柴田　堅太

河川模型実験における浸透流の可視化と河川流の非接触型流速計測

陸　旻皎

　浸透流を含む河川模型実験では河川と浸透流を同時に相似させる手法が確立されておらず，模型実験は浸透流相似まで考慮していない．その結果，模型実験の浸透流は実物と異なり，地盤中の間隙水圧，動水勾配，浸透流速などを模型実験から実物へと縮尺を以って拡大することができない．一方，これらは構造物の安定性評価，地盤のパイピング評価を大きく左右する要素である．河川流と浸透流を同時に計算できる数値モデルを用いて模型スケールと実物スケールの数値実験を行なって流れの相似性を確認・検討する手法が考えられる．数値モデルは実物大の問題を直接扱える利点を有するものの，流れ場を高精度に計算できなければ，相似性検討の前提条件が崩れる．VOFモデルにDarcy-Forchheimer抵抗項を導入して浸透流と河川流を同時に計算する既発表の数値モデルが国総研でいくつかの模型実験で検証されているが，模型実験では浸透流を計測せず間隙水圧を複数箇所測定するのみで，浸透流に対する検証が不十分であった．本研究の目的は浸透流を含む河川模型実験を実施して，浸透流の可視化と河川流の非接触型流速計測(PIV)を行い，河川構造物の下を流れる浸透流場を明らかにする一方，前出の数値モデルの検証に使われる高精度計測データをも提供することである．本研究は，長岡技術科学大学にある大型アクリル水路を使用して実験を行った．浸透流の可視化は水路地盤内にインクを注入して，水路の横からアクリル壁越しにインクの流脈を撮影することで可視化を行った．非接触流速計測は，同じ水路の河川流で行なわれた．浸透流の可視化実験で得られた浸透流の流脈は，構造物下の深い所を流れるものにおいては数値モデル結果と良好に一致している．2枚の止水矢板を迂回して水叩き直下を通るw型の流脈は，止水矢板先端で浸透流が収縮して矢板内側で広がり，一色に染まるために個々の流脈を得ることができなかった．また，水叩き底面にできやすい隙間の影響でw型流脈の中間の凸な部分で流脈が途切れて隙間に向かってしまうケースが多く見られた．一本のw型流脈を獲得することはできなかったものの，矢板内側からインクを注入して止水矢板を迂回するw型流脈の凸な部分を再現することができた．PIVによる非接触型流速計測はさまざまトレーサー粒子を試行錯誤した結果，アルミ粉末がトレーサーに適していることが判明し，良好な計測結果が得られた．本研究のような水深が浅く流速計測メータの挿入で流れが影響される小規模実験では，流れを干渉せず複雑な流れ場を計測できるPIV計測は重要な意味を持つ．