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盛土斜面内の降雨浸透流に関する研究

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(1)

愛知工業大学研究報告 第

3

7

B

平成

1

4

1

3

1

盛土斜面内の降雨浸透流に関する研究

Seepage

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Rainfall

荻 田 誠 実 ¥ 奥 村 哲 夫

TT

,木村勝行

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,成田国朝

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A,

Tetsuo OKUMURA

, Katsuyuki KIMURA, Kunitomo NARITA

ABSTRACT: T

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l

.

1 .はじめに 毎年,梅雨期の長雨や台風などの集中豪雨時に降雨浸透 に起因する盛土構造物の斜面崩壊が数多く発生しており, 人的にも経済的にも多大な被害がもたらされることが多 い。しかし,これら降雨浸透による盛土内部の浸潤線の上 昇と間隙水圧の増加が,盛土斜面の安定性に及ぼす影響に ついては未だ不明な点が多い。 盛土への降雨浸透現象に影響する要因としては,土の種 類,締固め度など土質材料に関連する要因,降雨強度,降 雨パターンのような降雨に関わる要因および斜面形状な どが考えられる。また,盛土の初期状態に違いがあれば同 じ降雨が作用しでも,浸透挙動に差異が生じ,安定性に及 ぼす影響も異なってくる。 そこで,本研究で=は遠心模型実験装置を用いた降雨浸透 実験を行い,それをモデルとした様々な条件での

FEM

浸 透流解析により,盛土における降雨浸透現象を解明し,そ れらが盛土の安定性に及ぼす影響を明らかにした。 具体的には以下の項目に的を絞って研究を進めた。 (1)遠心模型装置を用いた降雨浸透実験による浸透挙動 に及ぼす各種因子の影響刊面 (2) 降雨浸透実験をモデルとした浸透流解析による盛土 への降雨浸透現象の解明

(

3

)降雨浸透による間隙水圧の上昇が盛土の安定性に及 ぼす影響の検討 T 愛知工業大学大学院建設システム工学専攻 什愛知工業大学土木工学科(豊田市) 2. 実験概要 実験装置の概略を図

-1

に示す。実験は,内寸法

W460

XD200XH460

のアルミニウム製コンテナ(前面アクリル 板)内に所定の締固め密度で締固めて作製した斜面盛土に, 土槽底面に対して30Gの遠心加速度を与えた後,上部水槽 から降雨装置への水の供給を開始して斜面上に雨を降ら せる。盛土内部への降雨浸透に伴う飽和域の成長過程は, 盛土底部に埋設してある間隙水圧計の値から決定する方 法で行った。なお,実験には統一分類でシルト質砂,粘土 質砂およびシルト混じり砂に分類される

3

種類の試料 A,B,Cを用いた。それぞれの試料の物理的性質は表-1に 示した通りである。 1.55_1_ 329

μ

(⑮.間隙水圧計) (斜面勾配 1: 2 ) 国一1実験装置概略

(2)

1

3

2

愛知工業大学研究報告,第

3

7

B

,平成

1

4

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V

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1

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.

B

Mar

2002

表-1 試料の物理的性質 土粒子密度 ρs (g/cm3) 最大乾燥密度 ρ蜘 (g/cm3) 最適含水比 w叩 ( % ) 最大粒径 Dmax (阻) 2目636 1.842

1

3

.

0

2.0 図

2

r

l

k

<

1.

0(

r

:

降雨強度,

k:

飽和透水係数)での 降雨浸透による飽和域と湿潤域を概略的に示したもので ある。斜面内の降雨浸透流は,降雨開始と共に斜面表面か ら湿潤前線が降下していき,斜面表面に近い斜面先から順 次基盤面に到達し,これにより飽和域が形成される 1)。こ の湿潤前線の降下速度をV,飽和域の最高点

T

(Xt, Yt)の 水平方向進行速度を Vx,鉛直方向進行速度をVyとし,表

2

に示す

r

l

k

く1.

