점착성 제방사면의 구간별 소류력 산정식 제안 및 적용 A Suggestion of Formulae to Calculate Sectional Tractive Force on the Slope of Cohesive River Bank and its Application원문보기
호안은 제방을 보호하기 위하여 제방법면에 설치되는 구조물로써, 국내 외 설계기준에 의하여 호안을 설계할 때, 하상과 호안법면에서의 최대 소류력을 산정하여 제방 사면에 평균적인 개념으로 적용하고 있다. 제방 사면의 허용소류력을 산정하는 경우에는 비점착성 토사를 기준으로 사면의 흘러내림을 고려하지만, 본 연구에서는 0 < ${\Phi}$ < $90^{\circ}$ 의 경사를 갖는 점착성 제방 단면의 구간별 소류력 공식을 제안하였으며, 호안의 식생밀도와 공법 재료 변화에 따른 허용소류력을 산정하였다. 구간별 소류력을 산정하기 위하여 길이 20m, 폭 2m의 개수로를 설치하였고, 유량 조건을 변화하면서 수리모형실험을 수행하였다. 제방 사면의 구간별 허용소류력을 산정한 결과 호안 재료 변화에 따라서는 조도가 큰 공법의 허용소류력이 가장 크게 산정되었으며, 식생밀도에 의한 영향으로는 식생이 있는 경우 저항에 의하여 허용소류력이 증가되었지만, 밀도변화에 의하여는 큰 차이가 나타나지 않았다.
호안은 제방을 보호하기 위하여 제방법면에 설치되는 구조물로써, 국내 외 설계기준에 의하여 호안을 설계할 때, 하상과 호안법면에서의 최대 소류력을 산정하여 제방 사면에 평균적인 개념으로 적용하고 있다. 제방 사면의 허용소류력을 산정하는 경우에는 비점착성 토사를 기준으로 사면의 흘러내림을 고려하지만, 본 연구에서는 0 < ${\Phi}$ < $90^{\circ}$ 의 경사를 갖는 점착성 제방 단면의 구간별 소류력 공식을 제안하였으며, 호안의 식생밀도와 공법 재료 변화에 따른 허용소류력을 산정하였다. 구간별 소류력을 산정하기 위하여 길이 20m, 폭 2m의 개수로를 설치하였고, 유량 조건을 변화하면서 수리모형실험을 수행하였다. 제방 사면의 구간별 허용소류력을 산정한 결과 호안 재료 변화에 따라서는 조도가 큰 공법의 허용소류력이 가장 크게 산정되었으며, 식생밀도에 의한 영향으로는 식생이 있는 경우 저항에 의하여 허용소류력이 증가되었지만, 밀도변화에 의하여는 큰 차이가 나타나지 않았다.
The revetment is a installed structure on the slope of river bank to protect against flowing. Through the design standards of domestic and overseas, the maximum tractive force is calculated and applied to the average concept on the slope of river bank. In the case of calculating the method of permis...
The revetment is a installed structure on the slope of river bank to protect against flowing. Through the design standards of domestic and overseas, the maximum tractive force is calculated and applied to the average concept on the slope of river bank. In the case of calculating the method of permissible tractive force on the slope of river bank, there is a need to consider soil sliding. In this study, suggested the tractive force formulae by section of adhesion that have 0 < ${\Phi}$ < $90^{\circ}$ slope of river bank and installed an open channel of length of 20 m and 2 m wide for calculating permissible tractive force and hydraulic model experimented with changing discharge. According to the results, the calculated permissible tractive force of section on the slope is the largest due to the significant effects of surface roughness of different revetment materials. In addition, the permissible tractive force increased in the presence of vegetation but has no the effect by vegetation density.
The revetment is a installed structure on the slope of river bank to protect against flowing. Through the design standards of domestic and overseas, the maximum tractive force is calculated and applied to the average concept on the slope of river bank. In the case of calculating the method of permissible tractive force on the slope of river bank, there is a need to consider soil sliding. In this study, suggested the tractive force formulae by section of adhesion that have 0 < ${\Phi}$ < $90^{\circ}$ slope of river bank and installed an open channel of length of 20 m and 2 m wide for calculating permissible tractive force and hydraulic model experimented with changing discharge. According to the results, the calculated permissible tractive force of section on the slope is the largest due to the significant effects of surface roughness of different revetment materials. In addition, the permissible tractive force increased in the presence of vegetation but has no the effect by vegetation density.
