제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다. 따라서, 이러한 호안의 안정성은 제방 전체의 안정성과 직결되는 중요한 요소이다. 특히, 흐름의 강도가 증가하는 만곡부와 같은 수충부에서는 호안의 안정성이 급격히 저하되므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 경질성 호안의 수리실험을 통해 만곡수로에 설치된 호안의 취약지점을 파악하였으며 주요 지점의 유속과 수위를 측정하였다. 또한, 동일한 조건으로 3차원수치해석을 수행하여 실험에서 계측장비의 한계로 확인하기 어려운 흐름특성을 분석하였다. 그 결과 제방사면의 전단응력이 크게 산정된 부분과 사석호안이 붕괴된 위치가 거의 일치하는 것으로 나타났으며 전단응력은 작으나 붕괴가 발생한 지점에서는 만곡의 영향으로 발생한 2차류에 의해 순환흐름이 발생되어 호안의 붕괴를 유발하는 것으로 나타났다. 기존의 사석산정공식을 이용하여 사석호안의 규모를 결정하였으며 하도의 평균유속보다 국부적인 최대유속으로 산정하였을 때, 1.5~4.7배 크게 산정되었다. 본 연구를 통해 만곡수로에서는 직선수로에서와는 사석의 규모를 산정하는 방법을 달리해야하는 것을 알 수 있었으며, 추후 곡률반경 및 구조물에 대한 영향을 고려하고 대표형상에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.
제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다. 따라서, 이러한 호안의 안정성은 제방 전체의 안정성과 직결되는 중요한 요소이다. 특히, 흐름의 강도가 증가하는 만곡부와 같은 수충부에서는 호안의 안정성이 급격히 저하되므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 경질성 호안의 수리실험을 통해 만곡수로에 설치된 호안의 취약지점을 파악하였으며 주요 지점의 유속과 수위를 측정하였다. 또한, 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 수행하여 실험에서 계측장비의 한계로 확인하기 어려운 흐름특성을 분석하였다. 그 결과 제방사면의 전단응력이 크게 산정된 부분과 사석호안이 붕괴된 위치가 거의 일치하는 것으로 나타났으며 전단응력은 작으나 붕괴가 발생한 지점에서는 만곡의 영향으로 발생한 2차류에 의해 순환흐름이 발생되어 호안의 붕괴를 유발하는 것으로 나타났다. 기존의 사석산정공식을 이용하여 사석호안의 규모를 결정하였으며 하도의 평균유속보다 국부적인 최대유속으로 산정하였을 때, 1.5~4.7배 크게 산정되었다. 본 연구를 통해 만곡수로에서는 직선수로에서와는 사석의 규모를 산정하는 방법을 달리해야하는 것을 알 수 있었으며, 추후 곡률반경 및 구조물에 대한 영향을 고려하고 대표형상에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.
The levee protect lifes, houses, and properties by blocking overflow of river. The revetment is forced to be covered on the slope of levee in order to prevent erosion. The stability of revetment is very important enough to directly connected to the stability of levee. In this study, the weak points ...
The levee protect lifes, houses, and properties by blocking overflow of river. The revetment is forced to be covered on the slope of levee in order to prevent erosion. The stability of revetment is very important enough to directly connected to the stability of levee. In this study, the weak points of revetment on meandering channel were found by movable revetment experiment and the velocity and the water surface elevation (WSE) were measured at main points. The 3-D numerical simulations were performed under same conditions with experiment. And unclear flow characteristics by the limit of measuring instruments were analyzed through numerical simulation. Consequently, the section of large wall shear stress and the failure section are almost the same. Despite of small wall shear stress, the revetments located at right bank were carried away because of circulation zone due to secondary flow by meandering. With existing riprap design formula, the sizes of riprap determined using maximum local velocity were 1.5~4.7 times greater than them using mean velocity. As a result of this study, it is necessary to calculate the size of riprap in other ways for meandering and straight channel. At a later study, if the weighted value considered the radius of curvature and shape of hydraulic structure is applied to riprap design formula, it is expected that the size of revetment was evaluated rationally and accurately.