0

未満の条件での実験を行い,降雨強度, 透水係数,斜面形状等が降雨浸透挙動に与える影響につい て検討した。 X

ぷ?

e

,飽和域

ー時翠

Yf湿潤前線降下距離 J

j

e

;

初期含水域 -' v 湿潤前線降下速度 y 図 - 2 降雨浸透による飽和域と湿潤域 (r/kく1.0) 表

-2

実験条件 実富鈴

"

0

.

2 3 4 試料 E式車ijA 試キ'ヰ8 欄固め密度ρd(g/cm3) 1.727 1.712 飽和五重t7.k係数k(crnls) 1.1X 10-3 3.35 X10-4 中風月飽和度Sro(弘) 35 40 有効間隙率8,-8; 0.218 0.218 降雨童度r(mrnlh) 8目4

I

16.8

I

25.2 8.4

1 :2 5 I 6 7 言式草'lC 1 締固め密度ρd(g/cm3) 1.695 飽相愛7.k係数k(crnls) 1.65 X 10-3 宇戚月飽和度Sro(日) 40 有効間隙率。,-8; 0.218 降 雨 鰻r(mrnlh) 8.4 斜面勾配 1:2

I

1:1.5

I

1:1 3.実験結果と考察 3・1降雨強度の影響2) 降雨強度の影響を調べるため降雨強度rのみを変化させ, 表

-2

に示す実験

N

o

.

,l

2

3

の実験を行った。 図

-3

N

o

.

2(

r

=

1

6

.

8

m

m

l

h

)

の盛土底部の間隙水圧と 降雨装置内の貯水圧の経時変化を示す。図より,降雨開始 後より盛土内の間隙水圧は斜面先から順次増大し,やがて 一定値に落ち着くことが分かる。他のケースも同様な傾向 が見られた。この間隙水圧の増大し始めた時間は,各間隙 水圧計の位置で、飽和域が形成され始めた時間であり,斜面 表面から降下してくる湿潤前線が間隙水圧に達した時間 となる。これらの時間と湿潤前線降下距離 Yf(水圧計と斜 面表面までの鉛直距離)との関係を図

-4

に示す。図より, 湿潤前線は斜面表面から一定の速度で降下しており,降雨 開始時間はず

=510s

と推定され,また湿潤前線降下速度

v

はこの直線勾配より

v=

1.

51mm/s

となることが分かる。 他の実験も同様な方法で降雨開始時間 t'を求め,以下の実 験結果の整理にはこの時間t'を修正原点とした経過時間を 用いる。 300 500 1000 1500 時間 t(s) 図

-3

間隙水圧の経時変化

(

N

o

.2

)

- n // m m n M u n h u n441 h = ト r

l

n u n u

。 ,

ι ( E E ) よ 離

100 射砕 Bι 君主 摂 障 害 v=1.51mm/s t'=510s 川 内 閣 時 0 庫 川 N A W E

ik

面 周到底 附 駄

鯨 前 潤 湿 必 件 関

700 図-5に湿潤前線降下速度

v

と降雨強度

r

の関係を示す。 図より,降雨強度が大きい降雨ほと、 vが速いのが分かる。 これは,

rlk<

1.

0

の降雨では,盛土内の不飽和透水係数kus はk田=rとなるため,rが大きい降雨ほどkusが大きくなる ため,盛土内での降雨の浸透速度が速くなり,また湿潤域 を形成するのに必要な水分量がいち早く盛土内部へ供給 されるためだと考えられる。

(3)

盛土斜面内の降雨浸透流に関する研究

1

3

3

内に浸透した方が湿潤前線の降下が速く,そのことにより 飽和域も早い段階から形成されるため,湿潤前線降下速度 と同様な傾向になったと考えられる。 e:No.1 A:No.2 固ーNO.3 3 1.0 ω 0.8

