海岸構造物での波の打ち上げに伴う海水飛沫の生成過程

研究報告
平成26年度
土木分野No.6
海岸構造物での波の打ち上げに伴う海水飛沫の生成過程
Generation Process of Sea Water Splash Accompanying Wave Run-ups Occurring at Coastal Structures
九州大学大学院工学研究院附属アジア防災研究センター
准教授
山城
賢
九州大学大学院工学研究院環境社会部門
助教
横田
雅紀
（研究計画ないし研究手法の概略）
海水の塩分を含む潮風は，鉄筋コンクリート構造物等の腐食・劣化，農作物の枯死・減収，
広域に及ぶ停電など，多岐にわたって塩風害を引き起こす．道路や橋梁等の社会基盤の長寿
命化や農業生産の確保が喫緊の課題である我が国において，塩風害は今後一層重大な問題と
なるであろう．ところで，台風来襲時のニュース等で，岸壁から大量に飛び散る海水飛沫の
映像を目にするが，その映像にあるように，海岸構造物は波浪制御等の役割を果たす一方で，
塩風害の原因となる大量の海塩粒子（微小な海水飛沫）の発生源となり得る．しかし，その
発生過程は複雑で未解明である．以上より，本研究では，海岸構造物での波の打上げに伴う
海水飛沫の生成過程について，水理模型実験により解明することを目的とする．
沿岸部で塩風害を引き起こす潮風に含まれる塩分（飛来塩分）の実体は，近隣の海岸で発
生した粒径が数100m以下の微小な海水飛沫（海塩粒子と呼ばれる）である．海岸構造物での
激しい波の打上げ（越波）に伴って発生する大量の海塩粒子について，その生成過程を現地
で直接的に観測することは極めて困難であり，条件を制御できる水理模型実験が現実的な検
討手段となる．しかし，縮尺模型を用いる水理模型実験では，構造物への波の衝突速度や水
塊が打ち上がる際の上昇速度が小さくなるなど，幾つかの制約により現地で発生する極めて
微小な海塩粒子を再現できない．そこで，本研究では，模型実験で生じる程度の大きさの飛
沫について生成過程を明らかにすることを試みた．実験は，越波の出現特性および飛沫の分
裂・輸送過程を調べるため，波と風を同時に発生可能な断面2次元造波風洞水路に典型的な直
立護岸の模型を設置して行い，越波や飛沫を可視化して高速度カメラで撮影した．撮影した
映像に画像解析を適用して，越波と飛沫の計測を行った．
（実験調査によって得られた新しい知見）
１．越波の出現特性
(1) 計測手法の概略および実験条件
断面2次元造波風洞水路に設置された護岸模型の前面での流体運動（波の打上げや越波）を
可視化し，高速度カメラ（フレームレート400fps，シャッター速度1/500s）で撮影する．次い
で，護岸天端の高さに検査ラインを設け，撮影した映像からPIV（Particle Image Velocimetry）
により検査ライン上の複数点で鉛直流速の時系列を求める．得られた流速の時系列を検査ラ
インについて積分すれば，検査ラインを上下に通過する水量の時系列が得られ，さらに1周期
間で積分すれば，1波当りの正味の越波量が求められる．この時，ある1波の作用時間は，護
1／6
岸の壁面に沿って計測した水位変動デー
タから判断する．なお， PIVにより得ら
れる流速には，水面の乱反射等による異
18.7ｃｍ
13.6ｃｍ 8.3ｃｍ
1：1.5
12.6ｃｍ
0.4m 0.35m
常値や欠測が含まれるため，それらを取
半円ダクト
吸込みダクト
0.1m
0.1m 0.2m
り除く．また，実験の際には，護岸背後
方形ダクト
3.68m
6.52m
9.93m
4.0m
に越波升を設置し，それによって計測し
た累積越波量をもとに， PIVで得た流速
観測部
造波装置
0.3m
0.5m
0.8m
0.186m
防波堤
28.0m
20.0m
を補正する．
送風機
1：50
越波枡
図-1 実験装置
実験には図-1に示す断面二次元造波風
洞水路（長さ28m，高さ0.5m，幅0.3m）
を使用した．この水路内に海底斜面および直
波高計
背景
立堤の模型を作成した．水深は 30cmとし，入
ロングパスフィルター
射波は修正Bretschneider-光易型スペクトルを有
高速度カメラ
する5種類の不規則波で，有義波高と有義波周
期は（ H1/3 ， T1/3 ） =（ 3.14cm， 0.84s），（ 4.5cm，
1.0s），（4.5cm，1.2s），（4.5cm，1.5s），（5.7cm，
レーザー
2.5cm
1.0s）とした．風の条件は，護岸壁面の位置で
の静水面上 20cm と 30cm （それぞれ天端上
11.7cm，21.7cm）における風速を平均したもの
を代表風速として， 0.0m/s（無風）， 3.0m/s，
ミラー
5.0cm
15cm
30cm
図-2 堤体前面部の可視化の概略
4.5m/s，6.0m/sの4通りを設定した．したがって，
実験は入射波と風を組み合わせた20ケースについて実施した．各ケースとも波と風を同時に
約470秒間作用させ，その間，図-2に示すように高速度カメラによる撮影を行った．加えて，
