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문제 정의
- 0 m)를 크게 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 사행하천이 많은 국내 하천특성을 고려하여 제방의 안정성을 분석하기 위하여 2차원 CCHE2D모형과 3차원 FLOW3D모형을 이용하여 하천 만곡 부에서의 흐름특성을 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 실제 사행하천의 흐름특성을 보다 정확하게 해석하기 위해 CCHE2D모형(2차원)과 FLOW-3D모형(3차원) 을 통하여 수리적 특성을 분석하고자 하였다. 비교적 큰 사행 비를 가지는 실험하도의 실측결과를 토대로 2차원(CCHE2D) 및 3차원(FLOW-3D)모형의 분석값을 비교분석하여 적용성을 입증하고 실제하천(남강댐 하류)에 대하여 적용하였다.
- 25m/sec와 최소 유속에서 다소 차이가 있음을 알 수 있었다. 이에 대한 정확한 연구가 이루어져야 하지만 본 연구에서는 하천제방의 안정성을 평가하기 위한 하천의 흐름특성을 분석하므로 유속의 최대흐름에 초점을 두고자 한다. <표 1>은 실측값과 금회 분석값을 비교한 결과로서 상관계수가 평균 0.
제안 방법
- 대상유역에 적용된 조도계수의 검보정을 실시하기 위하여 1차원 흐름해석 모형인 FLDWAV모형과 매개변수 최적화 프로그램인 PEST(Parameter ESTimate)를 이용하여 에위니아 사상에 대하여 적용하였다. 그리고 1차원 모형을 통하여 산정된 홍수위와 정암 수위 관측소에서 관측된 수위를 비교하였다. 자동적으로 조도계수 값을 PEST 모형에서 변경하여 유량의 변화에 따른 최적의 조도계수를 찾았다 그리고 분석 결과를 정암관측소의 시수위와 비교하기 위하여 계산유량을 수위로 환산하였으며 최고수위를 1로 하여 다른 수위 값을 표준화 하였으며 실측치와 계산치의 비교결과가 선형에 가까웠다.
- 대상구간에 대하여 2차원 모형의 전체 절점의 수는 413×10이 되도록 유한요소망을 구성하였다.
- 실제 적용유역인 남강에서의 2, 3차원 수치모형의 적용을 위해서 가장 민감한 매개변수인 조도계수의 검보정을 실시하였다. 대상유역에 적용된 조도계수의 검보정을 실시하기 위하여 1차원 흐름해석 모형인 FLDWAV모형과 매개변수 최적화 프로그램인 PEST(Parameter ESTimate)를 이용하여 에위니아 사상에 대하여 적용하였다. 그리고 1차원 모형을 통하여 산정된 홍수위와 정암 수위 관측소에서 관측된 수위를 비교하였다.
- 본 연구에서는 실제 사행하천의 흐름특성을 보다 정확하게 해석하기 위해 CCHE2D모형(2차원)과 FLOW-3D모형(3차원) 을 통하여 수리적 특성을 분석하고자 하였다. 비교적 큰 사행 비를 가지는 실험하도의 실측결과를 토대로 2차원(CCHE2D) 및 3차원(FLOW-3D)모형의 분석값을 비교분석하여 적용성을 입증하고 실제하천(남강댐 하류)에 대하여 적용하였다. 이를 통하여 사행하천의 흐름특성(유속분포 및 최대유속경로, 수위 분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 보다 정확 하게 분석제시함으로써 하천 제방 안정성 평가에 필요한 만곡부의 수리적 특성 자료를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
- 실제 적용유역인 남강에서의 2, 3차원 수치모형의 적용을 위해서 가장 민감한 매개변수인 조도계수의 검보정을 실시하였다. 대상유역에 적용된 조도계수의 검보정을 실시하기 위하여 1차원 흐름해석 모형인 FLDWAV모형과 매개변수 최적화 프로그램인 PEST(Parameter ESTimate)를 이용하여 에위니아 사상에 대하여 적용하였다.
- 본 연구에서는 사행하천에서의 흐름특성을 해석하기 위하여 실험하도 및 실제 하천에 대하여 2차원 모형(CCHE2D) 과 3차원 모형(FLOW-3D)을 적용하였다. 실험 하도에 대하여 수리모형실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였으며, 사행이 잘 발달된 남강댐 하류에 위치한 사행구간을 대상으로 모형을 적용하여 만곡부에서의 흐름특성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
- 실험은 θ = 110° 비교적 큰 사행비를 가진 sine-generated laboratory channel에서 수행되었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Laboratorio Nacional de Engenharia Civil (LNEC)에서 수행한 수리모형실험 결과를 이용하였다. 실험은 θ = 110° 비교적 큰 사행비를 가진 sine-generated laboratory channel에서 수행되었다.