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0.2倒 語 8: NO.1 &:No.2 園 No.3 --:r...vx r ~ Vy 厨 A J @ 3 内 ノ ﹄ ( 的 ¥ E E ) × ﹀ 悩 剰 に 剣 Ehk 川町長 30 10 20 降雨強度 r(mm/h) 的 ¥ E E ) ﹀ 剛 一 例 引 い 盤 掌 握 模 開

盛土の飽和透水係数の影響 盛土の飽和透水係数の影響を調べるため,降雨強度一定 (r=8.4mm/h)で異なる試料を用い盛土の飽和透水係数

k

を変化させた実験を行った (No.,l 4, 5)。図 9は湿潤 前線降下速度vおよび

T

点の進行速度 (Vx,Vy)と

k

の関 係を示したものである。図より, Vおよび (Vx,Vy)は k が大きいほど速いのが分かる。先に述べたが, r!k<1.0で あれば

k

u

s

r

となるが,

k

u

s

は体積含水率の関数で、あるた め,

k

が小さい盛土では

k

u

s

を大きくするため,降雨が盛 土表層の飽和度をまず高めようとするのに対し,

k

が大き い盛土では飽和度の増加は少なく,降雨が下方へと速く流 れ,いち早く底部の飽和度が高くなっていると考えられる。 0 30 T点の進行速度と降雨強度の関係 10 20 降雨強度 r(mm/s)

-8

3

.

2

湿潤前線降下速度と降雨強度の関係 図

-6

は盛土底部に設置した間隙水圧計の計測値から漫

i

関面高さを推定し,飽和域形状の経時変化を示したもので ある (No.l)。図より,飽和域は降雨の浸入により徐々に 高さを増しながら盛土内部へと進行し,やがて定常状態に 至るのが分かる。また,飽和域の最高点

T

(Xt, Yt)はXt, Yt共に図一7に示すように,時間の経過に伴って比例的に 増大していっており Xt,Ytの進行速度は直線勾配より Vx ニO.65mm/s,vy=O.l1mm/sとなることが分かる。 図

-5

x 飽和域の成長 (No.1) 図

-6

5 ( E ε ) H h d a T No.1 r=8.4mm/h • :Xt

o

:Yt 円 U n u n 4 4 1 ( E E J J 腿州国川町五

T

G

半 、 ト 飽和透水係数の影響 図

-9

図-10は斜面先から 200mmにおける浸潤面高さを H として,その経時変化を示したものである。図より t=400s までは

k

が大きいほど浸潤面高さは高いが, t=450s以降 では浸潤面高さはNO.lがNO.5を逆転しているのが分かる。 これは,盛土内に形成される飽和域は盛土への降雨の流入 300 飽和域最高点

T

(xl'

Y

t)の経時変化 図

3

T

点の進行速度 (Vx,Vy) と降雨強度rの関係 を示す。図

-8

に示すように, Vx, Vyは共に

r

が大きいほ ど速い。これは図

-5

に示すようにrが大きい降雨が盛土 100 200 時間 t(s)

図 7

(4)

134 愛知工業大学研究報告,第37号B,平成 14年,Vo137'B,Mar,2002 量と流出量の差で決定されるため, kが大きい盛土では斜 面先からの流出量が多く,盛土内に溜まる水分量が減少す るからである。 100 60

浸潤面詰 ð~ 十O~-干物恥| 摂

1110 200 300 400 500 600 時間 t(s) 図一10 浸潤面高さの経時変化 3・3斜面勾配の影響 図-llに示した天端幅と盛土高さが等しい 3つの具な る勾配の盛土に対して実験を行った。図-12に湿潤前線降 下速度

v

およびT点の進行速度 (Vx,Vy)と斜面勾配の関 係を示す。図より, Vには斜面勾配の違いによる変化はほ とんど見られないが, (Vx, Vy)は緩勾配の盛土ほど速いの が分かる。これは, Vは降雨強度や飽和透水係数に影響さ れるのに対し, (Vx, Vy)が飽和域の成長の度合いに影響さ れるため,斜面勾配が緩やかであれば斜面表面から基盤面 までの鉛直距離が短く,湿潤前線が基盤面に早く到達する ので飽和域が比較的早い段階から形成されるからである。