越波枡内の 2か所と護岸壁面の 1か所を含む水路内の計 8か所において，サンプリング周波数
50Hzで水面変動を記録した．データ数は23,480個である．
(2) 越波量の出現特性と風の影響
図-3に，入射波が（H1/3 ，T1/3 ）=（4.5cm，1.0s），（4.5cm，1.2s），（5.7cm，1.0s）の3ケー
スについて個別波の越波量の出現頻度分布を示す．図中には各ケースにおける越波回数，
最大越波量，平均越波量，標準偏差を併せて示している．図より，全体的に波高と周期が
大きい程，最大越波量および平均越波量が大きいことが分かる．また，いずれの入射波の
ケースも風速の増加に伴い出現頻度分布の裾が広がっており，越波回数および平均越波量
が増加している．これらの傾向は他の2ケースについても同様であった．
本研究では直立堤で打ち上がる越波形態を対象としている．この越波形態の場合，打ち上
がった水塊が風圧で陸側に押されるため，風により越波量が増加しやすいと考えられる．そ
こで図 -4 に，風速の二乗に対する平均越波量の変化を示した．図より，入射波が（ H1/3 ，
T1/3 ）=（3.14cm，0.84s），（4.5cm，1.0s）の2ケースにおいては風速の二乗値の変化に伴って直
線的に平均越波量が増加していることが分かる．他の 3ケースについては，風速の二乗が20
（m2 /s2 ）（風速4.5m/s）までは平均越波量が直線的に増加するが，それ以降では増加率が小さ
くなっていることが確認できる．この理由としては，風による越波量の増加作用には限度が
あり，入射波や護岸形状によってその限度が異なるものと推測される．
2／6
U=4.5m/s
U=0.0m/s
U=6.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
58
112
139
181
最大値
8.9e-04
1.3e-03
1.7e-03
1.9e-03
2.6e-04
平均値
1.3e-04
2.4e-04
3.4e-04
2.2e-04
2.9e-04
標準偏差
1.7e-04
3.0e-04
4.0e-04
y = 84.1 * e^(-8044x)
y = 50.6 * e^(-4792x)
y = 42.4 * e^(-3725x)
y = 39.2 * e^(-2795x)
r= 0.97
r= 0.94
r= 0.96
r= 0.95
138
140
167
5.9e-04
9.5e-04
1.2e-03
1.6e-03
平均値
1.0e-04
1.4e-04
1.9e-04
標準偏差
1.2e-04
1.5e-04
100
y = 20.2 * e^(-4265x)
y = 22.9 * e^(-2591x)
y = 20.8 * e^(-1912x)
y = 32.6 * e^(-1979x)
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
10
1
0
U=3.0m/s
越波回数
119
最大値
度数
度数
U=3.0m/s
越波回数
5x10-4
1x10-3
U=0.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
163
209
210
221
最大値
8.8e-04
1.6e-03
2.0e-03
1.9e-03
3.7e-04
平均値
2.1e-04
2.9e-04
4.3e-04
4.4e-04
3.9e-04
標準偏差
2.1e-04
3.0e-04
3.9e-04
4.0e-04
y = 67.6 * e^(-4253x)
y = 49.4 * e^(-2606x)
y = 38.3 * e^(-1897x)
y = 48.8 * e^(-2239x)
R= 0.95
R= 0.97
R= 0.95
R= 0.96
R= 0.90
R= 0.87
R= 0.83
R= 0.91
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
10
U=3.0m/s
越波回数
100
度数
U=0.0m/s
100
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
10
H1/3=4.5cm
H1/3=4.5cm
H1/3=5.7cm
T1/3=1.0s
T1/3=1.2s
T1/3=1.0s
2x10-3
1
0
2x10-3
5x10-4
1x10-3
2x10-3
1
0
2x10-3
5x10-4
1x10-3
越波量 (m3/m)
越波量 (m3/m)
2x10-3
2x10-3
越波量 (m3/m)
図-3 風による越波量出現頻度分布の変化
1.0x10-3
H1/3=3.14cm T1/3=0.84s
H1/3=4.5cm T1/3=1.0s
1)
個別波の越波量の出現頻度について，井上ら，
Francoら 2) およびVictorら 3) は水理模型実験を行い，出
H1/3=5.7cm T1/3=1.0s
8.0x10-4
H1/3=4.5cm T1/3=1.2s
