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E-MPS・DEMを用いた床止めの破壊限界評価のための流体・土砂・剛体連成解析モデルの開発

樋口, 敬芳 ヒグチ, タカヨシ 群馬大学

2021.03.23

概要

近年,全国の多くの河川で上流からの土砂供給の減少等により河床低下が進行している.床止め下流で河床低下が進行すると,建設時に想定していた水叩き・護床工区間での流水の減勢が起きなくなり,護床工上の流速増大による護床工の劣化・損傷や護床工下流の河床低下が進行する.そのような状態で洪水が流下すると,護床工下流で段落ち流れが発生して局所洗掘が生じ,護床工が一気に流出するなどの急激な破壊が危惧される.床止めなどの河川横断構造物の破壊により堤防の損傷が決壊まで拡大すると,堤内地に大きな被害を及ぼす懸念がある.そのため,床止めの破壊限界の評価および適切な維持管理は非常に重要である.しかしながら,現状,床止めの維持管理は状態把握のみのものとなり,床止めが被災して初めて対策されるなど事後の対策となることが少なくない.予防保全的に維持管理していくためには床止めの破壊限界の評価手法の開発が求められている.本研究は床止めの破壊現象のうち最も破局的であると考えられる,床止め下流の河床低下が進行し,上下流水位差が大きくなる状況下で発生する下流側からの護床工の急な破壊(護床ブロックの流出)に着目する.本研究は,そのような破壊現象の破壊限界を評価できる鉛直二次元の流体・土砂・剛体連成解析モデルの構築を目的とし,さらに,構築したモデルを用いた護床工の破壊限界の評価手法を提案した.

床止めの護床ブロックの流出現象は,流体,土砂,さらに護床ブロックが動的に相互作用する複雑な移動境界問題を有する現象である.数値解析モデルは,格子を必要とせず,移動境界問題の取り扱いにより適した Lagrange 的な手法である粒子法に着目して構築した.流体の数値解析モデルは粒子法の一つである E-MPS(Explict Moving Particle Simulation)法を用いた.剛体である護床ブロックは PMS(Passively Moving Solid)モデルを用いることとし,護床ブロックの流出現象を考えるために護床ブロックの底面摩擦力を考慮できるモデルに拡張した.固体である土砂は Lagrange 的な手法である DEM(Distinct Element Method)を用いた.本モデルは,流体と固体の相互作用について,次の方法で構築した.河床を構成する固体粒子は河床から離脱するまで壁粒子として取り扱うこととした.ただし, E-MPS 法の壁粒子と固体粒子の壁粒子の接続部において圧力が不連続となる問題が生じるため,粒子数密度の算定式を補正した.また,河床を構成する固体粒子を壁粒子としてみなすため,E-MPS 法による流体の計算において河床内の流れ場を評価しないものとなる.これにより,河床表面付近の固体粒子に対する流体の平均流速が過大に評価されてしまう問題が生じる.そのため,固体粒子に対する流体の平均流速の算定式を補正した.

段落ち部の流況特性である波状跳水および潜り噴流を対象とした E-MPS 法を用いた数値流体解析の適用性はこれまでに確認されていない.また,構築した流体・土砂・剛体連成解析モデルの護床ブロックの流出現象,床止め下流の洗掘現象,護床工下流の洗掘に伴う護床ブロックの流出現象への適用性を検証する必要がある.本モデルの,それぞれの現象に対する適用性を確認するため,対応する固定床および移動床の水理模型実験を行った.また,水理模型実験では護床ブロックの流出メカニズムの把握を行った.

それぞれの現象について,本モデルを用いた鉛直二次元の数値解析を行い,対応する実験結果と比較することで再現性を検証した.その結果,E-MPS 法により,波状跳水および潜り噴流の流況を再現することができた.また,本モデルにより,実験結果と同様,護床ブロックが護床工下流の洗掘孔の発達に伴い次々と流出していく現象を再現することができた.

