[논문]하천을 횡단하는 도수관로의 최적 매설구간 선정을 위한 흐름 및 하상변동 수치모의

장은경; 지운

doi:10.5762/kais.2014.15.3.1756

[국내논문] 하천을 횡단하는 도수관로의 최적 매설구간 선정을 위한 흐름 및 하상변동 수치모의
Numerical Analysis of Flow and Bed Changes for Selecting Optimized Section of Buried Water Pipeline Crossing the River 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.3, 2014년, pp.1756 - 1763

장은경 (한국건설기술연구원 하천해안연구실) , 지운 (한국건설기술연구원 하천해안연구실)

초록
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하천을 횡단하는 관로를 매설할 경우 하상변동으로 인해 관로가 드러나는 사고가 발생할 수 있으며 이를 방지하기 위해서는 안전한 매설경로를 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 금강을 횡단하는 도수관로의 안전한 매설구간 선정을 위해 2차원 수치모형을 이용하여 흐름해석 및 하상변동 분석을 수행하였다. 20년 빈도 홍수량을 적용한 모의 결과, 전반적으로 하상이 퇴적되는 것으로 나타났으나 교각의 영향을 받는 구간에서는 관로 매설 깊이 2 m 이상의 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 극한 호우 사상에서도 교각 상류와 근접한 부근에서 관로매설 위치까지 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 교각위치에서 상류 약 140 m 까지는 교각의 영향으로 하상침식이 매설된 관로에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 상류 150 m 이후에 위치한 관로 횡단경로들은 하상 침식에 대해 상대적으로 안정적일 것으로 판단되어 안전을 고려하여 이를 도수관로 횡단경로의 최적구간으로 선정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A water pipeline buried under the riverbed could be exposed by bed erosion, therefore safe crossing sections should be analyzed for preventing damages due to the exposure of pipelines. In this study, flow and bed changes have been simulated using a two-dimensional numerical model for selecting the optimized section of pipeline crossing in the Geum River. As a result of simulation with the 20-year recurrence flood, sediment deposition has been distributed overall in the channel and bed erosion over 2 m has occurred near bridge piers. For the extreme flood simulation, the channel bed near the bridge piers has been eroded down to the buried depth. Therefore, within 140 m upstream of the bridge piers, bed erosion affects a buried pipeline in safety due to bridge pier effects and the crossing section over 150 m upstream of bridge piers is selected as a safe zone of a water pipeline.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 2차원 수치모형으로는 지운 등[7], 이지완 등[8], 그리고 안정민과 류시완[9]의 선행연구에서 국내 하상변동에 대한 모형 검증이 수행된 CCHE2D 모형을 활용하였다. 따라서 본 연구의 목적은 첫째, CCHE2D 모형을 활용하여 금강 횡단 도수관로 구간의 흐름특성 및 하상변동에 대한 수치모의 연구를 수행하고, 둘째, 이를 분석하여 대상구간 내 매설 예정구간에 대해 하상침식으로 인한 도수관로 노출 위험성을 평가하고자 한다. 이러한 연구결과는 관로 부설을 통한 복선화 구간 선정을 위한 기초자료로 적극 활용할 수 있을 것으로 판단되며 단순히 2 m의 관로 매설 깊이에만 한정되었던 매설 기준이 평면적인 범위까지도 확대될 수 있는 연구자료 될 것이다.
본 논문에서는 풍수량과 극한 호우 사상, 20년 빈도유량 발생시 흐름 및 하상변동에 대해 모의를 수행하였다. 먼저 공주수위표의 풍수량(144.
이에 대해 위험 발생 예상구간에 대한 장단기적인 대책방안이 검토되고 있으며 단기적으로는 세굴에 대해 안정성 확보가 가능한 하상보호공이 설치될 예정이고 장기적으로는 관로 부설을 통한 복선화로 비상시 안정적인 용수공급 체계를 구축할 예정이다. 본 연구에서는 관로 부설을 통한 복선화를 위한 안정적이고 최적의 구간을 선정하기 위해 풍수량 및 극한 사상 발생 시 예상되는 하상변동 양상을 2차원 수치모형을 활용하여 분석하였다.
본 연구에서는 하천을 횡단하는 도수관로의 최적 매설 구간 선정을 위해 2차원 흐름 및 하상변동 수치모의를 수행하여 여러 흐름 조건에서의 흐름 양상 및 하상변화를 정량적으로 평가하였다. 특히, 2차원 수치모형으로는 지운 등[7], 이지완 등[8], 그리고 안정민과 류시완[9]의 선행연구에서 국내 하상변동에 대한 모형 검증이 수행된 CCHE2D 모형을 활용하였다.