H1/3=4.5cm T1/3=1.5s
現頻度が2母数のワイブル分布で表されることを示し
平均越波量
た．また，泉宮ら 4) は消波護岸における越波の現地観
測結果から，個別波の越波流量の出現頻度分布が，
6.0x10-4
4.0x10-4
形状母数が1のWeibull分布，つまり指数分布に適合す
ることを示した．ただし，これらの研究では風速の
2.0x10-4
影響は検討されていない．図 -5に本実験結果から求
めた確率密度分布を3ケースについて示す．また，図
0.0
中には期待値1の指数分布およびワイブル分布を併せ
0
5
10
15
20
25
30
35
40
風速の二乗(m2/s2)
て示している．ただし，横軸は平均越波量で基準化
図-4 風速の二乗と平均越波量の関係
した越波量である．なお，ワイブル分布の形状母数
ｍの決定については，形状母数を0.5から1.2の範囲で0.02刻みずつ変化させ，越波量の確率密
度分布への適合度について2 -検定を行い，検定値が最小となる形状母数を採用した．図より，
特徴的なこととして，いずれのケースも風速にかかわらず，基準化した越波量の確率密度分
布が一致することが分かる．各ケース間で比較すると，周期が短い2ケースについては指数分
布とワイブル分布に大差がなく，どちらの分布にもよく一致している．一方，周期の長いケ
1.2
1.2
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
1.0
y=e-x
Weibull分布(m=0.92)
0.8
0.8
1.2
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
y=e-x
Weibull分布(m=0.84)
1.0
y=e-x
Weibull分布(m=0.72)
H1/3=4.5cm
T1/3=0.84s
P(Q/Qm)
P(Q/Qm)
H1/3=3.14cm
0.6
H1/3=4.5cm
0.8
T1/3=1.0s
P(Q/Qm)
1.0
1.4
U=0.0m/s
U=3.0m/s
U=4.5m/s
U=6.0m/s
0.6
T1/3=1.2s
0.6
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.0
0.0
0
1
2
3
Q / Qm
4
5
0.0
0
1
2
3
4
Q / Qm
図-5 越波量の確率密度分布
3／6
5
0
1
2
3
Q / Qm
4
5
ースについては越波量が小さな範囲で指数分布との差異が生じており，ワイブル分布への適
合性が高い．ワイブル分布は形状母数を調整することで越波量の確率密度分布によく適合し
ているといえる．
２．飛沫の分裂・輸送過程
(1) 計測手法の概略および実験条件
アクリル版
照明
焦点位置
⾼速度カメラ
図-6に示すように，高速度カメラをバックライ
トの光源と対面するように設置し，撮影範囲を
両者の間に設定した．バックライトにはメタル
ハライドランプ（（株）フォトロン製）を使用し，
被写体となる飛沫と光源の間に乳白色のアクリ
ル板を設置して光を拡散させた．なお，光源の
2cm
光の強度は撮影した映像の鮮明度に強く影響す
るため，照明の角度や設置位置について事前に
検討した．また，撮影の焦点は水路ガラス面か
7cm
30cm
図-6 可視化実験の概略
ら2cm（被写界深度は約4mm）とし，アクリル板
を水路ガラス面から7cmに設置した．これについては画像解析における測定誤差を極力防ぐた
め，ガラス面に付着する飛沫をほぼ完全にデフォーカスし，かつ，レンズと撮影範囲の間の
ピントの合わない飛沫ができるだけ少なくなる距離を事前に調べて設定した．なお，水路の
観察部は遮光性のテントで覆い暗室とした．
画像解析の精度には解析対象の画質が大きく影響するため，本研究においても如何に解析
に適した映像を得るかということが重要となる．カメラやレンズ等の撮影機材の性能が優れ
ていれば，当然ながら質の高い（解析に適した）映像を得られる可能性が高くなる．本研究
では，当研究室で所有している高速度カメラFASTCAM SA4(model 500K)（（株）フォトロン
製）とレンズAi Micro-Nikkor 105mm f/2.8s（（株）ニコン製）を用い，それら機材において，
できるだけ解析に適した映像を得るための撮影条件について検討した．重要な撮影条件とし
てはフレームレートとシャッタースピードがあり，フレームレートは映像の滑らかさに，シ
ャッタースピードは映像のブレに影響する．安藤ら 5) は，様々な被写体の動きについて適した
フレームレートを示しており，それによれば，本研究で対象とする水理模型実験における飛
沫の飛散については少なくとも1,000fpsが必要と考えられる．強風により飛散する飛沫を撮影
するには，より大きなフレームレートが望ましいが，画像をメモリに素早く保存するために，
フレームレートが大きくなると撮影される画像の解像度が小さくなり，すなわち，フレーム
サイズが制限される．本研究で使用したカメラの場合，例えば，2,000fpsでは最大解像度（画
