鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能および耐荷性能に 関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能および耐荷性能に 関する研究

嶋, 丈示

https://doi.org/10.15017/1932008

出版情報：Kyushu University, 2017, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能と耐荷性能に関する研究

嶋 丈 示

ii

鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能と耐荷性能に関する研究

嶋 丈 示 研究成果の概要

鋼製透過型砂防堰堤は，土石流を効率よく捕捉できる砂防設備であり，土石流の捕捉事例からもそ の効果を実証しており,「砂防基本計画策定指針（土石流・流木対策編）解説」および「土石流・流木 対策設計技術指針解説」にも土石流対策の基本構造物として推奨され，今後も全国各地で土石流対策 として活躍が期待されるものである。しかし，指針に記載されていても，鋼製透過型砂防堰堤の土石 流捕捉機能や安全性について，今なお懸念を抱いている技術者も少なからずいるのが実情である。

そこで，鋼製透過型砂防堰堤に対する不安感を払拭するためには，その施設の機能を詳細に明らか にする必要がある。すなわち，鋼製透過型砂防堰堤に求められる最も重要な機能は，「土石流発生時 に土石流を確実に捕捉する」ことであり，この機能を満たすため「土石流を捕捉する性能」と「土石 流に耐えられる構造」の２つの性能を満たす必要がある。

よって，本研究はこの２つについて具体的な要求性能として「礫捕捉性能」と「耐荷性能」に焦点 を当て，鋼製透過型砂防堰堤に対する不安感を払拭しようとするものである。

本論文は以下に示す 8 章で構成される。

第１章「序論」では，本研究の背景である鋼製透過型砂防堰堤の開発経緯および特徴，現行設計法 の問題点などについて詳述した。これに基づいて，鋼製透過型砂防堰堤の要求性能に言及し，本研究 の必要性を示した。

第２章「鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例と損傷事例」では，これまでの鋼製透過型砂防堰堤 による土石流の捕捉事例をもとに捕捉パターンを整理した。このとき土石流による損傷事例について も分析し，構造物による安全性についても言及した。

第３章「鋼製透過型砂防堰堤の設計管理に関する考え方」では，最近の構造物の設計全般に関する 考え方について，特に性能設計と ISO9001 に基づく設計の観点から，鋼製透過型防堰堤の設計管理の 必要性について論述した。

第４章「鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉の実態と開口部の閉塞率」では，鋼製透過型砂防堰堤の 礫捕捉機能について，土石流を捕捉した事例から部材間隔と礫径分布の関係を検証し，開口部が礫に より閉塞する過程を解明した。

第５章「鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能に関する実験的評価法」では，鋼製透過型砂防堰堤によ る土石流捕捉モデル実験を行い，部材間隔と礫径の関係から鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能の指標 を示した。すなわち，これまでの「土砂捕捉率」に加え， 「捕捉高－時間曲線」と「通過後の礫径分布」

の２つを調べて，礫捕捉性能を評価した。

第６章「鋼製透過型砂防堰堤の巨礫衝突に対する耐荷性能」では，100 年超過確率の降雨による安 定計算で決定した鋼製透過型砂防堰堤の断面形状に対して，どの程度の土石流荷重まで耐え得るかを 安定計算および構造計算をもとに耐荷性能について調べた。またコンクリート堰堤と鋼製堰堤の耐衝 撃挙動を比較し，鋼製堰堤の優位性について言及した。

第７章「大規模な土石流荷重に対する鋼製透過型砂防堰堤の安全性に関する考察」では，想定外の 大規模な土石流(レベルⅡ荷重)の設定方法を提示するとともに，レベルⅡ荷重に対する鋼製透過型砂 防構造物の安全性評価法を性能設計の観点から提案し，これをもとに数値計算例の一例を示した。

第８章「結論」では，本研究で得られた成果を総括し，今後の展望について述べた。

iii 目 次

第１章 序論 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.1 研究の背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.1.1 鋼製砂防構造物の変遷・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.1.2 鋼製透過型砂防堰堤の特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.1.3 鋼製透過型砂防堰堤の種類と変遷・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3

1.2 鋼製透過型砂防堰堤の現行設計法とその問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8

1.2.1 鋼製透過型砂防堰堤の要求性能・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8

1.2.2 鋼製透過型砂防堰堤の現行設計法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8

1.2.3 土石流捕捉に関する設計上の問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9

1.2.4 構造物の安全性に関する設計上の問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9

1.3 本論文の目的および本論文の構成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・11

第 1 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12

第 2 章 最近の土砂災害における鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例と損傷事例・・・・・・・13

2.1 最近の土砂災害における鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉の特徴・・・・・・・・・・・・13

2.2 過去の鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例と損傷事例・・・・・・・・・・・・・・・・14

2.2.1 鋼製透過型砂防堰堤の土石流の捕捉事例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・14

（１）流木＋石礫・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・14

（２）巨礫＋石礫・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15

2.2.2 鋼製透過型砂防堰堤の土石流による損傷事例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

（１）巨礫の衝突で生じた鋼管部材の擦痕・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

（２）複数の礫衝突による鋼管部材の割れ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・19

（３）土石流捕捉後（満砂状態）の天端からの落下礫による損傷・・・・・・・・・・・・・20

（４）継ぎ手部の摩耗・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・21

2.2.3 想定外大規模外力による鋼製透過型砂防堰堤の破壊・・・・・・・・・・・・・・・・22

第 2 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23

第 3 章 鋼製透過型砂防堰堤の設計管理に関する考え方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・25

3.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・25

3.2 ISO9001 の設計管理とは・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26

3.2.1 性能設計による設計の考え方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26

3.2.2 ISO9001 における設計の考え方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26

3.3 性能設計における問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・28

3.4 ISO9001 による設計管理の行為・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・29

（１）設計へのインプット・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・29

（２）設計からのアウトプット・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・30

（３）デザイン･レビュー（設計審査）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・30

(４）設計検証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・31

(５）設計の妥当性の確認・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・31

3.5 性能設計を考慮した設計管理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・33

3.5.1 設計インプットの確定 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・33

iv

3.5.2 設計検証のための留意事項 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・35

3.6 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・36

第 3 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・37

第 4 章 鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉事例の実態と閉塞率・・・・・・・・・・・・・・・・・・39

