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문제 정의
- 본 연구에서는 홍수위의 누가곡선을 이용하여, 홍수위를 시간적으로 무차원화시키기 위하여 개개 홍수위의 누가지속기간과 이에 따른 누가홍수위를 각각 백분율로 표시하였다. 산정한 무차원시간분포방법은 실제 홍수사상과 근접된 첨두홍수위가 나타날 수 있도록 다음과 같은 연구를 수행하였다.
가설 설정
- 침투해석을 위한 표준단면은 표 2 및 그림 10와 같이 둑마루폭 7 m, 비탈경사 제내외측 공히 1:3, 제방높이는 10 m, 여유고 2m로 가정하였다. 남강에 있는 정암의 경우도 낙동강 본류 배수위 영향을 받고 있어 동일하게 적용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 하천제방 침투해석 시 사용되는 설계홍수파형을 주요 수위관측소 지점에 대한 설계홍수량과 과거 홍수사상의 수위곡선을 분석하고 국내외적으로 연구되어온 설계 강우의 시간분포방법의 하나인 무차원분포 해석방법을 이용하여 무차원설계홍수파형을 유도하였다. 과거 발생한 원홍수사상과 금회 유도한 설계홍수파형에 대해 2차원침투해석 프로그램인 Seep/w를 이용하여 한계동수경사와 한계유속에 의한 침투해석을 실시하고 상관성 분석 및 적정성을 검토하였다.
- 과거 주요홍수자료를 이용하여 일본의 하천제방설계지침에서 적용하는 방법으로 설계홍수파형을 유도하였다(그림 8). 홍수파형의 형태는 모두 첨두의 위치가 뒤에 오는 후방형이며, 왜관, 정암의 경우 감수부가 급경사를 이루고 있어 실제 홍수사상과 다르게 나타났고, 수위를 제방고까지 인위적으로 연장하므로서 첨두홍수위가 실제보다 높게 나타났다.
- 따라서 본 연구에서는 투수계수의 조건 1은 제체 k1= 5×10-5 cm/s, 기초지반 k2= 5×10-4 cm/s 조건 2는 제체 k1= 1×10-3 cm/s, 기초지반 k2= 1×10-4 cm/s로 가정하고 2가지 경우에 대해 침투해석을 실시하였다.
- 첨두홍수와 홍수지속시간은 어느 정도경향은 있으나 일정한 관계식을 도출하기에는 연구가 더 필요하다. 따라서 수위관측소별 홍수지속시간은 관측소별 전체홍수사상의 평균지속시간을 적용하였다. 그림 7은 유도된 홍수파형으로 종축인 수위는 계획홍수위로하고, 횡축은 평균홍수지속시간을 적용하여 도시한 그래프이다.
- 2006). 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 첨두홍수위와 지속시간에 대한 상관성을 분석하였다. 첨두홍수와 홍수지속시간은 어느 정도경향은 있으나 일정한 관계식을 도출하기에는 연구가 더 필요하다.
- 본 연구에서는 하천제방 침투해석 시 사용되는 설계홍수파형을 주요 수위관측소 지점에 대한 설계홍수량과 과거 홍수사상의 수위곡선을 분석하고 국내외적으로 연구되어온 설계 강우의 시간분포방법의 하나인 무차원분포 해석방법을 이용하여 무차원설계홍수파형을 유도하였다. 과거 발생한 원홍수사상과 금회 유도한 설계홍수파형에 대해 2차원침투해석 프로그램인 Seep/w를 이용하여 한계동수경사와 한계유속에 의한 침투해석을 실시하고 상관성 분석 및 적정성을 검토하였다.
- 진동 등 5개 수위관측지점의 과거 발생한 주요 홍수사상을 이용하여 홍수위와 지속시간별 홍수위 자료를 이용하여 무차원설계홍수파형을 유도하였다.
- 투수계수는 제체 k1= 5×10-5 cm/s, 기초지반 k2= 5×10-4 cm/s로 가정하고 금번 산정한 기본수위파형(계획제방고)과 유도홍수파형(계획홍수위)에 대하여 침투해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 설계홍수파형을 개발하기 위하여 주요 홍수에 대해 과거신뢰성 있는 자료를 많이 보유하고 있는 낙동강 유역의 진동, 현풍, 왜관, 낙동, 정암 등 5개소의 수위관측소 지점을 선정하였다. 1984년 ~2007년에 발생한 주위보수위 이상 수위사상을 시간대별로 모두 추출하였다. 주위보 이상 수위를 사용한 것은 무차원 누가곡선은 많은 자료를 이용할 경우 평활화되어 첨두가 매우 낮게 산정되는 문제점을 가지고 있으며, 주위보 이하의 수위에서는 침투로 제방이 붕괴되는 문제가 거의 발생되지 않았다.
- 제체는 하상재료를 이용하여 축제를 한 것으로 기초지반(1)과 유사한 SM, SP로 구성되어 있다. 기초지반(2)는 충적층으로 모래섞인 자갈층인 GM, GW, GP,로 구성되어 있다. 일부에서는 기초지반(1)과 기초지반(2)사이에는 점토층 CL, ML이 분포하고 있다.
- 본 연구 대상 수위표 인근의 기존 제방의 제체 및 기초지반의 토질은 문헌(개진제, 2003; 생송제, 2004; 적곡지구, 2004)을 통하여 조사하였다. 제체부의 높이는 약 5.
- 설계홍수파형을 개발하기 위하여 주요 홍수에 대해 과거신뢰성 있는 자료를 많이 보유하고 있는 낙동강 유역의 진동, 현풍, 왜관, 낙동, 정암 등 5개소의 수위관측소 지점을 선정하였다. 1984년 ~2007년에 발생한 주위보수위 이상 수위사상을 시간대별로 모두 추출하였다.
