治水施設に対する漂流物を伴う津波波力の増大及び低減特性に関する実験的検討

治水施設に対する漂流物を伴う津波波力の 増大及

び低減特性に関する実験的検討

その他のタイトル

EXPERI M

EN

TAL I N

VESTI G

ATI O

N

O

N

I N

CREASE AN

D

D

ECREASE CH

ARACTERI STI CS O

F TSU

N

AM

I W

AVE FO

RCE

W

I TH

FLO

ATI N

G

D

RI FTS O

N

RI VER M

AN

AG

EM

EN

T

FACI LI TI ES

著者

阿部 孝章, 鳥谷部 寿人, 矢部 浩規, 吉川 泰弘

著者別名

Abe Takaaki , Toyabe Tos hi hi t o, Yabe H

i r oki ,

Yos hi kaw

a Yas uhi r o

雑誌名

河川技術論文集

巻

23

ページ

109- 114

発行年

2017- 06

報告 河川技術論文 ,第2堰巻,2017 6

治水施設

対

る漂流物を伴う津波波力

増大及び低減特性

関

る実験的検討

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON INCREASE AND DECREASE

CHARACTERISTICS OF TSUNAMI WAVE FORCE WITH FLOATING DRIFTS

ON RIVER MANAGEMENT FACILITIES

阿部

孝章

鳥谷部

人

矢部

浩規

川

泰弘

Takaaki ABE, Toshihito TOYABE, Hiroki YABE and Yasuhiro YOSHIKAWA

1正会員 博 国土交通省 水管理 国土保全局 治水課 前 寒地土木 究所 寒地水圏 究

〒100−8918 東京都千代田区霞 関2-1-3

2正会員 国土交通省 海遈開発局 幌開発建設部 千歳川河川 務所 前 寒地土木 究所 遈東支所

〒066-0026 千歳 1-1-1

3正会員 博 寒地土木 究所 寒地水圏 究 〒062-8602 幌 豊 区 岸1条3-1-34

4正会員 博 見 業大学 社会環境 学 〒095-0015 見 公園町165

This report presents an investigation for the establishment of river control facility design against tsunami run-up in frozen rivers. The tsunami generated by the 2011 Tohoku Pacific-Coast Earthquake was characterized by the generation of tremendous number of tsunami debris and drifts. In addition, in Hokkaido where ice formed in rivers, broken ice pieces were found in the field survey. The main aim of this report is to propose an optimum river management facility design in the event of winter-season tsunami considering the existence of ice floes. An experimental model of a sluice gate is developed with ice floe models on the water surface and bore-type tsunamis are generated in the flume. The result showed that in some cases the existence of ice can partially attenuate the wave impact load. However, it is confirmed that ice floes also can cause increase in the wave force, which can result in the functional failure of the sluice gate. The experimental results are summarized in the relationships between non-dimensional wave height and maximum wave force.

Key Words : Tsunami in rivers, tsunami drifts, tsunami wave force, hydraulic experiment

． め

積雪寒冷地 あ 海遈 ，多く 河川 概 12

3 ，結氷 生 ．結氷 状態 河川

津 道 発生 場 ，津 結氷 破壊さ ，津 漂流物 散乱 あ ．過去，実 2011 東 地方太 洋沖地震津 発生時 写真-1 示 う 漂流物 結氷 河遈内 漂流あ い 治水施設周辺 散乱 告さ い 1)．

時 海遈沿岸域 到遉 津 概 1～6 m程度 あ ，河遈内 観測さ 津 高 2 m程度 あ

確認さ い

2)

．仮 ， 大 津 到遉 場 活発 氷 漂流 発生 治水施設

等 被災 能性 否定 い．東 地方 2011 津 発生時河川構造物 甚大 被害 さ

既 告さ い 通 あ ．

う 津 時 河遈 発生 う 諸現象 ，河 川津 関 大型模型実験

3)

