土木技術資料 54-3(2012)

報文

ダム貯水池に堆積した微細粒子土砂の再侵食の評価手法
箱石憲昭 ＊ 櫻井寿之 ＊＊1．はじめに 1

2．検討方法ダム貯水池に堆積する粘土やシルトといった粘2.1 実験装置

着性を有する微細粒子土砂が再侵食され再浮上す

実 験 は 、 長 さ 14m×幅 0.1m×高 さ 0.2mの 透 明

る現象については、その複雑さから、貯水池堆砂アクリル樹脂製の矩形管路を整流水槽に接続した形状の予測や貯水位低下時の濁水発生の可能性検

模 型 を 用 い て 実 施 し た 。 管 路 の 上 流 端 か ら 4～討といった、土砂輸送及び河床変動に関するシミ10mの 長 さ 6mの 区間は、 底面 を 0.1m切 り下げてュレーションにおいて、どのように取り扱うかがい る 。 こ の 0.1m部 分 に 土 砂 を 敷 き 詰 め て 通 水 し課題となっている。

た。
2.2 侵食限界の把握
粘着性を有する土砂は、小粒径であっても小さな掃流力では侵食が生じないため、侵食が生じる限界の条件を把握する必要がある。そこで、流量を徐々に増加させて、侵食状況を観察し、侵食限界を把握した。
2.3 侵食速度の把握
侵食限界となる流量以上の一定の流量をある程度土砂が侵食されるまで通水し、流量と土砂設置区間のピエゾ水頭を計測することでエネルギー勾配を把握して摩擦速度を算定した。また、実験終

図-1

水位低下した農地防災ダムにおける細粒土砂の侵食状況

了後にレーザー計測器で侵食形状を縦断方向に1cm刻みで11測線計測して侵食された体積を算定

粘着性を有する土砂の侵食特性については、既往の研究

１）

により、含水比、粘土の種類、砂の混合率、水温、圧密の履歴（空気中への露出履し、通水時間で除すことにより、侵食速度を把握した。
2.4 検討に用いた土砂歴）等の様々な要因と関係があることが指摘され

市 販 さ れ て いる T.A カ オ リ ン 、 美 和ダ ム 貯水ている。これらのパラメータの影響を全て解明す池（長野県）の堆積土砂、鯖石川ダム貯水池（新ることは困難であり、実際に個々の貯水池の問題潟県）の堆積土砂、真名川ダム貯水池（福井県）に対応するためには、対象となる土砂を採取し、の堆積土砂の 4 種類を用いた。T.A カオリンにつ水理実験による試験を実施することで侵食特性をいては、これまでの既往の研究 1) の蓄積が多く、把握することが現実的と考えられる。

既往の知見と比較して実験手法の検証を行うこと

そ こ で、 4種 類 の土 砂 試料 を 用い て 、水 理 実験を行い、この結果から、微細粒子土砂の侵食特性を目的として選定した。
2.5 含水比の設定を把握するとともに、侵食速度の推定式とそのパ美和ダムと鯖石川ダムについては、現地のボーラメータを求めるための試験方法を提案した。

リ ン グ 調 査 に よ る 含 水 比 程 度 （ そ れ ぞ れ 50％ 程度と75％程度）とし、 T.Aカオリンについては、鯖 石 川 ダ ム と 同 程 度 の 75％ と し 、 真 名 川 ダ ム に────────────────────────
Evaluation Method of Erosion Condition for Small
Particle Sediment in Reservoirs

ついて は、沈降堆積実 験の結果 から、 100％程 度と80％強を選定した。

－ 30 －土木技術資料 54-3(2012)

3．検討結果3.1 粒度分布
実 験 に用 い た 4種の 土 砂の 粒 度分 布 の分 析 結果
を 図 -2に 示 す 。 T.Aカ オ リ ン 、 美 和 ダ ム 、 鯖 石 川流向ダム、真名川ダムの堆積土砂の順に粒度が粗くな っ て い き 、 全 て の 試 料 で 2mm以 上 の 成 分 は な
く、粘土およびシルト成分が大半を占めている。
10090

