[논문]돌망태 보 통과류의 비선형적 흐름 특성에 관한 실험적연구

한일영; 이재정; 김규범

doi:10.3741/jkwra.2020.53.10.861

돌망태 보 통과류의 비선형적 흐름 특성에 관한 실험적연구
Experimental study on non-linear throughflow characteristics of rockfill gabion weir 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.10, 2020년, pp.861 - 870

한일영 ((주)비룡 기술연구소) , 이재정 ((주)비룡 기술연구소) , 김규범 (대전대학교 건설안전방재공학과)

초록
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자갈 입자로 구성된 다공성매질에서는 유속이 증가하여 레이놀즈수가 커지게 되면 흐름은 Darcy의 영역을 벗어나게 된다. 본 연구는 인공함양 유역의 소하천에 설치예정인 돌망태 보의 채움재를 통과하는 비선형적인 흐름특성을 규명하기 위하여 자갈칼럼과 돌망태모형을 이용한 투수실험을 수행하였다. 칼럼실험을 통하여 공극유속과 수리경사의 관계식과 계수를 결정하고, 수리평균반경과의 상관관계식을 제안하였다. 제안식으로 부터 계산된 공극유속과 공극유량은 돌망태모형 투수실험의 측정치와 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the flow velocity and Reynolds number increase in rockfill porous media, the flow deviates from Darcy conditions. In this study, the permeability tests of rock column specimen and laboratory gabion weir model were carried out to investigate a head loss behaviour of flow through rockfill deposition in small river artificial recharge. Through column test, the nonlinear relationships between flow velocity and hydraulic gradient and coefficients were determined and the correlation formula of hydraulic mean radius and coefficients was proposed. The flow velocities and discharges in voids estimated by proposed equations were well matched with the measured values of laboratory gabion weir model.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. The column experiment set up
그림 Fig. 2. Zingg shape classes (Zingg, 1935)
그림 Fig. 3. Characterization of particle shapes for the sample of rockfill used in the experiments with the four basic shape classifications
그림 Fig. 4. Results of the column tests showing the nonlinear relation between the velocity in voids and the hydraulic gradient
표 Table 1. Particle size and shape frequency data for shape factor and rockfill void ratio for hydraulic mean radius calculation
그림 Fig. 5. The relation between hydraulic gradient and Reynolds number
그림 Fig. 6. The relation between Reynolds number and friction factor
그림 Fig. 7. The relation between particle size and a_v, b_v
그림 Fig. 8. Relation of the coefficients a_v, b_v to the hydraulic mean radius
그림 Fig. 9. Comparison of the velocity in voids, V_v estimated by the proposed equation with the one measured in the rock column tests
그림 Fig. 10. Comparison of the velocity in voids, V_v calculated by the proposed equation with the ones calculated by the published equations
표 Table 2. The relation between hydraulic mean radius m and a_v, b_v
그림 Fig. 11. Laboratory gabion weir model experimental set up
그림 Fig. 12. The relation between V_v and (h_v − h_d) / L
그림 Fig. 13. The relation between q_v and h_u
그림 Fig. 14. The relations among (h_u − h_d) / L, h_u / L and q_v
그림 Fig. 15. The relation between h_u / L and equivalent hydraulic gradient i_eq
그림 Fig. 16. Comparison of the discharge in voids q_v observed in experiments with the one calculated by using Eq. (16)

AI 본문요약
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문제 정의

돌망태모형 수로실험은 칼럼투수실험에서 도출된 수리평균반경과 수두손실방정식의 계수의 상관관계식을 2차원흐름에의 적용성을 평가하고, 돌망태 보 설계에 필요한 유량과 상류수심의 관계를 도출하기 위하여 수행되었다. 실험장치의 주 구성은 Fig.
본 연구는 인공함양 유역의 소하천에서 하천수 취수용 돌망태 보가 포함된 전처리시설의 설계를 위하여 수행되었으며, 수리평균반경과 수두손실방정식의 계수와의 상관관계에 중점을 두고, 자갈칼럼과 돌망태모형을 이용한 투수실험을 실시하였다. 시료는 입자크기 0.
본 연구에서는 자갈칼럼과 돌망태 보 실내모형의 투수실험을 통하여 다음과 같은 결과를 산출하였다.

