본 연구에서는 평탄지형의 제내지에서 제방붕괴속도에 따른 범람홍수파 선단의 전파 특성을 규명하기 위하여 제내지와 하도로 이루어진 실험수조에서 실험을 수행하여 전파 거리를 산정하였다. 실험에 의해 측정된 전파거리를 시간에 대한 상관식으로 나타내기 위하여 댐붕괴에 의한 수로에서의 홍수파의 1차원 흐름 해석해인 Ritter의 해에 3차원 거동특성을 반영할 수 있는 상수 k와 m을 도입한 일반식에 실험결과를 적용하여 실험식을 도출하였다. 기존 연구에서 하도내의 초기수위가 범람홍수파의 전파속도에 지배적인 영향을 준다는 사실은 알려져 있으나, 본 실험연구를 통해 제방붕괴속도도 범람홍수파의 전파속도에 영향을 주며, k와 m이 상수가 아닌 제방붕괴속도와 선형관계를 갖는 변수임을 밝혔다. 실험결과를 이용하여 범람홍수파 선단의 전파거리를 산정할 수 실험식을 제시했으며, 범람홍수파의 전파속도 산정시 하도내의 초기수위뿐만 아니라 제방붕괴속도도 고려해야 함을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 대규모 제내지 범람실험을 수행하여 범람양상을 관찰하고 수리학적 관점에서 해석하였으며, 실험결과를 토대로 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다. 본 연구결과는 홍수위험지도 작성이나 긴급대피계획 수립시 기본적인 판단 자료로 사용할 수 있으며, 2차원 범람 수치모형 검증시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 평탄지형의 제내지에서 제방붕괴속도에 따른 범람홍수파 선단의 전파 특성을 규명하기 위하여 제내지와 하도로 이루어진 실험수조에서 실험을 수행하여 전파 거리를 산정하였다. 실험에 의해 측정된 전파거리를 시간에 대한 상관식으로 나타내기 위하여 댐붕괴에 의한 수로에서의 홍수파의 1차원 흐름 해석해인 Ritter의 해에 3차원 거동특성을 반영할 수 있는 상수 k와 m을 도입한 일반식에 실험결과를 적용하여 실험식을 도출하였다. 기존 연구에서 하도내의 초기수위가 범람홍수파의 전파속도에 지배적인 영향을 준다는 사실은 알려져 있으나, 본 실험연구를 통해 제방붕괴속도도 범람홍수파의 전파속도에 영향을 주며, k와 m이 상수가 아닌 제방붕괴속도와 선형관계를 갖는 변수임을 밝혔다. 실험결과를 이용하여 범람홍수파 선단의 전파거리를 산정할 수 실험식을 제시했으며, 범람홍수파의 전파속도 산정시 하도내의 초기수위뿐만 아니라 제방붕괴속도도 고려해야 함을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 대규모 제내지 범람실험을 수행하여 범람양상을 관찰하고 수리학적 관점에서 해석하였으며, 실험결과를 토대로 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다. 본 연구결과는 홍수위험지도 작성이나 긴급대피계획 수립시 기본적인 판단 자료로 사용할 수 있으며, 2차원 범람 수치모형 검증시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
An experimental study was carried out to investigate the characteristics of the propagation distance of a flood wave considering the levee failure speed in a flat inundation area. The Ritter solution for one dimensional flow was considered to formulate the experimental results and a representative f...
An experimental study was carried out to investigate the characteristics of the propagation distance of a flood wave considering the levee failure speed in a flat inundation area. The Ritter solution for one dimensional flow was considered to formulate the experimental results and a representative form with coefficients of k and m, which consider the three dimensional flow characteristics, was applied. The experiments showed that the propagation velocity of the wave front in the inundation area was influenced by the levee breach speed as well as the initial water level, which is a significant variable representing the flood wave behavior. In addition, coefficients k and m are not constants, but variables that vary with levee breach speed. An empirical formula was also suggested using the experimental results in the form of the relationships between k and m. In this study, a large-scale experiment for flood inundation was carried out to examine the behavior of flooding in the inundated area and the relationships between the levee breach speed and wave-front propagation velocity were suggested based on the experimental results. These research results are expected to be used as the baseline data to draw a flow inundation map, establish an emergency action plan, and verify the two-dimensional numerical model.