通過質量百分率 (%)

8070605040T.A. カオリン

30

美和ダム堆積土砂20

鯖石川ダム堆積土砂

10

真名川ダム堆積土砂

00.001

0.10.01

流向1

粒径 (mm)

図-2

実験に用いた土砂の粒度分布

3.2 侵食状況と侵食限界
T.Aカ オ リ ン と 美 和 ダ ム お よ び 真 名 川 ダ ム の 堆積土砂は、比較的小さい流量から濁りが生じ始めるが、鯖石川ダムの土砂は濁りが発生し始める流図-3

微細土砂の侵食状況 (鯖石川ダム )量が大きかった。侵食の進展については、美和ダムと鯖石川ダムの堆積土砂では、ある流量になる

表-1と侵食が一気に進む現象が明確に認められ、特に鯖石川ダムの土砂は、濁りの発生と侵食の急激な試料名進 展 がほ ぼ同 時に 発生 した 。 T.Aカ オ リ ンと 真名

侵食限界実験の結果

侵食限界
侵食限界
水温 含水比摩擦速度
摩擦速度(℃)(%) （侵食限界Ⅰ） （侵食限界Ⅱ）
(m/s)
(m/s)

T.A カオリン

18.0

73.60.010－

美和ダム堆積土砂

15.1

52.2

0.015

0.044

侵食形態であった。侵食状況の一例を図-3に示す。

鯖石川ダム堆積土砂

10.6

77.3

0.042

0.044

実験結果から、侵食限界の状況を、煙状の侵食

真名川ダム堆積土砂

5.3

99.3

0.012

0.027

真名川ダム堆積土砂

4.5

80.5

0.016

0.028

川ダムの土砂では、徐々に侵食量が増加していくが始まる状態（侵食限界Ⅰ）と局所的な激しい侵注：侵食限界Ⅰは煙状の侵食が始まる限界。

食が始まる状態（侵食限界Ⅱ）の二つに分類し、

注：侵食限界Ⅱは局所的な激しい侵食（または顕著な侵食）が始まる限界。

それぞれの侵食限界摩擦速度を求めた結果を表-1

注：カオリンは侵食限界Ⅱは明瞭でなかった。に示す。なお、限界の判定は目視観察により行っの侵食速度式を示している。

た。
3.3 侵食速度

E = αu*実 験 結 果 の 摩 擦 速 度 と 侵 食 速 度 の 関 係 を 図 -43式(1)

こ こ で 、 α ： 定 数 (s 2 /m 2 ) 、 E ： 侵 食 速 度 (m/s) 、に示す。土砂に作用する摩擦速度の算定には底面とそれ以外の壁面の掃流力を簡易に分離する手法

u * ： 摩 擦 速 度 (m/s)（ 図 中 で は 上 述 の 底 面 の 摩 擦を用いた。

速度を用いている）を表す。
図中に示した定数 α の値は、式形との相関が高図中には関根 1 ） によって提案された以下の形式

か った T.A カ オリ ンと真 名川 ダム 堆積 土砂に つ－ 31 －土木技術資料 54-3(2012)

