2020 Fiscal Year Research-status Report
土砂濃度を考慮した破堤発生メカニズムと洪水氾濫流挙動の解明
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19K04958
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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) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 河道湾曲流 / 破堤解析 / 高濃度流 / 開水路乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年豪雨災害が多発する中で，河川堤防が破堤して洪水氾濫が発生するケースが頻発している．破堤発生箇所の予見は困難であることから，様々な手法で破堤に関する研究が行われているものの，そのほとんどが清水を扱った研究しか行われていない．実際の洪水流は土砂を多く含んでおり，その粘性特性を把握した上で氾濫解析を行う必要性がある．また，高濃度流を対象とした様々な法線形状における流れの三次元乱流構造を把握することは学術的な観点からも重要であると考える．このような観点から，本研究では清水流や高濃度土砂流を対象とした破堤発生メカニズムに関する研究に取り組むことを目的としている．
2019，2020年度には，河道湾曲部を有する模型堤防において，湾曲形状の異なる状況における流動機構や破堤発生状況について検討した．実験では曲率半径60cmと90cm，接線角45°と60°の河道湾曲形状を対象として3つのケースについて詳細に比較検討を行った．実験の結果，河道湾曲形状の違いにより主流速分布や流線，二次流ベクトル分布特性が変化することを明らかにした．また，各ケースとも乱れは越流発生箇所付近で大きな値を示すが，湾曲度が小さいと二次元的な流れ，湾曲度が大きいと三次元的な流れとなることを明らかにした．
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．
これに加え，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．2020年度には洪水流を対象に，橋脚を有する開水路流れにおける高濃度流の挙動について解析した．これらに加え，植生群落や水制群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
2019，2020年度には，河道湾曲部を有する河川模型を使用し，異なる湾曲形状における破堤発生状況や流動機構の検討を行った．曲率半径を60cmおよび90cm，接線角を45°と60°とした4つの組み合わせの中で，3つのケースについて詳細に解析を行った．今後は残り1つの河道形状における実験的解析を進めていく．また，木製模型を用いて洪水氾濫が発生する際の越水箇所については明らかにしたものの，土堤を用いた破堤発生状況に関する検討については実験回数が十分に確保できていないため，これまでに2ケースのみの実施となっている．今後残りのケースについては，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して実施していく．
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，高濃度流について橋脚を有する流れについて実験的研究を進めているとともに，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ている．
これらの研究遂行状況により，進捗状況としてはおおむね良好であると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度以降は次のとおり研究を遂行していく．
・これまでに実験が行われていない河道法線形状における破堤発生状況を把握するため，湾曲度合の異なる土堤模型を作成し，高濃度流を非定常状態で発生させることで破堤箇所について検証を行う．また，破堤発生箇所を補強した際の破堤発生状況についても実験により詳細に明らかにする．
・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，橋脚や植生，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．また，解析結果の比較検討のため，有限要素法であるAnsys Fluentによる解析等により，結果の妥当性についても検討する．
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