The levee protect lifes, houses, and properties by blocking overflow of river. The revetment is forced to be covered on the slope of levee in order to prevent erosion. The stability of revetment is very important enough to directly connected to the stability of levee. In this study, the weak points of revetment on meandering channel were found by movable revetment experiment and the velocity and the water surface elevation (WSE) were measured at main points. The 3-D numerical simulations were performed under same conditions with experiment. And unclear flow characteristics by the limit of measuring instruments were analyzed through numerical simulation. Consequently, the section of large wall shear stress and the failure section are almost the same. Despite of small wall shear stress, the revetments located at right bank were carried away because of circulation zone due to secondary flow by meandering. With existing riprap design formula, the sizes of riprap determined using maximum local velocity were 1.5~4.7 times greater than them using mean velocity. As a result of this study, it is necessary to calculate the size of riprap in other ways for meandering and straight channel. At a later study, if the weighted value considered the radius of curvature and shape of hydraulic structure is applied to riprap design formula, it is expected that the size of revetment was evaluated rationally and accurately.
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문제 정의
본 연구에서는 만곡수로에 대한 경질성 호안의 수리실험을 통해 만곡수로에 설치된 호안의 취약지점을 파악하고 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 수행하여 실험에서 계측장비의 한계로 인해 확인이 어려웠던 흐름특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 만곡수로에서의 호안의 안전성을 확보하기 위한 붕괴특성을 분석하였다. 분석을 통해 도출된 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 취약지점을 파악하는 것이 목적이므로 각 단면에 대한 최대유속이 중요한 인자 이다. 수리실험과 수치모의에 대해서 최대유속을 비교한 결과 만곡부가 끝나는 지점의 2개 지점(Case 01, 02의 XS #08)을 제외하고 모두 10% 이내 오차로 재현이 가능한 것으로 나타났다(Fig.
제안 방법
격자는 자유로운 형상구현이 가능한 4면체격자를 활용하였으며 자유수면 표현의 정확도를 높이기 위해 자유수면 주변에는 Inflation 기능을 이용하여 프리즘형태의 격자를 생성하였다. 격자의 Node 수는 613,710, Element는 2,644,129개이다.
1에 나타냈다. 경질성 호안 수리실험을 통해 호안의 취약지점을 분석하였다.
단면에서의 평균유속과 최대유속을 이용하여 호안사석 직경을 산정하여 비교하여 적용유속에 따른 사석직경의 차이를 분석하였다. 호안사석결정공식은 2.
만곡흐름특성분속을 위한 수치모의는 경질성 호안 수리실험과 동일한 조건으로 수행하였다. 하류단 말단은 경계조건을 설정하기 위해 XS #10을 최하류단으로 설정하였으며 실험으로 측정된 수위의 평균수위를 적용하였다.
설치된 사석호안은 고정상 제방 사면위에 전체적으로 1층으로 포설한 후 1층을 추가 포설하여 사석의 층이 최소 2층이 되어 사석 간에 맞물림 현상을 가질 수 있도록 하였다. 본 실험에 적용된 공급유량은 0.3, 0.4, 0.5 ㎥/s 총 3가지로 설정하였으며 하류단 수위조건은 사석 이탈이 시작되는 시점의 수위로 설정하였다.
본 연구에서는 벽면의 전단응력을 이용하여 호안의 안정성을 분석하였으며 지배방정식은 Eqs. (3a)～(3c)와 같다.
유입부의 만곡부에서 형성되기 시작한 사석호안의 이탈은 소류력에 의하여 점차 하류 및 수심방향으로 확장된다. 붕괴된 형상은 촬영된 사진을 활용하여 Image process를 통해 평면 좌표로 변환하여 정확한 붕괴지점을 도출하였다(Fig. 3(a)).
만곡수로에는 원심력에 의해 유속 및 전단응력이 가장 크게 발생하는 지점을 예측하기 어려우므로, 만곡시점부터 종점까지 양안의 제방 경사면에 사석호안을 설치하였다. 설치된 사석호안은 고정상 제방 사면위에 전체적으로 1층으로 포설한 후 1층을 추가 포설하여 사석의 층이 최소 2층이 되어 사석 간에 맞물림 현상을 가질 수 있도록 하였다. 본 실험에 적용된 공급유량은 0.