An experimental study was carried out to investigate the characteristics of the propagation distance of a flood wave considering the levee failure speed in a flat inundation area. The Ritter solution for one dimensional flow was considered to formulate the experimental results and a representative form with coefficients of k and m, which consider the three dimensional flow characteristics, was applied. The experiments showed that the propagation velocity of the wave front in the inundation area was influenced by the levee breach speed as well as the initial water level, which is a significant variable representing the flood wave behavior. In addition, coefficients k and m are not constants, but variables that vary with levee breach speed. An empirical formula was also suggested using the experimental results in the form of the relationships between k and m. In this study, a large-scale experiment for flood inundation was carried out to examine the behavior of flooding in the inundated area and the relationships between the levee breach speed and wave-front propagation velocity were suggested based on the experimental results. These research results are expected to be used as the baseline data to draw a flow inundation map, establish an emergency action plan, and verify the two-dimensional numerical model.
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문제 정의
이와 같이 제방붕괴시 하천수위와 홍수 파의 전파속도에 대한 연구는 수행된 바 있으나, 제방붕괴속도에 따른 홍수파 선단의 이동속도에 대한 연구는 그 동안 시도되지 않았던 것으로 조사되었다. 따라서 본연구에서는 제방붕괴 속도에 따라 제내지에서 홍수파 선단의 이동속도의 변화를 분석하기 위하여 수리실험을 수행하고 결과를 분석하였다.
이상과 같이 기존 연구는 2차원 수치모의에 의한 범람해석이 주를 이루고 있으며, 수치모형의 검증을 위해 제한된 현장 실측자료를 이용하거나, 극히 제한된 조건에서 단순화된 수리실험결과와 비교하여 모형의 적용성을 검증한 정도이다. 따라서, 본 연구에서는 제방붕괴에 의한 제내지 범람홍수파의 동역학적 거동 현상을 검토하기 위하여 다양한 하도수위 및 제방붕괴폭 조건에 대해 수리실험을 수행하고, 실험조건에 따른 제내지 범람홍수파 선단의 전파속도를 측정하여 주어진 제내지 특성조건에 대해 실험식을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 평탄지형의 제내지에서 제방붕괴지속시간의 변화에 의한 범람홍수파 선단의 전파 특성을 규명하기 위하여 제내지와 하도로 이루어진 실험수조에서 실험을 수행하여 시간에 따른 범람홍수파 선단의 전파 거리를 산정하였다. 전파거리를 산정하기 위한 일반식은 댐붕괴에 의한 수로에서의 홍수파의 1차원 흐름 해석해 인 Ritter의 해를 변형하여 도출하였으며, 시간에 따른범람홍수파 선단의 이동거리를 일반식에 적용하여 실험식을 도출하였다.
가설 설정
Yoon and Lee[6]의 연구에서 보인 바와 같이, 제방붕괴에 의한 범람홍수파의 해석해는 1982년에 Ritter가 댐 하류 사각형 수로에 대해서 제안한 식으로부터 시작된다. Ritter의 해석해는 마찰경사와 하상경사가 같다는 Saint-Venant[7]의 가정(So– Sf = 0 )을 적용하여 댐 하류 사각형 수로의 수심이 0일 때 임의 시간 t에서의 수면형을 구하는 방정식이다[8]. 이러한 해석방법은 Su and Barnes[9]에 의해서 수로 단면이 삼각형과 포물선형인 경우로 확장되어 제안되기도 했다.
제안 방법
Eq. (7)에 나타낸 것처럼 본 연구에서는 제방붕괴에 의한 홍수파 선단 이동거리 산정시 3차원 거동에 대한영향을 나타내기 위하여 상수 k, m을 도입하였다. 또한, 본 연구에서는 댐 붕괴에 의한 하도에서의 1차원 흐름의 한계를 보완할 수 있도록 완전한 3차원 실험을 수행하여 상수 k, m을 도출하였다.
(7)에 나타낸 것처럼 본 연구에서는 제방붕괴에 의한 홍수파 선단 이동거리 산정시 3차원 거동에 대한영향을 나타내기 위하여 상수 k, m을 도입하였다. 또한, 본 연구에서는 댐 붕괴에 의한 하도에서의 1차원 흐름의 한계를 보완할 수 있도록 완전한 3차원 실험을 수행하여 상수 k, m을 도출하였다.