제안 방법

F 및 No. G 구간의 하천 횡단면을 초기하상과 홍수발생 후 하상고 및 관로위치와 비교 분석하였다[Fig. 7].
본 연구에서는 하상토 입도분포 입력이 가능하며 유사량 공식을 Ackers and White[10], Engelund and Hansen[11], Wu et al.[12], SEDTRA Module[13]들 중 선정하여 모의할 수 있고 유사이송 형태는 소류사와 부유사, 총유사 이송 형태에 대해서 각각 모의가 가능한 CCHE2D 모형 선정하였다.
각각의 홍수사상에 대해 모의한 결과를 활용하여 도수 관로 횡단 구간의 정량적인 안정성 분석을 수행하였다. 퇴적과 침식의 명확한 구분을 위해 하상변동 모의 결과에서 Legend를 0 m에서 -2 m로 변환하여 표기하였다.
극한 호우 사상을 적용한 하상변동 모의를 위해 Fig. 2와 같이 금남수위표 기준 발생 최대 유량인 2003년의 태풍 매미 발생기간의 유량(5일)을 활용하여 흐름 및 하상변동 모의를 수행하였다. 흐름 모의 수행 결과 유속의 경우[Fig.
유사량 자료는 국토교통부에서 제시한 2011년 수문조사 보고서의 공주 지점 유량-유사량 관계식을 활용하였다[15]. 또한 수치모의 조건 중 적합한 유사량 산정 공식 선정을 위해 2011년 홍수기에 발생한 실제 유사량 자료를 활용하여 Alonso[16], Brownlie[17], van Rijn[18], Stevens and Yang[19]등의 연구에서 우수하다고 평가하고 있는 Ackers and White[10], Brownlie[20], Engelund and Hansen[11], Yang[21] 유사량 공식의 공식별 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 저유량과 고유량 조건에서 실제 발생 유사량과 가장 패턴이 유사한 Ackers and White[10]을 유사량 산정 공식으로 적용하였다[Fig.
3(a)]. 또한 유사이송 형태 선정시 유량 조건별 지배적인 유사 이송 형태를 고려하여 풍수량 모의시에는 소류사, 극한 호우 및 빈도 유량 모의시에는 부유사 이송형태를 선정하여 모의를 수행하였다.
모의 조건은 연중 95일 초과하지 않는 유량인 풍수량 및 극한 호우 사상 모의를 위해 Fig. 3(b)와 같이 2003년 태풍 매미 발생 시 최대 유량이 발생한 5일 간의 유량을 활용하였다. 또한 매설되는 도수관로의 내구연한(20년)을 고려하여 20년 빈도 홍수량을 고려하여 모의를 수행하였으며 입력 조건은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 하천을 횡단하는 도수관로의 최적 매설 구간 선정을 위해 하상으로부터 2 m 밑에 관로가 매설되는 위치까지 하상침식이 발생하는 구간을 2차원 수치모형을 활용하여 평면적으로 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
2]. 선형 보간된 지형자료는 가로 50개, 세로 150개로 총 7,500개의 격자망으로 구성하였으며, 유량과 수위 값에 대하여 모의시간 간격 60 sec(1,440회/day)으로 모의를 수행하였다. 또한 2차원 수치모의를 위한 필수 자료인 하상토 자료 및 조도계수는 금강수계 하천기본계획[14]을 활용하였으며 중앙입경은 0.

