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以下の文書は以下の日本語訳です。

Bridge scour - Wikipedia

scour (スカウア) の意味は英和辞典には、「ごしごし洗う」などの意味が書いてありますが、 本来は「擦り取ってきれいにする」 の意味です。以下の scour には「きれいにする」 の意味は少ないと思われるので、 「擦り取り」(こすりとり) と訳することにします。

橋の擦り取り (Bridge scour)

「橋の擦り取り」 により、橋台や橋脚の周りの砂と砂利のような堆積物が取り除かれる。 「擦り取り」 は急速に動く水により引き起こされ、 「擦り取り」の穴 (sour holes) を作って (scoop out)、(橋の) 構造の完全性を損なう。

米国では「橋の擦り取り」 は橋が破綻する主な 3 つの原因の 1 つである (他の原因は衝突と過負荷 (overloading) である). 評価されていることでは、すべての橋の破綻の原因の 60% は 「橋の擦り取り」 と水力学に関連することである。 これは米国の基幹道路の橋の破綻で、最も普通な原因であり、 米国では 1961 年から 1976 年にかけての主な橋の 86 回の破綻のうち、 46 回は 「橋の擦り取り」 の結果であった。

どのようにして擦り取りの穴が生成されるかの図式
  1. 擦り取りに影響を受ける領域
  2. 原因
  3. 橋の検査と擦り取りの評価
  4. 対抗策と予防
  5. 擦り取りの深さの評価
  6. 擦り取りで起きた橋の大惨事
擦り取りに影響を受ける領域

水は通常、橋脚と橋台の周りでより速く流れ、これにより橋脚と橋台は局所的な 擦り取りに影響を受けやすい。 橋の開口部では、 収縮擦り取りがおき、 この時水は 橋の上流の水路よりも、狭い開口部を通り抜けて流れる時に加速する。 劣化擦り取りは大きな領域にかかる橋の上流・下流のどちらにも起きる。 長期間に、これは川底を降下させることになる。

原因

水路の不安定性は川の浸食につながり、 水が押し寄せる角度 (angles-of-attack) の変動は橋の擦り取りに寄与する。 ゴミも幾つかの方法で橋の擦り取りに随分影響する。 ゴミの累積は橋の下の水路の大きさを小さくし、水路の縮小擦り取りの原因となる。 次第に累積したゴミは障害のある場所を増やし、 局所的な 「擦り取り」 を増やす。 ゴミは川の流れを変え、水が押し寄せる角度 (the angle of attack) を変え、 局所的な 「擦り取り」 を増やす。 ゴミは橋の周りの全水路も移動させ、水量が増え、別の場所の擦り取りの原因になる。

もっとも頻繁に遭遇する橋の擦り取りの問題は通常、固まっていない堆積物に関連し、これは簡単に侵食される。 しかしながら、密着したり、セメントで固めた土壌すべての擦り取りは密着していない土壌ほど、 大きくないと仮定すべきでなく、擦り取りは進展するのに時間がかかる。

ホーモチット川 (Homochitto River) にかかる
ミシシッピ・ハイウェイ 33 が、洪水が誘導する浸食で崩壊

擦り取りの等式の多くは、研究室の研究から得られ、適用範囲は解明することが困難である。 大半の研究は橋脚と杭 (pile) の構成物に焦点を合わせている、 もっとも、大半の橋の擦り取りの問題は、もっと複雑な橋台の配置に関連している。 幾つかの研究は限られた実データ (field data) を使用して確認されたが、 これも物理モデルの目的には正確な縮尺は困難である。 擦り取り後の実測定 (field measurement) の最中に、 洪水の上昇段階、あるいはピークに発展した「擦り取り」の穴は、 下降段階で再び埋めることができる。この理由から「擦り取り」の 最大の深さは事が起きた後では単にモデル化できない。

擦り取りは橋の水力学解析 (hydraulic analysis) でも問題を引き起こす。 「擦り取り」は橋を通り抜ける水路を随分と深くし、事実上よどみ (backwater) を縮小、 あるいは消去さえする。しかしながら、このよどみの縮小は信頼できない。 というのは関連する工程は予測できるものでないからである。

