[국내논문]보 설치에 따른 광정횡월류위어의 월류량 개선 효과 The Effectiveness of Overflow Improvement of Broad-Crested Side Weirs according to Installing a Hydraulic Structure원문보기
본 연구에서는 광정횡월류위어 설치 예정지 하류쪽 본류 흐름내에 소규모 보를 설치하는 경우, 위어의 월류량 개선효과를 수리실험을 통해 확인하였다. 위어는 선행연구를 통해 월류량 소통능력이 가장 우수한 것으로 확인된 1 : 1 사다리꼴 형상의 광정횡월류위어를 사용하였다. 위어높이와 수로높이는 각각 0.06 m와 0.2 m이고, 예비실험을 통해 보의 높이를 광정횡월류위어높이의 1/3인 0.02 m로 결정하였다. 하류쪽에 설치되는 보가 위어로 부터 떨어지는 거리에 대한 보의 높이의 비($B_h/L_b$)가 0.05, 0.025, 0.0167인 경우 월류량의 변화를 분석하였다. 보의 위치가 위어에 가까울수록 단위폭당 월류량이 많아졌으며, 각 8.1%, 5.4% 및 3.9% 증가하는 것으로 나타났다. 기존의 광정횡월류위어 유량계수식에 $B_h/L_b$를 매개변수로 추가하여 새로운 유량계수식을 제시하였다. 또한 선행연구 및 기존 연구자들의 실험자료와 본 실험의 연구자료를 비교하였으며, 측정된 월류량과 계산된 월류량을 비교하여 새롭게 제안하는 유량계수식의 적용성을 확인하였다.
본 연구에서는 광정횡월류위어 설치 예정지 하류쪽 본류 흐름내에 소규모 보를 설치하는 경우, 위어의 월류량 개선효과를 수리실험을 통해 확인하였다. 위어는 선행연구를 통해 월류량 소통능력이 가장 우수한 것으로 확인된 1 : 1 사다리꼴 형상의 광정횡월류위어를 사용하였다. 위어높이와 수로높이는 각각 0.06 m와 0.2 m이고, 예비실험을 통해 보의 높이를 광정횡월류위어높이의 1/3인 0.02 m로 결정하였다. 하류쪽에 설치되는 보가 위어로 부터 떨어지는 거리에 대한 보의 높이의 비($B_h/L_b$)가 0.05, 0.025, 0.0167인 경우 월류량의 변화를 분석하였다. 보의 위치가 위어에 가까울수록 단위폭당 월류량이 많아졌으며, 각 8.1%, 5.4% 및 3.9% 증가하는 것으로 나타났다. 기존의 광정횡월류위어 유량계수식에 $B_h/L_b$를 매개변수로 추가하여 새로운 유량계수식을 제시하였다. 또한 선행연구 및 기존 연구자들의 실험자료와 본 실험의 연구자료를 비교하였으며, 측정된 월류량과 계산된 월류량을 비교하여 새롭게 제안하는 유량계수식의 적용성을 확인하였다.
In this study, the effectiveness of overflow improvement of weir was tested by conducting hydraulic experiments at the designated spot for installment of side weir under the condition of installment of hydraulic structures such as small reservoir in mainstream. The height of the reservoir was set up...
In this study, the effectiveness of overflow improvement of weir was tested by conducting hydraulic experiments at the designated spot for installment of side weir under the condition of installment of hydraulic structures such as small reservoir in mainstream. The height of the reservoir was set up as a third of that of the weir, accordingly the rate of the height of the weir and the distance of the reservoir from the weir($B_h/L_b$) were 0.05, 0.025, 0.0167 each. As a result, overflows per unit width increased by 8.1%, 5.4% and 3.9% perspectively. A new discharge coefficient that adds $B_h/L_b$ as parameter to the existing discharge coefficient of trapezoidal broad crested side weir was suggested and the application of the new formula of discharge coefficient by comparing measured overflow with calculated overflow was identified.
In this study, the effectiveness of overflow improvement of weir was tested by conducting hydraulic experiments at the designated spot for installment of side weir under the condition of installment of hydraulic structures such as small reservoir in mainstream. The height of the reservoir was set up as a third of that of the weir, accordingly the rate of the height of the weir and the distance of the reservoir from the weir($B_h/L_b$) were 0.05, 0.025, 0.0167 each. As a result, overflows per unit width increased by 8.1%, 5.4% and 3.9% perspectively. A new discharge coefficient that adds $B_h/L_b$ as parameter to the existing discharge coefficient of trapezoidal broad crested side weir was suggested and the application of the new formula of discharge coefficient by comparing measured overflow with calculated overflow was identified.
