砂防の基礎知識

みなさんは「砂防」という言葉をご存じでしょうか。
土木に関心のある方ならば耳にしたことがあるかもしれませんが、一般にはあまりなじみのない言葉かもしれません。
近年、気候変動により頻発する豪雨などの自然災害により、土砂災害の発生が多くなっていますが、実は、この「砂防」により、私たちが暮らす地域や社会の安全と安心が守られているのです。

長野技研では、主に官公庁から業務を受注し、砂防に関する調査・設計業務を担っています。
このページでは、土砂災害の３つの現象「土石流・地すべり・がけ崩れ」の概要を説明し、そのうち、「土石流」に焦点をあて、「土石流」の現象、発生メカニズムや、土石流対策としての「砂防」についておはなしします。

はじめに…　砂防(さぼう)って何？

砂防とは、その名前の通り、土砂の移動による災害（土砂災害）を防ぐための技術や施設のことをいいます。

土砂災害は周辺の道路や家屋を破壊し、ときには人命をも奪います。このような土砂災害による被害を減らすために、土砂を止める構造物を作ったり、土砂災害の危険がある地域を調査したりすることが砂防事業では行われています。

1．土砂災害ってどんな現象

日本で発生する土砂災害には、土石流、地すべり、がけ崩れ（崩落）の３つがあります。
これらは流水や地下水または地震の影響を受け土砂や岩石が集団で移動する現象という点で共通していますが、発生機構や運動メカニズムが異なり、それぞれに必要な対策も異なります。　

がけ崩れ（崩落）

移動速度が速く、土塊(どかい)が崩れ落ちる（崩壊）
急勾配（およそ30度以上）の斜面において、大雨などを誘因として短時間に土塊が滑落する現象です。一般にがけ崩れはすべり面（破壊面）が地表から比較的浅い位置に発生しますが、深層崩壊と呼ばれる土砂崩壊はすべり面が深く、大規模な災害となることがあります。

地すべり

移動速度が遅く、断続的に斜面が移動する（滑動(かつどう)）
緩勾配の斜面において、地下水位の上昇などを誘因として土塊が一体となって比較的ゆっくりと断続的に移動（滑動）する現象です。すべり面は一般に土砂崩れより深くなります。特定の地質または地質構造で（素因として）多く発生します。

土石流

移動速度が速く、水と巨礫(きょれき)・土砂が混合して流下(りゅうか)する（流動）。山津波・鉄砲水ともいう。
急峻な谷地形において大量の水と巨礫・土砂が混合され一体となって流動する現象。がけ崩れや地すべりの土塊が流下し土石流になることもあります。

長野技研では、これらの土砂災害それぞれに対して必要な施設の調査・設計をしていますが、ここでは「土石流」対策についておはなしします。

2．土石流(どせきりゅう)とは

土石流は

土砂と水の混合物が重力の作用を受けて一種の連続流体であるかのように流動する現象で、土砂の粒子同士の隙間が水またはスラリーで満たされているために高い流動性を発揮する現象

引用：高橋　保　著「地質・砂防・土木技術者／研究者のための 土石流の機構と対策 」p17

と定義できます。

固体と気体、固体と液体のように相の異なる混合物のながれを混相流といいますが、土石流はこの混相流のうちの一形態であり、水（液体）と土砂・石礫（固体）からなる固・液混相流ということです。

表：自然界における混相流

	現象	固体成分	流動媒体
固・気混相流	なだれ	雪	空気
	土石なだれ	土砂礫	空気
	火砕流	火山噴出物	空気
固・液混相流	土石流	土砂礫	水
	浮遊砂粒	土砂礫	水

自然界で発生する混相流のうち土石なだれと火砕流は土石流と同じように大量の土石・岩塊を移動させる現象ですが、流動媒体として水ではなく空気が含まれている点で土石流と異なります。このように流動媒体としての水の存在が土石流の特徴であり、水の浮力により高い流動性を持つため土石なだれと比べるとより緩い勾配、より遠くまで到達します。

さらに土石流の中でも石礫型土石流と泥流型土石流の2つに大きく分類されます。

石礫型

大きな石や礫の含有率が高い土石流です。巨礫や流木等が先頭に集中する「土石流フロント部」を形成する特徴があり、慣性力が大きいことから、高い直進性を持ちます。流れのイメージとしては、オイルのような粘性が高い流体に似ています。長野県設計基準では砂礫型土石流と表記されています。