i 町田

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一 ペ

3

1

k ト 一 一 二 川

↑ 一 ﹁

No.5(1:2) NO.6(1:1.5) No.7(1・1) (k= 1.65X 1O-3cm/s) (r二8.4mm/h) 図-11 実験に用いた斜面勾配

3

E

3

@No 5 っ

E

3

@N05 1.0 、〉'uE E i¥ 〉、

E

~ ..:No.6 E〉 A N06 0.8 〉 圏 No.7 園 No.7 性~2 (k=1.65x 1Q-3cm/s) 生憎

~

2 (k = 1.65X 1Q-3cml s) 0.6

矧lト! f明 (r=8.4mm/h) (r=8.4mm/h) ドL 一一「一u・勾勾-配配r vfvuJ 0.4 量 生1 量生1 耐 ゆ jiiiや .; 君握主 豆 戸串 0口2倒4言q語 罪 王 軍主 国 ー 干 ー ー _A--倒。 関。 1: 1.5 1 :2 1:1 1: 1.5 1 :2 斜面勾配 斜面勾配 図-12 斜面勾配の影響 図 13は盛土の面積をA,飽和域の面積をAsatとし,

A

にA訓が占める割合 (Asat/A)の経時変化を示したもので ある。図より,斜面勾配が緩やかな盛土ほど飽和域の成長 は早く,またAsatがAに占める割合も大きくなることが分 かる。これは,急勾配の盛土ほど,斜面表面からの降雨の 流出量が多いため,盛土内に溜まる水分量が減少するから である。 100 一--0-一一 No.5(1:2) ー 『 企 ー ー:No.6(1:1.5) ・+・-:No.7(1:1)

4

[

[

40 瞥

20 200 300 400 500 時間 t(s) 図-13 飽和域の経時変化 4. 飽和・不飽和浸

i

垂荒解析3) 4園 1 解析手法 飽和 不飽和領域の浸透流を支配する基礎方程式は,浸 透流のみを考え,圧力水頭変化による水の圧縮を無視し, 不飽和領域においては,圧力水頭変化よる間隙率の変化が 生じないものと仮定すると連続の式と Darcyの式より次 式で表される。 dW_ d.. dw 的 ァ(kxで二)+ァ(kνで二+kv)+q-c

ι

:

0

dX dX dy dy dl ここに,cは比水分容量でありc=Je/J

ψ

で定義され, kx,ん はX,Y方向の透水係数,qは土の単位体積中に生 じる湧出量あるいは排水量,

ψ

は圧力水頭,

e

は体積含水 率 tは時間である。基礎方程式の有限要素法による定式 化には, Galerkin法による重み付き残作法を採用し,時間 項には中央差分法を適用して,計算時間刻みごとに解(圧 力水頭)が許容収束条件を満たすまで反復計算した。 解析モデルは図-14に示すように,降雨浸透実験に用い た模型斜面を実寸法に換算したものであり,斜面勾配1・2, 盛土高4.95m,底面長12m,天端幅2.1mであり,鉛直方向 を33分割(lly=0.15m),水平方向を40分割(ムx=0.3m) し,三角形要素で構成した。これにより解析領域は節点数 833,要素数 1551となる。また境界条件は,斜面表面お よび天端部分は降雨流入面(圧力水頭既知)とし,堤体底 面および堤体側面は不透水面(法線流速ゼロ)とした。な お,計算時間刻みムt=3600sec,圧力水頭債の許容収縮誤 差ムE=O.OOlmとした。

(5)

盛土斜面内の降雨浸透流に関する研究 135 計算条件 表-3

k

1

旦引

/ ト 要素数 1551 節点数町 833 k (cmls) r (nrmJh) θr

ψ

c

r

E 田 町 田 寸 1

降雨の浸透挙動 図-17に降雨浸透実験と同条件での解析を行い,解析結 果における盛土内の飽和度Sr(%)の分布を経時的に示し た 。 図 中 ( )内の数値は圧力水頭 ψ(m) を表し,圧力 水頭値 0を浸潤面と考え,浸潤面より下 (ψ>0)を飽和域, 浸潤面より上