- 본 연구의 대상유역은 실제 만곡부가 왕성하게 발달된 사행하천에 대하여 적용하고자 한다. 본 연구에서는 남강댐 하류 구간중 사행하천의 형상이 비교적 잘 나타나 있는 남강댐 하류 26.5 km에 위치한 15.6 km 구간에 대하여 분석을 실시하였다. <그림 8>분석 대상지역을 나타낸 것이고 <표 2>는 경계조건 및 초기조건을 나타내었다.
- 본 연구의 대상유역은 실제 만곡부가 왕성하게 발달된 사행하천에 대하여 적용하고자 한다. 본 연구에서는 남강댐 하류 구간중 사행하천의 형상이 비교적 잘 나타나 있는 남강댐 하류 26.
- <그림 8>분석 대상지역을 나타낸 것이고 <표 2>는 경계조건 및 초기조건을 나타내었다. 분석구간은 남강댐 하류 지역으로서 본 연구의 시작지점 인근에 위치한 반성천이 본류로 유입되어 반성천 유입을 고려하였다. 대상구간에 대하여 2차원 모형의 전체 절점의 수는 413×10이 되도록 유한요소망을 구성하였다.
- 6 m, 수로 경사는 1/1,120이다. 수로 양측벽은 길이 1.0 m, 높이 20 cm, 두께 3.0 mm의 유리재질로 만들어졌다. 유리벽 사이에 5~10 cm 두께의 비점착성 과립상의 재질로 구성되어 있다.
- 실험은 θ = 110° 비교적 큰 사행비를 가진 sine-generated laboratory channel에서 수행되었다. 수로단면은 직사각형 단면으로 수로 폭은 0.4 m, 수로 길이는 18.6 m, 수로 경사는 1/1,120이다. 수로 양측벽은 길이 1.
이론/모형
- CCHE2D 모형은 천이류(transcritical flow)에 대한 지배방정식을 풀기 위해 Efficient Element Method(EEM; Wang과 Hu,1992)를 적용하였으며, 비정상흐름의 이동경계조건을 다루기 위해 마른영역 기법을 사용하였다. 그리고 개수로에서 시간의 변화에 따른 정상상태의 해를 해석할 수 있으며, 상류와 사류영역뿐만 아니라 천이영역에 대한 모의를 수행할 수 있다.
- CCHE2D 수치해석 모의를 위해서 난류모형으로서는 k−ε model을 사용하였고 수치해석기법 중 wall slipness coefficient 는 0.5, 마름 젖음의 기준수위는 0.005 m를 사용하였다.
- Hirt)가 개발ㆍ출시한 프로그램인 FLOW3D는 기본적으로 비정상 유동상태이며, 연속방정식, 3차원 Navier-Stokes 방정식 및 에너지 방정식을 이용하여 해석한다. FDM 기법에 직사각형의 격자를 용이하게 생성할 수 있는 FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation)를 도입한 유한체적법(FVM)을 적용하였으며, 경계면 적용과 경계면 추적의 정확성을 향상시키기 위해 VOF 기법을 적용하였다. 최근 수자원분야에서 여수로 접근수로 해석, 게이트 유동 현상, 댐 안정성 해석, 여수로 수문조작, 하천 오염 확산 문제 등 많은 분야에서 적용되고 있으며, 그 적용성이 입증된 프로그램이다.
- <그림 10>에서 횡축이 관측된 수위이며 종축이 계산된 수위이다. 그 외에 민감도 분석을 실시하여 가장 민감할 것으로 판단되는 와점성 계수는 시행착오법으로 검보정을 실시하였다.
- 난류모형으로 k−ε model을 사용하였고 수치해석기법 중 wall slipness coefficient 는 0.5, 마름 젖음의 기준수위는 0.005 m를 사용하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 난류모형중 k−ε model이 도입된 CCHE2D모형을 본 연구에 적용하였다.
- 본 모형에서는 수치해석기법으로 음해법(Implicit method)을 사용하였으며, 난류 모형은 비교적 계산시간이 오래 걸리지만 정확도가 높으며 k−ε 모형에서 비롯되어 동일한 해석구조를 가지는 RNG 모형을 적용하였다.
