제방뒷비탈 월류보호공의 안정성 분석을 위한 수리실험 연구 Experimental Study on Stability of Revetment on Inland Slope of River Levee for Prevention of Failure due to Overtopping원문보기
본 최근 전 세계적으로 홍수의 강도와 빈도가 증가하고 있어 홍수재해가 큰 문제로 대두되고 있다. 이 중 가장 큰 비중을 차지하는 홍수재해는 태풍 및 집중호우와 동반되는 홍수라고 할 수 있다. 이로 인해 하천의 수위가 제방의 둑마루까지 상승하여 월류하는 피해가 발생하고 있으며 이러한 피해는 시설물 자체의 피해뿐만 아니라 제내지의 인명 및 재산피해도 함께 유발시킨다는 점에서 대책 마련이 시급하다. 제방이 월류하였을 때 제방이 붕괴되는 것과 붕괴하지 않고 단순 월류하는 경우의 피해정도는 매우 다르며 제방 자체의 피해는 발생하더라도 붕괴되지 않으면 제내지로 유입되는 유량을 현저히 감소시켜 홍수피해를 감소시킬 수 있다. 따라서 제방의 붕괴가 발달하기 시작하는 뒷비탈의 보호는 중요한 홍수방어방법의 하나다. 본 연구에서는 제방뒷비탈 월류보호공의 형상과 유공율에 따라 수리학적으로 유리한 보호공을 제안하고 각 보호공의 안정성 검토를 위하여 수리실험을 수행하였다. 수리실험을 통해 제방뒷비탈 보호공의 안정성은 보호공의 단위면적당 중량과 높은 상관성이 있음을 규명하고, 보호공이 이탈되는 순간의 유속인 한계유속과 단위면적당 중량과의 관계식을 도출하였다. 본 연구결과를 통하여 국내에서는 아직 도입되지 않은 자연친화적 월류보호공이 현장에 적용됨으로써 홍수시 월류에 의해 발생하는 인명 및 재산피해를 경감시키고, 더 나아가서는 자연친화적인 하천공간이 조성될 수 있을 것으로 기대된다.
본 최근 전 세계적으로 홍수의 강도와 빈도가 증가하고 있어 홍수재해가 큰 문제로 대두되고 있다. 이 중 가장 큰 비중을 차지하는 홍수재해는 태풍 및 집중호우와 동반되는 홍수라고 할 수 있다. 이로 인해 하천의 수위가 제방의 둑마루까지 상승하여 월류하는 피해가 발생하고 있으며 이러한 피해는 시설물 자체의 피해뿐만 아니라 제내지의 인명 및 재산피해도 함께 유발시킨다는 점에서 대책 마련이 시급하다. 제방이 월류하였을 때 제방이 붕괴되는 것과 붕괴하지 않고 단순 월류하는 경우의 피해정도는 매우 다르며 제방 자체의 피해는 발생하더라도 붕괴되지 않으면 제내지로 유입되는 유량을 현저히 감소시켜 홍수피해를 감소시킬 수 있다. 따라서 제방의 붕괴가 발달하기 시작하는 뒷비탈의 보호는 중요한 홍수방어방법의 하나다. 본 연구에서는 제방뒷비탈 월류보호공의 형상과 유공율에 따라 수리학적으로 유리한 보호공을 제안하고 각 보호공의 안정성 검토를 위하여 수리실험을 수행하였다. 수리실험을 통해 제방뒷비탈 보호공의 안정성은 보호공의 단위면적당 중량과 높은 상관성이 있음을 규명하고, 보호공이 이탈되는 순간의 유속인 한계유속과 단위면적당 중량과의 관계식을 도출하였다. 본 연구결과를 통하여 국내에서는 아직 도입되지 않은 자연친화적 월류보호공이 현장에 적용됨으로써 홍수시 월류에 의해 발생하는 인명 및 재산피해를 경감시키고, 더 나아가서는 자연친화적인 하천공간이 조성될 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, the intensity and frequency of floods has increasing worldwide, and flood disasters have become a big problem. Flood disasters, which account for the largest portion of disasters, are floods accompanied by typhoons and localized heavy rainfall. As a result, they cause damage of levee overt...