擦り取りを考察する時には、非結合的 (non-cohesive) あるいは 結合がない (cohesionless) (堆積した (aluvial)) 堆積物と、結合的な資材の間を区別するのが 普通である。 前者が通常、実験室の研究でもっとも興味あるものである。 結合的な資材には特別な技術が必要で、ほとんど研究されていない。

「擦り取り」 を考察する時の最初の重要な問題は 「透明水擦り取り」 (clear-water scour) と 「実川床擦り取り」 (live-bed scour) の区別である。 ここで重要な問題は橋のすぐ上流の流れの平均せん断応力 (mean shear stress) が川床の 物質 (material) を動かすことに必要な閾値より、下あるいは上のいずれかであることである。 もしも上流のせん断応力 (shear stress) が閾値以内であれば、 橋の流の川床の物質は動かない。 これは透明水状態と呼ばれる。 というのは進入する水はきれいで、堆積物を含まないからである。 従って、局所的な 「擦り取り」 の穴から取り除かれた物質は、 進入する水で運ばれる堆積物によって置換されないのである。 局所的な 「擦り取り」 の最大の深さが達成されるのは、 「擦り取り」 の穴の大きさによって、 せん断応力 (shear stress) が局所的に減少して臨界値に一致する時で、 この臨界値とは、流れが擦り取った領域からもはや取り除くことができなくなる時である。

「実川床擦り取り」が起きるのは:  せん断応力が閾値よりも大きく、橋の上流の川床の物質が動いている時である。 これが意味するkとは、進入する流れが連続的に堆積物を局所的な「擦り取り」の穴に運ぶことである。 それ自身、一様な水路における実川床は擦り穴を作らない -- というのは、これが作られるためにはせん断応力が少々追加して増加する必要があるからで、 これを引き起こすものは、例えば:  (橋のような、自然や人工物による) (水路の) 縮小、あるいは (橋脚のような) 局所的障害がある。 均衡状態の擦り取り深さ (quilibrium scour depth) が達成されるのは、 擦り取り穴に物質が運ばれるのと同じ比率で、ここから外に運ばれる時である。

典型的には透明水の均衡状態の擦り取りの最大は、実川床の均衡状態の擦り取りより、およそ 10% 大きい。 透明水擦り取りに有利な条件は: 

透明水と実川床の擦り取りのどちらでも起きることが可能である。 洪水時には、流量が変化すれば、川床のせん断応力が変化する。 可能であることは、 洪水の開始時点では透明水状態があり、実川床状態に遷移して、 透明水状態に逆戻りする。 注意することは、擦り取り深さの最大は最初の透明水状態で起きるが、 必ずしも、洪水状態がピークに達し、実川床擦り取りが起きている時ではないことである。 同様に比較的速い流速は水が堤防内に押しとどめられている時に起き、 水が放水ピークで氾濫原に広がった時ではない。

都会化は洪水の大きさを増大する影響があり、 ハイドログラフ (hydrographs, 流量図) が、より速くピークに達する原因となり、 より速い流速と (水路の) 劣化につながる。 (問題となる場所の上流、あるいは下流における) 水路の改良、あるいは砂利の摘出で変わるのは:  水位、流速、川床の傾斜、そして堆積物移送の特徴であり、 その結果擦り取りに影響する。 例えば、堆積水路が直線化・拡幅される、もしくは他の方法で変更され、 その結果、流量エネルギーが増大すれば、 水路は低エネルギー状態に戻る傾向があり。これは上流の劣化、拡幅、下流の堆積によっている。

橋のデザインに対する 「劣化擦り取り」 の重大性により、 技術者は橋の耐用期間中に既存の水路の高さがほぼ一定のまゝか、変化するかを決着しなければならない。 もしも変化しそうであれば、水路と基礎をデザインする時に、これを許容しなければならない。

河川水路の側方安定性 (lateral stability) が擦り取り深さにも影響する、 というのは水路の動きにより、橋が進入する水流に対して、位置あるいは向きが不正確になるからである。 この問題はどのような状況でも重大となるが、 乾燥地帯、あるいは半乾燥地帯、そして断続する (流れが止まる) 川では潜在的に深刻である。 横移動の比率は大体予測不能である。 時々、長年の間安定していた水路が、突然に動き始めることがあるが、重要な影響は:  洪水、堤防の材質、堤防の植生、氾濫原、そして土地の利用である。

