津波 による港湾 内の海底地形変化 に及 ぼす流速場 の影響
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(2) 257. 津波 によ る港 湾 内の海 底地形 変化 に及 ぼ す流速 場 の影響. (a)水位変 動 の時 系列 (a) t=103s. (b)流 速 の時 系列 図‑3. 固定床 と移 動床 の比 較. (b) t=107s. ‑2に 示 す 波 高 計 と流 速 計 各6台 を 移 動 して 繰 り返 し測 定 した.図‑1に. 示 す 波高 計H3の. 水 位 デ ー タを基 準 に 全 デ ー. タを 同 期 させ,実 験 デ ー タ解 析 を行 った. 3.. 実 験 結 果 と考 察 (c) t=111s. 以 下 で は,固 定 床 で の 測 定 結 果 を 用 い て,砂 移 動 に よ る海 底 地 形 変 化 の外 力 に 関 す る議 論 を す る.そ の た め に まず,移. 図‑4. 流 速 ベ ク トル. 動 床 上 と固 定 床 上 の 水 位 変 動 η と流 速x方 向 成. 分uの 比 較 を 行 う.比 較 で き る測 定 点 は5点 あ る が 図‑3 に代 表 例 と して 港 内 の 侵 食 が 著 しか っ た領 域 の 比 較 を示 す.測. 定 点 は,移. 動 床 実 験 が(x,y,z)=(425,81.5,‑0.04),. 固 定 床 実 験 は(x,y,z)=(422,84,‑0.045)で 両 者 は若 干 ず れ て い る(座 標 は 図‑4を 参 照 の こ と).榊. 山 ら(2007)に. よ る移 動 床 実 験 で は 同 じ条 件 の 下 で4回 繰 り返 した.こ. (a) t=103s. れ ら の再 現 性 は 良 好 で あ っ た の で1測 定 結 果 で 代 表 さ せ た.固 定 床 上 の 水 位 変 動 は,時 間t=103sか. ら110sで 移. 動 床 の 時 系 列 と若 干 差 が み られ る.図 は省 略 したが,全 測 定 点 の比 較 を 総 合 す る と比 較 場 所 の若 干 の ず れ の影 響 よ り も地 形 変 化 の 有 無 や底 面 粗 度 な ど の違 い の 影 響 が 現 れ,移 動 床 と固 定 床 と で は水 位 変 動 や流 速 は完 全 に一 致 し な い.そ の 差 は図‑3に み られ る程 度 で あ り,流 速 よ り. (b) t=107s. 水 位 変 動 の方 が 差 が 明 瞭 で あ る.上 記 の 差 が あ る こ とを 認 識 した 上 で 固 定 床 で の 測 定 結 果 で代 用 す る こ とに す る. 港 湾 内 外 の 流 速 ベ ク トル の 時 間 変 化 を 図‑4に 示 す.ま た,同 時 刻 の水 面 分 布 を 図‑5に 示 す.こ. こで 時 間tは デ ー. タ収 録 開 始 か らの 時 間 を 示 し,造 波 開 始 はt=60sで. あ る.. 測 定 時 間 中 の 流 速 ベ ク トル と水 位 の 平 面 分 布 か ら以 下 の よ うな 渦 の 移 動 と発 達 が 明 瞭 に確 認 で き た.防 波 堤 先 端 で 発 生 した 渦 は,防 波 堤 の 内外 の 水 位 差 の増 加 に よ り港 口部 で の 流 速 の加 速 に と も な い港 内 へ 移 動 しな が ら発 達 す る.港 外 の水 位 が 最 大 に な った 後 に港 内外 の 水 位 差 が 逆 転 す る と港 外 へ の 流 出が 始 ま る.そ の後 も港 内 で は渦. (c) t=111s. 図‑5. 水位 分布.