素数1,024×1,024）で撮影できるが，5,000fpsでは1,024×800となる．本研究では最大解像度で
撮影できる最大のフレームレートである3,600fpsを採用した．
図-7は，シャッタースピードを変えて撮影した場合の比較である．本来，画面の明るさはレ
ンズの絞りで調整できるが，被写界深度を浅くして，より断面二次元的に撮影するためには
絞りを開く必要があるため，絞りで明るさを調整できない．シャッタースピードについては，
速くなるほど飛沫を鮮明に撮れるが，露光が短いため画面が暗くなる．本研究では，飛沫の
鮮明さと画像の明るさの兼ね合いから，図-7中図に示す1/62,000sを採用した．
4／6
本研究では，画像解析に市販
のソフトウェア（（株）ディテク
ト製 Dipp-Macro ）を使用した．
この解析では，まず，得られた
映像から背景を除去し，飛沫を
白，背景を黒で表す2値化処理を
1/10,000s 1/62,000s 1/104,000s 行う．ついで，2値化画像におい
図-7 露光時間の比較
て飛沫に相当する部分を検知し
粒径と数を計測する．図 -8に解
析した画像の例を示す．この図
は，飛沫の飛散の時間経過を示
しており，例えば赤丸と緑丸で
示すように，飛沫が護岸背後へ
飛散している様子をよく理解で
T=0s T=0.005556s きる．
T=0.011112s
図-8 画像解析の結果の例
(2) 越波飛沫の計測結果
70
前述の撮影条件において，波と風を作用させ，
越波飛沫の計測を行った．入射波は規則波で波高
60
H=4.5cm ，周期 T=1.2s とし，護岸上の平均風速を
50
6.0m/sとした．図-9に護岸背後における飛沫の粒径
40
y = 127 * e^(-0.802x) R= 0.988
y = 98.6 * e^(-0.613x) R= 0.993
30
y = 46.8 * e^(-0.516x) R= 0.993
のプロセスに伴って徐々に増加，減少する様子が
見て取れる．また，飛沫の全体的な個数に係わら
ず，基本的に微小なものほど多く，大きなものほ
ど少なく，その分布は指数分布で良く近似される
t=0.112s
t=0.125s
t=0.151s
t=0.161s
t=0.175s
y = 64.7 * e^(-0.771x) R= 0.994
個数
分布の経時変化を示す．図より，飛沫の数が越波
U=6.0m/s
T=1.2s
H=4.5cm
y = 13.8 * e^(-0.428x) R= 0.995
20
10
0
< 1.0
1.5
2.5
3.5
4.5
粒径(mm)
ことがわかる．
図-9 粒度分布の経時変化
３．まとめ
風が作用する条件での個別波の越波量の出現特性について，画像解析による計測手法を用
いた模型実験を行い検討した．その結果，次のことが明らかとなった．平均越波量で基準化
した個別波の越波量の出現確率分布はワイブル分布で表される．ただし，その形状母数は波
の条件によって異なり，風は分布形状に影響しない．風は越波量そのものに影響し，平均越
波量は風速の二乗に比例する．また，直立護岸で発生する越波飛沫については，飛沫の全体
的な個数に係わらず，基本的に粒径分布は指数分布で表されることが示された．今後，本研
究の知見をもとに，現地における越波飛沫の生成と輸送過程の解明の進展が期待される．
5／6
参考文献
1) 井上雅夫・島田広昭・殿最浩司 (1989) ：不規則波における越波量の出現分布特性，海岸工学
論文集，第36巻，pp. 618-622．
2) Franco, L., M. de Gerloni and J. W. van der Meer (1994) : Wave overtopping on vertical and
composite breakwaters, Proc. 24th ICCE, pp. 1030-1044.
3) Victor, L., J. W. van der Meer and P. Troch (2012) : Probability distribution of individual wave
overtopping volumes for smooth impermeable steep slopes with low crest freeboards, Coastal
Engineering, Vol.64, pp. 87-101.
4) 泉宮尊司・濱田良平・石橋邦彦 (2006) ：消波護岸の越波流量の確率分布特性に関する研究，
海洋開発論文集，第53巻，pp. 716-720．
5) 安藤幸司・勝間田正資・辰野正和・中山泰喜・深瀬彊（1996）：流れの可視化入門，朝
倉書店，pp.164-174.
（発表論文）
1) 仲村渉・山城賢・横田雅紀，水理模型実験による越波飛沫の計測法について，平成27年
度土木学会全国大会第70回年次学術講演会，2015（発表予定）.
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