最後に,床止め下流の河床低下に起因する床止めの破壊現象について,本モデルを用いた破壊限界の評価手法を提案した.単位幅流量𝑞と護床工下流の河床低下量∆𝐻を指標とし,本モデルを用いた数値解析を実施することで破壊限界を評価する方法である.本研究では床止めの破壊限界評価手法として,固定床条件の流体・剛体連成解析モデルを用いて評価する方法と,移動床条件の流体・土砂・剛体連成解析モデルを用いて評価する方法の 2 つを提案した.固定床条件の流体・剛体連成モデルを用いた評価手法では,実験等により洗堀形状を設定し,単位幅流量𝑞と河床低下量∆𝐻を組み合わせた解析ケースを実施することにより,護床工の破壊限界について一定の評価が可能であることを示した.移動床条件の流体・土砂・剛体連成モデルを用いた評価手法では,単位幅流量𝑞と河床低下量∆𝐻を組み合わせた解析ケースを実施することにより,護床工の破壊限界について評価が可能であることを示した.

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参考文献

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107) 樋口敬芳,野口豪気,斎藤隆泰,清水義彦:粒子法を用いた開水路における矩形ブロックの流出シミュレーション,第 46 回土木学会関東支部技術研究発表会,Ⅱ-61,2019.

108) 山田祥徳,酒井幹夫,水谷慎,越塚誠一,大地雅俊,室園浩司:Explicit-MPS 法による三次元自由液面流れの数値解析,日本原子力学会和文論文誌,10(3),pp.185-193,2011.

109)Chorin, A. J.:The numerical solution of the Navier-Stokes equations for an incompressible fluid,Bull. Am. Math. Soc.,73,pp.928-931,1967.

110) 平林久義,佐藤雅弘:線形リストを用いた粒子法の近傍粒子探索,日本計算工学会論文集, No.20100001,2010.

111) 笠晃一:粒子法の近傍粒子探索における連結リスト法への八分木の利用,情報処理学会論文誌,54(8),pp.2119-2130,2013.

112) 吉田博,桝谷浩,今井和昭:個別要素法による敷砂上への落石の衝撃特性に関する解析,土木学会論文集,392,pp.297-306,1988.

113) Schiller, V.L. and Naumann, A. : Uber die grundlegenden berechnungen bei der scherkraftaufbereitung,Z. verenines Deutscher Inge,77,pp.318-321,1933.

114) 後藤仁志,酒井哲郎,芝原知樹:SPS 乱流モデルの導入による新しい粒子法の展開,水工学論文集,44,pp.575-580,2000.

115) Gotoh, H., Shibahara, T. and Sakai, T.:Sub-particle-scale Turbulence Model for the MPS Method,Comput. Fluid Dynamics J,9,pp.339-347,2001.

116) Lo, E. Y. M. and Shao, S. : Simulation of Near-shore Solitary Wave Mechanics by an Incompressible SPH Method,Applied Ocean Research,24,pp.275-286,2002.

117) 後藤仁志,林稔,織田晃治,酒井哲郎:SPS 乱流モデル付き拡張 MPS 法による砕波過程の数値解析,海岸工学論文集,49,pp.31-35,2002.

118) Gotoh, H., Shao, S. and Memita, T.:SPH-LES Model for Wave Dissipation using a Curtain Wall,Ann. J. of Hydraulic Engineering,JSCE,47,pp.397-402,2003.

119) Arai, J.,Koshizuka, S. and Murozono, K.:Large eddy simulation and a simple wall model for turbulent flow calculation by a particle method,Int. J. Numer. Meth. Fluids,71,pp.772- 787,2013.

120) 国土交通省港湾局監修:港湾の施設の技術上の基準・同解説(上・下),社団法人 日本港湾協会,2007.

121) 福田朝生,福岡 捷二:複雑境界形状の大規模固液混相流解析のための動的負荷分散を考慮した並列計算法,土木学会論文集 B1(水工学),74(5),pp.I_703-I_708,2018.

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