関口　泰徳

透明砂を使った浸透流の３方向成分の計測

福元　豊

　内部侵食現象は地盤内部で発生するため被害の状況を直接的に確認することができない．また，土粒子の侵食や流亡と浸透流という地盤工学と流体力学の相互作用を扱うための基礎的な知見が乏しく，未だに解明されてない点が多い．土粒子の間隙スケールで観察するための研究手法として，MRIやX線CTを用いる例が数多くある．これらの手法は大変有用であるが，1秒以下の短い時間間隔での撮影ができないため，連続した撮影画像に対する解析結果から浸透流速や土粒子の移動速度を求めることができない．この問題点を解決するために屈折率マッチング手法を採用した．これまでにも地盤工学分野において屈折率マッチング手法を応用して浸透流の挙動を可視化する試みはあったが，3次元3成分と離れた条件である2次元2成分の流速の情報しか得られておらず，内部侵食現象のメカニズムに迫ることが難しい状況だった．3成分の浸透流速を直接的に計測することができれば，より現実に近い情報として有用なだけではなく，3次元の数値解析手法との比較をより詳細に実施することができる．本報告では，粒子移動から浸透流の特性の把握を行うために，屈折率マッチング手法を用いて簡易的な模型実験を行った．レーザーに反応する粒子を流体に混ぜ，レーザー断面を2台のカメラでステレオ撮影を行い，2方向に加えて，レーザー断面に垂直な方向を加えた3方向成分の撮影を行った．得られた結果に対して解析を行い，平均流速や流速分布を理論値やこれまでの2方向成分の研究結果と比較し，妥当性のある結果が得られているか確認した．2成分計測と3成分計測のX方向成分の平均流速は近い値を示し，流速分布においても，同様の挙動が見られたことから3成分計測の結果は妥当であるといえる．また解析結果からレーザー断面に垂直な流れであるZ成分の流速の頻度分布を新しく得ることができた．次にレーザー断面を奥行き方向に1㎝ずつスライドさせた結果を撮影し，撮影精度や結果の妥当性から内部がどの程度まで撮影が可能かについて検討した．撮影画像を確認すると2㎝の画像はアクリル球と間隙の境界が目視で確認できるほど鮮明に写っているが，3㎝，4㎝とずらしていくほど，手前に存在するアクリル球が写りこみ，アクリル球と間隙の境界が不鮮明になっていた．X方向成分の平均流速については容器最前面から2㎝，3㎝は近い値がみられたが，4㎝については，前述の結果に比べて異なる値を示した．流速頻度分布においても，４㎝で得られた結果はピーク値や最大流速にムラがみられた．以上のことから３成分計測を行う場合，内部は奥行き３㎝までであることがわかった．
　今後の展望として，実験回数を重ね，Z成分の一定流量に対する一般的な平均流速と流速頻度分布について確認する必要がある．また3成分計測の既往の研究がないことから，実験にあたり多くの問題や改善点がみられた．本研究を参考にし，撮影精度や解析結果の向上させる必要がある．