제방은 형태 및 구성이 중력댐과 유사한 수리구조물이나, 외력조건에서 중력댐과 다른 특성을 가진다. 제방은 제외지의 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물로서 하천의 흐름조건을 무시한 기존 연구와 같이 침투 안전성 해석을 시행하는 것은 바람직하지 않다. 본 연구에서는 하천제방 주변의 흐름인 사다리꼴개수로 흐름구조와 제외지 흐름이 제방침투에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 수행하였다. 사다리꼴 개수로 흐름구조는 유속분포 및 바닥면 전단응력에 있어 직사각형 개수로 흐름과 상이하였다. 또한 유속이 0.5 m/s인 경우에 침투 수두는 흐름이 없는 경우와 비교하여 10%정도 크게 나타났다. 이러한 현상은 동수두, 이차류, 난류 변동성분에 의한 인자, 그리고 다양한 물리적 영향에 기인한다. 따라서 침투해석의 외력조건은 수위뿐만 아니라, 흐름에 의한 영향을 고려할 필요가 있다.
제방은 형태 및 구성이 중력댐과 유사한 수리구조물이나, 외력조건에서 중력댐과 다른 특성을 가진다. 제방은 제외지의 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물로서 하천의 흐름조건을 무시한 기존 연구와 같이 침투 안전성 해석을 시행하는 것은 바람직하지 않다. 본 연구에서는 하천제방 주변의 흐름인 사다리꼴 개수로 흐름구조와 제외지 흐름이 제방침투에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 수행하였다. 사다리꼴 개수로 흐름구조는 유속분포 및 바닥면 전단응력에 있어 직사각형 개수로 흐름과 상이하였다. 또한 유속이 0.5 m/s인 경우에 침투 수두는 흐름이 없는 경우와 비교하여 10%정도 크게 나타났다. 이러한 현상은 동수두, 이차류, 난류 변동성분에 의한 인자, 그리고 다양한 물리적 영향에 기인한다. 따라서 침투해석의 외력조건은 수위뿐만 아니라, 흐름에 의한 영향을 고려할 필요가 있다.
Levees, the hydro-engineering structure, are similar to earth dams in aspects of shape and structure. However, they are different from earth dams in the external force conditions. As a levee is the structure that is complexly affected by the flow and the water stage in the river, it may be unreasona...
Levees, the hydro-engineering structure, are similar to earth dams in aspects of shape and structure. However, they are different from earth dams in the external force conditions. As a levee is the structure that is complexly affected by the flow and the water stage in the river, it may be unreasonable to analyze the seepage safety as previous studies derived from the neglect of river flow. In this study, an experiment was conducted to investigate flow structures in a trapezoidal open-channel and the influence of the channel flow on the seepage through a levee. Flow structures in a trapezoidal open-channel were distinguished from a rectangular open-channel such as velocity and bottom shear stress distributions. In case with the flow velocity of 0.5 m/s, seepage water heads were higher 10 percent as compared with the stagnant case. This result is caused by dynamic heads, secondary currents, turbulent fluctuation forces, and various physical factors. It is suggested that external force boundary considered in terms of the flow as well as the water stage is proper to seepage analyses.
Levees, the hydro-engineering structure, are similar to earth dams in aspects of shape and structure. However, they are different from earth dams in the external force conditions. As a levee is the structure that is complexly affected by the flow and the water stage in the river, it may be unreasonable to analyze the seepage safety as previous studies derived from the neglect of river flow. In this study, an experiment was conducted to investigate flow structures in a trapezoidal open-channel and the influence of the channel flow on the seepage through a levee. Flow structures in a trapezoidal open-channel were distinguished from a rectangular open-channel such as velocity and bottom shear stress distributions. In case with the flow velocity of 0.5 m/s, seepage water heads were higher 10 percent as compared with the stagnant case. This result is caused by dynamic heads, secondary currents, turbulent fluctuation forces, and various physical factors. It is suggested that external force boundary considered in terms of the flow as well as the water stage is proper to seepage analyses.