Recently, the intensity and frequency of floods has increasing worldwide, and flood disasters have become a big problem. Flood disasters, which account for the largest portion of disasters, are floods accompanied by typhoons and localized heavy rainfall. As a result, they cause damage of levee overtopping, in which the water level of a river rises to the levee crown. Therefore, countermeasures are essential and necessary because of the damage to the facility itself as well as to life and other property. The damage magnitude depends on the collapse of the levee. A levee that is difficult to collapse will reduce the discharge inland significantly. Accordingly, the protection of the inland slope, where the collapse of the levee is initiated, is one of the most important countermeasures In this study, revetments with various porosity and forms were suggested and hydraulic experiments were carried out for each type. The hydraulic experiments showed that the stability of a revetment in an inland slope is strongly correlated with the weight per unit area of the revetment. The relationship between the critical velocity, which is the velocity at the moment of leaving the revetment, and the weight per unit area was derived. Through this study, by applying the nature friendly revetment, which has not yet been applied to Korea, it is expected that life and property damage caused by levee overtopping during flooding can be reduced, and a nature friendly river space can be constructed.
Recently, the intensity and frequency of floods has increasing worldwide, and flood disasters have become a big problem. Flood disasters, which account for the largest portion of disasters, are floods accompanied by typhoons and localized heavy rainfall. As a result, they cause damage of levee overtopping, in which the water level of a river rises to the levee crown. Therefore, countermeasures are essential and necessary because of the damage to the facility itself as well as to life and other property. The damage magnitude depends on the collapse of the levee. A levee that is difficult to collapse will reduce the discharge inland significantly. Accordingly, the protection of the inland slope, where the collapse of the levee is initiated, is one of the most important countermeasures In this study, revetments with various porosity and forms were suggested and hydraulic experiments were carried out for each type. The hydraulic experiments showed that the stability of a revetment in an inland slope is strongly correlated with the weight per unit area of the revetment. The relationship between the critical velocity, which is the velocity at the moment of leaving the revetment, and the weight per unit area was derived. Through this study, by applying the nature friendly revetment, which has not yet been applied to Korea, it is expected that life and property damage caused by levee overtopping during flooding can be reduced, and a nature friendly river space can be constructed.
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문제 정의
본 연구에서는 홍수위 상승으로 제방 월류가 발생할 때 제방의 붕괴를 방지하거나 지연시키는 공법을 개발하기 위하여 자연친화적 공법인 유공성 블록의 월류 방지 효과에 대해서 실험실증연구를 수행하였다. 본 연구에서 적용된 월류 보호공의 형상은 원안, 개선1안 및 개선2안 등 총 3가지이다.
본 연구에서는 홍수위 상승으로 제방 월류가 발생할 때 제방의 붕괴를 방지하거나 지연시키는 공법을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히, 최근 하천에 대한 자연친화적 공법 적용 추세를 반영하여 식생 조성이 가능한 유공성 블록을 적용하여 실험실증연구를 수행하였으며, 기존 연구결과와 본 연구에서의 수리실험결과를 분석하여 월류에 안정한 제방의 설계기법을 제시하였다.
가설 설정
초과규모의 홍수가 유하하더라도 월류에 의해서 제방이 붕괴되는 것과 붕괴되지 않고 단순히 월류하는 경우의 피해 정도는 매우 다른 양상으로 나타난다. 제방이 붕괴되는 경우, 제내지 유입량 및 유입기간의 증가로 인명 및 재산피해가 가중된다. 따라서, 인구가 집중되고 재산이 밀집되어 있는 지역에 대해서는 제방붕괴에 의한 피해를 감소시키기 위한 특별한 대책이 필요하다.
제안 방법
기존의 제방뒷비탈 보호공에서 유공률을 증가시켜 식생이 많이 자랄 수 있도록 공간을 확보해줬으며 1층과 2층으로 나눠진 구조로 2층의 콘크리트 블록이 1층의 콘크리트 블록의 들림현상을 억제할 수 있도록 제안되었다(Fig. 7참조).
본 실험에서 수심은 초음파 수위계로 측정하였으며 사면의 유속은 매우 크게 산정되고 수심이 얕아 유속계를 통한 측정이 어려워 직접 측정하지 않고 연속방정식(Q=AV)을 통해 산정하였다.
