浸透流を含む河川水理模型実験の相似性を満たす実行可能対策の提案

Research Project

Project/Area Number	21K04270
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 22040:Hydroengineering-related
Research Institution	Nagaoka University of Technology
Principal Investigator	楊宏選長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00324004)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	細山田得三長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (70262475)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords	透水係数の相似 / 透水係数の速度縮尺 / フォルヒハイマー係数 / 非ダルシー流 / ダルシー流 / 圧力相似 / 模型実験 / 河川流と浸透流の同時相似 / 浸透流 / 河川流 / 相似性
Outline of Research at the Start	河川の模型実験はフルード相似則に基づいて行われるが，河川構造物にまつわる移動床・固定床模型実験は，多くの場合，浸透流・洗堀を含むことになっている．しかし，浸透流を含む河川流の模型実験は浸透流の相似まで考えていないのが現状である．これは構造物底面の受ける揚力，地盤中動水勾配が模型実験で得られないことを意味し，構造物の安定性評価，地盤のパイピング評価などに影響を及ぼす．本研究は，数値計算と模型実験を通して，浸透流を含む河川流の水理模型実験に実現可能な相似の要件および対策を提案する．
Outline of Annual Research Achievements	本研究は模型実験スケールと実物スケールの浸透流の相似性を、数値実験を以って確認するアプローチをとっているから、まず、数値モデルが精度よく浸透流部分を計算できているか確認する必要がある。過去は数か所の計測間隙圧力で計算結果を確認したが、場としての確認はない。本年度は浸透流の可視化実験で浸透流流脈を観察していた。可視化実験で得られた複数の流脈を数値実験で求められた流線（定常流において流線と流脈一致する）と比較して数値実験が浸透流を精度よく再現しているか確認できる。可視化の結果は、前後の止水矢板と水叩きに囲まれる領域（つまり構造物直下）において、可視化実験で得られた流脈は数値実験の流線とは多くのケースでは異なるが、深い地盤中においては一致する。構造物直下で観測された流脈が計算された流線と異なる原因は、水叩き底面と地盤材の間にできた隙間にあると考えて、入念に隙間をなくすように実験を繰り返した結果、計算された流線に一致する流脈が観測された。これの意味するところは、1)数値実験は正しく浸透流を計算している、2)しかし、実験環境が数値実験の理想状態に近い場合に限る、3)現場ではむしろ理想状態に近づくのは難しく、数値実験の結果は実際の浸透流と異なる可能性が高い。よって、数値モデルのV＆V問題につながる。また、数値実験を行って模型スケールと実物スケールの浸透流に相似性を持たせる条件の確認をした。知見は、1)ダルシー流なら、模型の透水係数は実物と同じ相似性があればよい、2)隙間のない一体構造は、透水係数が高くてもダルシー流である場合が多い、3)非ダルシー流なら、条件が厳しく模型の透水係数を速度の縮尺に従わせるほかに、FL数（フォルヒハイマー係数と長さの積）を合わせる必要もある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 前年度は数値実験の環境構築と浸透流可視化実験のパイロット実験を済ませた。本年度は浸透流可視化実験と数値実験の本格実行であった。浸透流可視化実験は数値実験の結果を参照しながらチューニングして行われた。特に構造物直下の領域で可視化実験で観測された流脈は、数値実験の求めた流線に一致せず苦労したが、構造物底面と地盤材との隙間をなくすように入念に実験を繰り返した結果、数値実験に一致する流脈が観測された。これで数値実験の正しさを証明したが、実験環境が数値実験の想定条件に一致する前提条件が必要で、現場ではこの条件が満たされ難い。数値計算の結果は必ずしも現場の浸透流を反映しているとは言えない問題提起にもなる。数値実験は模型スケールと実物スケールに対して行われ、浸透流相似に必要な条件の確認を行った。筆者の既往研究で半理論的条件を提示したが、数値実験による確認はしていない。
Strategy for Future Research Activity	今後は実務上の問題を検討する必要がある。数値実験で上記の相似性条件を示したものの、これはあくまで数値モデルからみた相似性である。実際、20㎜以上大粒径の透水係数、フォルヒハイマー係数は整備されておらず、データがほとんどない。いくつかの大粒径の透水係数が報告されているが、動水勾配によって値が変わり、非ダルシー流をダルシー流として扱ったと思われる。再吟味して透水係数、フォルヒハイマー係数を求めることを考えている。構造物直下において、現場環境は数値実験の想定条件と異なる可能性が大きい。これを実務でどう対応するか検討する。入念に施工するとか、理想条件でないことを想定して数値実験を行うとか。