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문제 정의
본 연구는 실험여건의 제약으로 인해 다양한 실험조건을 적용 하지 못하였으나, 수행된 실험조건을 통해서도 흐름과 침투수두는 일정한 경향을 가지고 있는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 제방 침투해석의 외력설정시 h +V2/g와 같이 정수두에 2배의 동수두를 추가한 값을 제안한다.
본 실험연구에서는 하천제방 주변의 흐름인 사다리꼴 개수로 흐름에 의해 발생하는 동수두, 이차류, 난류 변동성분 또는 바닥면 전단응력 등이 제방침투에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 사다리꼴 개수로에서 micro ADV를 이용하여 3차원 흐름구조을 계측하였으며, 동시에 제방 저면부에는 간극수압계를 이용하여 흐름이 제방내부의 간극수압에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 실제 물리현상에서 발생하는 하천내 흐름이 제방 침투에 미치는 영향을 검토하기 위해 흐름을 고려한 침투실험을 시행하였다. Case I은 흐름이 없는 상태에서 비포화 비정상 침투조건을 적용하였으며, 이러한 조건은 제외지측의 흐름이 없는 댐 및 저수지 등에서 발생할 수 있는 현상이다.
그러나 실제 하천제방은 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물이므로 흐름에 대한 영향을 고려하여 침투 안정성 해석을 시행하는 것이 적절하다. 본 연구에서는 실험을 통해 제방과 동일한 형태인 사다리꼴 개수로에서의 흐름 특성과 흐름이 제방 침투에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(5)에서 제시한 것과 같이 이차류, 난류 변동성분에 의한 힘(turbulent fluctuation force), 그리고 다양한 물리적 영향이 존재할 것으로 파악된다. 본 연구에서는 흐름에 의해 침투수두가 상승하는 모든 흐름 영향을 파악하지 못하였으며, 전술한 동수두, 이차류, 그리고 난류영향에 대해 검토하였다.
Case I은 흐름이 없는 상태에서 비포화 비정상 침투조건을 적용하였으며, 이러한 조건은 제외지측의 흐름이 없는 댐 및 저수지 등에서 발생할 수 있는 현상이다. 이러한 실험은 흐름을 주었을 때 흐름의 영향을 파악하기 위한 기초실험이다.
제안 방법
적용한 재료는 USCS분류에 의하면 SM에 해당된다. 또한 제방모형 축조 후 밀도 및 함수비 등을 측정하였으며, 투수계수는 동일한 조건의 시료를 성형하여 실험실에서 측정되었다. Table 1은 침투 수리실험에 적용한 재료의 물성치를 나타낸 것이다.
여기서, Um은 단면평균유속, R는 동수반경, 그리고, Fr은 Froude 수이다. 본 연구에서 각 조건에 대한 흐름과 침투의 계측은 동시에 수행되었으며, Case I은 기존 연구자들에 의해 적용되어 실험방법이며, Case II와 III은 흐름이 침투에 미치는 영향을 분석하기 위해 제안된 실험이다.
1 mm/sec이며, 신호를 50 Hz로 측정할 때 무작위성 잡음(random noise)은 1% 정도 이다. 본 연구에서는 사다리꼴 개수로의 흐름특성 분석을 위해 265지점(횡방향으로 12지점, 종방향으로 5-30 지점)의 3차원 유속성분을 micro ADV를 이용하여 50 Hz의 속도로 30 sec동안 측정하였다. Fig.
침투해석을 시행할 때에는 수위에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 안전율 향상을 위해서 흐름에 의한 외력조건을 추가하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 침투해석의 외력조건으로 정수두에 2배의 동수두를 추가한을 h +V2/g제안한다. 제안된 식은 향후 보다 많은 조건의 실험을 통해 침투에 미치는 흐름인자 별로 분리되어 수정될 필요가 있다.
실험 장치는 수평흐름을 재현하여 제방의 비정상 침투현상을 측정할 수 있도록 제작되었다. 유량공급장치는 최대 0.