본 연구에서 제안한 제방 뒷비탈 보호공은 콘크리트 블록의 형태로 제안되었으며 프리캐스트 콘크리트 블록은 크기와 형태에 따라 많은 종류로 분류할 수 있지만 크게 단체형 블록과 군집형 블록으로 구분되며 단체형 블록은 각각의 블록이 분리된 것이며 군집형 블록은 블록과 블록이 케이블과 같은 것으로 연결되에 일체로 거동하는 경우이다.
본 연구에서는 제방 뒷비탈 보호공의 안정성을 분석하기 위해 제방의 뒷비탈에 다양한 형태의 블록을 제작하여 포설한 후 월류 유량을 증가시키면서 보호공의 들림, 이탈 현상을 관측하였으며 제방 사면의 수심을 측정하여 흐름특성을 분석하였다.
수리실험은 3가지 형태에 대한 제방 뒷비탈 보호공을 포설하고 유량을 증가시키면서 보호공의 상태를 관측하였다.
수리실험은 총 9 case에 대해서 수행하였으며 각 case마다 유량을 증가시키고 안정된 상태일 때 수심을 측정하고 블록의 상태를 점검한 후 다시 유량을 증가시키는 방식으로 진행되었다(Fig. 9 참조).
본 연구에서 적용된 보호공의 형상은 총 3가지 이다. 원안은 기존에 수행된 일본과 유럽의 연구에서 적용된 블록의 형상이며 개선1안과 개선2안은 본 연구에서 제안한 형상으로 유공율을 증가시켜 단위면적당 식생이 많이 자랄 수 있고 단위면적당 콘크리트의 사용량을 감소시켜 경제성도 증가되도록 제안하였다.
본 연구에서 적용된 월류 보호공의 형상은 원안, 개선1안 및 개선2안 등 총 3가지이다. 원안은 기존에 수행된 일본과 유럽의 연구에서 적용된 블록의 형상이며 개선1안과 개선2안은 본 연구에서 제안한 형상으로 유공율을 증가시켜 식생이 많이 자랄 수 있고 단위면적당 콘크리트의 사용량을 감소시켜 경제성도 확보하면서 월류에 대한 안정성을 확보할 수 있도록 제안하였다. 본 연구에서는 개선된 월류보호공에 대해 수리실험을 실시하였으며, 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
홍수에 의해 제방이 월류되는 경우 제방 뒷비탈면에서 고유속이 발생하고 그로 인해서 비탈면 세굴이 발생한다. 이에 대해서 자연친화적인 유공성 블록에 대한 수리실험을 수행하여 단위면적당 중량과 한계유속과의 상관관계를 도출하였다. 그러나 실험연구에서 계측장비의 한계로 보호공주변의 흐름 특성에 대한 분석이 수행되지 않아 형상에 따른 영향을 파악하기 어려워 추후 수치모의를 통해 보완이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 홍수위 상승으로 제방 월류가 발생할 때 제방의 붕괴를 방지하거나 지연시키는 공법을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히, 최근 하천에 대한 자연친화적 공법 적용 추세를 반영하여 식생 조성이 가능한 유공성 블록을 적용하여 실험실증연구를 수행하였으며, 기존 연구결과와 본 연구에서의 수리실험결과를 분석하여 월류에 안정한 제방의 설계기법을 제시하였다.
대상 데이터
본 연구에서 적용된 보호공의 형상은 총 3가지 이다. 원안은 기존에 수행된 일본과 유럽의 연구에서 적용된 블록의 형상이며 개선1안과 개선2안은 본 연구에서 제안한 형상으로 유공율을 증가시켜 단위면적당 식생이 많이 자랄 수 있고 단위면적당 콘크리트의 사용량을 감소시켜 경제성도 증가되도록 제안하였다.
본 연구에서는 홍수위 상승으로 제방 월류가 발생할 때 제방의 붕괴를 방지하거나 지연시키는 공법을 개발하기 위하여 자연친화적 공법인 유공성 블록의 월류 방지 효과에 대해서 실험실증연구를 수행하였다. 본 연구에서 적용된 월류 보호공의 형상은 원안, 개선1안 및 개선2안 등 총 3가지이다. 원안은 기존에 수행된 일본과 유럽의 연구에서 적용된 블록의 형상이며 개선1안과 개선2안은 본 연구에서 제안한 형상으로 유공율을 증가시켜 식생이 많이 자랄 수 있고 단위면적당 콘크리트의 사용량을 감소시켜 경제성도 확보하면서 월류에 대한 안정성을 확보할 수 있도록 제안하였다.
