津波による砂移動に関する実験的研究Experimental Study of Sediment Transport caused by Tsunami
5
0
0
全文
(2) 442. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). (2) 入 射 波. 京 計 測(株)製SFT‑200‑05L),後. 造 波 は 押 し波1波 と し,砂 層 終 端 ま で 入 射 波 が 分 裂 ・. Instrument company製OBS‑3+)を. 砕 波 しな い よ う,図‑2(a)に. 示 す 造 波 時 間30sの 後 傾 した. 遊 砂 濃 度 を,底. 方 散 乱 式 濁 度 計(D&A 用 い て,岸. 面 よ り1cm〜8cmま. 沖 流 速,浮. で1cm間. 隔で計 測. 形 状 の 波 を造 波 信 号 と して用 い た.造 波 波 形 を 後 傾 させ. した.ま. た の は,波 が 浅 水 変 形 や 狭 窄 部 で の 変 形 に伴 って 前 傾 化. HAT‑30)も. 設 置 して お り,水 位 変 化 に つ い て も 計 測 を. し,砕 波 す る の を 防 ぐた め で あ る.な お,造. 行 っ た.デ. ー タの 計 測 間 隔 は 全 て の機 材 で0.01sと した.. 波信号中 の. た 同 地 点 に は 容 量 式 波 高 計(東 京 計 測(株)製. 30s〜60sの 動 作 は,斜 面 お よ び 狭 窄 部 か らの 反 射 波 を 吸. な お,予 備 実 験 に よ り砂 層 先 端 の砂 は この 地 点 ま で 到 達. 収 す る た め の 造 波 で あ る.. しな い こ と を 確 認 して お り,計 測 結 果 に 砂 層 の長 さ は 影. 図‑2(b)(c)にx=2.0m,お 計 測 結 果 を 示 す.図. よ びx=7.0mで. の水位 変化 の. 中 の 時 間 は造 波 前60sを 基 準 と した. 経 過 時 間 で あ る.図‑2を. 見 る と,入 射 波 は砂 層 先 端 付 近. で は,前 後 対 照 に近 い 波 形 と な り,浅 水 変 形 と狭 窄 部 の 効 果 に よ り水 位 変 化 が 増 幅 され て い る こ とが 確 認 で き る. 砂 層 終 端 に な る と,や や 前 頃 化 す る もの の,砕 波 や 分 裂 が 起 こ らな い こ と が 分 か る(図‑2(c)).ま. た反射 波吸 収. 制 御 の 効 果 が 図‑2(c)の 約130s以 降 に確 認 で き る.. 響 して い な い と考 え られ る. 水 路 幅 が30cmと. 狭 い た め,流. 験 を 複 数 回繰 り返 す こ と で,鉛 直 分 布 を 計 測 した. case1〜5に つ い て は鉛 直 分 布 を2度 計 測 した.case6〜8 に つ いて は1度 の 計 測 の み で あ る. b). トラ ッ プ計 測. 砂 層 終 端 部(x=10.5m)に 量 を計 測 す る た め に,ト. (a) 造 波 信 号. れ に影 響 を 与 え な い よ. う測 定 器 の設 置 数 は最 小 限 に し,設 置 高 さを 変 更 して実. 幅 は30cmで. あ り,ト. 底 面 よ り1mmと. お い て,津. 波1波 分 の 掃 流 砂. ラ ップ計 測 を行 った.ト. ラ ップの開 口高 を設置 限界 で ある. して 計 測 を行 っ た.ト. ンク ト ンネ ッ ト(目開 き25μm)を の砂 を 捕 砂 で き る.捕. ラ ップ. ラップ にはプ ラ. 用 い て お り,ほ ぼ 全 て. ら え た砂 は 十 分 乾 燥 さ せ た 後,乾. 