(3) 258. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). た だ し,流 速 は絶 対 値 √u2+v2で シー ル ズ 数 Ψ は,上. 与 え た.. 式 で 求 め た摩 擦 速 度u*を. 用 いて. 次 式 で算 出 した.. (2) こ こに,s=ρs/ρ‑1:砂 (a)地 形 変 化 量(榊 山 ら,2007). の 水 中比 重,g:重. d50:砂 の 中 央 粒 径,ρs:砂. 力 加 速 度,. 粒 の 密 度,ρ:流. 体 の密 度. で あ る. 今 回 の実 験 で の シ ー ル ズ数 の最 大 値 は Ψmax=2.7で あ っ た.時 間 平 均 の シー ル ズ 数 の 最 大 値 は Ψmmax=0.26で あ っ た.地 形 変 化 量 の 平 面 分 布 と これ らの シー ル ズ数 の平 面 分 布 とを 比 較 す る と,瞬 間 値 で あ る図‑6(c)の Ψmaxよ り (b)時 間 平 均 シ ー ル ズ 数. 地 形 変 化 に 及 ぼ す 作 用 時 間 を考 慮 し た 図‑6(b)の 時 間 平 均 値 Ψmと 地 形 変 化 量 と の対 応 が よ い.し. か し,防 波 堤. 先 端 の 局 所 洗 堀 に よ る侵 食 量 に関 して は 時 間 平 均 な らび に最 大 シ ー ル ズ数 と も傾 向 が一 致 して い な い. 港 口部 の流 速 を 図‑7に 示 す.こ の 図 は港 口 内 の 横 断 方 向 の3点 の 水 位 変 動 と流 速x方 向 成 分 の 時 間 変 化 を 示 し た もの で あ る.防 波 堤 の 先 端 がy=66cmで. (c)最 大 シ ー ル ズ 数. 図‑6. も近 いy=68cmの. 地形 変化 量 とシール ズ数 の平面 分布. あ るの で,最. 水 位 と流 速 は,防 波 堤 先 端 に 発 達 した. 渦 の 内 部 の 値 を表 す.水. 位 は,渦. の 発 達 時 に は他 の2点. よ り低 く,流 速 は全 体 を 通 じて小 さ く な っ て い る. は惰 性 に よ り回 転 し続 け る.港 内 中 央 の渦 の 中 心 位 置 の 変 動 は,t=106sか 向 に約10cmで. ら114sの 間 で,x方. 向 に約25cm,y方. あ った.. 測 定 した港 口 部 近 傍 の流 速 ベ ク. 口部 の 防 波 堤 先 端 で は,逆 流 が確 認 で き,. そ の流 速 は小 さ い.防 波 堤 先 端 で発 生 した渦 は,定 在 し. 図‑6に 移 動 床 実 験 に よ る地 形 変 化 量,シ 間 平 均 値 と最 大 値 の平 面 分 布 を 示 す.時 港 内 に作 用 す るt=100か. 図‑8に 測 定 間 隔3cmで トル を示 す.港. ー ル ズ 数 の時. 間平 均 は 津 波 が. ら140sの 範 囲 と し た.図‑6(a). に示 す港 内 外 の地 形 変 化 量 の平 面 分 布(榊. 山 ら,2007). の特 徴 は,防 波 堤 先 端 の 局 所 的 な洗 掘,港. 内 中央 部 で の. 局 所 洗 掘 を 引 き起 こす.ま. た,港 内 へ 移 動 し発 達 す る渦. が 港 内地 形 変 化 の 主 要 因 と な る(榊 山 ら,2007). 藤 井 ら(1997)は,津. 波 に よ る港 内 流 況 の計 算 を 実 施. し,実 験 結 果 と比 較 し防 波 堤 先 端 で発 生 す る渦 な らび に 港 湾 内 の 渦 を 再 現 した.防. 波 堤 先 端 の局 所 洗 堀 は3次 元. 堆 積 と そ の 周 辺 の侵 食 で あ る.後 者 の 堆 積 と侵 食 が 港 内. 的 な 流 れ の影 響 が あ り,シ ール ズ数 の み の 漂 砂 量 モ デ ル. に発 達 した渦 の 作 用 に よ る も の で あ る.護 岸 前 の2ヵ 所. で は再 現 が 困 難 で あ ろ う.中 村 ら(2007)は,津. の 隅 角 部 と防 波 堤 の基 部 は死 水 域 とな る.