ブロックマットを用いた 越流堤構造に関する水理実験 浜口 憲一郎 ○市山 誠 江島 敬三 平林 正徳 キーワード ブロックマット、越流堤、越流特性、遊水池、水理模型実験 概 要 コンクリートやアスファルトフェイシングが一般的な遊水池の越流堤形式について、従来 にはないブロックマットを用いた越流堤構造の越流水に対する安定検討を原寸代の模型に よって行った。 検 討 の 結 果 、ブ ロ ッ ク マ ッ ト の 越 流 係 数 、必 要 重 量 及 び 設 計 施 工 時 の 留 意 点 が 明 ら か に な っ た。本報告は、この実験結果と今後の課題について論ずる。 1.は じ め に 本 実 験 は 、霞 ヶ 浦 に 合 流 す る 新 利 根 川 の遊水池計画にともなう検討業務の一 部である。新利根川遊水池の越流堤型式 については、従来にはない新しい型式の 越流堤構造が検討されている。新たな越 流堤構造としては、越流堤の植生化、多 自然化を考慮して植生ブロックなどに より越流堤を被覆する構造等である。 ブロックマットを用いた越流堤の構 造型式については建設省土木研究所河 川部において基本的には了承されてお り 、法 尻 部 の 流 況 、流 速 に 対 す る 安 定 性 、 越流堤背面での土砂の吸い出し等につ いて留意する事が指摘されている。 ブロックマットを用いた越流堤は現 時点では実施例がなく以下の点が不明 である。本実験は、この問題点について 実物代の越流堤模型を用いた水理実験 により、その安定性・水理特性を把握す ることを目的として行った。 ① 越流堤天端部が凸凹している形状で の越流流況、越流係数等の越流特性 ② 越流堤背面の法尻部流況と洗掘状況 ③ 斜面上の高速流に対し設置する吸い 出し防止シートとブロックマットの 滑動に対する安定性 2.越 流 堤 形 式 の 選 定 ブ ロ ッ ク マ ッ ト 形 式 に は 、人 工 の コ ン クリートブロックをシートに接着した タイプと、自然石を接着したタイプがあ る 。ま た 、類 似 の 工 種 と し て 連 結（ 連 節 ） ブロックがある。 表 1 に 示 す よ う な 比 較 検 討 の 結 果 、経 済性と基礎地盤への負荷の少なさに優 れ、越流流況の安定性にも優れていると 考えられる「コンクリートブロックマッ ト」を越流堤の法覆工に採用した。 表 形 状 1 越流堤法覆工構造の比較 構造概要 重 量 多 数 の ｺﾝｸﾘｰﾄ ﾌﾞﾛｯｸを ﾌﾟﾗｽ ﾃｨｯｸ製 ﾌｨﾙﾀｰ ｼｰﾄに 一 体 化 （接着）して ﾌﾞﾛｯｸﾏｯﾄを 作 り、これを法 面に直接敷設 する。 総合評価 評価記号 施工性、経済 性に優れてお り、環境的に も覆土との併 用によりコン クリートを見 えなくするこ とが可能であ る。 140kg/m2 ○ ｺﾝｸﾘｰﾄﾌﾞﾛｯｸ を鉄筋によっ て数珠つなぎ にして法面に 敷 設 す る 。 ﾌﾞ ﾛ ｯ ｸ は 、長 方 形 又は多角形で 厚 さ 25cm 程 度、鉄筋を通 すために２本 の穴をあけて いる。 ブロックのず れと、それに 伴う堤体土の 吸い出しが懸 念され、越流 堤としては適 当ではない。 250∼ 350 kg/m2 ○ 自然石を金網 に ｱﾝｶｰに よ っ て固定する か 、 樹 脂 製 ﾏｯ ﾄに 接 着 し て 一体化し法面 上に敷設する 工法。自然石 の 固 定 ｼｰﾄに 金網を使用す る場合は、吸 い出し防止材 を併用する。 環境的には最 も優れている が、軟弱地盤 である本件で は、経済性も 含めてコンク リートタイプ に劣る。 250 kg/m2 ○ 3.実 験 概 要 3.1 模 型 縮 尺 模 型 縮 尺 は 以 下 の 理 由 に よ り 、実 物 大 の１／１とする。 本 実 験 は 、越 流 堤 の 形 状 だ け で は な く 、 法覆工に用いるブロックマットも模型 に再現する。 ブロックマットを縮尺模型にすると、 ブロックの形状効果の再現性が悪くな り、ブロックの形状抵抗等が越流水深に あたえる影響を正確に測定できない。 ブロックマットを縮尺模型化すると、 容積と重量の関係から本来と異なる材 料によって模型を製作する必要が生じ る。 