만곡 및 세굴 영향에 의한 유속변화를 고려한 호안설계방법 적용성 검토 Study on Applicability of River Revetment Design for consideration of Velocity Variation due to Meandering and Scour Effect원문보기
호안은 하천제방의 비탈면이 침식되지 않도록 보호하는 기능을 갖는다. 호안의 설계가 적정하지 않을 경우 강한 유속과 소류력에 의해 제방이 세굴되어 붕괴에 이를 수도 있다. 따라서 호안의 설계시 필요한 대표유속을 산정하는 것은 매우 중요하나 대부분 1차원 부등류해석에서 얻어진 수위와 평균유속자료를 적용한다. 이 경우 만곡 수로에서 발생하는 자유소용돌이와 강제소용돌이에 의한 유속증가는 반영되지 않으므로 만곡부 호안의 안정성을 확보하기 위해서는 대표유속에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 수치모의를 통해 단면의 최대유속과 평균유속을 산정하여 만곡 및 세굴영향을 고려한 대표유속 산정방법의 적용성에 대해 검토하였다. 그 결과 단면평균유속에 만곡의 영향과 세굴의 영향을 고려하여 적용한 대표유속과 수치모의결과에 추출된 최대유속을 비교한 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 호안재로로써 돌망태를 사용하는 경우에 대해서 만곡하도와 직선하도 일때의 사석크기를 기존 설계식에 적용하여 비교하였다. 향후, 우리나라의 특성에 맞는 호안설계방법을 제시하기 위하여 하천특성이 다른 대표적인 하천에 대한 추가적인 수치모의 및 분석이 필요하며, 이때 본 연구결과가 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
호안은 하천제방의 비탈면이 침식되지 않도록 보호하는 기능을 갖는다. 호안의 설계가 적정하지 않을 경우 강한 유속과 소류력에 의해 제방이 세굴되어 붕괴에 이를 수도 있다. 따라서 호안의 설계시 필요한 대표유속을 산정하는 것은 매우 중요하나 대부분 1차원 부등류해석에서 얻어진 수위와 평균유속자료를 적용한다. 이 경우 만곡 수로에서 발생하는 자유소용돌이와 강제소용돌이에 의한 유속증가는 반영되지 않으므로 만곡부 호안의 안정성을 확보하기 위해서는 대표유속에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 수치모의를 통해 단면의 최대유속과 평균유속을 산정하여 만곡 및 세굴영향을 고려한 대표유속 산정방법의 적용성에 대해 검토하였다. 그 결과 단면평균유속에 만곡의 영향과 세굴의 영향을 고려하여 적용한 대표유속과 수치모의결과에 추출된 최대유속을 비교한 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 호안재로로써 돌망태를 사용하는 경우에 대해서 만곡하도와 직선하도 일때의 사석크기를 기존 설계식에 적용하여 비교하였다. 향후, 우리나라의 특성에 맞는 호안설계방법을 제시하기 위하여 하천특성이 다른 대표적인 하천에 대한 추가적인 수치모의 및 분석이 필요하며, 이때 본 연구결과가 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Revetments help protect levee slopes from erosion. If the design of the revetment is not appropriate, the levee may collapse as a result of scouring due to the strong flow velocity and tractive force. Therefore, when designing a revetment, it is very important to calculate the representative velocit...
Revetments help protect levee slopes from erosion. If the design of the revetment is not appropriate, the levee may collapse as a result of scouring due to the strong flow velocity and tractive force. Therefore, when designing a revetment, it is very important to calculate the representative velocity. However, the average velocity and depth calculated by 1-D varied flow analysis are generally applied to the design, which do not reflect the increase in velocity caused by the free and force vortex. Therefore, it is necessary to correct the representative velocity in order to ensure the stability of the revetment in a meandering channel. In this study, the applicability of the method of calculating the representative velocity considering the curve and scour was studied (by comparing it with) the average and maximum velocities determined by numerical simulation. The representative velocity corrected for the effect of the curve and scour and the maximum velocity calculated by the numerical simulation were found to match quite well. In addition, the riprap size of the gabion in the meandering and straight channels were compared by applying them to the conventional design formulas. In the future, it is necessary to perform additional numerical simulations for various rivers with different characteristics, in order to propose a method of designing a suitable revetment for Korean characteristics. At this time, the results of this study are expected to be able to be used as basic data.