ψ

(

く0)を不飽和域とする。図より,降雨の 浸透挙動を見ると9 まず盛土内に浸透した降雨が盛土表層 部の飽和度を高め,以後下方へと浸透し,斜面表面に近い 斜面先から湿潤前線が順次基盤面に到達し飽和域を形成 する。なお,天端下方でも降雨の浸透に伴う飽和度の増加 を見ることができるが,表面から基盤面までの鉛直距離が 長いため,飽和度の低い部分が天端下方に分布している。 4・2・2 (a) t=10h (b) t= 20h 解析結果と考察 4・2

降雨浸透実験と浸透荒解析 図 15に実験No.1の実験結果と浸透流解析によって得 られた浸潤面形状がほぼ一致したと思われる最終結果を 示す。図に示すように,降雨時間t=40hまでの実験値と計 算値の両浸潤面は比較的良く一致している。ここで通常の 1降雨の継続時間は40時間程度まで考えれば十分である ので,これにより遠心模型実験に対するFEM浸透流解析 の信頼性・妥当性が確認できる。以後この降雨浸透実験を モデルとして解析を行った。なお,浸透流解析に用いた不 飽和浸透特性は,不飽和透水試験により得られた不飽和浸 透特性を基に初期値を仮定し,実験値と計算値の浸潤面が ほぼ一致するまで計算を繰り返し決定した。その不飽和浸 透特性を図

1

6

に,他の計算条件を表

3

に示す。 解析モデル 図-14 4・2 値 値 算 験 計 実 40h 6 4 (unit:m) (c) t=40h (r=8.4mm/h) 降雨強震の影響 図-18はr=8.4mmJhを基準値roとしr=針。の解析結果 の降雨時間 t=lOh時点で、の飽和度分布を示したもので、あ る。図より,降雨強度が大きい降雨で、は降雨の浸透により 斜面表面から高飽和度の湿潤領域が拡大していっており, また同一降雨時間における飽和域も降雨の流入量が多い ため大きく成長しているのが確認できる。 飽和鹿分布の経時変化 図-17 4・4• 3 実験結果と計算結果の比較 1.0 ::.::: 講話 0.5態 係 閣 対

下品

不飽和浸透特性(仮定) @圧力水頭(実験値) O比透水係数(実験値) 一一圧力水頭(仮定) …・・比透水係数(仮定) 図-15 R J V

-

4

q d E ) も 0.3 θ 0.1 0.2 体積含水率 図-16 関 長 2

R

(6)

136 愛知工業大学研究報告,第 37号 B,平成 14年,Vo137-B,Mar,2002 (b) r=4ro t=10h 50 図-18 降雨強震の影響 (ro=8.4mm/h) 図-19に累積降雨量 R=500mm時点での浸潤面の最高 点yhおよび基盤面との交点座標XLと降雨強度の関係を示 す。図に示すように,Yhには降雨強度の違いによる大きな 差はないが, XLは降雨強度の大きな降雨が短時間継続する より,降雨強度の小さな降雨が長時間継続した方が盛土内 部へと進行しており,形成される飽和域も大きい。これは, 降雨強度の大きな降雨では,盛土内へ浸入する降雨が図 17に示すように,盛土全体の飽和度を高めながら浸入する ため,同一降雨量では降雨強度の小さい降雨に比べ飽和域 の形成をする水分量が減少するためだ、と考えられる。

