JP6944151B2 - 津波フェンスの設置方法、及び、津波フェンス - Google Patents

Description

本発明は、津波の到来時に、防波堤の天端上を越流する津波の勢いを抑え、背後地における津波の被害を減じるための津波フェンス、及び、その設置方法に関する。

防波堤の天端を越える高さの大津波が発生した場合、背後地において甚大な被害が生じてしまう可能性がある。このため、大津波への対策として、想定される津波の波高よりも大きな高さ寸法を有する防波堤を構築することが考えられる。

特開２０１４−２５２１９号公報

しかしながら、津波の波高よりも大きな高さの防波堤を構築する場合、安定性の面で問題があるほか、相当な費用がかかることになり、既存の防波堤のすべてを対象として天端高を嵩上げする工事を行おうとすると、施工費用は莫大な額となり、現実的ではない。

本発明は、このような従来技術における問題を解決しようとするものであって、簡易かつ安価な工事のみで構築することができるとともに、津波の勢いを好適に抑制し、背後地における津波の被害を効果的に減じることができる津波フェンス、及び、その設置方法を提供することを目的とする。

本発明の津波フェンスの設置方法は、想定する津波の高さの半分の値をａｉ、静水面から防波堤の天端までの高さをｈ０、津波フェンスの高さをｈ１、防波堤の天端幅をＢ、減衰率をβ、水深をｄとするとき、防波堤の天端の港外側端部を０、港内側端部を１とする防波堤の天端上における設置位置の値αが、下記の関係式（１）、及び、関係式（２）を満たすように、遮蔽率が６５〜７５％の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成される津波フェンスを防波堤の天端上に設置することを特徴としている。
（１） α≧（６ａｉ−２ｈ０−ｈ１）／（１．２Ｂ）
（２） α≦１−β×ａｉ／Ｂ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2

尚、代表的な規模の防波堤においては、防波堤の天端上における設置位置の値αを、０．５５〜０．８の範囲内となるように設定することが有効である。

また、本発明に係る津波フェンスは、遮蔽率が６５〜７５％の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成され、想定する津波の高さの半分の値をａｉ、静水面から防波堤の天端までの高さをｈ０、津波フェンスの高さをｈ１、防波堤の天端幅をＢ、減衰率をβ、水深をｄとするとき、防波堤の天端の港外側端部を０、港内側端部を１とする防波堤の天端上における設置位置の値αが、上記関係式（１）、及び、関係式（２）を満たすように設置されていることを特徴としている。

本発明の津波フェンスの設置方法、及び、津波フェンスによれば、防波堤に津波が到来した際、天端上を越流する津波の勢いを抑え、背後地における津波の被害を減じることができる。また、上記関係式（１）、（２）を満たすように津波フェンスが設置されることにより、防波堤の耐津波安定性の低下という問題、及び、洗掘の発生という問題を好適に解決することができる。

図１は、本発明に係る津波フェンス１、及び、防波堤２等の断面図である。 図２は、図１の防波堤２における津波フェンス設置時の波力増加分〔Ｐ＋〕の説明図である。 図３は、図１の防波堤２における津波フェンス設置時の抵抗力増加分〔Ｐ−〕の説明図である。 図４は、図１の防波堤２において、津波フェンス１の上端付近を通過した水流が天端２１の高さに落下するまでの水平方向への移動距離〔Ｓ〕の説明図である。 図５は、関係式（１）に関する水理実験における波力の計測結果を示すグラフである。 図６は、関係式（２）に関する水理実験における水流の流況状況を撮影した写真である。 図７は、関係式（２）に関する水理実験における水流の着水点距離の計測結果を示すグラフである。

以下、添付図面に沿って本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る津波フェンス１等の断面図である。この津波フェンス１は、遮蔽率が７０％（±５％）の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成されるものであり、図示されているように、防波堤２（海底の基礎マウンド３上に設置される）の天端２１上（港外側端部２２と港内側端部２３との間の位置）に設置されている。

