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문제 정의
- 이러한 세굴심 산정식의 특성에 따라 본 연구에서는 지역적인 특성을 반영한 세굴심 산정공식을 유도하기 위한 선행 연구로서 강원도 지방하천 중 원형교각으로 설치되어진 지점의 수리특성 및 교각의 제원 등을 조사하여 기존의 세굴심 산정식을 이용하여 세굴심을 산정하였으며, 수리모형실험을 통하여 기존 세굴심 산정식의 값과 비교·분석하여 기존 식적용의 문제점을 관찰하였다. 또한, 민감도 분석을 통하여 교각의 세굴에 미치는 지배 인자에 대하여 영향력을 정량적으로 산정한 결과를 이용하여 강원도 하천에 적합한 세굴심 산정식을 제안, 하천구조물 설계 시 원형교각에 대한 경제적이며 안전한 설계가 이루어지도록 하는데 본 연구의 목적이 있다.
- 본문에서는 기존 식의 산정 값과 모형실험에서 산정된 값을 비교·검토하였다.
- 이러한 세굴심 산정식의 특성에 따라 본 연구에서는 지역적인 특성을 반영한 세굴심 산정공식을 유도하기 위한 선행 연구로서 강원도 지방하천 중 원형교각으로 설치되어진 지점의 수리특성 및 교각의 제원 등을 조사하여 기존의 세굴심 산정식을 이용하여 세굴심을 산정하였으며, 수리모형실험을 통하여 기존 세굴심 산정식의 값과 비교·분석하여 기존 식적용의 문제점을 관찰하였다.
제안 방법
- 511로 통계치가 모수치를 대표함에 있어 오차가 5%이상임을 의미하므로 종속변수에 미치는 영향이 무의미함을 알 수 있다. 따라서, 홍수량과 유속의 변수를 배제시킨 후다중 회귀분석을 실시하였다. 다음으로 회귀식의 적합도 검정 결과, 결정계수가 0.
- 본 연구는 강원도 영서지방의 지방하천을 중심으로 수리특성 및 교각제원 등을 조사하여 기존 세굴심 산정 값과 모형실험 측정값을 비교·검토하였다. 또한, 교각의 세굴에 영향을 주는 인자에 대하여 통계학적 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 실제 하천에서 발생하는 세굴심을 측정하기 위하여 수리모형 실험을 실시하였다. 모형실험은 그림 1과 같이 고정상 개수로 장치에서 실험을 진행하였으며, 교각은 제작과 설치가 용이한 플라스틱 파이프를 이용하여 제작하였다. 실험방법은 모형의 상사법칙을 적용하여 수리특성 값 및 교각의 크기 등축척비를 결정하여 실험을 하였다.
- 본 논문에서 소개된 6가지의 산정 식을 이용하여 각 지점에서 조사된 수리특성 및 교각의 폭 등 변수를 이용하여 세굴심을 산정하였다. 산정 결과, 상대적으로 CSU공식과 Andru식이 다른 식에 비하여 세굴심이 크게 산정되었으며, Qureshi식이 다른 식에 비하여 작게 산정되었다.
- 본 연구는 강원도 영서지방의 지방하천을 중심으로 수리특성 및 교각제원 등을 조사하여 기존 세굴심 산정 값과 모형실험 측정값을 비교·검토하였다.
- 실험방법은 모형의 상사법칙을 적용하여 수리특성 값 및 교각의 크기 등축척비를 결정하여 실험을 하였다. 세굴심 측정은 포인트 게이지(point gage)를 사용 하였으며, 유속은 LAB.용 유속계를 사용하여 측정하였다.
- 실제 하천에서 발생하는 세굴심을 측정하기 위하여 수리모형 실험을 실시하였다. 모형실험은 그림 1과 같이 고정상 개수로 장치에서 실험을 진행하였으며, 교각은 제작과 설치가 용이한 플라스틱 파이프를 이용하여 제작하였다.
- 세굴심 측정은 포인트 게이지(point gage)를 사용 하였으며, 유속은 LAB.용 유속계를 사용하여 측정하였다. 아래 표 3은 LAB.