본 실험연구에서는 하천제방 주변의 흐름인 사다리꼴 개수로 흐름에 의해 발생하는 동수두, 이차류, 난류 변동성분 또는 바닥면 전단응력 등이 제방침투에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 사다리꼴 개수로에서 micro ADV를 이용하여 3차원 흐름구조을 계측하였으며, 동시에 제방 저면부에는 간극수압계를 이용하여 흐름이 제방내부의 간극수압에 미치는 영향을 분석하였다.
제안된 식은 흐름이 침투에 미치는 모든 인자를 각각 정량화 시킨 것이 아니라, 본 연구에서 수행한 실험자료를 바탕으로 분석한 결과이다. 침투수두를 상승시키는 흐름 인자의 파악이나, 흐름과 침투의 상관관계를 개선하기 위해서는 다양한 실험조건과 이에 대한 상세 분석이 추가적으로 필요하다.
3 m, 그리고 비탈 경사 1:3으로 설치되었다. 침투실험을 위해 0.25 m 수심을 가지는 침투 외력조건을 적용하였으며, 실험에 적용한 제방 모형 및 계측기 설치 위치 개요도를 Fig. 2에 도시하였다. 또한 제방 축조 수로는 제방내부의 침윤선을 관찰할 수 있도록 벽면이 투명하게 제작되었다.
5 m3/sec 공급할 수 있는 규모이며, 수로 끝부분은 수위를 조절할 수 있는 수문이 설치되었다. 흐름방향 중앙에 제방을 축조할 수 있도록 수로를 설계하였으며, 수로의 제원은 길이 10 m, 폭 1 m, 그리고 비탈경사 1:3이다(Fig. 1 참조). 실험에 적용한 제방모형은 높이 0.
대상 데이터
본 연구에 적용한 재료는 실트질 모래(silty sand)에 해당하는 재료로 하천설계기준·해설(한국수자원학회, 2005)에서 제시한 양호한 재료기준에 부합하도록 선정하였다.
1 참조). 실험에 적용한 제방모형은 높이 0.3 m의 기초지반 위에 제방 높이 0.3 m, 하부 폭 2.1 m, 둑마루 폭 0.3 m, 그리고 비탈 경사 1:3으로 설치되었다. 침투실험을 위해 0.
유속 측정은 미국 Sontek 사의 3차원 micro ADV가 사용되었다. micro ADV는 초당 최대 50개의 신호를 측정할 수 있다.
성능/효과
5 m/sec 라고 하면, Eq. (1)에 의한 fmax= 47 Hz이므로 본 연구에서 적용한 micro ADV의 신호처리 응답속도(50 Hz)는 적절함을 알 수 있다.
2. 흐름 유무에 상관없이 침투양상은 유사한 것으로 나타났다. 그러나 제외지 흐름이 빠를수록 침투수두가 높게 형성되었다.
3. 침투해석을 시행할 때에는 수위에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 안전율 향상을 위해서 흐름에 의한 외력조건을 추가하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 침투해석의 외력조건으로 정수두에 2배의 동수두를 추가한을 h +V2/g제안한다.
침투수두의 상승원인은 주 흐름에 의한 동수두, 이차류, 난류 변동성분에 의한 인자, 그리고 다양한 물리적 영향에 기인한다. 동수두는 침투수두 상승 결과의 50%정도를 설명할 수 있으며, 이차류와 난류 변동성분에 의한 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
이러한 영향으로 인하여 사다리꼴 개수로에서의 최대유속은 비탈면과 자유수면 부근으로 이동하는 특성을 가진다. 또한 상향의 이차류에 의해 바닥면 전단응력은 비탈면 경계부근에서 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
따라서 향후 침투해석을 시행할 때에는 수위 또는 정수두에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 제방 안정성 확보를 위해서 흐름에 의한 외력조건을 반영하는 것이 바람직하다. 본 연구는 실험여건의 제약으로 인해 다양한 실험조건을 적용 하지 못하였으나, 수행된 실험조건을 통해서도 흐름과 침투수두는 일정한 경향을 가지고 있는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 제방 침투해석의 외력설정시 h +V2/g와 같이 정수두에 2배의 동수두를 추가한 값을 제안한다.