こ れ らの 領 域. る構 造 物 周 辺 の 局 所 洗 掘 を砂 地 盤 内 部 の応 力 変 動 で 説 明. に は移 流 に よ り浮 遊 砂 が 運 ば れ る こ とは な く,拡 散 が 支. した が 渦 に よ る砂 の 巻 き上 げ な ど は議 論 さ れ て い な い.. 配 的 に な る も の と考 え られ る.図‑6(a)に. よ る と防 波 堤. の基 部 の隅 角 部 で の 堆 積 量 の ほ うが 大 きい .. 図‑9に 固 定 床 上 の代 表 的 な2箇 所 に 砂 を 置 き,そ 送 を 撮 影 した 結 果 を示 す.1)図‑9(a):固. シ ー ル ズ数 の 算 出 に は 固定 床 の水 位 変 動 と流 速 を用 い. 波 によ. の輸. 定床 上 に は こ. れ よ り先 に観 察 した 時 の 砂 が底 面 に薄 く残 って い る.こ. る.底 面 せ ん 断 応 力 の 計 算 で は,流 速 を対 数 則 と仮 定 し. の状 態 か ら実 施 した .2)図‑9(b):津. た.西 畑 ら(2007)は,移. よ る地 形 変 化 の再 現 性 を比 較 した.し か し,定 説 に はな っ. に流 れ が 発 生 し防波 堤 の 背 後 に渦 が 形 成 し始 め る.3)図 ‑9(c):防 波 堤 先 端 で 発 生 した 渦 が 港 内 へ 移 動 す る .こ. て い な い ので 藤 井 ら(1998)と. れ に伴 い 底 面 か ら巻 き上 げ られ た砂 が 渦 の 中央 に集 ま る.. 動 床 で の 相 当粗 度 の 取 り方 に. 同 じ く相 当粗 度 を移 動 床. 実 験 で 用 い た砂 の 中 央 粒 径0.08mmと 摩 擦 速 度u*は. した.. 4)図‑9(d):港. 測 定 高 さzと 流 速uか ら流 速 の 対 数 則 を. 適 用 して 次 式 で算 出 す る.. 度 長 さ(=ks/30),ks:相. 内. 内 の 側 壁 の 近 くに あ る砂 が 巻 き上 げ られ. 渦 の 中 心 に 輸 送 さ れ る.5)図‑9(e):さ. らに 渦 が 発 達 し. 港 内 の反 対 側 の 側 壁 に達 す る と こ の地 点 の 砂 も同様 に 渦. (1) こ こ に,z0:粗. 波 が 到 達 し,港. 当 粗 度 で あ る.. の 中 心 に輸 送 され る.渦 が 発 達 す る 間 は,浮 遊 砂 は渦 の 中 央 部 に集 中 す る.6)図‑9(f):港. 内 の渦 の 旋 回 流 が 強 い.
(4) 津 波 に よる港湾 内 の海底 地形変 化 に及 ぼす流 速場 の影響. 図‑7. (a)水位 変動 の時 系列. (a) t=98s. (e) t=106s. (b)流 速 の時系 列. (b) t=102s. (f) t=110s. 港 口部 の水位 変動 と流 速 の時間変 化. (c). 図‑8. 259. (9) t=113s. t=103.5s. 港 口部 とその港 内側 近傍 の流 速 ベク トル (d) t=105s. 間 は浮 遊 砂 の存 在 す る領 域 は 渦 中 央 に集 中 して い る.移 流 が 卓 越 し,渦 周 辺 へ の拡 散 は顕 著 で は な い も の と思 わ. (h) t=129s. 図‑9. 固定床 上 の砂移 動. れ る.底 面 全 体 を 砂 面 と した 移 動 床 実 験 の 場 合 に も,港 内全 域 に浮 遊 砂 が拡 散 す るの は 引 き波 が 発生 した後 で あ っ た.7)図‑9(g):港. 外 へ 引 き 波 が 始 ま って も渦 は 惰 性 で. 渦 運 動 の 底 面 近 傍 に は粘 性 の 影 響 で エ ク マ ン層 が 発 達 し,中 心 に向 か う2次 流 が 発 生 す る こ と が知 られ て い る.. 回 転 を続 け る.こ の 間 に浮 遊 砂 は渦 中 央 か ら周 辺 へ と拡. 港 湾 形 状 の縦 横 比 の 影 響 を受 け るた め に渦 の 形 状 は歪 み,. 