ため池堤体の降雨・浸透模型実験 Model tests of small earth dam

ため池堤体の降雨・浸透模型実験
Model tests of small earth dam embankments during rainfall
○堀俊和 *
毛利栄征 *
松島健一 * 有吉充 *
HORI Toshikazu * , MOHRI Yoshiyuki * MATSUSHIMA Kenichi * and ARIYOSHI Mitsuru *
１．はじめに
築造年代が古い農業用ため池では，豪雨時に下流斜面にすべりが発生する
事例が多く報告されている．降雨時には天端や下流斜面から降雨浸透が発生するが、浸透
に伴いサクションが消失して堤体土の強度が低下するといわれている。本研究では、降雨
によるサクションの消失が堤体全体の安定性にどのような影響を及ぼすかを調べるため、
降雨模型実験を行った．
２．模型実験の方法
降雨ノズル
実験に用いた模型
の形状を Fig.1 に示す．Fig.2 に示す鉾田
砂（山砂）を用い，含水比 12%，乾燥密
DH05
度 1.460g/cm3 の堤体模型を作成した．こ
下流
の模型を用いて上流側の貯水位を模型底
PS19
Case1 は降雨を作用させずに貯水位を上
昇させるケース、Case2 は 5mm/hr の降雨
を継続的に作用させながら貯水位を上昇させるケ
ースである。堤体内部にはテンシオメータを 24
個、堤体表面にはレーザー変位計を 12 台設置した。
また、模型の側面のアクリル板を通してデジタル
カメラによる写真撮影を行い、PIV 解析(White
Fig.3、4 にそれぞれ Case1、Case2
PS04
上流
PS08
PS09
PS11
PS14
PS20
Fig.1
PS15
PS16
PS23
PS24
実験に用いた模型の概要図
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0.001
ら,2001)によって断面の変位を算出した。
３．実験結果
PS06
PS02
PS18
通過百分率 (%)
を測定した。実験は２ケース行った。
PS17
PS05
PS01
125cm
DH02
PS10
DH01 PS12 PS13
から 45、80、100、110、120cm と段階的
に上昇させて模型内の間隙水圧と変形量
DH04 PS03
DH03
0.01
0.1
1
10
粒径(mm)
Fig.2
鉾田砂の粒度分布
の貯水位上昇中におけ模型表面の水平変位の変化、
Fig.5、6 に間隙水圧分布と崩壊形状を示す。
Case1 の結果：Case1 では、降雨を作用させていないため、Fig.5(a)に示すように天端に高
いサクションを残しながら浸潤線が上昇した。貯水位 80cm の段階で毛管上昇によって法
先が浸潤し、法先に若干の変形が始まる（ Fig.3）ものの崩壊は発生しなかった。その後、
貯水位 110cm の段階で、下流斜面全体が浸潤すると、下流斜面上端にクラックが発生し、
貯水位 120cm の段階で深いすべり面を伴った崩壊が一気に生じて決壊に至った（Fig.5(b)）。
Case2 の結果：Case2 では、降雨を作用させながら貯水位を上昇させたため、天端のサクシ
ョンはほとんど消失した状態で浸潤線が上昇した（Fig.6(a)）。貯水位 80cm の段階で法先が
変形し始め（ Fig.4）、その後、貯水位の上昇とともに下流法先から上流側に向けて小さな
逐次崩壊が繰り返し発生し（Fig.6(b)）、貯水位 120cm の段階で崩壊が天端に到達して決壊
に至った。
４．サクションと変形・崩壊パターンに関する考察
Fig.7、8 にそれぞれ PIV 解析を用い
［ *農業工学研究所］［ *National Institute for Rural Engineering］［ため池 ,降雨 ,模型実験］
て模型側面のデジタルカメラ画像から算出した崩壊直前の変位分布を示す。Case1 では下
流斜面全体に変位が発生し深いすべり面を形成しているのに対し、Case2 では斜面表層部
だけに変位が集中していることが分かる。Case1 ではサクションによる強度増加によって
表層崩壊が発生しないため、貯水位上昇に伴う浸透力の増加とともに堤体全体に変形が蓄
積したものと考えられる。一方、Case2 のように降雨によって斜面表面からサクションの