燥 重 量 を 計 測 した.. (b) x=2.0m. な お,ト. ラ ップ の抵 抗 が 流 れ に与 え る影 響 が 懸 念 され. た た め,鉛 直 分 布 の計 測 と ト ラ ップ計 測 は別 に行 った. ま た トラ ッ プ計 測 は全 て の ケ ー ス で2度 計 測 を行 った. 3. 実 験 結 果 (c) x=7.0m. (1) 計 測 結 果 図‑3にcase1の 実 験 結 果 を 示 す.横. 軸 の時間 は造波 開. 始60s前 か らの 時 間 で あ る.水 位 に つ い て は計 測 値 の 平 均 値 を取 って い る.流 速 に 関 して は 図 が 煩 雑 と な るた め, 2cm間 隔 の デ ー タ を 示 した.濁 度 計 の デ ー タに は高 周 波 図‑2. 造波 信号 と入 射波 の変形. 表‑1に 実 験 ケ ー ス を示 す.図‑2(a)に. 数 の ノ イ ズ 成 分 が 含 ま れ て い た た め,2.0HzのFFTロ. 示 し た造 波 信 号. パ ス フ ィ ル タ ー を使 用 して い る .2.0Hzは. にお け る,造 波 水 位 の み を 変 化 させ て 実 験 を行 った.砂. 数 特 性 を基 に 決定 した.フ. 粒 径 は前 述 した2種 類 の砂 を 用 い た.. 大 約200mg/Lで. あ る.ま. ー. ノイズの周波. ィル タ ー使 用 後 の ノ イ ズ は最 た 図 が 煩 雑 と な る た め,z=. 5,7cmの デ ー タ は省 い た.. (3) 計 測 方 法 ) 鉛 直分布 a計 測. 図‑3よ り,水 位 は約101S〜105Sの. 鉛 直 分 布 の計 測 はx=7.0mの 表‑1. 地 点 で,電. 実験 ケ ース. 磁 流 速 計(東. 間 で 値 が 最 大 と な り,. 流 速 も水 位 と ほ ぼ 同 期 した変 動 を 示 して い る.ま た 流 速 は底 面 付 近 で 値 が小 さ くな って い る こ とが 確 認 で き る. こ れ は底 面 の 抵 抗 に よ る影 響 と考 え られ る.一 方,濃. 度. は流 速 の 増 加 か らや や 遅 れ て 濃 度 が 上 昇 しは じめ,流 速 が 最 大 とな る時 間 よ り数 秒 程 度 遅 れ て 最 大 濃 度 とな って お り,両 者 の 間 に は 時 間 差 が 存 在 して い た.図. 一3(d)に. は,後 述 す る対 数 則 を用 い て 算 出 した 摩 擦 速 度 か ら求 め られ た シー ル ズ数 で あ る.本 実 験 の最 大 シ ー ル ズ数 は ほ ぼ1程 度 で あ った.濃. 度 に つ い て は,波. が 通 過 し,シ ー.
(3) 津波 によ る砂 移動 に関 す る実験 的研究. 443. (a) 水 位. (a)濃 度. (b) 流 速. (b)シ ー ル ズ 数. (c) 濃 度. 図‑4. case6の 濃 度 の 計 測 結 果. 図 よ り,流 速 は底 面 付 近 を 除 い て ほ ぼ 一 定 値 と な る事 が 分 か り,水 位 お よ び流 速 の 最 大 と な る時 間 は ほ ぼ 一 致 し て い る.一 方 で,濃 度 は流 速 の発 生 と共 に底 面 か ら巻 き 上 が り始 め,巻. き上 が る過 程 で は鉛 直 方 向 に大 き な 濃 度. 分 布 が あ る.し か し,底 面 濃 度 が 最 大 とな っ た後 で は, 底 面 付 近 の 濃 度 が 低 下 す る一 方 で,拡 散 に よ る影 響 か ら. (d) シー ル ズ 数. か,上 層 の 濃 度 は上 昇 し,結 果 と して鉛 直 方 向 に ほ ぼ 一 様 な分 布 へ と近 づ い て い った. 