いては、実験値を近似する値を、結果のばらつきが大きい美和ダムと鯖石川ダムの堆積土砂については、おおよその上限と下限となる値を示した。
線の始端はそれぞれ侵食限界Ⅱの摩擦速度とした（T.A カオリンについては侵食限界Ⅰ）。
T.A カオリンについては、結果のばらつきが小さ く 、 摩 擦 速 度 が 大 き い 領 域 で は 式 (1)で よ く 近似される。一方、美和ダムと鯖石川ダムの堆積土砂については、ばらつきが大きい。
真名川ダムの堆積土砂については、含水比100％程度については、式(1)でよい近似が得られて いる 。含水 比が小 さい 80％ 強につ いて は、ややばらつきが大きい。
図 -5 に 比 較 的 流 量 が 大 き い 条 件 で の 実 験 に おける実験終了後の侵食形状の例を示す。実験終了
後の侵食形状は、侵食速度にばらつきの大きい美和ダムや鯖石川ダムの堆積土砂では、局所的な深掘れが生じる傾向があり、深掘れが生じる位置は実験によって異なっていた。一方、結果のばらつ
き が 小 さい T.A カ オ リン と 真 名川 ダム 堆 積土 砂の含水比 100％程度については全体の領域が一様に侵食されていた。ややばらつきの多い真名川ダム 堆積 土砂の 含水比 80％ 強の 土砂に ついて は、侵食面の変動が大きいものの、全面で侵食が生じていた。以上のように、土砂の種類（粒度分布）や含水比によって、侵食の形態に特色があり、今回の結果からは、砂成分がほとんどなく粒度の最も小さい T.A カオリンと砂成分が 30％程度有り
粒度の最も大きい真名川ダムの堆積土砂が一様にカオリン

鯖石川ダム

図-4

図-5

摩擦速度と侵食速度の関係－ 32 －実験終了後の侵食形状の例

土木技術資料 54-3(2012)

侵食され侵食速度式でよく近似できる結果を示し、その中間的な粒度分布の美和ダムと鯖石川ダムは局所的に激しい侵食がみられ侵食速度の結果のばらつきが大きかった。

4．微細粒子土砂の侵食速度の評価手法
微細粒子土砂の侵食速度を推定する場合に留意すべき事項を以降に示す。はじめに実験で作用させる掃流力を増加させつつ、侵食限界と侵食の進行状態を確認する。一様な侵食を示す場合は、侵食速度を把握する実験により侵食速度式のパラメータを同定して検討に用いることができる。局所的な侵食を示す場合には、侵食速度のばらつきをある程度把握するため同程度の流量で数回の実験を行い、下限から上限までパラメータの幅を把握して、その幅の範囲で複数の条件で検討を行う必要があると考える。
こ れ ら を 踏 ま え 、 図 -6 に 示 す 微 細 粒 子 土 砂 再侵食の評価手法を提案する。

5．まとめ
4種 類 の 土 砂に つい て 、侵 食 が進 展 する 状 況を把握し、煙状の侵食が始まる状態（侵食状態Ⅰ）と局所的な激しい侵食が始まる状態（侵食状態Ⅱ）の侵食限界摩擦速度を求めた。土砂によって

図-6

微細粒子土砂の再侵食の評価フロー

は、侵食状態Ⅱが明瞭でない場合もあり、侵食状
況は土砂の種類や含水比の条件によって特色が認
参考文献められる。
摩擦速度と侵食速度の関係については、粒径の1)

小 さ い T.Aカ オ リン と粒径 の 大き い真 名川 ダム の関 根 正 人 ： 実 河 川 に 自 然堆積 し た 粘 着 性 土 の 浸 食
機 構 の 解 明 と 現 地 浸 食 試験法 に 関 す る 研 究 、 科 学
研究費補助金研究成果報告書、2004.

土砂ではばらつきが小さい結果が得られ、中間的な粒度の美和ダムと鯖石川ダムの土砂ではばらつき が 大き い結 果が 得ら れた 。 T.Aカ オ リ ンに ついては、既往の研究と同様な結果が得られた。結果

箱石憲昭*

櫻井寿之**のばらつきが大きい土砂は、局所的な深掘れ等の不均一な侵食状況を示す。
これらの実験結果を踏まえて、微細粒子土砂の侵食速度を評価する手法を提案した
ダム貯水池における微細粒子土砂の再侵食・再浮上現象については、現地調査事例が少なく、予測計算の検証が十分にできない状況にある。今後の現地調査データの充実が望まれる。

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独立行政法人土木研究所
つくば中央研究所水工研
究グループ水理チーム
上席研究員
Noriaki HAKOISHI

独立行政法人土木研究所
つくば中央研究所水工研
究グループ水理チーム
主任研究員
Toshiyuki SAKURAI