보 유출형태에 따른 하류부 도수 및 비에너지 손실에 관한 비교 연구 A Comparative Study on Hydraulic Jump and Specific Energy Losses at Downstream According to the Weir Discharge Types원문보기
기존까지 건설된 보는 대부분 보의 상단으로 월류하는 월류형 보가 주종을 이루고 있다. 월류형 보의 경우 수자원의 관리의 효과와 지금까지의 많은 연구로 인한 설계, 시공 및 유지관리 방법 등이 용이 하다는 장점이 있다. 하지만 월류형 보의 특성상 보 상단부를 통해 물이 월류되는 방식이기 때문에 상류부로부터 유입된 유사가 보 하류로 배출되지 못하고, 하상이 높아지면서 저수용량이 감소되어 점차 보의 기능을 상실하게 된다. 이와 같은 토사 퇴적 및 보의 유지관리 문제를 해결하기 위해 수문을 가진 하단방류형 보가 건설되기 시작하였다. 하지만 최근 건설된 하단방류형 보의 설계상의 문제점으로 인하여 보 하류부의 하상이 세굴되고, 세굴된 하상 때문에 구조적인 문제점이 발생되고 있다. 본 연구에서는 보의 효과적인 설계 및 운영방법을 위해 월류형 보와 하단방류형 보의 흐름의 특성, 하류부 수위 변화에 따른 도수길이분석, 보 형태에 따라 단위거리당 발생되는 비에너지 손실량을 비교 및 분석하였다. 실험분석 결과 하단방류형 보와 월류형보의 상류 조건을 동일하게 유지 시 하단방류형 보에서 도수의 길이가 Fr 값(Froude number) 3.5에서 최대 2배 길게 나타났으며, 하류 수위가 증가 할수록 도수의 길이는 점차 감소하게 되었다. 단위 거리당 발생되는 비에너지 손실량 비교 분석 결과 단위 거리당 에너지 손실량이 하단방류형 보에 비해 월류형 보가 약 2배 높게 나타나는 것으로 판단되었다. 따라서 하단방류형 시설의 경우 수공 구조물의 안전을 위해 별도의 에너지 감세시설을 별도로 검토하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
기존까지 건설된 보는 대부분 보의 상단으로 월류하는 월류형 보가 주종을 이루고 있다. 월류형 보의 경우 수자원의 관리의 효과와 지금까지의 많은 연구로 인한 설계, 시공 및 유지관리 방법 등이 용이 하다는 장점이 있다. 하지만 월류형 보의 특성상 보 상단부를 통해 물이 월류되는 방식이기 때문에 상류부로부터 유입된 유사가 보 하류로 배출되지 못하고, 하상이 높아지면서 저수용량이 감소되어 점차 보의 기능을 상실하게 된다. 이와 같은 토사 퇴적 및 보의 유지관리 문제를 해결하기 위해 수문을 가진 하단방류형 보가 건설되기 시작하였다. 하지만 최근 건설된 하단방류형 보의 설계상의 문제점으로 인하여 보 하류부의 하상이 세굴되고, 세굴된 하상 때문에 구조적인 문제점이 발생되고 있다. 본 연구에서는 보의 효과적인 설계 및 운영방법을 위해 월류형 보와 하단방류형 보의 흐름의 특성, 하류부 수위 변화에 따른 도수길이분석, 보 형태에 따라 단위거리당 발생되는 비에너지 손실량을 비교 및 분석하였다. 실험분석 결과 하단방류형 보와 월류형보의 상류 조건을 동일하게 유지 시 하단방류형 보에서 도수의 길이가 Fr 값(Froude number) 3.5에서 최대 2배 길게 나타났으며, 하류 수위가 증가 할수록 도수의 길이는 점차 감소하게 되었다. 단위 거리당 발생되는 비에너지 손실량 비교 분석 결과 단위 거리당 에너지 손실량이 하단방류형 보에 비해 월류형 보가 약 2배 높게 나타나는 것으로 판단되었다. 따라서 하단방류형 시설의 경우 수공 구조물의 안전을 위해 별도의 에너지 감세시설을 별도로 검토하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
The weirs built so far are mainly overflow type weirs overflowing to the upstream. Main advantages of overflow type weirs are, effective water resources management and easy design, construction and maintenance due to many accumulated studies. However, due to the special feature of the overflow type ...
