본 연구의 목적은 국내 하천 복원의 자연친화적인 설계를 위한 무독성 호안공법의 수리적 안정성을 검토하는 것이다. 최근 들어 공학적 효율 위주의 치수 기능만을 위한 하천관리 정책에서 벗어나 하천의 환경적 기능의 개선을 위한 생태하천 복원사업이 이루어지고 있다. 그러나 신규 호안공법에 대한 부적절한 수리학적 설계기준이 자주 홍수기 경제적 손실을 유발하고 있다. 사석 및 블록의 안정성에 관한 연구는 크게 하천에서 제방, 하상보호, 세굴방지 등의 목적과 바다에서 호안 또는 방조제의 축조에 따라 투하하는 사석의 안정성에 기초를 둔 연구가 대부분이며 경험식으로 이루어져 있다. 본 연구에서는 최고 유속 3.5 m/s인 고속수로를 제작하여 수리실험을 수행하였으며, 무독성 접착제를 이용한 블록공법에 대한 다양한 조건의 수리실험을 통해서 수리적 안정성을 위한 호안블록의 한계유속을 구하였다.
본 연구의 목적은 국내 하천 복원의 자연친화적인 설계를 위한 무독성 호안공법의 수리적 안정성을 검토하는 것이다. 최근 들어 공학적 효율 위주의 치수 기능만을 위한 하천관리 정책에서 벗어나 하천의 환경적 기능의 개선을 위한 생태하천 복원사업이 이루어지고 있다. 그러나 신규 호안공법에 대한 부적절한 수리학적 설계기준이 자주 홍수기 경제적 손실을 유발하고 있다. 사석 및 블록의 안정성에 관한 연구는 크게 하천에서 제방, 하상보호, 세굴방지 등의 목적과 바다에서 호안 또는 방조제의 축조에 따라 투하하는 사석의 안정성에 기초를 둔 연구가 대부분이며 경험식으로 이루어져 있다. 본 연구에서는 최고 유속 3.5 m/s인 고속수로를 제작하여 수리실험을 수행하였으며, 무독성 접착제를 이용한 블록공법에 대한 다양한 조건의 수리실험을 통해서 수리적 안정성을 위한 호안블록의 한계유속을 구하였다.
The purpose of this study is to examine the hydraulic stability of non-toxic revetment technique for eco-friendly design of the domestic river restoration. Recently, instead of the flood control function-oriented river management policy for the engineering efficiency, the improvement of the environm...
The purpose of this study is to examine the hydraulic stability of non-toxic revetment technique for eco-friendly design of the domestic river restoration. Recently, instead of the flood control function-oriented river management policy for the engineering efficiency, the improvement of the environmental performance for the ecological river restoration project is implemented. However, the inappropriate hydraulic design criteria of the new revetment technique happen to the economic losses at flood season frequently. The hydraulic stability of the riprap and the block include the banks of rivers, riverbed protection, scour protection and so on. In this study, the high speed experimental channel was developed, which has the maximum velocity of 3.5 m/s, to perform the hydraulic experiments of the block method with non-toxic glue with various conditions to find the critical velocity of the revetment block for the hydraulic stability.
The purpose of this study is to examine the hydraulic stability of non-toxic revetment technique for eco-friendly design of the domestic river restoration. Recently, instead of the flood control function-oriented river management policy for the engineering efficiency, the improvement of the environmental performance for the ecological river restoration project is implemented. However, the inappropriate hydraulic design criteria of the new revetment technique happen to the economic losses at flood season frequently. The hydraulic stability of the riprap and the block include the banks of rivers, riverbed protection, scour protection and so on. In this study, the high speed experimental channel was developed, which has the maximum velocity of 3.5 m/s, to perform the hydraulic experiments of the block method with non-toxic glue with various conditions to find the critical velocity of the revetment block for the hydraulic stability.
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문제 정의
본 연구에서는 고속수로를 개발하여 호안블록에 대한 한계유속 실험을 수행하였다. 생태하천 무독성 호안블록의 수리적 안정성 평가에 적용할 수 있는 기존의 경험식을 검토하였고, 실험결과의 통계적 분석을 통하여 실제 하천에서 적용 가능한 신규 공법의 수리적 안정성에 관한 경험식을 제시하였다.
