선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 식생호안의 관한 연구도 하도특성과 식생 상관관계 분석, 자연하천을 중심으로 하천식생에 관한 연구(이율경, 1999) 등이 이루어져 왔으나 호안의 복토와 식생매트 설치 공법에 관한 세부적인 연구는 상대적으로 진행된 바가 적다. 본 연구에서는 수리실험과 수치해석 기법을 통해 고수호안의 식생매트공법에 대한 수리학적 특성에 관한 분석과 이에 따른 상대적 토양유실율을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 표 1에서와 같이 동일한 호안 경사에서 유량과 수심의 변화를 통한 다양한 유속 조건을 구현하고, 식생매트의 설치유무에 따른 세굴정도를 살펴보기 위한 실험을 수행하였다. 동일한 수리적 조건에서 식생매트가 설치되지 않은 복토 호안의 세굴에 대한 방어능력을 검토하고, 이를 보강하기 위해 설치한 식생매트에 따른 상대적 토양유실율의 차이를 측정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 표 1에서와 같이 동일한 호안 경사에서 유량과 수심의 변화를 통한 다양한 유속 조건을 구현하고, 식생매트의 설치유무에 따른 세굴정도를 살펴보기 위한 실험을 수행하였다. 동일한 수리적 조건에서 식생매트가 설치되지 않은 복토 호안의 세굴에 대한 방어능력을 검토하고, 이를 보강하기 위해 설치한 식생매트에 따른 상대적 토양유실율의 차이를 측정하였다. 그림 5는 측정단면에서의 유속과 세굴심 측정 지점에 대한 모식도를 나타낸 것으로 복토된 토양의 유실은 일정 시간 통수 후 사면측정기(KENEK WHT-60)를 활용하여 2 cm 간격으로 통수전·후의 세굴심을 측정하였다.
- 그림 5는 측정단면에서의 유속과 세굴심 측정 지점에 대한 모식도를 나타낸 것으로 복토된 토양의 유실은 일정 시간 통수 후 사면측정기(KENEK WHT-60)를 활용하여 2 cm 간격으로 통수전·후의 세굴심을 측정하였다. 또한 고수호안 주변의 유속분포에 관한 측정은 통수 시 그림 5에 나타낸 지점에서 NORTEK사에서 제조한 3차원 VECTRINO MICRO ADV(N-7781)를 이용하여 측정하였다.
- 복토공법 모형이 설치된 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 유입유량은 전자식 유량계를 설치하여 크기를 측정하였다. 또한 실험수로에 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다. 수위와 유속 등이 안정된 유량을 이용하여 복토공법의 토양유실에 대한 측정구간에서 실험을 수행하며, 측정구간을 통과한 유량은 하류부를 지나 저수조로 흘러들어가게 된다.
- 본 연구에서 사용된 실험 장치는 크게 저수조와 고수조, 그리고 실험수로로 구성되어 있다. 복토공법 모형이 설치된 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 유입유량은 전자식 유량계를 설치하여 크기를 측정하였다. 또한 실험수로에 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다.
- 본 실험에서는 수로 실험을 통하여 식생에 따른 복토의 유실율을 평가하였다. 식생매트의 설치 여부에 따른 복토된 토양의 상대적 유실율의 차이를 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 수로실험이 고유량을 구현하는 데에 한계가 있으므로 소류력을 결정하는 유속을 높이기 위해서 낮은 수심 조건에서도 실험을 수행하였다. 그러나 수심이 높은 경우에 호안에서의 토압이 수심이 낮을 때보다 높아져 적은 유속으로도 많은 유실율이 나타나는 것으로 판단되어 진다.
- 또한 실험수로에 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다. 수위와 유속 등이 안정된 유량을 이용하여 복토공법의 토양유실에 대한 측정구간에서 실험을 수행하며, 측정구간을 통과한 유량은 하류부를 지나 저수조로 흘러들어가게 된다. 그림 3은 실험수로의 개념도를 나타내고 있으며, 실험수로의 제원은 총 길이가 14 m(정류부 3 m, 안정화 구간 3 m, 세굴측정구간 6 m, 하류부 2 m)로서 폭은 1.