The weirs built so far are mainly overflow type weirs overflowing to the upstream. Main advantages of overflow type weirs are, effective water resources management and easy design, construction and maintenance due to many accumulated studies. However, due to the special feature of the overflow type weir where water overflows through the upstream of the weir, the silt coming from the upstream is not discharged to the downstream of the weir. This increases the river bed and reduces the reservoir capacity, and as a result, the weir loses its function. A underflow type weir with a water gate has been implemented in order to solve such sediment deposit and weir maintenance problems. However due to the design problem of recently constructed underflow type weirs, the river bed of the downstream of a weir has been scoured. And this leds to a structural problem. In this study, the flow characteristics of overflow type weirs and underflow type weir, hydraulic jump length analysis depending on change of water depth and the amount of specific energy loss generated per unit length depending on a weir type have been compared and analyzed, for the effective design and management of the weirs. The experiment results show that, when identical upstream conditions of underflow type weir and an overflow type weir were maintained, the hydraulic jump length was up to twice longer with Fr(Froude number) 3.5 of the hydraulic jump length at the underflow type weir, and the hydraulic jump length gradually decreased as the downstream water depth increased. The comparative analysis result of the amount of specific energy loss generated per unit length showed that the amount of energy loss per unit length was twice higher for an overlfow type weir than a underflow type weir. Therefore, in case of a underflow type facility, an additional energy reduction facility is determined to be necessary for safety of water construction structures.
The weirs built so far are mainly overflow type weirs overflowing to the upstream. Main advantages of overflow type weirs are, effective water resources management and easy design, construction and maintenance due to many accumulated studies. However, due to the special feature of the overflow type weir where water overflows through the upstream of the weir, the silt coming from the upstream is not discharged to the downstream of the weir. This increases the river bed and reduces the reservoir capacity, and as a result, the weir loses its function. A underflow type weir with a water gate has been implemented in order to solve such sediment deposit and weir maintenance problems. However due to the design problem of recently constructed underflow type weirs, the river bed of the downstream of a weir has been scoured. And this leds to a structural problem. In this study, the flow characteristics of overflow type weirs and underflow type weir, hydraulic jump length analysis depending on change of water depth and the amount of specific energy loss generated per unit length depending on a weir type have been compared and analyzed, for the effective design and management of the weirs. The experiment results show that, when identical upstream conditions of underflow type weir and an overflow type weir were maintained, the hydraulic jump length was up to twice longer with Fr(Froude number) 3.5 of the hydraulic jump length at the underflow type weir, and the hydraulic jump length gradually decreased as the downstream water depth increased. The comparative analysis result of the amount of specific energy loss generated per unit length showed that the amount of energy loss per unit length was twice higher for an overlfow type weir than a underflow type weir. Therefore, in case of a underflow type facility, an additional energy reduction facility is determined to be necessary for safety of water construction structures.
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문제 정의
기존의 월류형과는 하류부의 흐름특성이 상이하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 보의 방류형식에 따른 보의 하류부 흐름 변화에 대한 비교 실험을 통하여 보 직하류부의 사류구간 및 도수현상을 흐름을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 기존의 월류형 보의 단점을 보완하기 위해 설계된 하단방류형 보의 문제점 및 설계 방안을 수리학적 연구를 통해 제시하고자 하였으며, 하단방류형 보와 월류형 보의 상류부 조건과 하류부 관리수위에 따른 흐름분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
제안 방법
보의 상․하류의 모든 지점은 총 72지점으로 유속측정은 수면에서 60% 지점을 측정하는 1점법으로 모든 지점에 대해 측정을 실시하였다. 각 단면에서의 측정은 유속의 경우 10초 동안의 유속평균값을 측정하였으며, 수위의 경우 수압계와 포인트 게이지를 사용하여 측정하였다.
052 m3/s/m로 실험을 실시하였고, 하류 경계조건은 월류형 보 높이의 0∼20 % 높이를 가진 단을 설치하여 하류 높이에 변화를 주었다. 각 조건에 따라 선정한 측정지점에서 수위와 유속을 측정 하였다. Table 2는 보의 형식과 하류부 관리수위에 따른 보 하류부 흐름분석을 위한 실험조건을 나타낸다.
