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문제 정의
- 이와 같이 두부침식의 거동을 분석하기 위해 다양한 방법을 활용한 연구가 수행되었으나 대부분의 연구에서 단면내 유속분포를 고려한 평면적 분석이 아닌 종단면에서의 분석이 주를 이루고 있어 하도의 좌안과 우안 및 중앙에서의 유속차를 고려하지 못하는 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 비점착성 모래 하상에서의 두부침식 수리실험을 통해 개수로 종단면뿐만 아니라 평면 분석 결과를 활용한 단면내 유속변화가 천급점 이동 및 최종 하상경사에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이러한 연구결과는 두부침식의 전반적인 메커니즘을 분석하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 개수로 내 측벽에서 존재하는 마찰의 영향으로 한 단면에서의 유속분포는 위치에 따라 다르기 때문에[8] 개수로 단면 내 유속 분포의 변화를 고려하기 위한 평면분석을 수행하였다. 본 연구에서는 이러한 유속 분포를 정량적으로 측정하기 위해 비침식성 레이어를 활용하여 두부침식의 이동성을 평면적으로 분석하였다.
제안 방법
- CASE 1과 CASE 2는 시간에 따른 천급점 이동성 분석을 위해 유량을 고정한 후 일정한 시간동안 실험을 진행하였으며 CASE 3에서 CASE 13의 실험은 상·하류단 유속차 및 수위차가 천급점 이동과 하상경사에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험 조건이다.
- 두부침식 천급점 이동을 재현하기 위하여 실험 조건의 유속을 견딜 수 있는 격자형태의 비침식성 레이어 타일을 Fig. 2와 같이 포설하였으며, 구간별로 4가지 색상을 적용하여 천급점 분석이 시각적으로 용이하도록 하였다. 상류단에는 흰색 280개의 타일을 0.
- 두부침식에 관한 연구로 [3]이 단차가 형성된 급경사 구간에서의 수리학적 흐름 계산 및 수리실험을 수행하였으며, 이를 토대로 두부침식 전개과정에 대한 기준을 제시하였다. [4]는 천급점 거동분석을 위해 비점착성 재료를 이용한 수리실험을 수행하였고 단차가 없어질 때까지 천급점 이동이 지속적으로 발생하는 것을 확인하였다.
- 또한 개수로 내 측벽에서 존재하는 마찰의 영향으로 한 단면에서의 유속분포는 위치에 따라 다르기 때문에[8] 개수로 단면 내 유속 분포의 변화를 고려하기 위한 평면분석을 수행하였다. 본 연구에서는 이러한 유속 분포를 정량적으로 측정하기 위해 비침식성 레이어를 활용하여 두부침식의 이동성을 평면적으로 분석하였다.
- 본 논문에서는 유속과 수위 변화에 따른 천급점이동에 대해 분석하였으며 먼저 상·하류단 유속차(△V)에 따른 두부침식 천급점 이동분석을 분석하였다.
- 본 실험에서는 상류단 유량과 하류단 수위 조절을 통해 상·하류단 유속차 및 수위차가 하상경사와 시간에 따른 천급점 이동에 미치는 영향을 분석하였으며 실험조건은 Table 1과 같다.
- 48 m 사각 위어가 설치되어 있으며 수로의 끝에는 수위를 조절할 수 있는 수문이 설치되어있다. 본 실험에서는 유량과 수심을 실험수로에서 직접 측정한 후 유속은 사각형 단면의 개수로 연속방정식을 이용하여 상류단과 하류단에 대해 각각 계산하였다.
- 본 연구에서는 수리실험을 통해 단면내 유속변화가 비점착성 모래 하상의 두부침식으로 인한 천급점 이동 및 하상경사에 미치는 영향을 분석하였으며 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 시간에 따른 두부침식 이동성 분석을 위해 유량(Q=0.017 m3/s)을 고정시킨 후 천급점 이동(ΔL)을 분석하였다.
- 수리실험이 진행되는 동안 15초, 20초, 25초, 30초, 35초, 40초, 1분, 2분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간 경과 후 이동점을 측정하였으며 천급점 이동 길이(ΔL)는 Fig. 4와 같다.
- 이러한 하상경사의 변화 또한 두부침식의 이동성 분석을 파악하는데 중요한 변수이며 본 장에서는 상·하류단 유속차 및 수위차에 의한 최종 하상경사를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 두부침식 이동성 메커니즘 분석을 위해 수조 길이 7.5 m, 높이 0.5 m, 폭 0.8 m인 가변형 경사수로를 사용하였다(Fig. 1). 개수로 상류단에는 고수조에 유입된 물을 받아 유량을 조절할 수 있는 0.