この津波フェンス１は、防波堤２に津波が到来した際、天端２１上を越流する津波の勢いを抑え、背後地における津波の被害を減じるという効果を期待することができる。但し、有孔板の遮蔽率が６５％を下回ると、津波の勢いを十分に抑える効果が期待できず、また、７５％を超えると、津波フェンス１自体の強度上の問題が生じ、また、防波堤２の安定性の観点からも問題が生じる可能性がある。従って、遮蔽率は６５〜７５％の範囲内に設定することが有効である。

尚、津波が到来した際、防波堤は、水平方向に相応の外力（波力）を受けることになるが、天端２１上に津波フェンス１を設置した防波堤２においては、防波堤２自体が受ける波力に加え、津波フェンス１が受ける波力も防波堤２に作用することになるため、その分（津波フェンス設置時の水平方向への波力増加分）だけ、防波堤２における耐津波安定性が低下してしまう可能性がある。

また、遮蔽率が６５〜７５％の津波フェンス１を設置した場合、津波の水流は、天端２１上を通過する際に減速されることになるため、防波堤２の港内側（図１において右側）の水面に落下する水流の勾配が大きくなり、また、津波フェンス１の設置位置が、防波堤２の港内側端部２３に近すぎる場合、津波フェンス１の上端付近を通過した水流が、防波堤２の港内側の水面（基礎マウンド３の港内側部分３１の上方の水面）に直接落下することになり、その結果、基礎マウンド３の港内側部分３１において「洗掘」が生じる恐れがある。

本発明の津波フェンス１は、天端２１上における設置位置の値〔α〕（図１に示す天端２１の港外側端部２２を「０」、港内側端部２３を「１」とする、「０から１まで」の数値）が、次の二つの関係式（１）、（２）を満たすように設置されており、これにより、上記のような問題（耐津波安定性の低下、及び、洗掘の発生）を好適に解決することができる。
（１） α≧（６ａｉ−２ｈ０−ｈ１）／（１．２Ｂ）
（２） α≦１−β×ａｉ／Ｂ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2

尚、上記関係式（１）、（２）式において〔ａｉ〕は、想定する津波の高さ（ｍ）の半分の値、〔ｈ０〕は、静水面から防波堤２の天端２１までの高さ（ｍ）、〔ｈ１〕は、津波フェンス１の高さ（ｍ）、〔Ｂ〕は、防波堤２の天端幅（ｍ）、〔β〕は減衰率、〔ｄ〕は水深である（以下同じ）。

上記関係式（１）を満たす位置に津波フェンス１を設置した場合、津波到来時において、天端２１上の領域のうち、津波フェンス１よりも港外側の領域（図１において左側）に留まる水塊の自重による水圧（防波堤２を押さえようとする鉛直下向きの力）（津波フェンス設置時の抵抗力増加分）によって、上述したような防波堤２に作用する「津波フェンス設置時の波力増加分」を軽減し、或いは、キャンセルすることができる。

また、上記関係式（２）を満たす位置に津波フェンス１を設置した場合、津波フェンス１を通過した津波の水流が、すべて防波堤２の天端２１上に一旦落下することになり、水流が防波堤２の港内側の水面（基礎マウンド３の港内側部分３１の上方の水面）に直接落下することを回避することができ、その結果、基礎マウンド３の港内側部分３１における「洗掘」の発生を好適に回避することができる。

ここで、上記関係式（１）、（２）の意義について、それぞれ詳しく説明する。

１．関係式（１）について
上述の通り、津波フェンス１を設置した防波堤２に作用する波力は、津波フェンスを設置しない防波堤よりも、津波フェンス設置時の波力増加分〔Ｐ＋〕（図２参照）だけ大きくなるため、この点のみを考慮すると、津波フェンス１を設置した場合、耐津波安定性が低下してしまうことが懸念される。但し、津波フェンス１を設置した場合、天端２１上の領域のうち、津波フェンス１よりも港外側の領域に留まる水塊ＷＭ（図３参照）の自重による水圧によって、防波堤２の抵抗力が増加すると考えられ、この津波フェンス設置時の抵抗力増加分〔Ｐ−〕（図３参照）は、津波フェンス１の設置位置〔α〕の値と比例して増加することになる。