，河遈 道 津

写真-1 現地 確認さ 治水施設周辺 堆積氷

河川構造物

4)

，河川津 比 物 流 挙動 存 ，一 実務 影響 考慮 響評価手法 あ ． 局所的 外力 明

津 外 ，地震 着目 ，河 及び，水理条 目 水路実 理条件

．検討手

稿 治 辺 確認さ 実験装置 概 m，幅0.5 m

水池部 あ ，段 状 い ．水路

側面図

6 m

貯水池部

H₀

-2 樋門

及 外力 高精度数値 比較 試 5)， 動 関連性 一定 知見 蓄

い ，河川 定 未 充分 や，津 漂流 力 影響

い い． 稿 ，河川 外力 評価手法 震津 発生時 河川津 漂流 条件 津 実験 行

力 変動

手法

治水施設 内， 樋門 概要図 -1

使用 6 m地点 設

津 発生さ 路実験

m

遡

造

模型 概要

関係 実験 値解析

更 河川横 分析

6), 7)

， 蓄積さ

川構造物 設 定

確立さ 流物 治水施

関 ，

川結氷時 想 法 構築 最 時 漂流物 流氷 相互

力 増大

． ，

い 考察

，写真-1 象 示 い

．水路 設 造 用

さ

相似則

PG1

x= 3.00 m

上区間

造波用ゲ ト

設置 置

h₀

-1

要図

的 検討 構築 現地 横断構造物 ，多く 既往

い 言え 計 あ 津

あ

8)

， い い 現 設 周辺 及

実態

定 治水施 終的 目的

う 氷 作用 外 及び 減特性 ，氷 無

行 ．

う 氷 堆積 検討 行 ，水路 全 流側6 m区間 急開 能 構造 従い縮尺

28 m PG2

x= 8.00 m

口側

使用 実験水

例 地観測 漂流 往 究 え ．

津 影 現状 及

施設 ． 存 外力， 性 着 無や水

積 近 ． 全長34 間 貯 開

1/7

相当 形状 氷 河川

樋 い

津 測

測 模型

3

日 力 ン 均

12

実 4,

貯水 ． m区

滞留

m x= 13.00PG3

氷板模 約

水路 模式図及

-3 樋門

当 ．樋門 状 木材 氷 模擬 川氷

9)

近い0.9 急開

樋門 衝

氷 模型あ 津 衝突時 水

，樋門 い 力 ン 行 ．縦断 型 実験 想 分力計；LM 日章電気株式会 力計測 行

間隔 1 ms 変動 傾 樋門 CASIO,

EX-20 毎

実験条件 あ 10, 20, 30, 40

水池部水深H0 漂流氷 模 区間 滞留さ

留さ 場

3

0 m x= 14.95 mPG4 3

模型範 約4m

及び氷 模型 設

模型前面

門 模擬

製作 ． ，20 cm 9

津 発生さ 衝突さ ．比 2種

水路内 縦断的 門 模型 ンサ STS Sen 断 置 -1 想定さ 力 MC-3502-50W及

会社 接 ． 力 ンサ

，分析 当 傾 捉え

模型側方及び

-FC500S 1

) 影 行

， 口部 cm，

10 80 cm

模擬 氷 模

カ 率80 %

樋門ゲ 設置 分力計

設置状況

氷 模型

擬 模型 樋門 前 m四方，厚さ3

ン 水面 さ ，津 共 比較 ，全 種類 実験 行

的 水深 時系 型 口側 4箇

nsors, ATM.1st

通 ． ， 力 大 さ 及びLMC-350

力作用時 サ及び3分力計 当 0.1

．流 び 方 イ

1 設置

行 ． 道 区間

m 10 cm刻

模型 樋門 ． -3 (1) %；模型40枚

ゲ ト模型

置 置

呑

型 設置状況

-2 う 前面 滞留 3 cm，比

面 浮 共 漂流氷 全

行 ． 系列変 計 箇所(PG1～4) 接 計 ，樋門

応 ，2種類 02A-1000NWP

時系列的 計 サン 1 s間 移動

流況 把握 カ ，120 FPS

初期水深h0 造

増加さ 前面 4 う ，密

， 比

呑口側

．

計 )

