R4-12降灰を想定した人工試料による降雨浸透実験○小野秀史 1、安養寺信夫 1、藤沢康弘 1、厚井高志 1、近藤玲次 1
堤 宏徳 2、 平野 礼 2
1：（一財）砂防・地すべり技術センター

1

模型地盤

流出水量の測定天秤

浸透水量の測定天秤

図 ２ 実験装置・模型地盤

3

実験結果
各実験ケースで、２相領域（土+空気，飽和・不飽和）と３相領域（土粒子+空気＋水）の形成、流体移動による模型地盤の変形、表面状態を観察した。
また「降雨量」、「流出量」、及び「模型の体積変化」を計測し、「浸透強度」は算出により求めた。

10090

硅砂7号

70

硅砂8号

80

7号 9cm 15° 30(mm/h)程度
60
総降雨量
浸透雨量
40

変化点

0050
40

DLクレイ60

木節粘土503020桜島火山灰
max2.0mm

1000.001

流出量20600.010.1

粒

径1

桜島火山灰max0.425mm

浸透強度 (mm/h)

通過質量百分率 (%)

80

総降雨量，浸透雨量 ，流出量（mm）

はじめに降灰後の土石流発生要因は複数想定されるが、渓流の水深増加について、表面流に起因する水供給の重要性が指摘されている。本実験では、検討の対象を表面流の発生条件に絞り、発生に関する支配的要因や与える降雨量の相関について検討を行った。
本報告では、主要な実験結果について報告する。
2 実験方法2.1 実験試料
本実験では、実験試料として粒度が調整された人工試料を準備した。これは、粘土鉱物の影響や粒度分布の違いなどの条件を除き、「粒径」の違いによる「浸透能」の変化に検討の焦点を絞る目的と、試験に必要な量を十分に確保するためである。
極細粒砂～粗粒シルト（φスケール３～４）に相当する試料として「硅砂」を使用した。試料の粒径範囲は、火山灰が一般的に取り得る値の範囲とした（図１）。｢硅砂｣の密度は、ρs＝2.5～2.6(g/cm3)
であり、天然の火山灰がとり得る値の範囲にある。
より細粒の試料（φスケール５の領域：中粒シルト）には、「ＤＬクレイ」、「木節粘土」を使用した。
「ＤＬクレイ」は構成物の 95.6（wt.％)が石英で、カオリン鉱物は 2.7（wt.％)程度含まれる。

2：国土交通省 九州地方整備局(mm)

20406080100120140

経過時間 （ min）
浸透強度

403020

変化点10

図 １ 実験試料の粒径加積曲線0020406080100120140

経過時間 （ min）

0
模型地盤の体積変化量 (cm3 )2.2 実験装置
散水量を制御可能な散水装置を準備し、与える散水量（降雨量）の計測管理を行って、降雨強度（単位時間あたり降雨量）を制御した。降雨量のほか、浸透量・流出量の収支を確認するため、装置からの流出量、装置及び模型の質量、模型体積の計測を経時的に行った。実験状況は動画写真等で記録した。
「模型層厚」は１㎝・３㎝・９㎝、「斜面勾配」
は 10°・15°、「降雨強度」は９・18・30（㎜/hr）の条件設定をつけ、これらの条件を組み合わせて実験ケースとした（図２ 装置・模型の写真）。