従って、津波フェンス１の設置位置〔α〕の値を、「ある値」（閾値）よりも大きく設定した場合、抵抗力増加分〔Ｐ−〕が、波力増加分〔Ｐ＋〕を上回る可能性があり、この場合、津波フェンス１の設置による防波堤２における耐津波安定性の低下という問題を好適に回避できることになる。関係式（１）は、この〔α〕についての「閾値」を、波力増加分〔Ｐ＋〕と、抵抗力増加分〔Ｐ−〕との関係において表したもの、換言すれば、抵抗力増加分〔Ｐ−〕が波力増加分〔Ｐ＋〕を上回るために必要となる津波フェンス１の設置位置〔α〕の条件を定式化したものである。

津波フェンス設置時の波力増加分〔Ｐ＋〕は、図２に示す静水面上の波圧作用高さ〔η^*〕(ｍ)、静水面から防波堤２の天端２１までの高さ〔ｈ０〕(ｍ)、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕(ｍ)、静水面における波圧強度〔ｐ１〕(ｋＮ／ｍ²)、及び、直立壁前面下端における揚圧力〔ｐｕ〕(ｋＮ／ｍ²)から求めることができ、また、津波フェンス設置時の抵抗力増加分〔Ｐ−〕は、図３に示す防波堤２の天端幅〔Ｂ〕(ｍ)、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕(ｍ)、津波フェンス１の設置位置〔α〕、海水の単位体積重量〔ρ₀ｇ〕(ｋＮ／ｍ³)、及び、摩擦係数（防波堤２を構成するケーソンと基礎マウンド３を構成する捨石層との摩擦係数）〔μ〕から求めることができる。そして、条件「Ｐ−≧Ｐ＋」にこれらを適用し、整理することにより、関係式（１）を導き出すことができる。

より具体的には、津波フェンス設置時の波力増加分〔Ｐ＋〕は、次の通りとなる。
（３） Ｐ＋＝(((η^*−(ｈ０＋ｈ１))／η^*×ｐ１)＋((η^*−ｈ０)／η^*×ｐ１))／２×ｈ１

ここで、「η^*＝３．０ａｉ」、「ｐ１＝３．０ρ₀ｇａｉ」、「ｐｕ＝ｐ１」と仮定し、これらを上式に代入し、整理すると、次の通りとなる。
（４） Ｐ＋＝(６ａｉ−２ｈ０−ｈ１)×ρ₀ｇｈ１／２

一方、津波フェンス設置時の抵抗力増加分〔Ｐ−〕は、次の通りとなる。
（５） Ｐ−＝αＢ×ρ₀ｇｈ１×μ

そして、条件「Ｐ−≧Ｐ＋」に、上式（４）、（５）の右辺（尚、上式（５）の〔μ〕には、防波堤２を構成するケーソンと基礎マウンド３を構成する捨石層との一般的な摩擦係数の値「０．６」を用いる）をそれぞれ代入し、整理することにより、関係式（１）「α≧（６ａｉ−２ｈ０−ｈ１）／（１．２Ｂ）」を導き出すことができる。

本発明の発明者は、この関係式（１）の有効性を確認すべく、津波現象を再現できる水理実験装置を用いて実験を行った。具体的には、図１に示すような津波フェンス１を設置した防波堤２及び基礎マウンド３の模型（約１／５０スケール）を水理実験装置の水槽内に設置し、津波現象を再現し、津波フェンス１の設置位置毎に、津波フェンス１及び防波堤２に作用する波力（津波合成波力）を計測した。

尚ここでは、静水面から防波堤２の天端２１までの高さ〔ｈ０〕（図２参照）を１０．７ｃｍ、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕を８ｃｍ、防波堤２の天端幅〔Ｂ〕を３０ｃｍに設定した。また、防波堤２等に波及させる津波として、大きさが異なる二種類の津波、より詳細には、津波フェンス１を越えない「越流なし」の津波（防波堤前面において〔ａｉ〕を８ｃｍに設定）（関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）：０．４８）と、津波フェンス１を越流する「越流あり」の津波（防波堤前面において〔ａｉ〕を１０ｃｍに設定）（関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）：０．８０）を合成した。