- 이는 실제하천의 고수호안의 토양을 채집하여 실험을 수행한 결과, 높은 함수비로 인하여 실험 유속에 비하여 점착력이 크기 때문에 상대적으로 적은 유실이 발생하게 되며, 식생매트 유무에 따른 상대적인 토양유실율의 차이를 측정하기 어렵기 때문이다. 식생매트 설치시 앵커 모형은 실제 시공시 사용되는 앵커와 유사한 형태로 제작하였으며, 식생매트를 호안모형의 사면에서 직접 양육하여 뿌리를 활착시키기에는 상당한 시간이 소요되는 관계로 본 연구에서는 다양한 수리학적 조건의 실험을 위해 사면에 식생매트를 별도로 양육하여 아크릴 호안과 복토 호안이 접하는 지점에 적절히 앵커모형을 설치하여 식생매트가 들리는 형태의 세굴이 발생하지 않도록 하였다. 그림 8에서 그림 23은 동일한 수리학적이 조건에서의 실험 및 수치해석 결과를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 수위와 유속 등이 안정된 유량을 이용하여 복토공법의 토양유실에 대한 측정구간에서 실험을 수행하며, 측정구간을 통과한 유량은 하류부를 지나 저수조로 흘러들어가게 된다. 그림 3은 실험수로의 개념도를 나타내고 있으며, 실험수로의 제원은 총 길이가 14 m(정류부 3 m, 안정화 구간 3 m, 세굴측정구간 6 m, 하류부 2 m)로서 폭은 1.2 m이고, 높이는 0.6 m이다. 하류부에는 수위 조절을 위한 수문이 설치되어 있다.
- 본 연구에서 사용된 실험 장치는 크게 저수조와 고수조, 그리고 실험수로로 구성되어 있다. 복토공법 모형이 설치된 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 유입유량은 전자식 유량계를 설치하여 크기를 측정하였다.
- 그림 8은 식생매트 설치 유무에 따른 실험 전·후의 세굴양상을 나타낸 것이다. 실험에 사용한 토양은 실제 하천의 고수호안에 존재하는 토양의 함수비보다는 낮은 사토를 사용하였다. 이는 실제하천의 고수호안의 토양을 채집하여 실험을 수행한 결과, 높은 함수비로 인하여 실험 유속에 비하여 점착력이 크기 때문에 상대적으로 적은 유실이 발생하게 되며, 식생매트 유무에 따른 상대적인 토양유실율의 차이를 측정하기 어렵기 때문이다.
이론/모형
- FLOW-3D에서 사용가능한 난류모형으로는 혼합길이 모형, 난류 에너지 모형, k-ε 모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ε 모형, LES 모형 등 5개 모형이 있으며, 직각형상 격자계 사용 시 일반 형상 기술을 보다 정확히 하기 위해 FAVOR(Fractional Area/Volume Ratio)기법을 각 방정식에 적용한다.
- 본 연구에서 고수호안 주변에 3차원적인 흐름에 관한 수치해석을 위해 사용된 모형은 FLOW-3D로서 본 모형은 자유수면 흐름에 대한다수의 모의기능이 포함되어 현재의 상용 프로그램으로 널리 사용되고 있다. 다양한 연구결과에 의해 수치모의 결과에 대한 신뢰성 및 적정성이 검증되었으며, 해석방법은 기본적으로 비정상 유동 상태이며, 연속방정식, 3차원 운동량 보존(Navier-Stokes) 방정식 및 에너지 방정식으로서 유체 및 열유동 해석을 할 수 있다.
성능/효과
- 식생매트의 설치 여부에 따른 복토된 토양의 상대적 유실율의 차이를 확인할 수 있었다. 3차원 수치해석을 통해 실제 자연하천에서의 소류력 계산과 이를 이용한 식생매트공법의 설계가 가능한 것으로 판단된다. 다만 이와 같은 고정상 수치해석에서는 추가적인 세굴을 반드시 고려해야만 한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 수심의 변화는 유속의 증감을 목적으로 했으므로 동일 유속에서 수심의 변화에 따른 유실율 비교는 고려하지 않았다. 고수호안에서 식생매트의 존재 유무는 홍수시에 제방의 유실에 큰 차이를 가져오며 동시에 식생매트가 충분히 활착되어 식생이 존재할 시에는 제방보호에 충분한 효과가 있는 것으로 판단된다. 표 4는 실험에서 측정한 유속장과 수치해석에서 계산한 유속장의 최소, 최대, 평균유속을 이용하여 계산한 소류력을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서 고수호안 주변에 3차원적인 흐름에 관한 수치해석을 위해 사용된 모형은 FLOW-3D로서 본 모형은 자유수면 흐름에 대한다수의 모의기능이 포함되어 현재의 상용 프로그램으로 널리 사용되고 있다. 다양한 연구결과에 의해 수치모의 결과에 대한 신뢰성 및 적정성이 검증되었으며, 해석방법은 기본적으로 비정상 유동 상태이며, 연속방정식, 3차원 운동량 보존(Navier-Stokes) 방정식 및 에너지 방정식으로서 유체 및 열유동 해석을 할 수 있다. FLOW-3D에서 사용가능한 난류모형으로는 혼합길이 모형, 난류 에너지 모형, k-ε 모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ε 모형, LES 모형 등 5개 모형이 있으며, 직각형상 격자계 사용 시 일반 형상 기술을 보다 정확히 하기 위해 FAVOR(Fractional Area/Volume Ratio)기법을 각 방정식에 적용한다.
