橋の洗掘

橋の洗掘とは、橋の橋台や橋脚の周囲から砂や砂利などの堆積物が除去されることです。水流の速い流れによって引き起こされる流体力学的洗掘は、洗掘穴を掘り、構造物の完全性を損なう可能性があります。^[1]

米国では、橋の洗掘は橋梁破損の3大原因の1つです（他の2つは衝突と過積載）。橋梁破損の60％は洗掘やその他の水力関連の原因によるものと推定されています。^[2]これは米国における高速道路橋の破損の最も一般的な原因であり、 ^[3] 1961年から1976年の間に発生した86件の主要な橋梁破損のうち46件は橋脚付近の洗掘によるものでした。^[4]

通常、橋脚や橋台付近は水の流れが速いため、局所的な洗掘の影響を受けやすくなります。橋の開口部では、水が橋の上流の水路よりも狭い開口部を通過する際に加速すると、収縮洗掘が発生する可能性があります。劣化洗掘は、橋の上流と下流の両方で広範囲に発生します。長期間にわたって、これは川床の低下につながる可能性があります。^[2]

河川の侵食や迎え角の変化につながる水路の不安定化は、橋の洗掘に寄与する可能性があります。瓦礫もいくつかの方法で橋の洗掘に大きな影響を与える可能性があります。物質の堆積により、橋の下の水路のサイズが縮小し、水路の収縮洗掘を引き起こす可能性があります。橋台に瓦礫が堆積すると、障害領域が増加し、局所的な洗掘が増加する可能性があります。瓦礫は水の流れを逸らし、迎え角を変えて局所的な洗掘を増加させる可能性があります。瓦礫は橋の周りの水路全体を移動させ、水の流れを増加させ、別の場所で洗掘を引き起こす可能性もあります。^[3]

最も頻繁に発生する橋の洗掘問題は通常、容易に侵食される緩い沖積土に関係しています。粘着性土またはセメント固化土における洗掘全体は非粘着性土ほど大きくならないと想定すべきではありません。洗掘が発生するまでに時間がかかるだけです。

洗掘に関する方程式の多くは、適用範囲を確かめるのが難しい実験室研究から導き出されたものです。ほとんどの研究は橋脚と杭の構造に焦点を当てていますが、橋の洗掘問題のほとんどは、橋台のより複雑な構成に関連しています。一部の研究は限られた現場データを使用して検証されましたが、これもまた、物理モデル化の目的で正確にスケーリングするのが困難です。洗掘後の現場測定中に、洪水の上昇段階またはピーク時に発生した洗掘穴は、下降段階で再び埋められる可能性があります。このため、洗掘の最大深度は、イベント後に単純にモデル化することはできません。

洗掘は橋梁の水力解析にも問題を引き起こす可能性があります。洗掘により橋梁を通る水路がかなり深くなり、逆流が効果的に減少するか、完全になくなる可能性があります。ただし、この逆流の減少は、関連するプロセスが予測不可能な性質を持つため、当てにすべきではありません。

洗掘を考慮する場合、非粘着性または非粘着性 (沖積) 堆積物と粘着性物質を区別するのが普通です。前者は通常、実験室での研究で最も関心を集めます。粘着性物質は特別な技術を必要とし、あまり研究されていません。

洗掘を考慮する際の最初の大きな問題は、清水洗掘と活床洗掘の区別です。重要な問題は、橋の上流の流れの平均床せん断応力が、床材を移動させるのに必要な閾値より小さいか大きいかということです。

上流のせん断応力が閾値より小さい場合、橋の上流の河床材料は静止しています。これは、接近流が透明で堆積物を含まないため、清水状態と呼ばれます。したがって、局所的な洗掘穴から除去された河床材料は、接近流によって運ばれる堆積物によって置き換えられません。最大の局所的な洗掘深度は、洗掘穴のサイズによって局所的にせん断応力が臨界値まで減少し、流れが洗掘された領域から河床材料を除去できなくなるときに達成されます。

活床洗掘は、上流のせん断応力が閾値よりも大きく、交差部の上流の河床材料が移動している場所で発生します。つまり、接近流が堆積物を継続的に局所的な洗掘穴に運び込んでいるということです。均一な水路の活床自体では洗掘穴は発生しません。洗掘穴が発生するには、収縮 (自然または人工、たとえば橋など) や局所的な障害物 (たとえば橋脚) などによって生じるせん断応力のさらなる増加が必要です。均衡洗掘深さは、物質が洗掘穴に運ばれる速度と、それが運ばれる速度が同じ場合に達成されます。

