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문제 정의
- 이처럼 국내의 경우 최근 들어 부유잡목에 대한 연구가 수행되고 있으나 아직도 미진한 상황이며 부유잡 목에 의한 수위변화 등에 관한 연구는 거의 진행되지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 교각에 부유잡목이 걸린 경우의 피해사례와 원인을 검토하고 교각주위의 부유잡목에 의한 안정성 영향인자를 평가하기 위하여 교각에 걸린 부유잡목의 면적변화 및 각도변화에 따른 교각 주위의 흐름특성을 파악하여 교량 및 제방의 안정된 설계가 이루어질 수 있도록 기초적인 특성을 파악하 고자 한다.
- 본 연구에서는 2001년과 2002년 발생한 홍수에 의한 하천 시설물 중 교량을 중심으로 발생한 피해현황을 조사 분석하고 부유잡목의 영향을 파악하기 위한 실험에서는 실제유량 2,000CMS> 1/161.86으로 축소한 6, 000cm3/sec의 실험유량을 이용하여 교각에 부착된 잡목의 비율과 각도의 변화에 따라 발생되는 교각의 수 위변화 및 유속변화 등 흐름특성에 대하여 검토하였으며 본 실험을 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 4m, 길이 12m의 가변경사수로에 아크릴로 제작한 폭 2cm, 길이 8cm의 반원형 모형교각을 20cm 간격으로 2개 설치하였으며 하상재료의 이동에 의한 수위변화를 방지하기 위하여 하상재료를 포설하지 않은 고정상 하상을 이용하였다. 본 실험과 유사한 개념으로 김봉근 등(2000)과 심우배 등(2000)은 아크릴판을 부유잡목 대용으로 이용하한 연구를 수행하였으며 호주와 뉴질랜드에서는 부유잡목의 집적을 삼각형 형태로 구성하고 호주 및 영국 등에 서는 직사각형 형태로 구성하였는데(국립방재연구소 2001) 본 실험에서는 교각에 걸린 부유잡목(이하 '잡목이라 함)의 효과를 발생시키기 위하여 아크릴판을 직사각형태로 구성하여 잡목으로 이용하였으며 교각의 전면에 잡목의 부착이 용이하도록 1mm굵기의 mesh를 교각 전면에 부착하였다. 수위의 측정은 유속방향에 대하여 전후좌우 측정이 가능하도록 수로상단에 설치된 게이지를 이용하였으며 Froude 수를 결정하기 위한 유속측정은 SENSA-Z 300 마그네틱 전자유속계를 이용하였다 그림 4는 실험에 사용된 모형교각의 개요를 보여주고 있다.
- 표 2는 각각의 경우에 대한 실험조건을 나타내고 있다. Froude수를 0.1, 0.2, 0.4, 0.6으로 변화시켰으며 모형수로의 평균유속을 측정하여 Froude수를 구하였다. 각각의 Froude수에서 모형수로에 설치된 교각 전면에 걸린 잡목에 의한 개도비가 100%, 95%, 90%, 85%, 80%로 변화하는 경우의 수위변화를 파악하기 위하여 잡목의 면적을 0%, 5%, 10%, 15%, 20%로 변화시켰으며 각각의 면적에서 수위변화가 가장 크게 발생하는 잡목의 폭과 길이를 결정하여 그림과 같이 잡목의 폭(Ld)가 교각지간(Lp)의 0.
- 6으로 변화시켰으며 모형수로의 평균유속을 측정하여 Froude수를 구하였다. 각각의 Froude수에서 모형수로에 설치된 교각 전면에 걸린 잡목에 의한 개도비가 100%, 95%, 90%, 85%, 80%로 변화하는 경우의 수위변화를 파악하기 위하여 잡목의 면적을 0%, 5%, 10%, 15%, 20%로 변화시켰으며 각각의 면적에서 수위변화가 가장 크게 발생하는 잡목의 폭과 길이를 결정하여 그림과 같이 잡목의 폭(Ld)가 교각지간(Lp)의 0.3Lp 가 되는 잡목(5.4cm X 15cm)을 사용하였다. 또한 각각의 잡목면적에 대하여 교각에 걸리는 각도의 변화에 대한 수위변화를 파악하기 위해 잡목을 교각에 대하여 0° , 15° , 30° , 45° , 60° , 75° , 90° 로 부착하고 발생되는 수위변화를 측정하였고 수위 측정은 Point gage를 이용하였으며 교각 전면에서 발생하는 최고 수위를 측정하였다.