波力の計測結果を図５のグラフに示す。尚、このグラフにおける横軸は、天端２１（図１参照）上における津波フェンス１の設置位置の実際値（図１に示す天端２１の港外側端部２２を「０」、港内側端部２３を「１」とする、「０から１まで」の数値）を、関係式（１）による〔α〕の計算値（「越流なし」の津波の場合は「０．４８」、「越流あり」の津波の場合は「０．８０」）で除した値を示している。具体的には、横軸の「１」は、津波フェンス１の設置位置の実際値が、関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）と一致していることを示し、横軸の「０．５」は、港外側端部２２と、関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）の位置との中間の位置に津波フェンス１が設置されていることを示している。一方、縦軸は、「津波フェンスの非設置時に防波堤２に作用する波力」に対する「津波フェンス１の設置時に津波フェンス１及び防波堤２に作用する波力」の増加率（％）を示している。

図５のグラフに示されているように、「越流なし」の津波の場合も、「越流あり」の津波の場合も、関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）の位置よりも港内側（図１において右側）に津波フェンス１を設置した場合には、波力増加率が３％以内に収まっており、実用上、津波フェンス１の設置による波力増加分の影響をほぼキャンセルできるようなバランスとなっていることが理解される。一方、関係式（１）による〔α〕の計算値（推奨値）の位置よりも港外側（図１において左側）に津波フェンス１を設置した場合には、津波作用時に大きな力が作用することになり、防波堤２が不安定になると考えられる。これらの実験結果により、関係式（１）の有効性、妥当性が確認された。

２．関係式（２）について
天端上に津波フェンスが設置されていない防波堤に津波が到来した場合、津波の水流は、一定の流速で天端上を通過した後、天端の港内側端部から港内側の空間に向かって水平方向へ放出され、放物線を描いて港内側の水面（ある程度、港内側端部から離れた位置）に落下することになる。

これに対し、遮蔽率が６５〜７５％の津波フェンス１を防波堤２の天端２１上に設置した場合、津波の水流は、天端２１上を通過する際に減速されることになるため、天端上から港内側の空間に放出されて落下する水流の勾配は、津波フェンスが設置されていない場合よりも大きくなり、より港内側端部２３に近い位置で水面に落下することになる。また、天端２１上における津波フェンス１の設置位置が、港内側端部２３に近すぎる場合、津波フェンス１の上端付近（及び、その上方）を通過した水流が、防波堤２の港内側の水面に直接落下する可能性があり、この場合、上述の通り、基礎マウンド３の港内側部分３１（図１参照）において「洗掘」が生じる可能性を高める。

但しこの問題は、津波フェンス１の設置位置を、港内側端部２３から港外側へ十分に離れた位置に設定することによって回避することができると考えられる。より具体的には、津波フェンス１の設置位置〔α〕の値を、「ある値」（閾値）よりも小さく設定することにより、津波フェンス１の設置位置から港内側端部２３までの距離が、津波フェンス１の上端付近を通過した水流の天端２１上の移動距離〔Ｓ〕（天端２１の高さに落下するまでの水平方向への移動距離）（図４参照）よりも大きくなるように設定すれば、津波フェンス１を通過した津波の水流をすべて防波堤２の天端２１上に一旦落下させることができ、津波フェンス１の上端付近から防波堤２の港内側の水面に水流が直接落下することによる基礎マウンド３の「洗掘」を回避することができる。

関係式（２）は、この〔α〕についての「閾値」を、防波堤２の天端幅〔Ｂ〕、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕等との関係において表したものであり、津波フェンス１の設置位置から港内側端部２３までの距離が、津波フェンス１の上端付近を通過した水流の天端２１上の移動距離〔Ｓ〕を上回るために必要となる津波フェンス１の設置位置〔α〕の条件を定式化したものである。この関係式（２）は、次のようにして求めることができる。