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문제 정의
제방사면이 점성으로 구성된 경우에 대하여 단위평균 소류력은 Eq. (13)에 의하여 산정할 수 있으며, 본 연구에서는 제방사면의 정확한 소류력을 산정하기 위하여 구간별 소류력을 산정할 수 있는 공식을 제안하였다. 흐름의 단면을 구분하기 위하여 분할 단면은 가상의 벽으로 간주하였으며, 윤변의 길이는 제방사면에 대하여만 고려하였다.
따라서 본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 자연형 호안 공법들을 경사가 있는 제방사면에 적용하고, 호안의 식생 활착에 의한 밀도 변화 및 공법 재료가 변화함에 따라 제방 사면의 구간별 허용소류력의 크기가 어떻게 변화하는지 비교 검토하고자 한다.
하천에서의 제방사면에 작용하는 소류력은 동일한 유량조건에도 사면경사에 따라 소류력이 달라지며, 사면의 위치에 따라서도 다르게 나타나지만, 국내·외 설계기준에 의하면 허용소류력을 이용하여 하상과 호안법면에서의 최대소류력을 산정하고, 제방 사면에 평균적인 개념으로 산정치를 적용하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 제방사면에 구간별 소류력을 쉽게 산정할 수 있도록 점착성 제방 단면의 구간별 소류력 산정공식을 제안하였으며, 호안 공법의 재료 및 식생 밀도 등의 다양한 조건변화에 따라 호안에 미치는 구간별 허용소류력을 산정하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
하천 제방사면에 작용하는 소류력은 일반적으로 하상과 제방사면 사이에서 발생하는 최대 소류력을 제방 길이 전체에 적용하고 있기 때문에, 제방을 보호하기 위하여 설치되는 호안이 과다 설계될 우려가 있다. 호안의 경제적인 설계를 위하여는 제방사면에 작용하는 구간별 소류력을 각각 산정할 필요가 있으며, 본 연구에서는 하천 설계기준, 하천설계요령 등에서 제시하고 있는 동일한 값을 적용하는 개념에서 자연형 호안에 의하여 변화할 수 있는 식생의 활착에 의한 밀도 변화와 호안 재료에 따른 구간별 소류력을 검토하고자 한다.
제안 방법
8∼ 10에서 보는 바와 같이 소프트 백, 쏘일 블록, 나무방틀 공법을 적용하였다.
Lane (1952)의 USBR hydraulic Laboratory Report No. Hyd-352에서 제시하고 있는 제방사면이 1 : 2일 때, 수심폭비(B/H)가 2 : 1인 경우에 대하여 본 연구에서 산정된 구간별 소류력과 비교하였다. USBR에서는 제방사면에 대하여 10개의 지점으로 소류력을 산정한 결과를 제시하였고, Fig.
최대소류력이 발생하는 위치는 본 연구에서와 같이 유체의 단위중량에 의한 제방사면과의 전단응력의 크기를 고려하는 경우, 하상과 가장 가까운 지점에서의 소류력이 가장 크게 산정되어 진다. USBR에서 제시하고 있는 제방사면의 최대 소류력과 본 연구에서 제안하고 있는 공식으로 계산된 최대 소류력을 비교하여 제방사면의 구간별 소류력 공식의 적합성을 검토하였다.
1 m씩 20 개 구간에 대한 유속을 측정하였다. 데이터의 신뢰성을 위하여 포인트 게이지 및 유속계 거치대를 설치하여 일정 시간동안 측정한 결과를 여러 번에 걸쳐 평균하여 값을 도출하였다. 본 연구에서는 개수로 경사를 주어지지 않은 상태에서 유량의 변화와 하류 수위 변화에 의한 개수로내 유속 분포 및 소류력을 산정하였으며, 에너지 경사에 의한 개수로 경사를 산정하였다.
데이터의 신뢰성을 위하여 포인트 게이지 및 유속계 거치대를 설치하여 일정 시간동안 측정한 결과를 여러 번에 걸쳐 평균하여 값을 도출하였다. 본 연구에서는 개수로 경사를 주어지지 않은 상태에서 유량의 변화와 하류 수위 변화에 의한 개수로내 유속 분포 및 소류력을 산정하였으며, 에너지 경사에 의한 개수로 경사를 산정하였다.
