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河岸の崩壊は、河岸に作用する重力が堆積物を保持する力を超えたときに発生します。崩壊の程度は堆積物の種類、層構造、水分含有量によって異なります。[1]
すべての川岸は浸食を受けますが、崩壊するかどうかは浸食が起こっている場所と速度によって異なります。[2] 川岸の崩壊は、家屋の配置、水の飽和、川岸の重量、植生、および/または地殻変動によって引き起こされる可能性があります。構造物が川岸に近すぎる場所に建てられると、その重量が川岸が保持できる重量を超え、地盤沈下を引き起こしたり、すでに進行している地盤沈下を加速させたりする可能性があります。[1] [3]これらのストレスに加えて、灌漑や浄化槽による飽和度の増加が土壌の強度を低下させる可能性があります。[4]根が深い植生は川岸の強度を高めますが、草や浅い根の植生に置き換えると、実際には土壌が弱くなります。芝生やコンクリートの車道があると、流出水が川岸に集中し、川岸がさらに弱くなります。基礎や構造物により、ストレスがさらに増加します。[3]それぞれの崩壊モードは明確に定義されていますが、崩壊モードを確立するためには土壌の種類、堤防の構成、環境の調査を明確に定義する必要があります。崩壊モードは、異なる時期に同じ地域に複数のタイプが存在する可能性があります。崩壊が分類されると、それ以上の侵食を防ぐための措置が講じられる可能性があります。地殻変動による崩壊が原因である場合は、その影響に関する研究が沖積システムとさまざまなストレスに対するその反応の理解に役立つ可能性があります。
説明
川岸は、つま先領域、堤防領域、堤防上部領域の 3 つの領域に分けられます。つま先領域は、最も侵食を受けやすい領域です。[2]通常水位と低水位の間にあるため、流れや侵食の影響を強く受けます。[2]堤防領域は通常の高水位より上ですが、定期的に流れの影響を受け、最も多くの人間や動物が行き来します。堤防上部領域は、つま先領域と堤防領域の両方の内陸部にあり、傾斜によって氾濫原または崖に分類できます。[2] 川岸は、堤防の材質の特性に基づいて侵食活動に反応します。最も一般的なタイプの堤防は、成層堤防または中間層堤防で、非粘着性層と粘着性層が交互に重なった構造になっています。[5]粘着性土が堤防のつま先にある場合、その上にある層の後退速度を制御します。非粘着性土が堤防の先端にある場合、これらの層は粘着性土の層によって保護されません。岩盤堤防は通常非常に安定しており、徐々に侵食されます。粘着性堤防は透水性が低いため、水位が下がると侵食を受けやすくなります。[2]粘着性土の破壊は回転または平面の破壊面で発生しますが、非粘着性土の破壊は雪崩の形で発生します。[5]
失敗のモード
油圧による故障
水面または水面下での水理作用により堆積物が巻き込まれ、直接侵食を引き起こす可能性があります。非粘着性の堤防は、堤防の切り崩し、河床の劣化、基底部の洗浄により、特にこの種の崩壊に対して脆弱です。[6]
水圧による河床侵食は、川の湾曲部で川岸に向かって流れが流れ、川の外側の縁と水深の中央で速度が最も高い場合に発生します。[5]遠心力によって水位が上昇し、外側の湾曲部で最も高くなり、重力によって水が下方に引っ張られると、川岸に対して下向きの速度で回転するらせん状の渦が発生します (侵食力)。[2]急な湾曲部で最も侵食が激しくなります。最も侵食がひどいのは、最大曲率のポイントのすぐ下流です。非粘着性層の場合、流れによって物質が除去され、粘着性物質の片持ち張りが形成されます。せん断力が川岸の先端で臨界せん断力を超え、粒子が侵食されます。これにより、最終的に張り出しが生じ、川岸が後退して崩壊します。[2]
地質工学上の失敗
土質工学的な崩壊は、通常、堤防にかかる応力が堤防が耐えられる力を超えることで発生します。一例として、氾濫原から通常の堤防レベルまで水位が下がった後に堤防が過飽和になることがあります。飽和した堤防の間隙水圧により、土の摩擦せん断強度が低下し、滑り力が増大します。 [5]このタイプの崩壊は、細粒土で最もよく見られます。細粒土は粗粒土ほど急速に排水できないためです。[2]堤防がすでに非粘着性砂の浸食によって不安定になっている場合は、この現象がさらに顕著になります。非粘着性砂は堤防の材料を弱め、堤防の崩壊につながります。[5]堤防が凍結融解にさらされると、張力亀裂が堤防の崩壊につながる可能性があります。地下の水分は内部せん断を弱めます。[2]毛細管現象により、堤防の安息角が既存の堤防の傾斜よりも小さくなることもあります。これにより傾斜が急になり、土壌が乾燥すると崩壊につながる可能性があります。[2]
