[논문]신월 빗물저류배수시설의 연속강우 대비 안정적 운영을 위한 수리적 안정 특성에 대한 실험 연구

오준오; 김영도; 전상미

doi:10.3741/jkwra.2020.53.6.451

신월 빗물저류배수시설의 연속강우 대비 안정적 운영을 위한 수리적 안정 특성에 대한 실험 연구
An experimental study on characteristics of hydraulic stability for stable management prepare continuous flood in Shinwol rainwater storage and drainage system 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.6, 2020년, pp.451 - 461

오준오 (인제대학교 공과대학 토목도시공학부) , 김영도 (인제대학교 공과대학 환경공학과) , 전상미 (인제대학교 공과대학 토목도시공학부)

초록
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급격한 도시화로 인한 도시홍수가 최근 들어 자주 발생하고 있다. 본 연구에서는 도시홍수를 방어하기 위해 국내최초로 건설중인 신월 빗물저류배수시설을 대상으로 수리모형실험을 실시하였다. 총 55가지 시나리오에 대한 실험을 실시하였는데 그 중 19가지 시나리오에서 월류가 발생하였다. 또한 월류가 발생한 시나리오에 대한 비디오 분석결과, 불규칙 단파가 이동하면서 시설 내 압축공기를 배기시키는 과정에 월류가 발생하는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과를 바탕으로 향후 연속강우에 대한 신월 빗물저류배수시설에 대한 안정적 운영을 위해서 완전배수 또는 만관상태를 유지하는 것이 유리할 것으로 판단되고 유입유량의 크기, 월류, 불규칙 단파간의 상관관계에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Urban flooding due to rapid urbanization has recently become frequent. In this study, a hydraulic model experiment was conducted on Shinwol rainwater storage and drainage system constructed for the first time in South Korea to prevent urban flooding. Experiments were preformed for 55 scenarios, of which 19 overflows occurred. In addition, the video analysis for the scenarios where the overflow occurred showd that the overflow occurred during the process of exhausting the pressurized air in the facility and the undular bore were moving. Results of this study, it was judge that it would be advantageous to maintain a completely drained or full-pipe condition for stable operation of the Shinwol rainwater storage and drainage system for continuous rainfall in the future. And it is necessary to additional research on the correlation for the magnitude of inflow discharge, overflow and undular bore.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Facilities of deep tunnel system (Oh et al., 2020)
그림 Fig. 2. Flow mechanism in deep tunnel system (Kushiyama et al., 2003)
그림 Fig. 3. Occurred problem at deep tunnel system by inlet air (Takanishi and Abe, 2006)
그림 Fig. 4. Concept of Shinwol rainwater storage and drainage system (Hyundai Construction & Engineering)
표 Table 1. Design conditions for experimental data of each part (Oh, 2019)
표 Table 2. Scales for each variables of Froude similarity (Oh, 2019)
그림 Fig. 5. Hydrograph of 50-yr. frequency of Seoul applied in this experi-ment (Oh, 2019)
표 Table 3. Experimental scenarios (Oh, 2019)
그림 Fig. 6. Location of setup in video cameras
표 Table 3. Experimental scenarios (Oh, 2019) (Continue)
그림 Fig. 7. Analysis of video
표 Table 4. Experimental results of each scenario
그림 Fig. 8. Secured hydraulic stability for emission system to remove the pressurized air in large storage-drainage tunnel

AI 본문요약
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문제 정의

이후 일정시간동안 터널 내 반사파 안정화 시간을 거친후 다시 홍수유입을 실시한다. 또한 신월 빗물저류배수시설에 설치되는 잔류수 배제 펌프의 용량을 고려한 연속강우 대비 신월 빗물저류배수시설의 잔류수 배제 운영 계획을 작성해보았다. 터널 내 잔류수량이 30% 이하일 경우 저류배수시설 운영 종료 즉시 잔류수 배제펌프 즉시 가동, 터널 내 잔류수량이 30% 초과 ~ 50% 이하일 경우 2일 이내 강우예보가 없을때는 잔류수 배제펌프 가동, 2일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기, 터널 내 잔류수량이 50% 초과 ~ 80% 이하일 경우 3일 이내 강우예보가 없을 때는 잔류수 배제펌프 가동, 3일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기, 터널 내 잔류수량이 80% 초과일 경우 4일 이내 강우예보가없을 때는 잔류수 배제펌프 가동, 4일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기로 한다면 연속강우에 대비한 안정적 시설 운영이 가능 할 것으로 판단된다.
본 연구에서 수행한 수리모형실험 결과를 바탕으로 향후 신월 빗물저류배수시설의 연속강우 대비한 안정적 운영을 위한 방안을 작성해보았다. 터널 내 잔류수량이 0%, 90% 이상인 경우에는 강우가 시작됨에 따라 터널로 홍수유입을 실시하여 강우가 종료 될 때까지 연속적 홍수배제를 실시하고 터널내 잔류수량이 10% 이상 ~ 90% 미만 일 때는 터널 내 잔류수량이 90%가 될 때 까지 홍수유입을 실시하고 홍수유입을 차단 한다.
본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 다양한 홍수 시나리오에서 신월 빗물저류배수시실의 수리적 안정성을 알아보기 위하여 Fig. 6과 같이 수직유입구 3개소 및 주요지점에 비디오 카메라를 설치하고 녹화된 영상은 실험종료 후 실내에서 5개 지점 카메라에 대한 물리적 시간 동기화 이후 월류 여부, 월류 유형 및 불규칙 단파 이동 특성 등을 평가하였다.

