混合粒径材料からなる土石流の分級機構に関する研究

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土石流は、流下に伴って先頭部では粒径の大きい土砂の割合が高くなり、後続部では粒径の小さい土砂の割合が高くなるという特徴がある（土石流の分級現象）。本研究では、(1)土石流の分級現象メカニズムの把握および(2)分級現象の数値計算モデル開発を目的とした。(1)で実施した水路実験結果より、分級現象メカニズムは以下の1)～4)のステップを流下に伴って繰り返すことであると考えられた。1)小さい砂礫は先頭部に存在する砂礫が形成する間隙に落ち込んで流動層下層に移動する。一方で、大きい砂礫は間隙に対して大きいため落ち込みにくい。2)間隙を通過して落ち込んだ小さい砂礫は流下方向の移動速度が小さくなる河床近傍まで落ち込み、相対的に先頭部から後続部へ移動する。3)土石流先頭部では、大きい砂礫が残存し、小さい砂礫が減少する。4)大きい砂礫の先頭部存在割合が増加することで砂礫が落ち込む間隙が大きくなり、より大きい砂礫の落ち込みが可能となる。以上のメカニズムは、分級現象は土石流内部で小さい砂礫が落ち込むことによって発生することを示唆している。(2)では、上記のメカニズムを踏まえ、土石流の分級現象を考慮したモデルを開発した。開発したモデルでは、従来の1次元計算モデルを基礎とし、土石流流動深を複数の均等な厚さを持つ層に分割する。加えて、上下層間で砂礫の落ち込みおよび下層の砂礫飽和による上層への押し出しによる移動を定義する。開発したモデルを用いて(1)の水路実験を再現した結果、本モデルによって分級現象を十分再現可能であることを確認した。推察したメカニズムは既往提案理論とは異なるものの、この機構を表現した計算モデルが実験結果を再現可能であったことから、十分に根拠のある推察であることが証明できたと言える。本研究の成果により、土石流のより正確な予測や土石流内部の大小砂礫の相互効果に関する研究の発展が期待できる。