- 4cm X 15cm)을 사용하였다. 또한 각각의 잡목면적에 대하여 교각에 걸리는 각도의 변화에 대한 수위변화를 파악하기 위해 잡목을 교각에 대하여 0° , 15° , 30° , 45° , 60° , 75° , 90° 로 부착하고 발생되는 수위변화를 측정하였고 수위 측정은 Point gage를 이용하였으며 교각 전면에서 발생하는 최고 수위를 측정하였다.
- 지금까지의 실험결과를 실제 하천에 설치된 교량게 적용하기 위해서 부유잡목이 집적된 경우 하천공사표준시방서와 도로교설계기준에서 제시하고 있는 교하공간(여유고)을 초과하는지의 여부를 검토하기 위하여 모형에서 발생한 수위증가를 기준에서 제시하고 있는 여유고와 비교하였다. 하천설계기준에서는 제방의 여유고를 기준으로 교량의 여유고를 두도록 하고 있으며 도로 교설계기준에서는 하천설계기준을 참고하여 교량의 여유고를 하천의 홍수량에 따라 제시하고 있다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 폭 0.4m, 높이 0.4m, 길이 12m의 가변경사수로에 아크릴로 제작한 폭 2cm, 길이 8cm의 반원형 모형교각을 20cm 간격으로 2개 설치하였으며 하상재료의 이동에 의한 수위변화를 방지하기 위하여 하상재료를 포설하지 않은 고정상 하상을 이용하였다. 본 실험과 유사한 개념으로 김봉근 등(2000)과 심우배 등(2000)은 아크릴판을 부유잡목 대용으로 이용하한 연구를 수행하였으며 호주와 뉴질랜드에서는 부유잡목의 집적을 삼각형 형태로 구성하고 호주 및 영국 등에 서는 직사각형 형태로 구성하였는데(국립방재연구소 2001) 본 실험에서는 교각에 걸린 부유잡목(이하 '잡목이라 함)의 효과를 발생시키기 위하여 아크릴판을 직사각형태로 구성하여 잡목으로 이용하였으며 교각의 전면에 잡목의 부착이 용이하도록 1mm굵기의 mesh를 교각 전면에 부착하였다.
성능/효과
- 그림 5(a)에 나타난 바와 같이 잡목의 집적 각도가 30° 인 경우에 수심별 유속은 전형적인 개수로의 유속 분포를 보이고 있으며 잡목의 비율이 증가할수록 유속은 증가하는 것을 알 수 있다. 그림 5(b)는 교각의 잡목이 90° 각도로 부착된 경우에 잡목의 비율에 따른 수심별 유속분포를 나타내고 있다
- 교각에 설치된 잡목의 비율이 일정한 경우에 잡목의 부착각도에 따른 유속분포를 그림 7에 나타내었다. 잡목의 비율이 5%인 경우 각도에 따른 평균 유속은 거의 일정하나, 각도가 증가할수록 즉, 교각과 직각에 가까울수록 수면에서의 유속감소와 잡목 하부의 유속 증가가 더욱 크게 발생하는 것으로 나타났다. 잡목의 비율이 20%인 경우도 유사한 경향을 보이고 있으나 잡목비율이 작은 경우에 비하여 교각의 부착각도에 따른 유속의 변화가 훨씬 크게 발생하고 있음을 알 수 있다.
- 그림 8은 부유잡목의 집적 각도가 60° 인 경우와 90° 인 경우에 부유잡목이 없는 경우를 기준으로 부유잡 목의 면적 증가에 따른 유속 변화율을 보이고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 동일한 집적각도에서 부유잡목의 면적이 증가할수록 수면쪽의 유속 변화보다 수심방향의 유속변화가 훨씬 크게 나타나고 있으며 집적각도가 9 0° 인 경우에는 부유잡목이 증가할수록 부유잡목이 없는 경우보다 수면근처의 유속이 오히려 감소하는 것으로 나타나 수위상승의 원인을 제공하고 있음을 알 수 있다
- 부유잡목의 면적이 증가할수록 교각주위의 수위변화는 크게 나타났으며 잡목의 부착 각도에 따라 수위변화의 폭은 서로 다르게 나타났다. 그림 9는 0.
- Fr수가 0.1인 경우는 잡목의 부착 각도에 따른 뚜렷한 경향은 찾기 어려우나 잡목비율이 5%, 10%로 부유 잡목이 적은 경우는 대체로 잡목의 각도가 증가할수록 잡목에 의한 수위증가율도 증가하다가 집적각도가 60° 에서 최대를 보이고 다시 수위증가율이 감소하는 경향을 보이며 잡목비율이 15%, 20%로 부유잡목 비율이 대체로 큰 경우는 집적각도의 증가에 따라 수위증가율 이 감소하다가 잡목의 각도가 60° 에서 최소를 보이고 60° 를 지나면서 수위증가율은 다시 증가하여 90° 에서 최대의 수위증가를 나타내고 있다.