제안 방법

월류(Overflow)는 실험모형에서 월류가 발생한 경우로이 경우 신월 빗물저류배수시설의 수리적 안정성이 확보 되지 않는 것으로 판단하였으며 오직저류(Only-storage)는 시나리오 유입총량(유입유량 + 잔류수량)이 저류배수터널 저류가 능량 또는 부피보다 작아 배수기능이 활성화 되지 못하고 저류기능만 발휘한 경우를 의미한다. 또한 월류유형(Overflow type)은 2절에서 설명한 Takanishi and Abe가 구분한 역 사이펀 형식 구조물에서 공기거동과 관련하여 발생하는 세 가지 수리적 문제로 구분해보았다.
본 연구에서 실시한 수리모형실험의 실험유량은 다양한 홍수 시나리오를 재현하기 위하여 총 55가지로 구성하였으며 크게 유입유량(Inlet discharge)과 잔류수량(Residual amount)으로 구분할 수 있다. 유입유량은 Fig.
본 연구에서는 신월 빗물저류배수시설의 수리적 안정성을 기존 연구에서 구분한 세 가지 유형으로 구분하고 홍수 유입 부터 안정적 배수과정까지를 수리모형실험을 통하여 분석 하였다.
5와 같이 기 작성된 신월 빗물저류배수시설의 방재성능목표인 100 mm / 1 hr (서울특별시 50년 빈도 강우)수문곡선에 따라 비정상류(Unsteady flow) 조건으로 유입되고 유입유량 조건은 서울특별시 50년빈도 홍수량의 100%, 90%(30년 빈도), 80%(20년 빈도), 70% (10년 빈도), 60%(5년 빈도)로 총 5가지 조건이다. 잔류수량 조건은 저류배수터널의 저류가능량(또는 전제 부피)을 0% ~ 100%까지 10% 간격으로 총 11가지 조건으로 구성하였다.Table 3의 (C)는 저류가능량에 대한 유입총량(유입유량 + 잔류수량)의 비를 나타낸 것이다.

대상 데이터

본 연구에서 실시한 수리모형실험의 원형은 신월 빗물저류배수시설로 Table 1과 같이 수직유입구 3개소, 배기시설 1 개소, 배수시설 1개소이며 저지유도터널을 포함한 저류배수 터널의 총 길이는 약 4.5 km, 수직유입구 및 환기수직구의 직경은 5.4 m, 본 터널의 저류가능량(또는 저류배수터널 전체 부피) 은 347,778 m3 이다.

이론/모형

하지만 중력을고려한 Froude 상사법칙과 점성력을 고려한 Reynolds 상사 법칙을 모두 일치시키는 것이 불가능하므로 원형과 모형에서 Manning의 평균유속이 적용된다는 가정하에 조도를 조정함 으로서 점성력에 대한 상사를 유지하였다. 본 연구에서 적용한 상사법칙은 Froude 상사로 이에 의한 각 물리량 환산비는 Table 2와 같다(Oh, 2019).

