IGUCHI Tatsuya

SEKIGUCHI Tomohiro

井口 達也

関口 智寛

Tsukuba Repository

〈研究ノート〉人工岩石を用いた滝つぼ形成実験に
関する予察的報告
著者 井口 達也, 関口 智寛
雑誌名 筑波大学陸域環境研究センター報告
巻 9
ページ 43-48
発行年 2008-11
URL http://doi.org/10.15068/00147250
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I　はじめに
　滝（遷急点）の直下には，いわゆる滝つぼが形
成されることが多く，滝に関する論文中に滝つぼ
についての記載が数多く認められる（たとえば
Philblick, 1970; Alexandrowicz, 1994; Lamb et al., 
2007）．滝つぼのサイズ，形状，発達速度は多様
性に富み，滝つぼを持たない滝が存在する一方で
（たとえば Young, 1985），ダムの直下において 4
年間で深さ 50 mの滝つぼが形成されたとの報告
もある（Thomas, 1976）．このような滝つぼの多
様性の要因を明らかにし，滝つぼの形成プロセ
ス，形状，サイズ，形成速度とその規制因子の関
係を定性的・定量的に評価することは，滝という
地形全体の理解を深める上で重要な課題である．
　天然の滝つぼでは（1）原地形の復元が困難で
あること，（2）滝つぼの形成には時間がかかるこ
と，（3）侵食営力の定量的評価が困難であるこ
と，（4）連続観測には限界があることが多い．こ
のため，現地調査だけから形成プロセスの全体像
を把握し，形状，サイズ，形成速度とその規制因
子の関係を評価することには限界がある．
　そこで本研究では，滝つぼの形成プロセス理解
の一助とするため，滝つぼの人工岩石の侵食実験
に取り組むことにする．水路実験では現地スケー
ルの現象の再現が困難であるというデメリットは
あるものの，各種の条件をコントロールしやす
く，連続観測が容易であるというメリットは大き
い．今回は人工岩石を二種類の方法で作成し，人
工岩石の作成法による実験への影響に注目する．
また，流量・落差が滝つぼに与える影響の評価を
試みる．
Ⅱ　実験
　本研究では，落差 hから落下する水を人工岩
石に作用させて，滝つぼを発達させた．実験には
整流槽，水路部，低水槽，およびポンプ・送水パ
イプからなる循環水路（第 1図）を用いた．滝つ
ぼで起こる現象を二次元化し，観察や計測を簡便
にするため，水路部の幅を 3 cm（長さ 49 cm，
高さ 98 cm）とした．水路部は厚さ 5 mmの透明
アクリル板製であり，水路側方から地形や水流を
観察することができる．水路部は整流槽と流出溝
でつながれており，これらの相対的な鉛直位置を
変えることで，落差（流出溝から人工岩石の初期
地形面までの鉛直距離，第 1図）を調節した．ま
た，低水槽から整流槽へと水を送るポンプにはス
ライダックを取り付け，ポンプにかかる電圧を変
化させることで送流量を調整した．
筑波大学陸域環境研究センター報告,  No.9,  43～ 48,  2008
人工岩石を用いた滝つぼ形成実験に関する予察的報告
A Preliminary Experiment of  Plunge Pool Formation Using Artificial Rock
井口 達也 *・関口 智寛 **
Tatsuya IGUCHI* and Tomohiro SEKIGUCHI**
* 筑波大学大学院生命環境科学研究科
** 筑波大学陸域環境研究センター
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　侵食実験に用いる試料として，本研究では
Sunamura（1973, 1994），戸田（1990）などで用
いられた人工岩石を採用した．この人工岩石は，
砂とポルトランドセメント，水を混合し，静水中
で十分な期間静置して固結させて作られるもの
で，砂とセメントの混合比を変えることで強度を
コントロールできる（たとえば戸田，1990）．本
研究では中央粒径 0.2 mmの豊浦標準砂とポルト
ランドセメントを用い，砂：セメントの重量比
を 100：1とした．戸田（1990）の実験では，こ
の重量比で形成した人工岩石の一軸圧縮強度は