図 中 の 曲線 は,流 速,濃 度 の 実 験 値 よ り求 め た近 似 曲 線 で あ る.流. 速 に つ い て は底 面 付 近 を,1〜3cmの. タ に対 数 則 を 用 い て 近 似 し た.相. 当 粗 度 はks=dと. デー し,. 時 々 刻 々 の摩 擦 速 度 を求 め て 近 似 した.上 層 は流 速 の 鉛 図‑3. case1の 計 測 結 果. 直 分 布 が 小 さ か った た め,4cm〜8cmの ル ズ 数 が 低 下 した 後 に も約2000mg/Lの した 状 態 で あ っ た.同. 様 の 傾 向 は 粒 径0.08mmを. 他 の実 験 ケ ー ス に も見 られ,こ 浮 遊 して いた.こ. 濃度 が依 然浮 遊 用いた. の濁 り は実 験 後 しば ら く. 濃 度 につ い て は式(1)に 示 す 指 数 関 数 を 用 い て 近 似 を 行 った.. れ は,砂 試 料 の粒 径 の バ ラつ きに よ り,. (1). 沈 降 速 度 の 遅 い細 か い砂 が 巻 き上 が った た め,浮 遊 砂 濃 度 の低 下 が 起 こ りに くか った も の と考 え られ る. 次 に,図‑4にcase6の. 濃 度,シ. 示 す.水. 位,流. の で,こ. こ で は省 略 す る.図. こ こでCbは 底 面 で の 濃 度,Aは. ー ル ズ数 の 計 測 結 果 を. 速 に関 して はcase1と ほ ぼ 同 じで あ った を 見 る と,濃. case1と 同 様 な傾 向 で あ るが,流. 度 の上昇 は. 速 が低 下 し始 め た105s. 以 降 に,各 層 の 濃 度 が急 激 に 低 下 し,シ ール ズ数 が低 下 し た 時 間 で は 濃 度 は ほ と ん ど な い こ と が 分 か る.粒. 径. 0.2mmの. ケ ー ス に つ い て は,中. め か,波. の通 過 後 に残 る 浮遊 砂 濃 度 は ほ とん ど な か った.. 央 粒 径 が 大 きか っ た た. 図‑5に,case1の. 示 す.図. 各 時 刻 で の 岸 沖 流 速,濃. 係 数 で あ り,実 験 値 を基. に 時 々 刻 々 の 値 を 計 算 した.な. お 式(1)は 渦 動 拡 散 係 数. を水 深 方 向 に一 様 と し,等 流,か. つ浮遊砂状 態が平衡状. 態 の 仮 定 の下 に,拡 散 方 程 式 よ り導 か れ る式 と式 形 は 同 じで あ る. 図 を 見 る と,流 速,お. よ び濃 度 の 鉛 直 分 布 を 近 似 曲 線. が よ く表 せ て い る 事 が 分 か る.な. お 粒 径 が 異 な るcase6. で の 場 合 も,case1と 同 様 に近 似 曲 線 は実 験 結 果 と よ く 一致 して い る(図‑6) . た だ し,濃 度 分 布 が 式(1)で 近 似 が 可 能 で あ っ た こ と. (2) 岸 沖 流 速,浮 遊 濃 度 の 鉛 直 分 布. 布,お. 計測 値 の平均値. と した.. 度 の鉛 直 分. よ び 図‑6にcase6の 各 時 刻 で の 濃 度 の 鉛 直 分 布 を 中 の プ ロ ッ ト点 が実 験 結 果 で あ り,瞬 間 的 な ノ. イ ズ 成 分 を取 り除 くた め,1sの 移 動 平 均 を と って い る.. に つ い て は,流 体 の 乱 流 状 態 に つ い て 整 理 で き る ほ ど の デ ー タが 得 られ て い な い た め,実 際 に渦 動 拡 散 係 数 が 水 深 方 向 に一 定 で あ るの か につ い て は,さ 要 で あ る.. らな る検 討 が 必.
