地形変化と底質内部のサクション挙動に関する数値的検討熊本大学

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(1)II‑030. 土木学会西部支部研究発表会 (2014.3). 地形変化と底質内部のサクション挙動に関する数値的検討熊本大学. 学生会員. ○白水元. 1.はじめに. 正会員. 山田文彦. 中條壮大. 外村隆臣. 佐々真志. ここで s は間隙水圧（負の値がサクションを表す），hs は. 海岸侵食によって引き起こされる国土の消滅や生態. 不透水基盤からの地盤の高さである．プログラムは逐. 系への影響を鑑みると，中・長期的な海浜変形予測は. 次加速緩和法による反復収束計算を行い差分法で解く．. 沿岸整備の前提として重要である．海浜変形予測のモデルにはプロセスベースドモデルと呼ばれる土-水連成. 3. 数値モデルの精度検証. 型の 3 プロセス連動モデルがよく用いられる．それは，. 前述した式（3）の仮定の検証とモデルの精度検証を. 流体運動プロセス，漂砂量を求める底質輸送プロセス，. 兼ねて，Sassa ら(2007)の実験に適用して検討する．こ. そして，質量保存則を基に底質の連続式を解く地形変. の実験では，長さ 3.5m，高さ 1.2m，幅 0.5m の水槽中. 化プロセスの 3 段からなる．現状では，水分の移動に. において，長さ 3.0m，層厚 1.0m の中砂 85%海底粘土. よる底質の間隙率やかさ密度の時空間変化と，それに. 15%の混合土(D50=0.3mm)の土層を中央に設けている．. 伴う底質の力学的挙動の変化について，現象の確認と. 沖側で水位を 6 時間で 55cm 下げ，次の 6 時間で 55cm. 考察が不足している（Masselink ら, 2006）．そのため，. 上げる周期 12 時間の三角波状水位変動与えたときの底. これら底質特性の時空間変動についての議論は少なく，. 質の間隙水圧や水位/地下水位の変動が岸側で計測され. 時空間で一定と仮定した研究例が多い．Sassa ら(2007). た．検証のために Sassa ら（2007）の断面 2 次元の Richards. は，サクション動態，すなわち，サクションの発達・. 方程式での計算も行う．. 消散の繰り返しの結果として，底質表層の弾塑性的収. 岸. 縮とせん断強度の増加が起こることを示した．これは. 0.2. 潮汐スケールの緩やかな水位変動による実験によって確認されている．しかしながら，遡上波帯のような掃. 沖. 多孔質鋼板冠水時地下水位計測位置 hg- hs 0.04. 流運搬が卓越するような条件でこのサクションの動態. 水位変動の入力. hg- hs 干出時. による底質密度増加効果がどの程度海浜地形変化に寄与するかについては不明な点が残されている．. hg. z. 本研究では，遡上帯におけるサクション動態の底質. hs. 間隙水圧計測位置. 密度増加効果を評価するため，外部流体影響下のサク. hg. 0.1 0.1 0.45. 0.55. x. ションの時空間変化を把握する平面 2 次の数値モデル. 0.25. を構築した． 2.数値モデルの概要. 3.0 図-1 検証実験の概要. 0.25 m. 断面 2 次元の方程式も逐次加速緩和法による反復収束. 流体運動計算は非線形浅水方程式，地盤中の圧力水頭. 計算を行い差分法で解く．平面 2 次元モデルでは⊿t = 1/10，⊿x = 0.02(m)，⊿y = 0.02(m)とし，断面 2 次元モ. 水基盤から地下水面まで鉛直方向積分した平面 2 次元. デルでは⊿t = 1/200，⊿x = 0.02(m)，⊿z = 0.02(m)とし. Richards 方程式（1）式を用いる．. ている．. Sy. hg ( x, z, t ) t. (hg  z* )    (hg  z* )      kwx hg    kwy hg  x  x y  y  . e Sy  B 1 e. (1) (2). ここで， S y は比産出率(有効間隙率)， hg は圧力水頭(地下水深または不透水基盤からの全水深)， k wx , k wy は x, y 方向の(不飽和)透水係数で，z* は不透水基盤の基準面からの高さである．また，e は間隙比， B は有効間隙調整係数である．圧力を鉛直積分したことで圧力水頭(不圧. 水槽底面(不透水基盤)からの水位(m). （サクションに関係）は 3 次元 Richards 方程式を不透. 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0. 断面2次元計算水位沖側入力水位岸側実測平面2次元計算水位. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 時刻(h). 状態では地下水深と等しい)となることから，以下の様な仮定より間隙水圧（サクション）の値を定義する．. s   g (hg  hs ). 図-2 水位/地下水位の比較. (3). ‑179‑. 10. 11. 12.

