[논문]불규칙 단파가 신월저류배수시설의 수리적 안정성에 미치는 영향에 대한 실험 연구

오준오

doi:10.3741/jkwra.2019.52.5.313

초록
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대심도 터널은 기 개발된 도시의 부족한 배수관망 능력을 보강하기 위하여 지하에 설치하는 대규모 도시홍수 배제 시설물로 역 사이펀 관로 형태를 하고 있는 시설물이다. 대심도 터널과 같은 구조에서는 하류에서 발생한 불규칙 단파에 의하여 터널의 수리적 안정성에 문제가 발생한다. 본 연구에서는 국내 최초로 건설 중인 '신월 빗물저류배수시설'의 수리적 안정성에 불규칙 단파가 미치는 영향을 알아보기 위하여 다양한 홍수유입 시나리오에 대하여 수리모형실험을 실시하였다. 본 연구에서 수행한 수리모형실험 결과 하류에서 발생한 불규칙 단파가 상류로 이동하면서 관 내 포집되어 압축상태인 공기덩어리를 밀어내는데, 이 공기덩어리가 상류 수직유입구를 통하여 급배기 되는 과정에 수직유입구를 질식시키고 홍수유입을 차단하여 월류가 발생하는 것으로 판단된다. 또한 불규칙 단파의 이동속도를 분석한 결과 불규칙 단파가 이동하면서 에너지를 전달하고 이때 관 내 압력 상승 및 불규칙 단파의 속도 증가분이 발생하는 것으로 판단된다. 대심도 터널의 수리적 안정성에 중요한 역할을 하는 불규칙 단파의 크기 및 속도 예측을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Deep Tunnel system is a large-scale urban flood control facility installed underground in order to reinforce the lack of drainage systems in developed cities. In a structure like a deep tunnel system, the undular bore generated in the downstream causes a problem in the hydraulic stability of the tun...

Deep Tunnel system is a large-scale urban flood control facility installed underground in order to reinforce the lack of drainage systems in developed cities. In a structure like a deep tunnel system, the undular bore generated in the downstream causes a problem in the hydraulic stability of the tunnel. In this study, to investigate the influence of the undular bore on the hydraulic stability at the "Shinwol rainwater storage and drainage system", under construction for the first time in the country, a hydraulic model experiment was conducted on various flooding inflow scenarios. As a result of the hydraulic model experiment carried out in this study, the undular bore generated downstream is trapped in the pipe while moving to upstream, pushes the compressed air. It is judged that overflow occurred by choking the vertical drop shaft in the process when this compressed air is being exhaust through the upstream vertical drop shaft and blocking flood inflow. In addition, the analysis of velocity of undular bore shows that the undular bore transfers energy, and at this time, the pressure rose in the pipe and the velocity increment occurred of the undular bore. Further studies are needed to predict the size and velocity of undular bore, which plays an important role in the hydraulic stability of the tunnel in the deep tunnel system.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Facilities of deep tunnel system
그림 Fig. 2. Flow mechanism in deep tunnel system
그림 Fig. 3. Concept of CRP (Celerity of bore by principle)
그림 Fig. 4. Concept of construction for shinwol rainwater storage and drainage system (Hyundai Construction & Engineering)
그림 Fig. 5. System of discharge cycle in hydraulic model experiment
표 Table 1. Scales for each variables of froude similarity
표 Table 2. Design conditions for experiments of each part
표 Table 3. Experimental scenarios for inlet discharge and residual amount in tunnel
그림 Fig. 6. Hydrograph of 50-yr. frequency of Seoul
표 Table 3. Experimental scenarios for inlet discharge and residual amount in tunnel (continue)
그림 Fig. 7. Location of setup in piezometers
표 Table 4. Analysis and comparison results of celerity of bores
표 Table 4. Analysis and comparison results of celerity of bores (continue)
그림 Fig. 8. Movement of the bore to upstream
그림 Fig. 9. Ratio of CRP/CRO
그림 Fig. 10. Pressure at Junction of each scenario
그림 Fig. 11. Concept of C_R (Celerity of resultant)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 홍수 시나리오(유입유량 조건, 터널내 잔류수량 조건)에 따라 시설 내에서 발생한 불규칙 단파가 신월 빗물저류배수시설에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수리모형실험을 실시하였다.

