本文表示

農−１８
山間狭窄部における頭首工の高流速に対する護床･護岸工の設計について
旭川開発建設部
富良野地域農業開発事業所
○諏訪
隆之
安田
勉
武下
和幸
1.はじめに
国営かんがい排水事業空知川右岸（一期）地区の基幹施設である布部川頭首工は、1 級
河川石狩川水系空知川支流布部川に建設され、取水形態及び地形特性から設置位置が限定
される状況にあり、本位置では河床幅が狭く河川勾配が急なことから高流速が発生する。
本発表では、頭首工を上記地点に建設することとなった経緯および高流速に対応した護
床工および護岸工の設計について報告するものである。
2.頭首工改修の必要性
地区内の現況用水系統は、空知川頭首工掛かりと布部川頭首工掛かりで配水されており、
その大部分は空知川頭首工から取水され、現況山手幹線用水路により配水されている。
しかし、用水路の末端では必要水位が確保できず、揚水機場で加圧を行っており維持管
理費が負担となっている。
空知川ＨＷ
計画では、空知川頭首工取
水位から末端田面まで自然
山手幹線
用水路終点
布部川ＨＷ
計画取水位
WL=196.00
WL=197.20
計画
配水する動水勾配を確保す
現況取水位
WL=193.30
現況
末端田面へ自然
配水可能な水位
WL=190.90
現況
るため、老朽化した山手幹線
P 揚水機
流域変更工
用水路の改修にあわせて、用
水路ルートを山側 (高位部 )に
山手幹線用水路
図 -1
縦断模式図
移設し、揚水機の廃止および取水形態の変更 (空知川頭首工の用水を布部川頭首工上流部
へ注水、布部川の自流と合わせ布部川頭首工を本取水とする )を行う。
以上から、布部川頭首工は取水位および取水量が大きく変更となることから改修が必要
となったものである。
3.頭首工位置選定
(1)利水上の条件
山手幹線用水路
必要水位 WL=196.00ｍ
取水位
WL=197.20ｍ
布部川頭首工は、空知川頭首工か
らの流域変更による注水と布部川
取水位
WL=196.00ｍ
空知川
頭首工
(既設)
の自流水を集水し、山手幹線用水路
により受益地に配水するため、布部
布部川
頭首工
流域変更トンネル
L=3,600ｍ
損失△1.20ｍ
川頭首工位置は空知川頭首工の取
水位と受益地からの必要水位で決定さ
れる。
Takayuki Suwa,
Tsutomu Yasuda,
Kazuyuki Takeshita
図 -2
山手幹線用水路
必要水位模式図
頭首工築造位置は、利水上の条件にあてはまる位置でなければならず、既設頭首工から
上流約 200m 以内に限定される。
←下流側
上流側→
道々敷高
首工
川頭
利水条件からの
布部川頭首工設置可能範囲
SP=200
布部
既設
200
空知川頭首工取水位 WL=197.20ｍ
流域変更トンネル損失 h=1.20ｍ
布部川頭首工必要取水位 WL=196.00ｍ
195
現況築堤高≒193.00ｍ
現況河床高
有堤区間
190
図 -3
194.43
194.41
194.27
194.70
195.30
195.48
180
200
220
240
260
192.25
80
160
192.23
60
193.77
192.02
40
191.69
191.67
20
140
191.60
0
120
189.49
191.10
-20
-13
192.79
189.90
-40
100
189.02
-60
189.22
-80
-100 189.22
-120 189.05
-140 188.81
-160 188.93
測　点
-180 189.00
現況河床高
-200 188.91
185
布部川頭首工設置可能範囲図
(2)築造位置の決定
頭首工築造位置は、利水上の条件を満たす範囲で図 -4 に示す A 軸 (既設頭首工地点 )、
B 軸 (既設頭首工上流 140m 地点 )、 C 軸 (既設頭首工上流 200m 地点 )の 3 地点から、河川形