본 연구에서는 대규모 제내지 범람실험을 수행하여 범람양상을 관찰하고 수리학적 관점에서 해석하였다. 또한, 실험결과를 토대로 댐붕괴에 의한 1차원 흐름해석방법을 3차원으로 확장하여 해석할 수 있음을 보였으며, 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다.
확산형은 범람수가 저류되지 않고 확산되어 다른 지역으로 유하하는 형태로서 하천수위가 감소하더라도 하천으로 재유입되는 경우는 많지 않다. 본 연구의 목적이 제내지에서 범람홍수파선단이 이동하는 속도를 측정하기 위한 것이므로 제내지의 경계조건을 확산형으로 설정하여 실험을 수행하였다.
제방붕괴속도에 따른 범람홍수파의 전파양상에 미치는 영향만을 규명하기 위하여 다른 수리학적 영향인자는고정시켰다. 이를 위하여 제방붕괴 당시 하도에 유입되는 유량은 0으로 설정했으며, 월류수심은 0.5m, 제방붕괴폭은 1.0m의 조건으로 고정시켰으며, 제방붕괴속도 vo는 제방붕괴폭 Lb에 제방붕괴지속시간 tb를 나눈 값이며, 수문의 개방속도를 조절하는 방법으로 0.03m/s부터 0.18m/s까지 0.03m/s 간격으로 총 6개의 조건이 되도록 하였다. 모든 실험조건에 대해서 제내지에서의 초기수위는 0으로 하여 바닥이 마른상태에서 범람홍수파가 전파되도록 하였다.
유입흐름과 제체 특성에 따라 달라지는 제방붕괴지속시간 tb는 범람홍수파의 거동 특성을 변화시킨다. 제방붕괴지속시간에 따른 범람홍수파 선단의 전파특성을 검토하기 위해 수문의 개방속도를 조절하면서 제내지에 홍수파가 전파되도록 하였다.
대상 데이터
실험 수조의 전체 크기는 가로 30m, 세로 30m이며,수조 내부에 제내지, 제방 및 하도를 제작하였다. Fig.
본 실험의 특성상 홍수파의 선단의 이동속도가 빠르므로 하천실험에서 사용되는 일반적인 수위계로는 파가 도달하는 시간을 측정하지 못하는 한계 때문에 파고계를 사용하였다. 측정에 사용된 파고계는 일본 KENEK사의 CHT4-60이며, 수심측정 범위는 60cm이고 최대 측정주파수는 20Hz로서 최대 0.05sec 간격으로 측정이 가능하다. 본 실험에서는 측정간격으로서 5Hz(0.
이론/모형
제내지에서 범람홍수파 선단이 측정지점에 도달하는 시간과 수심을 측정하기 위하여 용량식파고계를 이용하였다. 파고계는 일반적으로 해안 실험에서 파고를 측정하기 위해 사용되며, 정밀도가 높고, 매우 짧은 간격으로 수위를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
성능/효과
08로 나타났다. 따라서, 제방붕괴에 의한 범람홍수파의 거동 예측시 하도내의 초기수위뿐만 아니라, 제방붕괴시 지속시간도 고려해 홍수파 선단의 전파속도를 산정해야 함을 보였다.
본 연구에서는 대규모 제내지 범람실험을 수행하여 범람양상을 관찰하고 수리학적 관점에서 해석하였다. 또한, 실험결과를 토대로 댐붕괴에 의한 1차원 흐름해석방법을 3차원으로 확장하여 해석할 수 있음을 보였으며, 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다. 본 연구결과는 홍수위험지도 작성이나 긴급대피계획 수립시 기본적인 판단 자료로 사용할 수 있으며,2차원 범람 수치모형 검증시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
제방붕괴시 제방붕괴속도가 범람홍수파 선단의 이동 거리에 미치는 영향을 검토한 결과, 일반식 도출시 범람홍수파의 3차원적 거동을 반영하기 위하여 도입했던 상수 k와 m은 무차원 제방붕괴속도 Vo와 선형관계를 갖는 변수임이 밝혀졌다. 제방붕괴속도가 증가할수록 k와 m도 증가하며, 범람방향에 따라 θ가 0o일 때 k 및 m에 대한 기울기는 각각 0.