- 본 연구에서는 다른 모형에 비해 계산 시간은 다소 길지만 복잡한 난류흐름을 더욱 정확하게 모의하는 것으로 알려진 RNG모형을 적용하였으며 RNG모형에 대한 자세한 내용은 여기서는 다루지 않지만 ‘On the RNG Theory of Turbulence’(Sam 1992)에서 자세히 알 수 있다.
- 본 연구에서는 사행하천에서의 흐름특성을 해석하기 위하여 실험하도 및 실제 하천에 대하여 2차원 모형(CCHE2D) 과 3차원 모형(FLOW-3D)을 적용하였다. 실험 하도에 대하여 수리모형실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였으며, 사행이 잘 발달된 남강댐 하류에 위치한 사행구간을 대상으로 모형을 적용하여 만곡부에서의 흐름특성을 분석하였다.
- 비교적 큰 사행비를 가지는 사행수로에서의 흐름특성을 파악하고자 본 연구에서는 2차원 수치해석 모형인 CCHE2D를 적용하였다.
성능/효과
- 2) 곡률반경이 1,300~1,600 정도인 실제하천에 대하여 매개변수의 검보정 실시 후 수치해석모형에 적용한 결과, 수위의 경우 2차원 결과가 3차원 결과보다 최대 3%정도 수위가 높은 것으로 나타났으며, 또한, 상관계수가 평균 0.91의 값을 보이고 있어 2차원모형과 3차원모형의 수치해석 결과 값이 비교적 잘 일치하는 것으로 분석되었다.
- 1) 실험하도에 대하여 주요 지점의 유속결과를 수리모형실험의 실측값과 금회 분석값을 비교한 결과. 2차원 모형 (CCHE2D)은 상관계수(R)가 0.920의 값을, 3차원 모형 (FLOW-3D)에서는 0.978의 상관계수 값을 보임에 따라 2차원 모형 보다 3차원 모형의 분석결과가 실측값과 좀 더 유사한 값을 갖는 것으로 분석되었으며, 두 가지 모형 모두 사행하천에의 적용이 가능함을 확인하였다.
- 3) 만곡부 정점에서의 종단유속은 오히려 감소하지만 횡단 유속은 오히려 크게 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서, 하천설계시 사행하천의 제방 안정성 확보를 위하여 종단유속 뿐만 아니라 횡단유속을 고려할 필요가 있다.
- 5) 실제 자연하천의 만곡부 횡단에 대한 내측 및 외측의 수위를 분석한 결과, 제방 외측의 수위가 평균수위에 비하여 최대 약 2.13% 정도 증가하고 내외측의 차는 최대 3.72% 정도 증가하는 것으로 분석되었다.
- 만곡정점(apex)에서 횡단유속이 다른 지점에 비하여 크지만 종단유속은 작은 것을 <그림 5>에서 확인할 수 있다. 따라서, 총유속 뿐만 아니라 횡단유속으로 인한 영향을 고려할 필요가 있음을 알 수 있었다. 소류력은 0.
- 267 m/sec로 분석되었으며 분석구간의 초기 구간과 반성천 합류점 바로 다음 지점에서 유속이 일시적으로 커지다가 두 번째 만곡 구간에서 단면 축소 등으로 유속 증가가 뚜렷하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표고별 유속분포를 분석한 결과, 만곡부에서 하상보다는 수표면으로 올라 갈수록 유속이 커지는 경향을 직선구간에서보다 뚜렷이 보이고 있었다.
- 55 m 범위 분포를 보였다. 만곡 및 협착부의 영향으로 모든 횡단 지점에서 내측에서 외측으로 갈수록 수위가 상승하는 것을 볼 수 있었으며, 반성천 지류 유입부에서 2~4% 수위상승을 나타냈다. 특히 외측으로 갈수록 커짐을 알 수 있었다.
- 만곡부 횡단에 대한 내측 및 외측의 수위를 3차원 결과와 분석한 결과, 외측의 수위가 평균수위에 비해 최대 2.13%정도 증가하는 것으로 분석되었으며, 내ㆍ외측 수위차는 최대 3.72% 정도 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서, 향후만곡부에 대한 제방 설계시 좌, 우안의 여유고를 일률적으로 적용하기 보다는 만곡에 따른 영향을 분석한 후 하천시설물의 안정성을 확보할 필요가 있다.
- 분석 구간에 대한 수위분포는 16.805 m~20.816 m로 분포하고 있었으며 수심 분포를 분석한 결과는 0.252~13.445 m의 범위를 보이고 있다. 만곡부를 가지는 자연하천에서는 제방 바깥쪽에 최심선이 형성되고 있음을 알 수 있으며, 최심 선을 따라 수심이 깊게 형성되고 있음을 알 수 있다.