通常、最大平衡清水洗掘は平衡活床洗掘より約 10% 大きくなります。清水洗掘に有利な条件には、河床材料が粗すぎて運搬できないこと、局所的な洗掘によってのみ速度が十分に高くなる植生のある水路または人工的に補強された水路が存在すること、または低水量時の河床勾配が平坦であることなどがあります。

清水洗掘と活床洗掘の両方が発生する可能性があります。洪水発生中、洪水流量の変化に応じて床せん断応力が変化することがあります。洪水発生当初は清水状態にあり、活床に移行してから清水状態に戻る可能性があります。最大の洗掘深は、必ずしも洪水レベルがピークに達し活床洗掘が進行しているときではなく、初期の清水状態で発生する可能性があることに注意してください。同様に、ピーク流量時に水流が氾濫原全体に広がるのではなく、河岸内に収まっているときに、比較的高い流速を経験することがあります。

都市化は洪水の規模を増大させ、水位のピークを早める効果があり、その結果、流速が上昇し、劣化が進みます。水路の改良や砂利の採取（問題の敷地の上または下）は、水位、流速、河床勾配、堆積物の輸送特性を変え、結果として洗掘に影響を及ぼします。たとえば、沖積水路が直線化、拡張、または流動エネルギー状態の増加につながるその他の方法で変更された場合、水路は上流の劣化、下流の拡張と堆積によってエネルギー状態が低くなる傾向があります。

橋梁設計における劣化洗掘の重要性は、技術者が既存の水路標高が橋の寿命にわたって一定である可能性があるか、または変化する可能性があるかを判断する必要があることです。変化する可能性がある場合は、水路と基礎を設計する際にそれを考慮する必要があります。

河川の水路の横方向の安定性も洗掘の深さに影響する可能性があります。水路が動くと、橋の位置がずれたり、接近する水流に対して位置がずれたりする可能性があるからです。この問題はどのような状況でも重大ですが、乾燥地帯や半乾燥地帯、および一時的な（断続的な）川では、非常に深刻な問題になる可能性があります。横方向の移動速度は、ほとんど予測できません。何年も安定していた水路が突然動き出すこともありますが、大きな影響は洪水、河岸の材質、河岸や氾濫原の植生、土地利用などです。

橋梁建設現場での洗掘は、通常、収縮洗掘と局所洗掘に分類されます。収縮洗掘は、橋梁などの建設により水路が狭くなることで生じる速度と河床せん断応力の増加の結果として、断面全体で発生します。一般に、開口率が小さいほど、水路速度が大きくなり、洗掘の可能性が高くなります。水流が広い氾濫原から収縮すると、かなりの洗掘と堤防決壊が発生する可能性があります。比較的深刻な狭窄では、侵食を防ぐために数十年にわたる定期的なメンテナンスが必要になる場合があります。収縮洗掘を軽減する方法の 1 つは、開口を広くすることです。

局所的な洗掘は、橋台、橋脚、突堤の角の周りで水が加速し、速度が上昇して渦が発生することで発生します。

接近流は円筒に近づくにつれて減速し、橋脚の中央で止まります。その結果、よどみ圧力は接近速度が最大となる水面付近で最も高くなり、下に行くほど低くなります。橋脚面の下向きの圧力勾配により、流れは下向きになります。よどみ点付近の下向き流速が、河床粒子の動きに対する抵抗を克服するほど強くなると、局所的な橋脚の洗掘が始まります。

洪水時には、橋の基礎部分は損傷を受けないかもしれませんが、橋台裏の盛土が洗掘される可能性があります。このタイプの損傷は、垂直壁の橋台がある単径間橋でよく発生します。

検査プロセスは通常、水文学者と水文学技術者によって行われ、橋に関する過去の工学情報の検討と目視検査が行われます。川が運んだ岩石や堆積物の種類、川が橋に向かって流れたり、橋から離れたりする角度に関する情報が記録されます。橋の下のエリアも、穴やその他の洗掘の証拠がないか検査されます。