후속연구
제방 붕괴는 예측이 불가능한 현상이기 때문에 하천수위나 유량을 측정하듯이 현장 계측을 통해 범람양상을 파악한다는 것은 실현성이 없다. 결국, 수리실험 결과와 수치모의 결과를 비교하여 수치모형의 적합성을 검증한 후 대상지역에 대한 범람홍수파의 거동을 예측하는 것이 합리적인 방안이 될 것이다.
본 연구에서는 실험실에서 수행할 수 있는 최대 규모의 실험을 수행하여 원형에 가까운 수리학적 현상을 재현하려고 하였으나, 실제 실규모 실험에서 나타나는 제방붕괴 및 범람을 완벽하게 표현하는 것은 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서, 향후 수리학적, 토질공학적 상사조건 등의 제반조건을 만족시킬 수 있는 수리모형을 설계하고, 이에 따라 실험을 수행함으로써 상사법칙에 근거한 결과를 도출할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
또한, 실험결과를 토대로 댐붕괴에 의한 1차원 흐름해석방법을 3차원으로 확장하여 해석할 수 있음을 보였으며, 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다. 본 연구결과는 홍수위험지도 작성이나 긴급대피계획 수립시 기본적인 판단 자료로 사용할 수 있으며,2차원 범람 수치모형 검증시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 실험실에서 수행할 수 있는 최대 규모의 실험을 수행하여 원형에 가까운 수리학적 현상을 재현하려고 하였으나, 실제 실규모 실험에서 나타나는 제방붕괴 및 범람을 완벽하게 표현하는 것은 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서, 향후 수리학적, 토질공학적 상사조건 등의 제반조건을 만족시킬 수 있는 수리모형을 설계하고, 이에 따라 실험을 수행함으로써 상사법칙에 근거한 결과를 도출할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
하천제방이 붕괴되어 최초 범람홍수파가 제내지로 전파될 때 홍수파 선단(flood wave-front)의 이동속도를 추정하는 것은 제방 주위 거주자에 대한 위험성을 예측하고 대피계획을 수립하는데 매우 유용한 자료로 사용될 수 있다. 제내지 범람홍수파의 전파속도에 대한 정확한 추정을 위해서는 대상지역의 지형특성, 토지이용현황 뿐만 아니라 하천의 하도특성, 수리특성 및 제방붕괴특성 등을 조사하여 수리모형실험이나 수치모의를 수행해야 하는 것이 일반적이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수리모형실험의 단점은?
제내지 범람홍수파의 전파속도에 대한 정확한 추정을 위해서는 대상지역의 지형특성, 토지이용현황 뿐만 아니라 하천의 하도특성, 수리특성 및 제방붕괴특성 등을 조사하여 수리모형실험이나 수치모의를 수행해야 하는 것이 일반적이다. 그러나, 수리모형실험은 모든 대상 지역에 대해 수리 및 제내지 조건을 축소․재현하여 매번 실험을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되어 그 효율성이 떨어진다. 이에 비해 수치모의는 비용과 시간 측면에서 효율적일 수 있으나, 범람홍수파 선단의 이동속도를 구하기 위해서는 현장계측 자료나 실험자료를 이용한 검증이 선행되어야 하는 제약이 있다.
수치모의의 특징은?
그러나, 수리모형실험은 모든 대상 지역에 대해 수리 및 제내지 조건을 축소․재현하여 매번 실험을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되어 그 효율성이 떨어진다. 이에 비해 수치모의는 비용과 시간 측면에서 효율적일 수 있으나, 범람홍수파 선단의 이동속도를 구하기 위해서는 현장계측 자료나 실험자료를 이용한 검증이 선행되어야 하는 제약이 있다. 제방 붕괴는 예측이 불가능한 현상이기 때문에 하천수위나 유량을 측정하듯이 현장 계측을 통해 범람양상을 파악한다는 것은 실현성이 없다.
참고문헌 (9)
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K. S. Yoon, J. -K. Lee, "Empirical Formula for Propagation Distance of Flood Wave-front in Flat Inundation Area without Obstacle due to Levee Breach", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 40, no. 10, pp. 833-840, 2007. DOI: https://doi.org/10.3741/JKWRA.2007.40.10.833
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S. -T. Su, A. H. Barnes, "Geometric and frictional effects on sudden releases", Journal of Hydraulic Division, ASCE, vol. 96, no. 11, pp. 2185-2200, 1970.
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