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

2023 Fiscal Year Annual Research 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 – 2024-03-31
• Keywords: 堤防 / 基盤透水層 / パイピング破壊 / 浸透流 / 粒度分布 / 空隙率

Outline of Annual Research Achievements

堤防下基盤層のパイピング進行を表現できる数値解析モデルの構築を目的とし、検討を実施した。モデルについては、混相流、固液二相流の2パターンでの構築を試みた。
混相流モデルにおける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・発達を表現できる実用的なモデルを構築した。構築したモデルを基盤透水層に適用した結果、圧力上昇に伴い土砂輸送が生じ始めると、粒度分布と空隙の場所的な変化によって流れと圧力分布が急激に変化し伝搬していく様子が見られ、一般的なRichards式では再現し得なかったパイピング発達現象が確認された。
最終年度では、液相と固相それぞれの運動を表現できるモデルの構築を試みた。相互作用力は、平衡状態にDarcy則に帰着するように設定した。固相の応力項にはμ-Iレオロジーの考え方を導入した。固相のみを対象として斜面崩落を試算し、安息角に概ね一致する斜面が形成されることは確認できた。しかし、液相と固相を混在させて堤体基盤透水層の計算を試みたところ、圧力上昇時の固相の静止から動き出しまでのプロセスすら安定的に計算することが困難であった。固相の直応力を空隙率の関数として単純化したこと等も理由と考えられるが、摩擦係数等のパラメータの吟味やアルゴリズム自体にも課題があり、実用的なモデルにするには更なる調査検討が必要と考えられる。