유량유입수조에는 유량을 측정하기 위한 삼각위어가 설치되어 있다. 개수로의 유량을 검증하기 위하여 유량 변화에 따른 개수로의 수위 및 유속을 측정하고 유량조 절조 내에 설치된 삼각위어를 통과하는 월류 수위를 측정하여 유량검증을 실시하였다. 위어의 월류 높이에 따른 유량을 측정하여 수위-유량곡선을 작성하였다.
다음은 에너지 손실량(ΔE)에 도수발생 길이로 나누어 단위 거리당 에너지 손실량(ΔE/L)을 측정하였다.
단위유량의 조건은 0.036, 0.044, 0.052 m3/s/m로 실험을 실시하였고, 하류 경계조건은 월류형 보 높이의 0∼20 % 높이를 가진 단을 설치하여 하류 높이에 변화를 주었다.
10 및 Table 6은 단위유량(m3/s/m)과 하류 경계조건에 따른 도수 발생거리를 나타낸 그림과 표이다. 도수의 발생 크기는 도수 발생거리(L)를 사류구 간의 수위(h1)으로 나누어(L/h1) 도수의 발생 크기를 일반화 시켰다.
도수현상을 분석하기 위하여 수리실험을 실시하였다. 수리실험에 사용된 실험 장치는 수로와 유량공급부로 구분할 수 있다.
두 가지 형식 보의 상류수위를 동일하게 설정하여 측정하기 위해 고정보 실험에서 나타난 수위를 하단방류형 가동보에도 동일하게 적용하기 위해 하단방류형 보의 수문의 높이를 조절하여 동일한 상류수위를 확보 할수 있도록 하였다. 각 유량에 따른 상류 수위를 동일하게 확보하기 위한 하단방류형 보의 개도 높이는 Table 3 과 같다.
보 상류에서는 수리학적 특성이 크게 변동하지 않기 때문에 보 설치 위치를 기준으로 하여 상류의 세 단면을 측정하였다. 보의 하류부 흐름은 상류에서의 흐름과는 다르게 부등류의 흐름이 나타나면서 도수현상을 동반하기 때문에 수리학적 거동을 자세히 측정하기 위하여 보 하류로 20 cm 떨어진 단면부터 10 cm간격으로 21개 지점을 지정하여 수위와 유속을 측정하였다.
보 설치에 따른 흐름분석을 하기 위해 월류형 보와 하단방류형 보를 설치하고, 상류부의 단위유량과 하류부 관리수위에 변화를 주며 실험하였다. 단위유량의 조건은 0.
보의 하류부 흐름은 상류에서의 흐름과는 다르게 부등류의 흐름이 나타나면서 도수현상을 동반하기 때문에 수리학적 거동을 자세히 측정하기 위하여 보 하류로 20 cm 떨어진 단면부터 10 cm간격으로 21개 지점을 지정하여 수위와 유속을 측정하였다. 보의 상․하류의 모든 지점은 총 72지점으로 유속측정은 수면에서 60% 지점을 측정하는 1점법으로 모든 지점에 대해 측정을 실시하였다. 각 단면에서의 측정은 유속의 경우 10초 동안의 유속평균값을 측정하였으며, 수위의 경우 수압계와 포인트 게이지를 사용하여 측정하였다.
보의 하류부 흐름은 상류에서의 흐름과는 다르게 부등류의 흐름이 나타나면서 도수현상을 동반하기 때문에 수리학적 거동을 자세히 측정하기 위하여 보 하류로 20 cm 떨어진 단면부터 10 cm간격으로 21개 지점을 지정하여 수위와 유속을 측정하였다.
5에서 하단방류형 보의 경우 월류형 보에 비하여 도수의 길이가 2배 이상 큰 것으로 파악되었다. 본 논문에서는 하단 방류형 보의 도수길이를 Fr 값에 따라 그래프로 제시하였다.
본 실험에서는 시간간격을 20초로 설정하고 평균유속을 사용하였다. 유속측정은 실험장치의 특성상 유량공급 및 형성되는 수위가 낮은 관계로 1점법을 적용하였으며 식 (1)과 같다.