제안 방법

본 연구에서 이용한 수리모형은 설계도면을 분석하여 모형에 필요한 요소를 도출하고 축척에 맞게 아크릴로 제작하였으며 수리모형의 설계조건은 Table 2와 같다. 또한 모형의 조도계수를 평가하기 위하여 합류부, 곡선부, 유출부 등 주요 지점에 압력계를 설치하고 각 압력측정 지점 거리와 측정 압력을 이용하여 수두경사를 산정하였다. 그 결과 모형의 조도 계수가 0.
본 연구에서 수행한 수리모형실험은 원형인 신월 빗물 저류배수시설에 개수로 흐름의 지배력인 중력을 고려하여 Froude 상사법칙을 사용하였고 점성력과 관련한 Reynolds 수를 동시에 일치시키는 것은 불가능하므로 원형과 모형에서 Manning의 평균유속이 적용된다는 가정하에 조도를 조정함으로서 점성력의 상사를 유지하였으며 축척 1/50의 정상모형으로 제작하였다. Froude 상사법칙에 의한 수리량 환산비 Table 1과 같다.
본 연구에서 이용한 수리모형은 설계도면을 분석하여 모형에 필요한 요소를 도출하고 축척에 맞게 아크릴로 제작하였으며 수리모형의 설계조건은 Table 2와 같다. 또한 모형의 조도계수를 평가하기 위하여 합류부, 곡선부, 유출부 등 주요 지점에 압력계를 설치하고 각 압력측정 지점 거리와 측정 압력을 이용하여 수두경사를 산정하였다.
본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 ‘신월 빗물저류 배수시설’에 다양한 홍수유입 시나리오에 따른 불규칙 단파에 의한 시설물의 수리적 안정성을 평가하기 위하여 수직구 3개소 및 주요지점에 비디오 카메라를 설치하고 월류 여부 불규칙 단파의 이동속도를 평가하였다. 또한 Fig.
본 연구의 실험 시나리오는 Table 3과 같이 유입유량 조건 5가지, 터널 내 초기 잔류수 조건 11가지로 총 55가지 홍수유입 시나리오에 대한 수리모형실험을 수행하였다. 유입유량 조건은 방재성능목표 총량(서울시 50년 빈도)에서 각각 10%씩 감소시켜 구분하였으며 터널 내 초기 잔류수 조건은 저류 가능량(터널 총 부피)의 0% ~ 100%까지 10%씩 증가시켜 구분하였다.

대상 데이터

본 연구의 원형 모델인 ‘신월 빗물저류배수시설’은 2010년 침수피해가 발생한 서울특별시 강서구 및 양천구 일대에 주택 및 상가가 밀집되어 관거의 대규모 확충 공사가 불가한 지역으로 ‘신월 빗물저류배수시설’이 침수피해 해결 대책으로 계획되었으며, 사업 개요는 Fig. 4와 같다.

성능/효과

1) 본 연구에서 다양한 홍수유입 조건에 대한 수리모형실험을 수행한 결과 대부분의 실험 시나리오에서 영상분석을 통한 불규칙 단파 속도(C_RO)가 일반적으로 흐름이 있는 영역에서의 불규칙 단파 속도(C_RP)보다 더 큰 것으로 분석되었으며 불규칙 단파의 속도 증가분(C_a)이 발생하는 것으로 분석되었다.
2) 그 원인을 알아보기 위하여 상류로 이동하는 불규칙 단파가 유도터널(Induction tunnel)과 저류배수터널(Storage and drainage tunnel)의 합류부를 통과할 때 압력을 분석해 보니 0.2 MPa 이상일 경우 상류 수직유입구에서 월류가 발생하는 것으로 분석되었고 합류부의 수위변화를 살펴보니 불규칙 단파가 합류부를 통과할 때 수위가 일시적으로 상승하였다가 감소하고 합류부 인근 공기덩어리의 부피는 감소하였다가 증가하는 것으로 분석되었다.
3) 본 연구에서 수행한 수리모형실험 결과 불규칙 단파가 이동하면서 에너지를 전달하고 이로 인한 압력변화가 불규칙 단파의 속도 증가분을 발생시키는 것으로 판단되며 본연구결과를 바탕으로 대심도 터널 내에서의 불규칙 단파의 이동속도에 대한 수정식을 제안하였다.