消失による強度低下が発生すると、斜面表層部の安定性が損なわれ、より低い貯水位の段
階から表層部の逐次崩壊が発生しやすいものと考えられる。
Crack1 Crack2
80cm
2
Horizontal displacements(mm)
0
DH05
DH01
-4
DH02
-6
DH01
DH02
DH03
DH04
DH05
-8
-10
-12
-14
235000
240000
245000
250000
0
DH03
-2
-12.5
-11.5
-6
DH01
DH01
DH02
DH03
DH04
DH05
-8
-10
-12
-14
255000
490000
495000
-6.0
-4.8
-3.9
-2.9
-2.4
-0.4 -2.8
-0.8
-2.3
-1.3
-3.5
-2.2
0.3
1.3
(a)
-2.8
-1.8
-1.3
-1.6
-1.4
0.6
0.5
1.5
0.7
1.7
1.7
2.7
最終的な
すべり面
-9.7
-8.7
0.2
2.2
-0.9
0.3
-0.2
1.0
1.2
0.2
0.4
2.4 0.3
2.3
-2.7
-1.7
-1.0
0.2 -1.5
-0.3
-0.8
1.0
2.5
2.7
4.0
2.4
1.8
2.0
4.1
0.0
0.1
0.6
1.1
1.6
1.7
3.7 2.1
2.6
3.0
3.5
4.0
4.6
5.6
4.5
5.0
5.5
6.0
4.4
6.4
7.9
8.9
2.2
3.2
6.6
7.6
10.0
9.0
0.0
-2.6
-1.4
-1.6
-0.5
0.5
0.4
-0.6
1.0
0.0
0.1
0.4
0.5
1.2
2.2
2.3
3.3
0.0
0.7
1.7
2.7
3.7
4.7
(a)
初期状態（ W.L.=45cm、降雨量 5mm/hr）
-2.0
-0.5
0
-0.1
5
10
1.7 1.6
-0.4
0.5
-1.2
-1.7
逐次崩壊
-5
7.9
8.9
9.9
10.9
11.9
-2.7
-1.5
-0.5
(kPa)
-10
7.0
-2.1
0.0
(a)
-0.2
1.3
-0.4
0.6
0.0
0.7
1.7
2.6
3.6
4.6
初期状態（ W.L.=45cm）
クラック
-1.7
-1.8
-1.5
-1.2
-2.3
-1.7
-1.9
0.2
505000
模型表面の水平変位の変化 (Case2)
降雨によりサクショ
ンは消失
-2.1
-0.6
0.1
1.1
0.0
Fig.4
-8.5
-6.5
-4.8
-3.3
500000
Elapsed Time(min)
-10.3
-8.3
-9.7
-8.5
DH05
-4
模型表面の水平変位の変化 (Case1)
天端・斜面表面
は高いサクショ
ン状態
120cm
DH04
DH02
2
Elapsed Time(min)
Fig.3
110cm
4
DH03
-2
100cm
80cm
120cm
DH04
4
Horizontal displacements(mm)
110cm
1.3
2.4
0.0
0.8
(kPa)
-10
-5
3.1
0
2.0
2.7
5
4.7
6.6
5.7
8.1
10
1.4
2.3
0.0
(b)
逐次崩壊進行中（ W.L.=110cm）
(b) 崩壊直前（ W.L.=120cm）
Fig.6
模
型
堤
体
内の間隙水圧分布と崩壊形状（ Case2）
Fig.5 模型堤体内の間隙水圧分布と崩壊形状（ Case1）
1mm
クラック
最終的なすべり面
Fig.7
すべり発生前の模型堤体の変位分布
Case1（ W.L.=120cm）
1mm
逐次崩壊による
すべり線
Fig.8
すべり発生前の模型堤体の変位分布
Case2（ W.L.=110cm）
参考文献：D.J.White, W.A.Take, M.D.Bolton, Measuring soil deformation in geotechnical models using digital images and
PIV analysis, Proc. 10 th Int. Conf. Computer Methods and Advabces in Geomechanics, pp997-1002, 2001

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