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阻 槙 耐 州 日

-L

2 r o 3 r o 4 r f 降雨強度 (ro二8.4mm/h) 図 19 累積降雨量 500mmの浸潤面 (r0=8. 4mm/h) 4・4圃 4 降雨パターンの影響 図-20に示す降雨継続時間がいずれも 60時間であり, 累積降雨量 500mm となる 4 つの降雨パターン P1~P4に 対して解析結果を比較し,降雨パターンの浸透挙動への影 響を検討する。 P1 は 0~60 時間まで降雨強度 r=8.4mm/h の一定降雨であり, P2~P4 については r=8.4mmlh の 2 倍および、 0.5倍の降雨を組み合わせて,図に示すように降 雨が集中して降る時間帯を設け前方集中型 (P2),後方集 中型 (P3),中央集中型 (P4) のパターンに分けた。 図-21に飽和域の最高点Tの水平座標Xtと降雨パター ンの関係を,図 -22に飽和域の最高点 Tの鉛直座標ytと 降雨パターンの関係を示す。Xtは図 -22に示す降雨パター ン P2,P4での経時変化より降雨強度が減少した後に著し く大きくなるのが分かる。これは,降雨強度が大きい降雨 によって盛土の不飽和透水係数が大きくなるためだと考 えられる。 Ytは図一 22に示すように降雨強度が大きくなる 時間帯から値の上昇が顕著になる。これは,盛土内に浸入 する降雨量が増えるためだと考えられる。また降雨パター ン P3は降開会度が大きい時間帯が後半にあるため Xt,Yt は共に降雨初期段階では他のパターンに比べ値の上昇は 小さいが t=60hの時点ではと、の降雨パターンでも降雨量 は全て同じになるためXtには大きな差が見られるものの, Ytにはほとんど差がないのが分かる。以上のことにより,

x

t

は盛土の透水係数の影響を Ytについては盛土内に浸入 する降雨量の影響を大きく受けていると考えられる。 制 組 51 一一 IIi!

I

累 積 降 雨 薮 500mm 量 生 十 ; 人 時間 t(hor) (a) Pl(一定降雨) ' 2 、 〉E E 』ニ::15 10 脳 量定陸生員5 60

(b) ( 、 」EE ¥ = 15 10 L 連 1 量陸R生H 5 60

(d) ~ 15 ..c 、 、 E

-

5

10 L 悩 ;w¥5 密 量 生

20 40 時間 t(hor) P3(後方集中) ) F L , , ‘ 、 20 40 60 時間 t(hor) P2(前方集中) 20 40 時間 t(hor) P4(中央集中) 60 図-20 解析に用いた降雨パターン 4 q d ( E E ) J 4ト P1(一定降雨) ...:P2(前方集中) ・___:P3(後方集中) 『ト:P4(中央集中)

i

誌を

T

o

10 20 30 40 50 60 時間 t(h) 図-21 降雨パターンと T点の水平座標Xtの関係 1.0

日 1( 開方方央集集集中中中) )

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E

PP34(((前後中 ) ) 際 倒0.6 回 0.4 言 底 G 岨~0.2 ト

f t,....--I l、 ^t

10 20 30 40 50 60

(7)

盛土斜面内の降雨浸透流に関する研究

1

3

7

4.4' 4 透水係数の影響 図-23および図 -24は実験盛土の飽和透水係数を基準 値 ko (ko= 1.1

x

1O.3cm!s)とし, k=O.5~10ko と変化させ た解析結果の降雨時間 tニ40h時点での飽和域の最高点 T 点の座標およびA -N_断面における飽和度分布を示したも のである。ここで,比較断面A-N_は k=koでの浸潤面と 基盤面の交点 XLを通る縦断面を,不飽和浸透特性につい ては先に示した図 -16の値を用いる。図 -23に示すよう に,飽和域の水平方向の伸び、は,透水係数に大きく影響を 受けており,飽和域は透水係数が大きいほと、盛土内部へ拡 大している。また,盛土の飽和度分布は図 24に示すよう に透水係数が小さい盛土では表層部の飽和度上昇が著し いのに対して,透水係数が大きい盛土で、は表層部の飽和度 の上昇は小さく,降雨が下方へと速く浸透しているため, 盛土底部の飽和度上昇が大きい。 10 1.0 0.8