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문제 정의
본 연구에서 진행된 실험을 통하여 얻어진 매개변수 값과 횡월류량을 계산하고, 기존의 연구자들이 제시한 유량 계수식을 이용한 계산치와 비교해서 본 연구성과의 적용성을 검토하였다. 기존의 횡월류위어에 대한 유량계수식을 Table 5에 나타내었으며, 그 계산치를 본 실험값과 비교하여 절대평균오차와 함께 나타내었다.
큰 규모로는 4대강에 설치된 16개의 보와 한강에 기설치된 신곡 및 잠실 수중보처럼 1 km에 가까운 것이 있고, 작은 규모로는 1∼2m의 소하천에 설치된 것이 있다. 본 연구에서는 기존의 보가 가지고 있는 수위조절기능인 수리학적 특성을 이용하되, 횡월류위어의 월류량을 개선시킬 수 있는 보완적 성격의 수리구조물로서 도입하였다. 즉 가동보는 하천 본류의 흐름에 있어서 홍수소통 저하나 저류기능에 의한 수질악화 등을 일으키지 않고, 수위상승에 따른 횡월류위어의 월류수심 증가를 유도할 수 있는 것으로 판단하였다.
본 연구에서는 본류 흐름내에 소규모 보와 같은 수리구조물을 설치하는 경우, 보 상류에 위치하는 사다리꼴 광정횡월류 위어의 월류량 개선효과를 수리실험을 통해 확인하였다. 실험에 사용된 위어는 선행연구를 통해 월류량 소통능력이 가장 우수한 것으로 확인된 바 있는 1 : 1 사다리꼴 형상의 광정횡월류위어이다.
본 연구의 주된 목적은 광정횡월류위어의 흐름조건을 개선하여 횡월류를 통한 월류량을 증가시키는 데 있다. 실제 하천이나 배수로 등에서 주변 여건이 여의치 못하여 필요한 크기로 위어를 설치하지 못할 수도 있고, 위어 규모에 비해 보다 많은 양의 물을 배제시켜야 할 경우도 있다.
가설 설정
De Marchi (1934)는 횡월류위어부에서 비에너지가 일정하다고 가정하여 월류량을 구하는 공식과 유량계수식을 제시하였다. De Marchi는 유량계수를 산정하기 위해 횡월류위어의 길이방향에 따라 위어의 유량계수가 일정하다고 가정하였다. Subramanya and Awasthy (1972)는 실험에 의해 유량계수가 결정될 수 있음을 주장하였고, 상류와 사류에 대한 유량계수를 제안하였다.
제안 방법
Eq. (8)의 다중선형회귀식을 기본방정식으로 하여 유량계수를 산정하고 결정계수 R2을 통해 각 매개변수의 중요도를 확인하였다. 분석은 PASWStatistics 18 통계프로그램을 이용하여 결정계수와 잔차를 산정하였다.
4) 사다리꼴 광정횡월류위어에 대한 보의 위치에 따른 매개변수 Bh/Lb를 포함한 위어의 유량계수식을 제안하였다. 이는 월류량을 개선시키기 위한 새로운 시도이지만 보가 가지고 있는 수질악화 및 퇴사 등 역기능으로 인해 실질적인 적용은 제한적일 것으로 판단된다.
이와 같은 경우, 위어 하류부에 보와 같은 소규모의 수리구조물을 병행해서 설치함으로서 흐름이 안정된 상태에서 수위증가를 유도하여 월류량 개선 효과를 기대할 수있다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 수로내에 3가지 조건의 보를 설치하고, 각 180가지 총 540가지의 경우에 대해 흐름특성 및 변화를 측정하여 분석하였다. Fig.
계산된 횡월류량과 측정된 횡월류량을 비교하여 채택된 유량계수식의 적용성을 확인하였다. 본류내 보의 높이에 대한 위어로부터 떨어진 거리비(Bh/Lb)를 포함한 유량계수식을 적용하여 계산된 횡월류량과 측정된 횡월류량을 비교한 그래프를 Fig.
0167이다. 다양한 수로경사 및 본류 흐름조건으로 실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
산정시 6개의 매개변수 모두를 이용하는 것보다는 중요도가 높은 3∼4개의 매개변수를 활용하고 있지만, 본 연구에서는 Table 3에 나타낸 바와 같이 모든 매개변수의 조합이 가장 적절한 것으로 판단되었다. 따라서 본류 흐름조건의 다양한 변화에 대한 적용성을 위해 모든 매개변수를 이용한 유량계수식 CM을 산정하였다. 통합 유량계수식 CM에서 S0를 제외한 경우 R2가 0.