散 した.8)図‑9(h):引. 理 想 的 な真 円 の渦 に は な っ て い な いが,図‑10と. き波 後 に港 内 が 静 穏 に な っ た 状. 態 で 港 内 中央 部 に砂 が堆 積 して い る こ とを 確 認 した. 図‑10と 図‑11は,港 時 刻(t=107s)の れx方 向,y方. 内 の 渦 が 最 も発 達 した と思 わ れ る. 渦 中 心 を通 る 断 面 に お け る,そ 向 の 水 位 と流 速 の 分 布 を 示 す.渦. 周 辺 の 水 位 差 は,図‑10(a)よ 11(a)よ り,y方. 向 で は 約4cmに. り,x方. れぞ. 中心 と. 向 で は約6cm,図‑. 図‑11に. 示 す 本 実 験 条 件 に お け る渦 中心 を 通 る水 面 波 形 と流 速 分 布 か ら渦 の大 き さ,流 速,角. 速 度 を 算 出 し,エ ク マ ン層. 内 の 流 速 を推 定 す る.円 筒 容 器 内 の 回 転 流 に よ る エ ク マ ン層 内 の 周 方 向 成 分vθ と半 径 方 向 成 分vrは,そ. れぞ れ. 次 式 で 与 え られ る(Andersenら,2003).. な る.渦 中 心 は流 速 ベ ク. (3). トル か ら流 線 を 作 図 し,目 視 に よ り判 断 した.t=107s. (4). で は渦 の 中 心 は(xv,yv)=(434,42)で あ った.水 位 の最 も低 下 した位 置 と流 速 の符 号 が 反 転 す る位 置 は ほ ぼ一 致 して. こ こ に,k=1/δ. い る.半 径 方 向 の 流 速 成 分 は こ のx方 向 断 面 で は流 速 成. 代 表 ス ケ ー ル で あ る.. 分uに な り,図‑10(b)か. ら ほ ど ん ど0で あ る こ とが わ か る.. 図‑12に,渦. で,δ=√v/ω. は 境 界 層 の 厚 さを 表 す. の 直 径 を30cmと. 図‑11(b)の 流 速 分 布 に よ る とy方 向 分 布 か ら流 速 が 一 定. =30/2=15)で. と な る外 周 の位 置 はy=25と55で. 回 転 方 向 に 一 致 さ せ て 図 示 し た.ま. た.. 渦 の 直径 を30cmと. 見積 っ. 面 上 の 曲 線 は,流. 見 積 っ た 外 周(r. の 計 算 結 果 を 示 す .vθ. とvrは,実. た,図. 験 の. 中 のvr‑vθ. 平. 速 ベ ク トル の 頂 点 を 投 影 し た 軌 跡 を 示.
(5) 260. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (a)水 位分布. 図‑12. エクマ ン層の流速 の解析解 によ る流速分布 の推定結 果. 渦 が 支 配 的 で あ り,最 堆 積 で あ る.渦. (b)流 速 水平成 分 の分布 図‑10. も特 徴 的 な 現 象 は渦 の 中 心 の砂 の. の 発 達 初 期 の 段 階 で は,渦. ま れ る 浮 遊 砂 が 観 察 さ れ た.渦. 渦 中心 を通 る水 位 と流速水 平成 分 のx方 向分 布. い る 間 は,水. 中 心 に 取 り込. に よ る回 転 流 が 発 生 して. 深 全 体 に わ た る 移 流 拡 散 沈 降 現 象 に 加 え て,. エ ク マ ン 層 内 を 渦 中 心 に 向 か う2次 流 に よ る 砂 の 輸 送 が 考 え ら れ る.地. 形 変 化 の 評 価 に 当 た っ て は,平. 面2次. 元. 数 値 モ デ ル に よ る地 形 変 化 の計 算 精 度 の 問題 に加 え て エ ク マ ン 層 内 の 砂 輸 送 量 の 寄 与 率 を 検 討 す る必 要 が あ る.. 参 木 原 直 人 ・松 山 昌史. 考. 文. (2007):. 波 に よ る地 形 変 化 の 数 値 計 算,. (a)水位 分布. pp.516‑520. 榊 山 勉 ・松 山 昌史 ・吉 井. 献. 静 水 圧3次 元 モ デ ル を 用 い た 津. 匠. 