본 연구에서는 개수로 흐름에서 유량이 일정하게 유하 하는 등류조건으로 구간별 소류력을 산정하였으며, 수표면에서는 전단응력이 0이고, 하상에서의 전단응력이 최대가 되는 것으로 산정식을 제안하였다.
(2003)은 수변식생의 밀도가 유효소류력에 미치는 영향을 검토하기 위하여 인공식생을 수로 바닥에 설치하고, 개수로 장치에 유효 소류력을 직접 측정할 수 있는 기기를 설치함으로써 마찰계수를 산정하여 관계식을 도출하였으며, 국내에서 유사하게 진행된 서영민 등(2006)은 Mattress/Filter를 대상으로 개수로 길이 15 m, 폭 1 m에 호안을 양측으로 설치한 후 실제 식생을 활착시켜 유효 소류력을 산정하였다. 본 연구에서는 식생조건에 대한 부분을 이용하여 구간별 소류력에 대한 영향을 분석하기 위하여 Table 9와 같이 식생간격과 수위에 의한 식생밀도를 산정하였으며, 식생이 없는 경우의 식생 밀도는 0이다. S는 식생간의 간격을 나타내며, 식생의 조도농도인 a는 Df/S2으로 계산하고, Df는 식생줄기의 직경을 나타낸다.
본 연구에서는 호안사면의 구간별 소류력이 호안의 재 료와 식생에 의하여 변화하는 특징을 검토하기 위하여 길이 20 m, 폭 2 m, 수로의 높이 1 m의 개수로 장치를 이용 하였으며, 총 60 m3의 저류공간을 이용하여 최대 0.4 m3/s 의 유량이 유하가 가능하도록 0.12～0.13 m3/s의 유량을 갖는 펌프 4대를 설치하였다. Fig.
수심에 대하여는 상·하류를 0.4 m 간격으로 측정하였 고, 유속의 경우에는 흐름의 안정화 구간을 고려하여 호안 설치 구간의 중앙부에서 유속을 측정하였으며, 수심에따른 변화를 검토하기 위하여 수심이 존재하는 구간에 대하여 수면으로부터 4 cm 떨어진 지점에서 2 cm 간격으로 유속을 측정하였고, 개수로 폭을 기준으로는 0.1 m씩 20 개 구간에 대한 유속을 측정하였다.
호안경사는 1 : 3으로 제작하였으며, 개수로 폭에 대하여는 1 m, 개수로 길이에 대하여는 10 m 구간을 설치하여 흐름이 안정화되어 흐를 수 있도록 하였다. 수위를 측정하기 위하여 0.01 mm 단위까지 측정이 가능한 포인트 게이지를 사용하여 개수로 바닥과 수면까지 측정하였으며, 유속을 측정하기 위하여는 3차원 유속계인 ADV-11000을 이용하여 수면에서 4 cm 떨어진 지점부터 2cm 간격으로 수로 바닥까지 측정 가능한 범위 내에서 실시하였다.
식생 밀도 변화에 따른 호안사면의 국부 소류력의 변화를 검토하기 위하여 Table 6과 같은 조건에서 실험을 수행하였으며, 식생이 없는 경우, 식생의 간격이 0.06 m, 0.12 m인 경우에 대하여 분석하였고, 유량을 0.1 m3/s, 0.2 m3/s, 0.3 m3/s로 변화하면서 실험을 수행하였다. 식생 밀도변화에 따른 에너지경사 및 수심을 산정하여 호안사면의 영향을 미치는 길이 Ps를 산정하여 Table 7에 나타내었다.
식생에 대한 영향을 판단하기 위하여 평균적으로 약 0.05 m 높이의 인공잔디를 식재하였으며, 전체적으로 식생간격을 0.06 m 및 0.12 m로 밀도를 동일하게 식재하여 식생에 의한 영향을 분석하였다. 또한, 제방사면에 설치된 호안재료 변화로 인한 영향을 분석하기 위하여 Figs.
유량을 일정하게 분배하기 위하여 고수조에 정류판을설치하여 흐름을 안정적으로 공급할 수 있도록 하였으며, 개수로에서 수위 및 유속의 측정이 용이하도록 전동장치를 설치하였고, 제방사면에 대한 영향을 검토하기 위하여 1 : 3의 경사를 합판과 아크릴을 이용하여 제작하였다. 호안경사는 1 : 3으로 제작하였으며, 개수로 폭에 대하여는 1 m, 개수로 길이에 대하여는 10 m 구간을 설치하여 흐름이 안정화되어 흐를 수 있도록 하였다.