은 유량계수로서 횡월류위어의 길이방향에 따라 변하지 않고 일정하다. 본 연구에서는 위어 하류쪽 본류 수로내에 소규모 보와 같은 수리구조물을 설치하여 월류수심 상승에 따른 위어의 월류량 증가를 분석하였고, Eqs. (4) and (5)를 기본이론식으로 하여 1:1 사다리꼴 광정횡월류위어의 유량계수를 산정하였다.
2% 간격으로 하여 5가지의 변화를 주었다. 사다리꼴 본류 수로의 저면폭(B) 0.2 m에 대해 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이(L)을 1.0, 0.6, 0.2 m로 하여 L/B가 5.0, 3.0, 1.0인 조건에 대해 실험하였다. 하류쪽 수문높이는 0, 0.
상류 프루드수 Fru와 횡월류위어높이 및 상류수심비 h/yu를 고려하기 위해 수로경사를 0.1∼ 0.9%까지 0.2% 간격으로 하여 5가지의 변화를 주었다.
0167)를 고려하여, 위어의 월류량에 미치는 영향을 분석하였다. 수로 내에 소규모 보를 설치하는 경우, 본류의 흐름이 안정된 상태에서 월류량이 증가되는 것을 확인할 수 있었고, 보가 설치된 광정횡월류위어의 유량계수 식을 제안하였다. 제안된 유량계수식은 기존의 일반적인 예연 및 광정위어 등의 유량계수식과 비교하는 것은 다소 모순된 점이 있는 것으로 판단되지만, 기존의 유량계수식보다 적용성이 높은 것으로 확인되었다.
즉 가동보는 하천 본류의 흐름에 있어서 홍수소통 저하나 저류기능에 의한 수질악화 등을 일으키지 않고, 수위상승에 따른 횡월류위어의 월류수심 증가를 유도할 수 있는 것으로 판단하였다. 이를 위해, 예비수리실험으로 위어높이에 대한 보의 높이를 결정한 후, 보의 높이(Bh)에 대한 위어로부터 보가 떨어진 거리(Lb)의 비 3가지(Bh/Lb = 0.05, 0.025, 0.0167)를 고려하여, 위어의 월류량에 미치는 영향을 분석하였다. 수로 내에 소규모 보를 설치하는 경우, 본류의 흐름이 안정된 상태에서 월류량이 증가되는 것을 확인할 수 있었고, 보가 설치된 광정횡월류위어의 유량계수 식을 제안하였다.
따라서 본류내 보의 3가지 위치에 따른 각 조건별 180가지, 총 540가지에 대해 실험하였다. 횡월류량은 유도 수로를 통해 저수조로 유입시킨 후 예연위어 및 수조를 이용하여 측정하였고, Table 1에 실험조건 및 방법을 나타내었다. 여기서, Q는 공급유량, L은 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이, B는 사다리꼴 본류수로의 저면 폭, S0는 수로경사, Bh는 보의 높이, Lb는 위어와 보가 떨어진 거리, ydown은 본류 하류에 설치된 수문의 높이이다.
대상 데이터
기본적인 수리실험 장치는 Fig. 3과 같고, 길이 14.0 m, 폭 0.6 m, 높이 0.2 m, 가변경사의 1 : 1 사다리꼴단면 개수로 실험장치를 이용하였으며, 선행연구결과를 통해 1 : 1 사다리꼴형상의 광정횡월류위어를 사용하였다.
06 m로 조절하여 하류수위 조건을 변화시켰다. 따라서 본류내 보의 3가지 위치에 따른 각 조건별 180가지, 총 540가지에 대해 실험하였다. 횡월류량은 유도 수로를 통해 저수조로 유입시킨 후 예연위어 및 수조를 이용하여 측정하였고, Table 1에 실험조건 및 방법을 나타내었다.
본 연구에서는 본류 흐름내에 소규모 보와 같은 수리구조물을 설치하는 경우, 보 상류에 위치하는 사다리꼴 광정횡월류 위어의 월류량 개선효과를 수리실험을 통해 확인하였다. 실험에 사용된 위어는 선행연구를 통해 월류량 소통능력이 가장 우수한 것으로 확인된 바 있는 1 : 1 사다리꼴 형상의 광정횡월류위어이다. 위어와 실험수로의 높이는 각각 0.