橋の場所での擦り取りは、典型的には縮小 (contraction) (あるいは圧縮 (constriction)) による擦り取りと 局所擦り取り (local scour) に分類される。 縮小擦り取りはすべての段面で起き、 これは増加した流速と川床のせん断応力の結果で、、 橋の建築などにより水路が狭くなることで起きる。 一般に、開口部の比率が小さければ、水流は速くなり、擦り取りの可能性が大きくなる。 もしも、水流が広い氾濫原から縮小すれば、多大な擦り取りと堤防の決壊が起きる。 比較的激しい圧縮があれば、浸食を防ぐために何十年にもわたる定期的な保守が必要となる。 明らかなことは、縮小擦り取りを減らす 1 つの方法は開口部を広くすることである。

局所的な擦り取りは増大した速度と付随する渦から生じ、 水流が橋台、橋脚、突堤 (spur dykes) の角 (かど) のまわりで加速して起きる。 円柱橋脚の周りで水流を模倣する。 接近する水流は円柱に近づくと減速し、橋脚の中央で停止する。 その結果、全圧力 (stagnation pressure) は水面近くで最大で、 ここでは接近速度が最も大きく、下がると小さくなる。 橋脚表面の下方向の圧力勾配 (pressure gradient) は水流を下方向に向ける。 局所的橋脚擦り取りが開始し、この時、よどみ点における下向きの水流速度は十分に強く、 川床の粒子の動きに対する抵抗を凌駕する。。

洪水の最中には、橋の基礎は被害を被らないかもしれないが、 橋台の後ろの充填物が擦り取られるかもしれない。 このタイプの被害は典型的には、垂直壁の橋台を持つ単一スパン橋で起きる。

橋の検査と擦り取りの評価

検査工程は通常、水文学者 (hydrologists) と水文技術者 (hydrologic technician) により 実施され、橋に関しての過去の技術情報の見直しが含まれ、その後で、目視検査 (visual inspection) がある。 記録される情報は:  川により運ばれた岩や堆積物のタイプ、及び水流が橋に向かい、離れる時の角度が記録される。 橋の下の領域も検査され: 穴とそれ以外の擦り取りの証拠を探す。

橋の検査はオフィスでの調査で始まる。 橋の歴史と擦り取りにかかわる以前の問題が書き留められる。 橋が一旦、潜在的な擦り取りの橋と認められたら、更なる評価に進み、これには実地調査、 擦り取り脆弱性分析 (vulnerability analysis) 及び優先順位付けがある。 橋は異なるカテゴリーで評価され、 擦り取りの危険で優先権が与えられる。 橋が一旦、擦り取りの危険があると評価されると、橋の所有者は既知で潜在的欠陥を軽減するために、 擦り取り行動計画を用意すべきである。 計画に含まれるものは:  対抗策の設置、監視、洪水の後の検査、必要があれば橋の閉鎖である。

代りにセンサー技術も擦り取りの査定に使用される。 擦り取りのセンサー・レベルは 3 段階に分類できる:  一般の橋の検査、限られたデータの収集、そして詳細データの収集である。 擦り取りモニターのシステムには 3 つの異なる型式がある:  固定、ポータブル、そして地球物理学配置 (geophysical positioning) である。 各システムは擦り取り被害を検知でき、橋の破綻を避け、公的安全性を増大する。

対抗策と予防

水力工学回覧 No 23 マニュアル (HFC-23、Hydraulic Engineering Circular No. 23 Manual) は擦り取りの対抗策として一般的デザイン・ガイドラインを含んでおり、 これは橋脚と橋台に適用できる。 次の表のデザイン・ガイドラインの数値は HFC-23 デザイン・ガイドラインの章番号を示す。

表 1
HEC-23 の対抗策の形式の説明
説明デザイン・
ガイドライン
バーブ工
(Bend way weirs/stream barbs)
1
土壌セメント
(Soil cement)
2
ワイヤ包含捨て石マットレス
(Wire enclosed riprap mattress)
3
連結式コンクリート・ブロック・システム
(Articulated concrete block system)
4
グラウトを満たしたマットレス
(Grout filled mattresses)
5
コンクリート外装ユニット
(Concrete armor units)
6
グラウト/セメント を満たしたバッグ
(Grout/cement filled bags)
7
橋脚と橋台の捨て石
(Rock riprap at piers and abutments)
8
突堤
(Spurs)
9
誘導堤防
(Guide banks)
10
砂防ダム/落差工
(Check dams/drop structures)
11
護岸
(Revetments)
12