성능/효과

1) 실험 결과 총 55가지 실험 시나리오 중 19가지 실험 시나리 오에서 월류가 발생하여 수리적 안정성이 확보되지 못하는 것으로 분석되었다. 월류가 발생한 19가지 실험 시나리오 중 압축공기 폭발에 의한 월류가 발생한 시나리오는 15 가지, 진동과 압축공기 배기로 인해 월류가 발생한 시나리오가 4가지인 것으로 분석되었다.
2) P50, P30, P20, P10 시나리오에서는 저류가능량 대비 유입총량의 비가 1.3 ~ 1.5일 경우 신월 빗물저류배수시설의 수리적 안정성이 확보 되지 않는 것으로 평가 되었지만 P5 시나리오에서는 저류가능량 대비 유입총량의 비가 1.3 ~ 1.5 일 경우에도 수리적 안정성이 확보되는 것으로 평가 되었다.
3) 신월 빗물저류배수시설의 수리적 안정성이 확보된 안정적 운영을 위해서는 저류배수터널 내 잔류수가 없거나 만관이 되어 있는 상태를 유지하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
4) 신월 빗물저류배수시설의 잔류수 배제 계획시 터널 내 잔류수가 30% 이하일 때는 배수펌프를 가동시켜 시설 내 잔류수를 모두 배제시키는 것이 유리하며 30% 이상일 때는 강우예보를 고려하여 배수펌프 가동 또는 대기를 결정하는 것이 안정적 시설 운영에 유리할 것으로 판단된다.
5) 월류가 발생한 시간을 살펴보니 유입유량이 많은 시간에 발생하는 것으로 보아 월류 발생이 유입유량 크기와 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
Fig. 7과 같이 녹화된 영상을 분석하니 Table 4와 같이 55가지의 실험 시나리오 중 19가지의 실험 시나리오에서 월류가 발생하여 수리적 안정성이 확보되지 못하는 것으로 분석되었다. 월류 유형을 살펴보면 월류가 발생한 19가지 실험 시나리오 중 15가지 실험 시나리오의 월류 유형이 Fig.
본 연구의 수리모형실험 결과를 바탕으로 터널 내 잔류수별 대응 가능 강우량을 살펴보면 터널 내 잔류수량이 10% 미만 일 때는 모든 강우조건에서 안정적 저류·배수가 가능하고 터널 내 잔류수량이 10% 이상 ~ 40% 미만일 때는 30년 빈도 이하 강우조건만 안정적 저류·배수가 가능할 것으로 보인다.
1) 실험 결과 총 55가지 실험 시나리오 중 19가지 실험 시나리 오에서 월류가 발생하여 수리적 안정성이 확보되지 못하는 것으로 분석되었다. 월류가 발생한 19가지 실험 시나리오 중 압축공기 폭발에 의한 월류가 발생한 시나리오는 15 가지, 진동과 압축공기 배기로 인해 월류가 발생한 시나리오가 4가지인 것으로 분석되었다.
터널 내 잔류수량이 30% 이하일 경우 저류배수시설 운영 종료 즉시 잔류수 배제펌프 즉시 가동, 터널 내 잔류수량이 30% 초과 ~ 50% 이하일 경우 2일 이내 강우예보가 없을때는 잔류수 배제펌프 가동, 2일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기, 터널 내 잔류수량이 50% 초과 ~ 80% 이하일 경우 3일 이내 강우예보가 없을 때는 잔류수 배제펌프 가동, 3일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기, 터널 내 잔류수량이 80% 초과일 경우 4일 이내 강우예보가없을 때는 잔류수 배제펌프 가동, 4일 이내 강우예보가 있을 때는 잔류수 배수펌프 대기로 한다면 연속강우에 대비한 안정적 시설 운영이 가능 할 것으로 판단된다.
터널 내 잔류수량이 40% 이상 ~ 60% 미만일 때는 10년 빈도 이하 강우조건에서만, 터널 내 잔류수량이 60% 이상 ~ 90% 미만일 때는 5년 빈도 이하 강우조건에서만 안정적 저류·배수가 가능할 것으로 판단된다.
그렇기 때문에 중력과 점성력을 모두 고려한다. 하지만 중력을고려한 Froude 상사법칙과 점성력을 고려한 Reynolds 상사 법칙을 모두 일치시키는 것이 불가능하므로 원형과 모형에서 Manning의 평균유속이 적용된다는 가정하에 조도를 조정함 으로서 점성력에 대한 상사를 유지하였다. 본 연구에서 적용한 상사법칙은 Froude 상사로 이에 의한 각 물리량 환산비는 Table 2와 같다(Oh, 2019).

후속연구

6) 신월 빗물저류배수시설의 안정적 운영을 위해서 유입유량의 크기, 월류, 불규칙 단파간의 상관관계에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
8과 같이 지하 저류 배수터널의 압축공기 배출구조체(특허등록번호 1020651410000)를 이용한다면 효과적인 압축공기 배제가 가능하여 수리적 안정 확보가 가능할 것으로 판단된다. 또한 향후 추가 시설 설치를 통한 월류 저감 및 수리적 안정성 확보가 아닌 정확한 월류 저감 메커니즘에 대한 연구를 위해 유입 유량-불규칙단파 특성-월류 특성간의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구결과와 같이 신월 빗물저류배수시설과 같은 지하 대심도 터널에서 수리적 안정성을 확보하기 위해서는 효과적인 압축공기 배출이 필수적이며 이를 위해서 Fig. 8과 같이 지하 저류 배수터널의 압축공기 배출구조체(특허등록번호 1020651410000)를 이용한다면 효과적인 압축공기 배제가 가능하여 수리적 안정 확보가 가능할 것으로 판단된다. 또한 향후 추가 시설 설치를 통한 월류 저감 및 수리적 안정성 확보가 아닌 정확한 월류 저감 메커니즘에 대한 연구를 위해 유입 유량-불규칙단파 특성-월류 특성간의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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