- 전체적으로 총 1,032개 홍수사상의 8.2%인 85개가 선정되었으며, 선정된 수위는 진동, 현풍, 왜관, 낙동, 정암이 각각 21개, 13개, 22개, 14개, 15개이다. 하나의 홍수사상에서 홍수시점과 종점은 평수위를 기준으로 하였다.
- 5 m 깊이에 분포하고 있다. 제체는 하상재료를 이용하여 축제를 한 것으로 기초지반(1)과 유사한 SM, SP로 구성되어 있다. 기초지반(2)는 충적층으로 모래섞인 자갈층인 GM, GW, GP,로 구성되어 있다.
데이터처리
- 각 수위표 지점의 기왕홍수파형과 금회 유도한 설계홍수파형의 첨두홍수위를 같게 하고, 홍수지속시간은 기왕홍수파형의 경우 각 홍수사상에서 발생된 시간을 적용하고, 유도설계홍수파형의 경우는 기왕홍수파형의 산술평균값을 취하였다. Seep/W 프로그램을 이용한 2차원침투해석을 실시한 후 동수경사 및 한계유속 결과에 대해 오차와 상관성분석을 실시하였다. 그림 9는 침투해석 모식도이다.
이론/모형
- 2차원 흐름에 대한 기본원리는 지중의 한 요소에 유입되는 유량(qin)과 유출되는 유량(qout)을 산정하여 연속성의 법칙에 의해서 양이 같다는 개념에서 시작되며, 본 연구에 적용한 Seep/W에서는 Darcy의 법칙 (υx=Kxix= -Kx∂h/∂x, υz=Kziz= -Kz∂h/∂z을 적용하여 2차 편미분 방정식을 유도하고 있다.
- 이 한계의 침투유속을 한계유속이라 한다. 본 연구의 침투해석은 한계동수경사와 한계유속법으로 검토하였다.
- 이때 확률별 누가분포곡선은 Weibull도시공식을 이용하여 10%∼90%곡선을 10%간격으로 도시하고, 도시된 분포곡선중 50%곡선을 채택하였다.
성능/효과
- 각 수위표 지점의 기왕홍수파형과 금회 유도한 설계홍수파형의 첨두홍수위를 같게 하고, 홍수지속시간은 기왕홍수파형의 경우 각 홍수사상에서 발생된 시간을 적용하고, 유도설계홍수파형의 경우는 기왕홍수파형의 산술평균값을 취하였다. Seep/W 프로그램을 이용한 2차원침투해석을 실시한 후 동수경사 및 한계유속 결과에 대해 오차와 상관성분석을 실시하였다.
- 이것은 설계홍수파형을 어떻게 설정하느냐에 따라 결과가 크게 다르게 나타남을 알 수 있었다. 또한 유도홍수파형에서 외수위는 계획홍수위를 적용하였고, 과거 하천에서 발생한 실제 홍수지속시간을 적용하므로서 기본 홍수파형보다 합리적임을 알 수 있었다.
- 적정성 검증은 과거 발생한 원홍수사상과 유도한 설계홍수파형을 이용하여 침투해석을 시행하고 편차를 비교하였고, 동수경사 및 한계유속법의 오차는 0~9.8%, 0.9~9.9%이고, 상관성(R2)은 0.944~0.999, 0.944~0.999 정도로 매우 상관성이 높게 나타났다.
- 표 5 침투해석 결과에서 기본수위파형은 형태가 삼각형으로 유사하고, 각 관측소마다 홍수지속시간이 비슷하여 침투해석 결과가 진동을 제외한 4개 관측소가 동일하게 산정되었다. 그러나 유도홍수파형은 홍수파형의 형태가 상이하여 모두 결과가 다르게 나타나므로 홍수파형의 특성을 잘 반영하고 있다고 볼 수 있다.
- 한 홍수사상에서 2개 이상의 첨두를 갖는 홍수사상은 진동 33.33%, 낙동 42.86%, 정암 60%로 나타났다. 다봉형 첨두 홍수위는 단일형에 비해 복잡한 침투양상을 나타내고 홍수지속시간을 연장하는 등 제방침투에 악영향을 미친다.
- 과거 주요홍수자료를 이용하여 일본의 하천제방설계지침에서 적용하는 방법으로 설계홍수파형을 유도하였다(그림 8). 홍수파형의 형태는 모두 첨두의 위치가 뒤에 오는 후방형이며, 왜관, 정암의 경우 감수부가 급경사를 이루고 있어 실제 홍수사상과 다르게 나타났고, 수위를 제방고까지 인위적으로 연장하므로서 첨두홍수위가 실제보다 높게 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서 홍수지속시간은 기왕홍수의 평균값을 사용하므로서 상류에 위치한 낙동이 하류의 왜관보다 지속시간이 길어지는 등 모순이 발생되었으므로 보다 정확도가 높고 합리적인 홍수파형을 유도하기 위해서는 추후 홍수지속시간 설정에 대한 연구가 필요하다.
- 본 연구의 설계홍수파형 유도 방법은 앞으로 하천제방 설계 및 기존제방 안전성 검토와 호안 및 구조물설계 시 홍수파형 설정에 활용될 것으로 기대된다.
- 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 첨두홍수위와 지속시간에 대한 상관성을 분석하였다. 첨두홍수와 홍수지속시간은 어느 정도경향은 있으나 일정한 관계식을 도출하기에는 연구가 더 필요하다. 따라서 수위관측소별 홍수지속시간은 관측소별 전체홍수사상의 평균지속시간을 적용하였다.
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