대상 데이터

선형 보간된 지형자료는 가로 50개, 세로 150개로 총 7,500개의 격자망으로 구성하였으며, 유량과 수위 값에 대하여 모의시간 간격 60 sec(1,440회/day)으로 모의를 수행하였다. 또한 2차원 수치모의를 위한 필수 자료인 하상토 자료 및 조도계수는 금강수계 하천기본계획[14]을 활용하였으며 중앙입경은 0.62 mm, 조도계수는 0.027을 적용하였다.
본 연구에서의 2차원 수치모의에 활용한 지형자료는 K-water 충남중부권 광역상수도 금강횡단 도수관로 복선화 실시설계 측량자료를 활용하였으며, 이 자료는 지도상의 등고선을 고려하여 요소망의 각 절점에서 선형 보간 하였다[Fig. 2]. 선형 보간된 지형자료는 가로 50개, 세로 150개로 총 7,500개의 격자망으로 구성하였으며, 유량과 수위 값에 대하여 모의시간 간격 60 sec(1,440회/day)으로 모의를 수행하였다.
본 연구의 대상 구간은 충남 연기군 남면 송원리 인근 금강 횡단 도수관로 설치 구간으로 선정하였다. 이 구간은 Fig.

이론/모형

또한 수치모의 조건 중 적합한 유사량 산정 공식 선정을 위해 2011년 홍수기에 발생한 실제 유사량 자료를 활용하여 Alonso[16], Brownlie[17], van Rijn[18], Stevens and Yang[19]등의 연구에서 우수하다고 평가하고 있는 Ackers and White[10], Brownlie[20], Engelund and Hansen[11], Yang[21] 유사량 공식의 공식별 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 저유량과 고유량 조건에서 실제 발생 유사량과 가장 패턴이 유사한 Ackers and White[10]을 유사량 산정 공식으로 적용하였다[Fig. 3(a)]. 또한 유사이송 형태 선정시 유량 조건별 지배적인 유사 이송 형태를 고려하여 풍수량 모의시에는 소류사, 극한 호우 및 빈도 유량 모의시에는 부유사 이송형태를 선정하여 모의를 수행하였다.
유사량 자료는 국토교통부에서 제시한 2011년 수문조사 보고서의 공주 지점 유량-유사량 관계식을 활용하였다[15]. 또한 수치모의 조건 중 적합한 유사량 산정 공식 선정을 위해 2011년 홍수기에 발생한 실제 유사량 자료를 활용하여 Alonso[16], Brownlie[17], van Rijn[18], Stevens and Yang[19]등의 연구에서 우수하다고 평가하고 있는 Ackers and White[10], Brownlie[20], Engelund and Hansen[11], Yang[21] 유사량 공식의 공식별 민감도 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 하천을 횡단하는 도수관로의 최적 매설 구간 선정을 위해 2차원 흐름 및 하상변동 수치모의를 수행하여 여러 흐름 조건에서의 흐름 양상 및 하상변화를 정량적으로 평가하였다. 특히, 2차원 수치모형으로는 지운 등[7], 이지완 등[8], 그리고 안정민과 류시완[9]의 선행연구에서 국내 하상변동에 대한 모형 검증이 수행된 CCHE2D 모형을 활용하였다. 따라서 본 연구의 목적은 첫째, CCHE2D 모형을 활용하여 금강 횡단 도수관로 구간의 흐름특성 및 하상변동에 대한 수치모의 연구를 수행하고, 둘째, 이를 분석하여 대상구간 내 매설 예정구간에 대해 하상침식으로 인한 도수관로 노출 위험성을 평가하고자 한다.