1000 gf/cm2であった．砂とセメントを乾燥状態
で十分に混ぜ合わせた後，砂の 1/3の重量の水を
加えて更に混ぜ合わせた上で，水路部下部に充填
して押し固めた．
　今回の実験には，一度に砂・セメント・水の混
合物を流し込んで作成した試料（以後，試料 A
とよぶ）と，厚さ 2～ 3 cm毎数回に分けて水平
に充填した試料（試料 B）の二種類を用いた（第
2図）．試料 Aには多くの気泡が混入する傾向が
あった（第 2図 a）．一方，試料 B中の気泡は比
較的少なかったが，数回に分けて混合物を充填し
た際の境界部に，周囲と比べて暗色を示す 2～ 3 
mmの薄層が観察された（第 2図 b）．いずれの
試料についても，人工岩石の強度が安定するとさ
れる 1ヶ月以上の期間（戸田，1990），静水中に
安置した．実験に供する際には，人工岩石表面を
成形して平滑な初期地形面を作った．実験開始時
の試料の厚さは 16 cmもしくは 6 cmであった．
　試料 Aを用いて，流量と落差の組み合わせを
変えて計4回の実験（Runs A1─A4）を行った（第
1表）．この際，流量 Qは 267 cm3/sec, 464 cm3/
sec，もしくは 527 cm3/secとし，落差 hは 45 cm
もしくは 65 cmとした．また，試料 Bを用いた
実験（Run B1）では，Q = 527 cm3/sec，h = 25 
cmとした．いずれの実験においても研磨剤は投
入しなかった．また，滝つぼの発達にともなって
生じる砂は低水槽に堆積し，滝つぼの発達には影
響を及ぼさない．
　実験の際，水路側方に固定したデジタルカメラ
を用い，一定時間おきに通水を停止して滝つぼの
形状を撮影したほか，必要に応じて通水状態で撮
影を行った．通水を止めたのは，水流の影響を除
第 1図　実験装置の概略図：
　　　　（a）平面図，（b）側面図
第 2図　人工岩石の特徴：（a）試料 A，（b）
試料 B．b中の矢印は暗色薄層を示す
Run 試料 砂：セメント
試料の厚さ
cm
落差， h
cm
流量， Q
cm3/sec
A1 試料 A 100：１ 6 65 267
A2 試料 A 100：１ 16 65 464
A3 試料 A 100：１ 6 65 527
A4 試料 A 100：１ 16 45 527
B1 試料 B 100：１ 16 25 527
第 1表　実験条件
　　　　試料A・Bについては本文参照のこと
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くことで，地形面をより明瞭に撮影するためであ
る．滝つぼの形状がほぼ変化しなくなるか，コン
テナの底面が露出した時点で実験終了とした．
Ⅲ　結果
　どの実験条件においても水の流下点付近で人工
岩石が侵食され，滝つぼ状の地形が形成された．
以下，各実験に共通して観察された滝つぼの形成
プロセスについて，Run A2（第 3図）を例に述
べる．実験開始直後には，人工岩石表面の砂粒子
が流水により少しずつはぎ取られて侵食が進行
し，水の落下地点付近から落下点より数 cm下流
側にかけて滝つぼが形成されはじめた（第 3図
b）．侵食が進むにつれて滝つぼ表面に長さ数mm
程度のクラックが現れ，その周辺が選択的に侵食
されてクラックが拡大した（第 3図 c，矢印）．
さらに侵食が進むと，クラックを起点として人工
岩石のブロックが剥がれ去った（第 3図 d，第 4
図）．ここでは，このような現象をブロック状剥
離と呼ぶことにする．ブロック状剥離が発生した
箇所で侵食が進むと，ブロック状剥離のきっかけ
となったクラックの延長上に再びクラックが出現
し（第 3図 e ─ f，矢印），場合によってはそれを
きっかけとして再度ブロック状剥離が発生した．
以上のような水流による砂粒子の剥離，クラック
の発達，ブロック状剥離によって侵食が進み，滝
つぼのサイズが増していった（第 3図 a─g）．滝
つぼが十分に発達すると，その形状，サイズはほ
とんど変化しなくなった（第 3図 g─h）．
　このような滝つぼの形成プロセスは全実験で共
通していたものの，滝つぼの発達方向や，実験終
了時の滝つぼの形状は異なった．第 5図には各実
験で観察された滝つぼの縦断面形トレースの時間
変化を示す．本研究で観察された滝つぼは多かれ
少なかれ三次元的な形状を示したため，第 5図に