후속연구

4) 대심도 터널 내 불규칙 단파의 이동속도 예측을 위한 불규칙 단파의 이동속도, 크기, 유입유량의 크기, 터널 내 압력 변화 등 수리학적 요소들간의 상관관계에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천유역의 저류능력이 감소한 이유는?	최근의 기후 변화가 홍수의 특성과 피해 양상을 과거와는 다르게 변화시키고 있을 뿐 아니라 급격한 도시화로 인하여 기존 하천유역의 저류능력이 감소하였다(Kim and Lee, 2005). 이러한 한계를 극복하기 위하여 이미 외국에서는 대심도 터널을 활용한 홍수재해 관리방안이 오래전부터 활용되어 왔는데, 특히 미국, 홍콩, 일본에서 지하공간을 이용한 대심도 터널을 홍수 방어 구조물로 적극적으로 활용하고 있다.
	하천유억의 저류능력 감소를 극복하기 위해 외국에서 활용한 방안은?	최근의 기후 변화가 홍수의 특성과 피해 양상을 과거와는 다르게 변화시키고 있을 뿐 아니라 급격한 도시화로 인하여 기존 하천유역의 저류능력이 감소하였다(Kim and Lee, 2005). 이러한 한계를 극복하기 위하여 이미 외국에서는 대심도 터널을 활용한 홍수재해 관리방안이 오래전부터 활용되어 왔는데, 특히 미국, 홍콩, 일본에서 지하공간을 이용한 대심도 터널을 홍수 방어 구조물로 적극적으로 활용하고 있다.
	대심도 터널이란?	‘신월 빗물저류배수시설’과 같은 대심도 터널은 Fig. 1과 같이 크게 유입시설(Inlet facility), 유도터널(Induction tunnel), 본 터널(Main tunnel), 배기시설(Exhaust facility), 배수시설 (Outlet facility)로 구분하고 있으며 본류 하도의 홍수를 지하 터널로 유입시켜 해양, 호수 및 타 하천으로 방류하는 시설이다.

참고문헌 (8)

Kim, C. W., and Lee, D. S. (2005). "Necessity of bypass for flood damage reduction in urban area." Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol. 53, pp. 43-49.
Kushiyama, K., Kamioka, S., and Yamada, T. (2003). "Development of numerical model concerning the behavior of water and air in a long inverted siphon. -A proposal of unsteady numerical model based on hydraulic experiment model-" Journal of Japan Society Hydrology and Resources, Vol. 16, No. 5, pp. 527-540.

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Park, S. H., Oh, J. O., Park, J. H., and Park C. K. (2017). "A study on vertical inlet of inflow characteristics of the Shinwol rainwater storage & drainage system by design condition." Journal of Korea Water Resources, Vol. 50, No. 2, pp. 129-138.
Peregrine, D. H. (1966). "Calculations of the development of an undular bore." Journal of Fluid Mechanics, Vol. 25, No. 2, pp. 321-330.

상세보기
Sukegawa, N., Umeda, H., Mito, T., and Goto, M. (1999). "Numerical analysis of flow in underground diversion channel with enclosed pressurized air." Journal of Japan Society of Civil Engineers, No. 635, pp. 41-48.
Tada, A., Hosoda, T., Inoue, K., and Kitahara, M. (1994). "Fundamental characteristics of partially free surface unsteady flows in a circular conduit." Annuals Disaster Prevention Research Institute of Kyoto University, Vol. 37, pp. 475-488.
Vasconcelos, J. G., and Wright, S. J., (2005). "Experimental investigation of surges in a stormwater storage tunnel." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 131, No. 10, pp. 853-861.

상세보기
Watanabe, M., Kanda, T., Okada, M., and Kanki, K. (2000). "Pressurised-flow with masses of air at manholes in urban sewer pipe system." Journal of Japan Society Hydrology and Resources, Vol. 44, pp. 551-556.

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