성능/효과

흐름 모의 수행 결과 유속의 경우[Fig. 5(a)], 좌안에서 최대 1.99 m/s의 유속이 발생하였으며 전체 대상구간에 대해 평균 1.22 m/s의 유속이 발생하였다. 하상변동 모의 수행 결과(Fig.
CCHE2D 모형을 활용하여 금강 횡단 도수관로 구간의 흐름특성 및 하상변동에 대한 수치모의 연구를 수행한 결과, 풍수량(144.45 m³/s)을 적용하여 모의를 수행했을 때 전체적인 하상변동은 미미한 것으로 나타났다. 극한 호우 사상을 적용한 모의 결과 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으나 교각 부근에서는 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
45 m³/s)을 적용하여 모의를 수행했을 때 전체적인 하상변동은 미미한 것으로 나타났다. 극한 호우 사상을 적용한 모의 결과 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으나 교각 부근에서는 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 도수관로의 내구연한을 고려한 20년 빈도 홍수량을 적용한 모의 결과, 상당히 큰 하상 퇴적이 발생하였으며 교각의 영향을 받는 구간에서 여전히 관로 매설 깊이 2 m 보다 큰 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
대상구간 내 매설 예정구간에 대해 하상침식으로 인한 도수관로 노출 위험성에 대해 분석을 위해 수행하였으며 도수관로 복선화 예정구간과 하천 횡단면을 하상고 및 관로위치와 비교분석한 결과, 극한 호우 사상에서는 교각 상류와 근접한 부근에서 일부구간 관로매설 위치까지 침식이 발생하는 것으로 나타났으며, 교각 위치에서 멀어질수록 하상고의 변화가 미미한 것으로 나타났다. 또한 20년 빈도유량을 기준으로 한 분석 결과, 모든 단면에 대해 큰 퇴적이 발생하였으며 교각과 근접한 단면에 비해 교각에서 멀어질수록 더 큰 퇴적이 발생하는 것으로 나타나 관로 노출의 위험성이 적을 것으로 판단된다.
극한 호우 사상을 적용한 모의 결과 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으나 교각 부근에서는 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 도수관로의 내구연한을 고려한 20년 빈도 홍수량을 적용한 모의 결과, 상당히 큰 하상 퇴적이 발생하였으며 교각의 영향을 받는 구간에서 여전히 관로 매설 깊이 2 m 보다 큰 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
대상구간 내 매설 예정구간에 대해 하상침식으로 인한 도수관로 노출 위험성에 대해 분석을 위해 수행하였으며 도수관로 복선화 예정구간과 하천 횡단면을 하상고 및 관로위치와 비교분석한 결과, 극한 호우 사상에서는 교각 상류와 근접한 부근에서 일부구간 관로매설 위치까지 침식이 발생하는 것으로 나타났으며, 교각 위치에서 멀어질수록 하상고의 변화가 미미한 것으로 나타났다. 또한 20년 빈도유량을 기준으로 한 분석 결과, 모든 단면에 대해 큰 퇴적이 발생하였으며 교각과 근접한 단면에 비해 교각에서 멀어질수록 더 큰 퇴적이 발생하는 것으로 나타나 관로 노출의 위험성이 적을 것으로 판단된다. 그러나 20년 빈도유량 조건에서는 상류유입 유사량 산정시 해당 유량 발생시 관측 유사량 값이 직접적으로 적용된 경우가 아니기 때문에 정량적인 퇴적고에 대한 신뢰도가 떨어지는 것으로 판단된다.
6(b)]. 또한 교각 주변에서는 침식이 발생하였으며 관로 매설 깊이인 2 m 보다 깊은 최대 5.75 m의 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
87 m의 퇴적이 발생하였다. 또한 흐름 유입부와 교각 부근에서 최대 침식이 발생하였으며 전체 대상구간에 대해 평균 0.03 m의 침식이 발생한 것으로 나타났으나 이는 교각 주변 국부적으로 발생한 최대 침식고가 평균값에 반영된 것으로 전체적인 하상변동은 미미한 것으로 나타났다.
G 단면에서의 퇴적이 더 크게 발생하였다. 전체 분석구간에 대해 평균 4.95 m의 퇴적이 발생하는 것으로 분석되어 수치모의 결과에 따르면 20년 빈도유량에 대해 홍수 발생 후 하상 침식으로 인한 관로 노출의 위험성은 미미할 것으로 판단된다. 그러나, 수치모의를 위해 20년 빈도유량(8,775 m³/s)이 발생하는 경우 상류에서 유입되는 유사량을 계산할 때 Fig.
최종적으로 모든 분석 결과를 종합했을 때, 관로 매설 예정 구간인 No. 1에서 No. 10까지의 구간 중 No. 1 부터 No. 4 까지의 횡단 위치는 교각의 영향을 받아 하상이 침식될 것으로 예상되며, 안전치를 고려하여 교각으로부터 상류 150 m 이후에 위치한 관로 횡단경로(No. 7에서 No. 10)는 하상 침식에 대해 상대적으로 안전할 것으로 판단되어 이를 도수관로 횡단경로의 최적구간으로 선정하였다.