- 분석 대상구간인 남강댐 하류지점의 소류력 산정결과는 와 같으며, 모의결과 하류단을 제외한 만곡 부분에서 소류력의 분포도는 0.000~21.35 kg/m2로 분석되었다.
- <그림 7>은 수리모형실험 실측값(Silva, 1995)과 본 연구의 3차원 모의 분석값을 비교한 것이다. 실측치와 계산치는 평균 유속을 비교하였으며 결정계수(R2)의 계산결과 A-A지점에서는 0.800, B-B 지점에서는 0.952, C-C 지점에서는 0.978로서 비교적 잘 일치 하였다.
- <그림 4>는 수리모형실험 실측값(Silva, 1995)과 본 연구의 2차원 모의 분석값을 비교한 것이다. 실측치와 계산치는 평균유속을 비교하였으며 결정계수(R2)의 계산결과 A-A지점에서는 0.870, B-B 지점에서는 0.920, C-C지점에서는 0.907로서 비교적 잘 일치 하였으나 약간의 오차가 발생하였다. 이는 계산치의 경우 수심적분에 의한 평균치를 고려한 결과이며 실측치의 경우 각 지점별 결과를 단순 평균한 값이기 때문인 것으로 판단된다.
- 유속분포는 0.0~5.267 m/sec로 분석되었으며 분석구간의 초기 구간과 반성천 합류점 바로 다음 지점에서 유속이 일시적으로 커지다가 두 번째 만곡 구간에서 단면 축소 등으로 유속 증가가 뚜렷하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표고별 유속분포를 분석한 결과, 만곡부에서 하상보다는 수표면으로 올라 갈수록 유속이 커지는 경향을 직선구간에서보다 뚜렷이 보이고 있었다.
- 6 cm의 분포를 보이며, 내측보다는 외측의 수심이 높았다. 유속은 0.014~0.252 m/s의 분포를 보였으며, 만곡부 정점 전 지점의 내측에서 유속이 가장 크며, 정점을 지나면서 최대 유속이 외측으로 이동함을 알 수 있다. 만곡정점(apex)에서 횡단유속이 다른 지점에 비하여 크지만 종단유속은 작은 것을 <그림 5>에서 확인할 수 있다.
- 그리고 1차원 모형을 통하여 산정된 홍수위와 정암 수위 관측소에서 관측된 수위를 비교하였다. 자동적으로 조도계수 값을 PEST 모형에서 변경하여 유량의 변화에 따른 최적의 조도계수를 찾았다 그리고 분석 결과를 정암관측소의 시수위와 비교하기 위하여 계산유량을 수위로 환산하였으며 최고수위를 1로 하여 다른 수위 값을 표준화 하였으며 실측치와 계산치의 비교결과가 선형에 가까웠다. 따라서 에위니아 사상시 발생한 해당유역의 최고수위에 해당하는 조도계수값을 선정할 수 있었다.
후속연구
- 4) 모의구간(남강댐 하류구간)에 대한 소류력 분석결과 현재 제방 허용소류력 (20~30 kg/m2 )이내이므로 제방 침식 등의 위험은 적을 것으로 판단되나, 하천 폭이 좁고 만곡이 심한 두 번째 만곡부에서는 상대적으로 소류력이 크게 발생함에 따라 이상강우에 대비하여 지속적인 관심을 가져야 할 것으로 사료된다.
- 그러나 곡률반경이 상대적으로 큰 만곡부에서는 횡단유속에 의한 영향이 종단유속보다 크므로 해석시 주의가 필요하다. 그리고 상대적으로 소류력이 크게 발생하는 6~8구간의 제방은 추후 가능최대강수량(PMP)과 같은 강우에 대비하여 지속적인 관리가 필요할 것으로 사료된다.
- 따라서, 향후 만곡부를 가진 하천에 대한 제방 안정성 평가 및 설계시 좌, 우안의 여유고를 일률적으로 적용하기보다 만곡부 흐름특성을 분석한 후 분석을 실시하여야 안정성 및 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 비교적 큰 사행 비를 가지는 실험하도의 실측결과를 토대로 2차원(CCHE2D) 및 3차원(FLOW-3D)모형의 분석값을 비교분석하여 적용성을 입증하고 실제하천(남강댐 하류)에 대하여 적용하였다. 이를 통하여 사행하천의 흐름특성(유속분포 및 최대유속경로, 수위 분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 보다 정확 하게 분석제시함으로써 하천 제방 안정성 평가에 필요한 만곡부의 수리적 특성 자료를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
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