地下水の浸透圧が上昇し、流量も増加すると、配管の破損が発生する場合があります。これにより、堤防の一部が崩壊します。破損は通常、砂や粗い物質のレンズがより細かい粘着性物質の層の間にある、成層した河岸内の交互に重なった飽和層に沿った選択的な地下水の流れが原因です。[6]
地殻崩壊
谷底の傾斜の変化は、地殻変動によって沖積河川に影響を及ぼすことがある。これにより河岸が決壊し、河川付近の住民や橋、パイプライン、送電線の交差部などの構造物に危険が生じる可能性がある。大規模で流れの速い河川は元の流れを維持するが、勾配が低いと傾斜の変化による影響は大きくなる。[7]地殻変動による河岸決壊は、河川が自らの河道を放棄して新しい河道を形成する剥離を引き起こすこともある。[7]地殻変動による剥離は、水位が高い河川で最も多く発生し、地震による液状化や断層によって河岸決壊が自然堤防の喪失につながっている。[8]
重力の失敗
重力による破壊には、浅層および回転地滑り、スラブおよび片持ち破壊、土砂流および乾燥粒状流が含まれます。これは、堆積物を主に粘着性の堤防から剥離し、河川によって運ぶプロセスです。
浅層破壊は、物質の層が堤防表面に平行な平面に沿って移動する場所で発生します。破壊は粘着力の低い土壌に典型的であり、堤防の角度が内部摩擦角を超えた場合に発生します。[5]過度の間隙水圧と覆土により、小型から中型のブロックが川岸の基部またはその近くで押し出されます。堤防の下半分のスラブは脱落し、アルコーブ状の空洞が残ります。破壊は通常、急勾配の堤防と、構造物内で正の間隙水圧の蓄積と強力な浸透を可能にする飽和した細粒の粘着性堤防材料に関連しています。[6]
ポップアウト破壊は、過度の間隙水圧と覆土により、小型から中型のブロックが川岸の基部またはその近くで押し出されたものです。堤防の下半分の岩塊が崩れ落ち、窪みのような空洞が残る。崩壊は、通常、急勾配の堤防や、構造物内で正の間隙水圧と強い浸透を生じる飽和した細粒の粘着性堤防材料に関係している。過度の間隙水圧と表土により、小型から中型の岩塊が堤防の底部またはその近くで押し出される。[6]
スラブ崩壊とは、河川の深層部に堆積した土砂が滑って前方に倒れることである。崩壊は急勾配で高さが低く、細粒の粘性土手と関連しており、低水流量時に発生する。崩壊は、堤防の底部の洗掘、堤防材料内の高い間隙水圧、堤防上部の引張亀裂の組み合わせの結果である。[6]
片持ち梁の崩壊は、張り出したブロックが水路に崩れ落ちることで発生します。[5]崩壊は、堤防がアンダーカットされた後によく発生します。崩壊は通常、細粒と粗粒の複合材料で発生し、低流量のときに活発になります。[6]
乾燥粒状流による崩壊は、典型的には、非粘着性の土手、または安息角に近い場所で発生し、土手は切り下げられる。これにより、局所的な土手角が摩擦角を超えて増加し、個々の粒子が土手に沿って転がり、滑り、跳ね返る。堆積は通常、土手端で発生する。[6]
湿潤土砂崩れは、土砂の飽和による土手部分の強度低下によって土手の重量が増加し、土手材料の強度が低下し、土が粘性液体として流れる場合に発生します。[2]このタイプの崩壊は、通常、傾斜の低い土手で発生し、影響を受けた物質が土手を流れ落ちて、土手端に物質の塊を形成します。[6]
梁の破損は、張り出し部の引張亀裂の結果として発生し、張り出しブロックの下部がほぼ水平な破損面に沿って破損した場合にのみ発生します。[6]
例
1811-1812 ニューマドリッド地震
1811年から1812年にかけてのニューマドリッド地震はミシシッピ川の地震によって引き起こされ、ニューマドリッド地震帯（NMSZ）の地殻変動によって起きた堤防決壊を表している。[9]ニューマドリッド地震帯は、現在も脆弱な地溝帯の崩壊によってできたもので、そのため断層や地震活動が起こりやすい。[9]地震によって即座に堤防決壊が起こり、表層の堤防が水面上や水面下に陥没し、船が沈むほどのうねりが生じた。[7]うねりの中には川に堆積物が流れ込むことによって生じたものもあったが、うねり自体が堤防にぶつかり、ミシシッピ川の堤防の広い範囲が一度に決壊することもあった。[7]地震による衝撃により、ミシシッピ川の水が逆流したとみられる。[8]大量の堆積物が川に流入した。堤防の陥没は下流のテネシー州メンフィスまで見られた。垂直方向のずれは、短命ではあったものの、乱気流の主な発生源であった可能性がある。[7]