최근 하천계획을 수립함에 있어서 친환경적인 공법을 적용하기 위한 제도적 기틀이 마련되었고 여러 가지 신규 공법들이 계획 및 시공되고 있지만 종합적인 자료와 축적된 기술의 부족으로 어려움을 겪고 있으며, 기술적인 검토를 거치지 않고 시공된 블록 및 공법으로 인해 홍수로 인한 피해가 빈번히 발생하고 있다. 본연구에서는 고속수로를 개발하여 신규 무독성 호안공법에 대한 수리실험을 통하여 현장의 적용성을 위한 한계유속 실험을 하여 이론적인 토대를 제시하고자 하였다.
(7)∼ (8) 참조). 이 공식은 접근유속과 공사에 사용된 재료의 상대밀도의 함수로 구성되어 있으며, 수중에서 안착된 모래주머니의 중량이 흐름에 충분히 견딜 수 있도록 하기 위한 설계식이다. 이 공식은 접근유속계수 α가 주된 변수이며, 사석의 공칭직경 및 중량을 계산 할 때 이용되는 식이다(Choi and Park, 2011).
가설 설정
5, Maynord V3)과 비교하였다. 다른 공식과 본 연구에서 개발된 공식에 사용한 사석의 비중은 화강암의 비중인 2.75로 가정하여 계산하였다. 본 연구에서 개발한 회귀분석 식에 쓰인 비중은 13 mm 사석으로 만든 블록으로 가정하였으며, 사석의 비중 2.
75로 가정하여 계산하였다. 본 연구에서 개발한 회귀분석 식에 쓰인 비중은 13 mm 사석으로 만든 블록으로 가정하였으며, 사석의 비중 2.75에 블록의 비중 2.45를 나누어 계산하였다. Fig.
제안 방법
(1) 최고 유속이 3.5 m/s인 고속수로에서 한계유속 실험을 하였으며, 작은 유속에서 한계유속을 측정하였던 단점을 보완하여 고유속에서의 실험을 통하여 한계유속을 측정하였다.
블록을 만들 때 사용한 사석의 직경은 5 mm, 13 mm, 20 mm로 무독성 접착제를 이용하여 제작하였으며, 다공성의 형태를 가지게 된다. 3가지 타입의 블록을 이용하여 각각 10가지의 크기를 만들어 30개의 블록을 제작하였으며, 13 mm 사석을 이용하여 블록 높이에 따른 한계유속을 측정하기 위하여 높이 7 cm와 9 cm로 20개의 블록을 추가적으로 제작하여 총 50개의 블록으로 실험을 수행하였다. Table 1은 실험조건을 나타낸 것으로 블록의 크기, 블록을 만들 때 사용한 사석의 크기, 블록의 높이의 조건으로 총 50개의 블록을 이용하여 실험을 수행하였다.
고속수로 수리실험을 통하여 사석의 평균입경에 따른 호안블록의 한계유속을 측정하였다. Fig 10은 각각 평균입경 5 mm, 13 mm, 20 mm 사석으로 만들어진 호안블록의 실험결과를 나타낸 것으로 5 mm 사석의 최대크기(27 cm × 27 cm)의 호안블록의 한계유속은 2.
본 연구에서 개발된 공식을 검토하기 위하여 기존에 나온 한계유속공식(CDH, Neill, Isbash 0.86, Isbash 1.4, ASCE, Maynord V2.5, Maynord V3)과 비교하였다. 다른 공식과 본 연구에서 개발된 공식에 사용한 사석의 비중은 화강암의 비중인 2.
고 유속에서 유속을 측정하기위해 현장용 프로펠러 유속계를 이용하였다. 본연구에서는 호안블록의 한계유속을 구하기 위해 수로의 경사를 주지 않고 수평 상태에서 실험을 수행하였다.
