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제안 방법
- 각 단면에서의 속도수두는 하폭과 반비례의 관계를 보이고 속도수두와 수면폭에 대해 각각 무차원화된횡단면의 수위차는 서로 비례적인 관계를 보여 속도 수두와 단면형태를 영향인자로 고려한 횡단면의 수위 차를 산정하기 위한 식을 제안하였다. 하도의 곡률과 단면 형태가 일정한 인공수로모형를 대상으로 제안된 기존 공식이 평창강 모형에서 약 60%의 차이를 보이는 것에 비해 본 연구에서는 결정계수가 약 0.
- 표에서 B는 하폭을 나타내며, r, 5는 각각 하도의 외측, 내측, 하도 중심의 곡률반경을 의미한다. 또한 기존의 식은 하폭과 단면이 일정한 고정단면에서 사용되는 공식이나, 현 상황에서는 자연단면에서 사용할 수 있는 특별한 공식이 없으므로 기존의 식을 본 실험모형에 그대로 적용하여 분석하였다.
- 2cm, 지름은 각각 2, 3, 4cm로 제작하였다. 모형의조도조정은 5회에 걸쳐 수행하였으며 원형하천의 실제 설계유량인 50년 빈도의 25, 50, 75, 100%에 해당하는 유량과 100년 빈도의 유량 등 5개 유량을 식 (5)를 통해 상사하여 조도조정을 위한 실험 유량으로 사용하였다. 그림 5는 조도블럭이 부착된 모형의 합류부를 보여주고 있으며 그림 6에는 모의를 통해 계산된 수위와 조도조정 후 모형에서 실측된 수위의 비교 결과를 나타내었다.
- 본 실험에서 모형의 조도를 조정하기 위해 원형하천의 실측 지형자료를 HEC-RAS의 정류해석 입력자료로 하여 수치모의를 수행하고 모의 결과와 모형에서 실측된 수위를 비교하며 시행착오를 통해 모형의 조도를 조정하는 수위일치법을 적용하였다. 이때 정류해석을 위한 경계자료는 합류부 상류의 영월1 및 영월 2의 수위표와 합류하류의 영춘수위표를 기준으로 수위와 유량자료를 입력하였다.
- 본 연구에서 제안된 횡단면 수위차 산정 공식은 결정계수가 약 0.7로 나타났는데, 기존 제안식에 의한 결과와의 차이를 확인하기 위하여 본 연구를 통해 제안된 실험식과 기존의 연구를 통해 제안되어 사용되고 있는 횡단면의 수위차 산정공식에 의한 계산 결과를 비교 검토하였다.
- 본 연구에서 제안한 식(13)은 만곡된 하도내 각 단면의 곡률반경은 영향인자로 고려하지 않았으며 각 단면에서의 속도수두와 단면형태만을 고려하였고, 기존 공식의 하폭(B)에는 수면폭을 적용하였다.
- 본 연구에서는 하도의 곡률반경과 단면형태가 일정한 수리모형이 아닌 자연하천과 같이 곡률반경과 단면 형태 등이 일정하지 않은 자연하천 형태의 수리모형에서 본류와 지류의 유량비가 변화하는 경우 합류 구간 횡단면에서의 수위차를 분석하였다.
- 본류에 대한 지류의 유량비를 0.99, 0.85, 0.72, 0.57로 변화시키면서 합류구간에서의 수위 변화율을 검토하였다.
- 유량공급 조에서 공급되는 유량이 실험구간에 유량이 정류상태로 유입되도록 하기 위해 모형수로의 최 상류 부분에 모형 수로와 일체로 설치된 유량 안정화부분으로 유입되어 정류판 3개를 통과하면서 정류상태가 되도록 하였다. 수로를 통과한 유량은 수로 말단의 집수정과 연결된 회수파이프를 통해 지하저수조로 회수되도록 하였다. 회수파이프에는 밸브를 설치하여 수로의 하류 경계수위를 조절할 수 있도록 하였다.
- 합류부 하류에 소수력발전을 위한 수중보와 취수를 위한 취수보, 그리고 홍수 때는 잠기는 잠수교가 설치되어 있다. 실험에 이용된 모형은 비교적 규모가 큰 대규모 실험 모형으로 20HP 펌프 2대, 15HP 펌프 1대를 사용하여 최대 0.12m3/ sec의 유량을 공급할 수 있도록 하였다. 지하 저수조에서 펌핑된 유량은 지상 3m높이에 설치된 고수 조로 공급되어 고수조에서 일정수두를 유지하면서 원형 파이프를 통해 모형 최상류에 설치된 2개의 유량공급 조에 자연유하 되도록 하고 유량 조절은 파이프에 설치된 밸브를 이용하였다.
- 완성된 수리모형에 유량을 공급하기 위한 유량공급 조의 위어를 이용한 정확한 유량측정을 위해 위어 검증을 실시하였다. 위어의 월류 높이에 따른 유량을 측정하여 유량계수를 계산하고 측정값과 계산값의 검토를 통해 위어의 평균 유량계수를 결정하여 위어 월류높이에 따른 수위-유량곡선을 작성하고 이를 통해 모형에 공급되는 유량을 조절하였다.
- 실시하였다. 위어의 월류 높이에 따른 유량을 측정하여 유량계수를 계산하고 측정값과 계산값의 검토를 통해 위어의 평균 유량계수를 결정하여 위어 월류높이에 따른 수위-유량곡선을 작성하고 이를 통해 모형에 공급되는 유량을 조절하였다.