- 2와 같이 포설하였으며, 구간별로 4가지 색상을 적용하여 천급점 분석이 시각적으로 용이하도록 하였다. 상류단에는 흰색 280개의 타일을 0.56 m 포설하였으며, 검은색 타일은 320개 포설길이 0.64 m, 적색 타일 360개 포설길이 0.72 m, 황색 타일 380개 포설길이 0.52 m로 총 1,340개의 타일을 사용하였고 총 포설길이는 2.44 m로 하였다. 타일 포설길이는 색상별로 상이하나 이러한 실험조건이 실험결과에 미치는 영향은 없으며 물리적 의미를 포함하는 것은 아니다.
- 타일 포설길이는 색상별로 상이하나 이러한 실험조건이 실험결과에 미치는 영향은 없으며 물리적 의미를 포함하는 것은 아니다. 시험에 사용된 타일의 크기는 4 cm x 4 cm 정사각형으로 제작하였으며, 하상토는 중앙입경이 0.5 mm인 모래(Fig. 3)로 포설하였고, 포설 높이는 0.2 m로 하였다.
성능/효과
- 실험 결과, 실험 시작 후 15초 경과 후 수로 중앙의 타일이 붕괴되기 시작하였으며(Fig. 5(a)), 1분 경과 후 수로의 중앙을 중심으로 황색구간이 상당량 붕괴되는 것으로 나타났다(Fig. 5(b)).
- 48 m로 2배 이상의 차이가 있는 것으로 나타났다. 그러나 전체적인 양상은 유속차가 클수록 두부침식 이동길이가 길어지는 일정한 패턴을 가지는 것으로 나타났다.
- 둘째, 시간에 따른 두부침식 이동성을 분석한 결과, 동일한 유량 조건임에도 불구하고 상·하류단 유속차에 의해 천급점 이동이 다른 것으로 나타났으며, 유속차가 클수록 천급점 이동이 더 빠르게 진행되는 것으로 나타났다.
- 6(a)). 또한 CASE 5의 경우 0.31 m/s의 유속차, CASE 13의 경우 0.32 m/s의 유속차로 유사한 조건에서 실험을 수행하였지만 최종 천급점 이동 길이가 각각 0.64 m와 1.48 m로 2배 이상의 차이가 있는 것으로 나타났다. 그러나 전체적인 양상은 유속차가 클수록 두부침식 이동길이가 길어지는 일정한 패턴을 가지는 것으로 나타났다.
- 둘째, 시간에 따른 두부침식 이동성을 분석한 결과, 동일한 유량 조건임에도 불구하고 상·하류단 유속차에 의해 천급점 이동이 다른 것으로 나타났으며, 유속차가 클수록 천급점 이동이 더 빠르게 진행되는 것으로 나타났다. 또한 개수로 단면 내 유속 분포의 변화를 고려하기 위한 평면 분석결과, 좌안과 우안에 비해 중앙의 침식 및 붕괴가 먼저 발생하는 것으로 나타났으며 침식 정도가 더 큰 것으로 나타났다. 천급점의 위치를 기준으로 상·하류단 수위차에 의한 천급점 이동 분석 결과는 유속차에 비해 상대적으로 두부침식 이동성에 미치는 영향이 크지 않는 것으로 나타났으며 이를 통해 상·하류단 수위차보다 유속차가 천급점 이동에 더 민감한 변수임을 알 수 있다.
- 44 m까지 도달하는데 CASE 1의 경우 2시간이 소요되었으며 CASE 2의 경우 3 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 유량조건의 실험에도 불구하고 CASE 2에 비해 CASE 1의 천급점 이동이 더 빠르게 진행되는 것으로 나타나 상하류 유속차의 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 5(f)). 또한 두부침식이 초기에 빠르게 발생하였지만, 시간이 지나면서 증가속도는 감소하는 것으로 나타났다.
- 255 m/s로 설정하여 진행하였다. 분석 결과 수로 내 측정 가능한 최대 천급점 길이인 2.44 m까지 도달하는데 CASE 1의 경우 2시간이 소요되었으며 CASE 2의 경우 3 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 유량조건의 실험에도 불구하고 CASE 2에 비해 CASE 1의 천급점 이동이 더 빠르게 진행되는 것으로 나타나 상하류 유속차의 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 분석결과, 상·하류단 유속차 0.13 m/s에서 0.41 m/s 범위에서는 천급점 이동이 0.56 m에서 1.84 m인 것으로 나타났다(Fig.