ミネソタ州北西部の銀行破綻
堤防決壊はレッド川とその支流で発生しました。これは侵食によって引き起こされ、地滑りを引き起こしました。この地域で決壊が発生するのは、川岸が砂や砂利などのより耐性のある堆積物ではなく、氷河や湖の堆積物による粘土でできているためです。[1]最も一般的には、地滑りはシェラック層で発生し、これはヒュート層とブレンナ層と呼ばれる、より耐久性の低い層の上にあります。[1]シェラック層はシルトと粘土の層状構造で構成され、ブレンナは粘土の堆積物です。[10]これらの耐久性の低い層は、上にあるシェラック層が川の谷によって侵食されると露出します。シェラック層に亀裂が生じることもあり、その場合、下にある粘土が弱くなり、地滑りが発生します。層間の露出した接触部 (レッド川周辺でよく見られます) と、この接触部に固有の脆弱性により、川岸の大規模な崩壊が発生します。[11]川岸近くでの人間の活動は、崩壊リスクを高めます。[1]この人間の干渉により、川の最良の防御方法は、川の近くでの不必要な荷重を避け、崩壊につながる問題に対する認識を高めることです。[1]崩壊が発生した場合、斜面の土質工学パラメータの理解が必要であり、根本的な原因を理解するために最も大きく依存します。[11]これは、土壌の塑性限界と液体限界の値を取得することで達成できます。 [1]
また、興味深いのは、河川流量と堆積物の寄与の相互作用です。レッド川とミネソタ川は、ノースダコタ州北東部のペンビナ川からの寄与を受けています。[10]この川の侵食率は非常に高く、川岸の広範囲かつ急峻な侵食を引き起こします。この増加した流出は河川流量の増加を引き起こし、レッド川などの下流での侵食イベントの増加につながります。[10]
ソリューション
河岸の崩壊には多くの解決策が関係しているが、最も一般的な解決策としては、石灰による安定化と擁壁、捨石と矢板積み、深い植生の維持、風車列と溝、袋とブロック、蛇籠とマットレス、ソイルセメント、河岸近くに構造物を建設しないことなどがある。[12]
砕石
川岸の侵食を抑制するように配置した岩石やその他の材料で作られた捨石。この方法は費用がかかり、破損することもあるが、広い範囲に使用できる。 [3]破損は、石が小さすぎてせん断応力に耐えられない、個々の石が除去されて捨石全体が弱くなる、川岸の側面の傾斜が急すぎて捨石が変位力に耐えられない、または捨石の勾配が均一すぎる（狭い空間を埋めるものがない）などの理由で、川岸が粒子侵食を受けるときに見られる。破損は、スランプ、並進滑落、または修正スランプによっても発生する可能性がある。[12]
風の列と溝
ウィンドロウとは、川岸に耐食性のある材料を積み上げたもので、埋めると溝と呼ばれるようになる。すでに決まった場所での侵食が続く場合、これらのウィンドロウと溝は、さらなる侵食から川岸を守るために、川岸とともに滑り落ちるように作られる。[13]これにより、高い川岸でも設置が簡単になるという点で、最小限の設計作業で済むが、他の方法では失敗する可能性がある。[12]欠点としては、窓と溝が耐食性のある材料と交差するまで侵食され続けることが挙げられる。この方法の結果は、川岸の急勾配が川の流速の増加につながるため、一貫性がないことがわかっている。[12]
サック/ブロック
洪水時には袋やブロックが使用されることがあります。袋に材料を詰め、ブロックで排水と植生の成長を促します。この方法では、袋やブロックはすべて同じサイズにする必要があるため、人手が増え、充填材の量も増えます。[12]
蛇籠とマットレス
蛇籠は長方形のワイヤーボックスを積み重ねたもので、その中に石が詰められています。急斜面で水の流れが速すぎて石積み技術が使えないときに役立ちます。蛇籠は高価で手間がかかり、定期的な損傷検査とその後のメンテナンスが必要ですが、良好な性能を発揮することが確認されています。[13]
マットレスガビオンは幅広で浅い籠で、滑らかな川岸での植物の生育に役立ちます。浅い表面に並べて重ねて縛り付けると、浸食に対する保護層を形成します。[12]
関節式コンクリートマットレスは、ミシシッピ川などの大河で使用されており、鉄棒で支えられたコンクリートブロックで構成されています。[12]使用が簡単で評判も良く、適切に設置すれば川岸を完全に覆うことができます。これは、結果として優れたサービス記録につながります。[12]しかし、空きスペース（8％）には細かい材料が通り抜けることができ、ブロック間のスペースによって川岸が削られる可能性があります。[13]残念ながら、マットレス自体は急カーブにうまく収まらず、設置に必要な川岸の植生の除去にはコストがかかる可能性があります。[12]