(4) 444. 海. 図‑5. case1での流速(上)と. 図‑6. 一方. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 浮遊砂濃 度(下)の 鉛直分布 の時間変化(プ ロッ ト点:実 験値). case6で の 浮 遊 砂 濃 度 の 鉛 直 分 布 の 時 間 変 化(プ. ロ ッ ト点:実. 験 値). ,平 面2次 元 計 算 の濃 度 分 布 に 用 い られ る こ と の. あ る,底 面 か らの 高 さ の べ き乗 の分 布 形(拡 散 方 程 式 中 に渦 動 拡 散 係 数 を 水 深 に比 例 す る形 で 与 え る と求 ま る) で は,底 面 付 近 で極 端 に大 きな 濃 度 と な り,上 層 付 近 の 濃 度 が 実 験 値 よ りや や 大 き くな る こ と を確 認 して い る. (3) 全 流 砂 量 式 の 適 応 性 次 に,Brown型 行 う.Brown型. の 全 流 砂 量 式 の 適 用 性 に つ い て検 討 を の 全 流 砂 量 式 は,全 流 砂 量 フ ラ ッ ク スが. シ ー ル ズ 数 の 乗 数 に係 数 をか け た もの で 表 さ れ る式 で あ り,津 波 に適 応 した場 合 の 乗 数 お よ び 係 数 に つ い て は, 既 に様 々 な 値 が 検 討 さ れ て い る(例 え ば,藤 井 ら,1998). 本 研 究 で は,乗 数 を 一 般 的 に 用 い られ る2.5と し,藤. 図‑7. シ ー ル ズ 数 の2.5乗,お. よ び 無 次 元 流 砂 フ ラ ッ ク ス の1. 波分 の積 分値 の比 較. 井 ら(1998)に な らい,通 過 流 砂 量 を満 足 す る よ う係 数 を 決 定 す る.な お 係 数,乗. (2). 数 は津 波 通 過 を 通 して一 定 値 と. す る. 前 述 した 流 速 と濃 度 の 近 似 式 を用 い て 算 出 した全 流 砂 フ ラ ッ ク ス を,1波. 分 積 分 して 求 め た 全 流 砂 量 を 無 次 元. 化 した もの と,シ ー ル ズ数 の2.5乗 を1波 分 積 分 した もの との 比 較 を 図‑7に 示 す.こ. の 図 を見 る と,両 者 は線 形 に. 次 に,図‑7よ. り求 め られ た式(2)を 用 い て 求 め た 無 次. 元 流 砂 量 の時 々刻 々 の 変 化 と,本 実 験 で求 め られ た無 次 元 浮 遊 砂 フ ラ ッ クス の 時 間変 化 を 図‑8に 示 す. 図 よ り,先 ほ ど の 時 間 積 分 した 検 討 で は,流 砂 量 を よ. 近 い 対 応 を して い る こ と が 分 か る.近 似 直 線 を 求 め る と. く捉 え て い た 式(2)と 実 験 値 の全 流 砂 フ ラ ック ス の 時 間. 係 数 が 約30と な り,Brown型. 変 化 に は大 き な差 異 が あ る こ とが 分 か る.こ れ は実 験 結. 関係 が 得 られ る.. の全 流 砂 量 式 と して 式(2)の. 果 に お い て,先. に述 べ た 浮 遊 砂 濃度 の 増 加 が流 速 の 増 加. に対 して 遅 れ る傾 向 が あ る た め で あ り,シ ー ル ズ 数 の み.
(5) 445. 津 波 によ る砂 移動 に関す る実験 的研 究 表‑3. 実験 結果 と掃 流砂 量式 の比. た だ し,今 回 の 実 験 は シ ー ル ズ 数 が 最 大1程 度 で あ る た め,さ 図‑8. 実 験結 果 と全 流砂 量式 との比較. ら に高 シー ル ズ数 の条 件 下 にお け る各 式 の 適 用. 性 に つ い て は今 後 検 討 す る必 要 が あ る と考 え られ る.. で 流 砂 量 を算 出 す る式 で は,時 々 刻 々 の 流砂 量 が 適 切 に 表 され て い な い こ とが 分 か る.平 面2次 元 計 算 に お い て,. 4. 結. 論. この よ うな濃 度 の 非 定 常 性 を考 慮 す る た め に は,高 橋 ら. 本 研 究 で は,水 路 を 通 過 す る非 砕 波 ・非 分 散 条 件 の津. (1999)の よ うに,巻 上 げ量 を 介 して 掃 流 砂 層 と浮 遊 砂 層. 波 に よ って 生 じる砂 移 動 につ い て の 実 験 を実 施 し,最 大. の2層 で 砂 移 動 を モ デ ル 化 す る な ど の,漂. シー ル ズ 数 が1程 度 ま で の砂 移 動 形 態 を 詳 細 に計 測 した.. 砂 モデル の改. 