- 분석결과, 상·하류단 유속차 0.13 m/s에서 0.41 m/s 범위에서의 하상경사는 0.0157에서 0.134인 것으로 나타났으며, 상·하류단 유속차가 클수록 더 완만한 하상경사가 나타나는 것을 확인하였다(Fig.
- 상·하류단 수위차(△H)에 따른 두부침식 이동성 분석 결과, 상·하류단 수위차 0.013 m에서 0.02 m 범위에서는 천급점 이동이 0.56 m에서 1.84 m인 것으로 나타났으며, 유속차에 비해 상대적으로 두부침식 이동성에 미치는 상관관계가 일정하지 않는 것으로 나타났다(Fig.
- 상·하류단 수위차에 따른 최종 하상경사 분석 결과, 상·하류단 수위차 0.013 m에서 0.02 m 범위에서는 최종 하상경사가 0.0157에서 0.134인 것으로 나타났다.
- 셋째, 유속차에 의한 최종 하상경사 분석 결과, 상·하류단 유속차가 클수록 더 완만한 하상경사가 나타나는 것을 확인하였으며 수위차에 의한 분석 결과, 천급점 이동 분석 결과와 마찬가지로 최종 하상경사와 수위차의 변화는 상관성이 크지 않는 것으로 나타나 유속차에 비해 정량적인 관계로 정의하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.
- 실험 결과, 실험 시작 후 15초 경과 후 수로 중앙의 타일이 붕괴되기 시작하였으며(Fig. 5(a)), 1분 경과 후 수로의 중앙을 중심으로 황색구간이 상당량 붕괴되는 것으로 나타났다(Fig.
- 5(e)). 실험 종료 후 최종 천급점 이동길이 분석결과, 사각형 단면에서의 유속분포는 중앙에서 유속이 가장 크기 때문에, 본 실험에서도 좌안과 우안에 비해 중앙의 침식 및 붕괴가 먼저 발생하는 것으로 나타났으며 좌안과 우안에 비해 침식 정도가 더 크게 나타났다(Fig. 5(f)).
- 천급점의 위치를 기준으로 상·하류단 수위차에 의한 천급점 이동 분석 결과는 유속차에 비해 상대적으로 두부침식 이동성에 미치는 영향이 크지 않는 것으로 나타났으며 이를 통해 상·하류단 수위차보다 유속차가 천급점 이동에 더 민감한 변수임을 알 수 있다.
- 첫째, 두부침식의 발생과 천급점 이동은 초기에 빠르게 진행되었고 시간이 지나면서 증가속도는 감소하였다. 따라서 비첨착성 하상에서는 두부침식 발생 후 상류로 전파되는 범위와 속도가 다르게 나타날 수 있기 때문에 실제 하천에서 두부침식에 대처하는 하상보호공과 같은 구조물을 설치할 경우 이를 고려한 적절한 위치선정 및 규모를 결정하는 것이 필요하다.
- 134인 것으로 나타났다. 최종 하상경사와 수위차의 변화는 상관성이 크지 않는 것으로 나타났으며(Fig. 7(b)), 천급점 이동 분석 결과 Fig.
- 특히 CASE 4와 CASE 6, CASE 7의 경우 수위차가 0.013 m로 동일함에도 불구하고 천급점 이동이 각각 0.6 m, 1.68 m, 1.84 m 인 것으로 나타났으며, 이를 통해 상·하류단 수위차보다 유속차가 천급점 이동에 더 민감한 변수임을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 실제 모래 하천에서도 상하류단 수위차가 크지 않더라도 유속차가 큰 구간에서는 두부침식 발생 및 천급점의 상류 이동 속도가 클 것으로 판단되기 때문에 이러한 구간을 사전에 선별하여 적절한 대비책을 마련하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 CASE 12의 경우 0.3 m/s의 유속차, CASE 11의 경우 0.31 m/s의 유속차로 유사한 조건에서 실험을 수행하였지만 최종 하상경사가 각각 0.0157과 0.0934로 차이가 나타나 상·하류단의 유속차 및 수위차를 모두 고려한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서는 비점착성 모래 하상에서의 두부침식 수리실험을 통해 개수로 종단면뿐만 아니라 평면 분석 결과를 활용한 단면내 유속변화가 천급점 이동 및 최종 하상경사에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이러한 연구결과는 두부침식의 전반적인 메커니즘을 분석하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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