表‑1 実験条件
単位幅流量 4.4~6.7×10-2 (m2/s) ブロックの代表長さk 9.1×10-2 (m)
ブロック比重 2.3 ブロック平均高Hb 0.26(m)
護床ブロック群に作用する流体力とその変形機構
独立行政法人水資源機構 正会員 ○田中幸志 広島大学大学院 正会員 内田龍彦
広島大学大学院 正会員 渡邊明英 中央大学研究開発機構 フェロー会員 福岡捷二 １．序論
護床ブロック群の下流端には水位差に起因する大きな流体力が 作用する．このため，護床ブロック群の下流部は弱点箇所となり 易い．最下流部のブロックが流失するとその上流の水面勾配が大 きくなり，流体力が大きくなるため，ブロック群の変形は下流か ら上流へ進行する1)．本研究では，護床ブロック群の変形する要因 となる流体力に着目し，乱積み状態の護床ブロックに作用する流 体力とブロック群の変形機構を実験と数値解析により検討する．
２．検討方法
図‑1 に実験水路を示す．護床ブロック群は，水路中央付近の床 止め工下流に約
1m
の範囲に乱積みに配置する．図‑2 に護床ブロ ック群の配置状況の模式図と流体力の測定法を示す．下流部の水 位低下によるブロック群の変形過程を調べるために4
層積み相当 のブロック群を設置する．護床ブロックに作用する流体力の測定 には分力計を使用し，分力計は図‑1の分力計ピット内に設置する．流体力測定ブロックの下層のブロック群
(
固定支持ブロック群)
は 分力計に固定されている．この状態から流体力測定ブロックを僅 かに上昇させた時の分力計から出力される流体力の変化が護床ブ ロック1
個に作用する流体力となる．実験条件を表‑1に示す．実験はブロック群の下流側で水面勾配が 大きくなる条件で行う．護床ブロックの変形は，デ ジタルビデオカメラを用いて流失時のブロックの運 動を撮影し，解析には，内田ら 2)が構築したσ座標 系の数値解析モデルを用い護床ブロックに作用する 流体力を評価する．
３．実験結果及び考察
図‑3
(a)
はブロック変形前後の縦断形状及び水面 形，(b)
は横断平均したブロック群高さからの偏差を 表したコンター図と流失したブロックの位置と順序 を示している．最初の変形は右岸から0.05m
，ブロ ック前面から0.95m
地点にあったブロックの流失に よるものである．この箇所はブロック群下流部に位 置し，かつ断面平均高よりも高い．変形の発端とな るブロックの流失は，流体力が大きくなる下流端の 断面において構造的に不安定な箇所で生じる．最初図‑1 実験水路(縦断図）
10m 5.0m
分力計ピット
Flow 1.0m
護床ブロック群
床止め工
図‑2 護床ブロック群の配置状況と 流体力測定法の模式図
固定支持ブロック群 流体力測定ブロック Flow
床止め工
(ａ）ブロック群変形前後の縦断形状及び水面形
図‑3 護床ブロック群の変形過程
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
‑0.01 ‑0.01
‑0.01
‑0.01 0.01 0.01 0.01
0.01 0.40
1 ２ ３
４ ５ ７ ６ ８ ９
右岸からの距離(m)
床止め工背面からの距離(m)
（ｂ）横断平均ブロック高さからの偏差高さと ブロックの流失過程
0.4 0.05 0.10 0.15 0.20 0.35 0.30 0.25 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
ブロック群(変形前） 水面形（変形前）
ブロック運(変形後） 水面形(変形後）
河床からの高さ (m)
床止め工背面からの距離(m)
キーワード：護床ブロック，最下流粗度，流体力，変形機構，数値解析
連絡先：広島大学大学院工学研究科社会環境システム専攻 〒739-8527 広島県東広島市鏡山
1-4-1 Tel 0824-24-784
土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）-277- 2-139
のブロックの流失に連動して，その隣の噛み合わさってい たブロックが流失した．この
