[논문]고효율 지하유입시설에 의한 대심도터널 최적 수리성능 확보기술 개발

성호제; 박인환; 이동섭

문제 정의

본 연구는 도심홍수방어를 위한 최적 수리성능의 대심도터널 원천 설계기술 개발을 목표로 하며, 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원으로 2015년에 시작되었다. 도심지 홍수방어와 내수배제능력 향상을 위한 새로운 방안으로 지하저류조와 대심도터널 활용에 대한 필요성이 증가함에 따라 지하유입시설의 최적 수리성능 확보를 위한 선구자적 역할을 수행하고자 한다. 또한 본 연구는 일본의 교토대학교와 국제공동연구를 수행하고 있으며, 본 연구에서 도출한 실험결과들은 교토대학교에서 개발 중인 수치해석 모형의 검증을 위한 자료로 활용될 계획이다.
본 연구는 도심홍수방어를 위한 최적 수리성능의 대심도터널 원천 설계기술 개발을 목표로 하며, 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원으로 2015년에 시작되었다. 도심지 홍수방어와 내수배제능력 향상을 위한 새로운 방안으로 지하저류조와 대심도터널 활용에 대한 필요성이 증가함에 따라 지하유입시설의 최적 수리성능 확보를 위한 선구자적 역할을 수행하고자 한다.
그러나 국내에서는 대심도터널의 설계기술과 관련한 연구사례가 부족하여, 대심도터널의 시공을 위한 원천기술의 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 국토교통기술촉진연구사업의 일환으로 수행 중인 「극한 도심홍수 방어를 위한 최적 수리성능 대심도터널(왕복 4차선 이상) 원천설계기술 개발」 과제로부터 대심도터널의 수리학적 성능향상을 위한 원천 기술 개발 연구를 수행 중이다. 실험연구를 통해 기존 기술을 토대로 새로운 유입구 형상을 제안하였으며, 신규 유입구 형상에 대한 통수능력, 질식방지 효과를 검토하였다.
낙하하는 유입흐름의 통수능력을 증대시키기 위해서는 수직갱 내부에서 발생하는 흐름특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 수직갱 내부 흐름특성을 분석함에 있어 현실적인 측정방법에 대한 한계점을 인지하고 전기전도도를 이용한 실험적 계측 방법과 수치해석 모형(FLOW-3D)을 이용한 방법을 병행하여 수직갱 내부 공기 공동 형상을 측정하고 통수능력을 검토하였다.
지하유입구의 형식은 낙하식, 사로식, 계단식으로 구분하며, 유입구 형상을 선택할 때에는 토지 이용의 제약, 흐름의 상황, 공기의 혼입, 에너지 감쇠효과 등을 종합적으로 판단하여 결정해야한다. 본 연구에서는 해외연구에서 많이 사용했던 나선식, 접선식 유입구와 함께, 본 연구에서 새롭게 개발한 다단식 유입구의 형상에 따른 배수효율을 분석하였다. 배수효율 분석을 위한 실험수로는 그림 1과 같이 구성하였으며, 용량식 파고계를 이용하여 유입수로 및 유입구 주변의 수심을 측정하였다.

