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九州北部豪雨災害へのGETFLOWSによるアプローチ
その1 斜面表層崩壊

はじめに

2017年7月の九州北部豪雨は、福岡県朝倉市から大分県日田市にかけて同時多発的な斜面崩壊と激しい渓床・渓岸浸食を発生させ、生産された大量の土砂と流木を下流集落地沿いに洪水氾濫を伴いながら広域に堆積させ甚大な被害を生じさせました。

当社は、今後も多発が予想される豪雨地盤災害に対し、防災・減災対策の基礎情報となる斜面表層崩壊の危険度評価ならびに発生予測技術の向上を目指し、GETFLOWSによるアプローチを行っています。本資料では解析結果の水理諸量を用いた斜面表層崩壊の危険度分析結果についてご紹介します。

解析概要

解析の概要を以下に示します。

解析範囲 赤谷川上流域(赤谷川と乙石川に挟まれた約5.8km2
降雨データ XRAIN(一般財団法人 河川情報センター) 空間解像度:250m、時間単位:1min雨量(⇒1hr雨量に換算)
地形データ LPデータ(福岡県測量) 崩壊箇所は崩壊前後のLPデータより判読
解析手法 GETFLOWSを用いた3次元水循環解析(水と空気の二相解析)、平面10m正方形規格格子(深度方向14層、総格子数816,690)

1) 表層部の水飽和度、間隙水圧(毛管圧力考慮)を分析し、「すべり安全率」を算出。
2) 修正Fellenius法(無限長斜面上のつり合い式に適用)による格子ごとの「すべり安全率」を評価し、豪雨前後での「すべり安全率」の低下量が大きい格子を崩壊として判定。

解析対象領域と崩壊状況

赤谷川上流域の解析対象領域を図1に示します。また、崩壊前後のLPデータから求めた崩壊地(標高差が0.5m以上のもの)の分布を図2に示します。図2より、渓床から少し高い標高の斜面裾付近に崩壊が多いことが読み取れます。なお、河床付近の崩壊地は渓床・渓岸浸食とみられます。

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図-1 解析対象範囲(赤谷川上流域)
写真は「国土交通省 九州地方整備局HP」より引用
図-2 LPデータによる標高低下域(崩壊地)分布

モデル作成と解析条件

赤谷川上流域モデルの境界条件は、河川(赤谷川と乙石川)と稜線(分水嶺)による閉境界(不透水壁境界)とし、モデル底標高は-200mで閉境界としています。3次元格子モデルの鳥瞰図(地質)を図3に示します。
また、赤谷川上流域モデルの水理パラメータを表1に、入力時間降雨波形(XRAIN)〔領域中央部メッシュ〕を図4に示します。解析領域には、図3に示すように領家花崗岩類と三郡変成岩類及び鮮新世火山岩類が分布しますが、崩壊発生状況に特に大きな差異が見られないことから、今回は深度方向の水理パラメータを地質ごとに差を付けずに一様としました。

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図-3 3次元水理地質モデル 図-4 赤谷川上流域モデル入力時間降雨波形(XRAIN)

 

表1 赤谷川上流域モデルの水理パラメータ
地質年代 地質 風化区分 風化・岩盤状況 層厚 透水係数(cm/s) 有効間隙率
新生代 第四紀 渓流堆積物 砂礫層主体 3~10m 1.0×10-2 0.2
新第三紀鮮新世 鮮新世火山岩類 表土Ⅰ 根系が特に発達 0.5m 1.0×10-1 0.3
表土Ⅱ 根系貫入 0.5m 1.0×10-2 0.2
風化部 弛み・開口割れ目発生 14m 1.0×10-3 0.2
新鮮部 冷却節理が開口 1.0×10-5 0.01
中生代 白亜紀 三郡変成岩類
(泥質片岩緑色片岩)
表土Ⅰ 根系が特に発達 0.5m 1.0×10-1 0.3
表土Ⅱ 根系貫入 0.5m 1.0×10-2 0.2
強風化部 土砂状風化 2m 1.0×10-3 0.2
新鮮部 節理・片理密着 1.0×10-5 0.01
領家花崗岩類
(花崗閃緑岩)
表土Ⅰ 根系が特に発達 0.5m 1.0×10-1 0.3
表土Ⅱ 根系貫入 0.5m 1.0×10-2 0.2
強風化部 風化粘土化 2m 1.0×10-3 0.2
弱風化部 弛み・開口割れ目発生 12m 1.0×10-5 0.01
新鮮部 塊状・節理少ない 1.0×10-5 0.01