수치모의에서는 흐름특성을 확인하기 위해 수로의 형상은 실험과 동일하게 적용하였으나 사석의 포설형상은 수치모의에서는 적용하지 않았다. 수로 상류의 탱크 하부에는 Mass flow rate로 설정하여 일정한 유량이 유입되도록 하였으며 하류에는 Opening pressure로 설정하고 정수압조건을 설정하여 일정한 수위가 유지되도록 하였다. 하류수위 값은 실험에서 측정된 값으로 입력하여 실험과 동일한 조건이 되도록 경계조건을 설정하였다(Fig.
수로내의 흐름이 사석호안의 안정성에 영향을 미치는 조건을 구현하기 위하여 하류에 설치된 수문을 점진적으로 개방하면서 호안의 이탈상태를 관찰하였다. 호안이 이탈하기 시작하면 하류수문을 고정하고 이탈상황을 관찰하면서 더 이상 사석호안의 이탈이 발생하지 않는 시점에서 수로 내의 수심과 유속을 관찰하였다.
33이다. 수로의 곡률반경은 2.5 m로 동일하며 포설되는 사석 또한 0.01 m로 동일하게 설정하여 동일조건하에서 흐름변화에 따른 만곡수로의 취약부분을 확인하였다(Table 1).
수리실험에서는 일정한 유량과 최대로 설정할 수 있는 하류단 수위를 설정한 후 포설된 사석이 탈퇴되는 시점까지 하류단 수위를 천천히 낮춰서 유속을 증가시켰다. 만곡수로에서 호안이 최초로 이탈하기 시작하는 지점은 유입부의 만곡부며 하도의 만곡에 의하여 발생하는 수충부의 유속 및 소류력 증가로 호안이 이탈하기 시작했다.
호안이 이탈하기 시작하면 하류수문을 고정하고 이탈상황을 관찰하면서 더 이상 사석호안의 이탈이 발생하지 않는 시점에서 수로 내의 수심과 유속을 관찰하였다. 수심은 0.1 mm 까지 측정이 가능한 포인트 게이지를 이용하여 측정하였으며, 유속은 1차원 유속계를 이용하여 3점법으로 측정하는 것을 기본으로 하였다. 수심이 얕아 3점을 적용하기 어려운 경사면 위의 관측지점에서는 1점법으로 유속을 관측하였다.
하천의 만곡이 사석호안의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 만곡수로를 설치하고 수리실험을 수행하였다. 제방경사는 1V : 2H로서 현재 하천의 가장 일반적인 제방경사를 구현하였다. 하천의 사행에 의해 발생하는 원심력이 사석호안에 미치는 영향을 분석하기 위하여 곡률반경 2.
만곡흐름특성분속을 위한 수치모의는 경질성 호안 수리실험과 동일한 조건으로 수행하였다. 하류단 말단은 경계조건을 설정하기 위해 XS #10을 최하류단으로 설정하였으며 실험으로 측정된 수위의 평균수위를 적용하였다.
하천의 만곡이 사석호안의 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 만곡수로를 설치하고 수리실험을 수행하였다. 제방경사는 1V : 2H로서 현재 하천의 가장 일반적인 제방경사를 구현하였다.
수로내의 흐름이 사석호안의 안정성에 영향을 미치는 조건을 구현하기 위하여 하류에 설치된 수문을 점진적으로 개방하면서 호안의 이탈상태를 관찰하였다. 호안이 이탈하기 시작하면 하류수문을 고정하고 이탈상황을 관찰하면서 더 이상 사석호안의 이탈이 발생하지 않는 시점에서 수로 내의 수심과 유속을 관찰하였다. 수심은 0.
대상 데이터
사석호안의 제원은 수로에 공급할 수 있는 유량과 예상 최대 유속을 고려하여 d50=0.010 m으로 설정하였으며 XS #03～XS #06까지 길이 약 5.8 m인 사석호안을 설치하였다. 만곡수로에는 원심력에 의해 유속 및 전단응력이 가장 크게 발생하는 지점을 예측하기 어려우므로, 만곡시점부터 종점까지 양안의 제방 경사면에 사석호안을 설치하였다.
9 m이다. 수로의 길이는 유입부로부터 유출부까지 직선거리가 25.2 m이다(Fig. 1).