ソイルセメント
土セメントの正確な配置は、堤防の傾斜によって異なる場合があります。[14]波の作用が大きい河川では、波から来るエネルギーを消散させるために階段状のパターンが必要になる場合があります。[12]波のエネルギーが低い状況では、セメントを斜面に平行にシート状に「敷き詰める」ことができます。ただし、この手法は急勾配では使用できません。[14]土セメントは凍結/融解条件ではマイナスの影響を与える可能性がありますが、砂や植物のある堤防ではプラスの効果があります。強度が弱く、不浸透性があると崩壊する可能性があるためです。[12]
植生
河岸の決壊を防ぐ植生には、主に樹木、潅木、草の 3 種類があります。樹木は深く密な根系を形成し、河岸にかかる負担を増大させます。潅木は侵食に対する保護カバーとして河岸に杭打ちされ、良好な植物被覆と土壌の安定性を生み出します。[3]挿し木は束ねて束ね、河岸と平行な浅い溝に植えます。[12]通常、柳とハコヤナギの棒が最も有用な材料ですが、繊維製品も使用できます。 [13] [15]次に、部分的に埋めて杭打ちします。挿し木の束は丸太のような構造を作り、根を張り、成長し、良好な植物被覆を作り出します。この構造は土壌を所定の位置に保持し、河岸を侵食から保護します。[13]侵食プロセスに対抗するために植生を使用することは、最も労働集約的な方法ですが、最も安価でもあります。また、生息地を改善し、美観も向上します。しかし、急峻な堤防では、樹木が堤防の土手部分を安定させることができず、樹木自体の重みで倒壊してしまう可能性があります。また、凍結融解などの条件下では植生を育てることが困難です。適切に保護されていない場合、野生動物や家畜が植生に被害を与える可能性があります。[12]
参考文献
- ^ abcdefg ミネソタ地質調査所。 「ミネソタ州北西部の川岸崩壊：脆弱な地球物質の概要」(PDF) 。2013 年10 月 9 日に取得。
- ^ abcdefghijk 「銀行破綻のモードと原因」（PDF） 。 2013年10月8日閲覧。
- ^ abcd Cass County Government. 「riverbank slumping」. 2013年11月20日閲覧。
- ^ Granite Environmental. 「河岸侵食防止製品」。
- ^ abcdefg Nasermoaddeli, M; Pasche. 「非粘着性河岸の掘削と崩壊のモデル化」（PDF）：1–7 。 2013年10月7日閲覧。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ abcdefghi ビプル州タルクダル。 「川岸の浸食 - 視点」(PDF) 。2013 年10 月 7 日に取得。
- ^ abcde シュム、スタンレー（2000）。活動テクトニクスと沖積河川。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0521661102。
- ^ ab Schumm, Stanley (1986). 「活発なテクトニクスに対する沖積河川の反応」。活発なテクトニクス: 社会への影響。地球物理学の進歩。コロラド州立大学。doi :10.17226/624。ISBN 978-0-309-03638-2. 2013年10月7日閲覧。
- ^ 1811年～1812年ニューマドリッド地震
- ^ abc 「レッド川北部流域の水質」（PDF）。USGS。米国内務省。
- ^ ab シュヴェルト、ドナルド。「ファーゴ・ムーアヘッド地域の地質学」NDSU。
- ^ abcdefghijklm Holste, Nathan. 「Riverbank Protection」（PDF） . 2013年10月8日閲覧。
- ^ abcde Joint Biological Assessment. 「河川維持管理方法添付資料」（PDF）。2013年11月24日閲覧。
- ^ ab Hansen, k (2000).階段状の土セメント護岸の建設。コロラド州デンバー：アメリカ土木学会。ISBN 978-0-7844-0500-0。
- ^ 花崗岩環境。「Riverank 侵食防止製品」。