4.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・39

4.2 部材間隔の設定に用いる礫径・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・41

4.2.1 最大礫径の設定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・41

4.2.2 最多礫径帯の設定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・41

4.2.3 最多礫径帯の最大値・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・42

4.3 礫捕捉事例による部材間隔と礫径の関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・44

4.3.1 部材間における礫捕捉状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・44

（１）雄忠志内川３号砂防ダム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・44

（２）白谷２号砂防ダム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・45

（３）捕捉された礫と部材間隔の関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・45

4.3.2 一次閉塞と二次閉塞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・46

4.3.3 開口部の閉塞率・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・48

4.4 閉塞率を基準とした開口部形状の妥当性の検証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・51

4.4.1 閉塞率の算定方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・51

4.4.2 礫分布特性による閉塞の検証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・51

4.5 流木捕捉による影響・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・55

4.5.1 流木捕捉による開口部閉塞状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・55

4.5.2 流木捕捉による開口部の閉塞率の変化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・56

4.6 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・58

第 4 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・59

第 5 章 鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉性能に関する実験的評価法 ・・・・・・・・・・・・・・・61

5.1 緒言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・61

5.2 透過型の捕捉性能に及ぼす要因分析実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・63

5.2.1 実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・63

（１）模型水路および河床勾配・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・63

（２）実験砂の粒度分布・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64

（４）透過型モデルおよび実験ケース・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64

5.2.2 流出土砂量に及ぼす河床勾配と縦部材間隔の影響・・・・・・・・・・・・・・・・・67

（１）河床勾配－流出土砂量の関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・67

（２）河床勾配－流出個数の関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・67

5.2.3 捕捉高の時間的変化に及ぼす河床勾配と縦部材間隔の影響・・・・・・・・・・・・・69

（１）河床勾配 I=1/4 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・69

（２）河床勾配 I=1/6,1/6,1/10 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・69

（３）河床勾配 I=1/20 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・70

5.2.4 流出土砂の粒径加積曲線・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72

（１）河床勾配 I=1/4 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72

（２）河床勾配 I=1/6,1/6,1/10 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72

（３）河床勾配 I=1/20 の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72

v

5.3 土石流の堆積区間に設置する透過型の礫捕捉性能実験・・・・・・・・・・・・・・・・・74

5.3.1 実験条件 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74

（１）模型水路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74

（２）河床勾配・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74

（３）実験砂の粒度分布・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74

（４）土砂供給量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・75

（５）流量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・76

（６）透過型モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・76

（７）土砂捕捉高さの測定法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・77

（８）実験ケース・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・78

5.3.2 礫捕捉状況と捕捉高の時間的変化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・79

（１）大規模の土砂（1/100 年）の場合 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・79

（２）中小洪水時の土砂（1/20 年）の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81

（３）平常時の土砂（1/3 年）の場合 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・82

5.4 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84

5.4.1 要因分析実験の結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84

5.4.2 土石流の堆積区間に設定された透過型の礫捕捉実験の結果・・・・・・・・・・・・・84

第 5 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・85

第 6 章 鋼製透過型砂防堰堤の礫衝突に対する耐荷性能・・・・・・・・・・・・・・・・・・・87

6.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・87

6.2 鋼製透過型砂防堰堤の設計上の問題点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・89

6.3 安定計算による耐荷性能の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・90

6.3.1 安定条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・90

6.3.2 検討内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・90

（１）設計諸元・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・90

（２）砂防堰堤モデルと荷重モデル ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91

（３）安定計算結果と考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91

6.4 構造計算による耐荷性能の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・93

6.4.1 流体力に対する検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・94

（１）解析モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・94

（２）解析結果および考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・94

（３）流体力による耐荷性能・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・95

6.4.2 礫衝突に対する検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・96

（１）礫衝突解析の条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・96

（２）Case1（礫径 3.0m，衝突速度 8.45m）の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・96

（３）Case2（礫径 6.7m，礫衝突速度 9.7m/s）の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・99

6.5 底版コンクリートを考慮した鋼製透過型砂防堰堤への礫衝突応答解析・・・・・・・・・102

6.5.1 鋼製透過型砂防堰堤モデルと土石流荷重の設定・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

（１）鋼製透過型砂防堰堤モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

（２）礫衝突モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・103

6.5.2 鋼製堰堤の解析結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104

（１）Case1:上部衝突の場合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104

（２）Case2:下部衝突・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・105

vi

（３）衝突荷重の時刻歴応答・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106

（４）衝突および吸収エネルギーの時刻歴応答・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106

6.6 コンクリート砂防堰堤の礫衝突解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・108

6.7 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・109

第 6 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110

第 7 章 大規模な土石流荷重に対する鋼製透過型砂防堰堤の安全性に関する考察・・・・・・・・113

7.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・113

7.2 鋼製透過型砂防堰堤の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・114

7.3 鋼製透過型砂防堰堤に求められる要求性能・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

7.3.1 外的安定性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

7.3.2 内的構造安全性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

7.4 荷重レベルと限界状態との関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

7.4.1 荷重レベル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

7.4.2 レベルⅡ荷重の設定のための必要条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

7.4.3 荷重レベルⅡの設定法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

7.4.4 砂防堰堤の限界状態・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・116

7.5 限界状態に対する基本的な考え方・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・118

7.5.1 砂防堰堤の種類・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・118

7.5.2 性能マトリックス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・118

7.6 性能規定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・119

7.6.1 外的安定性（安定計算）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・119

7.6.2 内的安全性(構造計算) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・119

（１）部材レベルの局部変形（へこみ変形）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・120

（２）構造レベルの全体変形・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・120

7.6.3 性能照査法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・120

7.7 性能設計フローチャート・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・121

7.8 安全性照査法の数値計算例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

7.8.1 レベルⅡ荷重の設定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

（１）レベルⅡ荷重に対する安定条件の極限限界値・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

（２）レベルⅡ荷重に対する安定計算結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

7.8.2 レベルⅡ荷重に対する鋼製透過型砂防堰堤の安全性照査・・・・・・・・・・・・・122

（１）解析対象とした鋼製堰堤と解析モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

（２）Case1:土石流流体力に関する安全性照査・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・123

