17:15 〜 18:45
[MIS15-P02] 粒径階が土石流の堆積に与える影響
キーワード：土石流、堆積、粒径
はじめに
最近の気候変動の影響等により深刻な被害が生じる土砂災害が多く発生している。中でも，従来の土石流と比べ比較的勾配の緩やかな場所においても多量の土砂を氾濫，堆積させる土砂・洪水氾濫による被害は近年頻発傾向にある。被害が市街地や道路等の広範囲にまで及ぶことから，早急な対策が求められている。また現地調査の結果から，土砂・洪水氾濫は通常の土石流と比べ大量の細粒土砂も流出したと報告されている。この土砂・洪水氾濫の被害を予測するために河床変動の数値計算が行われたが，流動形態が変化する勾配変化点において，実現象以上の異常な堆積量が計算される問題が生じた。この問題の要因は，既存のモデルが混合粒径，特に細粒土砂を含んだ土石流・掃流状集合流動の堆積について十分考慮されていないことにあると考えられる。
土石流理論は単一粒径かつ定常等流状態を前提に構築されており，堆積などの非平衡区間においては理論，実験ともに十分な検証が行われていない。一般に土石流の基礎方程式は浅水流方程式を用い，連続式，運動方程式の湧き出し項に堆積速度式（ここでは高橋式）を持つ。
ib = δd (C∞ - C) q ⁄ C* h (1)
（ib:堆積速度（バルク）, δd:堆積速度係数, C∞:平衡土砂濃度, C:土砂濃度, C*:堆積土砂濃度, q:単位幅流量, h:水深）
この式は，現河床勾配の平衡濃度に対する過剰分の土砂が堆積するとして得られてもので，堆積速度係数は遅れ時間を表している。この式の問題点は，堆積速度係数が対象地の結果に合うようにオーダーレベルで調整されていることにある。この原因は粒径の違いについて十分に考慮していないためであると考える。また，現状混合粒径を考慮し各粒径階の堆積速度を求める際は，(1)式で計算された土砂全体の堆積速度ibを各粒径階の土砂濃度の存在割合を掛け合わせることで求めている。つまり，各粒径階の堆積速度は，全体の堆積速度を粒径階ごとに分割する形となっている。このため，堆積時の異なる粒径間の相互作用に関しては考慮されていない。特に土砂・洪水氾濫のような細粒土砂を多く含んだ土石流の堆積速度は，(1)式で求めた堆積速度と結果が異なる可能性がある。
本研究では，堆積過程に注目し水路実験を行った。まず，堆積速度と粒径の関係を明らかにした（以下，粒径実験）。次に，粒径比の大きく異なる粗粒土砂と細粒土砂を用いて，細粒土砂の粒径や混合割合，流動勾配を変えて堆積速度や異粒径間の相互作用に与える影響について比較検討した（以下，混合実験）。
実験
長さ8m，幅19.5cmの可変勾配の矩形断面水路を使用した。水路には河床部に6mmの粒子が張り付けられており，マニングの粗度係数は0.0158m-1/3/sである。土石流を堆積させるため，水路途中に急勾配（上流）から緩勾配（下流）へと変化する勾配変化点を設けた。すべての粒子が堆積するよう緩勾配は1度である。河床材料は流動，堆積する土石流の粒径に比べ十分大きいと考えられるため，河床との土砂の交換は卓越しないとして，上流，下流はどちらも固定床で実験している。供給土砂は，勾配変化点の1m上流側に薄く敷き均し上流側から水を供給させ，敷き均した土砂を侵食させることで土石流を発生させた。そして勾配変化点で緩勾配区間に入り堆積運動を始める。その様子をディジタルカメラとハイスピードカメラ（500fps）で撮影した。撮影した映像から，流動深，堆積速度を測定した。
使用した土砂については，粒径実験ではd =5.0, 3.5, 2.5, 1.5, 1.0, 0.5, 0.35 mmの土砂を用いた。混合実験では，粗粒土砂としてd =6.0mm，細粒土砂としてd =0.7, 0.33, 0.18mmの土砂を用いた。粗粒土砂と細粒土砂は一種類ずつ混合させ，混合割合は混合比率を25%ずつ変えて実験した。
結論
堆積速度と粒径の効果については，比例関係にあることがわかった。これは堆積速度係数から粒径の要素を切り離すことで係数の変動を抑えることが期待できる。この結果に対して，今後実現象の再現計算で確認する必要がある。また，混合実験では，細粒土砂の存在割合が約60%を境に堆積速度が変化した。相対水深(h/d)と堆積速度の関係を調べると，この境はちょうど流動形態が層流と乱流の境界に一致する。また，堆積断面の骨格構造を観察すると支配的な粒子もこの境で切り替わることがわかった。