제안 방법

Wilkins (1956)은 수리평균반경 이론(Taylor, 1948)을 도입하여 자갈로 구성된 다공성매질의 수리특성을 계수화하고, 칼럼실험을 통하여 Eq. (3)과 같이, 입자의 형상과 거칠기 정도, 물의 점도를 나타내는 경험계수가 포함된 수두손실방정식을 제안하였다.
Martins (1990)은 칼럼실험으로부터 입자의 형상과 크기에 따른 영향을 관찰하고, Eq. (6)과 같이 관수로의 Darcy-Weibach 방정식과 유사한 형태의 수두손실방정식을 제안하였다.
(1997)은 Eq. (7)을 이용하여 구한 수리평균반경과 a_v와 b_v의 상관관계식을 도출하였다. Hussein et al.
공극율은 시료를 담은 용기의 무게와 물과 시료를 담은 용기의 무게를 측정하여 물의 부피와 용기의 부피로 부터 산정하였다. 레이놀즈수 계산을 위해서 실험단계마다 시료를 통과한 물의 온도를 측정하였다. 쇄석은 데이터 발생을 위하여 마사토(GSL)에 대해서 직경 10 cm 칼럼실험을 추가로 실시하였으며, 강자갈 RRXL은 입자크기를 고려하여 직경 15 cm 칼럼실험만을 실시하였다.
6까지 증가시켜 가며 12단계로 수행하였다. 매단계마다 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출수심을 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다. 수심은 돌망태 보직상류와 직하류를 측정하여 수리경사 계산에 이용하였다.
6까지 증가시켜가며 12단계로 수행하였다. 매단계마다 유입 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출 물탱크의 수위조절파이프를 조절하여 유출수위를 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다. 물이 물탱크에서 칼럼으로 유입, 유출되면서 마찰손실이 발생하므로, 칼럼과 연결된 피에조메타의 수위를 수리경사 계산에 적용하였다.
매단계마다 유입 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출 물탱크의 수위조절파이프를 조절하여 유출수위를 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다. 물이 물탱크에서 칼럼으로 유입, 유출되면서 마찰손실이 발생하므로, 칼럼과 연결된 피에조메타의 수위를 수리경사 계산에 적용하였다. 공극율은 시료를 담은 용기의 무게와 물과 시료를 담은 용기의 무게를 측정하여 물의 부피와 용기의 부피로 부터 산정하였다.
2와 같이 직교하는 방향으로 입자의 장축의 길이 a, 중간축의 길이 b, 단축의 길이 c에서 중간축의 길이 b를 기준으로 분류하였다. 쇄석은 CRL (2.10 cm), CRM (1.79 cm), CRS (1.10 cm)의 GSL (1.06 cm)의 4등급, 강자갈은 RRXL (3.51 cm), RRL (2.79 cm), RRM (1.43 cm), RRS (0.65 cm)의 4등급으로 분류하였다. 입자의 형상은 Zingg 분류기법으로, b/a, c/b의 값에 따라 판형, 구형, 날개형, 막대기형으로 분류하였다(Fig.
레이놀즈수 계산을 위해서 실험단계마다 시료를 통과한 물의 온도를 측정하였다. 쇄석은 데이터 발생을 위하여 마사토(GSL)에 대해서 직경 10 cm 칼럼실험을 추가로 실시하였으며, 강자갈 RRXL은 입자크기를 고려하여 직경 15 cm 칼럼실험만을 실시하였다.
실험은 돌망태 보의 길이 L = 20 cm, L = 30 cm의 2가지 경우에 대해서 실시하였다. 수리경사는 칼럼실험과 마찬가지로 0.01부터 0.6까지 증가시켜 가며 12단계로 수행하였다. 매단계마다 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출수심을 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다.
매단계마다 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출수심을 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다. 수심은 돌망태 보직상류와 직하류를 측정하여 수리경사 계산에 이용하였다. 유량은 실험 전에 V-notch 위어의 월류높이에 따른 유량곡선을 작도하여, 유량측정 시에는 위어의 월류높이를 측정하여 산정하고, 단위 폭 당 공극유량을 계산하였다.
자갈칼럼을 이용한 투수실험에서는 공극유속과 수리경사의 관계로 부터 1차원 수두손실방정식과 계수를 결정하고, 계수와 수리평균반경과의 상관관계식을 도출하였다. 실험결과는 선행연구에서 제안된 방정식들과 비교하고, 돌망태 실내모형을 이용한 투수실험 측정 데이터와 비교하여 2차원흐름에 적용성을 검토하였다.
실험은 시료별로 수리경사를 0.01부터 0.6까지 증가시켜가며 12단계로 수행하였다. 매단계마다 유입 물탱크의 유량을 증가시키면서, 유출 물탱크의 수위조절파이프를 조절하여 유출수위를 일정하게 유지시켜 수리경사를 조절하였다.
수심은 돌망태 보직상류와 직하류를 측정하여 수리경사 계산에 이용하였다. 유량은 실험 전에 V-notch 위어의 월류높이에 따른 유량곡선을 작도하여, 유량측정 시에는 위어의 월류높이를 측정하여 산정하고, 단위 폭 당 공극유량을 계산하였다. 단위 폭 당 공극 유량 q_v은 단위폭당 유량을 공극율로 나눈 값이다.
65 cm)의 4등급으로 분류하였다. 입자의 형상은 Zingg 분류기법으로, b/a, c/b의 값에 따라 판형, 구형, 날개형, 막대기형으로 분류하였다(Fig. 3). 형상분류 후에는 형상별 빈도수와 비율을 계산하고, Sabin and Hansen (1994)의 형상인자값을 적용하여 평균값을 구하고, Eq.
수리평균반경 산정식(Sabin and Hansen, 1994)을 이용하여 입자크기, 형상, 배치상태에 따른 매질의 흐름특성을 계수화하였다. 자갈칼럼을 이용한 투수실험에서는 공극유속과 수리경사의 관계로 부터 1차원 수두손실방정식과 계수를 결정하고, 계수와 수리평균반경과의 상관관계식을 도출하였다. 실험결과는 선행연구에서 제안된 방정식들과 비교하고, 돌망태 실내모형을 이용한 투수실험 측정 데이터와 비교하여 2차원흐름에 적용성을 검토하였다.

