Pb-87
透過型砂防堰堤の捕捉機能及び閉塞モデルの検討
京都大学大学院農学研究科

1. 研究背景と目的
土石流被害を防止軽減するために砂防堰堤などのハード対策が実施されている。適切な砂防構造物の形状や設置位置の検討を行うためいくつかの土石流のシミュレーションモデルが提案されている。
里深・水山 1)が提案する土石流モデルを実装した
土石流シミュレータ KANAKO2)は地形や土石流、堰堤の条件を変更した計算が可能である。しかし、本モデルは格子型の透過型砂防堰堤を対象として提案されているため、縦材や横材のみで構成される形状についてはどこまで表現されるか検討されていない。また、KANAKO は堰堤上流部での閉塞過程を解析する際は閉塞に寄与する大粒径と寄与しない小粒径の二粒径を考慮するが、それ以外は平均粒径で解析を行い、分級現象による土石流先頭部への巨礫の集中は表現されない点にも課題が残る。
本検討では形状の異なる透過型砂防堰堤を用いた実験を行い、実験結果と KANAKO の計算結果を比較検証することで問題点の抽出及びモデル改良への知見を得ることを目的とする。
2. 水路実験
2.1 実験方法
図 1 に示す勾配 15 度の水路で、上流側に土砂を敷き、水を 15 秒間 0.75L/s で定常供給して土石流を発生させ、下流端で約 3 秒毎に採取した。実験には混合砂（D95=10.35mm、密度：2.62g/cm3、空隙率：0.40、表 1 に粒度分布を示す）を使用した。堰堤には 3 種類の透過部形状（格子、縦、横）を使用して、部材の透過間隔は D95 に対して 1.0 倍（格子、横堰堤では最下段のみ 1.5 倍）に設定した（写真 1）。
2.2 実験結果
図 2～4 に実験結果を示す。図 2 の平均粒径の時系列変化から、流れの後半で平均粒径に堰堤の有無による差が見られる。堰堤有りの条件では、先頭部で土砂が捕捉され堰堤が閉塞するため、後続部では大きな粒径の流出が抑制されるためと考えられる。図3 の土砂濃度の変化からも堰堤有りの条件では流れの後半で土砂流出が抑えられたことが確認される。
堰堤の捕捉率は（図 4）、どの堰堤形状も 95％以上の高い捕捉率を示すが、格子堰堤、縦、横の順に捕捉率が小さく、横堰堤や縦堰堤では格子と比べて捕捉率のばらつきが大きい。

○楠田夏子・日浦幹・中谷加奈
京都大学防災研究所 長谷川祐治
立命館大学理工学部 里深好文
政策研究大学院大学 水山高久

表 1．実験砂の粒度分布
実験

0.8mm～ 2mm～2mm
4mm
割合％
2020
粒径mm

4mm～ 5.6mm～ 8mm～ 9.5mm～5.6mm
8mm
9.5mm 11.2mm
20151510

図 1．実験概要

図 2．平均粒径の時系列変化● ：格子堰堤■ ：縦堰堤▲ ：横堰堤図 3．各粒径における土砂濃度の時系列変化

図 4．捕捉率

写真 1．使用した堰堤模型- 776 -

3. KANAKO を用いた数値シミュレーション
3.1 計算条件
計算には 2 粒径（堰堤上流以外では平均粒径）を対象とした KANAKO1.42)ならびに、混合粒径を対象として分級現象を表現可能 3)な KANAKO1.5を使用した。KANAKO1.5 では、最大粒径階のみが、閉塞に寄与する粒径として扱われる。
計算には実験砂の粒度分布を基にして、4 種類の粒度分布（表 2 に示す土砂 a~d）を設定した。
混合粒径を対象とした土砂 b-c では、土砂 b は実験と同じ 6 粒径を、土砂 c は最大径の割合を増やすため土砂 b の 2 番目と 1 番目に大きい粒径を合わせて 5 粒径とした。土砂 d は土砂 c で変更した
最大径の大きさを実験と同程度の値に設定した。
表 3 には計算ケースを示す。平均粒径（Case1）と混合粒径（Case2-6）を対象とした計算、土砂の粒度分布を変えた計算、更に Case1-4 では 0.05m を設定したが、Case5-6 では計算点間隔を最大粒径と同程度の 0.01m に設定した検討を実施した。表 4に実験条件を基に設定した各ケースの共通パラメータ示す。

