| 研究課題/領域番号 |
17K06588
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| 研究機関 | 法政大学 |
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研究代表者 |
道奥 康治 法政大学, デザイン工学部, 教授 (40127303)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 河川構造物 / 流体力 / 透過流 / 流量制御 / 水理解析 / 耐荷力 / エネルギー減衰 |
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| 研究実績の概要 |
自然材料を用いた河川構造物は，河川景観の形成に貢献するとともに，生息空間としての流れの多様性を創出し，多孔構造体中の通水にともなう有機物除去・水質浄化など付加的な環境機能を有する．石積み構造物は近代以前の伝統工法であり職人の豊富な経験・技能に支えられてきたが，近代技術として今後さらに発展・普及するためには，技術人材の確保や科学技術体系の確立が課題である．本研究では，自然材料を用いた水工構造物の学理を構築し水理公式を体系化することを目指している．まず，石積み井堰の水位・流量制御特性に加えて水理学的滞留時間に基づく水質浄化機能評価，流体力と堰構造の破壊限界，エネルギー減勢効果を検討した．石積み堰を含むコントロールボリュームの質量・運動量解析に基づき堰に作用する流体力を算出するとともにハドソン式を参考にしながら石礫要素の安定限界評価を試みた．さらに，流体力を緩和するために護岸法線に対し斜め方向に石積み堰を配置した場合の配置角度が流体力や水位・流量制御効果に及ぼす影響を確認した．次に，石積み構造物前後の越流・透過層からなる二層系の水理解析モデルを改良して砂礫交互砂州の疎通特性と自浄機能評価を検討した．まず，交互砂州をSine-generated曲線のみお筋と砂礫帯からなる複断面モデルを蛇行角度がかなり大きな蛇行河川にも展開し，砂州内外の流れの一体解析を実現した．さらにこれを用いて砂州内の滞留時間から有機物除去率を推定した．さらに，浅水流モデルによる流砂解析により交互砂州地形を生成して，動的平衡状態に到達した砂州地形を用いて砂州内の水理学的滞留時間を評価した．今後さらに砂礫層厚さに関する情報を収集して，交互砂州河川の自浄機能評価方法を確立する予定である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
過年度の研究により定常条件下での石積み堰の通過流量，水位制御機能が明らかになり，流況に応じて6つのレジームが出現し水理量で規定されることを明らかにした．自然材料を利用した水工構造物には低水から高水に至る全ての流況において治水・利水・環境機能を最大限に発揮することが求められるが，本研究を通して出水中の非定常水理条件下での構造物の水理特性を把握することの重要性が認識され，2022年度より開始する基盤研究プロジェクト「石積み水工構造物の治水・利水・環境機能に関する総合評価」の起案へと発展させることができた．また，砂礫交互砂州の水理解析モデルでは，凹凸を伴う河床面を水流・伏流層の内部境界面とする二層流モデルを定式化することができるため，これらの水理解析手法を石積みの床止め・落差工や植生護岸の水理特性と機能評価に展開・応用することが可能となった．また，蛇行角度の大きな沖積蛇行河川ならびに流砂モデルで生成された交互砂州河川の両者を対象として砂州内外の流れの解析を実施することができ，今後，氾濫原を含む河道システム全体の自然浄化機能評価へと研究成果を応用できる可能性が示された．しかしながら，これまでの研究においては自然材料として石積みを想定した構造物の検討が中心となり，植生護岸や河畔林・堤外水防林など植生材料を用いた水工構造物の検討が必ずしも十分ではないこと，石積み構造の落差工・床止め工に検討の余地が残ることなどが課題としてあげられる．
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| 今後の研究の推進方策 |
上記のように，2022年度採択課題「石積み水工構造物の治水・利水・環境機能に関する総合評価」は本研究の遂行を通して着想されたプロジェクトであるため，テーマの発展につながるように準備の意味も兼ねて本研究を完結していきたい．当初の予定通り石積みの各種構造物に関しては流体抗力とその緩和のための構造諸元・配置，エネルギー減衰の最大効果を得るための構造設計法，再曝気・有機物除去など自浄効果促進のための材料選定法などを提案できるまで具体成果を積み重ねることを目指す．自然材料を用いた構造物は可動構造になし得ないため，低水から高水に至る様々な流れ強度と時間履歴を経験することを前提として水工設計を実施することが基本である．そのため，新課題でも着目する非定常流況下での構造物の水理・環境特性を視野において当初計画を微修正しながら研究を進める．一方，構造物への流体・環境負荷の時間履歴を経ることにより，材料の損壊・流失，構造物間隙への有機物滞留など，経年的な機能低下をもたらすことが懸念される．そのため，最終年度においては時間軸にも視野を置いて，機能低下の最小化と機能改善・復元を図るための維持点検手法，管理省力化のための構造設計に関する科学的知見の収集にも努める．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
予定していた学会参加や資料収集のための出張旅費を取りやめ，データ分析，理論解析の進捗遅れにともなう消耗品購入などの一部を執行できず，研究期間を2022年3月15日まで延長した．昨年度末から本年度にかけて英文校正，技術支援への謝金，解析作業に要する電子媒体などをすでに発注・購入しており，今後も，出張旅費・消耗品などの購入により本年度の早い期間内に執行する計画である．
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