대상 데이터

0 m의 아크릴 재질의 물탱크, (2) 정류 및 유량측정을 위한 V-notch 위어 (3) 최대길이 30 cm의 돌망태 모형, (4) 돌망태가 설치된 폭 50 cm의 수조이다. 돌망태 채움재는 컬럼실험에서 사용한 강자갈 RRS를 사용하였다.
시료는 쇄석과 강자갈을 사용하였다. 입자의 크기분류는 Fig.
본 연구는 인공함양 유역의 소하천에서 하천수 취수용 돌망태 보가 포함된 전처리시설의 설계를 위하여 수행되었으며, 수리평균반경과 수두손실방정식의 계수와의 상관관계에 중점을 두고, 자갈칼럼과 돌망태모형을 이용한 투수실험을 실시하였다. 시료는 입자크기 0.75 mm ~ 3.51 mm의 쇄석과 자연석을 사용하였다. 수리평균반경 산정식(Sabin and Hansen, 1994)을 이용하여 입자크기, 형상, 배치상태에 따른 매질의 흐름특성을 계수화하였다.
실험은 돌망태 보의 길이 L = 20 cm, L = 30 cm의 2가지 경우에 대해서 실시하였다. 수리경사는 칼럼실험과 마찬가지로 0.
돌망태모형 수로실험은 칼럼투수실험에서 도출된 수리평균반경과 수두손실방정식의 계수의 상관관계식을 2차원흐름에의 적용성을 평가하고, 돌망태 보 설계에 필요한 유량과 상류수심의 관계를 도출하기 위하여 수행되었다. 실험장치의 주 구성은 Fig. 11과 같이, (1) 물 공급을 위한 높이 1.0 m의 아크릴 재질의 물탱크, (2) 정류 및 유량측정을 위한 V-notch 위어 (3) 최대길이 30 cm의 돌망태 모형, (4) 돌망태가 설치된 폭 50 cm의 수조이다. 돌망태 채움재는 컬럼실험에서 사용한 강자갈 RRS를 사용하였다.
(1)길이 50 cm의 아크릴 재질의 채움재 시료칼럼, (2)물 공급과 배수를 위한 물탱크, (3)흐름구간의 수두측정을 위한 피에조미터, (4)일정한 수리경사 유지를 위한 수위조절파이프, (5)유량측정 용기이다. 칼럼은 직경에 따른 영향을 줄이고, 많은 데이터 발생을 위하여 직경이 15 cm와 10 cm인 칼럼을 사용하였다.

이론/모형

1) 형상인자 S_f(Sabin and Hansen, 1994)를 이용하여 수리 평균반경 m을 산정하였다.
51 mm의 쇄석과 자연석을 사용하였다. 수리평균반경 산정식(Sabin and Hansen, 1994)을 이용하여 입자크기, 형상, 배치상태에 따른 매질의 흐름특성을 계수화하였다. 자갈칼럼을 이용한 투수실험에서는 공극유속과 수리경사의 관계로 부터 1차원 수두손실방정식과 계수를 결정하고, 계수와 수리평균반경과의 상관관계식을 도출하였다.