橋の検査は、事務所での調査から始まります。橋の履歴と、過去の洗掘に関連する問題はすべて記録する必要があります。橋が潜在的な洗掘橋であると認識されると、現場調査、洗掘脆弱性分析、優先順位付けなどのさらなる評価に進みます。橋は、洗掘リスクに応じてさまざまなカテゴリに分類され、優先順位が付けられます。橋が洗掘危険であると評価されると、橋の所有者は、既知および潜在的な欠陥を軽減するための洗掘対策計画を作成する必要があります。計画には、対策の設置、監視、洪水後の検査、必要に応じて橋を閉鎖する手順などが含まれます。

あるいは、洗掘評価のためのセンシング技術も導入されています。洗掘センシングレベルは、一般的な橋梁検査、限定的なデータの収集、詳細なデータの収集の3つのレベルに分類できます。^[5]洗掘監視システムには、固定式、ポータブル式、地質学的測位の3種類があります。各システムは、橋梁の破損を回避するために洗掘による損傷を検出するのに役立ち、公共の安全を高めます。

水理工学回覧マニュアル第23号（HEC-23）には、橋脚や橋台に適用可能な洗掘対策の一般的な設計ガイドラインが記載されています。次の表の番号は、HEC-23の設計ガイドラインのセクションを示しています。^[6]

湾曲堰、支保工、誘導堤は上流の流れを整えるのに役立ち、また、捨石、蛇籠、連結コンクリートブロック、グラウト入りマットレスなどは橋脚や橋台の傾斜を機械的に安定させることができます。^[6]捨石は橋台の洗掘を防ぐために最も一般的に使用される対策です。橋台の物理的な追加には、基礎から上流に蛇籠や石を敷くことなどがあり、洗掘の防止に役立ちます。矢板や連結プレハブコンクリートブロックを追加することでも保護できます。これらの対策では洗掘の流れは変わりませんし、洪水で部品が移動したり流されたりすることが分かっているため、一時的なものになります。^[7]連邦道路局（ FHWA ）は、HEC-18および23において、不利な流れのパターンを避けること、橋台を合理化すること、捨石やその他の対策に頼らずに洗掘に耐える橋脚基礎を設計することなどの設計基準を推奨しています。

橋を通る台形水路は、垂直の壁の橋台に比べて、橋の開口部を通る遷移がスムーズなので、局所的な洗掘深さを大幅に減らすことができます。これにより、乱流領域の原因となる急な角がなくなります。突堤、返し、突堤、および羽根は、望ましくない浸食や堆積を軽減するために水流の水理学を変える河川誘導構造物です。これらは通常、不安定な水路で使用され、橋を通る水流をより望ましい場所に向けるのに役立ちます。杭やより深い基礎の挿入も、橋を強化するために使用されます。

水理工学回覧マニュアル第18号（HEC-18）はFHWAによって発行され、洗掘深さを推定するいくつかの手法が含まれています。活床洗掘、清水洗掘、橋脚と橋台での局所洗掘の経験的洗掘方程式は、第5章「一般洗掘」のセクションに示されています。総洗掘深さは、川床の長期的堆積と劣化、橋での一般洗掘、橋脚または橋台での局所洗掘の3つの洗掘要素を追加することによって決定されます。^[8]しかし、研究により、HEC-18の標準方程式は、多くの水理学的および地質学的条件で洗掘深さを過大に予測していることがわかっています。HEC-18の関係のほとんどは、簡単に認識または調整できない安全係数を増やした砂粒サイズの堆積物を使用して行われた実験室の水路研究に基づいています。^[9]砂と細砂利は最も侵食されやすい河床材料ですが、河川には圧縮堆積土、硬い粘土、頁岩など、はるかに耐洗掘性が高い材料が含まれていることがよくあります。単一の土壌タイプに基づいた設計方法を使用することによる影響は、地質条件と基礎材料が明確に異なる多くの主要な自然地理学的地域で特に顕著です。これは、リスクが低い、または重要でない水文学的条件での洗掘に対して過度に保守的な設計値につながる可能性があります。したがって、洗掘の過小評価と過大評価を最小限に抑えるために、方程式の改良が継続的に行われています。

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ウィキメディア・コモンズには、 Scourに関連するメディアがあります。

• ブルース・W・メルヴィル、スティーブン・E・コールマン、ブリッジ・スカー
• 橋の洗掘調査
• USGS 国立橋梁洗掘プロジェクト
• 橋の洗掘に関する USGS の出版物
• USGS 橋梁洗掘調査
• USGS 全国橋梁洗掘データベース
• さまざまな洗掘の数式
• アセライブラリ - 橋の洗掘