まず、水平方向の津波水流の最大流速〔Ｖ０〕は、「長波理論」より、次のように表すことができる。
（６） Ｖ０＝ａｉ×（ｇ／ｄ）^1/2

そして、津波フェンス１の通過後における水流の流速〔Ｖ１〕は、津波フェンス１の通過による減衰率〔β〕を〔Ｖ０〕に乗じることによって、次のように表される。
（７） Ｖ１＝β・Ｖ０＝β×ａｉ×（ｇ／ｄ）^1/2

従って、津波フェンス１の上端付近を通過した水流の天端２１上の移動距離〔Ｓ〕は、放物線方程式より、次の通りとなる。
（８） Ｓ＝Ｖ１・（２×ｈ１／ｇ）^1/2＝β×ａｉ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2

津波フェンス１を通過した津波の水流をすべて防波堤２の天端２１上に一旦落下させるためには、上述の通り、津波フェンス１の設置位置〔α〕から港内側端部２３までの距離が、津波フェンス１の上端付近を通過した水流の天端２１上の移動距離〔Ｓ〕を上回ることが必要であり、この条件は、図４に示す「αＢ」（天端２１の港外側端部２２から津波フェンス１の設置位置〔α〕までの距離）と「Ｓ」（津波フェンス１の上端付近を通過した水流の天端２１上の移動距離）の和が、「Ｂ」（防波堤２の天端幅）よりも小さいこと（次式）、と同義である。
（９） αＢ＋Ｓ≦Ｂ

そして、上式（８）、（９）より、関係式（２）「α≦１−β×ａｉ／Ｂ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2」が得られる。

本発明の発明者は、この関係式（２）の有効性を確認すべく、津波現象を再現できる水理実験装置を用いて実験を行った。具体的には、図１に示すような津波フェンス１を設置した防波堤２及び基礎マウンド３の模型（約１／５０スケール）を水理実験装置の水槽内に設置し、津波現象を再現し、津波フェンス１の設置位置毎の流況状況を撮影した。

尚ここでは、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕（図４参照）を８ｃｍ、津波の越流水深を８ｃｍに設定した（関係式（２）による〔α〕の計算値（推奨値）：０．８２）。また、津波フェンス１の設置位置については、〔α〕の実際値を「０．５」、「０．７５」、「１」とした。

図６（１）に示すように〔α〕の実際値を「０．５」とした場合、及び、図６（２）に示すように〔α〕の実際値を「０．７５」とした場合（いずれも、この場合の関係式（２）による条件「α≦０．８２」を満たす）、津波フェンス１を通過した水流は、防波堤２の天端２１（図４参照）上に着水した。一方、図６（３）に示すように、〔α〕の実際値を「１」とした場合（この場合の関係式（２）による条件「α≦０．８２」を充足せず）、水流がダイレクトに基礎マウンドに落下した。

更に、津波フェンス１の設置位置毎に、津波フェンス１の通過後の水流の着水点距離（図１に示す防波堤２の港内側端部２３から防波堤２の港内側（図１において右側）の水面における着水点までの距離）を計測した。尚ここでは、津波フェンス１の高さ〔ｈ１〕（図４参照）を１０ｃｍ、津波の越流水深を１０ｃｍに設定した。その計測結果を図７のグラフに示す。

図７のグラフにおける横軸は、天端２１（図１参照）上における津波フェンス１の設置位置の実際値（図１に示す天端２１の港外側端部２２を「０」、港内側端部２３を「１」とする、「０から１まで」の数値）を、関係式（２）による〔α〕の計算値（推奨値）で除した値を示している。一方、縦軸は、「津波フェンス非設置時の着水点距離」に対する「津波フェンス設置時の着水点距離」の変化率（％）を示している。

図７のグラフに示されているように、関係式（２）による〔α〕の計算値（推奨値）の位置よりも港内側（図１において右側）に津波フェンス１を設置した場合（図７の横軸の数値が「１」を越えた場合）、防波堤２の港内側端部２３（図１参照）に著しく近いエリアに水流が落下し、基礎マウンド３において「洗掘」の問題が発生する恐れがあることがわかる。これに対し、関係式（２）による〔α〕の計算値（推奨値）の位置よりも港外側（図１において左側）に津波フェンス１を設置した場合（図７の横軸の数値が「１以下」となる場合）、着水点距離は、津波フェンス非設置時の着水点距離からそれほど減少せず、従って、「洗掘」に関しては特に問題は生じないと考えられる。これらの実験結果により、関係式（２）の有効性、妥当性が確認された。