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5

E ::. 8 × ~ > -0.6健 制

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2ko4K06koBko10KoO 透水係数 (ko=1.1X 1O-3cm/s) 図-23 浸潤面形状 (t=40h,r=8,4mm/h) 4 ---@-: 0.5ko

"'_:1k

一圏一 2k

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阻 1国土の初塑飽和度; 割 ~ro=J :J i'll 6 柑│ (ko= 1.1X 10-3 cm/s) 図-24 A-A' 断面における飽和度分布 4.4目5初期飽和度の影響 降雨強度,盛土の透水係数,斜面形状等が降雨浸透挙動 に及ぼす影響は上述したとおりである。しかし,同一条件 の盛土に同じ降雨が作用しでも,盛土の初期状態が異なれ ば降雨の浸透挙動も異なってくる。そこで,盛土の初期飽 和度 Sroを Sro=40,60, 80%と変化させた解析を行い, t=10hにおける浸潤面形状の比較を図 -25に示す。初期飽 和度の高い盛土で、は不飽和透水係数が大きいため,降雨が 下方へと速く浸透し,図に示すように初期飽和度の高い盛 土ほど同一時間における浸潤面形状は大きくなっている。 一一ー命:Sι=40百 回 ー - : Sr:=60弘 司ー目白Sr~=80百 (k=1.1x 1O-3cm/s) (r=8.4mm/h) 一ー一戸ーー一一・ー一ーーーーーーーーーーーー,ーー _.ー.---← 一'ーーーー-ーーーーーーー----ーー-ーー回目吻ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー目白一・ーー-ーーーーーーーー一一ーーーーーー 図-25 初期状態の違いによる浸潤面 5 降雨浸透が盛土の安定性に及ぼす影響4) 5・1解析手法 盛土の安定性評価には有効応力法による斜面安定解析 を行い,解析方法には簡易Bishop法を採用した。安定性 を検討する盛土の形状は図 26に示す通りである。降雨浸 透による安全率の変化を調べるすべり面は降雨開始前に 最小安全率 Fso (=3.07) をとった円弧を用いた。また盛 土材料の摩擦角

φ

および粘着力 cは,実験試料

A

に対して 試験より求めた φ'=340 , c'1.5kN/m2を用いた。 6 2 4卜φ'=34。 c'=1.5kN/m2

5 10 (m) 図-26 安定解析対象と仮想すべり面 5・2解析結果と考察 降雨強度 r=8.4m m/hを roとして, r=ro~4ro の範囲 (r =8.4~33.6mmlh) で解析を行い,時間t での安全率を FSt として,降雨が 60時間継続する時の Fst/Fsoと経過時間と の関係を図 -27(a)に,降雨量Rでの安全率を FSRとして, 降雨量が 500mm までの FsWFsoと降雨量の関係を図-27(b)に示す。 (a)図において,どの降雨強度でも t=5hま での安全率の低下はほとんどない。また, rが大きくなる ほど安全率の低下は大きいが, rニ3roと 4roにはほとんど 差は現れなかった。次に(b)図では,いずれの降雨強度でも 降雨量 100mm時点まで安全率の低下は小さく,同一降雨 量での安全率の低下はrが小さいほど大きい。これは,同 一降雨量では図-19に示すように降雨強度が小さいほど, 飽和域の成長が大きいためだと考えられる。また図(a),(b) より降雨初期段階に浸透する降雨は,盛土の飽和度を上昇 させるために用いられていると考えられる。

(8)

138 愛知工業大学研究報告,第 37号 B,平成 14年,Vo137-B,Mar,2002 ト 0.98 o σコ 1100.96 (/) iι " ,0 0.94 LL

"

よ 0.92 ー ト 1r

ー ト2r

一睡ー 3r.

ー+-:4r

(r

8.4mm/h) 0 9 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 時間 t(h) 図 -27(a) 安全率の経時変化 60 8 6 4 2 n u n 3 n u Q U 円 u n u n u n u hD 円 H 。

ω

比 ) 。 よ ¥ 医 師 比 ー骨一:1 r.