본 실험에서의 측점위치는 Fig. 8과 같이 보를 중심으로 10 cm 간격으로 총 22점을 측정하였으며, 수로 단면에 측정지점을 표시하여 정확한 지점에 대한 측정이 될수 있도록 하였다.
수로 좌․우 벽면에 폭 1 cm 깊이 0.5 cm의 홈을 만들어 보 높이를 연동할 수 있도록 하였고, 수로 바닥은 월류형 고정보 흐름에서 보 하단으로 누수가 되지 않도록 하기 위하여 수로 벽면과 동일하게 폭 1 cm, 깊이 0.5 cm의 홈을 파놓았다.
월류형 및 하단방류형 보의 설치에 따른 보 하류부에서 발생되는 수위, 유속, Fr 값을 비교분석 하였으며, 유량을 변경할 때마다 흐름의 변화가 안정화되는 시간을 기다린 후 측정을 하였다. Table 4는 월류형 보를 설치하였을 때 발생하는 각 구간의 수위, 유속, Fr 값을 나타낸 것이다.
위어 월류 수위와 공급유량과의 관계를 도출하기 위하여 임의의 유량을 작은 값에부터 조절하여 공급함으 로써 위어 높이에 대한 유량 값을 다르게 적용하여 실시하였으며, 일정한 유량공급이 이루어질 수 있도록 충분한 시간 간격을 두고 3∼4회에 걸친 수위 값을 산정 함으로써 결정하였다.
개수로의 유량을 검증하기 위하여 유량 변화에 따른 개수로의 수위 및 유속을 측정하고 유량조 절조 내에 설치된 삼각위어를 통과하는 월류 수위를 측정하여 유량검증을 실시하였다. 위어의 월류 높이에 따른 유량을 측정하여 수위-유량곡선을 작성하였다. 유량 조절조의 삼각위어의 월류 높이에 따른 유량은 Table 1 과 같으며, Fig.
유량조절조 내에 3개의 정류벽과 유입구에 1개의 정류벽을 추가로 설치하여 안정적인 흐름을 공급하도록 하였다. Fig.
유속계 및 포인트 게이지 모두 수로 상단에 설치된 계측기기 이송활차를 이용하여 측정하였으며, 동일지점에서 측정할 수 있도록 계측기기 이송활차 레일에 측정 지점을 표시하여 측정이 가능하도록 하였다.
위어 월류 수위와 공급유량과의 관계를 도출하기 위하여 임의의 유량을 작은 값에부터 조절하여 공급함으 로써 위어 높이에 대한 유량 값을 다르게 적용하여 실시하였으며, 일정한 유량공급이 이루어질 수 있도록 충분한 시간 간격을 두고 3∼4회에 걸친 수위 값을 산정 함으로써 결정하였다. 이러한 유량에 대하여 한계단면의 수위와 유속을 1 m간격으로 측정하였고, 모형수로의 폭과 수위 값을 측정하여 단면적을 산정하였다. 이렇게 산정된 흐름 단면적과 유속을 곱하여 유량을 산정하고, 위어 월류 수위와 유량과의 관계식을 도출하였다.
이러한 유량에 대하여 한계단면의 수위와 유속을 1 m간격으로 측정하였고, 모형수로의 폭과 수위 값을 측정하여 단면적을 산정하였다. 이렇게 산정된 흐름 단면적과 유속을 곱하여 유량을 산정하고, 위어 월류 수위와 유량과의 관계식을 도출하였다.
대상 데이터
수리실험에 사용된 수로는 총 연장 11 m , 폭 0.7 m , 높이 0.8 m의 직선수로로 수로 벽면은 흐름을 관찰할수 있도록 강화유리로 제작하였다.
월류형 보는 높이 10 cm, 상단폭 5 cm, 하단폭 11 cm, 월류 사면 1:0.7 경사를 갖는 구조로 제작하였으며, 하단방류형 가동보는 높이 30 cm, 두께 1.5 cm의 직사각형 구조로 제작하였다.
