田代　陸

浸透流を含む河川の実験と実物スケールの相似性の検討

陸 旻皎　熊倉 俊郎　楊 宏選

　河川において，水理模型実験による現象の解明・検討が多く行われ，絶大な信頼が置かれている．相似則はいくつかあるが，一般的には河川の場合，重力が流れを駆動する支配的な要素なので，フルード相似が水理模型実験の定番相似則である．浸透流のみの模型実験においては，透水材料さえ同じものを使えばよいという説，幾何学的相似性のみから自動的に運動学的相似が成り立つという説がある．河川の模型実験はフルード相似などに基づいて行われるものの，浸透流を含んでいるケースでは，必ずしも浸透流の相似を満たしているとは言えない．河川流の相似，浸透流の相似は個別に満たすことは可能であるが，河川構造物周りに自由水面を有する河川流・跳水，及び地盤中の複数の透水ゾーンを流れる浸透流が同時に存在するとその両方を満たす相似則がわからず，模型実験では浸透流の相似まで考慮されていないのが現状である．この問題を解決するべく，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数値モデルが提案された．この数値モデルは，国土技術政策総合研究所(国総研)で実施した模型実験と比較して，良く一致するといった結果が得られている．のちに数値モデルの支配方程式から，浸透流と河川流に相似性を同時に持たせる半理論的条件を導出したが，数値実験による確認はなされていない．本研究では浸透流と河川流に同時に相似性を持たせるために，より現実性のある対策を，数値実験を通して検討する．ダルシー流れにおける相似性の検討を行ったのち，非ダルシー流れに拡張し，浸透流と河川流の相似則の検討を行った．
　その結果，次のことを得られた．透水係数の異なる複数透水ゾーンの存在が一般的であるが，浸透流相似を持たせる透水係数は理論的縮尺（速度縮尺）にしなくとも，ゾーン間透水係数の比率を維持すれば高精度の圧力相似性が得られる．比率に多少の乖離があっても相似性は大きく損なわれない．構造物直下の割栗石とその下の砂地盤との透水係数比率を相対的に小さくすると一般的に揚圧を上げることになる．しかし，極端に比率を小さくすると相似性が崩れ，場所によっては揚圧が下がることもあり得る．非ダルシー高速乱流に拡張して相似に必要な理論的条件を誘導した．河川流のFr相似の下，模型は透水係数を流速の縮尺に合わせて縮小し，FL数が実物と一致するようにすることで河川流と浸透流の同時相似は得られる．一次元のマルチ透水ゾーンの浸透流解析によって理論的な条件を確認した．理論的な条件は材料の透水係数kとフォルヒハイマー係数Fの両方を合わせる必要があり，非現実的であるがReが高ければ，浸透流の乱流項が支配的になり，FL数だけを合わせることで現実的な相似則になりうることを一次元浸透流解析で示した．