Revetments help protect levee slopes from erosion. If the design of the revetment is not appropriate, the levee may collapse as a result of scouring due to the strong flow velocity and tractive force. Therefore, when designing a revetment, it is very important to calculate the representative velocity. However, the average velocity and depth calculated by 1-D varied flow analysis are generally applied to the design, which do not reflect the increase in velocity caused by the free and force vortex. Therefore, it is necessary to correct the representative velocity in order to ensure the stability of the revetment in a meandering channel. In this study, the applicability of the method of calculating the representative velocity considering the curve and scour was studied (by comparing it with) the average and maximum velocities determined by numerical simulation. The representative velocity corrected for the effect of the curve and scour and the maximum velocity calculated by the numerical simulation were found to match quite well. In addition, the riprap size of the gabion in the meandering and straight channels were compared by applying them to the conventional design formulas. In the future, it is necessary to perform additional numerical simulations for various rivers with different characteristics, in order to propose a method of designing a suitable revetment for Korean characteristics. At this time, the results of this study are expected to be able to be used as basic data.
그러나 만곡부의 경우 만곡의 영향으로 인해 국부적인 유속의 증가와 감소로 유속분포가 균일하지 않게되므로 평균유속을 사용하기 위해서는 이에 대해 보정이 필요하다. 본 연구에서는 실제 하천을 대상으로 수치모의를 수행하여 만곡 및 세굴 영향을 고려한 최대유속을 산정하고 JICE[9]에서 제시한 대표유속 산정 방법의 적용성에 대해 검토하고자 한다.
제안 방법
또한, 호안재료로서 돌망태를 사용하는 경우에 대해서 만곡하도와 직선하도일 때의 사석크기를 기존의 설계 공식에 적용하여 산정해 보았다. ;산정 결과, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)이 작을 때는 단면평균유속을 사용하는 경우와 보정계수를 적용한 경우의 사석크기의 차이가 크게 발생하고, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)가 증가함에 따라 그 차이가 줄어들면서 1에 수렴하는 것을 알 수 있 었다. 즉, 만곡이 심할수록 만곡에 의해 발생하는 유속증가 영향을 고려할 필요가 있음을 본 연구결과를 통해 알 수 있었다.
이에 본 연구에서는 JICE[9]에 제시한 만곡부에 대한 유속보정계수 산정 방법의 적용성을 검토하기 위하여 남 강에 대해 2차원 수치모의를 수행하고 단면평균유속과 최대유속을 산정하였다. ;단면평균유속에 만곡의 영향과 세굴의 영향을 고려하여 적용한 대표유속과 수치모의결과에 추출된 최대유속을 비교한 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 1차원에서 계산된 단면평균유속에 유속보정계수를 적용하면 만곡의 영향을 고려한 설계유속을 산정할 수 있음을 보였다.
대상 데이터
본 연구에서는 낙동강의 지류인 남강을 대상구간으로 하여 평균유속과 국부유속의 차이를 산정하여 유속보정 계수를 산정하였다. 남강의 No. 129 측선부터 No. 069+390 측선까지를 대상으로 하였다. ;이 구간은 직선 구간으로 시작하고 끝나는 구간이기 때문에 경계부 형상에 의한 영향을 배제할 수 있으며 구간 내에 10개의 만곡부가 존재하여 다양한 만곡 조건에 대해서 검토가 가능할 것으로 판단된다.
이론/모형
본 연구에서 적용한 수치모형은 Delft3D-Flow로 Deltares에서 개발한 유동해석모형이다. ;지배방정식은 2차원 천수방정식이며 비압축성유체에 대한 Navier-Stokes 방정식으로부터 유도된다. 수치모형의 연속방정식인 식(3)은 수심적분된 연속방정식으로 비압축성유체에 대한 3차원 연속방정식을 적분하여 도출되며 수면과 바닥에서의 운동학적 경계조건이 고려되었으며 σ좌표계로 유도되었다[10].
성능/효과
단면평균유속에 만곡의 영향과 세굴의 영향을 고려하여 적용한 대표유속과 수치모의결과에 추출된 최대유속을 비교한 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 1차원에서 계산된 단면평균유속에 유속보정계수를 적용하면 만곡의 영향을 고려한 설계유속을 산정할 수 있음을 보였다.