計

類 P

S

0

4

比

--4 氷 存 い場 津 衝突状況 H0 = 30 cm, h0 =

20 cm

較 -3 (2) う 疎 滞留さ 場 カ

率40 %；模型20枚 設定 ． -3 (2) 場 実験

開始前 氷 同士 付着 あ 能 限

分散さ 意図 ，1 m 5枚滞留さ ，

4 m区間 均等 分散さ ．

．結果及び考察

(1) 津波 比較的小さい条件 結果

，津 比較的 さい条件 い ，流 況 映像 共 考察 加え ． 一例 貯水 池部初期水深H0 = 30 cm， 口水路部初期水深h0 = 20 cm い 示 ． -4 示 ， 氷 存 い場 津 衝突状況 時系列 ッ

ョッ あ ．初期状態 t = 0.000 s ややあ

，津 状段 状 模型 接近

t = 9.708 s ， 直後 部分 衝突 t =

10.175 s ．津 一部 流 呑口側 道 い

，3分力計 力計測 支 無い う， 模型 側壁 間 ア ン 設 あ ．

後 状段 第2 ，第3 次々 衝突 作 用 ，一定時間後水面 変動 伴い 減衰 い

t = 17.542 s ．

次 ，貯水池部 口部初期水深条件 同一 ，氷 漂流物 与え 場 結果 -5 示 ．初期 t =

0.000 s 前面 密 滞留 い 氷 群 ，

状段 接近 応 ，水面形 追従 う

-5 氷 密 存 場 津 衝突状況 H0 = 30 cm, h0

= 20 cm

揺動 t = 9.592 s ，氷 道 津 部

分 衝突 起 t = 9.925 s ． 時 -4 同様

呑口側 道 発生 い ，氷 模型群 い 水面形 追従 形 分 い ．水中 潜 混 回転運動 伴う氷 見 ． 後，

前面 水 時間帯 ，氷 群 折 見 ，整然 滞留 い ．概 ， 津 さい条件 い ，氷 相互配置

変 さ ， 場 滞留 ，津 氷 群 伝 う 到遉 樋門 模型 到遉

確認さ ．

-6及び -7 示 ，PG1～PG4 4地点

水 変 及び各分力方 力計測 時系列変 あ ． -6 -4 同 氷 存 い場 ， -7 氷 模型 密 滞留さ 結果 あ ．

-6及び -7 ，水 変 及び 力 時系列変 概略的 傾 氷 模型 無 関わ 非常 類似

い ．PG1～PG4 計測結果 ，PG1通過時 状段 状 形 呈 模型方 接近 ，

概 t = 10 s以後 模型 衝突 反射 生 い ．

反射 高 PG4 PG3, PG2 逆方 伝

段階 5 cm程度減衰 い 過程 大 遊い

見 い．同様 ， 力時系列変 い ， 全面 水 変動 追従 う 増加 減少 繰

返 形 い 分 ． ，最

大 力 いう観点 氷 存 い場 166 N

あ 氷 密 存 144 N 減少

-8 氷 存 い場 津 衝突状況 H0 = 70 cm, h0 =

10 cm

地点 水 1 cm程度 さく推移 い ，

水面付近 多 氷 模型 存 ，

全面 津 水 昇 抑制さ ，

さく ，結果 作用 力 さく

考え ． う1点特筆 項 ，津 伝 速度 遊い 生 い 点 挙 ．氷 密 存 場 速 やや大 く い ．

，氷 存 水面 開放部 減少

津 伝 や い状況 考え ．

類似 検討 既往 実験的検討

10)