9는 블록을 제작할 때 사용한 사석과 블록상태일 때 비중을 측정한 결과이다. 블록의 비중은 크기별로 10번의 측정 후 평균을 구하였다. 5 mm 사석의 비중은 2.
공칭직경은 Isbash(1935)에서 제시한 블록과 동일한 부피를 갖는 구의 직경(Ds)과 공칭직경(Dn)의 관계식을 이용하였으며, Eq (13)과 같다. 사석의 비중과 블록의 비중을 이용 하여 블록의 공극 특성을 나타내고자 하였으며, 이를 통하여 한계 유속을 구함으로 일정한 크기의 하천 유속을 견딜 수 있는 호안블록의 공칭직경을 구할 수 있도록 하였다. Fig.
본 연구에서는 고속수로를 개발하여 호안블록에 대한 한계유속 실험을 수행하였다. 생태하천 무독성 호안블록의 수리적 안정성 평가에 적용할 수 있는 기존의 경험식을 검토하였고, 실험결과의 통계적 분석을 통하여 실제 하천에서 적용 가능한 신규 공법의 수리적 안정성에 관한 경험식을 제시하였다.
8 m/s까지 구현이 가능하다. 수로의 유입부에 부착된 5개의 호스를 대형 펌프에 연결하였으며, 각 호스 연결부에 부착된 5개의 밸브를 통하여 유량을 조절하였다. 수문을 통하여 수심과 유속을 조절하였으며, 고 유속에서 난류발생을 최대한 방지 하기 위하여 수문에 고무패킹 및 고정 장치를 설치하였다.
수로의 유입부에 부착된 5개의 호스를 대형 펌프에 연결하였으며, 각 호스 연결부에 부착된 5개의 밸브를 통하여 유량을 조절하였다. 수문을 통하여 수심과 유속을 조절하였으며, 고 유속에서 난류발생을 최대한 방지 하기 위하여 수문에 고무패킹 및 고정 장치를 설치하였다. 안정화를 위해서 수로의 4 m 지점에 블록을 설치하여 실험을 실시하였다.
수문을 통하여 수심과 유속을 조절하였으며, 고 유속에서 난류발생을 최대한 방지 하기 위하여 수문에 고무패킹 및 고정 장치를 설치하였다. 안정화를 위해서 수로의 4 m 지점에 블록을 설치하여 실험을 실시하였다. 유속조절로 인하여 블록이 움직이기 시작할 때 밸브 조절을 멈추고 블록을 수로에서 제거한 후에 유속을 측정하였다.
안정화를 위해서 수로의 4 m 지점에 블록을 설치하여 실험을 실시하였다. 유속조절로 인하여 블록이 움직이기 시작할 때 밸브 조절을 멈추고 블록을 수로에서 제거한 후에 유속을 측정하였다. 고 유속에서 유속을 측정하기위해 현장용 프로펠러 유속계를 이용하였다.
(12)와 같은 새로운 형태의 공식을 유도하였다. 차원해석에서는 직육면체의 블록을 구형으로 가정한 것을 보정하기 위한 공칭직경을 사용하였다. 공칭직경은 Isbash(1935)에서 제시한 블록과 동일한 부피를 갖는 구의 직경(Ds)과 공칭직경(Dn)의 관계식을 이용하였으며, Eq (13)과 같다.
대상 데이터
13 mm 사석을 사용한 호안블록의 높이별로 한계유속을 측정하 였다. 호안블록의 높이를 각각 5 cm, 7 cm, 9 cm로 제작하였다.
Fig. 2는 본 연구에서 사용한 고속수로의 제원을 나타낸 것으로총 길이 6 m, 수로구간 5 m로서, 수로의 폭과 높이는 각각 0.3 m이다. 최대유속은 경사를 주었을 때 3.
3가지 타입의 블록을 이용하여 각각 10가지의 크기를 만들어 30개의 블록을 제작하였으며, 13 mm 사석을 이용하여 블록 높이에 따른 한계유속을 측정하기 위하여 높이 7 cm와 9 cm로 20개의 블록을 추가적으로 제작하여 총 50개의 블록으로 실험을 수행하였다. Table 1은 실험조건을 나타낸 것으로 블록의 크기, 블록을 만들 때 사용한 사석의 크기, 블록의 높이의 조건으로 총 50개의 블록을 이용하여 실험을 수행하였다.