후속연구

본 연구에서 수행된 수치모의는 현재까지 수집된 제한된 자료를 최대한 활용하여 모의를 수행한 결과이며 향후 연구에서는 일반적으로 하상변동 모의에 영향을 미칠 수 있는 하상입도 분포 및 다양한 유사이송공식 선택에 따른 하상변화 양상을 분석함으로써 유사량 및 하상변동 관측 자료가 부족하여 발생하는 모의 정확도를 보다 높일 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구의 목적은 첫째, CCHE2D 모형을 활용하여 금강 횡단 도수관로 구간의 흐름특성 및 하상변동에 대한 수치모의 연구를 수행하고, 둘째, 이를 분석하여 대상구간 내 매설 예정구간에 대해 하상침식으로 인한 도수관로 노출 위험성을 평가하고자 한다. 이러한 연구결과는 관로 부설을 통한 복선화 구간 선정을 위한 기초자료로 적극 활용할 수 있을 것으로 판단되며 단순히 2 m의 관로 매설 깊이에만 한정되었던 매설 기준이 평면적인 범위까지도 확대될 수 있는 연구자료 될 것이다.
그러나 관 보호공 및 금강교 주변을 제외하고 2010년 수행된 상하류 구간 하상 준설로 인해 2011년 홍수기 때 하류측 하상고가 전체적으로 낮아짐에 따라 하상 침식 속도가 빨라져 금강 횡단부 우안쪽 관보호공이 노출되었으며 이로 인한 관보호공 파손에 따른 단수발생이 우려되고 있다. 이에 대해 위험 발생 예상구간에 대한 장단기적인 대책방안이 검토되고 있으며 단기적으로는 세굴에 대해 안정성 확보가 가능한 하상보호공이 설치될 예정이고 장기적으로는 관로 부설을 통한 복선화로 비상시 안정적인 용수공급 체계를 구축할 예정이다. 본 연구에서는 관로 부설을 통한 복선화를 위한 안정적이고 최적의 구간을 선정하기 위해 풍수량 및 극한 사상 발생 시 예상되는 하상변동 양상을 2차원 수치모형을 활용하여 분석하였다.
관로사고에 의한 피해는 단수 피해뿐만 아니라 복구비용으로도 막대한 비용이 지출되므로 사고를 미연에 방지하는 것이 반드시 필요하다. 특히 하천을 횡단하는 관로를 매설할 경우, 강바닥으로터 약 2 m 내외의 깊이로 관로를 매설하도록 되어 있어 홍수시 유속 증가로 인한 하상의 세굴현상이 횡단관로 깊이까지 발생할 가능성에 대한 정량적 평가가 반드시 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천을 횡단하는 관로를 매설할 경우 어떤 문제가 있는가?	하천을 횡단하는 관로를 매설할 경우 하상변동으로 인해 관로가 드러나는 사고가 발생할 수 있으며 이를 방지하기 위해서는 안전한 매설경로를 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 금강을 횡단하는 도수관로의 안전한 매설구간 선정을 위해 2차원 수치모형을 이용하여 흐름해석 및 하상변동 분석을 수행하였다.
	극한 호우 사상에서도 교각 상류와 근접한 부근에서 관로매설 위치까지 침식이 발생한는 것으로 예상할 수 있는 것은 무엇인가?	극한 호우 사상에서도 교각 상류와 근접한 부근에서 관로매설 위치까지 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 교각위치에서 상류 약 140 m 까지는 교각의 영향으로 하상침식이 매설된 관로에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 상류 150 m 이후에 위치한 관로 횡단경로들은 하상 침식에 대해 상대적으로 안정적일 것으로 판단되어 안전을 고려하여 이를 도수관로 횡단경로의 최적구간으로 선정하였다.
	20년 빈도 홍수량을 적용한 모의 결과는 무엇인가?	본 연구에서는 금강을 횡단하는 도수관로의 안전한 매설구간 선정을 위해 2차원 수치모형을 이용하여 흐름해석 및 하상변동 분석을 수행하였다. 20년 빈도 홍수량을 적용한 모의 결과, 전반적으로 하상이 퇴적되는 것으로 나타났으나 교각의 영향을 받는 구간에서는 관로 매설 깊이 2 m 이상의 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 극한 호우 사상에서도 교각 상류와 근접한 부근에서 관로매설 위치까지 침식이 발생하는 것으로 나타났다.

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