제안 방법

다단식 유입구와 연결된 수직갱 외벽에 위치한 20cm 간격, 4개의 삽입구를 통해 전기전도도 측정기를 삽입하여 수벽두께를 측정하였다. 수벽두께를 측정하기 위해 제작한 전기전도도 측정기는 물과 공기의 전기전도도 차이로 인해 발생하는 신호변화를 통해 수벽의 두께를 계산한다.
본 연구에서는 해외연구에서 많이 사용했던 나선식, 접선식 유입구와 함께, 본 연구에서 새롭게 개발한 다단식 유입구의 형상에 따른 배수효율을 분석하였다. 배수효율 분석을 위한 실험수로는 그림 1과 같이 구성하였으며, 용량식 파고계를 이용하여 유입수로 및 유입구 주변의 수심을 측정하였다. 나선식 유입구(그림 1(b))의 경우 유입수로에서 흐름 교란을 최소화하고 수직갱의 공기공동(air core)을 안정적으로 형성시키기 위해 유도벽을 설치하였고, 유도벽 각도를 변화시키며 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 국토교통기술촉진연구사업의 일환으로 수행 중인 「극한 도심홍수 방어를 위한 최적 수리성능 대심도터널(왕복 4차선 이상) 원천설계기술 개발」 과제로부터 대심도터널의 수리학적 성능향상을 위한 원천 기술 개발 연구를 수행 중이다. 실험연구를 통해 기존 기술을 토대로 새로운 유입구 형상을 제안하였으며, 신규 유입구 형상에 대한 통수능력, 질식방지 효과를 검토하였다.
나선식 유입구(그림 1(b))의 경우 유입수로에서 흐름 교란을 최소화하고 수직갱의 공기공동(air core)을 안정적으로 형성시키기 위해 유도벽을 설치하였고, 유도벽 각도를 변화시키며 실험을 수행하였다. 유도벽의 설치로 인해 유량배제 효율이 감소하는 현상을 보완하기 위해 유입구의 바닥에 표 1과 같이 종횡방향 경사를 도입하였다. 접선식 유입구(그림 1(c))는 수로 폭이 점차 좁아지며 수직갱의 벽면을 타고 흐름이 유입되어 에너지를 소산시키는 형식이다.
수벽두께를 측정하기 위해 제작한 전기전도도 측정기는 물과 공기의 전기전도도 차이로 인해 발생하는 신호변화를 통해 수벽의 두께를 계산한다. 유입유량에 따른 수직갱 내 수벽두께 측정결과를 그림 3에도시하여 수직갱 내부의 공기공동 형상의 크기를 비교했다. 그 결과, 수직갱 입구로부터 40 ~ 60cm 하부 구간의 공기공동 형상의 크기가 가장 작은 것으로 확인되었다.

성능/효과

나선식 유입구에 종횡경사를 함께 도입하는 경우, 종경사만 있는 유입구에 비해 수직갱의 입구에서 수위가 효과적으로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 그림 2(c)와 같이 접선식 유입구를 도입한 경우에는 저유량 유입에 대해 수위를 저감시키지 못하는 현상을 확인할 수 있었으며, 유량이 점차 증가함에 따라 수위저감효과가 상승했다. 접선식 유입구의 단점을 보완하기 위해 다단식 유입구를 적용한 결과, 그림 2(d)와 같이 저유량에서도 수위저감효과가 나타났다.
유입유량에 따른 수직갱 내 수벽두께 측정결과를 그림 3에도시하여 수직갱 내부의 공기공동 형상의 크기를 비교했다. 그 결과, 수직갱 입구로부터 40 ~ 60cm 하부 구간의 공기공동 형상의 크기가 가장 작은 것으로 확인되었다. 실험결과로부터 유입흐름이 수직갱으로 진입하며 발생하는 고유속 흐름으로 인해 공기공동 수축현상이 발생하는 것으로 판단되며, 지하유입구 설계 시 통수능력 확보와 내부질식 방지를 위해 검토해야 할 중요한 부분으로 확인되었다.
그림 2는 지하유입구 형상에 따른 수심변화를 도시한 그래프이다. 나선식 유입구를 도입한 경우, 바닥경사로 인해 접선식 유입구에 비해 유입구 내 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 나선식 유입구에 종횡경사를 함께 도입하는 경우, 종경사만 있는 유입구에 비해 수직갱의 입구에서 수위가 효과적으로 감소하는 것을 볼 수 있었다.
나선식 유입구를 도입한 경우, 바닥경사로 인해 접선식 유입구에 비해 유입구 내 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 나선식 유입구에 종횡경사를 함께 도입하는 경우, 종경사만 있는 유입구에 비해 수직갱의 입구에서 수위가 효과적으로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 그림 2(c)와 같이 접선식 유입구를 도입한 경우에는 저유량 유입에 대해 수위를 저감시키지 못하는 현상을 확인할 수 있었으며, 유량이 점차 증가함에 따라 수위저감효과가 상승했다.
접선식 유입구의 단점을 보완하기 위해 다단식 유입구를 적용한 결과, 그림 2(d)와 같이 저유량에서도 수위저감효과가 나타났다. 또한 나선식, 접선식 유입구에 비해 유입구의 수위를 가장 효율적으로 저감시켰다.
수치해석 결과 수직갱으로 진입하면서부터 고유속 흐름이 발생하였으며, 유입유량이 증가할수록 제한된 통수면적으로 인해 수직갱 상부에서 공기공동 수축현상이 발생하는 것을 확인하였다. 수리실험결과와 수치해석결과로부터 수직갱 내부의 공기공동 형상 및 수축현상이 유사하게 관측되었으며, 다단식 유입구를 도입하여 기존 나선식 유입구와 접선식 유입구에서 관측되었던 내부질식 현상이 개선된 것을 확인하였다.
024m³/s에 대한 수치해석을 수행하였으며, 수직갱에서의 유속분포와 내부 공기 공동 형상을 그림 3(b)와 그림 3(c)에 도시하였다. 수치해석 결과 수직갱으로 진입하면서부터 고유속 흐름이 발생하였으며, 유입유량이 증가할수록 제한된 통수면적으로 인해 수직갱 상부에서 공기공동 수축현상이 발생하는 것을 확인하였다. 수리실험결과와 수치해석결과로부터 수직갱 내부의 공기공동 형상 및 수축현상이 유사하게 관측되었으며, 다단식 유입구를 도입하여 기존 나선식 유입구와 접선식 유입구에서 관측되었던 내부질식 현상이 개선된 것을 확인하였다.
그 결과, 수직갱 입구로부터 40 ~ 60cm 하부 구간의 공기공동 형상의 크기가 가장 작은 것으로 확인되었다. 실험결과로부터 유입흐름이 수직갱으로 진입하며 발생하는 고유속 흐름으로 인해 공기공동 수축현상이 발생하는 것으로 판단되며, 지하유입구 설계 시 통수능력 확보와 내부질식 방지를 위해 검토해야 할 중요한 부분으로 확인되었다.