良 が 必 要 で あ る と考 え られ る.. 以 下 に 結 論 を ま とめ る.. (4) トラ ップ 計 測 結 果. (1)シ ー ル ズ数 が 最 大 とな る時 間 と全 流 砂 フ ラ ッ ク ス が. トラ ップ に よ る計 測 結 果 を 表‑2に 示 す.表 中 に は鉛 直. 最 大 とな る時 間 に は数 秒 程 度 の 差 が あ る こ とが 分 か っ. 分 布 の 近 似 式 よ り求 め た,津 波1波 に よ る通 過 全 流 砂 量. た.そ の た め流 砂 量 フ ラ ック ス を シ ー ル ズ数 の 乗 数 で. も併 記 して い る.ト. 表 す 流 砂 量 式 で は実 験 の時 間変 化 を捉 え られ な い.. 上 式(1972),津. ラ ップ に よ る計 測 結 果 と,芦 田 ・道. 波 を対 象 と して 提 案 さ れ た 高 橋 ら(1999). の 式(式(3)),お よ び福 田 ら(2008)に よ る高 橋 式 の 修 正 式 (式(3)中 の係 数 を8と す る)と の 比 較 を 表‑3に 示 す.こ で トラ ッ プ の 開 口 高 さ1mmが. こ. 掃 流 砂 層 厚 に 対 して 適 切. で あ る か に つ い て は,議 論 の 余 地 が あ るた め,表. に は計. (2)鉛 直 分 布 の測 定 結 果 よ り,浮 遊 砂 濃 度 の 鉛 直 分 布 形 状 は指 数 関 数 分 布 と よ く一致 した. (3)開 口 高1mmの. トラ ップ に よ る捕 砂 量 と,掃 流 砂 量 式. に よ る算 出結 果 を 比 較 した結 果,芦. 田 ・道 上 式 が 実 験. の 傾 向 を よ く捕 らえ て い た.. 算 値 と実 験 値 との 比(計 算 値/実 験 値)と して ま と め た. case5に つ い て は計 測 値 が 誤 差 の 範 囲 内 で あ る の で,比 較 対 象 か ら外 した.. (3). 表‑3を 基 に考 察 す る と,高 橋 らの 式,福. 田 らの 式 に は,. 同 じ粒 径 の 実 験 間 で ば らっ きが 大 きい こ とが 分 か る.一 方,芦. 田 ・道 上 式 は 同 じ粒 径 の実 験 間 で 変 化 が少 な く,. 実 験 の傾 向 を 捉 え て い る も の と考 え られ る.ま た,高 橋 らの 式 で は,他. の 式 に比 べ て 計 算 値 が2倍 程 度 と な り,. 掃 流 砂 量 式 に よ り算 出 され る結 果 が 大 き いが,高. 橋式 を. 修 正 した 福 田 らの式 で は,芦 田 ・道 上 式 と近 い値 と な っ て い る. 表‑2. トラ ップ 計 測 結 果. 参. 考. 文. 献. 芦 田和 男 ・道 上正 規(1972): 移動床 流 れの抵抗 と掃 流砂 量 に 関 す る基礎 的研 究, 土木 学会論 文集, 206号, pp.59‑69. 岩 垣雄一(1956): 限界 層流力 の流体力学 的研究, 土木学 会論文 集, 41号, pp.1‑21. 木 原 直人 ・松 山 昌史(2007): 静水 圧3次元 数値 モ デルを用 い た 津波 に よる地 形変化 の数値計 算, 第54回 海岸 工学論 文集, pp516‑520. 小 林昭男 ・織 田幸 伸 ・東 江隆夫 ・高 尾誠 ・藤井直樹(1996): 津 波 によ る砂 移動 に関す る研 究, 第43回 海岸 工 学論 文集, pp.691‑695. 榊 山勉 ・松山 昌史 ・吉井 匠(2007): 津 波 による港 湾 内の海底地 形 変化 に関 す る実験 的検討, 第54回 海 岸工 学論 文集, pp. 506‑510. 高橋智 幸 ・首藤伸 夫 ・今村 文彦 ・浅井 大輔(1999): 掃 流砂 層 ・ 浮 遊砂層 間の交換砂 量 を考慮 した津波移動床 モデルの開 発, 第46回 海岸 工学論 文集, pp.606‑610. 西畑剛 ・田島芳満 ・森屋 陽一 ・関本恒浩(2005): 津波 によ る地 形 変化 の検証‑2004年 スマ トラ沖 地震津波 ス リランカ ・ キ リンダ港‑, 第52回 海岸 工学論文 集, pp.1386‑1390. 福 田祐 司 ・後藤 和久 ・今 村文彦 ・高橋智 幸(2008): 高 シールズ 数 に対応 した掃流 砂量式 に基づ く津波土砂移 動 モデル の改 良, 平成19年 度土 木学会東 北支部技 術研究発 表会, II‑92 藤井 直樹 ・大森 政則 ・高尾誠 ・金 山進 ・大谷英夫(1998): 津波 によ る海底 地形変 化 に関 す る研究, 第45回 海岸工 学論文 集, pp.376‑380..
(6)
関連したドキュメント