は地形面最浅部のトレースを用いた．
　試料 Aを用いた Runs A1 ─A3（第 5図 a ─ c）
第 3図　Run A2実験結果
白抜き矢印は水の落下地点を，黒矢
印はクラックを示す．また，右上の
数字は経過時間を示す．
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では，様々な方向のクラックが出現し，時間とと
もに滝つぼの幅，深さともに増加した．実験終了
時の滝つぼは下に凸な半円形から逆三角形の縦断
面形状を示し，最深部は水の落下地点の下流側数
cmに位置した．
　同じく試料 Aを用いた Run A4（第 5図 d）で
は，水の落下点付近に大きな鉛直クラックが出現
し，それを起点とするブロック状剥離が繰り返さ
れた．この際，クラックより下流側でブロック状
剥離がおき，クラックの上流側はあまり侵食され
第 4図　ブロック状剥離の瞬間
矢印 Aは剥がれ去った人工岩石を，
矢印 Bはブロック状剥離のきっかけ
となったクラックを示す．
第 5図　滝つぼ地形の時間変化
第 6図　流量・落差と滝つぼの諸元の関係 :流量と（a）断面積，（b）深さ，（c）幅の関係，および
落差と（d）断面積，（e）深さ，（f）幅の関係．
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なかった．実験開始 1時間後以降，滝つぼの幅は
ほとんど変化せず，下刻のみが進んだ．最終的に
は逆レの字型の滝つぼが形成され，その最深部は
水の落下点とほぼ一致した．
　試料 Bを用いた Run B1（第 5図 e）では，実
験開始 9時間後に，滝つぼの最深部が試料充填時
に生じた暗色薄層まで達すると，それ以降には暗
色薄層付近に生じた水平クラックでのブロック状
剥離が起こり，滝つぼが発達した．その間下刻は
ほとんどおこらず，滝つぼの幅のみが増加した．
最終的には底面がほぼ水平な台形状の滝つぼが形
成され，その底面は暗色薄層とほぼ一致した．
　各実験で最終的に形成された滝つぼの断面積
S，深さ D，幅Wと流量 Q，落差 hの関係につ
いて検討したが，滝つぼの諸元と流量 Q，落差
hの間に明瞭な相関関係は見られなかった（第 6
図）．ただし，滝つぼの幅の計測を容易にするた
め，本研究では滝つぼの幅の代表値として初期地
形面下 1 cmにおける値を用いた．
Ⅳ　考察
　上述したように，本実験で観察された滝つぼの
最終的な形状は，試料の充填方法によって異な
り，試料 Bを用いた実験（第 5図 e）では，ほぼ
水平な底辺を持つ台形状の滝つぼが発達した．ま
ず，この要因について考えたい．
　Run B1で形成された滝つぼの水平底面は，人
工岩石充填時に生じた暗色薄層（第 2図 b）とほ
ぼ一致したことから，暗色薄層部は周囲よりも強
度が大きく，それ以深への下刻を妨げたものと考
えられる．おそらく暗色薄層部分では周囲よりも
セメントの含有率が高く，そのために周囲よりも
暗い色を示し，人工岩石の強度が大きかったので
あろう．また，暗色薄層部とそれ以外で強度が異
なるため，その境界が弱線となって水平クラック
が形成されやすかったものと推測される．
　暗色薄層は，砂・セメント・水混合物を数回に
分けて充填した際の境界部に存在した．このこと
から，混合物を充填して押し固めた際に，間隙水
とともにセメントが人工岩石の表面に流出し，表
層にセメント粒子が集積して暗色薄層を形成した
ものと考えられる．
　試料 Bの暗色薄層の存在が滝つぼの形状や形
成プロセスに影響したのに対し，多くの気泡の存
在が確認された試料 Aでは，気泡の有無による
系統だった影響は見られなかった．したがって人
工岩石中の気泡の影響は，暗色薄層の影響と比べ
て十分に小さいと判断できる．
　本実験では，クラックの存在が滝つぼの形成プ
ロセスや最終形状に強く影響をおよぼした．たと
えば，本研究の全実験において，クラックが観察
されるようになると，クラック付近で選択的侵食
とクラックを基点とするブロック状剥離が起こっ
た（第 3図）．また，Run A4（第 5図 d）では落
下地点付近に大きな垂直クラックが観察され，ク
ラック下流側でのみブロック状剥離が続いたため
に，特徴的断面形状の滝つぼが形成された．
　では，クラックは実験開始前から存在していた
のだろうか，それとも落下する水の衝撃により実