- 34%로 나타났다. 두번째로 CASE2와 CASE6을 비교해보면 32.26%를 나타냈으며, CASE3과 CASE7의 유실율 차이는 31.95%을 나타냈다. 마지막으로 CASE4와 CASE8의 유실율 차이는 38.
- 일반적으로 호안설계시 평균유속을 사용한 소류력에 비하여 최대 및 최소값을 이용하면 상당한 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 호안의 설계시 소류력 계산을 위한 하천 단면의 유속은 평균 유속을 사용하는 것보다는 각각의 위치를 고려한 국부 유속을 고려하는 것이 바람직하며 3차원 수치해석을 이용하는 것이 가능한 것으로 판단된다.
- 식생의 유무에 따른 유실율의 차이는 실험결과에도나타나 있듯이 뚜렷한 차이를 보이고 있다. 또한 동일 유속 조건시 단면 최대유속이 1.0 m/s일 때 수심에 따른 변화에 따른 유실율 차이는 식생매트가 없을 때는 8.78% 정도로 나타났으며 식생매트가 설치된 경우에는 차이가 1.91%로 식생 없을 경우와 비교해면 그 차이가 적음을 볼 수 있다. 그림 12, 14, 20의 경우에는 수표면 위 부분의 사면에서도 많은 유실이 나타나는데 이것은 고수호안의 아래 부분이 침식되어 나가면서 윗 부분이 무너져 내리는 현상으로 판단되어지며 이러한 현상은 실제 하천에서도 고수호안의 침식시에 일반적으로 일어나는 현상이다.
- 95%을 나타냈다. 마지막으로 CASE4와 CASE8의 유실율 차이는 38.82%을 나타냈다. 식생의 유무에 따른 유실율의 차이는 실험결과에도나타나 있듯이 뚜렷한 차이를 보이고 있다.
- 25%로 가장 많은 유실율을 나타냈다. 식생의 유무에 따라 비교해보면 CASE1과 CASE5는 유실율 차이가 10.34%로 나타났다. 두번째로 CASE2와 CASE6을 비교해보면 32.
- 표 3은 수리조건별 및 식생매트별 고수호안의 유실율 실험결과를 나타낸 것이다. 호안의 안정성을 평가하기 위하여 수행한 수리실험 결과를 살펴보면 가장 유실이 많이 일어난 조건은 수심이 0.25 m이며 유속이 1.0 m/s에서 유실율이 44.25%로 가장 많은 유실율을 나타냈다. 식생의 유무에 따라 비교해보면 CASE1과 CASE5는 유실율 차이가 10.
후속연구
- 본 연구에서와 같이 중규모의 수로 실험에서는 구현할 있는 흐름 조건의 한계 때문에 실제 하천에서의 일어나는 현상과는 차이가 나타날 수 있다. 따라서 고수호안의 안정성 평가를 위해서는 설계 유속 재현이 가능한 대규모 원형 수리 실험장에서의 실험을 통하여 보완이 되어질 것으로 판단되며 본 연구 결과는 원형 실험 수행시 사전 연구로서의 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 실제 수리적 안정성을 확보하는 호안을 설계하기 위해서 대규모 실험을 통한 호안 사면에서의 유속측정과 이를 이용한 소류력 계산을 하는 것은 매우 어렵다. 따라서 이와 같은 설계시 흐름에 대한 3차원 수치해석이 대안이 될 수 있는 데, 본 연구결과에서 알 수 있듯이 세굴 초기의 유속분포를 통해 호안 사면에서의 소류력을 계산하는 것은 가능하나 일정 규모 이상의 침식이 발생하여 추가적인 세굴에 대한 소류력 계산은 어려우므로, 2차적인 추가 세굴에 대한 발생 가능성을 검토해야만 한다는 것을 확인할 수 있다.
- 일반적으로 복토공법은 흙으로 제방을 덮는 형태의 공법이므로 유속의 전단효과보다는 수심이 높아짐에 따른 파이핑에 의한 유실율 차이가 더 크게 나타난다. 따라서 향후 대규모 원형실험에서는 각각의 유속 조건에서 동일한 수심조건에 대한 식생 유무에 따른 유실율의 크기 정도를 분석하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 본 연구에서는 수심의 변화는 유속의 증감을 목적으로 했으므로 동일 유속에서 수심의 변화에 따른 유실율 비교는 고려하지 않았다.
- 따라서 향후 대규모 원형실험에서는 각각의 유속 조건에서 동일한 수심조건에 대한 식생 유무에 따른 유실율의 크기 정도를 분석하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 본 연구에서는 수심의 변화는 유속의 증감을 목적으로 했으므로 동일 유속에서 수심의 변화에 따른 유실율 비교는 고려하지 않았다. 고수호안에서 식생매트의 존재 유무는 홍수시에 제방의 유실에 큰 차이를 가져오며 동시에 식생매트가 충분히 활착되어 식생이 존재할 시에는 제방보호에 충분한 효과가 있는 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.