- 또한 부유잡목에 의한 수위증가는 Fr수가 큰 경우에 더 크게 나타나지만 부유잡목에 의한 수위변동 폭은 Fr 수가 작을 때 즉, 유속이 작고 수심이 큰 경우에 더 크게 발생하는 것으로 나타났다
- 실험결과를 검토하기 위해 사용된 실험유량은 실제 유량 2,000CMS를 기준으로 한 6, 000cm3/sec로 모형에 사용된 유량의 축척은 1/161.86이며 실제 유량이 2,000CMS인 경우 120cm를 확보해야 하는 여유고는 축소된 실험장치에서는 0.74cm의 여유고를 확보하여야 한다. 그러나 그림 11에서 알 수 있듯이 Fr수가 0.
- 1) 하천의 구조물 설치에 대한 각종 설계기준을 검토하고 구조물의 피해 현황을 분석한 결과 하천 에 설치된 교량 등 수리구조물의 여유고는 단순히 하천의 유량에 따라 결정하도록 하고 있어 좀 더 구체적인 기준이 필요한 것으로 판단된다
- 2) 부유잡목의 면적비율 증가에 따른 유속의 변화에 있어 부유잡목의 비율이 증가할수록 최대유속의 발생위치는 수심방향으로 수로 하부에서 발생하며 수면에서의 유속은 반대로 감소하고 있은 것으로 나타났으며 잡목의 비율이 증가할수록 유속의 변화폭도 훨씬 큰 폭으로 변화하고 있는 것으로 나타났다.
- 3) 부유잡목의 면적비율이 증가할수록 변화하는 유속의 증가폭은 부유잡목의 집적각도가 큰 경우에 훨씬 크게 나타나고 있으며 수면에서의 유속은 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 4) 부유잡목의 각도에 따른 수위는 부착각도가 60°인 경우를 기준으로 수위가 증가 또는 감소하고 있으며 부착각도가 클수록 Fr 수가 클수록 최대 수위를 나타낸다
- 5) Fr수가 큰 경우에 비하여 Fr수가 작은 경우에 부유잡목에 의한 수위변화 폭은 크게 발생하고 있는 것으로 나타나 부유잡목에 의한 유속, 수위 등 흐름특성은 수심이 크고 유속이 작아 홍수시에도 비교적 적은 Fr수가 발생되는 하천에서 그 변화폭이 클 것으로 판단된다.
후속연구
- 현재 국내의 하천시설기준(건설교통부 200) 및 하천 공사표준시 방서( 건설교통부, 1999), 도로교설계기준( 건설교통부, 2000), 도로교설계요령(한국도로공사, 2001), 도로설계 편람(한국건설기술연구원, 2000) 등의 기준에는 하천의 홍수량에 따라 여유고를 결정하도록 제시하고 있으나 부유잡목의 영항에 대해서는 구체적인 기준을 제시하지 못하고 있으며 더욱이 이때 결정되는 여유고는 구체적인 수리실험을 통해 결정되지 못하고 일반적인 경험이나 과거의 관행에 따라 결정되므로 여유고의 범위가 수리구조물의 안정성 확보에 적합하지 않도록 결정되는 경우도 발생하고 있다. 따라서 수리구조물의 안정성에 영향을 미치는 부유잡목에 의한 영향은 수리실험을 통해 구체적으로 검토되어야 하며 이를 기초로 각종 기준에서 제시하고 있는 여유고 결정이 이루어져야만 홍수시 부유 잡목에 대해 안정성을 확보할 수 있을 것이다.
- 이러한 경우 교량의 통행은 물론 구조물 자체의 안전에도 심각한 위험을 초래할 것이다. 따라서 기준에서 제시하고 있는 여유고는 교각에 걸린 잡목의 비율과 수위상승의 효과 등을 고려한 좀 더 구체적인 실험을 통해 제시되어져야 할 것으로 판단된다.
- 6) Fr수가 0.6정도인 경우 부유잡목이 10%이상으로 써 개도비가 90%이하가 되면 현재 제시된 설계 기준의 여유고를 초과하는 수위가 발생하는 것으로 나타나 향후 여유고 설정을 위한 유속분포 수위 변화 등을 고려한 구체적인 실험을 실시하고 이를 통해 좀 더 안전한 여유고가 제시되어져야 할 것으로 판단된다.
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