表面まで広がる．
これより，いずれのF0についても，ウォール下端を界面1

CASE A-1
CASE A-2
CASE A-3
秋山ら (2004)

CASE B-1-1
CASE B-2-1
CASE B-3-1
秋山ら (2004)

(a)

(b)

Fp

CASE A-2

CASE B-2-1

1ε/ε00.5
Z4/H4=0.06

0.5

Z4/H4=0.28
Z4/H4=0.50
Z /H =0.72
44

Z /H =0.91

0CASE B-1-2
CASE B-2-2
CASE B-3-2
秋山ら (2004)

CASE B-1-3
CASE B-2-3
CASE B-3-3
秋山ら (2004)

(c)

(d)

Fp

404

CASE B-2-3

CASE B-2-2

1ε/ε00.5
0.50012t/t0301t/t023400図-5 Fpの時系列 ((a)CASE A，(b)CASE B(界面上方)，(c)CASE B(界面)，(d)CASE B(界面下方))
33

CASE B-1-1
CASE B-1-2
CASE B-1-3

2.5

2t/t0

302.5(b)2y/y1/2

1.5

1.5

111

0.5

0.5

0.5

0.4
0.6ε/εmax

0.8

1000.234(c)y/y1/20.2t/t02

1.502

CASE B-3-1
CASE B-3-2
CASE B-3-3

y/y1/201

3

CASE B-2-1
CASE B-2-2
CASE B-2-3

2.5(a)

21

図-6 断面4での相対密度差の時系列 (F0=0.86)

0.40.6ε/εmax

0.81000.20.40.6
ε/εmax0.81

図-7 ウォール直上流点でのCASE B の相対密度差の鉛直分布 ((a)F0=0.70，(b)F0=0.86，(c)F0=1.08))

下方とした場合では，流動層の上端部がウォールによっ潜入点はたいへん安定している．このため，清水域が保て遮られるために流動層の拡散が若干大きいことがわ全されている．
かる．
紙面の都合で図は省略するが，F0=0.70ではCASE A
図-8はF0=0.86の場合について，CASE A とCASE BとCASE B のいずれについてもさほど図-8(F0=0.86)の状の一例としてウォール下端を界面位置に設定した場合の況と違わないが，F0=1.08では流入流量の増加に伴い，t/t0=0.49，0.75，1.00および1.75での相対密度差の空間分
CASE A では清水域の消失の度合いがより強くなる．
布とその時刻の画像を併せて示したものである．なお，
CASE B ではF0=0.86の場合と大きく違わないが，僅か相対密度差の空間分布図は，断面1～断面4(図-6)で得ら
ではあるが，希釈された流入水がウォール前面に溜まっれた相対密度差の時系列を変換したものである．図-4でてくる．そのため，長時間時間が経過すると，CASE A
示したように，t/t0=0.49はCASE A で流入水が越流堰にのような状況に至ると推察される．
到達した時刻，0.75と1.00は越流堰近傍の層厚が上昇し，また，図-6～図-8から，流入水を速やかに池外へ排除
その上昇が潜入点に到達するまでの時刻，1.75は層厚のするためには，ウォール下端を界面位置とした場合が最上昇が潜入点に到達した後の時刻を示している．
も効果的であり，次いで界面下方，界面上方の順である
これより次のようなことが見て取れる．(1)CASE Aと考えられる．一方では，流入開始後の潜入点の下流へ
では流入水の排水が困難なだけでなく，池水も同時に排の移動距離は界面上方，界面，界面下方の順で小さくな水されるので，流入水が下流側から徐々に池内全体に拡るので，池水の清水域を保全するためには，流入水の排散していくとともに，潜入点が下流側に移動し，清水域除効果と潜入点下流側への移動による清水域の減少効果が急速に消失していく．(2)CASE B では流入水が速やかの両者を勘案して，ウォールの設置水深を設定する必要に池外へ排除され，また流入水が越流堰に到達した後はがあると考えられる．

図-8 CASE A とCASE B の相対密度差の空間分布図 ((左) CASE A-2，(右) CASE B-2-2)

４．結論
本研究により，以下のような結論が得られた．洪水吐
きの前面にウォールを設置することで，流入水を速やかに池外へ排除できる．このため，ダム下流端での下層流の層厚の増加も抑制され，潜入点も安定化される．その結果，池水の清水域が保全される．言い換えれば，ウォールを設置することで，流入水と池水が混合して表層越流していた状態から，ダム底部に設けられた放流施設から流入水(池水の連行や界面混合のため一部希釈混合している)を安定的に排水しているような効果が期待できる．ウォールの設置水深としては，流入水の排除効
果と潜入点下流側への移動による清水域の減少効果の両者を勘案して，ウォールの設置水深を設定する必要がある．実現象での水位や流入流量の変動を勘案すれば，ウォール下端を界面位置程度に設定しておけばよいと思われる．
今後は，著者らが開発中の貯水池流動モデル(SMMBIF-CG model)8)による数値シミュレーションを試みる予定である．
謝辞：本研究を実施するにあたり，本学学部4年佐藤亜彦君の協力を得た．ここに記して謝意を表します．

参考文献
1) 秋山 壽一郎：流入型密度流の水理特性とその予測，湖沼，貯水地の管理に向けた富栄養化現象に関する学術研究のとりまとめ，土木学会水理委員会，環境水理部会，pp.69-167，
2000.
2) 荒井 治，高須 修二：ダム湖の水質対策の動向，ダム工学，Vol.7，No.2，pp.90-97，1997.
3) 塚原 千明，角 哲也，宮井 貴大，柏井 条介：カーテン
ウォール付常用洪水吐きの土砂放流特性，土木技術資料
40-11，pp.56-61，1998．
4) 日本国土開発(株)：ダム堆砂除去(河川還元)システム，ダム技術提案，http://www.nilim.go.jp/lab/fdg/k-gijyututeian.htm.
5) Lee, H.Y & Yu, W.S.: Experimental study of reservoir turbidity
current, J. of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.123, No.6,pp.520-528, 1997.
6) 福岡 捷二，福嶋 祐介，中村 健一：２次元貯水池潜入密度流の潜り込み水深と界面形状，土木学会論文報告集，第302号，pp.55-65，1980.
7) 秋山 壽一郎，片山 哲幸，西 恭太，土居 正明：混合型・成層型貯水地での潜入密度流の水理特性について，水工学
論文集，第48巻，pp.1375-1380，2004.
8) 重枝未玲，秋山壽一郎：一般座標コロケート格子を用いた鉛直2次元モデルによる潜入密度流の数値解析，水工学論
文集，第49巻，pp.1159-1164，2005.
（2006.9.30受付）