海 岸 工 学 論 文 集, 第54巻,. (2007):. 津 波 に よ る港 湾 内 の. 海 底 地 形 変 化 に関 す る 実 験 的 研 究, 海 岸 工 学 論 文 集,第54巻, pp.506‑510. 高 橋 智 幸 ・今 村 文 彦 ・首 藤 伸 夫 (1991):. 津 波 に よ る流 れ と海. 底 変 動 に関 す る研 究‑1960年 チ リ津 波 の気 仙 沼 湾 で の 場合‑, 海 岸 工 学 論 文 集,第38巻, pp.161‑165. 高 橋 智 幸 ・今 村 文 彦 ・首 藤 伸 夫 (1992): 土 砂 移 動 を 伴 う津 波 計 算 法 の開 発, 海 岸 工 学 論 文 集,第39巻, pp.231‑235. 高 橋 智 幸 ・今 村 文 彦 ・首 藤 伸 夫 (1993): 津波移 動床 モデルの 適 用 性 と再 現 性 の 検 討, 海 岸 工 学 論 文 集, 第40巻, pp.171‑ 175.. (b)流 速水 平成 分 の分布 図‑11. 渦 中心 を通 る水位 と流 速水 平成 分 のy方 向分布. す.周 方 向流 速 成 分 の最 大 値(約60cm/s)に に 向 か う流 速 成 分 の 最 大 値(約20cm/s)は. 対 して 中心 そ の 約30%で. あ る.. 高 橋 智 幸 ・首 藤 伸 夫 ・今 村 文 彦 ・浅 井 大 輔 (1999): 掃流砂層 ・ 浮 遊 砂 層 間 の交 換 砂 量 を 考 慮 した 津 波 移 動 床 モ デ ル の 開 発, 海 岸 工 学 論 文 集,. 西畑. 観 察 結 果 か ら渦 中 心 近 傍 の浮 遊 砂 の濃 度 は 非 常 に高 く な る こ とが わ か った.こ. さ は底 面 か ら数mmと. ク マ ン層 の厚. 薄 いが濃度 は高 いた め渦 中心 に. 向 う砂 の 輸 送 量 は無 視 で き な い もの と思 わ れ る.地 形 変 化 に及 ぼ す 現 象 の寄 与 率 を 明 らか に す る た め に は津 波 に よ る砂 移 動 計 算 モ デ ル の 精 度 を 向 上 す る必 要 が あ る.. pp.606‑610.. 剛 ・田 島 芳 満 ・森 屋 陽 一 ・関 根 恒 浩 (2005): る 地 形 変 化 の 検 証, 海 岸 工 学 論 文 集, 第52巻,. 西畑. 剛 ・佐 貫 宏 ・森 屋 陽 一 ・後 藤 和 久 (2007): 津波 によ る地 形 変 化 モ デ ル に 関 す る 研 究, 海 岸 工 学 論 文 集, 第54巻,. pp.521‑525. 藤 井 直 樹 ・大 森 政 則 ・高 尾 誠 ・大 谷 英 夫 (1997): 津波 に よ る 港 内 流 況 の 数 値 計 算, 海 岸 工 学 論 文 集, 第44巻, pp.291‑295. 藤 井 直樹 ・大 森 政 則 ・高 尾 誠 ・金 山 進 ・大 谷 英 夫 (1998): 津 波 に よ る 海 底 地 形 変 化 に 関 す る研 究, 第45巻, pp.376‑380.. 4. 結. 言. 津 波 に よ る港 湾 内 の 海 底 地 形 変 化 に は港 内 で発 達 す る. 津波 によ pp.1386‑. 1390.. の浮 遊 砂 が 沈 降 す る こ と に よ り. 中央 に堆 積 す る の が 第1の 現 象 で あ る.エ. 第46巻,. 中 村 友 昭 ・倉 光 泰 樹 ・水 谷 法 美 (2007): 陸上津 波に よる陸上 構 造 物 周 辺 の 局 所 洗 堀 に 関 す る研 究, 海 岸 工 学 論 文 集, 第 54巻, pp.856‑860.. 海 岸 工 学 論 文 集,. Andersen, A., B. Lautrup and T. Bohr (2003): An averaged method for nonlinear laminar Ekman layers, J. Fluid Mechanichs, vol.487, pp.81-90..
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