い さ い

，氷 存 津 伝 速度 関連性 い 更 知見 蓄積 望 ．

(2) 津波 比較的大 い条件 結果

次 ，前節 照的 流況 観察さ ，津 比

-9 氷 密 存 場 津 衝突状況 H0 = 70 cm, h0

= 10 cm

較的大 い実験条件 結果 一例 示 ． -8 示 ，H0 = 70 cm, h0 = 10 cm 条件 氷 存

い場 津 衝突状況 あ ．t = 6.000 s ，気

混入 伴う 段 状 津 接近 ， 模型 衝突後，激 く飛沫 津 流

方 い t = 6.750 s ， 後 模型前面 水

状態 ，更 反射 発生 い ． -4 津 さい条件 異 水面 揺動

， 模型 段 衝突 飛沫 発生 生 点 特徴的 あ ．

次 ，水深条件 同一 氷 模型 滞留さ 場 流況映像 ッ ョッ -9 示 ． 段

状 津 衝突 t = 6.000 s ，衝突後 巻

t = 6.750 s ，及び反射 発生 t = 8.442 s いう一連 過程 共通 い ，氷 巻 込

0.0 3.0 6.0 9.0 12.0

0 5 10 15 20 25 30

PG1 PG2 PG3 PG4

水変化量

[c

m

]

時間[s]

0 50 100 150 200

0 5 10 15 20 25 30

Fx Fy Fz

波力

[N

]

時間[s]

0.0 3.0 6.0 9.0 12.0

0 5 10 15 20 25 30

PG1 PG2 PG3 PG4

水変化量

[c

m

]

時間[s]

0 50 100 150 200

0 5 10 15 20 25 30

Fx Fy Fz

波力

[N

]

時間[s]

-6 氷 存 い場 水 及び 力 時系列変 H0 = 30 cm, h0 = 20 cm

-7 氷 密 存 場 水 及び 力 時系列変 H0 = 30 cm, h0 = 20 cm

-い ，段 津 内部 氷 激 く混 及び回 転 衝突 い 特徴的 あ ． -5 示 津 さい条件 場 ，氷 縦断 置

変 さ ， 揺動 あ

， 氷 道 方 鉛直方 折

う 模型 衝突 起 い 点 照 的 あ ．

-10， -11 示 -8, -9 応 水 及び時系列 力変 あ ．両

概略的 変動傾 類似 い ．水 時系列 段 状 津 衝突 反射 発生 読

， 力時系列 x方 顕著 大 力

発生 い 読 ． 氷 存

い場 最大 力 737 N あ ，氷 配

置 実験 891 N 約2割程度最大 力 昇

分 ． 増加要因 ， -10及び -11 段 水 時系列 ，氷 存 場 無い場

比較 高い水 ，準静的

力作用 発生 考え ． う 氷

畳 効果 いわゆ アイ ン

既往 例え 海氷 伴う津 作用 検討 い 指

摘さ 項 あ

11)

