洪水による鉄道橋コンクリート橋脚の倒壊

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洪水による鉄道橋コンクリート橋脚の倒壊

日大・理工 ○斉藤準平大成建設㈱・技術センター石野和男日大・理工柳沼善明

１．はじめに

洪水によって生じる鉄道橋梁の被害は、長期間の路線の機能支障を生じさせ、多くの利用者の生活を不便にする。洪水による橋梁の被害を最小限に抑えるためには倒壊の危険性の高い橋脚については至急補強、取替え等の手段を講じておくことが必要であると考えられる。本研究は、近年の洪水による橋脚倒壊の概要を述べ、被害状況から倒壊の危険性の高い橋脚の特徴を検討し、洪水の作用する力によって発生する橋脚の応力を推定した。さらに流速、水位および流木による橋脚間閉塞が橋脚に及ぼす影響を検討した。

２．近年の洪水による鉄道橋コンクリート橋脚の倒壊の概要

近年の洪水による鉄道橋コンクリート橋脚の倒壊の事例として2004 年7月の福井豪雨と 2005 年９月の台風14号豪雨を取り上げた。以下に各豪雨と被害状況の概要を示す。

（１）被害地域と被害路線状況

図－１に福井豪雨および台風14 号豪雨における被害地域と被害路線および流出橋梁と現存橋梁を示す。福井豪雨（図－１（a））は福井県福井市、大野市一帯に被害を与え、足羽川に発生した洪水により越美北線(JR西日本)の一条谷駅から美山駅間の橋梁が被害を受け、一乗谷～美山間は不通（被害後２年３ヶ月経過した現在）となっている。

台風14号豪雨（図－１（b））は宮崎県延岡市、日之影市、高千穂市一帯に被害を与え、

（a）福井豪雨

（b）台風14号豪雨図－１被害地域と被害路線

五ヶ瀬川に発生した洪水により高千穂鉄道の延岡から高千穂間の橋梁が被害を受け、高千穂鉄道は廃線となった。

（２）洪水と橋脚倒壊状況

洪水の状況 ¹⁾²⁾ から、福井豪雨の足羽川および台風14 号豪雨の五ヶ瀬川における豪雨時の水位は、ともに橋梁桁下まで達するほど高水位だったことが確認できた。また橋脚倒壊の状況 ¹⁾²⁾ から、福井豪雨の代表的な橋脚倒壊は橋脚川底部から基礎部周辺が折れて破断するものだった。それに対し、台風14 号豪雨での代表的な橋脚倒壊は橋脚のずれによって破断するもので、折れによる破断と比べて破断断面が平であった。

なお本文における倒壊橋脚は、橋脚の一断

降雨量測定 至福井

A

足羽川

B C

D

E F

越美北線 水の流れ

G

至九頭竜湖 備考）図中のA～Gは、橋梁を示す。

鉄道流出橋梁河川現存橋梁鉄道流出橋梁河川現存橋梁

降雨量測定 降雨量測定 至福井

至福井

足羽川

A

足羽川

B C D

E F

越美北線 水の流れ水の流れ

G

至九頭竜湖 至九頭竜湖 備考）図中のA～Gは、橋梁を示す。

降雨量測定

五ヶ瀬川 高千穂鉄道

A C B

D

水の流れ

備考）図中のA～Dは、橋梁を示す。

鉄道流出橋梁河川現存橋梁鉄道流出橋梁河川現存橋梁 降雨量測定

降雨量測定

五ヶ瀬川

五ヶ瀬川 高千穂鉄道

A C B

D

水の流れ 水の流れ

備考）図中のA～Dは、橋梁を示す。

Collapse of Concrete Piers of Railway Bridges by flood

Junpei SAITO, Kazuo ISHINO and Yoshiaki YAGINUMA

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0 10 20 30 40 50

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

時間

降雨量 (m m )

0 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00

降雨量（累計） (m m )

降雨量降雨量（累計）

面が曲げによる折れ、およびせん断によるずれによって破壊した橋脚を破断橋脚、破断による倒壊と断定できない橋脚をその他の倒壊橋脚と破壊状況によって分類した。

（３）降雨量

図－２に福井豪雨および台風14 号豪雨の降雨量を示す。降雨量の測定データは図－１に示す福井豪雨の美山雨量観測所、台風14 号豪雨の高千穂雨量観測所で測定された。それぞれの雨量観測所は足羽川と五ヶ瀬川に極めて近い場所にあり、かつ被害を受けた橋梁の上流に位置している。

福井豪雨（図－２（a））は12 時間で累計降雨量が約300mm になり、時間当たりの降雨量では１時間で87mmを記録し、短期集中的な豪雨形態を示した。それに対し、台風14 号豪雨（図－２（b））は48 時間かけて累計降雨量が約500mmになり、時間当たりの降雨量では１時間で45mm が最高であり、長期継続的な豪雨形態を示した。以上のように、橋梁被害はこのような異なる豪雨形態の相違に関わらず発生した。