2
つのブロックの流失に伴い，左岸側のブロックが断面平均高よりも高い位置となり，流 失したと考えられる．図(b)よりブロック群の変形は下流の 断面から順に流失し，全体としては下流から上流に向かう 一次元的な現象と言える．
図‑4は護床ブロックの鉛直流体力分布の実験値と解析値 を比較である．流体力測定ごとにブロック群を配置し直す 必要があるため，実験では同一断面のブロックの流体力の 鉛直分布を直接測定することはできない．このため，実験 では流体力測定断面の水面勾配が同じになるようにして流 体力の鉛直分布を測定している．横軸の流体力測定ブロッ クの相対高さ⊿hは図‑5のように定義する．ここで，
H
bは 断面ブロック平均高，k
はブロック代表長さである．⊿h
は 下向きを正にとっているため，⊿h <
０の場合測定ブロック は他のブロックに比べ突出していることを表す．縦軸のD
０は⊿h=0のときの流体力である．図‑4 より，少しでも突出 しているブロックには大きな流体力が作用し，ブロック群 の変形が生じ易いことが分かる．解析値は実験値と比較す ると，ブロック群の下層の流体力の値は解析値のほうがや や大きいが，ブロック群表層で急激に流体力が大きくなる 特徴を説明できている．
次に護床ブロック群の変形に伴う流体力の変化について 検討する．図‑6は実験で変形が生じる時の下流端水位を境 界条件とし，変形前後の水面形の変化の解析値である．そ の時のブロック群表層に作用する流体力分布の変化の解析 値を図‑7に示す．変形前のブロック群形状では，水面勾配 が大きくなる下流端斜面 において大きな流体力が集中的 に作用している．この範囲はブロックが変形する範囲とほ ぼ一致している．床止め工直下を含めたその他の箇所では，
流体力はほとんど作用していない．ブロック群下流斜面が 変形し，下流勾配が緩やかとなると最大水面勾配は上流に 移動し，流体力は下流斜面全体に分散され小さくなる．
４．結論
護床ブロック群の変形は，水面勾配が大きくなる下流端 断面において相対的に高いブロックから起こるが，全体と
して下流から上流に向かう一次元的な現象である．流体力測定実験と解析結果から，ブロック群表層には大きな 流体力が作用すること及び水面勾配が大きくなる下流端斜面 において大きな流体力が集中的に作用し，ブロック 群の変形が生じることが明らかとなった．また，ブロック群の変形とともに流体力分布が上流に移動することを 示した．
参考文献
1) 内田龍彦，田中幸志，福岡捷二：護床工最下流粗度要素の移動限界と破壊の実験，水工学論文集，第48巻(1)，pp.841-846，2004.
2) 内田龍彦，福岡捷二：流れによる護床ブロック群の変形・破壊の解析，水工学論文集，第49巻，pp.793-798，2005.
0 1 2
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
ブロック群（変形前) ブロック群(変形後) 下流端水位0.27m (変形前) 下流端水位0.27m (変形後)
図‑4 流体力の鉛直分布
河床からの高さ(m)
図‑7 護床ブロック群表層の流体力分布の 変化の解析値
ブロック前面からの距離(m)
流体力(gf)
図‑6 護床ブロック群変形前後の水面形の 変化の解析値
ブロック前面からの距離(m)
河床からの高さ(m)
0.0 0.5 1.0 1.5
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
⊿h/k
D/Do
実験値（ｉ≒1/30）
実験値（ｉ≒1/20）
解析値（ｉ＝1/30）
解析値（ｉ＝1/20）
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 0.5 1 1.5
0 50 100 150 200 250 300 ブロック形状
ブロック変形形状 流体力（変形前）
流体力（変形後）
図‑5 流体力測定ブロックの相対高さ⊿hの定義
Flow
⊿h
流体力測定ブロック Hb：断面平均ブロック群高
k
土木学会第60回年次学術講演会（平成17年9月）-278- 2-139