（３）Case2:礫衝突に対する安全性照査・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・124

7.9 大規模な土石流荷重による鋼製透過型砂防堰堤の破壊原因と安全性への考察・・・・・・128

7.9.1 破壊の概況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128

（１）破壊状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128

（２）大規模な土石流の作用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128

7.9.2 鋼製透過型堰堤の破壊メカニズムの分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・129

7.9.3 動的弾塑性解析による破壊原因の究明と安全性への提言・・・・・・・・・・・・・135

（１）鋼製堰堤モデルと動的弾塑性解析による計算ケース・・・・・・・・・・・・・・・・135

（２）動的破壊挙動の違い・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・135

（３）衝撃荷重の違い・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・136

vii

（４）考察および安全設計への提言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・137

7.10 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・138

第 7 章の参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・139

第 8 章 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

8.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

8.2 本研究の成果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

（１）第 1 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

（２）第 2 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

（３）第 3 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

（４）第 4 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

（５）第 5 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・142

（６）第 6 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・142

（７）第 7 章・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・143

8.3 本研究の課題と今後の展望・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・144

（１）鋼製透過型砂防堰堤の流木捕捉を取り込んだ設計手法の提案・・・・・・・・・・・・144

（２）大規模外力に対応した新たな鋼製透過型砂防堰堤の設計手法の提案・・・・・・・・・144

謝 辞

1 第１章 序論

1.1 研究の背景

1.1.1 鋼製砂防構造物の変遷

鋼材を主要材料とした鋼製砂防施設が使用されはじめたのは，昭和 40 年代に入ってからである。

それまでの砂防施設は，コンクリートを中心とした重力式の不透過型砂防堰堤が主流であり，現在も その傾向は変っていない。当時，土石流はその実態が十分解明されていないこともあり，適切な設計 外力を設定することができなかった。このような不確定な外力に対しては，マッシブな重力作用によ る抵抗性に期待するのが一般的である。鋼材は靱性が高く，品質確保，工期短縮，省力化などの特徴 を有しているが，設計外力が確定していないため，このような特徴を活かした設計ができなかった。

しかし，昭和 43 年頃より，徐々に鋼材の特徴を活かした鋼製堰堤が開発されてきた。昭和 58 年 12 月には（財）砂防・地すべり技術センターより「鋼製砂防構造物に関する研究」

として，形鋼を使 用した鋼製枠堰堤を中心とした鋼製砂防構造物に関する基本的な考え方が取りまとめられた。鋼製枠 堰堤は， 形鋼を堰堤の形状に組み立てたフレームに栗石を装填して重力式堰堤にしたもので,重力式コ ンクリートの代用として開発されたものである。

その後，鋼管を組立ててその中には何も装填せず，鋼管フレームのみで堰堤としたオープンタイプ の堰堤が開発された。これは，形鋼に代えて強度の高い鋼管を使用しており，土石流中の巨礫の衝突 にも耐える構造としている。昭和 59 年には鋼管を使用したオープン式の堰堤の研究が進められた。こ れらの成果をもとに昭和 60 年 10 月に，当面の計画と設計のよりどころとなるよう「鋼製砂防構造物 設計便覧」初版

がまとめられた。その後，昭和 62 年 10 月，平成 5 年 3 月，平成 13 年 2 月，平成 21 年 9 月と 4 回の改訂を経て現在に至っている。

一方，平成元年には「土石流対策指針（案） 」

が発刊され，ここに土石流に対する設計荷重が示さ れた。鋼製砂防堰堤の設計手法も整備されてきた

ことから，各種の鋼製透過型砂防堰堤が開発 され，全国に施工され土砂災害時にその効果が実証されてきた。しかし，鋼製砂防堰堤は材料特性か ら砂防堰堤としては未解明な部分もあり，実際の土石流を経験して初めて要求性能を満たしているか どうかが検証される構造物である。そういう意味では基準に適合した施設であることをもって要求性 能が担保されたわけではない。

1.1.2 鋼製透過型砂防堰堤の特徴

鋼製砂防構造物の一般的特徴として列挙されるのは，いわゆる鋼材の特徴である。つまり，材料の 強度が大きく，靱性に富んでいることである。一方，従来からある重力式のコンクリート砂防堰堤は，

重さにより安定性を確保するという単純な設計手法が作用されている。また，機能的には不透過形式

であるため，上流から運搬される土砂の全量を貯留するという，この単純でわかりやすい機能により

普及してきたわけであるが，土石流のような発生確率規模の小さい事象が発生するまでに，堰堤の上

流側は満砂状態になることが一般的である。このため，これまでは満砂後の上流堆砂勾配の変化によ

り土砂を貯留できるとされてきた。しかし，堆砂勾配は土石流の諸元（ハイドログラフ(流量―時間曲

線)，ハイエトグラフ（降雨量―時間曲線））により左右されるため，不透過型砂防堰堤の土砂捕捉機

能には不確定要素が大きいことも事実である。このため，土石流を効果的かつ効率的に捕捉するため

には透過形式の砂防堰堤が望ましいが，コンクリート堰堤では透過形式の開口部を広く取ることがで

きない。そこで，写真-1.1 のように，鋼管によりフレームを組み上げることで，大きな開口部を設け

土石流中の砂礫と流木と流水を分離し，かつ土石流の衝撃力にも耐えられる鋼製透過型砂防構造物を

実現した。つまり，鋼材の靱性を有効に活用することで，断面を小さくし開口部を広くとることがで

2

き，この構造的特徴により，平常時は土砂を通過させ，土石流時には水と土砂を分離することで効率 良く土砂を捕捉する鋼製透過型砂防堰堤が開発されたわけである

。

鋼製構造物は，材料のばらつきが極めて少なく形状および寸法の精度がよく，しかも施工において は架設を考慮して部材を分割し運搬することが可能である。このような特徴がある反面，鋼材は錆び るため腐食しろを見込んでおり，また土石流中の巨礫や常時流水中の砂礫による摩耗のため摩耗しろ も設けている。すなわち，鋼製堰堤は, このような特徴を活かした構造物である。