（４）橋脚被害状況

福井豪雨による各橋脚の概要と被害状況を表－１に示す。福井豪雨で橋脚が１橋脚以上倒壊した橋梁は７橋梁中５橋梁で、橋脚の倒壊被害は現存した橋梁の橋脚を含めた全31 橋脚中12 橋脚（橋脚倒壊率38.7% ）だった。

鉄筋コンクリート（以下RCと略す）構造の橋脚は４橋脚あり橋脚倒壊率は全体で12.9%

(RC 構造内26.7% ）、無筋コンクリート(以下 C と略す)構造の橋脚は8橋脚あり橋脚倒壊率は全体で25.8%(C構造内50.0% ）だった。また、倒壊橋脚内で破断橋脚は全てC構造の橋脚にみられ、C 構造で倒壊した8橋脚の内7橋脚（87.5% ）が破断した。それらは全て曲げで折れたものだった。

台風14 号豪雨による各橋脚の概要と被害状況を表－２に示す。台風14号豪雨で橋脚が

（a）福井豪雨 ³⁾ （雨量観測所：美山）

（b）台風14号豪雨 ⁴⁾ （雨量観測所：高千穂）

図－２降雨量

１橋脚以上倒壊した橋梁は４橋梁中２橋梁で、

橋脚の倒壊被害は現存した橋梁の橋脚を含めた全29 橋脚の内5 橋脚（17.2% ）で、福井豪雨の橋脚倒壊率より少ないものだった。しかし、

RC 構造の橋脚は全く折損せず、倒壊被害を受けた橋脚はすべてC構造（12 橋脚）で、 C構造だけで考えると41.7% が倒壊し、 C 構造に倒壊の危険性が高いことがわかった。なお、倒壊橋脚（5 橋脚）の内で破断橋脚は4橋脚（80.0% ）だったが、３橋脚は打継目のずれによるものだった。このような打継目やコールドジョイント等のような施工上の弱点は、洪水による橋脚の被害を増大させる恐れがあるといえる。

各豪雨の被害を総合的にみると、倒壊橋脚の破壊状況はC 構造では倒壊橋脚の約84.6%

が破断（折れ、ずれ）によるものだった。つまり、C構造の内、岩着橋脚では橋脚自体の構造的に破壊する傾向が高いといえる。また、

橋脚間に流木が閉塞しせき止めたダムのようになると倒壊しやすくなる。なお、同一の構造、形状および寸法で橋脚倒壊の有無の相違

0 20 40 60 80 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 時間

降雨量(mm)

0 50 100 150 200 250 300

降雨量（累計）(mm)

降雨量

降雨量（累計）

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が表れたのは、川幅、水深および地形などの要因で洪水の速度、水位に差が生じたこと、

流木が橋脚間を閉塞して過大な力が作用したこと等の理由によるものと思われる。

３．橋脚倒壊時の応力推定

橋脚の倒壊時に発生したと推定される応力を計算し、橋脚が破壊するだけの力が作用していたかどうか、破壊形式は妥当だったのかを検討した。応力推定の対象とする橋脚は各災害で倒壊した代表的な橋脚とし、概要を表

－３に示す。図－３に示す算出式を用いて洪水の流体力P を求め、それが橋脚に作用した時の各破壊形式の場合の応力を計算した。なお、洪水の流体力P の算出において流体力の抗力係数kは橋脚水平断面の形状による係数を表し、橋脚の断面形状によって係数は異なる。洪水時の流体力作用位置は桁下～川底間の平均距離とした。

