[논문]급경사 자갈하상 만곡수로의 최대세굴심 산정공식 평가

조재웅; 남아름; 우태영; 박상덕

doi:10.3741/jkwra.2016.49.6.529

초록
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본 연구는 급경사 자갈하상 만곡수로의 이동상 수리실험을 이용하여 만곡부 최대세굴심 산정공식들의 적용성을 평가하였다. 평균입경 43mm의 하천자갈을 $90^{\circ}$ 만곡 급경사 개수로에 포설하고 유량과 하상경사에 따른 만곡부의 최대세굴심을 조사하고 세굴심 공식으로 산정한 최대세굴심과 비교하였다. 자갈하상 만곡부 국부세굴은 유입부의 하상경사 0.02이상 $F_r$ 0.95이상에서 발생하였다. 이 수로에서 Lacey공식과 Zeller공식을 제외한 기존 세굴심 산정공식들은 최대세굴심을 과대 추정하는 것으로 나타났다. 하상재료를 고려한 Lacey공식과 접근경사와 만곡도를 반영한 Zeller공식은 급경사 자갈하상 만곡부의 최대세굴심 평가에 적용될 수 있는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The existing methods to estimate the maximum scour depth in the bend of steep gravel bed channel have been evaluated by the hydraulic movable-bed experiments. In the $90^{\circ}$ bend steep-slope channel paved with the fluvial gravels which are uniform in size and have a mean diameter of ...

The existing methods to estimate the maximum scour depth in the bend of steep gravel bed channel have been evaluated by the hydraulic movable-bed experiments. In the $90^{\circ}$ bend steep-slope channel paved with the fluvial gravels which are uniform in size and have a mean diameter of 43mm, the maximum scour depths due to the flow discharge and the gradient of bed slope have been investigated and compared with the scour depth computed from the equations. The local scour has occurred in conditions that the bed slope is steeper than 0.02 and the $F_r$ is greater than 0.95. Except Lacey's equation and Zeller's equation, the existing methods computing the maximum scour depth overestimate the maximum scour depth in the steep channel with the very coarse gravel bed. However, Lacey's equation with the bed material size and Zeller's equation considering the approach channel gradient and the bend angle may be relatively used to estimate the scour depth in bend of the steep gravel-bed river.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 급경사 자갈하상 만곡부의 이동상수리실험을 통해 측정한 세굴심과 기존의 만곡부 국부세굴공식에 의한 세굴심을 비교함으로써, 산지하천 만곡부에 적용 가능한 세굴심 산정 공식을 제시하고자 한다.

제안 방법

실험시간은 흐름이 시작되는 시간부터 2시간동안 수로 전 구간에서 유사이동이 없는 시간까지로 하였으며, 실험조건은 Table 3과 같다. 각 실험조건별 하상고를 실험 시작 전과 종료 후에 조사하여 최대세굴심을 측정하였다. 실험유량은 최종단계에 이르기까지 단계적으로 증가시키고 각 단계별 수심을 조사하였다.
기존 공식과의 비교 분석은 각 기관에서 채택하고 있는 공식 중 AMAFCA에서 제시하는 Mussetter(1994), MCFCD의 Zeller(1981), Clark and Denver의 Liu(1961), USBR의 Lacey(1930)과 Abbott(1963), USACE에서 제시하는 방법을 이용하여 비교하였다. Fig.
각 실험조건별 하상고를 실험 시작 전과 종료 후에 조사하여 최대세굴심을 측정하였다. 실험유량은 최종단계에 이르기까지 단계적으로 증가시키고 각 단계별 수심을 조사하였다.
2와 같다. 실험유량의 초기 공급에 의해 발생할 수 있는 실험하상의 세굴방지하기 위하여 하류단 수위조절장치를 올려놓은 상태에서 소량의 실험유량을 공급해 실험수로 하류단부터 물을 채우기 시작하였다. 실험하상이 물에 충분히 잠긴 이후 하류단 수위조절 장치를 이용하여 등류상태로 유지한 후 실험을 시작하였다.
실험유량의 초기 공급에 의해 발생할 수 있는 실험하상의 세굴방지하기 위하여 하류단 수위조절장치를 올려놓은 상태에서 소량의 실험유량을 공급해 실험수로 하류단부터 물을 채우기 시작하였다. 실험하상이 물에 충분히 잠긴 이후 하류단 수위조절 장치를 이용하여 등류상태로 유지한 후 실험을 시작하였다. 실험시간은 흐름이 시작되는 시간부터 2시간동안 수로 전 구간에서 유사이동이 없는 시간까지로 하였으며, 실험조건은 Table 3과 같다.

