水際地盤学

人口、資産、社会資本が集中するとともに豊かな生態系が存立している内湾、河口・沿岸域など、水と地盤が接する地域の多くは、未固結堆積物より構成された低平地です。そのため、高潮、高波、地下水流動,過剰土砂流入などの環境外力の作用により、氾濫、侵食、シルテーション、海岸土地流出、混濁流などによる災害が発生しやすい。

これら流体―堆積物系の複合災害過程の予測を可能とし、環境と調和したリスク軽減の方策の基礎学理を構築するために、本研究室では、流体力学アプローチと土質力学アプローチの緊密な連携のもとに、飽和・不飽和地盤力学、堆積学、移動現象論、生態学等の融合研究を推進しています。

教員

平石 哲也 ( Tetsuya HIRAISHI )

Hiraishi教授(防災研究所)

研究テーマ

我が国の経済活動の拠点である臨海部や沿岸域は,一方で,常に津波・高潮・高波の脅威にさらされています.特に埋立地では,水による浸水だけでなく,海の波・河口付近の流れ,さらに地下水によって大きな影響を受ける地盤の安定性が重要です.水と地盤を融合した新しい防災研究を目指します.

連絡先

防災研究所宇治川オープンラボラトリー
〒612-8235 京都市伏見区横大路下三栖東ノ口
TEL: 075-611-0520
FAX: 075-611-0530
E-mail: hiraishi.tetsuya.2c@kyoto-u.ac.jp

馬場 康之 ( Yasuyuki BABA )

baba2准教授(防災研究所)

研究テーマ

沿岸海域における海水の流動と、それに伴う海岸地形の長期変動を対象として、現地観測および現象のモデル化を中心に、沿岸域に甚大な影響を及ぼす荒天時(強風・高波浪来襲時)に焦点を当てた研究をおこなっています。

連絡先

防災研究所 白浜海象観測所
〒649-2201 和歌山県西牟婁郡白浜町堅田2500-106
TEL: 0739-42-5532
FAX: 0739-42-5532
E-mail: baba@uh31.dpri.kyoto-u.ac.jp

水谷 英朗 ( Hideaki MIZUTANI )

mizutani2助教(防災研究所)

研究テーマ

河川から沿岸海域にわたる流域圏において、災害の予測・防止・軽減につながる観測研究を行うとともに、観測結果を分析するだけでなく海洋流動・河川流・土砂移動等の各種数値解析モデルを駆使して複合災害等の現象理解や、それらの現象のモデル化に力点を置いて防災研究を進めています。

連絡先

防災研究所宇治川オープンラボラトリー
〒612-8235 京都市伏見区横大路下三栖東ノ口
TEL: 075-611-5220
FAX: 075-611-0530
E-mail: mizutani@uh31.dpri.kyoto-u.ac.jp

研究テーマ・開発紹介

沿岸土砂環境予測のための統合解析プラットフォームの開発

我国の地形的特徴としては、山地河川が多く内湾が発達しているうえに、活構造であるため、土砂の生産/流出が活発であることが挙げられる。すなわち、流域から沿岸域までの一貫した土砂管理が必要となってくる。そこで、課題となっているのが、

  1. 河川から沿岸域、特に河口砂州やテラス等の境界領域における土砂堆積の動態
  2. 沿岸域から我国特有の沖合海底谷への土砂流出の実態

などに、不明な点が多いことである。その背景として、長期スケールの広域土砂収支モデルでは、暴波や地震動による急激な地形変化等のイベント過程が考慮されていないことが挙げられる。したがって、上述のような河口・沿岸域の土砂環境変動を的確に予測するためには、流体-地盤系ダイナミクスの本質的な理解が不可欠となる。加えて、自然と調和した沿岸環境デザインを実現するには、堆積物の量と質の両方を対象とする総合的な分析が必要となる。

水際地盤学研究分野では、これまでに、高波浪による粒状体地盤の液状化過程や、広域漂砂系に関して、観測・実験・モデリングが協働した基本的な解析プラットフォームを開発してきている。現在推進中の研究では、流体-粒状体系ダイナミクスに関する詳細モデルを広域モデルと融合させることにより、沿岸土砂環境変動の統合解析プラットフォーム(図-1)を実現する。これにより、海岸地形の変化や生態系へのインパクト等が精度よく予測できるようになり、自然と調和した沿岸土砂環境創出のための施策に資することが可能となる。