状、地質、経済性を比較し、頭首工築造地点は A 軸 (既設頭首工地点 )左岸取水とした。
頭首工
設置位置
堰上げ高
河川形状
および
治水上
の影響
経済性
総合評価
Ａ　軸
Ｂ　軸
Ｃ　軸
既設頭首工地点
既設頭首工上流
既設頭首工上流
（SP=0.0m）
（SP.140）
（SP.200）
・H=4.50m
△ ・H=2.20m
△ ・H=1.70m
・上下流の現況河道は直線
・上下流が大きく湾曲した水
・上下流が大きく湾曲した水
状と見なすことが出来るた
衝部に位置しているため、洪
衝部に位置しているため、洪
め、洪水時でも安定した流 ○ 水時の挙動が複雑となり、堰 × 水時の挙動が複雑となり、堰
況である。
を設置することにより流況を
を設置することにより流況を
更に複雑にする。
更に複雑にする。
19億円
○
22億円
△
22億円
・上下流が大きく湾曲した水
・他地点と比較して、堰上
・上下流が大きく湾曲した水
衝部に位置していることか
衝部に位置していることか
げ高は高いが流心が直線状
ら、洪水時の流速が大きく、
ら、洪水時の流速が大きく、
で流速変化が少なく、安定
しており流水による河床変 ◎ 挙動も複雑なため堰の設置地 × 挙動も複雑なため堰の設置地
点として不適当。
点として不適当。
動の少ない地点である。
・他地点と比較して経済的
・A軸に比較して経済性でや
・A軸に比較して経済性でや
である。
や劣る。
や劣る。
表 -1
○
×
△
×
頭首工位置比較表
図 4
頭首工位置比較図
布部川頭首工計画地点
4.頭首工設置位置の河川の状況
(1)河川改修計画
本河川は、平成 8 年度に河川改修の方向性を立
布部川
空
知
川
3
400m 3/sec
600m /sec
380m 3/sec
230m 3 /sec
160m 3/sec
案する目的で『河川整備基本計画 (旭川土木現業
人
見
沢
川
所 )』が立てられており、下記のとおりとなって
いる。
1)空知川合流点から国道区間 (L=1.0km)は直轄事業
図 -5
下
の
沢
川
白
鳥
川
ポ
ン
布
部
川
流量配分図
(河川法施行令第 2 条第 7 号 )において国で改修を行っている。国道橋から山付き区間
は、局部改修 (S45.L=0.9km)で改修済みである。
2)頭首工築造地点を含む山付き区間は、現況流下能力が計画流量を満たしているため、
改修の必要性はない。
3)計画高水流量は、図 -5 のとおり空知川本川で流量配分が定められており、Q=600m3/s
である。
以上のことから頭首工築造地点では計画高水流量は設定されているが、改修計画断面は
設定されていない
(2)現況河川の状況
1)現況の地形
頭首工計画位置付近の河道は、複
雑に湾曲し既設頭首工付近および
その上流 80m 付近では両岸とも岩
盤がせり出し、狭窄部を形成してい
る。河床勾配は、既設頭首工と上流
に位置する滝の上橋で落差が形成さ
図 -6
現況縦断平面図
れ、大きく変化しており、既設頭首工より下流は扇状地が形成され河床勾配は 1/150 で築
堤が設置された複断面となっている。既設頭首工より上流は谷が狭く河床勾配は 1/65、
滝の上橋付近はより急な 1/25 となっている。
2)現況河川の断面評価
頭首工計画位置上流における断
面評価として、既設頭首工付近及び
上流 80m 付近で狭窄部が形成され
ていることから、この区間内の拡幅
部分を死水域とし、これを除いた断
面で不等流計算を行った。
図
図 -7
現況平面図
(3)河道断面計画
頭首工築造地点の河川は、改修計画がないため築造における断面計画を行った。
1)断面形状
頭首工築造地点の現況河床幅は、全体的な平均値で約 11m である。低水路幅は、流水の
乱流や土砂の堆積を防止するため、過去の長い歳月で形成された現況河床幅を重視して設