제방경사는 1V : 2H로서 현재 하천의 가장 일반적인 제방경사를 구현하였다. 하천의 사행에 의해 발생하는 원심력이 사석호안에 미치는 영향을 분석하기 위하여 곡률반경 2.5 m의 연속된 만곡을 갖는 수로를 설치하였다. 수로의 폭은 주수로가 0.
이론/모형
단면에서의 평균유속과 최대유속을 이용하여 호안사석 직경을 산정하여 비교하여 적용유속에 따른 사석직경의 차이를 분석하였다. 호안사석결정공식은 2.2절에서 설명한 공식 중 하도의 평균유속을 사용하고 본 연구에서 설정된 변수들만으로 계수들을 결정할 수 있는 Pilarczyk이 제시한 공식을 적용하였다. 적용유속에 따른 상대적인 차이를 확인하기 위한 것이므로 다른 호안사석결정공식에 대해서는 적용하지 않았다.
성능/효과
경질성 호안 수리실험과 동일한 조건으로 수치모의한 결과에 대한 동일지점의 유속과 수위를 비교하여 Table 2에 나타냈다. 그 결과 유속의 경우 대부분 유사하게 나타났으며 만곡에 의한 유속의 집중 및 변화의 양상을 잘 구현하는 것으로 나타났다. 수위의 경우는 수리실험에서 더 큰 수위의 변동성을 나타냈다.
Pilarczyk가 제시한 호안사석 결정공식으로 사석규모를 산정한 결과를 Table 3에 나타냈다. 그 결과 평균유속으로 산정하였을 경우 Case 01의경우 약 0.01 m로 포설된 사석과 동일한 규모로 이론적으로는 거의 붕괴가 발생하지 않아야 하지만 실제로 붕괴가 발생하였으며 최대유속으로 사석직경을 산정한 결과 평균유속으로 산정한 사석규모에 비해 2.97～4.66배 크게 산정되었다. Case 02와 Case 03의 경우에서도 각각 2.
9에 본 연구에서 도출된 결과와 함께 도시하였다. 그결과 금회 산정한 결과는 하나의 곡률반경에 대해서 다양한 흐름조건에 대한 것으로 그 범위가 Maynord와 Kim and Yoon 이 산정한 보정계수범위와 유사하게 분포하였으며 보정계수의 평균값은 3.21로 Maynord가 제시한 보 정계수와 근접한 결과를 나타냈으나 과다 산정되는 것으로 나타났다.
따라서 만곡부에 대한 호안의 설계시 유속분포의 확인을 통해 난류나 2차류와 같은 흐름특성을 검토하고 국부적인 최대유속을 고려하여 호 안사석의 직경을 결정하는 것이 안전측에서 타당한 것으로 판단된다. 또한 기존에 제시된 곡률에 대한 보정계수는 흐름조건이 고려되지 않았지만 본 연구의 결과를 통해 동일한 곡률을 갖는 수로에서도 흐름조건에 따라 보정계수 값이 다양하게 분포하는 것으로 나타났다. 따라서 추후 곡률반경 및 흐름조건에 대한 영향을 고려하고 대표형상 및 흐름에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.
5에 나타냈다. 모든 Case에 대해서 첫 번째 만곡부의 좌안에서 붕괴가 시작되어 하류단으로 붕괴가 발달해나가는 실험결과와 같이 동일한 지점에서 전단응력이 크게 나타났으며 붕괴가 발생한 지점과 전단응력이 큰 지점이 거의 일치하였다. Case 01과 Case 02와 달리 Case 03의 경우 두 번째 만곡부 우안에서도 붕괴가 발생하였으나 전단응력은 작게 나타났다.
본 연구의 결과에서 직선수로에서의 호안사석의 직경을 산정하는 것과 만곡부에서의 호안사석의 직경은 그 산정방법을 달리해야 하는 것을 알 수 있다. 3차원적인 복잡한 흐름이 발생하는 하천의 만곡부에서는 직선수로에서 사용하는 호안사석결정공식을 그대로 사용하는 경우 안전성확보가 어려울 수 있다.