본 연구에서 검토한 흐름인자인 동수두, 이차류, 그리고 난류변동에 의한 영향만으로는 실험결과가 충분히 설명되지 않을 수 있다. 본 연구에 사용한 실험 계측기의 검정과 실험 조건의 동질성은 다양한 선행 실험과 반복을 통하여 확보하였으므로, 이에 대한 실험 오차는 배제할 수 있다.
본 연구에서 적용한 비탈경사는 1 : 3(θ= 18o)으로 최대유속이 수로 중앙부에서 발생하지 않고, 비탈면으로 편향되어 있는 것을 확인할 수 있다.
강형식과 최성욱(2006)은 3차원 레이놀즈응력모형(Reynolds stress model)을 이용하여 사다리꼴 개수로의 평균유속 및 난류구조를 분석하였다. 연구결과, 사다리꼴 개수로에서는 자유수면 渦가 직사각형 개수로 보다 감소하여 두 渦영역 사이에 새로운 이차흐름이 형성된다고 제시하였다. 또한 직사각형 개수로 흐름에서는 자유수면 渦의 영향으로 인해 최대 유속이 수면아래에서 발생되지만, 사다리꼴 개수로에서는 이와 같은 현상이 뚜렷이 발생되지 않는다고 언급하였다.
그러나 흐름을 고려한 침투실험을 시행할 경우 자유수면의 진동현상이 1 cm 이내에서 발생되었으며, 이러한 영향에 의해 침투수두가 증가되었을 가능성은 배제할 수 없다. 이러한 자유 수면 진동현상은 실제 하천에서도 나타나는 현상으로 본 연구에서 나타난 흐름과 침투수두의 상관관계는 여전히 유효할 것으로 판단된다. 따라서 향후 침투해석을 시행할 때에는 수위 또는 정수두에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 제방 안정성 확보를 위해서 흐름에 의한 외력조건을 반영하는 것이 바람직하다.
이와 같은 실험결과로부터 제방과 평행한 흐름은 제방 침투현상에 일정부분 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 침투에 의한 수두는 Eq.
후속연구
실제 제방에서 발생하는 물리현상은 Case I과 같은 경우가 아니라, Case II에서 적용한 외력조건이다. Case II의 실험결과를 바탕으로 보다 정확한 제방 침투 및 사면 안전성 해석을 시행할 수 있을 것으로 기대되며, 제방과 평행한 흐름이 침투에 미치는 영향을 분석할 수 있다.
2004; 임동균 등, 2006)는 댐과 같이 구조물 주변에 흐름이 정지된 경우에 국한하여 진행되어 왔으며, 하천제방과 같이 흐름이 존재하는 경우에 대한 연구는 미미한 실정이다. 그러나 실제 하천제방은 제외지의 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물로서 흐름이 존재는 조건의 연구결과를 활용하여 안전성 해석을 시행하는 방법이 바람직할 것이다. 보다 높은 정확도의 제방 안전성 해석을 위해서는 사다리꼴 개수로 흐름특성을 고려하는 등 실제 물리 현상을 반영한 연구가 필요하다.
이러한 자유 수면 진동현상은 실제 하천에서도 나타나는 현상으로 본 연구에서 나타난 흐름과 침투수두의 상관관계는 여전히 유효할 것으로 판단된다. 따라서 향후 침투해석을 시행할 때에는 수위 또는 정수두에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 제방 안정성 확보를 위해서 흐름에 의한 외력조건을 반영하는 것이 바람직하다. 본 연구는 실험여건의 제약으로 인해 다양한 실험조건을 적용 하지 못하였으나, 수행된 실험조건을 통해서도 흐름과 침투수두는 일정한 경향을 가지고 있는 것을 확인하였다.
그러나 실제 하천제방은 제외지의 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물로서 흐름이 존재는 조건의 연구결과를 활용하여 안전성 해석을 시행하는 방법이 바람직할 것이다. 보다 높은 정확도의 제방 안전성 해석을 위해서는 사다리꼴 개수로 흐름특성을 고려하는 등 실제 물리 현상을 반영한 연구가 필요하다.