유속계는 X, Y방향의 2차원 유속을 사용하였으며 측정범위는 0∼±200 cm/s이며, 측정오차는 유속범위에 따라 ±1∼±4 cm/s이다.
데이터처리
본 실험이 일정구역에 국한하지 않고, 실험조건과 동일한 모든 보에 대해서 적용하기 위하여 수리실험을 통해 도출된 결과의 분석에서는 단위유량을 사용하였다.
성능/효과
거리에 따른 비에너지 손실 분석 결과 유출부의 Fr 값이 증가할수록 단위 거리당 발생하는 에너지 손실의 량은 증가하는 것으로 나타나며, 단위 거리당 에너지 손실량은 월류형 보가 하단방류형 보보다 크게 나타나는 것으로 판단되었다. 월류형 보의 경우 하류 경계조건 20%일 때 도수현상 발생하지 않으므로 그래프에서 제외하였다.
방류형식에 따른 단위 거리당 비에너지 손실을 분석한 결과 유량이 증가함에 따라 단위 거리당 비에너지 손실량은 증가하는 것으로 나타났으며, 월류형 보의 경우 단위 거리당 비에너지 손실량은 하단방류형 보에 비해 1.5∼2배 크게 나타났다.
보의 방류형식 중에서 하단방류형 보는 월류형 보에 비하여 도수의 길이가 더 크게 나타나며, Fr 값 3.5에서 하단방류형 보의 경우 월류형 보에 비하여 도수의 길이가 2배 이상 큰 것으로 파악되었다. 본 논문에서는 하단 방류형 보의 도수길이를 Fr 값에 따라 그래프로 제시하였다.
112로 측정되었다. 하류수위가 증가할수록 하단방류형 보에서 L/h1의 값이 월류형 보에 비해 최소 18.98%에서 최대 47.92%까지 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천은 무엇이 이동하는 통로인가?
자연현상 또는 인위적인 작용에 의하여 물과 토사가 이동하는 통로를 하천이라 한다. 자연 상태에서의 하천은 유역 내 지형조건에 따라 직선구간과 사행구간이 혼재되기도 하고, 서로 다른 유로가 만나 또 하나의 유로를 형성하기도 한다.
하천구조물 건설의 목적은?
이러한 하천의 하도 내에 필요에 의해 인위적으로 구조물을 설치하기도 한다(Kim, 2005). 이러한 하천구조물은 이수, 치수 및 환경보전의 기능을 발휘시키기 위해 건설된다. 이 중 보는 하천에서 가장 많이 설치되어 있는 하천구조물 중 하나로 각종 용수의 취수, 주운 등을 위하여 수위를 높이고, 조수의 역류를 방지하기 위해 설치하는 제방의 기능을 갖지 않는 시설이다(river design Criteria, 2004), (Yeo et al.
하천구조물 중 고정보의 단점은?
, 2005). 기존 하천에 설치되어 있는 보는 대부분이 고정보로써 흐름의 정체를 유발시켜 토사 퇴적 및 수질악화를 가져오며 하천환경을 파괴하는 원인이 되기도 한다(Kim, 2006). 따라서 최근에 들어서는 기존의 이수목적을 위한 고정보보다는 수위조절이 가능한 가동보를 많이 설치하고 있다(Kim et al.
참고문헌 (6)
Han, HJ (2012). The analysis of flow characteristics at the downstream depending upon the operating conditions for a moveable weir, University of Incheon. [Korean Literature]
Jang, DW (2011). Analysis on the influence depending upon gate operation at the Gumi weir in Nak-Dong river, University of Incheon. [Korean Literature]
Kim, WJ, Mon, SH, Kim, YG, Min, BM (2007). A study on the bed change prediction depending on movable weir establishment, Korean Society of Civil Engineers, pp. 59-78. [Korean Literature]
Kim, GH (2005). An experimental study on the stream flow by submerged structures condition, University of Incheon. [Korean Literature]
Kim, JG (2006). The variation of flow characteristics by installing improved movable weir in a river, University of Incheon. [Korean Literature]
Yeo, HG, Kang, JG, Cheong, SH (2005). An experimental study about property of hydraulic jump on downstream of round-crested weir, Korean Society of Civil Engineers, pp. 2536-2539. [Korean Literature]
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