解析結果及び考察

(1) モデル解析領域全体の解析結果

斜面表層崩壊深度を地表面下2mと設定した場合の豪雨前後の間隙水圧変化量分布を図5に、同深度での安全率変化量分布を図6に示します。
2017年7月九州北部豪雨地盤災害調査団の中間報告資料等を参照

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図-5 地下2mにおける間隙水圧変化量分布 図-6 地下2mにおける安全率変化量分布

(2) 部分領域における崩壊状況と解析水理諸量の比較結果

図5~6中に示した代表的な渓流を抽出した部分領域について、崩壊状況と解析水理諸量の比較を図7に示します。崩壊地判読図は、崩壊前後のLP地形図(陰影図)を参考に判読したものです。支渓流単位では、間隙水圧の上昇量が大きい斜面と崩壊斜面との対応が良好であることがわかります。また、崩壊地点①付近の水飽和度と間隙水圧の経時変化を図8に示します(現地状況は写真1参照)。降雨後半に急激に水飽和度と間隙水圧が上昇し、降雨停止後もしばらくの間、間隙水圧が維持されていることがわかります。降雨停止後に斜面崩壊が発生する可能性があり、場所によっては避難解除の判断を慎重に行う必要があることを示唆しています。

以上のように解析結果を分析すると、斜面の微地形を反映したモデル化を行うことにより、微地形の影響で表層部の地下水流と斜面表面流が集積して斜面表層部の間隙水圧が上昇する箇所を推定できる可能性があります。一方、写真2~3に示すように、崩壊地源頭部に根系層下位の風化基盤岩との境に浸食による空洞が見られる所も確認できました。このような空洞は、非常に強い降雨強度(50~90mm/hrが9時間継続)の雨が降り続いたことにより、斜面の微凹地に向かって流れ込む地下水と地表水(部分的に表面流が発生)が合わさって、表層部(根系層下部)に発生したと推定されます。そしてこのような空洞化が引き金となって表層土を滑落させ、この崩壊土砂が流れ下りながら斜面を削り込んだ痕跡と思われます。今後、現地での水の流れの痕跡を詳しく調査して、解析結果による追加分析を行う予定です。

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図-7 部分領域における崩壊状況と解析水理諸量の比較

 

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図-8 水飽和度と間隙水圧の経時変化 (上図:崩壊地分布 下図:間隙水圧変化量分布)

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写真1 崩壊地①:右岸渓岸浸食と上位斜面崩壊(2018年5月5日調査)

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写真2 崩壊地②:左岸斜面の高標高部の表土崩落から微凹地形沿いに浸食崩壊痕跡(2018年5月5日調査)

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写真3 石詰集落下流の乙石川左岸斜面の表層崩壊・浸食崩壊痕跡(2018年5月5日調査)

斜面表層崩壊に関する水理解析技術向上の必要性について

今年(2018年)も7月6~7日に西日本豪雨が発生し、九州南部(鹿児島県)から中国、四国、近畿、中部地方(岐阜県)にかけて、これまでにない広域的に深刻な被害を発生させました。斜面崩壊や土石流発生に伴う地盤災害も多発し災害を大きくしています。豪雨時の避難活動が非常に難しいことが再認識されました。平常時から自分たちが住んでいる地域の地形特性や背後に背負っている流域の規模や地形をよく理解し、その地域が有する「地域災害リスク」を地域住民の方々に十分認識して貰うための的確な流域情報を提供することが非常に重要であると改めて思い知らされました。
当社としましても、広域的に流域スケールでの「地域災害リスク」や斜面危険度の見直し情報等の提供に貢献できるよう、必要な技術の向上に努めていきたいと考えています。

なお、本資料の詳細につきましては、地盤工学会「平成29年7月九州北部豪雨による地盤災害調査報告書 2018年6月 4.6 豪雨時の斜面崩壊に関わる地下水挙動解析の試み」をご参照いただきますようお願い致します。

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