水制構造物 (Bend way weirs), 突堤 (spurs) 及び 誘導堤防 (guide bank) は上流の流れをそろえる助けとなり、 一方、捨て石 (riprap)、 蛇篭 (gabions)、 連結式コンクリート・ブロック (articulated concrete blocks) 及び、 グラウトを満たしたマットレス (grout filled mattresses) は機械的に橋脚と橋台のスロープを安定化できる。 捨て石 (riprap) は、橋台で擦り取りを防ぐための、 最も普通な対抗策のまゝである。 橋台に物理的な追加をする幾つかの方法は、擦り取りを予防する。 これには 蛇篭 (gabion) の設置、 基礎から上流への石張り (stone pitching upstream from the foundation) がある。 矢板 (sheet pile) あるいは結合プレハブ・コンクリート・ブロック (interlocking prefabricated concrete blocks) も保護を提供する。 これらの対抗策は擦り取りの水流を変更することがなく、 一時的なものである、というのは 成分が洪水で移動したり、流出したりすることが分かっているからである。 FHWA (連邦道路管理局) は HEC-18 と HEC-23 のデザイン基準を推薦し、 例えば不都合な水流パターンを避け、橋台の流線型化、 橋脚基礎を擦り取りに抵抗するようにデザインするが、 最後のことに関しては捨て石や他の対抗策に依存しないようにする。

橋を通り抜ける台形の水路は垂直な壁の橋台と比較すると、 局所的な擦り取りの深さを随分と浅くする。 というのは、こちらの方が橋の開口部を滑らかに通過できるからである。 これにより、荒れ狂う場所の原因になる突然の角 (かど) がなくなる。 突堤 (spur dikes)、barbs、水制 (groynes)、及び vane は川を導く構造で、 水流の水力学を変えて、不都合な浸食や堆積を和らげる。 これらは、通常不安定な水路に使用され、 水流を変えて、水流の向きを変えて、 橋を通り抜けるもっと望ましい場所に向ける。 杭の挿入や、もっと深い基礎も橋を強化することに使用される。

擦り取りの深さの評価

水力工学回覧 No 18 マニュアル (HFC-18、Hydraulic Engineering Circular No. 18 Manual) は、連邦道路管理局 (FHWA、Federal Highway Administration) により出版されている。 このマニュアルは擦り取りの深さを見積もるための幾つかの技術を含んでいる。 実川床擦り取り (live bed scour)、 透明水擦り取り (clear water scour)、 及び橋脚と橋台の局所的擦り取り (local scour) を 求める経験的擦り取り等式が 5 章の 「一般擦り取り」 の節で示されている。 擦り取りの全体の深さは 3 つの擦り取り成分を加えて決定される、 これは川床の長期堆積と劣化、橋における一般擦り取り、そして橋脚あるいは橋台における局所的擦り取りである。 しかしながら、研究により判明した点は HEC-18 の標準等式は幾つかの水力学と地質学の条件で、 擦り取りの深さを過大に予測していることである。 HEC-18 の関係式の大半は、実験室の人工水路の研究で、砂の大きさの堆積物に基づき、 これに安全率をかけたもので、簡単に認められないし調節できない。 砂と細かい砂利は最も簡単に侵食される川床の物質であるが、 川には時々もっと「擦り取り」に抵抗する物質があり、 例えば引き締まった漂礫土 (till, 氷河によって運ばれた堆積物)、 硬いネンド (stiff clay)、 そして頁岩 (shale) がある。 唯一の土壌タイプに基づくデザイン・メソッドを使用する結果は、 多くの重要な地形区 (physiographic province) で、 はっきりと異なる地質学条件と基礎の材質を持つものには、とりわけ重要である。 これはリスクの低い、あるいは危機的でない水利条件における擦り取りの保守的すぎるデザイン値に至る。 従って、「擦り取り」の過小評価と過大評価を最小にするために等式の改良が続く。

擦り取りで起きた橋の大惨事