泥流型

細かい砂やシルトの含有率が高い土石流です。先端部に段波（盛り上がり）を持ちますが巨礫や流木が集中する「土石流フロント部」は形成されません。石礫型土石流より流下速度が速く、より緩い勾配まで到達します。流れのイメージとしては石礫型より水っぽい流体です。粒が細かな火山灰が豊富に堆積している火山周辺で多く発生します。また降雨時に発生するだけでなく、火山の熱により生じた雪解け水と火山灰が混合して発生する「融雪型火山泥流」として見られることもあります。

長野県設計基準では次のように分類されています。

このページでは、一般の山地で起こりやすい「石礫型土石流」について主に説明していきます。

3．土石流(どせきりゅう)の発生メカニズム

土石流がどのように発生し、どのように運動するかを説明していきます。
まず発生について説明します。土石流が発生するには土砂礫と水が同時に大量に存在する必要があり、それらがどのように谷底に供給されるかによって、土石流の発生メカニズムは次の3つに大別されます。

• ケース１）谷底の堆積土砂と外部からの水が混合して発生する土石流
• ケース２）土砂崩れや地すべりによる崩壊土砂が、それ自身が含んでいた水や外部の水と混合して発生する土石流
• ケース３）土砂崩れや地すべりによって形成された天然ダムの決壊によって発生する土石流

これら3つのケースそれぞれについて説明します。

ケース１）谷底の堆積土砂と水が混合して発生する土石流

ステップ１：
普段は水があまり流れていない急峻な谷底では、日ごろから側岸や山腹の浸食・崩壊及び落石等で土砂が供給され、厚く堆積していきます（渓床堆積物）。

ステップ２：
大雨が降ると谷底に水が集まり地下水位が上昇していきます。さらに降雨が続くと表面流が現れ表面流水深が増加していきます。
表面流水深が小さい段階では、渓床堆積物の細粒分（粒径の細かい土砂）のみが表面流の流体力により輸送されます。

ステップ３：
表面流水深がさらに増大し渓床堆積物の代表粒径程度以上になると、堆積層が全体的に集合流動を始め流水と混合して土石流が発生します。

ステップ１　山の斜面から土砂が供給され、谷底に堆積する（渓床堆積物）。

ステップ２　大雨が続くと堆積層表面に水が流れ始め、堆積物中の細かい砂が流されていく。

ステップ３　さらに大雨が続くと水位が上昇し、堆積層が全体的に流動し始めて土石流となる。

ケース２）土砂崩れや地すべりによる崩壊土砂と水が混合して発生する土石流

ステップ１：
大雨や大きな地震が発生すると、山腹（山の中腹）や源頭部（谷の最上流部）等、山の斜面が不安定になります。

ステップ２：
不安定な斜面にさらに多量の水が供給されると、土砂崩れや地すべりが発生します。
土砂崩れや地すべりが発生すると大量の土砂（崩壊土塊）と、土塊自身に含まれていた水が谷底に供給されます。

ステップ３：
谷底に供給された崩壊土塊がバラバラにほぐれ、土塊に含まれていた水や地表水、地下水と混合することで土石流が発生します。

ケース３）土砂崩れや地すべりによって形成された天然ダムの決壊による土石流

ステップ１：
ケース２）ステップ３で崩壊土塊が谷底に供給された際に、十分な量の水が供給されない場合や谷底の勾配が緩い場合には土塊は谷底にとどまり、河道を閉塞して天然ダムを形成します。この他にも、流木による河道閉塞など天然ダムは様々な要因で生成されます。

ステップ２：
天然ダムは谷に集まる水を一時的にせき止めますが、水位の上昇・越水により決壊します。

ステップ３：
ダムの堤体だった土砂とせき止められていた大量の水が混合され土石流が発生します。

ステップ１、ステップ２　崩壊土砂や流木により河道が閉塞され天然ダムが生成。大量の水と土砂をせき止める。

ステップ３　天然ダムが決壊するとせき止められていた水と土砂が一気に放出され大規模な土石流となる。

4．渓床勾配(けいしょうこうばい)区分

次に土石流の運動について説明します。
土石流（集合流動）の運動は、谷底の勾配（渓床勾配）と密接に関係しています。
発生した土石流は渓床勾配と土石流濃度に応じて谷底の洗堀と堆積を行いながら流下していき、勾配が緩いところに到達すると停止します。土石流の規模や材料により運動の形態は異なりますが、国土交通省砂防部「砂防基本計画策定指針」では一般的な値として勾配ごとに土砂移動形態が区分されています。