제형단면을 가진 개수로에서 제방사면에 작용하는 소류력의 크기를 산정하기 위하여는 사면의 경사와 개수로 경사를 고려하여 물의 중량에 대한 분력을 계산하여야 하며, Fig. 1과 같이 제방사면에 작용하는 유체중량의 수직 방향성분을 사면의 직각인 성분과 수평한 성분으로 구분하였다. 또한, Fig.
첫째, 본 연구에서는 0 < Φ < 90°의 사면을 갖는 점착성 제방단면에서 등류 흐름에 대한 구간별 소류력 공식을 Eq.
호안 재료변화에 따른 호안 사면의 구간별 소류력의 변화를 검토하기 위하여 Table 3과 같이 호안 공법의 종류를 소프트백, 쏘일블록, 나무방틀로 구분하였으며, 유량을 0.1 m3/s, 0.2 m3/s, 0.3 m3/s의 변화를 주어 비교분석하였다.
유량을 일정하게 분배하기 위하여 고수조에 정류판을설치하여 흐름을 안정적으로 공급할 수 있도록 하였으며, 개수로에서 수위 및 유속의 측정이 용이하도록 전동장치를 설치하였고, 제방사면에 대한 영향을 검토하기 위하여 1 : 3의 경사를 합판과 아크릴을 이용하여 제작하였다. 호안경사는 1 : 3으로 제작하였으며, 개수로 폭에 대하여는 1 m, 개수로 길이에 대하여는 10 m 구간을 설치하여 흐름이 안정화되어 흐를 수 있도록 하였다. 수위를 측정하기 위하여 0.
대상 데이터
본 연구에서는 제방사면 구간 내 소류력을 산정하기 위하여 Fig. 11에서 보는 바와 같이 개수로 전체 20 m 구간 중에서 10 m 구간을 대상으로 호안 경사를 제작하였다.
성능/효과
Hyd-352에서 제시하고 있는 제방사면이 1 : 2일 때, 수심폭비(B/H)가 2 : 1인 경우에 대하여 본 연구에서 산정된 구간별 소류력과 비교하였다. USBR에서는 제방사면에 대하여 10개의 지점으로 소류력을 산정한 결과를 제시하였고, Fig. 5에서 보는바와 같이 본 연구에서 제안한 식으로 계산된 소류력은 하상과 가장 가까운 10번째 단면에서 크기가 가장 크게 나타났으며, 각 단면별로 선형 증가하는것으로 나타났지만, USBR은 하상으로부터 2번째 지점에서 가장 큰 값을 보이고, 포물선 형태를 나타내고 있다.
구간별 소류력을 산정하여 평균소류력으로 나누어준 값이 식생밀도에 의하여 변화하는 값을 Fig. 18에 나타내었으며, 식생 밀도에 의하여 호안과 하상이 만나는 지점에서의 소류력은 평균소류력의 1.75배 이상의 값을 갖고, 최대소류력과 평균소류력의 비는 식생밀도가 증가할수록 커지는 것으로 나타났다.
둘째, 제방사면의 구간별 소류력을 산정한 결과 제방사면과 하상이 만나는 지점에서의 소류력이 가장 크게 발생하였으며, 토사의 사면으로 흘러내림을 고려하지 않은 경우 하상과 가장 가까운 단면에서의 세굴이 가장 크게 나타났고, 구간별 유수에 의한 힘의 크기를 검토한 결과도 가장 크게 나타났다.
수리학적 안정성 측면에서의 의미로소프트백(FSCs)에 대한 실험이 이루어졌으며, Recio and Oumeraci (2007)는 소프트백(FSCs)으로 만들어진 해안구조물의 안정성 평가를 위하여 변형에 의한 영향을 분석하기 위하여 모형실험을 수행하였다. 모래주머니에 파랑에 의한 힘, 주머니 안 모래의 내부 모멘트, 변형을 이해할 수 있는 근본적인 과정과 모래주머니의 이송을 통하여 FSCs의 안정성 양상을 보여주었다.
9로 나타났다. 본 연구결과는 유수에 의한 제방사면과의 전단력에 의하여 계산된 결과로 수위의 크기에 따라 전단응력이 증가하는 경향을 보이게 되어 가장 큰 소류력이 발생하는 구간은 호안과 하상이 만나는 지점에서 나타났다.