写真-1.1 土石流・流木捕捉事例 一方，土石流の発生は大別して，以下のように分類される

。

1) 外部からの水の供給によって渓床堆積物が浸食され，流水と流砂が高濃度に混合されるようにな って土石流となる。

2) 崩壊土塊がそれ自身含んでいた水の影響によって，あるいは外部から供給される水と混合して土 石流に移行する。

3) 豪雨に伴って発生する山腹の崩壊土砂は，河川を堰き止め，天然ダムを形成する。その天然ダム が急峻な渓流にできた場合，その決壊によって土石流となる。

土石流区間とは，土石流が発生し，巨礫・流木などが土石流と一体となって流下する，もしくは堆 積する可能性のある区間である。土石流区間に設置される砂防施設は, その目的によって，土石流・

流木発生防止のための設備，流下する土石流・流木の貯留・減勢および水と砂礫を分離させるための 施設，土石流を停止・堆積させるための施設に分けられる。従来は保全対象の直上流に重力式コンク リート砂防堰堤を設置し，人家・人命の保全を図ってきた。しかし, 近年では, 写真-1.2 のように鋼 製透過型砂防堰堤の部材間隔を狭めることによって，土石流区間の最下流部での設置が可能となって いる。ここでは，鋼製透過型砂防堰堤を用いる場合の基本的な考え方について整理する。

鋼製透過型砂防堰堤は，流下する土石流・流木を捕捉するため設けるものである。このため，鋼製 透過型砂防堰堤は，その構造の特徴より常時の出水，もしくは中小出水では流出土砂を下流に通過さ せ，土石流発生時等に備えて空容量を確保できるように，土石流・流木対策工として計画されるもの である。したがって，この区間に設けられる鋼製透過型砂防堰堤は，土石流が直撃することを前提に 設計する必要がある。

写真-1.2 土石流区域における部材間隔を狭めるタイプの施工事例

3 1.1.3 鋼製透過型砂防堰堤の種類と変遷

鋼製砂防構造物は，鋼製メーカーが開発しているので，会社の方針が構造物の設計思想に反映され ることになる。図-1.1 は，これまで開発されてきた鋼製砂防構造物を鋼製メーカーの特色を絡めなが ら整理したもので，鋼製砂防構造物の開発に携わった当時の会社（左側）と現在（右側）の会社を示 したものである

。

図-1.1 既存の鋼製砂防構造物の変遷

4

（１）Ａ型スリット

Ａ型スリットは，土石流のことがよくわかっていない時代に開発されたものである。当時，鋼管の 凹み変形で土石流の衝撃力を吸収するという考えはなく，土石流に耐えられるように抵抗力を上げる 目的で鋼管にコンクリートを詰め頑健にしていた。この方法では，継手が必要になる堤高になると高 所の狭いところにコンクリートを充填することが困難なため，鋼製高の低い堰堤に限定されている。

写真-1.3 Ａ型スリット

写真-1.4 は，コンクリート充填鋼管はりに鉄球を衝突させたものである。中空鋼管の場合は，礫衝 突部の断面形状における局部変形により衝突エネルギーを吸収するが，鋼管にコンクリートを充填し た場合は，鋼管断面が拘束されるため，写真-1.4 のように引張側の鋼管が破断し，コンクリートは扇 状に粉砕している。コンクリートを充填して強度を高めるか，中空鋼管のへこみ変形によるエネルギ ー吸収を高めるかは，構造物の設置箇所（土砂移動形態）により選ぶことになる。しかし，現在は礫 衝突エネルギーに対し, 一般に中空鋼管のへこみ変形による吸収エネルギーで対処している。

写真-1.4 コンクリート充填鋼管はりの破断

5

（２）Ｂ型スリット

写真-1.5 に示すＢ型スリットは，２つの特許を保持している。一つは，柱を連結したユニットを河 川横断的方向に並べることで施工精度が緩和されるといった点であり，温度応力による形状への制約 もないため現地施工に有利である。もう一つは，柱から腕（片持ち梁）を出したことである。これは 先に説明した特許と組み合わせることで配置の自由度が高くなる。例えば，両岸が露岩していて袖コ ンクリートを打設する必要がない場合には山側に腕を伸ばすことで，袖（非越流部）が不要になる点 である。

写真-1.5 Ｂ型スリット

（３）格子形（旧タイプ）

しかし，Ｂ型スリットも背が高くなると，上流側の柱根元に応力が集中する。また，底版コンクリ ートをレベルで施工するので，急勾配では下流の落差が大きくなり，前提保護工が必須となる。この ような場合には，柱を増やしてバランスよく部材を配置すれば，背が高くても極端な鋼管径や板厚に なることはない。これが格子形であり, Ａ型の次に古く立体格子状に部材を配置している。開発当時，

土石流がどのように作用し，どのように礫が捕捉されるかわからなかった時代である。そこで，どこ から土石流が衝突しても構造系として破壊されることなく，土石流捕捉機能を発揮できるよう縦横に 部材を配置した。また部材が損傷または喪失した事例もあったが，他の部材が補完することで構造全 体の破壊を免れてきた。砂防構造物におけるリダンダンシーの考え方のもとになった堰堤である。近 年，細粒土砂を捕捉するために，上流側にネットを掛けた構造も提案されている

。

写真-1.6 格子形

6

（４）Ｉ型スリット

Ｉ型スリットは格子形に対して，より合理的な設計をしようと考えたもので，土石流の衝撃力を鋼 管の凹みで吸収するが，この吸収する部材を衝撃緩衝材として構造部材と区分している。この吸収部 材で土石流の衝撃力をへこみ変形で受け，その支点反力を構造部材に伝えて設計している。

写真-1.7 Ｉ型スリット

（５）Ｌ型スリット

Ｌ型スリットの最も大きな特徴は，底版コンクリートを用いないことである。鋼製透過型砂防堰堤 といえども， 安定計算は重力式と同様に堰堤の重さで安定性を確保しており,その役目である底版コン クリートを無くした点に特徴がある。底版コンクリートに無くした代わりに，鋼製部分の下部（地盤）

に受圧板という土圧を受けとめる板を取り付け，受働土圧を滑動の抵抗力として利用している。さら に，捕捉した土石流の重さを下部の鋼製枠で受けことで，土重も安定性に利用している。

写真-1.8 Ｌ型スリット

7

（６）Ｊスリット

Ｊスリットは，土石流を受ける上流部材を下流部材で支えるバットレス構造である。これは指針な どで土石流荷重の大きさと方向が規定されたため，従来からあるバットレス構造にすることで合理的 な設計が可能になった構造物である。