또한, 호안재료로서 돌망태를 사용하는 경우에 대해서 만곡하도와 직선하도일 때의 사석크기를 기존의 설계 공식에 적용하여 산정해 보았다. 산정 결과, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)이 작을 때는 단면평균유속을 사용하는 경우와 보정계수를 적용한 경우의 사석크기의 차이가 크게 발생하고, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)가 증가함에 따라 그 차이가 줄어들면서 1에 수렴하는 것을 알 수 있 었다. ;즉, 만곡이 심할수록 만곡에 의해 발생하는 유속증가 영향을 고려할 필요가 있음을 본 연구결과를 통해 알 수 있었다.
산정 결과, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)이 작을 때는 단면평균유속을 사용하는 경우와 보정계수를 적용한 경우의 사석크기의 차이가 크게 발생하고, 하폭에 대한 곡률반경(r/B)가 증가함에 따라 그 차이가 줄어들면서 1에 수렴하는 것을 알 수 있 었다. 즉, 만곡이 심할수록 만곡에 의해 발생하는 유속증가 영향을 고려할 필요가 있음을 본 연구결과를 통해 알 수 있었다.
후속연구
본 연구는 JICE[9]에서 제시한 만곡부에 대한 호안설계방법의 적용성을 검토하기 위하여 남강의 만곡부 10개 구간에 대한 수치모의를 수행하여 그 결과를 제시하였다. 향후, 우리나라의 특성에 맞는 호안설계방법 제시를 위하여 하천 특성이 다른 대표적인 하천에 대한 추가적인 수치 모의 및 분석이 필요하며, 이를 위해 본 연구 결과가 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
호안은 어떠한 기능을 가지는가?
호안은 하천제방의 비탈면을 보호하는 시설물로서 홍수시 제방의 비탈면이 침식되지 않도록 하는 기능을 갖는다. 따라서, 호안의 설계가 적정하지 않을 경우, 강한 수류력에 의해 이탈하게 되고 흙으로 구성된 제방은 강한 유속 또는 소류력을 견디지 못하고 세굴되면서 결국 붕괴에 이르게 된다.
1차원 흐름해석에서 산정된 값으로 설계된 호안의 문제점은 무엇인가?
기존의 호안설계는 1차원 흐름해석에 의하여 산정된 유속이나 소류력을 적용하여 이에 저항할 수 있는 호안의 규격을 결정하는 방식으로 이루어져 왔다. 그런데, 1차원 흐름해석에서 산정된 값은 단면평균 유속을 의미하므로 횡단면을 따라 유속분포의 변화가 심한 구간에서는 과소산정된 설계값을 제공할 수 있으며, 이에 따라 결정된 호안의 규격은 실제 홍수가 발생 시 형성되는 유속이나 소류력에 저항하지 못하고 붕괴 될 가능성이 있다.
만곡외측에서의 유속이 1차원 흐름해석에서 산정된 평균유속보다 더 크게 되는 이유는 무엇인가?
횡단면을 따라 유속분포가 다르게 나타날 수 있는 대표적인 경우는 만곡부가 포함된 구간에서의 흐름특성을 들 수 있다. 일반적으로 만곡부에서는 원심력에 의해 만곡부의 외측에 주흐름이 발생하면서 유속이 증가하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 만곡외측에서의 유속은 1차원 흐름해석에서 산정된 평균유속보다 더 큰 유속이 발생하게 되며, 이에 따라 호안의 안정성도 저하된다.
참고문헌 (12)
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S.S. Bae, S.Y. Lee and H.K. Jee, "Study on Critical Allowable Shear Stress of Filling Rocks with Mattress Revetment", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 41, no. 2, pp. 137-147, 2008. DOI: https://doi.org/10.3741/JKWRA.2008.41.2.137
D.B. Simons, Y.H. Chen L.J. Swenson, L.J., "Hydraulic test to develop design criteria for the use of reno mattresses", Simons and associates, 1984.
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H. J. Kim and K. S. Yoon, "Suggestion of Riprap Revetment Design Techniques considering River Meandering", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, vol. 14, no. 6, pp. 405-411, 2014. DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2014.14.6.405
JICE(Japan Institute of Construction Engineering), Dynamic Design of Revetments, Sankaido, 2007
Deltares, Delft3D-FLOW user manual. 2010
Ministry of Land, Infrastructure and Trnasport (MOLIT), River Master Plan(Rivision) in the Nam River, Ministry of Land, Infrastructure and Trnasport. 2013
P. F. Lagasse, P. E. Clopper, L.W. Zevenbergen and J.F. Ruff, NCHRP Report 568: Riprap Design Criteria. Recommended Specifications, and Quality Control. 2006.
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