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조도보정 블록 수로에서의 조도계수 추정
An Estimation of Roughness Coefficient in a Channel with Roughness Correction Blocks 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.1, 2014년, pp.107 - 116  

최흥식 (상지대학교 이공대학 건설시스템공학과) ,  김시훈 ((주)정엔지니어링 수자원부)

초록
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본 연구는 조도보정 블록수로에서의 체적밀집도를 정의하고, 평균유속(V)과 수리반경(R)의 곱인 VR, 블록 Reynolds수($Re^*$), 항력계수($\acute{C}_D$) 및 바닥전단특성의 바닥조도계수($n_b$)를 분석하여 조도계수(n)를 산정하였다. VR과 블록Reynolds수가 증가함에 따라 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 블록Reynolds수의 증가에 따라 항력계수는 감소하여 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났다. 블록Reynolds수가 큰 난류구간에서는 항력계수는 밀집도로 정의한 조도블록의 형상에 지배적임을 볼 수 있다. 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다. n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, $n_b-\acute{C}_D$상관에 대한 관계곡선식을 제시하였다. 조도계수를 산정할 수 있는 블록Reynolds수와 체적밀집도와의 상관관계식을 제시하였다. 실험결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 조도 계수 산정식을 이용한 HEC-RAS의 수리특성 분석결과는 실험결과와 잘 일치함을 보여주어 산정한 조도계수 추정식의 적용성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A volume density of roughness correction blocks in a channel is defined and the corresponding roughness coefficient(n) is estimated by analyzing the diverse hydraulic characteristics of VR, the product of the average velocity and the hydraulic radius, block Reynolds number ($Re^*$), drag ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 조도보정 블록수로에서의 조도계수의 특성을 분석하였다. 하상재료의 특성을 나타낼 수 있는 체적밀집도를 정의하고, 조도계수의 산정을 위한 다양한 수리특성의 분석으로는 VR, 블록Reynolds수, 항력계수 및 바닥전단 특성의 조도를 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 바닥저항은 바닥면의 거칠기 보다는 하상재료의 거칠기에 지배되므로 바닥조도계수는 하상재료 거칠기 계수로 나타냈다(Fathi-Maghadam and Kouwen, 1997). 시험수로의 벽면과 바닥의 서로 다른 조도로 구성되고 단면적(A)은 벽면지배 단면적(Aw)과 바닥지배단면적(Ab)인 A = Aw + Ab이고 단면적은 수로 폭(B)과 수심(D)의 곱이고 평균유속은 수로단면에 균일하게 분포된다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 무엇인가? 국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 Manning 조도계수로서 이에 의한 많은 연구가 진행되어 왔다. 수리학적 모형의 사용에 따른 중요한 고려사항 중 하나는 정확한 조도계수의 입력이며, 적절하지 않은 조도계수의 사용은 계산결과에 많은 오차를 가져온다.
조도계수를 결정짓는 인자들은 무엇이 있는가? 조도계수는 유량, 하상재료, 하천의 만곡, 수로바닥의 형상, 단면형상의 변화, 하상과 제방비탈면에서의 식생상태 등의 매우 복합적인 인자들에 의해 결정된다. 조도를 지배하는 마찰저항은 흐름과 수로바닥 재료의 경계면에서 발생한다.
조도계수의 보정이 필요한 이유는 무엇인가? 국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 Manning 조도계수로서 이에 의한 많은 연구가 진행되어 왔다. 수리학적 모형의 사용에 따른 중요한 고려사항 중 하나는 정확한 조도계수의 입력이며, 적절하지 않은 조도계수의 사용은 계산결과에 많은 오차를 가져온다. 하천 설계에서 조도계수의 결정은 보통 부등류 모형에 의한 방법, NCALC 모형(Jarret and Petsch, 1985)에 의한 방법, 하상재료에 의한 방법이 있으며, 이렇게 결정된 조도계수는 유량과 하천구간에 상관없는 단일 값인 경우가 대부분 이다. 이는 유량과 하상의 구성재료에 따른 조도계수의 변화를 고려하지 않고 전체 하천구간에 대해 일정한 조도계수를 사용하고 있어 실제 하천의 설계 시 과다 또는 과소 설계의 원인이 될 수있다. 이에 따라 실제 하천의 설계 시에 사용되는 조도계수의 보정이 필요한 실정이다.
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참고문헌 (19)

  1. Arcement, G. J. and Schneider, V. R. (1989). Guide for selecting manning's roughness coefficients for natural channels and flood plains, USGS, Vol. 2339. 

  2. Chow, V. T. (1959). Open-channel hydraulics, McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 

  3. Cowan, W. L. (1956). "Estimating hydraulic roughness coefficient." Agricultural Engineering, Vol. 37, No. 7, pp. 473-475. 

  4. Fathi-Maghadam, M. and Kouwen, N. (1997). "Nonrigid, nonsubmerged, vegetative roughness on floodplains." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 1, pp. 51-57. 

  5. Fenzl, R. N. (1962). Hydraulic resistance of broad shallow vegetated channels, Ph. D. Thesis, University of California, Davis, Calif. 

  6. Graf, W. H. and Chhun, V. H. (1976). "Manning's roughness for artificial grasses." Journal of Irrigation and Drainage Division, ASCE, Vol. 102, No. 4, pp. 413-423. 

  7. Jarret, R. D. and Petsch, H. E. Jr. (1985). Computer program NCALC user's manual - Verification of manning's roughness coefficient in channels, USGS, Water Resources Investigation, Report, pp. 85-4317. 

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  10. Kim, T. B., Bae, H. D. and Choi, S. U. (2010). "Development and application of depth-integrated 2-D numerical model for the simulation of hydraulic characteristics in vegetated open-channel" Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 30, No. 6, pp. 607-615 (in Korean). 

  11. Kouwen, N. and Li, R. M. (1980). "Biomechanics of vegetative channel linings." Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 106, No. HY6, pp. 1085-1103. 

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  14. Lee, D. S., Lee, D. H. and Kim, C. W. (2009). "Evaluation of roughness coefficient following the variations of velocity and stage for phragmites japonica steud." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 24, No. 1B, pp. 23-32 (in Korean). 

  15. Lee, J. K. and Lee, C. H. (2004). "Estimation of roughness coefficients in downstream part of the han river using a hydraulic flood routing model." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 24, No. 1B, pp. 23-32 (in Korean). 

  16. Lee, S. J. and Park, S. W. (2006)."A study on roughness coefficient estimations in gravel bed stream without water level-discharge data." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 39, No. 12, pp. 985-996 (in Korean). 

  17. Ree, W. O. and Palmer, V. J. (1949). Flow of water in channels protected by vegetative linings, Tech. Bull. No. 967, Soil Conservation Service, U.S. Department of Agriculture, Washington, D.C. 

  18. Temple, D. M., Robinson, K. N., Ahring, R. M. and Davis, A. G. (1987). Stability design of grass-lined open channels. Handbook 667, Agricultural. Research. Service, U.S. Department of Agriculture, Washington, D.C. 

  19. Wu, F. C., Shen, H. W. and Chou, Y. J. (1999). "Variation of roughness coefficients for unsubmerged and submerged vegetation." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 9, pp. 934-942. 

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