2017 Fiscal Year Research-status Report
高濃度流を用いた破堤氾濫挙動解析と破堤発生メカニズムの解明
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16K16380
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyota College |
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Principal Investigator |
田中 貴幸 豊田工業高等専門学校, 環境都市工学科, 准教授 (70548437)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 破堤解析 / 高濃度流 / 開水路乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
毎年のように発生する大型台風や集中豪雨により，堤防の決壊や越水による洪水氾濫が頻発し，全国各地で甚大な被害が発生している．その中で，これまでに洪水氾濫流の挙動に関する実験的な研究が数多く行われてきているものの，そのほとんどは清水を対象としており，破堤時の土砂を多く含む高濃度流における検討があまり見られない．また，様々な法線形状に関する破堤発生状況や河道内の流れ構造に関しても明らかにする必要がある．そこで本研究では，種々の法線形状における破堤時の洪水氾濫挙動について清水や高濃度流を対象に解明することを目的とする．さらに，植生群落や側岸凹部などを有する場合の開水路乱流の構造を明らかにすることで，それらが破堤発生に与える影響についても明らかにする．
平成28，29年度には，河道湾曲部を有する模型土堤を設置した際の河道の破堤発生条件について検討した．模型土堤には珪砂と藤森粘土を2:1～5：1で混合したものを用い，混合比の違いによる破堤発生状況の違いについても検討を行った．特に，非越流時と越流時では破堤発生状況が大きく変化することが明らかになった．また，破堤が発生しない河道湾曲部を有する流れにおいて，湾曲部形状の違いが乱流構造にどのような影響を与えるかについて，iRICソフトウェアのNaysCUBEソルバーを用いて数値解析により明らかにした．
さらに，PSA（ポリアクリル酸ソーダ）水溶液を用いて開水路における高濃度土砂流の抵抗や流れの解析を行った．これにより，粘性の違いによって乱流構造が変化することが明らかになったため，破堤実験においても様々な粘性で実験を行う必要性について確認した．これらに加え，植生群落や側岸凹部を有する流れの抵抗特性および流動機構に関しても検討を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度には，河道湾曲部を有する模型土堤を設置した際の河道の破堤発生条件について検討した．当初は破堤箇所として最も発生頻度の高い直線河道を対象とする予定であったが，湾曲部形状の違いにおける破堤発生個所に関する実験はあまり行われていないこと，直線に比べ再現性の高い実験が可能となることから，湾曲部を有する開水路流を対象に破堤実験を行った．模型土堤には既往研究により珪砂と藤森粘土を混合したものを用いることとしたが，その混合比の違いにより破堤発生状況が異なることが認められたため，2:1～5：1と混合比を変化させてその違いによる破堤発生状況について実験的に明らかにした．平成29年度には非越流時と越流時における破堤発生状況の違いについて検討した．その結果，破堤発生のメカニズムが両者で異なり，破堤発生状況に差異があることを明らかにした．様々な湾曲形状に関する検討については，模型土堤を作成するためにコンクリートの型枠を数種類用意する必要があることから，今後より多くの湾曲形状についても実験を実施していく必要がある．
また，様々な湾曲形状を有する開水路流の乱流構造を明らかにするため，iRICソフトウェアのNaysCUBEソルバーを用いて数値解析を行った．これにより，曲率半径や接線角の違いにより流速分布や二次流ベクトルといった流れ構造が大きく変化することを明らかにした．今後は流体密度を変化させた際の流動機構に関して検討していく必要がある．さらに，植生や側岸凹部を有する流れの抵抗特性や流動機構に関しても実験的に検討した．
これらの研究遂行状況により，進捗状況としては良好であると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は次のとおり研究を遂行していく．
・非越流時と越流時における破堤発生状況や流れ構造の違いを明らかにするとともに，様々な河道法線形状における破堤発生状況を把握するため，模型土堤により曲率半径や接線角が異なる様々な湾曲形状を有する開水路流を対象に破堤実験を行う．また，破堤発生個所を補強した際の破堤発生状況についても実験により明らかにする．
・上記の実験結果を基に，湾曲部における高濃度流の洪水氾濫流の解析を行う．様々な河道法線形状について実験を行うことで，清水との比較を行う．また，PSA水溶液の濃度を変化させて実験を行うことで，粘性の違いが破堤発生状況に与える影響についても検討する．
・様々な河道法線形状において，植生や水制等が設置されている条件を対象に，清水や高濃度流を伴う流れの流速分布や乱流構造を明らかにする．また，境界条件の違いによる破堤発生状況についても解析を行う．
・清水および高濃度流を対象とした破堤箇所を有する河道内外の流動機構を数値シミュレーションに再現する．河道内外において既往研究の平面2次元不定流モデルによる外水氾濫モデルといった研究結果を参考に，本研究ではiRICソフトウェアのNaysCUBEにより河道内の三次元乱流構造を，Nays2Dfloodソルバーによる非定常二次元流解析などにより河道外の氾濫挙動の解析を行う．
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Research Products
(5 results)