この渓床勾配区分によって土石流の運動形態が異なるため、砂防施設を設計する際には現場がどの区間に位置しているかを確認し、それぞれの区間に適した対策工とする必要があります。

5．水系砂防(すいけいさぼう)と地先砂防(ちさきさぼう)

砂防には水系砂防と地先砂防という２つの考え方があります。

水系砂防

水系砂防は源頭部から河口までの河川の機能と環境の保全を図るため、流域（水系）全体にわたって土砂の生産と流出・移動の調整を行う砂防です。つまり、上流域（山地）において斜面の崩壊などで流出する土砂を抑制・調整し、下流河川へ適正量の土砂を流すことで河床・湖沼・海岸の過剰な土砂堆積、及びそれに伴う災害等を防止することを目的としています。
水系基準点及び許容流出土砂量（適正量の土砂）を設定し、基準点より下流へ許容流出土砂量を流送できるように、上流域の砂防施設を計画します。

地先砂防

それに対して地先砂防というのは、特定の保全対象を土砂災害（主に土石流）から守る砂防です。急峻な谷地形の出口にある人家や山間の集落など、土砂災害により被害を受ける可能性がある区域の中の建物や施設を保全対象としています。土石流基準点を設定し、基準点より上流域から流出が想定される土砂や流木は、基準点より下流へ流出させない（整備率100%）ことを原則として砂防施設を計画します。

6．流域治水(りゅういきちすい)

前述の水系砂防・地先砂防という従来の砂防の考え方に加えて、近年では水系全体の水災害対策として「流域治水」という考え方が主流となっています。
流域治水とは、その河川流域全体に関わるあらゆる関係者（河川管理者、国、都道府県、市町村、住民等）が協働して流域全体で水災害を防ぎ、被害を軽減させる治水対策です。流域治水では水災害対策を「①氾濫をできるだけ防ぐ・減らすための対策」「②被害対象を減少させるための対策」「③被害の軽減、早期復旧・復興のための対策」の3つに分け、それぞれに対して各関係者間で協働して対策を行っています。
砂防事業も水災害対策のための土砂管理と土砂・洪水氾濫対策として流域治水に含まれていますが、さらに流域治水『砂防』として、土砂災害対策についても同様の考え方で取り組んでいます。

7．流木対策

土石流が発生したときには、崩壊した斜面や土石流が通過する谷底に生えていた樹木・倒木が流木となり土砂とともに流れます。流木は河道狭窄部や屈曲部、狭い橋脚間や暗渠（地中に埋められた水路）部を閉塞させ、さらなる土石流や洪水氾濫を助長します。

実際に、この流木の影響による土石流の氾濫などで周辺の家屋・人命が大きな被害を受ける災害が発生しており、現在では、土石流対策の設備を設計する際には同時に流木対策も行うことが求められています。

8．無流水渓流(むりゅうすいけいりゅう)

普段は水が流れていないが大雨が降った時だけ流水が現れる流域面積の小さな谷地形を無流水渓流といいます。

国土交通省が作成した「砂防基本計画策定指針（土石流・流木対策編）解説 」では「無流水渓流」を次のように定義しています。

• 流路が不明瞭で常時流水がなく、平常時の土砂移動が想定されない渓流。
• 基準点上流の渓床勾配が10°程度以上で流域全体が土石流発生・流下区間。

無流水渓流では谷出口のすぐ下まで宅地開発が進んでいることが多く、土石流が発生したときに人的被害が発生する可能性が高くなっています。
そのため、無流水渓流における砂防整備を急ぐ必要があるのですが、従来の設計基準による砂防施設の規模では施工が困難であることや、合理的でないことがありました。
そこで現在は無流水渓流対策に関する技術基準も整備されてきています。

• 無流水渓流で想定される土石流の規模に応じて砂防施設の厚みや規模を縮小し材料や掘削の量を減らす
• 施工性の良好な柔構造物（ワイヤーやネット）や小型鋼製スリットなどの土石流・流木対策工の活用

など、無流水渓流特有の現地状況にあった合理的な計画の策定が進められています。

9．砂防(さぼう)堰堤の効果

砂防事業における代表的な構造物が砂防堰堤（えん堤）です。
砂防堰堤は砂防ダムとも呼ばれ、土石流の捕捉（受け止める）効果のほかに山脚を固定する効果や渓流の勾配を緩やかにする効果を持ち、土砂災害から下流の施設・人命を守っています。