3.2 堤 体 及 び ﾌﾞﾛｯｸﾏｯﾄの 構 造 1)水 路 及 び 堤 体 堤体を構築する直線水路は、コンク リ ー ト 擁 壁 を 1.0m 幅 で 平 行 に 設 置 し 製 作した。水路の延長は、越流堤堤体部、 減 勢 工 部 が 入 る よ う に 約 20.0m を 確 保 し た 。直 線 水 路 の 上 流 側 に は 、 2.5m×4m の 整 流 層 と 刃 型 の 幅 が B=1500mm の 流 流量検定堰を設置する。直線水路の下流 図 1 側には、減勢工部の水位を調節可能とす る水位調節ゲートと帰還水路を設ける。 水 路 内 に は 、表 法 勾 配 1 : 2 、天 端 幅 3 . 0 m 、 裏 法 勾 配 1:4 の 越 流 底 を 江 戸 崎 の 堤 体 土 を 用 い て 築 造 し た 。図 1 に 実 験 水 路 及 び 堤体の一般図を示す。 2)法 覆 工 法覆工に使用するブロックマットは、 市販の製品を用いるものとし、一般的な 形状である長方形のブロックがフェル トマット上に接着された形式とした。 実験に用いるブロックマットは１ユ ニットあたり６．０ｍであり、これを越 流堤及び減勢工上に敷き並べて使用す た 。 接 続 部 の 重 ね 代 は 500mm を 基 本 と し、接続部毎に異形鋼棒を打ち込み、 シートのずれを防止した。 3)吸 い 出 し 防 止 材 ブロックマットは、コンクリートブ ロックがフェルト系のマットに接着固 定された構造となっている。このマット にはある程度の吸い出し防止効果は期 待できるが、マットの主目的がコンク リートブロックの固定にあるため、ブ ロックマットの下に吸い出し防止材を 設 置 し た 。 （ 参 照 ： 図 2） 実験実験水路一般図 ﾌﾞﾛｯｸ固 定 シ ー ト 3mm ｺﾝｸﾘｰﾄﾌﾞﾛｯｸ 吸 い 出 し 防 止 シ ー ト 10mm 図 2 吸い出し防止シートの配置 3.3 実 験 項 目 と 水 理 的 実 験 条 件 1)越 流 特 性 実 験 越流水深と単位幅越流量（水路通水 量）の関係を測定し、完全越流時の越流 公式により越流係数を逆算する。 通 水 流 量 は 、最 小 0 . 1 m 3 / s か ら 0 . 5 m 3 / s めでの５ケースを対象とした。なお、本 実験が対象とする越流堤の計画越流量は、 単 位 幅 当 た り 0.5m3/s で あ る 。 Ｑ ＝ Ｃ ０ ・ Ｂ ・ ｈ 13/2 写真 1 ﾌﾞﾛｯｸﾏｯﾄの 施 工 状 況 ‥‥式1 こ こ で 、Ｑ は 越 流 量 (m3/s)、Ｃ ０ は 越 流 係 数 、Ｂ は 越 流 堤 幅 ( 1 . 0 m ) 、ｈ １ は 越 流 水 深である。 2)ブ ロ ッ ク マ ッ ト 安 定 実 験 この実験では、ブロックマットの越流 堤斜面上の流れに対する安定を確認する。 越流堤斜面部は、越流水が射流状態で 高速流下する場所であり、斜面部の下流 端では減勢工に溜まった流水に激しく衝 突する場所である。よって、斜面部の流 速を測定すると共に、ブロックマットに 作用する流体力を直接測定し、ブロック マットの安定条件を明らかにする。 写真 2 越 流 堤 天 端 部 の ﾌﾞﾛｯｸﾏｯﾄ 3.4 実 験 方 法 1)越 流 水 深 の 測 定 越流特性実験において必要な越流水深 は、越流堤の天端高を基準とした流入側 （本川側）の水深で定義される。 越流水深を算出する際の本川側水位の 測定位置は、水面が安定した位置で測定 する必要があり、越流堤から出来る限り 離れ、水路上流側の整流層からの流入の 影響を受けない位置の水位として、図 3 の No.２ か ら No.3 の 平 均 水 位 を 用 い る 。 写真 3 実験水路全景 図 3 越流部の水位測定位置 2)流 体 力 の 測 定 ブ ロ ッ ク マ ッ ト 安 定 実 験 に お い て 、ブ ロック単体に作用する流体力（主に揚 力）は、シートから剥がしたブロックに 鋼製のロッドを取り付け、ロッド上部に 取り付けた圧縮・引張力を測定できるセ ン サ ー（ ロ ー ド セ ル ）に よ っ て 測 定 す る 。 