본 연구에서는 취약지점을 파악하는 것이 목적이므로 각 단면에 대한 최대유속이 중요한 인자 이다. 수리실험과 수치모의에 대해서 최대유속을 비교한 결과 만곡부가 끝나는 지점의 2개 지점(Case 01, 02의 XS #08)을 제외하고 모두 10% 이내 오차로 재현이 가능한 것으로 나타났다(Fig. 4(a)).
후속연구
또한 기존에 제시된 곡률에 대한 보정계수는 흐름조건이 고려되지 않았지만 본 연구의 결과를 통해 동일한 곡률을 갖는 수로에서도 흐름조건에 따라 보정계수 값이 다양하게 분포하는 것으로 나타났다. 따라서 추후 곡률반경 및 흐름조건에 대한 영향을 고려하고 대표형상 및 흐름에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.
4(a)). 수위의 경우는 수면의 변동성은 유사하게 재현되지 않았으나 평균수위로 비교하면 5 %이내의 오차로 재현이 되는 것으로 나타났으므로 수리실험에서도 연속적인 측정을 통해 평균된 수위를 비교하면 더 정확한 예측이 가능 할 것으로 판단된다(Fig. 4(b)).
이처럼 만곡부의 경우 복잡한 3차원적인 흐름이 발생해 제방사면의 전단응력뿐만 아니라 난류, 2차류 등도 호안의 안정성에 영향을 미치기 때문에 직선수로에서와 같은 호안사석 결정 공식을 통해 호안을 설계할 경우 안전성을 확보하지 못할 가능성이 높으므로 적절한 수리해석 및 안전율 적용이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제방의 기능은?
제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다.
제방의 붕괴원인은?
제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다. 따라서, 이러한 호안의 안정성은 제방 전체의 안정성과 직결되는 중요한 요소이다.
호안의 설계에 대한 연구의 예는?
호안의 설계에 대한 연구는 일정 흐름조건에 대해서 이동하지 않는 입경을 결정하는 식을 제안하는 연구로부터 시작되었다. Isbash (1935)는 사면을 월류하는 흐름에 의한 침식을 방지하기 위하여 사석크기 결정식을 제안하였다. 이후 Pilarczyk (1990), Escarameia and May (1992) 및 Maynord (1993) 등에 의해 개선된 사석결정공식을 제안하였으나 이는 모두 하도의 평균유속에 대한 사석의 결정공식으로 직선수로에 적합한 식이라는 한계를 가지고 있으나 안전율을 적용하여 자연하천과 같은 만곡수로에도 적용하여 호안 설계시 주로 사용되는 공식들이다. Kim et al. (2007)은 유선의 형태, 하상경사, 유속 및 소류력비 등에 대한 호안의 평가점수를 제안하였으나 평가기준의 명확한 물리적인 근거가 제시되지 않았다. 또한, Bae et al. (2008)은 Simons et al. (1984)이 수행한 실험자료를 분석하여 Shields 계수와 전단응력을 산정하고 호안용 매트리스 채움재의 안정조건을 만족시키는 한계허용 전단응력의 범위를 제시하였다.
참고문헌 (15)
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Isbash, S.V. (1935). "Construction of dams by dumping stones in flowing water Translated by A. Dorijikov." U.S. Army Engineering District, Eastport, Me.
Japan Institute of Country-ology and Engineering (2007). Dynamic Design of Revetments, Sankaido.
Kim, Y.H., Park, N.H., Jin, Y.H., and Kim, C. (2007). "Development and Application of Evaluation Technique for Revetment for Nature-Friendly River Improvement." Journal ofKorea Water Resources Association, Vol. 40, No. 12, pp. 1007-1014.
Kim, H.J., and Yoon, K.S. (2014). "Suggestion of Riprap Revetments Design Techniques considering River Meandering." Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 14, No. 6(Dec. 2014), pp. 405-411.
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Maynord, S.T. (1993). Corps Riprap Design Guidance for Channel Protection, Coastal and Shoreline Protection: Erosion Control Using Riprap and Armourstone, pp. 41-52.
Pilarczyk, K.W. (1990). "Stability Criteria for Revetments, Hydraulic Engineering." Proceedings of the 1990 National Conference, American Society of Civil Engineers, New York. pp. 245-250.
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Simons, D.B., Chen, Y.H., and Swenson, L.J. (1984). "Hydraulic test to develop design criteria for the use of reno mattresses." Simons and associates.
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