측점의 위치는 Fig. 4와 같이 수로에 총 35개의 횡단면을 설정하였고, 횡월류위어가 설치되는 수로 중심부 4.4 m 구간은 본류 흐름변화를 세밀하게 관찰하기 위해 0.2 m의 조밀한 간격으로 구성하였다. 나머지 구간은 0.
데이터처리
(8)의 다중선형회귀식을 기본방정식으로 하여 유량계수를 산정하고 결정계수 R2을 통해 각 매개변수의 중요도를 확인하였다. 분석은 PASWStatistics 18 통계프로그램을 이용하여 결정계수와 잔차를 산정하였다. Eq.
성능/효과
1) 사다리꼴 광정횡월류위어의 하류쪽 본류흐름 내에 보와 같은 소규모 수공구조물을 설치하는 경우, 위어의 월류량이 증가하는 것으로 나타났다.
2) 사다리꼴 광정횡월류위어 하류에 보를 설치할 때, 본류 수로의 경사가 급할 때 보다 완만한 경우 그리고 보의 설치위치는 위어에 가까울수록 월류량 개선효과가 더 큰 것으로 나타났다.
3) 본류 수로의 저면폭에 대한 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이의 비가 1.0, 3.0, 5.0일 때 월류량이 각각 8.9%, 5.9%, 2.5% 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이가 작을수록 보설치 효과가 더 큰 것을 의미한다. 또한 보가 위어에 대한 상대적 위치가 가까울수록 월류량이 8.
00이다. 그리고 횡월류위어 형상에 대한 매개변수 L/LH가 포함되어 있으며, 본 연구에서 실험으로 측정한 값을 적용한 계산치와의 절대평균오차는 20.42%로 다소 높게 나타났다. 여기서 LH는 횡월류위어의 상단길이 이다.
기존의 연구성과들에 따르면 유량계수 CM 산정시 6개의 매개변수 모두를 이용하는 것보다는 중요도가 높은 3∼4개의 매개변수를 활용하고 있지만, 본 연구에서는 Table 3에 나타낸 바와 같이 모든 매개변수의 조합이 가장 적절한 것으로 판단되었다.
5% 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이가 작을수록 보설치 효과가 더 큰 것을 의미한다. 또한 보가 위어에 대한 상대적 위치가 가까울수록 월류량이 8.1%, 5.4%, 3.9% 증가하는 것으로 나타났다.
9% 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사다리꼴 횡월류 위어의 저면길이가 작을수록 보설치 효과가 더 큰 것을 의미한다. 또한 사다리꼴 횡월류위어의 저면길이에 관계없이, 수로 내에 설치하는 보의 위어에 대한 상대적 위치 (Bh/Lb)가 가까울수록 월류량 개선효과가 8.1%, 5.4%, 3.9%로서 더 큰 것으로 나타났다.
68이다. 본 연구의 실험치를 적용하여 분석한 계산치와의 절대평균오차는 16.73%로 나타났다. 이는 횡월류위어 형상계수 L/LH가 포함되지 않아 상대적으로 단순하지만, 오차가 크게 나타나는 것은 상류 및 사류에 모두 적용가능 한 것에 기인하는 것으로 판단된다.
0)일 때이며, 수로경사와 수로 내에 설치한 보의 상대적 위치(Bh/Lb)에 따른 단위폭당 유량(qw)의 변화를 나타낸다. 수로 내에 설치한 보의 상대적 위치, 즉 보가 위어에 떨어진 거리에 관계없이 수로경사가 급할 때 보다 수로경사가 완만할 때 월류량이 개선되는 것으로 나타났다. 특히, 수로경사가 완만할 때(S = 0.
0)일 때이며, 보 설치로 인해 단위폭당 월류량이 상대적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이 경우에도 수로경사가 완만할 때(S=0.1, 0.3%)가 수로 내에 설치한 보의 상대적 위치(Bh/Lb)가 가까울수록 월류량이 증가하는 것으로 나타났으며, 수로경사가 급해 질수록 월류량 증가 효과가 작게 나타났다.
