[논문]실내실험에 의한 가동보 기립각도 변화에 대한 토사의 퇴적 과정 분석

이경수; 장창래

doi:10.3741/jkwra.2018.51.9.795

실내실험에 의한 가동보 기립각도 변화에 대한 토사의 퇴적 과정 분석
Experimental analysis of the sedimentation processes by variation of standing angle in the improved-pneumatic-movable weir 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.51 no.9, 2018년, pp.795 - 802

이경수 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 장창래 (한국교통대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 실내실험을 통하여 개량형 공압식 가동보를 대상으로 보의 기립각도를 고려한 유사의 퇴적과 델타의 발달 과정을 파악하였다. 가동보 상류에서 유입되는 유사는 배수의 영향으로 유속이 느려지면서 퇴적이 되고 델타가 형성되며 하류로 이동하였다. 각 실험조건에 대하여 시간에 따른 델타의 이동속도는 델타는 시간이 지나면서 현저하게 감소하고, 보에 접근하였다. 무차원 델타의 높이($h_d/h$)가 증가할수록 무차원 델타의 이동속도($S_D/V_0$)는 감소하였다. 따라서 델타의 높이($h_d$)가 증가할수록 수심(h)은 감소하였다. 델타의 유효높이($h_w$)가 크기 때문에 델타의 체적($V_{xD}$)은 증가하지만 배수(backwater)의 영향을 받아 델타의 이동속도($S_D$)와 퇴적량은 감소하였다. 수로 경사가 일정할 때, 보의 높이(W)가 클수록 델타체적($V_{xD}$)이 증가하고, 델타의 전면부 길이비($h_d/{\Delta}S$)는 1에 가깝다. 같은 유량조건인 경우에 가동보의 기립 각도가 가장 클 때, 시간당 델타의 퇴적량($Q_s$)은 가장 작았다. 따라서 보의 높이(W)가 클수록 델타의 발달을 억제할 수 있는 효과가 크다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the hydraulic characteristics and the delta development processes in the improved-pneumatic-movable weir by considering the standing angle of the weir through laboratory experiments. The delta migration speed decreases rapidly with time. As the ratio of delta height to water depth increases, the dimensionless delta migration speed decreases at the delta point. Therefore, the water depth decreases as the delta height increases. Although the delta volume is large due to the effective height of the delta, the delta migration speed and sediment deposition decreases because of the backwater effect on the delta. On the same bed slope condition, the larger the weir height, the larger the delta volume and the ratio of delta height to delta front length is close to 1.0. The delta development could be suppressed when the weir is high. Therefore, the condition that the weir is high has the suppressing effect on the delta developments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 Lee et al. (2014)와 Lee et al. (2016)에서 연구한 국내 중, 소하천에 가장 많이 설치되어 있는 개량형 공압식 가동보(Improved-pneumatic-movable weir, IPM weir)를 대상으로 실내실험을 수행하여 보의 기립각도의 변화를 고려한 보 상류에서 토사의 퇴적과정을 분석하였다.

제안 방법

델타의 이동특성 분석을 위한 실험은 보의 기립 및 도복조건과 델타의 발달과정의 상호작용을 고려하여 보 운영조건에 의한 상류에서 퇴적면적의 이동, 델타의 이동속도, 퇴적구간 등 델타의 수리학적 영향인자들을 분석하였다. 각 실험마다 30 min 간격으로 ±0.
본 실험을 위하여 적용된 수리학적 조건은 실험 중 유사가 표면장력으로 인하여 흐름과 달리 독립적으로 이동하거나 부유되지 않아야 하며, 하상에서 사련(ripple)이 발생되지 않을 조건을 충분히 만족시켜야 한다. 따라서 공급되는 유량(Q)과 위어높이(W)와의 상호작용 등을 고려하기 위하여 수로경사(i)를 1/50, 1/75, 1/100, 1/200, 1/300로 변화시켜가며 예비실험을 실시하고 유사가 이동할 수 있는 충분한 소류력(tractive force)이 발생하여 델타가 형성될 수 있는 조건을 갖추도록 Q는 0.003 m³/s, i는 1/100으로 결정하였다. 또한 보에 의하여 발생하는 배수(backwater)의 영향이 고가수조까지 미치지 않는 조건을 만족시키기 위하여 가동보는 수로의 하류로부터 2.