写真-1.9 Ｊスリット

（７）Ｔ型スリット

このタイプの最も大きな特徴は，非越流部のコンクリートに反力をとることである。他の鋼製砂防 堰堤は底版コンクリートに反力をとっているが, このＴ型スリットは,Ｖ字谷のような狭窄部で山側 に反力を持たすことができるため，背が高くても柱根元に応力が集中することがない合理的な構造で ある。また満砂後の落下礫により部材が損傷することもない点が有利である。

写真-1.10 Ｔ型スリット

8 1.2 鋼製透過型砂防堰堤の現行設計法とその問題点

1.2.1 鋼製透過型砂防堰堤の要求性能

鋼製透過型砂防堰堤が土石流対策として有効に機能するために，この堰堤に求められる機能と性能 は次の２つである

。なお，機能と性能の違いは，前者が数値化できない役割(定性的役割)であり，

後者は数値化できる役割(定量的役割)である。

1) 土石流発生時に土石流を確実に捕捉する。

この機能を満足するためには，次の３項目を満たす必要がある。

①土砂捕捉容量を確保する。そのためには，堰堤の規模および設置位置が適切であること。

②土石流を捕捉できる機能，つまり礫を捕捉する開口部の形状が適切であること。

③堰堤が土石流に耐えられる構造であること。

2) 土石流発生までの空き容量を確保しておくために土砂を流す。

この機能は,1)の性能が確実に発揮されるための補完的機能であり， 透過形式の砂防堰堤を採用 するための前提条件となる。このため，前提条件として次の項目を満足するために現地条件を確 認しておく必要がある。つまり，

① 平常時に土砂の流出がない場所か。

② または, 生態系に配慮すべき場所か。

以上の1)および2)の機能に加えて，この堰堤が建設可能かどうかも重要な要件である。この時点で は，現場条件が不明で施工方法も確定できない場合もあるが，ここで予め検討しておけばリスク回避 の可能性が高くなる。

1.2.2 鋼製透過型砂防堰堤の現行設計法

鋼製透過型砂防堰堤の現行設計法は，不透過型(コンクリート砂防堰堤)の設計に準じているが,こ こでは，透過型に特化した項目を述べるもので，以下の手順で行われる。

1) 最大礫径の設定

巨礫調査結果から，礫径の累加曲線を求め 95%粒径（Ｄ

）を最大礫径に設定する。Ｄ

ではな いのは，現地で過去に土石流として流下した礫群ではなく，斜面から崩落した礫など，極端に大 きな礫が存在するからである。すなわち,極端に大きな礫を省くためで,この礫径Ｄ

は,部材間隔 の設定や礫衝突の計算に使われる。

2) 部材間隔の設定

最大礫径を対象に部材間隔をＤ

の 1 倍に設定する。この部材は土石流を受け止める構造部材 でもある。ただし，粒径が鋼管径より小さい場合には，部材間隔を狭くする目的で構造部材の間 に機能部材を設けることができる。

3) 安定計算

鋼製透過型砂防堰堤は，重力式の不透過型堰堤と同様に安定計算を行い，底版コンクリートの

大きさ（厚さ，上下流の張出し長さ）を決定する。荷重ケースは土石流時と平常時（満砂後）の

場合を想定する。土石流時は，最も安定に不利なように水通し天端から土石流の流体力を作用さ

せ，その下方に土圧を作用させる（割増し係数 1.5）

。土石流を捕捉するまでは未満砂であ

り，安定性を損なう外力は作用しない。このため，平常時は満砂後を想定し，水通し天端まで土

圧を作用させる（割増し係数 1.0） 。不透過型と透過型の最も異なる点は湛水の有無である。不透

過型は洪水時に堰堤上流が湛水するため静水圧が作用し，土石流時も堆砂面まで飽和しているも

のとして静水圧を作用させる。これに対して, 透過型は開口部を有していることから，土石流時

であっても堆砂内は不飽和状態である。このため，土の単位体積重量として，不透過型は水中単

9

位体積重量を，透過型は空中単位体積重量を用いている。

4) 構造計算

安定計算に用いた荷重を鋼管フレームに静的荷重として作用させ，許容応力度法により部材断 面を算定する。さらに，土石流が直撃する可能性のある最上流の部材に対して，部材の吸収エネ ルギー（鋼管の凹み，はり部材の撓み）が巨礫（Ｄ

）の衝撃エネルギーを上回っていることを 確認する。下回る場合には上回るまで鋼管の板厚を上げることになる。

5) 断面の決定

上記で求めた鋼管板厚に,所定の腐食しろと摩耗しろを加算し,最終の部材断面を決定する。

1.2.3 土石流捕捉に関する設計上の問題点

1) 部材間隔は最大礫径をもとに設定するが，堰堤に対する開口部の大きさに関して鋼製砂防構造物 設計便覧では，水と土砂を分離できるよう出来るだけ広く設ける方がよいと推奨している。しか し，どの程度まで開口部を広げれば適切か不明であるため，地形から見て明らかに狭いと思われ る場合もあるが，広げる根拠が希薄なため開口幅を狭く設定する傾向にある。

2) 部材間隔は最大礫径Ｄ

を基に設定するが，95%粒径の設定には明確な根拠はない。この礫径は巨 礫調査中の１つでしかなく，現地に分布する礫径の傾向はまったく考慮されない。例えば，調査 対象が 100 個の場合 6 個，200 個の場合 11 個の礫を見つけて，6 番目または 11 番目の礫径のみ計 測すればよいことになってしまう。

3) 部材間隔による礫捕捉は礫のアーチアクションで閉塞されるが，礫径調査で求める礫径は長径，

中径，短径の 2 辺または 3 辺の平均径であるが，礫の形状は閉塞過程には考慮されない。

4) 土石流の捕捉事例をみれば大半が流木により開口部が閉塞されているが，未だに流木による開口 部の閉塞の効果を見込む考えはない。これは，砂防は土砂を相手にするもので，土砂とともに流 下する流木は捕捉対象ではあるが，流木のみを対象にしないという考えが未だにある。また樹木 の成長により，調査の時期と流木になる時期のずれにより計画時に流木量を見積もりにくいこと が挙げられる。

