Development of analysis model for backward erosion piping in foundation under levee based on new concept of seepage flow

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14841
• Research Institution: National Institute for Land and Infrastructure Management
• Principal Investigator: 田端 幸輔 国土技術政策総合研究所, 河川研究部, 主任研究官 (90756678)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 堤防 / 基盤透水層 / パイピング破壊 / 浸透流 / 三次元浸透流解析 / 粒度分布 / 空隙率 / 干渉沈降速度

Outline of Annual Research Achievements

R2年度は，基盤浸透流の発生機構を水理学的に明らかにすることを目的とし，室田・佐藤の考え方を参考に多孔質体の空隙構造を考慮した三次元浸透流解析モデルを構築した．これにより，粒度分布と空隙率が与えられれば透水係数や空隙径分布を求めることができ，空隙構造の空間分布に応じた浸透流場の解析を可能とした．
R3年度は，R2年度に構築したモデルに土砂移動機構を組み込むことで，パイピング進行を表現するためのモデル構築を実施した．各粒径の土砂移動については，浸透流速がRichardson&Zakiの干渉沈降速度を超えた場合に生じるものとし，土砂の移動速度は浸透流速と同じであると実用上仮定した．また，土砂の連続式により，土砂の抜け出しに伴う空隙率の増大を表現した．これにより，多孔質体内の粒子の選択的抜け出しと，これに伴う空隙率・粒度分布の時間変化，浸透流の集中・発達を表現できるモデルを構築した．
上記モデルを，小高らの室内模型実験と土木研究所の大型模型実験に適用した結果，堤防法先での噴砂が生じた後，空隙率の大きい領域，すなわちパイピングが，堤防下を川側に向かって発達・形成されていく様子を概ね表現できること，互層構造や粒度分布が異なる場合の噴砂領域の拡大過程の違いについて確認した．ただし，完全な空隙領域を有するパイピング形成は再現できなかった．これは，粒子の過剰な抜け出しに伴う骨格構造の破壊機構や，層流～乱流へと遷移する際の抵抗則を十分モデル化していないことが要因であると推察している．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

パイピング進行を表現するためには，土砂が動き出す条件を合理的に与えることが重要であったが，基盤層のような多粒子混在場では，個々の土粒子の有効応力を考慮したモデル化は実用上困難であった．本研究では，浸透流速が粒子の沈降速度を超えると動き出すものと考え，Richardson&Zakiの干渉沈降速度を適用することで，この課題に対応することができた．なお，干渉沈降速度をパイピング発生の指標として用いられた研究はこれまでもあったが，パイピング進行解析に応用した例は申請者の知る限り見られない．
以上より，本研究は順調に進展している．

Strategy for Future Research Activity

現地データを用いたモデル検証を実施するとともに，外力を変化させた場合にパイピング進行がどのように変化するのかを調べ，パイピングによる破壊危険性を高める物理的要因について検討する．
あわせて，基盤層からの噴砂量を軽減させ，噴砂箇所を堤体からなるべく遠ざける観点から，有効なパイピング対策について検討する．
最終的な研究成果を国内論文集に投稿予定である．

Causes of Carryover

COVID19により出張を取りやめたため当初予定していた旅費等を使用できず，ソフトウェア購入等に回したが，全額使用できなかったため．繰越額は，印刷消耗品等に用いる予定である．