定し、 B=11m の矩形断面とした。
2)縦断計画
現況の河床勾配は、既設頭首工
の下流で 1/150、上流は 1/65 の
安定した河床勾配を示している。
頭首工敷高は、上下流の現況河床
形態を重視して、既設頭首工敷高
と同じ標高 EL=191.50m とした。
これにより、計画河床勾配も現
況河床勾配を保持することができ、
図 -8
縦断計画図
安定した河床状態が確保できるものと考えた。
5.頭首工築造地点の河川流況
河川の流況は、頭首工築造区間を現況および築造後において不等流計算を行い、改修範
囲において流況の確認を行った。
●計算条件
粗度係数 :n=0.04、計算方法 :不等流計算、起算点水位 :頭首工築造地点下流 1100m(昭
和 58 年度に改修されている位置の等流水位 )
●計算結果および高水位
図 -9
水理縦断図
6.設計の課題
布部川頭首工は、取水形態の変更に伴い築造位置を狭窄部で急流の区間に設置せざるを
得ない状況にあり、前項で示したとおり最大で 11m/s の流速が発生する。
このような高流速が発生する地点に頭首工を設置する必要があることから、以下の２点
について頭首工の安全性の検証が必要と考えた。
1)流速の軽減方法、 2)護床、護岸の安全性
(1)流速の軽減方法
断面拡幅により、流速の軽減を図った。拡幅量は、左岸の地山に影響を与えない範囲と
した。
拡幅後の流況は、図 -11
に示すとおり約 1.5m/s 程
度の改善しかみられない
結果となった。
流速を抑えるためには、
断面はもとより河床勾配
も緩くする等の対策が必
要となるが、現地の状況
から河床勾配の緩和は困難
図 -10
拡幅計画図
であり、また断面拡幅は、
流速の比較
右岸側には道々が平行し、
測　点
図 -11
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
-20.00
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
性を検証することとした。
-120.00
応する護床・護岸の安全
-140.00
このため、高速流に対
-160.00
幅は困難な状況である。
-180.00
から両岸へのさらなる拡
14.00
13.00
12.00
11.00
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
-200.00
境への影響が大きいこと
流　速(m/sec)
左岸側は景観及び自然環
計画断面
拡幅断面
流速比較図
(2)護床、護岸の安全性
1)護床ブロックの安全性の検証
護床ブロックは、護床区間で発生する最大流水力（最大流速）に対して、抵抗し安定し
ていることが必要である。
護床区間の最大流速は、計画高水流量流下時に発生するため、その時の最大流速に対し
て必要なブロック重量を決定し、決定した重量において安定性の検証を行った。検証方法
は、流体力によるブロックの滑動を検証した。検証地点は、最大流速発生地点で行った。
結果は、次項に示すよう基本式を満足する結果が得られており、安定性は確保された。
μ (Wwcosθ -L)≧ ((Wwsinθ ) 2 +D 2 ) 1 / 2
基本式
ここに
μ ：摩擦係数（一般に μ =0.65）
Ww：ブロックの部材水中重量
θ：法面勾配
0、 L:揚
3,700kg
力、 D:抗
力
護床工は、鉄筋で連結され一体性が保たれていることから、
「滑動－群体」モデルで
検証した。
揚力 L=1/2ρ wC L A g V d 2
ρ w：水の密度
抗力 D=1/2ρ wC D A D V d 2
102kgf・ s 2 /m 4 、 C L ：揚力係数
Ag：部材の突出部の上方投影面積
1.00、 C D ：抗力係数
0.25m
AD：部材の突出部の流下方向投影面積
Vd：近傍流速
1.60
2