- 유량공급 조에서 공급되는 유량이 실험구간에 유량이 정류상태로 유입되도록 하기 위해 모형수로의 최 상류 부분에 모형 수로와 일체로 설치된 유량 안정화부분으로 유입되어 정류판 3개를 통과하면서 정류상태가 되도록 하였다. 수로를 통과한 유량은 수로 말단의 집수정과 연결된 회수파이프를 통해 지하저수조로 회수되도록 하였다.
- 유량공급조에서 모형으로 유입되는 유량은 유량 조절 조에 설치된 폭 50cm의 사각위어를 통해 측정하며 사각 위어는 한국공업규격(KS B 6302)에 따라 제작하고 검증을 통해 유량계수를 산정한 후 제시된 유량관계식에 따라 공급되는 유량을 계산하였다. 유량공급 조에서 공급되는 유량이 실험구간에 유량이 정류상태로 유입되도록 하기 위해 모형수로의 최 상류 부분에 모형 수로와 일체로 설치된 유량 안정화부분으로 유입되어 정류판 3개를 통과하면서 정류상태가 되도록 하였다.
- 통상적으로 모형의 축척은 실험의 목적, 실험대상의 지형 및 수리적 특성 등을 고려하여 모형과 원형과 의상 사성을 만족시키고, 수리모형의 제작 및 경제적 여건, 실험장의 부지와 측정의 용이성 등을 고려하여 결정하게 되는데, 본 연구에서는 활용이 가능한 실험부지의 면적이 30x20m인 점을 감안하여 실험 대상 하천을 모두 나타내기 위하여 수평방향 축척은 1/200로 하였다.
- 산정하기 위한 식을 제안하였다. 하도의 곡률과 단면 형태가 일정한 인공수로모형를 대상으로 제안된 기존 공식이 평창강 모형에서 약 60%의 차이를 보이는 것에 비해 본 연구에서는 결정계수가 약 0.7이고 평창강과 동일한 수리모형에서 실제 측정된 횡단 면의 수위 차와의 오차가 약 10%로 개선된 횡단면 수위 차 산정 식을 제안하였다.
- 개략도이다. 합류부의 흐름특성을 분석하기 위하여 합류부 하류의 유량을 원형 하천의 100년 빈도 유량으로 고정하고 합류부 상류의 본류와 지류의 유량비를 변화시켜 본류 유량(Qm)에 대한 지류유량(Qs)의 유량비(Qr= Qs/Qm)가 0.99, 0.85, 0.72, 0.57 등 4가지의 경우에 대해 흐름특성을 분석하였는데 식(5)에 따른 원형과 모형의 유량은 표 2에 나타내었다.
대상 데이터
- 모형의 조도를 조정하기 위해 시멘트로 제작된 반구형 조도블럭을 사용하였으며 조도블럭의 높이는 1.2cm, 지름은 각각 2, 3, 4cm로 제작하였다. 모형의조도조정은 5회에 걸쳐 수행하였으며 원형하천의 실제 설계유량인 50년 빈도의 25, 50, 75, 100%에 해당하는 유량과 100년 빈도의 유량 등 5개 유량을 식 (5)를 통해 상사하여 조도조정을 위한 실험 유량으로 사용하였다.
- 실험대상 지역은 강원도 영월의 평창강과 남한강 합류부로 합류지역은 90° 에 가까운 접근각도로 합류되고 있으며, 합류하류구간의 우안은 암석으로 구성된 절벽이 위치하고 있다. 합류부 하류에 소수력발전을 위한 수중보와 취수를 위한 취수보, 그리고 홍수 때는 잠기는 잠수교가 설치되어 있다.
- 조정하는 수위일치법을 적용하였다. 이때 정류해석을 위한 경계자료는 합류부 상류의 영월1 및 영월 2의 수위표와 합류하류의 영춘수위표를 기준으로 수위와 유량자료를 입력하였다.
- 지하 저수조에서 펌핑된 유량은 지상 3m높이에 설치된 고수 조로 공급되어 고수조에서 일정수두를 유지하면서 원형 파이프를 통해 모형 최상류에 설치된 2개의 유량공급 조에 자연유하 되도록 하고 유량 조절은 파이프에 설치된 밸브를 이용하였다. 직접적으로 유량을 공급하는 유량 공급 조는 2.0x3.0x0.9m 크기로 강철 판으로 제작하였으며 월류판 1개, 정류판 3개를 설치하였고 모형수로의 최상류부분 상단에 설치하였다.
- 7로 모형을 제작하였다. 축척에 따라 제작된 수리모형의 각 단면 간의 거리는 1m로 전체구간의 24개 단면 중 본 연구에 활용된 단면은 합류부를 중심으로 12개 단면이며 전체 구간의 하상경사는 본류가 0.00434, 지류가 0.0064이고 본류구간은 30m, 지류구간은 6m이다. 왜곡모형에서의 조도와 유량은 식(4), 식(5)와 같이 계산된다.
이론/모형
- 위어의 유량공식은 한국공업규격에서 제시하고 있는 4각위어 공식을 이용하였으며 유량계수(K)는 위어 검증을 통해 도출된 평균 유량계수 값을 적용하여식(12)와 같은 유량공식을 도출하였다.
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