후속연구

또한 본 연구는 일본의 교토대학교와 국제공동연구를 수행하고 있으며, 본 연구에서 도출한 실험결과들은 교토대학교에서 개발 중인 수치해석 모형의 검증을 위한 자료로 활용될 계획이다. 과제종료를 1년여 앞둔 현재, 대심도터널 설계를 위한 기술적 독립 및 기술선도를 주도하여 수재해 예방사업의 국가경쟁력 향상에 기여할 수 있도록 할 예정이다.
도심지 홍수방어와 내수배제능력 향상을 위한 새로운 방안으로 지하저류조와 대심도터널 활용에 대한 필요성이 증가함에 따라 지하유입시설의 최적 수리성능 확보를 위한 선구자적 역할을 수행하고자 한다. 또한 본 연구는 일본의 교토대학교와 국제공동연구를 수행하고 있으며, 본 연구에서 도출한 실험결과들은 교토대학교에서 개발 중인 수치해석 모형의 검증을 위한 자료로 활용될 계획이다. 과제종료를 1년여 앞둔 현재, 대심도터널 설계를 위한 기술적 독립 및 기술선도를 주도하여 수재해 예방사업의 국가경쟁력 향상에 기여할 수 있도록 할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지의 내수배제능력 향상을 위한 기술 개발의 필요성이 대두되는 이유는?	최근 집중호우로 인한 도심지 침수피해 사례가 빈번히 발생함에 따라, 도심지의 내수배제능력 향상을 위한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 내수배제시설의 효율을 개선하는 방안 외에도 도심지의 지하공간을 사용하여 우수를 저류하는 방안이 새로운 홍수방어대책으로 떠오르고 있으며, 이에 따라 지하저류조로 이어지는 대심도터널의 시공이 계획되고 있다.
	대심도터널의 구성은 무엇인가?	특히 개발이 포화상태에 이른 도심지의 경우 지상저류공간의 증설이 어려운 상황이며, 기존 배수시설의 증설, 배수시스템의 개선이 어려운 지역에서는 지하공간을 활용한 대심도터널을 새로운 침수방어대책으로 이용할 수 있다. 대심도터널은 유입수로, 수직갱(drop shaft), 지하터널 또는 지하저류조로 구성되어 있으며, 많은 양의 우수를 효율적으로 배제하기 위해서는 유입수로에서 수직갱으로 연결되는 유입부의 배수가 원활하게 이뤄져야 한다. 따라서 수직갱의 유입부에서 발생하는 수위상승, 질식현상(choking)을 저감시키기 위한 유입부 형상에 대한 연구가 필요하며, Jain (1984), Quick (1990), Hager (2010) 등은 효율적인 배수를 위한 접선식,나선식 유입구의 설계방안을 제안한 바 있다.
	접선식 유입구는 어떠한 문제가 발생할 수 있는가?	접선식 유입구(그림 1(c))는 수로 폭이 점차 좁아지며 수직갱의 벽면을 타고 흐름이 유입되어 에너지를 소산시키는 형식이다. 그러나 저유량에 대해서는 흐름이 벽면을 타고 흐르지 못하여 에너지가 소산되지 않은 채 낙하하기 때문에 구조물의 안전에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 저유량에서도 안정적인 흐름을 유지할 수 있는 다단식 유입구(그림 1(d))를 개발하였다.

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