토석류는 빠른 속도와 넓은 퇴적 범위 등으로 인명 및 재산 피해를 야기하는 산지토사재해이다. 토석류 피해 저감을 목적으로 효과적인 사방 구조물을 설계하기 위해서는 토석류의 충격력을 정확하게 산정하여야 한다. 토석류의 유동속도는 토석류 충격력을 추정하는데 중요한 요인이다. 따라서 이 연구에서는 소형 수로실험을 통해 수로경사 및 시료 조건에 따른 토석류의 유동특성을 실험적으로 분석하고, 토석류 유동속도 추정식의 유동저항계수를 추정하였다. 유동속도는 수로의 경사조건 및 시료의 점성조건에 유의한 변화를 보였다. 유동깊이는 수로경사에 대해서 유의한 차이를 보였으나 시료의 점성변화에 대해서는 유의한 변화를 보이지 않았다. 유동저항계수를 계산하여 분석한 결과, Voellmy flow 모형의 Chezy 상수($C_1$)가 상대적으로 수로실험 결과를 잘 재현하였다. 또한, 실제 토석류 사례와의 비교 결과, 유동깊이에 관계없이 일정한 값($20.19m^{-1/2}\;s^{-1}$)을 보였다. 따라서, $C_1$은 다양한 발생규모의 토석류에 대한 유동속도 추정에 잘 활용될 수 있을 것으로 보인다.
토석류는 빠른 속도와 넓은 퇴적 범위 등으로 인명 및 재산 피해를 야기하는 산지토사재해이다. 토석류 피해 저감을 목적으로 효과적인 사방 구조물을 설계하기 위해서는 토석류의 충격력을 정확하게 산정하여야 한다. 토석류의 유동속도는 토석류 충격력을 추정하는데 중요한 요인이다. 따라서 이 연구에서는 소형 수로실험을 통해 수로경사 및 시료 조건에 따른 토석류의 유동특성을 실험적으로 분석하고, 토석류 유동속도 추정식의 유동저항계수를 추정하였다. 유동속도는 수로의 경사조건 및 시료의 점성조건에 유의한 변화를 보였다. 유동깊이는 수로경사에 대해서 유의한 차이를 보였으나 시료의 점성변화에 대해서는 유의한 변화를 보이지 않았다. 유동저항계수를 계산하여 분석한 결과, Voellmy flow 모형의 Chezy 상수($C_1$)가 상대적으로 수로실험 결과를 잘 재현하였다. 또한, 실제 토석류 사례와의 비교 결과, 유동깊이에 관계없이 일정한 값($20.19m^{-1/2}\;s^{-1}$)을 보였다. 따라서, $C_1$은 다양한 발생규모의 토석류에 대한 유동속도 추정에 잘 활용될 수 있을 것으로 보인다.
With its rapid velocity and wide deposition, debris flow is a natural disaster that causes loss of human life and destruction of facility. To design effective debris barriers, impact force of debris flow should be first considered. Debris flow velocity is one of the key features to estimate the impa...
With its rapid velocity and wide deposition, debris flow is a natural disaster that causes loss of human life and destruction of facility. To design effective debris barriers, impact force of debris flow should be first considered. Debris flow velocity is one of the key features to estimate the impact force of debris flow. In this study, we conducted small-scale flume experiments to analyze flow characteristics of debris flow, and determine flow resistance coefficients with different slope gradients and sediment mixtures. Flow velocity significantly varied with flume slope and mixture type. Debris flow depth decreased as slope increased, but difference in depth between sediment mixtures was not significant. Among flow resistance coefficients, Chezy coefficient ($C_1$) showed not only relatively highest goodness of fit, but also constant value ($20.19m^{-1/2}\;s^{-1}$) regardless the scale of debris flow events. The overall results suggested that $C_1$ can be most appropriately used to estimate flow velocity, the key factor of assessing impact force, in wide range of debris flow scale.
With its rapid velocity and wide deposition, debris flow is a natural disaster that causes loss of human life and destruction of facility. To design effective debris barriers, impact force of debris flow should be first considered. Debris flow velocity is one of the key features to estimate the impact force of debris flow. In this study, we conducted small-scale flume experiments to analyze flow characteristics of debris flow, and determine flow resistance coefficients with different slope gradients and sediment mixtures. Flow velocity significantly varied with flume slope and mixture type. Debris flow depth decreased as slope increased, but difference in depth between sediment mixtures was not significant. Among flow resistance coefficients, Chezy coefficient ($C_1$) showed not only relatively highest goodness of fit, but also constant value ($20.19m^{-1/2}\;s^{-1}$) regardless the scale of debris flow events. The overall results suggested that $C_1$ can be most appropriately used to estimate flow velocity, the key factor of assessing impact force, in wide range of debris flow scale.
따라서 이 연구에서는 소형 수로 실험을 통해 토석류 유동속도를 산정하는 유동저항계수를 추정하고, 실제 토석류 발생 사례를 통해 도출된 유동저항계수의 적용성을 평가하였다. 이를 위해 토석류 현상을 모의하여 소형 수로에서의 실험을 수행하였다.
제안 방법
따라서 이 연구에서는 소형 수로 실험을 통해 토석류 유동속도를 산정하는 유동저항계수를 추정하고, 실제 토석류 발생 사례를 통해 도출된 유동저항계수의 적용성을 평가하였다. 이를 위해 토석류 현상을 모의하여 소형 수로에서의 실험을 수행하였다. 이후 실험을 통해 획득한 유동 속도 및 유심을 통해 유동저항계수를 추정하고, 실제 토석류 사례에서 계산된 유동저항계수와 비교하여 그 적용성을 비교하였다.