성능/효과

2) 공극유속과 수리경사와의 비선형적인 관계는 거듭제곱형곡선으로 맞춤되었다.
3) 수리평균반경 m과 계수 a_v, b_v의 상관관계는 Hussein et al. (1997)과 달리, 쇄석과 강자갈이 서로 다른 상관관계 곡선을 나타내었다.
4) 쇄석과 강자갈의 수리평균반경 m과 계수 av, bv의 상관관계식을 적용한 공극유속 계산값은 칼럼실험에서 측정한 공극유속값과 잘 일치하였다.
5) h_u/L과 등가수리경사 i_eq의 관계식을 적용한 공극유량 계산값은 돌망태 모형 투수실험에서 측정한 공극유량값과 잘 일치하였다.

후속연구

또한 돌망태모형 투수실험에 의한 공극유량 계산식은 실험조건의 한계로 0 < hu/L < 0.5, 0 < ieq < 0.25 일 경우에 적용이 가능하며, 본 실험은 돌망태 보를 통과하는 흐름만을 다루었으므로, 하천유량이 증가하여 통과류와 월류가 동시에 일어나는 흐름은 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구 결과는 돌망태 보의 채움재 종류의 결정, 입자크기의 선정, 보의 길이를 결정하는 설계와, 돌망태 수리구조물이 설치되어 있는 하천의 유지관리에 활용할 수 있을 것으로 보인다. 다만 본 연구에서 적용된 형상인자 S_f는 주어진 값(Sabin and Hansen, 1994)을 사용하였으나, 형상과 거칠기 정도의 산정방법에 따라 수리평균반경이 달라질 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	돌망태 보를 사용하는 경우 장점은?	하천수를 함양원수로 하는 인공함양에서, 자연친화적인 하천수 취수방식으로 자연석이나 쇄석을 채움재로 하는 돌망태 보를 고려할 수 있다. 돌망태 보를 사용한다면, 토사퇴적량을 저감시키고, 유기오염물질의 정체에 의한 부영양화를 방지할 수 있을뿐 만 아니라 오염물질들과 채움재 입자들과의 접촉에 의한 수질정화도 기대할 수 있다(Michioku et al., 2005; Han and Kim, 2019; Shariq et al.
	수리평균반경이란?	, 2013). 한편, 매질공극의 부피를 공극의 표면적으로 나눈 값으로 정의되는 수리평균반경(Hydraulic mean radius)은 공극 내를 흐르는 물의 양과 직접적인 관계가 있기 때문에 Non-Darcy 영역에서의 흐름특성을 표현하는데 매우 유용하다(Wilkins, 1956; Sabin and Hansen, 1994). 따라서, 수리평균반경과 수두손실방정식의 계수와의 관계를 구하면, 매번 실험으로부터 계수를 결정해야하는 불편함으로 부터 벗어날 수 있다(Hussein et al.
	인공함양 원수의 전처리 부담을 줄일수 있는 방식의 흐름영역에 대해 설명하시오.	이러한 방식으로 부터 인공함양 원수(Raw water)의 전처리의 부담을 크게 줄일 수 있을 것이다. 돌망태 보를 통과하는 흐름은 자갈크기의 입자로 구성된 다공성매질의 흐름과 같으며, 이러한 흐름에서 유속이 증가하면, 모래입자에서와 같이 유속과 수리경사의 관계가 투수계수에 선형적으로 비례하는 Darcy의 법칙이 적용되지 않는 Non-Darcy 영역에 도달하게 된다. 이러한 흐름영역에서는 유속과 수리경사의 비선형적인 방정식을 구하고, 실험으로부터 계수를 결정하여야 한다(Mohammad et al.

참고문헌 (17)

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상세보기
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Sabin, C.W., and Hansen, D. (1994). "The effects of particle shape and surface roughness on the hydraulic mean radius of a porous medium consisting of quarried rock." Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol, 17, No. 1, pp. 43-49.
Shariq, A., Hussain A., and Ahmad, Z. (2020). "Discharge equation for the gabion weir under through flow condition." Journal of Flow Measurement and Instrumentation, Elsevier, Vol. 74, pp. 1-8.
Sidiropoulou, M.G., Moutsopoulos, K.N., and Tsihrintzis, V.A. (2007). "Determination of Forchheimer equation coefficients a and b." Hydrological Processes, Vol. 21, No. 4, pp. 534-554.

상세보기
Stephenson, D. (1979). Rockfill in hydraulic engineering. Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam, Netherlands, pp. 19-37.
Taylor, D.W. (1948). Fundamentals of soil mechanics. Wiley, N.Y., U.S., pp. 122.
Wilkins, J.K. (1956). "Flow of water through rock fill and its application to the design of dams." Proceedings, second Austrailian-New Zealand conference on soil mechanics and foundation engineering, Canterbury, New Zealand, pp. 141-149.
Zingg, T. (1935). "Contribution to the gravel analysis." Petrographic Messages, Vol. 15, pp. 39-140.

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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