ー ト:2r。. ー圏一:3r.

ー+-:4r.

(rニ。8.4mm/h) 0.9

o

100 200 300 400 500 降雨量 R(mm) 図 -27 (b) 降雨量と安全率の関係 細粒土で構築される盛土は,保水性が高く,無降雨時の 乾燥した状態であっても比較的飽和度は高い。また浸透流 解析の結果より,盛土の初期飽和度 Sroが高いほど降雨の 浸透は速いことが明らかとなった。そこで, Sroの異なる 盛土における降雨浸透による安全率の低下を調べ,その結 果を図 -28に示す。図より, Sroが高い盛土では早い段階 で飽和域が盛土内部へ進行するため, Sro=80%の盛土で は t=5hの時点で安全率の低下が生じており,安全率の低 下も大きいことが分かる。 1.0 0.98 ",0 0.96 μー

"

0.94 一@ー Sro=4m同 一 会-:Sro=60弘 一盛一 Sro=80出 (rニ。8.4mm/h) 0.92

o

1 0 20 30 40 50 60 時間 t(h) 図 28 各初期飽和度における安全率の経時変化 次に図

-26

の解析対象モデルと天端幅が等しく斜面勾 配が異なる盛土に対して斜面安定解析を行った。各斜面勾 配における降雨時間 60時間までの最小安全率FSminと経 過時間の関係を図 29に示す。降雨浸透実験の結果より, 緩勾配の盛土ほど飽和域の成長が速いことは明らかとな っており,図 -29に示す通り,安全率の低下も緩勾配の盛 土ほど大きい。しかし,緩勾配の盛土では一般に平時の安 定性は高いため,降雨浸透による安定性への影響は少なく, 急勾配な盛土ほど安定性は低い。 3司4 → ト1:2勾配 「 金 一1・1.5勾配 →ト1: 1勾配 5 3.2 E ~ 3.0

2.8 { 何 2.6 目 匝 2.4 2.2 2.0

o

1 0 20 30 40 50 60 時間 t(h) 図 -29 安定性への斜面勾配の影響

6

.

結論 遠心装置を用いた降雨浸透実験と,それをモデル化した 浸透流解析で得られた結果は以下のように結論される。 1.降雨の浸透挙動には降雨強度,透水係数,斜面勾配初 期飽和度等が影響しており,また飽和域の形成は降雨の 流入量と流出量の差で決まる。降雨の流入量は,降雨強 度と盛士の浸透能の関係に支配される。 2.多くの破壊例によると,盛土のり面が崩壊に至までの累 積降雨量は 180~500mm 程度であり,最大時間雨量は 20~30mm/hが最も多く,本研究においても降雨量約 150mm、降雨強度 30mm品までの降雨で安全率の低下 が著しく現れ,実際の現象とほぼ一致する。 3.初期飽和度の高い盛土では、不飽和透水係数が大きく降 雨の下方への浸透が速いため、飽和域の形成も容易であ り、降雨初期段階での安全率の低下も大きい。 4.緩勾配の盛土では,降雨浸透による飽和域は形成されや すいが,平時の安定性が高いため,安定性への降雨浸透 の影響は小さい。 謝辞 本研究は文部科学省科学研究費補助金の援助を受けた 研究であることを付記し,謝意を表する <参考文献> (1)木村勝行:フィルダム取り付け地山部における浸透流に関す る水理学的研究,中央大学学位論文 1990. (2)荻田ら:斜面内 の降雨浸透に関する遠心模型実験,平成 12年度土木学会中部支部 研究発表会講演概要集,pp.293-294,2001. (3)斜面内の降雨浸透 性状について,平成 13年度土木学会中部支部研究発表会講演概要 集, pp301-302, 2002. (4)定問直樹:降雨時の盛土斜面の安定 性に関する研究,愛知工業大学修士論文, 2000.

(受理平成

1

4年 3

1

9

日)

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