5) 計画段階では,一般にコンクリート製の不透過型砂防堰堤を基準として施設配置され， 施設の効果 も不透過砂防堰堤を念頭に置いている。このため，許容流砂量は原則ゼロである。しかし，透過 型は土石流のピークまでの先行流や後続流中の細粒土砂が堰堤を通過することもある。これらの 土砂は粒径が小さく下流の通過断面を阻害することはないが，許容流砂量をゼロに設定している ため，鋼製透過型砂防堰堤が設置された場合,「堰堤で捕捉できなかった＝捕捉機能に問題がある」

と受け取られる可能性がある。

1.2.4 構造物の安全性に関する設計上の問題点

1) コンクリート製の不透過型砂防堰堤はマッシブな台形であり，安定計算では転倒で断面形状が決 定される。これに対して透過型は，底版コンクリートに重さを委ねていることから重心が低いた め，安定計算では滑動で決定される。このため，大規模な土石流に対して安定計算を行うと，滑 動で断面が決定される透過型の方が安定性では不利と判断される。この結果は，安定計算が静的 な作用力の釣り合いのみで決定されるからである。しかし，土石流は動的な外力であり，土石流 中の巨礫の衝突荷重により不透過型であるコンクリートの材料強度を上回れば，直ちに構造体と して破壊されるのに対して，透過型は鋼管の凹みや部材の撓みにより衝突エネルギーを吸収する ため，構造体として耐えれる可能性がある。それが,現行設計法では評価されていない。

2) エリナスおよび修正エリナス式を用いて，鋼管部材の礫衝突に対するへこみ変形の照査を行うが，

現行の指針では部材間隔が礫径の 1 倍程度であり，はり材として撓むことはあまりない。また，

鋼管部材の中間にフランジ継手を設けている場合には，まったく鋼管の凹む余地がない。つまり，

10

計算でイメージしている部材形状と合わなくなってきている。

3) 現行の鋼製砂防構造物設計便覧では，礫衝突の対象部材は最上流に配置された部材に限定されて いる。しかし，南木曾の事例のように構造全体が弾性域を大きく超えて塑性域にまで達している 場合に対して,構造全体が大変形するような照査方法がない。

4) 開発当初は巨礫を捕捉対象にしていたため，鋼管部材の外径は礫径より小さく， 「部材間隔＞鋼管

径」であった。このため，構造を保持する部材は構造部材ではあるが，同時に礫を捕捉する部材

でもあった。しかし，谷出口などの最下流部に透過型が設置されるようになったことにより,これ

と合わせて後続流に含まれる小礫も捕捉しなければならず，小礫の捕捉を目的とした機能部材を

付加することとなった。機能部材は土石流の捕捉を補助するためであるから，塑性変形を許容し

ている（外れなければ良い）。しかし，大規模な土石流に対しては構造部材といえども塑性変形を

許容しなければならない。したがって, 構造部材と機能部材の定義が曖昧となり，設計の考え方

も不明瞭となってきている。

11 1.3 本論文の目的および本論文の構成

鋼製透過型砂防堰堤は，土石流から人命・財産を守る使命を目的として，技術審査証明制度で認定 された構造物を採用している。しかし，認定にあたって一般的な捕捉性能および安全性能について検 討することになっているが，認定を受けた時点では，計算上もしくは模型実験等により施設の必要最 小限の要求性能が確保されていることを確認したに過ぎない。つまり，認定時点では実績がなく審査 証明をもってすべての現地に適応できることを保証するものではない。

将来，予想を超える土石流規模や流下形態で土石流対策施設に作用したとき，従来の設計手法では 対応できない可能性がある。このため，土石流の捕捉実績などの経験とその評価・分析を常に心がけ ることにより，新たな災害形態に対応する合理的な設計手法を確立しておかなければならない。しか し，新たな事象に対して合理的な設計手法が提案されるためには，現地での検証を含め相当の期間を 要することもあり，近年の大規模な土石流に適応した設計手法については未着手である。

よって，鋼製透過型砂防堰堤の要求性能である土石流捕捉機能および土石流に対する構造物の安全 性について， 絶えず検証と改良を行うことは，土石流災害対策を推進するうえで重要な課題と考える。

そこで，本論文では，鋼製透過型砂防堰堤の要求性能である土石流の捕捉性能と構造物の安全性能に ついて検討することとした。

まず土石流の捕捉機能については，水理模型実験で検証するが，透過型砂防堰堤の礫捕捉性能を評 価する物差しが，従来の不透過型砂防堰堤と同じ土砂捕捉量しかなく，今後の透過型砂防堰堤の普及 に対して正当な評価が下されにくい状況がある。そこで，土石流を捕捉するための部材と礫径の関係 について，現地の捕捉事例や水理模型実験によって再考し，透過型砂防堰堤の礫捕捉性能について評 価手法を提案した。

次に，近年の大規模な土石流に対して，これまでの安全性照査法では対応できない。このため，土 石流に対する構造安全性について，鋼製透過型砂防堰堤の巨礫の衝突に対する保有耐荷力について考 察し，将来の大規模外力に対する安全性評価手法を提案するものである。

本論文は以下に示す８章で構成される。

第１章では，本研究の背景である鋼製透過型砂防堰堤の活用に至る経緯および特徴を述べ，鋼製透 過型砂防堰堤の現行設計法とその問題点について言及し，本研究の必要性を示した。

第２章では，鋼製透過型砂防堰堤による土石流の捕捉事例と損傷事例をもとに，施設の要求性能の 妥当性について検証した。

第３章では，鋼製透過型砂防堰堤の設計管理の考え方について，最近の構造物の設計法についての 考え方を参照して，ISO9001 および性能設計の観点から考察した。

第４章では，鋼製透過型砂防堰堤の礫捕捉機能について，土石流を捕捉した事例から開口部が礫に より閉塞する過程を礫径分布と関連づけて検証した。

第５章では，鋼製透過型砂防堰堤の水理模型実験をもとに，部材間隔と礫径の関係から鋼製透過型 砂防堰堤の礫捕捉性能の指標として「捕捉率」だけでなく， 「捕捉高－時間関係」と「通過後の粒径分 布」を測定して，その必要性を提案した。

第６章では，鋼製透過型砂防堰堤の断面形状・寸法を現行設計法で決定したうえで，計画規模を超 える土石流荷重に対して， どこまで耐え得るかを安定計算および構造計算をもとに耐荷性能を調べた。