대상 데이터
- 본 연구수행을 위하여 강원도 영서지역의 23개 지방하천을 선정하였으며, 그 중 연구지점 내 설치된 교량 중 원형교각으로 이루어진 29개의 교량을 선정하여 연구를 수행하였다. 선정된 지점의 수리특성을 살펴보면 홍수량의 경우 45~5,159 CMS의 범위를 보였으며, 교각부의 접근유속은 최소 1.
데이터처리
- 본 연구에서 제안한 회귀식 검증을 위하여 인근 하천에서의 세굴심 산정 값과 본 연구에서 제안한 회귀식 산정 값과 비교·검증하였다.
- 세굴심에 영향을 미치는 지배인자의 영향력을 제시하고, 세굴심 예측에 쉽게 이용할 수 있는 식을 작성하기위하여 다중 회귀분석을 수행하였다. 회귀분석 결과, 회귀식의 결정계수가 0.
- 수리모형 세굴심과 세굴심 인자 간 변수들의 상관력을 관찰하기 위하여 상관분석을 하였다. 분석결과, 교각크기에서 상관계수(R)가 0.
이론/모형
- 본 연구에서는 하천설계기준(2005 한국수자원학회)에서 제시된 C.S.U 공식외 5가지 공식을 이용하여 세굴심을 산정하였으며, 본 연구에 적용된 세굴심 산정식에 대한 소개는 아래와 같다.
- 모형실험은 그림 1과 같이 고정상 개수로 장치에서 실험을 진행하였으며, 교각은 제작과 설치가 용이한 플라스틱 파이프를 이용하여 제작하였다. 실험방법은 모형의 상사법칙을 적용하여 수리특성 값 및 교각의 크기 등축척비를 결정하여 실험을 하였다. 세굴심 측정은 포인트 게이지(point gage)를 사용 하였으며, 유속은 LAB.
성능/효과
- 1) 기존 세굴심 산정 값과 모형실험 세굴심 측정값이 크게는 63%의 편차를 보였으며 특히, 교각크기 및 홍수량의 값이 커지면서 산정 값 간의 편차는 증가하였다. 따라서 강원도의 경우 하천지형적인 특성으로 인하여 기존 세굴심 산정 식을 이용한 세굴심을 추정하기에는 부적합한 것으로 연구되었다.
- (분산팽창요인)의 값을 기준으로 Tolerance 1이하의 값, VIF. 10 이하의 값으로 정의하며, 표 5에서 보는 바와 같이 본 회귀식의 경우 Tolerance 0.456, VIF 2.194로 다중공산성 문제가 해결되었음을 확인하였다.
- 2) 기존 세굴심 산정 값의 경우 교각의 크기와 수심 등을 고려한 산정 식에서 편차가 적게 발생하였으며, 본 연구 대상지의 경우 Neil식이 모형실험 값과의 편차가 가장 작게 산정됨을 확인 수 있었다.
- 3) 모형실험을 통한 세굴인자에 대한 민감도 분석결과 교각 크기 64%, 수심이 37%로 다른 요인보다는 교각 및 수심의 민감도가 크게 산정되고 있음을 알 수 있었다.
- 4) 세굴심 발생에 영향을 주는 지배 인자 중 교각크기 및 수심에 대한 회귀분석을 통하여 연구대상지를 대표할 수 있는 적합한 세굴심 산정 식을 산정 할 수 있었다.
- 5) 본 연구에서 제안한 세굴심 산정식과 모형실험 값의 비교·검증결과 제안식의 편차가 11%의 편차로 신뢰성 있는 세굴심 산정이 가능 하였다.
- 본 연구에서 제안한 회귀식 검증을 위하여 인근 하천에서의 세굴심 산정 값과 본 연구에서 제안한 회귀식 산정 값과 비교·검증하였다. 검증결과, 본 연구에서 제안한 회귀식의 경우 0.42 m, 0.28 m, 0.18 m의 편차를 보였으며, 평균적으로 11%의 편차를 보였다. 기존 산정식의 경우 편차가 크게는 사남교 1.