沿岸土砂環境予測のための統合解析プラットフォームの図
図-1 沿岸土砂環境予測のための統合解析プラットフォーム

砂浜―護岸系のダイナミクスと環境防災

砂浜や干潟や砂州などの水際空間において、堆積土地盤は、乾燥状態、不飽和状態あるいは飽和状態として存在し、水面変動や潮流、地下水浸透などの作用によって、液状化、シルテーション、吸出し、空洞形成など、さまざまな動態を示す。これらの現象を把握することは、沿岸域の土砂管理や急激な地形変化予測に資するだけでなく、人々にとってレクレーション、憩いの場となる水際空間の安心・安全性を確保するうえに極めて重要である。

本研究では、波浪や潮位変動等の動的環境外力をうける水際の不飽和砂質地盤の不安定化問題に着目している。

具体的には、粒状土の飽和/不飽和浸透と弾塑性特性を忠実にモデル化した連成解析コードを開発するとともに、水面変動下における飽和/不飽和地盤からの土砂流出および空洞形成過程を模型実験により観察している。水面変動下で飽和/不飽和地盤から土砂が流出し、不飽和地盤内に空洞が形成された様子、および流出土砂が水中に再堆積した様子を図2に示す。一般に不飽和土では、サクションが発達するが、その消長は降雨や波浪、潮位変動の影響を受ける。そのため、不飽和土中のサクションは非定常性を示す。サクションが大きいと空洞を保持する能力が大きく、サクションがある限界値まで減少すると空洞が崩壊し、場合によっては地表に変化をもたらす(図-3)。

砂の流出と空洞形成過程(実験結果)の写真
図-2 砂の流出と空洞形成過程:実験結果

空洞の崩壊によって地表面に生じた陥没(実験結果)の写真
図-3 空洞の崩壊によって地表面に生じた陥没:実験結果

海底境界過程と堆積物重力流れのダイナミクス

波浪の来襲や急激な潮位変動に起因した海岸侵食、海岸構造物の被災、海底地すべり等の事例は、国内外を通じて数多く報告されている。近年、この問題は、国土保全の面からだけではなく海岸環境保全の面からも重要性を増している。我が国においては、海岸保全の問題に取りくむ上で、土砂収支バランスを考慮することが重要である。すなわち、日本沿岸域の大部分は海溝などの深海に縁どられ、大陸棚が狭いため、海岸から海底谷を通じて深海底への土砂流出が沿岸域の土砂収支バランス、とりわけ海岸侵食に及ぼす影響は無視できないと懸念されている。

本研究では、波浪などの動的環境外力による海底地盤の不安定化と、それにともなう陸棚から沖合への大量の土砂輸送との関わりに着目している。海底地盤の変状形態としては、液状化、流動変形、流れによる洗掘、巻き上がり、土粒子輸送などの海底境界過程があげられる。沖合への大量土砂輸送形態としては、水中土石流や混濁流などの堆積物重力流れが重要である。

水際地盤学研究分野では、波浪伝播と地盤の圧密に関する時間相似則を共に満たす遠心力場波浪実験法を用いて砂質地盤の液状化特性を明らかにするとともに、液状化発生から液状化土の凝固・圧密に至る一連の過程を予測し得る理論モデルの開発、さらに液状化土塊の重力流れ過程を予測し得る数値モデルを開発している。液状化重力流れの内部に自発的に生じる凝固過程を考慮して予測した、液状化流れ表面と内部凝固表面の変化過程を図4に示す。液状化土塊の流動とともに、その内部に凝固領域が発達し、重力流れの発達、減速過程に強い影響を及ぼしている。

液状化土塊の重力流れと進行性凝固過程:予測結果のグラフ
図-4 液状化土塊の重力流れと進行性凝固過程:予測結果

研究室ウェブサイト

http://rcfcd.dpri.kyoto-u.ac.jp/cse/index.html