ここで、上記関係式（１）、（２）と、代表的な規模の防波堤に関する数値を用いて、本発明に係る津波フェンスの好適な設置範囲（推奨値）について計算してみると、例えば、水深〔ｄ〕が１０ｍ、静水面から防波堤２の天端２１までの高さ〔ｈ０〕が５ｍ、天端幅〔Ｂ〕が１５ｍの防波堤２に、高さ〔ｈ１〕が４ｍの津波フェンス１を設置する場合において、津波の高さ〔２ａｉ〕を８ｍと想定すると、関係式（１）により、〔α〕を「０．５５以上」に設定することが有効であることになり、また、関係式（２）により、〔α〕を「０．８以下」に設定することが有効であるということになる。

１：津波フェンス、
２：防波堤、
２１：天端、
２２：港外側端部、
２３：港内側端部、
３：基礎マウンド、
３１：港内側部分、
α：天端上における津波フェンスの設置位置の値、
ａｉ：想定する津波の高さの半分の値、
Ｂ：防波堤の天端幅、
ｄ：水深、
ｈ１：津波フェンスの高さ、
ｈ０：静水面から防波堤の天端までの高さ、
η^*：静水面上の波圧作用高さ、
Ｐ＋：津波フェンス設置時の波力増加分、
Ｐ−：津波フェンス設置時の抵抗力増加分、
ｐ１：静水面における波圧強度、
ｐｕ：直立壁前面下端における揚圧力、
Ｓ：水流の天端上の移動距離、
Ｖ０：水平方向の津波水流の最大流速、
Ｖ１：津波フェンス通過後の水流の流速

Claims (3)

1. 想定する津波の高さの半分の値をａｉ、静水面から防波堤の天端までの高さをｈ０、津波フェンスの高さをｈ１、防波堤の天端幅をＢ、津波フェンスの通過後における水流の流速を水平方向の津波水流の最大流速で除した減衰率をβ、水深をｄとするとき、
   防波堤の天端の港外側端部を０、港内側端部を１とする防波堤の天端上における設置位置の値αが、下記の関係式（１）、及び、関係式（２）を満たすように、遮蔽率が６５〜７５％の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成される津波フェンスを防波堤の天端上に設置することを特徴とする津波フェンスの設置方法。
   （１） α≧（６ａｉ−２ｈ０−ｈ１）／（１．２Ｂ）
   （２） α≦１−β×ａｉ／Ｂ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2
2. 水深が１０ｍ、静水面から防波堤の天端までの高さが５ｍ、天端幅が１５ｍの防波堤に、高さが４ｍの津波フェンスを設置する場合であって、津波の高さを８ｍと想定した場合において、防波堤の天端の港外側端部を０、港内側端部を１とする防波堤の天端上における設置位置の値αが、０．５５〜０．８の範囲内となるように、遮蔽率が６５〜７５％の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成される津波フェンスを防波堤の天端上に設置することを特徴とする津波フェンスの設置方法。
3. 遮蔽率が６５〜７５％の有孔板と、これを支持する支柱とによって構成される津波フェンスが、天端上に設置された防波堤であって、
   想定する津波の高さの半分の値をａｉ、静水面から防波堤の天端までの高さをｈ０、津波フェンスの高さをｈ１、防波堤の天端幅をＢ、津波フェンスの通過後における水流の流速を水平方向の津波水流の最大流速で除した減衰率をβ、水深をｄとするとき、
   防波堤の天端の港外側端部を０、港内側端部を１とする防波堤の天端上における設置位置の値αが、下記の関係式（１）、及び、関係式（２）を満たすように津波フェンスが設置されていることを特徴とする防波堤。
   （１） α≧（６ａｉ−２ｈ０−ｈ１）／（１．２Ｂ）
   （２） α≦１−β×ａｉ／Ｂ×（２×ｈ１／ｄ）^1/2

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