수리실험은 높이가 3.0 m이고, 제방 뒷비탈의 경사가 1:3인 수로로 제작하여 실험을 수행하였다. 제방의 둑마루로 월류유량이 위어를 통해 유입되며 폭 5.
성능/효과
(1) 월류시 제방붕괴를 방지할 수 있는 자연친화적 월류보호공을 제안하여 1:3 경사의 수로에서 수리실험을 수행한 결과, 제방뒷비탈 보호공의 안정성은 보호공의 단위면적당 중량과 높은 상관성이 있음을 규명하고, 보호공이 이탈되는 순간의 유속인 한계유속과 단위면적당 중량과의 관계식을 도출하였다.
(2) 월류보호공의 단위면적당 중량이 증가할수록 월류에 대한 안정성도 증가하였고, 보호공의 이탈상태에서의 유속인 한계유속은 단위면적당 중량과 선형관계인 것으로 나타났다.
(3) 제방을 월류할 때의 흐름특성을 관찰한 결과, 제방 둑마루에서 한계류가 발생하고 뒷비탈 구간에서는 사류(supercritical flow)가 형성되어 유속이 증가하고 이로 인해 제방 뒷비탈면의 세굴잠재성이 커지는 것으로 나타났다. 세굴잠재성의 증가는 제방붕괴가능성의 증가를 의미하므로 월류보호공 설계시 사류 특성을 고려할 필요가 있는 것으로 파악되었다.
(4) 모든 실험조건에서 제방경사면이 시작되는 지점으로부터 4.0 m 지점에서 10m 까지의 흐름은 수위변화가 거의 없는 등류 및 사류흐름 특성도 함께 나타났으며, 월류보호공 설계시 이구간에 대한 흐름특성을 반영할 필요가 있는 것으로 파악되었다.
16에 나타냈다. 그 결과 CIRIA의 실험결과와 유사한 결과를 나타냈으며 본 연구에서 제안한 제방 뒷비탈 보호공이 충분한 안정성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 제안한 블록들이 기존의 것들보다 유공율이 블록 내로 흐름이 유입되고 강한 난류가 발생하여 흐름에 많이 저항하기 때문으로 판단된다.
(3) 제방을 월류할 때의 흐름특성을 관찰한 결과, 제방 둑마루에서 한계류가 발생하고 뒷비탈 구간에서는 사류(supercritical flow)가 형성되어 유속이 증가하고 이로 인해 제방 뒷비탈면의 세굴잠재성이 커지는 것으로 나타났다. 세굴잠재성의 증가는 제방붕괴가능성의 증가를 의미하므로 월류보호공 설계시 사류 특성을 고려할 필요가 있는 것으로 파악되었다.
후속연구
이에 대해서 자연친화적인 유공성 블록에 대한 수리실험을 수행하여 단위면적당 중량과 한계유속과의 상관관계를 도출하였다. 그러나 실험연구에서 계측장비의 한계로 보호공주변의 흐름 특성에 대한 분석이 수행되지 않아 형상에 따른 영향을 파악하기 어려워 추후 수치모의를 통해 보완이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구결과를 통하여 국내에서는 아직 도입되지 않은 자연친화적 월류보호공이 현장에 적용됨으로써 홍수시 월류에 의해 발생하는 인명 및 재산피해를 경감시키고, 더 나아가서는 자연친화적인 하천공간이 조성될 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 실험연구에서 계측장비의 한계로 보호공주변의 흐름 특성에 대한 분석이 수행되지 않아 형상에 따른 영향을 파악하기 어려워 추후 수치모의를 통해 보완이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구결과를 통하여 국내에서는 아직 도입되지 않은 자연친화적 월류보호공이 현장에 적용됨으로써 홍수시 월류에 의해 발생하는 인명 및 재산피해를 경감시키고, 더 나아가서는 자연친화적인 하천공간이 조성될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물 관련 재해가 큰 문제로 대두되고 있는 이유는?