수로 내에 소규모 보를 설치하는 경우, 본류의 흐름이 안정된 상태에서 월류량이 증가되는 것을 확인할 수 있었고, 보가 설치된 광정횡월류위어의 유량계수 식을 제안하였다. 제안된 유량계수식은 기존의 일반적인 예연 및 광정위어 등의 유량계수식과 비교하는 것은 다소 모순된 점이 있는 것으로 판단되지만, 기존의 유량계수식보다 적용성이 높은 것으로 확인되었다. 그리고 횡월류위어의 월류량을 개선시키기 위해 본류의 하도 내에 보를 설치하는 것은 새로운 시도이지만, 보가 가지고 있는 수질악화 및 퇴사가능성 등의 역기능으로 인해 실질적인 적용은 제한적일 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존의 보가 가지고 있는 수위조절기능인 수리학적 특성을 이용하되, 횡월류위어의 월류량을 개선시킬 수 있는 보완적 성격의 수리구조물로서 도입하였다. 즉 가동보는 하천 본류의 흐름에 있어서 홍수소통 저하나 저류기능에 의한 수질악화 등을 일으키지 않고, 수위상승에 따른 횡월류위어의 월류수심 증가를 유도할 수 있는 것으로 판단하였다. 이를 위해, 예비수리실험으로 위어높이에 대한 보의 높이를 결정한 후, 보의 높이(Bh)에 대한 위어로부터 보가 떨어진 거리(Lb)의 비 3가지(Bh/Lb = 0.
보를 설치할 때 Table 1의 3가지 실험조건으로 흐름특성을 분석한 결과, 기존의 횡월류위어 흐름에서 나타나지 않았던 새로운 현상을 확인할 수 있었다. 즉 기존 횡월류위어의 흐름에서는 수로의 경사가 위어의 월류량 변화에 주요한 변수가 되지 못하였으나, 위어 하류부에 보를 설치하는 본 실험에서는 수로경사가 주요한 변수가 되는 것으로 나타났다.
수로 내에 설치한 보의 상대적 위치, 즉 보가 위어에 떨어진 거리에 관계없이 수로경사가 급할 때 보다 수로경사가 완만할 때 월류량이 개선되는 것으로 나타났다. 특히, 수로경사가 완만할 때(S = 0.1, 0.3%), 보의 위치가 위어로부터 가까운 경우 월류량 개선 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
후속연구
5) 실험 수로의 저면폭 변화에 따른 다양한 위어의 제원과 월류량변화 및 유량계수식의 산정 등 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
제안된 유량계수식은 기존의 일반적인 예연 및 광정위어 등의 유량계수식과 비교하는 것은 다소 모순된 점이 있는 것으로 판단되지만, 기존의 유량계수식보다 적용성이 높은 것으로 확인되었다. 그리고 횡월류위어의 월류량을 개선시키기 위해 본류의 하도 내에 보를 설치하는 것은 새로운 시도이지만, 보가 가지고 있는 수질악화 및 퇴사가능성 등의 역기능으로 인해 실질적인 적용은 제한적일 것으로 판단된다.
를 포함한 위어의 유량계수식을 제안하였다. 이는 월류량을 개선시키기 위한 새로운 시도이지만 보가 가지고 있는 수질악화 및 퇴사 등 역기능으로 인해 실질적인 적용은 제한적일 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
횡월류위어에 대한 주된 연구주제는?
횡월류위어에 대한 주된 연구주제는 횡월류위어의 유량계수에 관한 경험식을 개발하는 것이었다. De Marchi (1934)는 횡월류위어부에서 비에너지가 일정하다고 가정하여 월류량을 구하는 공식과 유량계수식을 제시하였다.
기존의 보를 횡월류위어의 수리구조물로서 도입한 이유는?
본 연구에서는 기존의 보가 가지고 있는 수위조절기능인 수리학적 특성을 이용하되, 횡월류위어의 월류량을 개선시킬 수 있는 보완적 성격의 수리구조물로서 도입하였다. 즉 가동보는 하천 본류의 흐름에 있어서 홍수소통 저하나 저류기능에 의한 수질악화 등을 일으키지 않고, 수위상승에 따른 횡월류위어의 월류수심 증가를 유도할 수 있는 것으로 판단하였다. 이를 위해, 예비수리실험으로 위어높이에 대한 보의 높이를 결정한 후, 보의 높이(Bh)에 대한 위어로부터 보가 떨어진 거리(Lb)의 비 3가지(Bh/Lb = 0.
수로 내에서 홍수를 관리하는 방법의 한계점은?
기상이변과 도시화로 인한 불투수면적 증가로 홍수피해잠재능이 지속적으로 증가하고 있다. 제방증고나 하천 개수 등 수로 내에서 홍수를 관리하는 방법은 극한 홍수 재해에 취약한 한계성을 지니고 있어, 강변저류지를 건설하는 방안이 제시되고 있다. 횡월류위어는 유량관리, 에너지소실, 유량전환, 수심규제, 홍수통제 등의 수단으로 사용되는 수공구조물이며, 초과홍수량 제어시에는 정확한 월류량 산정이 필요하다.
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