験中にクラックが形成されたのだろうか．戸田
（1990）の人工岩石侵食実験では類似するクラッ
クが報告されており，クラックは実験開始前に形
成されたと考えられている．一方，同様の人工岩
石を用いて海食崖の侵食実験を行った Sunamura
（1973, 1994）ではクラックは形成されていない
（砂村，私信）．これらを踏まえると，クラックが
落水の影響によって形成されたとは考えにくく，
実験前から存在していたものと推測される．つま
り，クラックが初成的に存在した場所では人工岩
石の強度が小さいため選択的な侵食を受けてク
ラックが露出し，結果としてブロック状剥離へと
つながったのであろう．クラックの形成には，人
工岩石充填時に容器（水路部）に生じた歪みや，
人工岩作成後，実験準備中に加わった衝撃などが
寄与したと考えられる．
－ 48 －
　以上述べてきたように，本実験で観察された滝
つぼは，試料内の層状構造や試料内に初成的に存
在したクラックに左右されたと考えられる．本研
究において滝つぼの諸元と流量・落差とに明瞭な
相関関係を見いだすことができなかったのは，層
構造やクラックによる人工岩石内の強度不均一性
が影響したためと考えてよいだろう．
　本研究の結果は，自然界においても滝つぼの形
状やサイズに地層やクラックをはじめとする地質
構造が強く影響し得ることを示唆する．したがっ
て，滝つぼに対する理解を深める上で，流量・落
差といった水理パラメータや研磨剤の影響だけで
はなく，岩石強度やその不均一性（層状構造やク
ラック等）の影響についての知見を積み重ねる必
要がある．そのような観点に立って実験を行う場
合，内部の強度不均一性を制御した人工岩石をい
かにして作成するかが重要な課題になる． 
Ⅴ　結論
　本研究の結果から，地層やクラックといった地
質構造が滝つぼの形状やサイズに強く影響するこ
とが示唆された．今回の実験では流量・落差と滝
つぼの諸元に明瞭な関係は認められず，これは人
工岩内に意図しない強度不均一性が存在したため
と考えられる．本研究の問題点を改善した上で，
今後のさらなる研究が望まれる．
謝辞
　本研究を行うにあたっては，陸域環境研究セン
ターの飯島英夫氏にご協力をいただいた．ここに
記して感謝の意を表します．
文献
戸田真夏（1990）：流水による岩盤侵食に及ぼす
割れ目の影響－室内実験による研究－ . 筑波
大学大学院博士課程地球科学研究科 , 平成元
年修士論文，69p.
Alexandrowicz, Z. (1994): Geologically controlled 
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Lamb, M. P., Howard, A. D., Dietrich, W. E. 
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Philblick, S. S. (1970): Horizontal configuration 
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Sunamura, T. (1973): Coastal cliff  erosion due to 
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Sunamura, T. (1994): Rock control in coastal 
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Thomas, H. H. (1976): The Engineering of  Large 
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Young, R. W. (1985): Waterfalls: form and process. 
Zeitschrift für Geomorphologie N. F. 55, 81-95. 
（2008年 7月 3日受付，2008年 8月 1日受理）


〈研究ノート〉人工岩石を用いた滝つぼ形成実験に関する予察的報告

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