砂防堰堤には上のイメージ図のように谷を安定させて土石流の発生と拡大を抑制する効果と、発生した土石流を受け止める（捕捉する）効果があります。
後で詳しく説明しますが、砂防堰堤の形式によって得意な効果が異なっており、現場で必要な効果に適した砂防堰堤の形式を選択することが重要となります。

10．砂防(さぼう)堰堤の形式・種類

渓床勾配(けいしょうこうばい)区分による配置施設例

砂防施設の種類の前に渓床勾配により施設配置の構造物が異なることからその配置計画について説明します。
前述したように、渓床（谷底）の勾配によって土石流が発生する区間、流れていく区間、堆積する区間に分かれており、それぞれの区間で必要とされる機能によって配置される砂防施設や砂防堰堤の形式が異なります。

砂防堰堤の種類

不透過型砂防堰堤

不透過型堰堤は流木捕捉効率が劣るため、流木捕捉工と併用する場合が多いです。このため最近では下写真のような流木捕捉工をもたない不透過型堰堤は流域の小さな地先砂防では用いられない傾向にあります。

不透過型堰堤の土石流捕捉形態

透過型砂防堰堤

透過型堰堤の土石流捕捉形態

部分透過型砂防堰堤

大林沢砂防堰堤のスリットは、流木を捕捉するために設けたもの（流木止め付き不透過型堰堤）です。渓床礫径が小さいため、スリットで土砂を捕捉することは期待していません。

小田井沢川砂防堰堤は、堰堤の背後に大きな不安定土塊があったため、これを抑制するために部分透過型堰堤となっています。こちらのスリットは土砂も捕捉する設計になっています。

部分透過型堰堤の土石流捕捉形態

11．砂防(さぼう)堰堤以外の砂防施設

砂防堰堤以外の砂防施設の種類

堆積工(たいせきこう)

比較的大きな流域では堆積区間になると、渓流両側の斜面が緩く低い場合や遠く離れている場合が多いです。このような状況では透過型・不透過型の砂防堰堤より渓床を掘り下げて造る堆積工が適しています。

流木捕捉工（流木止め）

流木のみを捕捉する目的の単独の堰堤は、透過型堰堤に似ていますが、流木のみ捕捉するため土石流に比べてスリット間隔がおおきくなります。

床固工(とこがためこう)

12．その他の土石流(どせきりゅう)対策施設

その他の土石流対策施設の種類

渓流保全工(けいりゅうほぜんこう)

導流堤(どうりゅうてい)

柔構造物(じゅうこうぞうぶつ)

13．治山(ちさん)と砂防(さぼう)の違い

ここに4つのダムがあります。

一見どれも同じような構造物に見えますが、a、bの構造物は治山ダム（堰堤）とよばれ、砂防ダム（堰堤）とは別の役割をもちます。
治山ダムも砂防ダムも土砂災害を防止するというゴールは同じですが、それに対するアプローチの仕方が異なります。

治山ダム

治山ダムは森林法に基づき整備されるもので、治山ダムの設置により上流の森林・山を健全な状態に維持することで、土砂の生産流出を抑制し、間接的に土砂災害から人家や人命を守ることが役割となっています。こちらは、上流の森林・山を保全対象とすることで、同時に下流の施設・人命も守っているといえます。

砂防ダム

砂防ダムは砂防法に基づき整備されるもので、土砂の生産・流出を抑制する効果もありますが、一番の役割としては堰堤本体で直接的に土石流を止めて人家や人命を守ることとなります。つまり下流の施設・人命を保全対象としています。

そのため、砂防ダムは上流側に土砂が堆積して必要な土石流捕捉量が得られなくなった際に、土砂を撤去し必要な捕捉量を確保することがありますが、治山ダムは上流側に土砂が堆積し健全な森林になることで効果を発揮できるので基本的には土砂の撤去は行われません。（近年、治山堰堤も流木対策として鋼製スリット施設を設置する事例があり、その場合には流木や土砂の撤去が行われるようです。）

14．砂防(さぼう)及び土砂災害関連の法律

土砂災害が発生するおそれがある土地は、法律によって指定され様々な行為を制限されることがあります。
土石流に関連する法律としては次の二つがあります。