100変化点
200300模型地盤の体積変化量

400500020406080100120140

経過時間 （ min）

図 ３ 実験結果（硅砂 7 号、雨量強度 30(mm/hr)）- 220 -

4.4 降雨強度と表面流発生状況
時間経過とともに土粒子と水から成る飽和領域が「降雨強度」は大きいほど「表面流」発生までの経拡大し、飽和領域が極大に達した時点から浸透強度過時間が短い。層厚３cm・降雨強度 30（mm/hr）のは急激に低下する。浸透強度が０（mm/hr）となったケースで 25 分、層厚３cm・降雨強度９（mm/hr）の状態をもって、「表面流の発生」とした。特に「層厚」ケースで 60 分経過している（図５ 相関図）。
９㎝の実験ケースでは、これらの関連を詳細に追跡「表面流発生までの総雨量」は、層厚ケース別ですることができた（図３ 結果図）。
は「降雨強度」による差異は少ない。層厚１㎝では4 考察
総雨量５mm、層厚３㎜では総雨量 10 ㎜前後である。
4.1 粒径と浸透強度の関係
今回は「層厚」が厚くかつ「降雨強度」が低いケ「浸透能」を時間に対する変化量として評価する
ースの実験結果を得ていない。今後の課題である。
ため、単位時間における「浸透強度（mm/hr）」を評価量とした。
「模型表面の浸潤状態・水の滞留状態」 35
降雨強度（mm/hr）
実験条件（共通） 硅砂8号， 傾斜15°と「浸透強度（mm/hr）が０または底値を連続的にとる状態」合わせてが認められた時点を、「表面流の発 30303030
層厚１㎝
層厚３㎝
層厚９㎝
生時期」とみなした。
「粒径」の異なる３試料の実験結果から、「粒径」 25？
総雨量 42ｍｍと「浸透強度（mm/hr）の低減開始までの経過時間」には正の相関が認められる。「浸透強度（mm/hr）の 2018
模型層厚1cm低減開始までの経過時間」が短いほど、「表面流の発模型層厚3cm15生しやすさ」は大きい（図４ 相関図）。
模型層厚9cm（比較試料）
硅砂７号：

中央粒径0.161 ㎜（φｽｹｰﾙ３）

硅砂８号：

中央粒径0.090 ㎜（φｽｹｰﾙ４）

DL クレイ：

中央粒径0.017 ㎜（φｽｹｰﾙ５）（共通実験条件）模型層厚：

9 ㎝，

10総雨量５㎜

599総雨量 10 ㎜

← 表面流の発生しやすさ
ラベルは雨量強度（mm / hr）の数値を示す。

傾斜勾配 15°，0

降雨強度 30(mm/hr)

0102030405060708090100110120

浸透強度低減開始までの経過時間（min）
浸透強度低減開始までの経過時間(min)
粒径（φスケール）
粒径（φスケール）
粗粒砂
0.50～1.0mm
中粒砂
0.250～0.50mm
細粒砂
0.125～0.250mm
極細粒砂
0.064～0.125mm
粗粒シルト
0.034～0.064mm
中粒シルト
0.016～0.034mm
細粒シルト
0.008～0.016mm
極細粒シルト0.004～0.008mm

実験条件（共通）
模型層厚9cm， 傾斜勾配15°， 降雨強度30（mm/hr）

12

硅砂７号
3

硅砂８号
45

ＤＬクレイ

678

粘土
0.001～0.004mm

表面流の発生しやすさ
図 ５ 「降雨強度」と「浸透強度低減開始時間」の関係

0← 表面流の発生しやすさ

90102030

4050

60

7080

90 100 110 120 130 140 150 160 17010

浸透強度低減開始までの経過時間（m浸透強度低減開始までの経過時間(min)

図 ４「粒径」と「浸透強度低減開始時間」の関係

4.2 層厚と浸透強度の関係
今回の実験では、模型のスケールの大きさが十分に確保ができないため、層厚が薄いケースほど「飽和領域形成」までの経過時間が短い（模型壁面による滞留の影響と考える）。対比の結果として、層厚が厚いほど「表面流」発生が認め難い結果となった。
4.3 斜面勾配
表面流の発生が確認できたケースの斜面勾配は15°である。降雨により表層部の飽和領域が形成された後は、土粒子の状態が不安定となった。

4.5 細粒分試料の実験「ＤＬクレイ」・「木節粘土」の実験では、総降雨量が 10 ㎜に達した時点で、模型地盤に亀裂の発生が見られた。これは、浸透-脱水時の凝集効果に因ると見られる。亀裂により、流出量の低下が見込まれない状況となった。
亀裂を補修・含水比調整した条件下で再スタートさせたケースでは、ごく少量の降雨（総降雨量５㎜未満）で表面流が発生した。
5 まとめと課題
1）「粒径」と「表面流の発生しやすさ」には、強い正の相関が見られる。
2）「降雨強度」は大きいほど「表面流」が発生し易
いが、層厚が厚くかつ降雨強度が低いケースでの定量評価が必要である。
3）「層厚」は滞留影響を補正した検討が必要である。
今後、土石流発生要因の中で堆積層の移動に関わる「層厚」の影響についても検討を要する。
その際には「斜面勾配」に留意した考察を要する。

参考文献
1) Wilfried Brutsaert： Hydrology - An
Introduction，CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 2005
2) 不飽和地盤の挙動と評価，（社）地盤工学会，2004
3) 厚井ほか：砂防学会誌第 65 巻第 6 号 37-45，2013- 221 -