호안블록을 만들 때 사용한 무독성 접착제는 파자마 열매에서추출한 식물성 폴리우레탄으로 자연생태계에 악영향이나 토양과 물을 오염시키지 않는다. 블록을 만들 때 사용한 사석의 직경은 5 mm, 13 mm, 20 mm로 무독성 접착제를 이용하여 제작하였으며, 다공성의 형태를 가지게 된다. 3가지 타입의 블록을 이용하여 각각 10가지의 크기를 만들어 30개의 블록을 제작하였으며, 13 mm 사석을 이용하여 블록 높이에 따른 한계유속을 측정하기 위하여 높이 7 cm와 9 cm로 20개의 블록을 추가적으로 제작하여 총 50개의 블록으로 실험을 수행하였다.
13 mm 사석을 사용한 호안블록의 높이별로 한계유속을 측정하 였다. 호안블록의 높이를 각각 5 cm, 7 cm, 9 cm로 제작하였다. 호안블록은 최소 9 cm × 9 cm에서 최대 27 cm × 27 cm로 제작하였으며, Fig 11은 호안블록의 높이별로 각 블록의 공칭직경에 따른 한계유속을 나타낸 것이다.
데이터처리
(4) 실험결과를 회귀분석하여 신규 공식을 유도하였으며, 공칭직경에 따른 한계유속의 범위를 제시하였다. 무독성 소재를 이용한 호안블록의 안정성을 평가하기 위해서 추후 연구에서는 소류력 측정기기를 개발하고, 이를 이용하여 한계소류력을 측정할 예정이다.
본 연구에서는 사석과 호안블록의 특성에 관하여 차원해석을 실시하고, 호안블록의 한계유속에 대한 선형 회귀분석을 수행하여 Eq. (12)와 같은 새로운 형태의 공식을 유도하였다.
이론/모형
차원해석에서는 직육면체의 블록을 구형으로 가정한 것을 보정하기 위한 공칭직경을 사용하였다. 공칭직경은 Isbash(1935)에서 제시한 블록과 동일한 부피를 갖는 구의 직경(Ds)과 공칭직경(Dn)의 관계식을 이용하였으며, Eq (13)과 같다. 사석의 비중과 블록의 비중을 이용 하여 블록의 공극 특성을 나타내고자 하였으며, 이를 통하여 한계 유속을 구함으로 일정한 크기의 하천 유속을 견딜 수 있는 호안블록의 공칭직경을 구할 수 있도록 하였다.
성능/효과
(2) 블록을 만들 때 쓰이는 사석크기로 인한 한계유속을 측정하였으며, 사석크기가 클수록 한계유속이 커지는 것을 알 수 있었으며, 블록의 높이가 커질수록 한계유속이 높은 것을 알 수 있었다. 직경이 커질수록 한계유속이 커졌으며, 사석크기가 클 경우 블록의 비중이 크기 때문에 한계유속이 큰 것으로 판단된다.
(3) 회귀분석을 이용하여 신규 한계유속공식을 유도하였으며, Isbash 공식과 비교하였을 경우 한계유속의 결과가 비슷한경향을 띄는 것을 알 수 있었으며, 본 연구에서 수행한 고속수로를 수리실험이 신뢰성이 있는 것을 확인할 수 있었다.
블록 높이에 따른 한계유속을 보면 최소크기(9 cm × 9 cm)의 호안블록에서는 블록의 높이가 클수록 한계유속이 작게 나타났다.
Table 2는 실험조건에 따른 결과를 나타낸 것으로 블록을 만들때 사용한 사석의 크기가 클수록 블록의 한계유속이 커졌으며, 한계소류력도 커지는 것을 확인할 수 있다. 블록을 제작할 때 사용하는 사석의 크기가 클수록 블록의 비중은 증가하여 한계유속이커지는 것으로 판단된다. 블록과 일반사석을 같은 크기로 비교하면 블록의 공극 때문에 비중이 작아 한계유속은 낮을 것으로 판단된다.