0.25m 2
5.84m/sec
Hd:設計水深（ 2.93ｍ）：最大流速発生地点水深
ks:相当粗度（ 0.04）、 Vo:代表流速（ 11.48m/sec）：最大流速
揚力 L=434.85
抗力 D=695.75
μ (Wwcosθ -L)=2122.35
((Wwsinθ ) 2 +D 2 ) 1 / 2 =695.75
2122.35.35≧ 695.75～ OK
（河川砂防基準より）
2)護岸ブロックの安全性の検証
護岸ブロックは、護床ブロックと同様に区間で発生する最大流水力（最大流速）に対し
て、抵抗し安定していることが必要である。
護岸区間の最大流速は、計画高水流量流下
時に発生する。護岸ブロックの控え厚および重量は、その時の最大流速に対して決定を行
った。ここで、決定したブロック控え厚は、市販のブロック (カタログ上の製品 )で不足す
る結果となったことから、工場製作により市販のブロックをを嵩上げすることで対応した。
1.計算モデル
ブロック同士が結合されて一体となった状態であるため、
「滑動－群体」モデルとし
て取り扱う。
(1)近傍流速 (Vd)
Vd=8.5/{6.0+5.75log10(Hd/ks)}
Hd:設計水深 (=2.93ｍ :最大流速発生位置水深 )
ks:相当粗度 (=0.04)
Vo:代表流速 (11.48m/sec):最大流速
(2)抗
力 (D)
D=ρ ｗ /2･C Ｄ･A Ｄ･V ｄ 2
(kgf)
ρ ｗ：水の密度 (=102kgf･s 2 /m 4 )
ＣＤ：抗力係数 (=0.121)実験値による推定値
ＡＤ：群中ブロック１個の抗力に関する投影面積 (=0.167)
(3)揚
力 (L)
L=ρ ｗ /2･C Ｌ･A ｇ･V ｄ 2
(kgf)
ＣＬ：揚力係数 (=0.031)実験値による推定値
Ａｇ：群中ブロック１個の突起部についての揚力に関する投影面積
(=0.951)
(4)部材水中重量 (Ww)
μ (Ww･cosθ -L)≧ ((Ww･sinθ ) 2 ＋ D 2 ) 1 / 2
：摩擦係数 (=0.65)
θ ：法面の傾き (法面部 (1:2.0)=26.565°)
(5)必要控え厚 (tb)
tb={Ww/(ρ b-ρ w)･g･Kv･Ab}1.3
ρ b：法覆工の密度 (=235kgf･s 2 /m 4 )
Ｋ v：体積補正係数 (=1.00)
Ａ b：法覆工を上方から見た場合の投影面積
(=0.951)
（護岸の力学設計法より）
2.計算結果
市販されている大型張りブロックにおける各投影面積値に基づき必要控え厚 (重量 )
の算出を行う。
代表流速
設計水深
近傍流速
抗力
揚力
Vo(m/s)
Hd(m)
Vd(m/s)
D
L
11.48
2.93
5.84
35.15
51.28
部材水中
必要重量
Ww(kgf)
285.0
必要控え厚
tb(cm)
29.9
以上より、控え厚は 29.9cm のブロック重量が必要となった。
市販のブロック単体での控え厚は 16cm（ 400kg/m 2 ）であることから、必要控え厚が
不足するため、工場製作により上記必要控え厚である 29.9cm(720kg/m 2 相当 )に嵩上げ
を行うこことした。
図 -12
護岸工断面図
図 -13
布部川頭首工一般図
7.おわりに
布部川頭首工は、急流河川で狭窄された位置に頭首工を築造するため、高速流に対する
頭首工の安全性についての検討が必要となった。
本頭首工のような高速流が発生する事例は全国的にも数例しかなく、頭首工の安全性が
河川協議でも議論となったが、護床・護岸ブロックにより施設の安定を保つこととなった。
頭首工工事は平成１５年３月から工事が始まり、現時点で堰柱本体、魚道、上下流擁壁
の施工及び部分的に護床・護岸ブロックの布設も進めており、平成１７年度の供用開始に
向け鋭意工事を進めている状況である。

Download Report