이를 위해 토석류 현상을 모의하여 소형 수로에서의 실험을 수행하였다. 이후 실험을 통해 획득한 유동 속도 및 유심을 통해 유동저항계수를 추정하고, 실제 토석류 사례에서 계산된 유동저항계수와 비교하여 그 적용성을 비교하였다.
대상 데이터
다양한 입자가 섞여 이동하는 실제 토석류의 흐름을 재현하기 위해 자갈, 모래, 점토를 일정한 비율로 혼합하여 토석류 시료를 구성하였다. 시료의 비율은 유사한 규모의 수로실험에 이용된 시료 비율을 바탕으로 하여 토석류의 주된 정성적 특성이 재현되도록 비율을 조정하였다.
3 m의 규모로 제작하였다. 수로 재질은 시료 이동을 쉽게 관찰하기 위해 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다. 수로 경사는 25˚부터 40˚까지 5˚ 단위로 경사를 조절할 수 있다.
데이터처리
4를 이용하여, 토석류의 유동특성인 유동속도 및 유동깊이와 수로경사, 시료조건에 대한 상관분석 및 분산분석을 수행하였다. 또한, Table 1에 언급한 유동속도 추정식을 적용하여, 각각의 유동저항계수를 추정하고, 평균제곱오차 (mean square error, MSE)를 계산하여 각각의 추정식의 재현성을 비교하였다.
실험 결과에 대한 통계분석은 R package 3.2.4를 이용하여, 토석류의 유동특성인 유동속도 및 유동깊이와 수로경사, 시료조건에 대한 상관분석 및 분산분석을 수행하였다. 또한, Table 1에 언급한 유동속도 추정식을 적용하여, 각각의 유동저항계수를 추정하고, 평균제곱오차 (mean square error, MSE)를 계산하여 각각의 추정식의 재현성을 비교하였다.
이론/모형
토석류 유동속도 및 유동깊이는 수로의 전면과 측면에서 촬영된 영상을 분석하여 산정하였다. 영상을 이용하여 유동속도와 유동깊이를 측정하는 방법은 Eu et al.(2017)의 방법을 이용하였다.
성능/효과
유동저항계수 중에서 C1이 비교적 실험 결과를 잘 재현하였다. 또한, 실제 토석류 사례와의 비교를 통해 유동깊이에 따른 유동저항계수의 변화를 분석한 결과, C1은 유동깊이에 상대적으로 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 다양한 발생규모의 토석류에 대한 유동속도 추정에 C1 을 보편적으로 적용할 수 있을 것이다.
유동속도는 수로 경사가 급해질수록, 시료의 점성이 감소할수록 증가하였다. 유동깊이는 수로경사가 급해짐에 따라 감소하는 경향을 보였지만, 시료의 점성조건에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
이 연구에서는 소형 수로실험을 통해 토석류 유동 현상을 모의하고, 유동특성에 대한 분석을 통해 유동속도 추정식의 유동저항계수를 산정하였다. 유동속도는 수로 경사가 급해질수록, 시료의 점성이 감소할수록 증가하였다. 유동깊이는 수로경사가 급해짐에 따라 감소하는 경향을 보였지만, 시료의 점성조건에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
후속연구
대부분의 연구에서 유동 깊이는 경험적으로 추정하며, 유동깊이에 대한 이론적 해석을 수행한 Rickenmann(1999)은 최대 유출량이 유동 깊이를 결정하는 중요한 요인이라고 하였다. 따라서 유동깊이의 변화를 파악하기 위해서는 보다 큰 규모의 수로에서 다양한 조건의 실험이 수행되어야 할 것이다.
또한, 실험에 사용된 시료의 총량은 모의하고자 하는 토석류 현상의 유출 토사량을 산정하여 선정되어야 하나, 수로에 적재 가능한 시료량의 한계로 인해 실제 토석류의 유출량을 현실적으로 반영하지 못하였다. 따라서 이 연구에서 얻은 결과를 실제 현장설계에 활용하기 위해서는 보다 많은 토석류 사례에 대한 조사와 비교 평가를 통한 보완 작업이 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수로실험 조건에서 차원 해석을 통해 다양한 변수를 축소하는 상사성의 고려를 위해 필요한것은 무엇인가?
수로실험 조건에서는 토석류 현상과 규모의 차이가 발생하기 때문에 차원 해석을 통해 다양한 변수를 축소하는 상사성(similarity)이 고려되어야 한다(Iverson, 2015). 이를 위해서는 수로의 길이, 입자의 직경 등의 기하학적 상사와 유동 현상에 대한 동역학적 상사가 고려되어야 한다(Scheidl et al., 2013b).
토석류란 무엇인가?
토석류는 빠른 속도와 넓은 퇴적 범위 등으로 인명 및 재산 피해를 야기하는 산지토사재해이다. 토석류 피해 저감을 목적으로 효과적인 사방 구조물을 설계하기 위해서는 토석류의 충격력을 정확하게 산정하여야 한다.
토석류 피해 저감을 목적으로 효과적인 사방 구조물을 설계하기 위해서는 무엇이 우선되어야하는가?
토석류는 빠른 속도와 넓은 퇴적 범위 등으로 인명 및 재산 피해를 야기하는 산지토사재해이다. 토석류 피해 저감을 목적으로 효과적인 사방 구조물을 설계하기 위해서는 토석류의 충격력을 정확하게 산정하여야 한다. 토석류의 유동속도는 토석류 충격력을 추정하는데 중요한 요인이다.
참고문헌 (21)
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