ロ ー ド セ ル か ら の 信 号 は 、ア ン プ 及 び Ａ／Ｄ変換器をを経由してパーソナル コンピュータに連続的に保存する。 揚力と同時に電磁流速計からの信号 も連続的にパーソナルコンピュータに 取り込み水平及び鉛直方向の流速成分 として保存する。 図 5 流体力測定位置 4.実 験 結 果 4.1 越 流 特 性 実 験 1)越 流 特 性 単 位 幅 当 た り 0.4m3/s ま で は 、 本 実 験 の越流係数が水理計算で一般的に用い ら れ る 「 本 間 の 係 数 」 1を 最 大 1 0 % 上 ま わっている。これは、本間の式が上流法 面 勾 配 1:1.3 程 度 ま で を 対 象 と す る こ と 対 し て 、 本 件 の 上 流 側 法 面 勾 配 が 1:2 と 緩く、越流し易くなっていることによる。 0.5m3/s の 越 流 量 の 場 合 に は 、 実 験 結 果と本間の式の値がほぼ一致する。これ は、越流水深の増加に伴い側壁の摩擦の 影響により越流し難くなるためである。 2)越 流 流 況 0.3m3/s の 越 流 量 ま で は 、 水 面 は 非 常 に滑らかであり、安定した越流流況であ る。それ以上の越流量となると水面付近 に泡や波紋が目立ち始める。 図 4 流体力測定装置正面図 1 水理公式集 土木学会編 し か し 、ブ ロ ッ ク マ ッ ト の 凹 凸 に よ る 著しい流水の乱れ等は観察されなかっ 図 6 た。 越流量と越流係数の関係 写真 4 越 流 量 ＝ 0.1m3/s 写真 6 越 流 量 ＝ 0.4m3/s 写真 5 越 流 量 ＝ 0.2m3/s 写真 7 越 流 量 ＝ 0.5m3/s 4.2 ブ ロ ッ ク マ ッ ト の 安 定 実 験 1)法 面 上 の 流 速 及 び 流 況 越 流 量 0.5m3/s 時 の 斜 面 上 の 流 速 は 、 図 7に 図 示 す る と お り で あ る 。 下 述 の 実 験結果が得られた。 法 肩 部 に 置 い て 約 1 . 7 m / s の 流 速 は 、斜 面を下るにしたがい徐々に加速し、法先 か ら 上 流 側 約 1.5m に 位 置 す る No.13 地 点 付 近 で 最 大 流 速 4.4m/s に 達 す る 。 法先付近では、減勢工に溜まった流水 の減勢工効果によって、急激に流速が低 減 し 、法 先 部 で 約 2.7m/s そ の 下 流 1m の No.17 地 点 で は 2.0m/s 以 下 に 減 速 す る 。 越 流 量 0.5m3/s 以 外 の ケ ー ス を 含 め て 、 最大流速が発生する場所は、斜面上の射 流状態の越流水が減勢工の跳水部に突入 した直後である。 写真 8 斜 面 上 の 流 況 ： 越 流 量 0.5m3/s 写真 9 減 勢 工 の 流 況 ： 越 流 量 0.5m3/s 2)ブ ロ ッ ク マ ッ ト の 浮 き 上 が り 0.4m3/s の 通 水 に よ っ て ブ ロ ッ ク マ ッ トに浮き上がりが生じた。浮き上がりの 最も著しい場所は、跳水部周辺であり、 最 大 約 10cm で あ っ た が 、 シ ー ト か ら コ ンクリートが剥がれる事態には至らな かった。 このような状況を踏まえて、次に記す 流体力の測定実験を行った。 図 7 斜 面 上 の 流 速 、 水 位 ： 越 流 量 0.5m3/s 3)ブ ロ ッ ク に 作 用 す る 流 体 力 主に揚力である流体力の時系列デー タ に は 流 水 の 乱 れ を 含 ん で い る 。図 8 に 示すように揚力の時間分布が正規分布 にしたがうものと判断し、標準偏差σの ３倍値を揚力の最大値とした。 ブ ロ ッ ク 一 体 に 作 用 す る 揚 力 は 、越 流 量 0 . 5 m 3 / s 時 に N o . 4 で 最 大 8 . 6 8 k g f（ 約 9kg） 、 No.０ か ら No.３ ま で は 、 5.0 か ら 6 . 0 k g f で あ る こ と が 判 っ た 。