最近の気候変動の影響等により深刻な被害が生じる土砂災害が多く発生している。中でも，従来の土石流と比べ比較的勾配の緩やかな場所においても多量の土砂を氾濫，堆積させる土砂・洪水氾濫による被害は近年頻発傾向にある。被害が市街地や道路等の広範囲にまで及ぶことから，早急な対策が求められている。また現地調査の結果から，土砂・洪水氾濫は通常の土石流と比べ大量の細粒土砂も流出したと報告されている。この土砂・洪水氾濫の被害を予測するために河床変動の数値計算が行われたが，流動形態が変化する勾配変化点において，実現象以上の異常な堆積量が計算される問題が生じた。この問題の要因は，既存のモデルが混合粒径，特に細粒土砂を含んだ土石流・掃流状集合流動の堆積について十分考慮されていないことにあると考えられる。
土石流理論は単一粒径かつ定常等流状態を前提に構築されており，堆積などの非平衡区間においては理論，実験ともに十分な検証が行われていない。一般に土石流の基礎方程式は浅水流方程式を用い，連続式，運動方程式の湧き出し項に堆積速度式（ここでは高橋式）を持つ。
ib = δd (C∞ - C) q ⁄ C* h (1)
（ib:堆積速度（バルク）, δd:堆積速度係数, C∞:平衡土砂濃度, C:土砂濃度, C*:堆積土砂濃度, q:単位幅流量, h:水深）
この式は，現河床勾配の平衡濃度に対する過剰分の土砂が堆積するとして得られてもので，堆積速度係数は遅れ時間を表している。この式の問題点は，堆積速度係数が対象地の結果に合うようにオーダーレベルで調整されていることにある。この原因は粒径の違いについて十分に考慮していないためであると考える。また，現状混合粒径を考慮し各粒径階の堆積速度を求める際は，(1)式で計算された土砂全体の堆積速度ibを各粒径階の土砂濃度の存在割合を掛け合わせることで求めている。つまり，各粒径階の堆積速度は，全体の堆積速度を粒径階ごとに分割する形となっている。このため，堆積時の異なる粒径間の相互作用に関しては考慮されていない。特に土砂・洪水氾濫のような細粒土砂を多く含んだ土石流の堆積速度は，(1)式で求めた堆積速度と結果が異なる可能性がある。
本研究では，堆積過程に注目し水路実験を行った。まず，堆積速度と粒径の関係を明らかにした（以下，粒径実験）。次に，粒径比の大きく異なる粗粒土砂と細粒土砂を用いて，細粒土砂の粒径や混合割合，流動勾配を変えて堆積速度や異粒径間の相互作用に与える影響について比較検討した（以下，混合実験）。
実験
長さ8m，幅19.5cmの可変勾配の矩形断面水路を使用した。水路には河床部に6mmの粒子が張り付けられており，マニングの粗度係数は0.0158m-1/3/sである。土石流を堆積させるため，水路途中に急勾配（上流）から緩勾配（下流）へと変化する勾配変化点を設けた。すべての粒子が堆積するよう緩勾配は1度である。河床材料は流動，堆積する土石流の粒径に比べ十分大きいと考えられるため，河床との土砂の交換は卓越しないとして，上流，下流はどちらも固定床で実験している。供給土砂は，勾配変化点の1m上流側に薄く敷き均し上流側から水を供給させ，敷き均した土砂を侵食させることで土石流を発生させた。そして勾配変化点で緩勾配区間に入り堆積運動を始める。その様子をディジタルカメラとハイスピードカメラ（500fps）で撮影した。撮影した映像から，流動深，堆積速度を測定した。
使用した土砂については，粒径実験ではd =5.0, 3.5, 2.5, 1.5, 1.0, 0.5, 0.35 mmの土砂を用いた。混合実験では，粗粒土砂としてd =6.0mm，細粒土砂としてd =0.7, 0.33, 0.18mmの土砂を用いた。粗粒土砂と細粒土砂は一種類ずつ混合させ，混合割合は混合比率を25%ずつ変えて実験した。
結論
堆積速度と粒径の効果については，比例関係にあることがわかった。これは堆積速度係数から粒径の要素を切り離すことで係数の変動を抑えることが期待できる。この結果に対して，今後実現象の再現計算で確認する必要がある。また，混合実験では，細粒土砂の存在割合が約60%を境に堆積速度が変化した。相対水深(h/d)と堆積速度の関係を調べると，この境はちょうど流動形態が層流と乱流の境界に一致する。また，堆積断面の骨格構造を観察すると支配的な粒子もこの境で切り替わることがわかった。