図 5．計算による捕捉率

表 2．各混合土砂の粒度分布
粒径mm
土砂a割合％

2.555
508.48350※堰堤の閉塞部での計算以外
では平均値を使用する

土砂b

粒径mm
割合％

1.4mm
203mm
204.8mm
206.8mm158.75mm 10.35mm
1510土砂c

粒径mm
割合％

1.4mm
203mm
204.8mm
206.8mm159.39mm
25土砂d

粒径mm
割合％

1.4mm
203mm
204.8mm
206.8mm 10.35mm
1525

表 3．計算ケース
Case123456粒径平均混合

土砂 計算点間隔
ab0.05mcdc0.01md

表 4．シミュレーションで用いたパラメータ
砂礫の密度(kg/m3 )
流体相密度(kg/m3)
河床の容積濃度
砂の内部摩擦角(deg)2650

マニングの粗度係数(s/m 1/3 )
浸食速度係数堆積速度係数計算時間(s)
計算時間間隔(s)

1000
0.65
36.09
9.8
0.001
0.003
0.0007
0.05
300
0.002

計算点個数

90

重力加速度(m/s2 )水深の最小値(m)図 6．Case.4 での河床位の時系列変化

実験結果と計算結果を比較すると全体的に計算の方が捕捉率が低い。図 6 に Case.4 の縦断図の河床位の時系列変化を示す。堆積過程を見ると、堰堤の上流側から徐々に堆積している様子がわかる。堰堤に土石流が到達してから 4 段目まで閉塞するのに約 30 秒掛かっている。しかし、実験では約 3 秒で 4 段目までの閉塞が確認された。この堆積過程の差により捕捉率の値の違いが現れたと考えられる。
また、横堰堤では実験結果と大きな差が生じる点や、条件によっては縦堰堤と格子堰堤での計算結果が一致することは、横材が閉塞に寄与しないことを示す。
一方で、計算点間隔を最大径と同程度に設定することで、広い計算点間隔と比較して堰堤からの上流側と鉛直方向への短時間での堆積が表現され、全体的に捕捉率が高くなった。このため、計算点間隔を大粒径程度に設定することも高い捕捉率を表現するのには有用だ
が、計算点間隔の設定は閉塞部以外の土石流挙動にも影響することから、適切な設定方法の検討、例えば堰堤上流部のみを細かく設定する等の工夫が必要だと考えられる。
また、横材による閉塞過程の検討 4)も提案されていることから、横材による閉塞メカニズムを考慮したモデルの改良を実施することを、今後の検討課題としたい。
謝辞
本研究の一部は平成 27 年度 NEXCO 東日本技術研究助成を受けて実施しました。実験には京都大学防災研究所宇治川オープンラボラト
リーの施設を利用しました。ここに感謝の意を表します。

3.2 計算結果と考察
図 5 に捕捉率の計算結果を示す。Case1 では全ての堰堤形状で最も捕捉率が小さかった。横堰堤は、計算点間隔を最大径と同程度の 0.01m に設定して 参考文献
Case5-6 では捕捉率が約 40%を示したが、その他の 1)里深・水山：砂防学会誌, 57(6), 21-27, 2005, 2)中谷ら：砂防学会誌,
Case1-4 では全く捕捉が見られなかった。
61 (2),41-46, 2008, 3)松本ら：砂防学会誌，65 (3), 3 -11, 2012, 4)原田ら：水工学論文集，Vol.60, I_871_876, 2016

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