第７章では，想定外の大規模な土石流荷重(レベルⅡ)の設定法を提示するとともに，鋼製透過型砂 防構造物の安全性評価法を性能設計体系の観点から提案し，数値計算例を示した。

第８章では，本研究で得られた成果を総括し，今後の展望について述べた。

12 第 1 章の参考文献

1) （財）砂防・地すべり技術センター：鋼製砂防構造物に関する研究, 鋼製砂防構造物委員会, 昭和 58 年 12 月

2) （財）砂防・地すべり技術センター：鋼製砂防構造物設計便覧昭和 60 年版, 鋼製砂防構造物委員 会, 昭和 60 年 10 月

3) 建設省河川局砂防部砂防課：土石流対策技術指針（案）, 平成元年 10 月

4) 国土交通省砂防部,国土技術政策総合研究所：砂防基本計画策定指針（土石流・流木対策編）解説, 国総研資料第 904 号, 平成 28 年 4 月

5) 国土交通省砂防部,国土技術政策総合研究所：土石流・流木対策設計技術指針解説, 国総研資料第 905 号, 平成 28 年 4 月

6) （財）砂防・地すべり技術センター：鋼製砂防構造物設計便覧平成 21 年版, 鋼製砂防構造物委員 会, 平成 21 年 9 月

7) 田端茂清・守山浩史：鋼製透過型えん堤工法・設計法の変遷と課題,砂防学会誌, Vol.62, No.6, p.47-51, 2010

8) 高橋保：土石流の機構と対策, 近未来社, 2004 年 9 月

9) 嶋丈示：鋼製透過型砂防えん堤の種類と構造上の特徴, SABO, Vol.91, p.20-23, Jul.2007 10)嶋丈示：鋼製砂防構造物について⑥鋼製砂防構造物の変遷, SABO, Vol.117, p.22-27, 冬 2015 11)川村崇成・守山浩史・加藤光紀・高野明彦：細粒径土石流捕捉工のエネルギー吸収能力確認実験に

ついて, 平成22年度砂防学会研究発表会概要集, 平成22年5月

12)嶋丈示：講座『砂防構造物の性能設計法への新展開』−４砂防構造物の設計管理, 砂防学会誌, Vol.53, No.1, p.76-79, 2000

13)嶋丈示・阿部宗平・田島秀俊・佐々木博明：透過型砂防ダムに作用する水圧に関する実験的研究Ⅰ, 平成 8 年度砂防学会研究発表会概要集, p73-74, 平成 8 年 5 月

14)嶋丈示・松村和樹・阿部宗平・中野博志・佐々木博明・水山高久：透過型砂防ダムに作用する水圧

に関する実験的研究Ⅱ, 平成 9 年度砂防学会研究発表会概要集, p.216-217, 平成 9 年 5 月

13

第 2 章 鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例と損傷事例

2.1 最近の土砂災害における鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉の特徴

自然災害を相手にする砂防事業において，計画時の現象を上回る規模の土石流が発生するのは珍し くないが，それを理由に施設が機能しなかったではすまされない。特に鋼製透過型砂防堰堤は，実際 の土石流を経験して要求性能を満たしているかその都度検証され，改良されていく構造物である。そ ういう意味では基準に適合した施設であることをもって要求性能が担保されるわけではない。

写真-2.1 の事例

は，2013 年の台風 26 号の影響により東京都大島町では発生した土石流を捕捉し たものである。10 月 15 日から 16 日にかけての連続雨量が 824mm（24 時間雨量），最大時間雨量 118.5mm/hr の豪雨であり，伊豆大島北西部では長沢上流域から八重沢上流域，および大金沢上流部で 集中して斜面崩壊が発生し，大規模な土石流（流木を含む泥流）によって下流域に甚大な被害をもた らした。この土石流は浅い基盤上の土砂が滑った盤上崩壊(表層崩壊)であり，谷地形が未発達で尾根 を乗り越えて土石流が流下した。本川には砂防堰堤などの砂防施設が設置されており，最下流に堆積 工が設けられており，ここに流下する巨礫を捕捉する目的で鋼製透過型堰堤が堆積工上流側に設置さ れていた。

写真-2.1(b)は堆積工入り口の土石流捕捉の状況である。通常，鋼製透過型砂防堰堤は流木を全量捕 捉するが，この写真に見られるように水通し部を越流して流木が堆積工内に進入している。この理由 は，土石波が鋼製堰堤を乗り越えたためと考えられ，計画規模を相当超える土石流であったことがわ かる。ただし，この施設は巨礫の捕捉を目的に設置されていたものであるが，今回上流からの流木を 捕捉

したことで微細な土砂も捕捉され，結果的に下流域への災害を防止・軽減したことが確認され ている。

(a)災害発生前 (b)災害発生後

写真-2.1 土石流・流木捕捉状況(伊豆大島大金沢本川)

14

2.2 過去の鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例と損傷事例

2.2.1 鋼製透過型砂防堰堤の土石流の捕捉事例

これまでの鋼製透過型砂防堰堤による土石流捕捉パターンを捕捉形態から分類すると，写真-2.2 のように①流木＋石礫，②流木＋土砂，③流木のみ，④石礫のみの 4 パターンに大別される

。

① 流木＋石礫 ②流木＋土砂 ③流木のみ ④石礫のみ 写真-2.2 土石流の捕捉パターン（捕捉形態による分類）

しかし、2.1 でも述べたように、最近では流木捕捉の事例が増えている。すなわち、写真-2.3 は，

2.1 で示した伊豆大島における別の大金沢支川の土砂捕捉状況である。大金沢支川は本川の捕捉状況 と同様に開口部は多量の流木により閉塞されており，上流域に火山灰を主体とした細かな土砂が堆積 していた。泥流の先頭部で流下した流木が鋼製透過型砂防堰堤の開口部を閉塞したことにより，後続 の粒径の小さな火山灰を含む土砂が上流域に堆積している。このような先頭部に巨礫群が集中しない 土石流の捕捉形態（パターン②：流木＋土砂）も数多く見られ，鋼製透過型砂防堰堤の有効性が評価 されている。