- 본문에서는 기존 식의 산정 값과 모형실험에서 산정된 값을 비교·검토하였다. 검토 결과, 본 연구지점의 경우 Neil산정식이 대체로 모형실험에서 산정된 값과 유사한 경향을 보였으며, 모형실험 값을 기준으로 기존 산정식의 편차가 -2.31 m ~3.98 m의 큰 편차를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 그림 2는 기존식과 모형실험에서 산정된 값을 그래프로 도시하였다.
- 기존 세굴심 산정 식에 대한 세굴인자의 영향력 검토결과, 본 논문에서 소개된 기존 세굴심 산정식의 경우 홍수량에 대해서는 전체적으로 큰 민감도의 차이는 보이지 않았으며, Andru식이 85%로 홍수량에 가장 큰 민감도를 보였다. 수심의 경우 전체적으로 홍수량과 비슷한 경향을 보였으며, Andru식이 100%의 민감도를 보였다.
- 수심의 경우 전체적으로 홍수량과 비슷한 경향을 보였으며, Andru식이 100%의 민감도를 보였다. 다음으로 유속에 대해서는 전반적으로 25%~56%의 낮음 민감도를 보였으며, 끝으로 교각크기의 경우 전체적으로 기존 이론식에서 75%~100%의 높은 민감도를 보였다. 그림 3은 기존 세굴심 산정식의 세굴심과 세굴인자 간 민감도를 나타내었다.
- 다음으로 회귀식의 적합도 검정 결과, 결정계수가 0.882로 전체 관찰 값의 88%가량이 회귀 식과 적합한 관계를 갖는 것을 확인하였다.
- 34 m로 가장 크게 산정되었다. 또한, 가장 큰 편차를 보인 한강 문곡교 지점의 경우 Andru식이 7.74 m로 가장 큰 세굴심을 보였으며, Qureshi식이 3.32 m로 가장 작게 산정되었다. 지점별 세굴심 산정 식 간의 산정 값 범위는 아래 표 2에 정리하여 나타내었으며, 본 연구에서 소개한 기존 세굴심 산정식의 산정 값은 그림 2에 나타내었다.
- 본 결과에서 알 수 있듯이 세굴 발생에 영향을 주는 인자의 영향력은 교각크기 > 수심 > 홍수량 > 유속 순으로 영향을 주는 것을 알 수 있다.
- 수리모형 세굴심과 세굴심 인자 간 변수들의 상관력을 관찰하기 위하여 상관분석을 하였다. 분석결과, 교각크기에서 상관계수(R)가 0.91로 가장 높은 설명력을 보였으며 수심이 0.84, 홍수량 0.71, 유속 0.40의 설명력을 보였다. 본 결과에서 알 수 있듯이 세굴 발생에 영향을 주는 인자의 영향력은 교각크기 > 수심 > 홍수량 > 유속 순으로 영향을 주는 것을 알 수 있다.
- 본 논문에서 소개된 6가지의 산정 식을 이용하여 각 지점에서 조사된 수리특성 및 교각의 폭 등 변수를 이용하여 세굴심을 산정하였다. 산정 결과, 상대적으로 CSU공식과 Andru식이 다른 식에 비하여 세굴심이 크게 산정되었으며, Qureshi식이 다른 식에 비하여 작게 산정되었다. 산정 식 간의 편차는 간척천 을지교 지점이 0.
- 세굴심에 영향을 미치는 지배인자의 영향력을 제시하고, 세굴심 예측에 쉽게 이용할 수 있는 식을 작성하기위하여 다중 회귀분석을 수행하였다. 회귀분석 결과, 회귀식의 결정계수가 0.88로 유의하였으나, 표 6에서 보는바와 같이 독립변수 중홍수량과 유속의 변수가 신뢰수준 95%일 때 P-value값이 0.955, 0.511로 통계치가 모수치를 대표함에 있어 오차가 5%이상임을 의미하므로 종속변수에 미치는 영향이 무의미함을 알 수 있다. 따라서, 홍수량과 유속의 변수를 배제시킨 후다중 회귀분석을 실시하였다.
후속연구
- 78 m의 편차를 보였다. 따라서, 지속적으로 자료를 축척하여 회귀식의 신뢰성을 향상한다면 다른 기존 식들 보다 신뢰적인 세굴심 산정이 가능할 것으로 보인다.
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