비교한 결과 Isbash 공식의 y' 계수 0.86범위의 유속과 비슷한 결과를 나타났으며, 다른 공식들과 비교하였을 때 그 범위 안에 포함되며, 어느 정도 타당성이 있다고 판단된다.
하지만 최대크기(27 cm × 27 cm)의호안블록에서는 높이가 큰 블록의 한계유속이 더 높았다. 즉 블록의 공칭직경이 작을 때에는 유수단면적에 의한 항력에 지배를 받았지만 공칙직경이 커질수록 사석의 중량에 의하여 한계유속이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
(4) 실험결과를 회귀분석하여 신규 공식을 유도하였으며, 공칭직경에 따른 한계유속의 범위를 제시하였다. 무독성 소재를 이용한 호안블록의 안정성을 평가하기 위해서 추후 연구에서는 소류력 측정기기를 개발하고, 이를 이용하여 한계소류력을 측정할 예정이다.
국내에서 하천호안 설계할 때 사석에 대한 한계유속 및 소류력을 평가되고 있지만, 다양한 친환경 호안 블록 제품의 수리 특성이 제시되지 않은 상태이다. 본 연구를 통하여 블록의 수리 특성의 겸험식을 제공하며, 하천 설계에 유용하게 활용되었으면 한다. 본 연구에서 사용한 수로보다 크게 제작하여 소류력 측정기기를 이용하여 호안 블록의 소류력을 측정할 계획이며, 안동 하천실험센터에서 원형실험을 수행할 계획이다.
본 연구를 통하여 블록의 수리 특성의 겸험식을 제공하며, 하천 설계에 유용하게 활용되었으면 한다. 본 연구에서 사용한 수로보다 크게 제작하여 소류력 측정기기를 이용하여 호안 블록의 소류력을 측정할 계획이며, 안동 하천실험센터에서 원형실험을 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 제품에 의한 호안공법의 문제점은?
과거보다 하천 환경을 중요시하면서 친환경적인 둔치 조성과 저수로 복원이 진행되고 있으나, 하천의 제방을 포함한 하천경사면 및 주요 구조물 주변에 여전히 다수의 콘크리트 제품을 사용하고 있다. 콘크리트 제품에 의한 호안공법은 획일화된 형태로 인해 친수공간으로서의 하천경관 특성을 잘 반영하지 못하고 있다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 사석, 목재, 식생 등의 다양한 재료를 이용한 생태호안공법을 개발하여 시공하고 있으나, 수리적 안정성에 대해 정량적인 평가가 이루어지지 못 하고 있다(Choi, 2001).
호안블록의 한계유속은 블록을 만들 때 사용한 사석의 크기와 블록의 높이에 따라 어떻게 달라졌는가?
(2) 블록을 만들 때 쓰이는 사석크기로 인한 한계유속을 측정하였으며, 사석크기가 클수록 한계유속이 커지는 것을 알 수 있었으며, 블록의 높이가 커질수록 한계유속이 높은 것을 알 수 있었다. 직경이 커질수록 한계유속이 커졌으며, 사석크기가 클 경우 블록의 비중이 크기 때문에 한계유속이 큰 것으로 판단된다.
현재 호안공법 적용의 실정은?
이와 같은 문제점을 보완하기 위해 사석, 목재, 식생 등의 다양한 재료를 이용한 생태호안공법을 개발하여 시공하고 있으나, 수리적 안정성에 대해 정량적인 평가가 이루어지지 못 하고 있다(Choi, 2001). 호안공법의 적용에 대한 객관적이고 구체적인 선정기준이 없어 설계자의 주관적인 판단에 의해 공법이 결정되고 있으며, 소류력 검토를 통해 공법을 결정하고 있으나 수충부, 비수충부 등 구간별 적용 방법 등에 대한 구체적인 설계기법의 개발이 미흡한 실정이다(Hwang et al., 2008).
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