본 연구에서 검토한 흐름인자인 동수두, 이차류, 그리고 난류변동에 의한 영향만으로는 실험결과가 충분히 설명되지 않을 수 있다. 본 연구에 사용한 실험 계측기의 검정과 실험 조건의 동질성은 다양한 선행 실험과 반복을 통하여 확보하였으므로, 이에 대한 실험 오차는 배제할 수 있다. 그러나 흐름을 고려한 침투실험을 시행할 경우 자유수면의 진동현상이 1 cm 이내에서 발생되었으며, 이러한 영향에 의해 침투수두가 증가되었을 가능성은 배제할 수 없다.
본 연구에서는 침투해석의 외력조건으로 정수두에 2배의 동수두를 추가한을 h +V2/g제안한다. 제안된 식은 향후 보다 많은 조건의 실험을 통해 침투에 미치는 흐름인자 별로 분리되어 수정될 필요가 있다.
제안된 식은 흐름이 침투에 미치는 모든 인자를 각각 정량화 시킨 것이 아니라, 본 연구에서 수행한 실험자료를 바탕으로 분석한 결과이다. 침투수두를 상승시키는 흐름 인자의 파악이나, 흐름과 침투의 상관관계를 개선하기 위해서는 다양한 실험조건과 이에 대한 상세 분석이 추가적으로 필요하다. 제방 침투에 정수학적인 특성이외에 동수학적인 특성이 작용하는 현상을 확인하였으며, 제방 설계나 관련 응용분야의 연구에 사전 정보를 제공함에 있어 중요한 의의를 가진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천제방의 역할은?
일반적으로 사다리꼴 형태를 가지는 하천제방은 홍수로부터 제내지를 보호하는 기본적인 하천구조물이다. 과거 하천 제방은 월류에 의한 붕괴가 대부분이었으나, 최근에는 하천 제방이 정비됨에 따라 월류에 의한 붕괴보다 강우와 하천수의 복합요인에 의한 침투파괴가 중요한 문제로 대두되고 있다(임동균 등, 2006).
제방의 특징은?
제방은 형태 및 구성이 중력댐과 유사한 수리구조물이나, 외력조건에서 중력댐과 다른 특성을 가진다. 제방은 제외지의 수위와 흐름의 영향을 복합적으로 받는 구조물로서 하천의 흐름조건을 무시한 기존 연구와 같이 침투 안전성 해석을 시행하는 것은 바람직하지 않다.
사다리꼴 개수로에서의 흐름 특성과 흐름이 제방 침투에 미치는 영향을 분석한 결과는?
1. 직사각형 개수로에서는 자유수면과 바닥면에서 渦가 발생하는 것으로 제시되어 있으나, 사다리꼴 개수로에서는 직사각형 개수로와 다르게 비탈면 경계부근을 기준으로 두개의 큰 渦가 발생한다. 이러한 영향으로 인하여 사다리꼴 개수로에서의 최대유속은 비탈면과 자유수면 부근으로 이동하는 특성을 가진다. 또한 상향의 이차류에 의해 바닥면 전단응력은 비탈면 경계부근에서 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
2. 흐름 유무에 상관없이 침투양상은 유사한 것으로 나타났다. 그러나 제외지 흐름이 빠를수록 침투수두가 높게 형성되었다. 침투수두의 상승원인은 주 흐름에 의한 동수두, 이차류, 난류 변동성분에 의한 인자, 그리고 다양한 물리적 영향에 기인한다. 동수두는 침투수두 상승 결과의 50%정도를 설명할 수 있으며, 이차류와 난류 변동성분에 의한 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
3. 침투해석을 시행할 때에는 수위에 의한 외력조건만을 고려할 것이 아니라, 실제 물리현상을 반영함과 동시에 안전율 향상을 위해서 흐름에 의한 외력조건을 추가하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 침투해석의 외력조건으로 정수두에 2배의 동수두를 추가한을 h +V2/g제안한다. 제안된 식은 향후 보다 많은 조건의 실험을 통해 침투에 미치는 흐름인자 별로 분리되어 수정될 필요가 있다.
참고문헌 (13)
강형식, 최성욱(2006) 사다리꼴 개수로 흐름에서 이차흐름의 3차원 수치모의. 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 1631-1635.
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