대상 데이터

델타의 이동특성을 분석을 위한 실험은 하류 수심의 영향이 상류에 미치는 영향을 고려하기 위하여 Lee et al. (2014)와 Lee et al. (2016)이 개량형 공압식 가동보를 대상으로 하천에서 평•갈수기를 고려한 자유흐름(free flow)과 홍수기를 고려한 잠김흐름(submerged flow) 특성 분석을 위해 연구한 실험 수로를 이용하였다(Fig. 1). 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입 될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하므로 고가수조의 물이 이동상 초기 수로로 물을 유도하고 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 고정상 수로를 목재로 제작하여 수밀성을 확보하였다.

성능/효과

또한 보의 높이(W)가 클수록 델타의 전면부 길이비(h_d/∆S)는 1에 가깝다. 즉, 델타의 유효높이(h_w)가 클수록 델타의 전면경사는 완만하였다.
또한 무차원 델타의 높이(h_d/h)가 증가할수록 무차원 델타의 이동속도(S_D/V₀)는 감소하였다. 따라서 델타의 높이(h_d)가 증가할수록 수심(h)과 델타의 이동속도(S_D)는 감소하였다.
)은 감소하였다. 이것은 동일한 수로경사(i)일 때 보의 높이(W)가 클수록 델타의 발달을 억제할 수 있는 효과가 큰 것을 의미한다.

후속연구

본 연구의 결과는 댐 및 보 상류의 퇴사관리를 위한 운영조건의 개선 및 기준마련 등에 참고가 될 것으로 기대하며, 향후 다양한 가동보의 운영조건과, 부유사와 혼합사의 거동이 고려된 보 상류 퇴사과정에 관한 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	델타의 종방향 지형은 어떻게 형성되나?	댐 및 보와 같은 하천을 횡단하는 수리구조물에 의해 배수(backwater)의 영향에 의하여 수심이 깊고 유속이 느려지는 곳에서 상류에서 유입되는 유사에 의하여 급격하게 퇴적되어 형성된 지형이나 그 형태를 델타(delta)라고 한다(Morris and Fan, 1997). 델타의 종방향 지형은 굵은 유사 입자로 퇴적된 정상퇴적층(Topset bed), 급경사면을 형성한 전부퇴적층(Foreset bed), 실트나 가는 입자가 퇴적된 저부퇴적층(Bottomset bed)로 형성된다. 하천에서 댐 및 보에 의해 형성된 저수지는 델타에 의하여 저류용량이 감소하고, 유효수명뿐만 아니라 편익(benefits)을 제한하게 된다(Graf, 1984; Fan and Morris, 1997).
	저수지 퇴사가 형성될 때 무엇에 영향을 받나?	저수지 퇴사는 유역으로부터 생성되는 유사량, 이송능력, 퇴적형태 등에 따라 변화되는 매우 복잡한 과정을 거쳐 이루어진다. 특히 하천의 특성, 빈도별 홍수량, 저수지의 지형 특성 및 운영, 응집능, 밀도류, 그리고 토지이용 변화에 따라 주로 영향을 받으며 사수역, 포착률, 유입수문곡선, 유입 유사량, 유사특성 등을 고려하여 분석해야 한다(Julien, 1995).
	저수지 퇴사는 어떠한 과정을 거쳐 이루어지나?	현재까지 국내에서 델타와 관련된 연구는 주로 댐 및 보 상류의 하상변동, 그리고 구조물 주변에서의 세굴 및 퇴적 분야에 국한되어 실험 및 수치모의 연구가 수행되어 왔으며 저수지내 델타의 형성과정에 대하여 정량적으로 제시하거나 델타의 발달 메카니즘 분석에 관한 연구는 매우 제한적이었다. 저수지 퇴사는 유역으로부터 생성되는 유사량, 이송능력, 퇴적형태 등에 따라 변화되는 매우 복잡한 과정을 거쳐 이루어진다. 특히 하천의 특성, 빈도별 홍수량, 저수지의 지형 특성 및 운영, 응집능, 밀도류, 그리고 토지이용 변화에 따라 주로 영향을 받으며 사수역, 포착률, 유입수문곡선, 유입 유사량, 유사특성 등을 고려하여 분석해야 한다(Julien, 1995).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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