表－４に洪水が橋脚に作用したときの橋脚に発生する応力の計算結果を示す。計算で求めた橋脚川底部の上流側の曲げによる引張応力が、コンクリートの引張強度を上回った。

このことから、C構造の橋脚が高水位、高流

表－３各災害の代表的な倒壊橋脚の概要

図－３洪水が橋脚に作用する流体力の算出式表－１福井豪雨による各橋梁の橋脚の概要と被害状況 ⁵⁾

表－２台風14号豪雨による各橋梁の橋脚の概要と被害状況 ⁶⁾

A：流水衝突面積

L/2 P：洪水の流体力

鋼桁(h=1.5m) 上流→

橋脚川底部の上流側

（１）

k ：流体力の抗力係数（円形断面： 0.73 ）

^{9 )}

w ：水の単位質量（ kg/m

³

）

A ：流水の衝突する橋脚面積（ m

²

） v ：流速（ m/sec ）

g ：重力加速度（ m/sec

²

） g 2 A v

• w

• k

=

P

²

破断橋脚数

その他の

倒壊橋脚数合計

第１足羽川橋梁 A 流失 RC 5 0 1 1

第２足羽川橋梁 B 現存 RC 5 0 0 0

第３足羽川橋梁 C 流失 RC 5 0 3 3

第４足羽川橋梁 D 流失 C 4 2 0 2

第５足羽川橋梁 E 流失 C 4 2 1 3

第６足羽川橋梁 F 現存 C 4 0 0 0

第７足羽川橋梁 G 流失 C 4 3 0 3

31 7 5 12

備考）地点の欄のA～Gは図－１(a)に記す。構造の欄のCは無筋コンクリートを、RCは鉄筋コンクリートを表す。

1960年

合計

円径 2m

製造年構造形状寸法全橋脚数

倒壊橋脚

橋梁名地点被害

状況

災害名福井豪雨台風１４号豪雨

橋脚の断面形状

および寸法円形直径2 m 円形直径2.5 m 桁下～川底間の

平均距離（ L） 5.5 m 7 m コンクリートの

引張強度

⁷⁾

2.06 N/mm

²

以上

1 .9 1 N/mm

²

以上水の流速

⁸⁾

10 m/sec

破断橋脚数

その他の

倒壊橋脚数合計

第１五ヶ瀬川橋梁 A 流失 1935年 C 楕円径 2m×1m 5 3（ずれ） 0 3

流失 1935年 C 円径 2.5m 2 1（折れ） 1 2

現存〃〃楕円径 2m×1m 3 0 0 0

第３五ヶ瀬川橋梁 C 現存 1937年 RC 円径 1.5m 13 0 0 0

現存 1937年 RC 円径 1.5m 4 0 0 0

〃〃 C 楕円径 4m×2m 2 0 0 0

29 4 1 5

備考）地点の欄のA～Dは図－１(b)に記す。構造の欄のCは無筋コンクリートを、RCは鉄筋コンクリートを表す。

第２五ヶ瀬川橋梁 B

D

合計第４五ヶ瀬川橋梁

倒壊橋脚全橋脚数

寸法形状

橋梁名被害製造年構造

地点状況

(4)

速の洪水により川底付近で折れて破断することが確認できた。

４．橋脚に及ぼす水位、流速等の影響水位と流速を変化させた際の橋脚の川底断面上流側の引張応力を算出し、橋脚倒壊に影響を与える要因を検討した。計算は福井豪雨で倒壊した橋脚の条件とした。

図－４に流速が変化した場合の川底断面上流側の引張応力と水位との関係を示す。流速が大きい場合では水位が増加するにつれて引張応力の増加は大きくなった。これは水の水平力への影響を考えた場合、水位は変化した長さ分だけが影響するのに対し、流速は２乗で水平力に反映されるためである。さらに鋼桁部まで水位が増加した場合は、鋼桁の受けた過大な力と川底までの距離からモーメントがかなり大きく働き、橋脚に発生する引張応力は急激に増加するため危険である。また、

流速が5m/secの場合の橋脚間に大量の流木が閉塞してせき止めたダムのようになった時の橋脚への影響を検討すると、橋脚間が開通している場合は水位の増加に関わらず引張応力は引張強度を上回らないが、橋脚間が閉塞すると引張応力は急激に増加して危険な状況に一転し、倒壊の危険性が高いものとなることがわかる。

５．まとめ

① 無筋コンクリート構造は倒壊の危険性が高く、岩着橋脚では橋脚自体の構造的に破壊する傾向が高いといえる。

② 無筋コンクリート構造の橋脚が高水位、高流速の洪水によって川底付近で折れて破断することが計算により確認できた。

③ 流速が大きい場合では水位が増加するにつれて引張応力の増加は大きくなる。

④ 橋脚間が閉塞すると引張応力は急激に増加し危険な状況に一転する。

表－４洪水が橋脚に作用したときの

橋脚に発生する応力計算結果

図－４引張応力と水位との関係参考文献

１）土木学会編集委員会， 2004 （平成16 ）年７月北陸豪雨災害，土木学会誌，Vol.89 no.12 ，2004 年，pp.15 －16

２）高千穂鉄道ホームページ，http://www.t- railwa y.co.jp/index.htm

３）気象庁，http://www.data.kishou.go.jp/

etrn/index.html

４）国土交通省河川局， http://www.mlit.go.

jp/ river/index.html

５）永瀬和彦，ＪＲ越美北線の橋梁被災現場を見る（その１），http://www2.kanaza wa-it.ac.jp/knl/index.html

６）TR高千穂鉄道分析V ，http://www9.ocn.

ne.jp/~exp98/rail/nippou-line/tr-5.html ７）日本国有鉄道，鉄道技術発達史，第２編

（施設）Ⅲ，1959 年

８）服部勇，山本博文，平成16年７月の福井豪雨の堆積学的側面，福井市自然史博物館研究報告集，第52 号，2005 年

９）河村協，橋台と橋脚，理工図書， 1952 年，

p.189

災害名福井豪雨台風１４号豪雨

曲げによる引張応力

（川底部断面上流縁） 2.21 N/mm² 2.29 N/mm² せん断応力

（橋脚図心部） 1.07 N/mm² 1.70 N/mm²

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 1 2 3 4 5 6 7 水位（m）

引張応力（川底断面上流側）（N/mm2 ）

流速 10m/sec 流速 5m/se c 流速 2.5 m/se c 流速 5m/se c （閉塞）

引張強度（2.06 N/ mm

²

）

橋脚部鋼桁部

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