， 稿 象 河川域 模擬実験 い 同様 現象 実験的 確

，氷 存 津 影響 変動 考慮 留意 項 言え ．

(3) 氷板量 少 い場合 検討

次 ，同 初期水深 条件 ，氷 無 場 ，

-3 う カ 率 変更 場 力変動 い 検討 行う． -12 示 ，代表的

氷 無 ，カ 率80 %，40 % 場 各時系列 力

示 あ ． -12 (a) H0 = 60 cm, h0 = 10 cm ，カ 率80 % 力作用 立 最 早い ， 力作用 40 % 時 最 大 く推移 ．カ

-12 氷 無 時系列 力 遊い

率80 % 最 早く 力作用 生 ， -9 流況

映像 う 津 ン 氷 群滞留域 到遉 直 後 ，接触 い 氷 同士 介 部 力作 用 及 あ 推察さ ．カ 率40 %

う 力伝 起 い 関わ ，津 衝突 後 氷 群体 形成 起 ， 力 増大 さ 存 能性 示 い ． -12

(b) 同様 ，カ 率40 % 時 最 大 い 力作

用時系列 い ．

(4) 水路条件 よる波力増大・低減特性

以 個別 水路条件 結果 例 見 ， 稿 実施 全 い ， -13 貯水地部水深H0 ，氷 無 1 場 最大作用 力 変 率 関係 示 ．同図 概

H0 = 40 cm以 場 氷 存 最大作

用 力 減 傾 見 ． H0

大 く ，最大作用 力 寧 増加 ，最 深刻

場 1.8倍 力作用 読 ．

，水深条件 最大作用 力 関係 一般

0 200 400 600 800 1000

0 5 10 15 20 25

氷板無し カバ 率80% カバ 率40%

波力

[N

]

時間[s]

(a) H

0=60, h0=10

0 200 400 600 800 1000

0 5 10 15 20 25

氷板無し カバ 率80% カバ 率40%

波力

[N

]

時間[s]

(b) H

0=70, h0=20 0

15 30 45 60

0 5 10 15 20 25 30

PG1 PG2 PG3 PG4

水

変化

量

[c

m

]

時間[s]

0 200 400 600 800 1000

0 5 10 15 20 25 30

Fx Fy Fz

波力

[N

]

時間[s]

0 15 30 45 60

0 5 10 15 20 25 30

PG1 PG2 PG3 PG4

水

変化

量

[c

m

]

時間[s]

0 200 400 600 800 1000

0 5 10 15 20 25 30

Fx Fy Fz

波力

[N

]

時間[s]

-10 氷 存 い場 水 及び 力 時系列変 H0 = 70 cm, h0 = 10 cm

-13 力 増大 減率

-14 無次元 高 無次元最大 力 関係

目的 ， 稿 実施 実験 い ，段 高 貯水地部水深 除 無次元 高Δh/H0 最大作用 力

ρgV (V 模型 体積) 除 無次元最大 力

関係 示 -14 あ ． 氷 無

，氷 あ カ 変え 表示

い ． 図 ，Δh/H0≦0.2 領域 氷 無 最大 力 関 明瞭 遊い 見 い．一方 Δh/H0＞0.2 領域 ，氷 同一 無

次元 高 20 %～25 %程度最大 力 昇

い 場 確認 ．以 結果 ，水路条件

氷 存 力 減衰さ あ ，

力 増大さ 能性 あ 考慮 ，氷

伴う津 力評価 行う必要 あ 示唆 い 言え う．

．ま め及び今後 課題

稿 ，津 漂流物 一種 あ 河川氷 い ， 津 輸送さ 漂流挙動 ， 治水施設

力 変動特性 関 基礎的実験 行 ．得 知見 以 示 ．

 水理条件 ，特 津 さい条件 い

氷 存 最大作用 力 減

衰 場 あ ，津 大 い条件 い

氷 存 治水施設前面

助長 ，最大作用 力 増大さ 場 あ ．

 貯水地部 水深 応 最大作用 力 増大率

減率 程度 定 的 評価 ，更 無次元 高 無次元最大 力 関係 示 ．無 次元 高 条件 ，氷 存

20～25 %程度最大 力 昇 能性 あ

示 ．

津 影響 考慮 治水施設設計法 未 議論 途 あ 漂流物 影響 未解明 点 多く 河川管 理者 治水施設 理的設計 困難 あ

稿 知見 漂流物 考慮 場 力特性 明確 さ 安全 施設設計法 活用さ

期待さ ．

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発生時 氷 サイ 分 推定 関 究, 土

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B3(海洋開発), Vol. 69 (2), pp. I_509-I_514, 2013.

2017.4.3受付

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0 20 40 60 80

氷板に

よ

波

力増大減率

貯水池部水深H₀[cm]

0 5 10 15 20 25

0 0.1 0.2 0.3 0.4

氷板無し 氷板あ

ｘ

方

無次元

最大波力

Δh/H₀