（ 参 照 ： 表 2） 1.4 測点2 度数分布 1.2 平均値=5.00kgf 標準偏差=0.38 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -5 -4 8 図 表 流量 300㍑/s 400㍑/s 500㍑/s 550㍑/s -3 2 -2 -1 0 1 2 3 4 5 揚力測定結果の確率分布 ブロックに作用する流体力 測点 平均値(kgf) 標準偏差値 揚力（x=3σ) 平均値(kgf) 標準偏差値 揚力（3σ) 平均値(kgf) 標準偏差値 揚力（3σ) 平均値(kgf) 標準偏差値 揚力（3σ) NO.0 3.16 0.40 4.36 3.52 0.36 4.60 3.99 0.37 5.10 4.30 0.34 5.32 NO.1 4.21 0.30 5.11 4.72 0.32 5.68 5.23 0.32 6.19 5.68 0.29 6.55 NO.2 4.51 0.42 5.77 4.64 0.40 5.84 5.00 0.38 6.14 5.06 0.39 6.23 NO.3 4.00 0.38 5.14 4.27 0.42 5.53 4.23 0.42 5.49 4.24 0.41 5.47 NO.4 4.09 0.79 6.46 4.78 0.99 7.75 5.29 1.13 8.68 5.43 1.09 8.70 i)平 均 的 に 作 用 す る 揚 力 越 流 量 0.5m3/s 時 に つ い て 整 理 す る と 、 ブロック単体に採用する平均揚力は、 No.4 地 点 に お い て F=5.3kgf 本実験に使用したブロックマットは、 1.0ｍ ２ 当 た り 25 基 の ブ ロ ッ ク が 接 着 さ れているため、単位面積当たりの揚力は、 Σ Ｆ ＝ 5.3kgf×25 基 ＝ 132.5kgf/ｍ ２ ii)最 大 揚 力 ブロック単体に採用する最大揚力は、 Ｆ max=8.7kgf‥ ‥ 測 点 ４ ‥‥測点０∼３ 単 位 面 積 当 た り の 揚 力 は 、次 の よ う に 算定される。 Σ Ｆ ＝ 8.7kgf×25 基 ＝ 217.5kgf/ｍ ２ ‥‥測点４ Σ Ｆ ＝ 6.2kgf×25 基 ＝ 155.0kgf/ｍ ２ ‥‥測点０∼３ 5.結 論 及 び 今 後 の 課 題 5.1 結 論 正規分布 1.0 Ｆ max=6.2kgf 本 実 験 結 果 は 、断 面 形 状 が 一 種 類 の 越 流堤に対するものであるが、各の実験か ら次のことが明らかになった。 法覆工にブロックマットを用いた越 流堤でも、正面越流状態において、一般 的な台形堰と同等の越流特性が得られ る。 ブロックマットで被覆された越流堤 天端部は、計画越流量に対して安定であ る。 越 流 堤 斜 面 部 の 最 大 流 速 は 4.5 か ら 5.0m/s で あ り 減 勢 工 へ の 突 入 部 周 辺 で 発生する。 通 水 時 の 流 況 及 び 0.4m3/s 通 水 時 の ブ ロックの浮き上がり状況から判断して、 斜 面 法 先 部 か ら 上 流 2 . 0 m（ N O . 1 3 ）ま で は、測点４で測定された揚力に耐えうる ブロックマットとその固定方法が必要 である。 本実験の使用したブロックマットの 単 位 面 積 当 た り 重 量 は 、1 0 5 k g f で あ る た め、平均揚力及び最大揚力に対してもブ ロックマットの固定が必要となる。ブ ロックマットの固定に必要なアンカー 等の支持力は次のとおりである。 斜 面 法 肩 ∼ 法 先 上 流 2.0m Ｆ Ｒ ＝ 155-105＝ 50.0kgf/ｍ ２ 斜 面 法 先 上 流 2.0m∼ 法 先 Ｆ Ｒ ＝ 217.5-105＝ 112.5kgf/ｍ ２ 5.2 今 後 の 検 討 本 実 験 終 了 後 、ブ ロ ッ ク メ ー カ よ り ブ ロックの提供をうけ、本実験に用いたブ ロックより重量があり、表面の凹凸によ る粗度の大きなブロック関する安定実 験を進めている。 今 後 、ブ ロ ッ ク マ ッ ト の 固 定 の 必 要 性 も含めて取りまとめる予定である。
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