대상 데이터

05m로 굽이지게 하였다. 만곡부 상류에 8.6m의 유입부, 외측 5.1m와 내측 2.9m 길이의 만곡부, 만곡부 하류에 6.1m의 유출부로 수로를 구성하였다. 펌프는 최대 0.
만곡부에서 세굴심을 측정하기 위한 이동상 개수로 실험장치는 물 순환식 개수로이며 고수조, 개수로, 하류부 수위조절장치, 유사포집장치, 저수조, 펌프로 구성되어있으며, Fig. 1과 같다. 고수조에는 흐름 안정을 위한 다공판을 설치하였으며, 저수조에는 수로에서 이송된 유사를 채집할 수 있는 유사포집장치와 유사가 펌프에 유입되지 않도록 흡입관 전면에 스크린을 설치하였다.
하천에서 총 세굴은 하상저하, 하상파에 의한 세굴, 국부세굴, 만곡세굴, 충격세굴 등 다양한 세굴요소들이 결합된 경우가 많으며 장기적인 하상변동과 단기적인 하상변동을 반영한다. 본 연구에서는 세굴에 대한 장기하상변동의 영향은 제외하며, 수심, 유속, 하상재료 등과 같은 특성변수로 이루어져 있는 세굴심 산정공식들 중에서 하천 만곡부의 세굴심 평가에 사용 가능성이 있는 8개의 방법을 선정하였다. 이 세굴심 산정공식들은 지배적으로 사용된 독립변수에 따라 Table 1와 같이 유량, 유속 또는 Froude수, 수심, 하상재료의 직경으로 분류할 수 있다.
실험에 사용된 하상재료는 평균입경 43mm인 강자갈을 이용하였으며, 수로에 30㎝의 두께로 깔았고 하상경사 조건을 만족하도록 표면을 정리하였다. 실험재료의 입경분포는 Fig.

이론/모형

(7)을 제시하였다. 이 식은 AMAFCA (Albuquerque Metropolitan Arroyo Flood Control Authority)의 만곡부 세굴심 평가방법으로 채택되었다.

성능/효과

Fig. 6과 Fig. 7에서 알 수 있는 바와 같이 최대세굴심은 만곡부의 접근유속 V_m과 단위폭당 유량 Q/W에 따라 증가하는데 Abbott공식이 이들 변수에 의한 세굴심 민감도가 가장 크며 대부분의 세굴심 산정공식이 실험보다 세굴심 민감도보다도 더 큰 것으로 나타났다. 이는 자갈하상 만곡부의 세굴심에 대한 수리학적 민감도가 낮다는 것을 의미한다.
그러나 Mussetter 공식은 만곡에 접근하는 흐름의 충격각을 도입하면 그 적용성이 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 급경사 자갈하상 만곡부 세굴심 평가에 적용성이 있는 방법은 유량과 하상재료를 고려한 Lacey 공식과, 접근경사와 만곡각도를 반영한 Zeller공식인 것으로 나타났다. 기존 공식들은 자갈에 대한 세굴한계조건을 고려하지 못하기 때문에 유속이나 단위폭당 유량이 작더라도 국부세굴이 발생하는 비현실적인 면이 있다.
여기서 기존의 공식들은 세굴심을 매우 크게 산정하는 것을 알 수 있다. 본 실험에서 관측된 세굴심은 접근 경사 0.02 이상, 접근유속 1m/s 이상인 경우에만 발생하는 것으로 나타났다. Mussetter 공식은 접근수심과 F_r 수, 흐름이 제방에 부딪히는 충격각을 고려한 것으로 만곡부에서의 흐름 충격과는 다르며, 이로 인하여 실제보다 매우 큰 세굴심을 산정한다.

후속연구

12이상으로 큰 경우를 제외하면 Zeller공식과 Lacey 공식이 다른 공식보다 세굴심 산정에 더 적용성이 우수한 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 검토한 모든 공식들은 자갈하상 급경사수로에서 F_r 수가 0.8이상으로 큰 흐름의 경우 세굴심 변화의 폭이 실제와는 달리 매우 작기 때문에 이를 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기반시설의 설치가 하천에 미치는 영향은?	하천만곡은 홍수 시 외측에서 세굴과 내측에서 퇴적이 심화되기 때문에 만곡형상은 더 깊게 발달한다. 인간의 경제적 활동이 크게 증대되면서 늘어난 제방이나 보와 같은 기반시설의 설치는 하천의 자기조절 기능을 더욱 억제한다. 만곡부에 있는 제방이나 도로는 만곡 외측의 하상세굴에 의해 파괴될 수 있다.
	하천을 평면 형태에 따라 구분하면?	하천의 하상과 형태는 반복적으로 변하는 특성이 있다. 하천의 평면 형태에 따라 직류하천, 다지하천, 곡류하천으로 하천을 구분한다. 곡류하천은 만곡하천 또는 사행하천이라고도 하며 유로의 굴곡을 따라 소와 여울이 교대로 나타나기도 한다.
	하천 만곡부에서 하상의 세굴심을 파악하는 것이 기반 시설의 안전 설계에서 중요한 요소인 이유는?	인간의 경제적 활동이 크게 증대되면서 늘어난 제방이나 보와 같은 기반시설의 설치는 하천의 자기조절 기능을 더욱 억제한다. 만곡부에 있는 제방이나 도로는 만곡 외측의 하상세굴에 의해 파괴될 수 있다. 따라서 하천 만곡부에서 하상의 세굴심을 파악하는 것은 기반시설의 안전설계에서 고려해야 할 중요한 요소의 하나이다.

참고문헌 (18)

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Mussetter, R. A., Lagasse, P.F., Harvey, M.D., and Anderson, C.E. (1994), Sediment and Erosion Design Guide, November, prepared for the Albuquerque Metropolitan Arroyo Flood Control Authority, RCE Reference Number 90-560.
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