최근 전 세계적으로 홍수의 강도와 빈도가 증가함에 따라 이로 인한 물 관련 재해(water related disaster)가 큰 문제로 대두되고 있다. 특히, 국내의 경우 집중호우와 강한 태풍으로 인해 심각한 피해가 발생될 것으로 예상 된다.
제방붕괴가 심각성이 큰 이유는?
제방붕괴는 하천시설물 자체의 피해뿐만 아니라, 제내지의 인명 및 재산피해를 유발시킨다는 점에서 심각성이 크다. 초과규모의 홍수가 유하하더라도 월류에 의해서 제방이 붕괴되는 것과 붕괴되지 않고 단순히 월류하는 경우의 피해 정도는 매우 다른 양상으로 나타난다.
우리나라 물 관련 재해는?
최근 전 세계적으로 홍수의 강도와 빈도가 증가함에 따라 이로 인한 물 관련 재해(water related disaster)가 큰 문제로 대두되고 있다. 특히, 국내의 경우 집중호우와 강한 태풍으로 인해 심각한 피해가 발생될 것으로 예상 된다. 1980년대 후반부터 기온이 상승하면서 태풍 등 기상이변의 빈도가 증가하는 추세이며 여름철 호우재해의 발생빈도가 연평균 5.
참고문헌 (15)
Ministry of Construction Transportation, Development of Advanced Technologies for Levees, 2004.
Uno, T., Kamiya, K. and Tanaka, K, "The distribution of sand void diameter by air intrusion method and moisture characteristic curve method", Doboku Gakkai Ronbunshu, 1998(603), pp. 35-44, 1998. DOI: https://doi.org/10.2208/jscej.1998.603_35
Fujita, Y., Tamura, T. & Muramoto, Y. "Experiments on Enlarging Process of River Bank Breaches" University of Tokyo, Institute of Hazard Mitigation, Annual Report no. 27, pp. B-2, 1984.
Apel, H., Thieken, A. H., Merz, B.and Bloschl, G., "A probabilistic modelling system for assessing flood risks", Natural hazards, vl. 38, no. 1, pp. 79-100, 2006. DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-005-8603-7
Coleman, S. E., Andrews, D. P. and Webby, M. G., "Overtopping breaching of noncohesive homogeneous embankments" Journal of Hydraulic Engineering, vol. 128, no. 9, pp. 829-838, 2002. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2002)128:9(829)
Chinnarasri, C., Tingsanchali, T., Weesakul, S., and Wongwises, S. "Flow patterns and damage of dike overtopping" International Journal of Sediment Research, vol. 18, no. 4, pp. 301-309, 2003.
Frenette, R., & Pestov, I., "Flow and erosive stresses at the base of a headcut" Journal of Hydraulic Engineering, vol. 131, no. 2, pp. 139-141, 2005. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:2(139)
Ministry of construction Japanese Government, Design Guideline of River Levee, 2000.
Pan, Y., Li, L., Amini, F., & Kuang, C. "Influence of three levee-strengthening systems on overtopping hydraulic parameters and hydraulic equivalency analysis between steady and intermittent overtopping" Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, vol. 139, no. 4, pp. 256-266. 2012. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000179
Li, L., Amini, F., Pan, Y. & Li, C. "Stability Monitoring of Articulated Concrete Block Strengthened Levee in Combined Wave and Surge Overtopping Conditions" In Geo-Congress 2014: Geo-characterization and Modeling for Sustainability pp. 262-271, 2014.
Escarameia, M., & May, R.W.P., "Stability of Riprap and Concrete Blocks in Highly Turbulent Flows" Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Maritime and Energy, vol. 112, no. 3, pp. 227-237, 1995. DOI: https://doi.org/10.1680/iwtme.1995.27885
Escarameia, M. & May, R.W.P. "Channel protection-Turbulence downstream of structures", Report SR 313, HR Wallingford, 1992.
Pilarczyk, K.W. "Stability Criteria for Revetments", Hydraulic Engineering, Proceedings of the 1990 National Conference, American Society of Civil Engineers, New York. pp. 245-250, 1990.
JICE(Japan Institute of Construction Engineering), Dynamic Design of Revetments, Sankaido, 2007.
Construction Industry Research and Information Association (CIRIA), Design of reinforced grass waterways. Report 116, London, 1987.
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