(2) II‑030. 土木学会西部支部研究発表会 (2014.3). 図-2 は沖側での入力水位に対する岸側計測地点の水. 前述の通り，水深を底質表面での圧力水頭として平面 2. 位の実験値と計算値を比較したものである．沖側の入. 次元の地下水支配方程式に受け渡す．こちらでは，⊿t = 1/1000，⊿x = 0.02(m)，⊿z = 0.02(m)として解いた(図 5)．. 力値に対して岸側の実験値はピークの位相差が見られ. 遡上計算の結果は定量的にも実験結果を良く再現する．. る．水位が砂層厚以下になるとなだらかに変化し，後. 0.75. 初期段波水位. 半は旧に水位が回復する様子が分かる．提案するモデ. 水位計. 0.25. ルは実験値よりもやや遅れたピークを見せるなど改善すべき点はあるが，水位変化の傾向は定量的にも十分. 0.40m. 再現できている．. B. S.W.L. A. 1/10. 0.05. 0.15. 0.24. 後浜初期水位. (間隙）水圧(Pa). 2000. 2.5. 0.50. 1000. 10.2m. 図-4 段波遡上実験の概要. 0. 5.まとめ. -1000. 本研究では，サクションの時空間変動を把握すること. 断面2次元計算水圧平面2次元計算水圧実測水圧. -2000 0. 1. 2. 3. で，それが持つ底質密度増加効果がどれほど海浜変化. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. モデルの再現性に寄与するかを検討するべく，Richards. 時刻(h). の地下水支配方程式をベースとした平面 2 次元のサクション評価モデルを構築した．砂層内の挙動に関して. 図-3 間隙水圧の比較. 講演時に発表する．. 間隙水圧の仮定（3）式の妥当性の比較結果を図-3 に示す．水位の傾向と同様に計算結果と実験値に位相差は. 参考文献. 見られるが，断面 2 次元モデルと同程度であった．. Masselink, G. , Kroon, 4. 遡上帯における平面 2 次元モデルの適用. wave-dominanted coastal settings – A review.. 宮武ら(2013)の段波遡上実験は，長さ 2.5m，斜面勾配. Geomorphology 73, 33-49.. 1/10 の砂浜模型(D50=0.4mm)に後浜初期水位 0.15m を与え，ゲート水位 0.4m の段波を入射させた実験である．. Sassa, S. , Watabe, Y. ,Role of suction dynamics in evolution of intertidal sandy flats: Field evidence, experiments, and. 遡上波水位，及び，前浜地下水位を 2 点の水位計で計. theoretical model 2007.JGR 112. 測している．(図-4). 宮武誠, 阿部翔太, 木村克俊,越智聖志, 2013. 土木学会. 遡上波の再現計算には差分法で解く非線形浅水方程. 論文集 B2(海岸工学) 69, No.2, I_076-I_080. 式を用いる．(⊿t = 1/1000，⊿x = 0.02(m)，⊿y = 0.02(m)) 初期水面基準鉛直距離 (m). A. , Davidson-Arnott, R.G.D. ,. 2 006. Mrphodynamics of intertidal bars in. 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05. 3s 6s 9s 12s 4. 5. 6. 7. 8. a)遡上の様子. 9 岸沖方向距離(m). 0.08 計算値実験値. 15s. 10. 水路床. 0.06 計算値実験値. 計算値実験値. 0.07. 0.05. 0.06 0.1. 0.04 水深(m). 水深(m). 水深(m). 0.05 0.04 0.03. 0.05. 0.03. 0.02. 0.02 0.01. 0.01 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 時刻(s). b)法先 0.5m 沖側検証点の水深比較. 60. 0. 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 時刻(s). c)前浜検証点 A の水深比較. 図-5 遡上計算の結果 ‑180‑. 0. 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 時刻(s). d)前浜検証点 B の水深比較.

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