下流河床低下による農業用取水堰下流の護床変形メカニズム

要約

取水堰では下流河床低下により局所洗掘進行や傾斜進行の護床変形が生じる。前者は堰側に急速進行するが、被害は堰直下の局所洗掘に留まる。後者は緩慢進行だが広範囲な護床面の低下も起きる。

• キーワード:取水堰、護床、洗掘、改修、機能保全
• 担当:水利施設再生・保全・水利システム診断・管理
• 代表連絡先:電話 029-838-7564
• 研究所名:農村工学研究所・水利工学研究領域
• 分類:研究成果情報

背景・ねらい

築造後、種々の要因により下流河床が低下した農業用取水堰では、繰り返しの洪水により、護床工の変形や堰直下の洗掘が起きる。この変形の性状に応じて、取水堰の長期供用やライフサイクルコスト低減に資するべく最適な改修工法を適用すべきだが、変形の進行メカニズムは明らかになっていない。そこで最適な改修工法の開発に資するため、護床変形の進行メカニズムを実験的に解明する。

成果の内容・特徴

• 農業取水堰が多く、かつ下流河床低下による堰被害も生じやすい中流域の標準的な農業取水堰(河床勾配1/450、堰高3m)を再現し、洪水規模、経過時間を変えた二次元移動床水理実験(縮尺1/50、平均粒径4.3cm、下流河床低下5m(標準的な落差))を行い、護床変形メカニズムを解明する。
• 洪水規模は河床形成を規定する支配流量(数年確率流量、標準的な値6m³/s/m)から想定最大の計画高水流量(100年確率流量、同18.3 m³/s/m)で設定する。河床は支配流量に応じた形状に収束するので、この流量で安定化した河床が最終的な河床形状である。また、給砂無しの実験のため、実験結果は想定最大被害を表す。
• 下流河床が低下している状態で長期間(幾度も)洪水を受けた場合、護床工は、図1のように局所洗掘進行もしくは傾斜進行の2形態で変形していく。
• 局所洗掘進行、傾斜進行のいずれも護床直下の洗掘から発生するが、両者は、洪水流下により剥離した護床ブロックが遠方に流されるか、護床区間直下の洗掘域に留まるかで分かれる(図1)。すなわち、特定の堰に対しては洪水規模(単位幅流量)の大小により局所洗掘進行、傾斜進行に分かれる。
• 局所洗掘進行では、エプロン直下洗掘が短時間の洪水で急速に進む(図1、図2)。本実験では11m³/s/m以上の洪水規模で、一回の洪水時間相当でエプロン直下洗掘域の最大深さが6m、直下段差2mになっている(図2)。大洪水時は給砂有りでも土砂が全面的に移動するのでこの深さ、段差を堰の構造安定上、考慮する必要がある。
• 傾斜進行では、護床の傾斜化が緩慢に上流に進行するので、エプロン直下洗掘時には堰下流広範でレーン式等に基づくパイピング生起勾配面以下になる(図1)。エプロン直下局所洗掘が判明した時点で、パイピング区間長(パイピング生起勾配面以下になる区間長)も長大化する(図2)。緩慢進行だが大規模改修になるリスクがある。傾斜進行は支配流量で見られたので、洪水履歴に依らず中長期的に起きうる。
• 以上の護床変形メカニズムから、ブロック連結性の向上により大洪水時の局所洗掘進行を傾斜進行に転換させると共に、傾斜進行でのパイピング被害を防ぐべく底板敷設(図3)を行うのが、被害抑止や対策時期の判定に有効と考えられる。

成果の活用面・留意点

• 下流河床低下が護床延長の2倍地点まで接近してからの状況を解明したものである。
• 底板等(図3)の対策工法の設計手法開発には今後の更なる研究が必要である。

具体的データ

その他

• 中課題名:農業水利システムの水利用・水理機能の診断・性能照査・管理技術の開発
• 中課題番号:411b0
• 予算区分:交付金
• 研究期間:2010～2012年度
• 研究担当者:常住直人、高木強治
• 発表論文等:
  1)常住(2013)ARIC情報109(3月発行予定)
  2)常住、高木(2011)農業農村工学会関東支部大会講演会講演要旨:118-121