셋째, 제방 사면의 구간별 허용소류력을 산정한 결과 호안 재료 변화에 따라서는 조도가 큰 공법의 허용소류력이 가장 크게 산정되었으며, 식생밀도에 의한 영향으로는 식생이 있는 경우 저항에 의하여 허용소류력이 증가되었고 밀도변화에 의하여는 큰 차이가 나타나지 않았다.
8에서 나타났다. 유량이 커질수록 평균소류력이 나타나는 지점의 위치가 상부로 이동하는 것으로 나타났으며, 유량이 증가함에 따라 평균소류력으로 설계하는 것에 비하여 과다 설계되는 부분이 증가하는 것으로 판단된다.
후속연구
넷째, 국내·외 설계기준에 의한 호안 설계시 주로 제방사면에 작용하는 소류력을 산정하기 위하여 하상평균 소류력에 대하여 일정한 계수를 곱하여 최대값을 제방 전단면에 평균개념으로 적용하는 허용소류력법에 의하여 호안을 설계하고 있지만, 제방 사면의 작용하는 소류력의 크기는 수표면과 하상부근에서의 크기가 다르기 때문에 이를 달리 적용하여 호안 공법 적용시 경제적이고 하천특성에 맞는 다양한 공법이 개발될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 점성으로 이루어진 호안이나 자연형 호안 공법이 적용된 구간에 대하여 구간별 소류력을 쉽게 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 앞으로 진행될 하천공사 시 치수적인 관점에서 호안의 안정성을 기대할 수 있고, 경제적인 설계를 통한 다양한 하천 호안을 창출할 수 있을것으로 기대된다. 향후 본 연구에서 다루지 못한 식생의 종류 및 크기 등에 대한 영향과 제방사면에서의 하상으로의 유사 이동을 고려한 연구가 병행되어야 할 것이다.
본 연구를 통하여 점성으로 이루어진 호안이나 자연형 호안 공법이 적용된 구간에 대하여 구간별 소류력을 쉽게 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 앞으로 진행될 하천공사 시 치수적인 관점에서 호안의 안정성을 기대할 수 있고, 경제적인 설계를 통한 다양한 하천 호안을 창출할 수 있을것으로 기대된다. 향후 본 연구에서 다루지 못한 식생의 종류 및 크기 등에 대한 영향과 제방사면에서의 하상으로의 유사 이동을 고려한 연구가 병행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
호안의 경제적인 설계하기 위해 무엇이 필요한가?
하천 제방사면에 작용하는 소류력은 일반적으로 하상과 제방사면 사이에서 발생하는 최대 소류력을 제방 길이 전체에 적용하고 있기 때문에, 제방을 보호하기 위하여 설치되는 호안이 과다 설계될 우려가 있다. 호안의 경제적인 설계를 위하여는 제방사면에 작용하는 구간별 소류력을 각각 산정할 필요가 있으며, 본 연구에서는 하천 설계기준, 하천설계요령 등에서 제시하고 있는 동일한 값을 적용하는 개념에서 자연형 호안에 의하여 변화할수 있는 식생의 활착에 의한 밀도 변화와 호안 재료에 따른 구간별 소류력을 검토하고자 한다.
본 연구의 호안사면에서의 구간 소류력에서 평균소류력 값은?
2 m3/s에서도 유사한 특징을 나타내고 있으며, 유량의 증가율에 비하여 소류력의 증가율이 약 3배 이상 나타나는 특징을 갖고 있다. 호안 사면에서의 평균소류력 값은 0.166∼0.207 kgf/m2로 산정되었으며, 평균 소류력 이상인 구간은 P0.7∼P1.
호안이 과다 설계될 우려가 있는 이유는?
하천 제방사면에 작용하는 소류력은 일반적으로 하상과 제방사면 사이에서 발생하는 최대 소류력을 제방 길이 전체에 적용하고 있기 때문에, 제방을 보호하기 위하여 설치되는 호안이 과다 설계될 우려가 있다. 호안의 경제적인 설계를 위하여는 제방사면에 작용하는 구간별 소류력을 각각 산정할 필요가 있으며, 본 연구에서는 하천 설계기준, 하천설계요령 등에서 제시하고 있는 동일한 값을 적용하는 개념에서 자연형 호안에 의하여 변화할수 있는 식생의 활착에 의한 밀도 변화와 호안 재료에 따른 구간별 소류력을 검토하고자 한다.
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