土石流・流木対策技術指針

や鋼製砂防構造物設計便覧

では,鋼製透過型砂防堰堤の部材間隔は 巨礫の平均径をもとに設定しているが，実際の土石流捕捉状況を見ると巨礫以外に流木が開口部を閉 塞させている。上記の土石流の捕捉パターンを土石流捕捉機能の面から見直すと，開口部を閉塞する 材料は巨礫と流木であり，土石流の後続流中の石礫および土砂は，先行する巨礫または流木により開 口部が閉塞されることで捕捉されることになる。そこで，土石流の捕捉パターンを礫捕捉機能の観点 から以下のように、流木に起因する閉塞と巨礫に起因する閉塞の大きく２つに区分する。

1) 流木＋石礫 2) 巨礫＋石礫

(a)災害発後 (b)除石・除木時 写真-2.3 堰堤ポケットの堆砂状況（伊豆大島大金沢支川）

（１）流木＋石礫

写真-2.4 および写真-2.5 のような鋼製透過型砂防堰堤の土石流捕捉事例を見れば大半が流木を含

んでおり，このことが想定している巨礫が無くても土石流を確実に捕捉している理由である。言い換

15

えれば，流木を含まない泥流や比較的細かな礫や土砂で構成される土砂流などが発生する場合には，

通常の鋼製透過型砂防堰堤では捕捉されにくいということである。このような場合には，機能部材の 増設

などを行うことにより，鋼製透過型砂防堰堤の機能を向上させる工夫がなされている。

流下中の土砂に透過部を閉塞させるような大きさの礫が存在しない場合や，掃流状態で各個運搬さ れる石礫は，流木により開口部が閉塞した時点でほぼ全量が堰堤に捕捉される

。つまり，流木は設 計時には考慮されていないが，鋼製透過型砂防堰堤の捕捉機能を確実に発揮させる因子であり，流木 の捕捉機能が基準に織り込まれれば，透過型堰堤の土石流捕捉機能に疑念を持つ技術者の不安感をか なり取り除くことができるものと思われる。ただし，本研究では流木による土石流捕捉機能の向上は，

土石流捕捉を補助する材料でと考え，あくまで流木がない場合における土石流捕捉機能が発揮される ための条件を検討するものである。

写真-2.4 小谷川（鹿児島県）

写真-2.5 前谷川（福井県）

（２）巨礫＋石礫

この巨礫+石礫捕捉の場合は,写真-2.6 および写真-2.7 に示すように,土石流・流木対策技術指針で

想定している鋼製透過型砂防堰堤の捕捉事例である。すなわち,土石流のフロント部の巨礫が開口部

を塞ぎ，後続の石礫を捕捉する事例である。このような捕捉事例は数が少ないが，鋼製堰堤の損傷事

例はこの巨礫＋石礫の捕捉時に生じている。つまり，鋼製透過型砂防堰堤の安全性に関する設計方法

は，流木を伴わない巨礫を含む土石流に対して検証し提案すべきである。なぜなら,流木を含む土石

流が鋼製透過型砂防堰堤に衝突する場合、その衝撃力は流木により緩和されるため、鋼製透過型砂防

堰堤に損傷があまり見られなかったからである。

16

写真-2.6 南俣（松本砂防事務所）

写真-2.7 白谷（神通川砂防事務所）

次に, 土石流形態が礫の集合運搬でない場合や礫個数が少ない場合などは，礫によるアーチアクシ ョンが起こりにくい。つまり，写真-2.8 のように部材間隔より大きい礫の場合にのみ捕捉されるに 過ぎない。この場合でも，礫が捕捉されるか否かは，巨礫が部材に達したとき長径か短径かに左右さ れる。

写真-2.8 白浜川（北海道）

17 2.2.2 鋼製透過型砂防堰堤の土石流による損傷事例

（１）巨礫の衝突で生じた鋼管部材の擦痕

鋼製透過型砂防堰堤は，土石流捕捉時に巨礫の直撃により鋼管部材は凹みおよび撓みにより巨礫の 衝撃力を吸収する。このとき，鋼管は凹みや撓みだけでなく，部材表面が摩耗され断面欠損が生じる ことがある。この現象は鋼製透過型砂防堰堤独自のものであるため参考資料はなく，写真-2.9，写真 -2.10，写真-2.11 のように土石流を受けた構造物を対象に巨礫による擦痕を計測することとした。各 施設の擦痕深さの計測結果（最大値）を表-2.1 に，擦痕深さと摩耗量の計測結果の期間分布を図-2.1 に示す。摩耗量は腐食量を差し引いた値である。腐食量についても，火山ガス，酸性河川，海岸付近 の塩分など腐食環境にある鋼製堰堤を対象に継続調査している。図-2.2 は鋼材倶楽部

の腐食量の経 年変化に，桜島（火山ガスの影響）と有珠山（火山活動が休止）の２つの調査結果をプロットしたも のである

。この結果から，調査実施箇所の擦痕深さの最大値は 3.0mm であり，いずれの調査箇所も 3.5mm を下回っている。大部分の板厚低減量は 1.0mm 以下であったが，最上流部材には 1.0mm を超す 擦痕深さと摩耗量が計測されている。

鋼製透過型堰堤を構成する鋼管部材は、設計外力により算定された必要板厚に摩耗しろと腐食しろ を加算している。この現地調査結果は，鋼製透過型砂防堰堤の摩耗しろおよび腐食しろの根拠となっ

ている

。

表-2.1 鋼管の擦痕の深さ調査結果

調査地点 調査箇所 損傷内容(mm) 雄忠志内川 最上流側鋼管 擦痕 0.2～1.0

下流側鋼管 擦痕 0.5

波田黒川 下流側鋼管根元 摩耗 0.03～0.07 船石川 最上流川鋼管 擦痕 2.5

大津谷 下流川鋼管 擦痕 3.5 継ぎ手隅角部 擦痕 5.0 与田切川 外壁鋼矢板 擦痕 2.4

図-2.1 擦痕深さと摩耗量の期間分布

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

0 5 10 15 20 25 30

期間（年）

摩耗量（mm) ^{雄忠志内川波田黒川}

船石川 大津谷 与田切川 雄忠志内川 擦痕深さ 船石川 擦痕深さ 大津谷 擦痕深さ 与田切川 擦痕深さ

雄忠志内川 波田黒川

与田切川 大津谷

船石川

3.5m