[논문]제방붕괴깊이 조건에 따른 제내지 범람홍수파 거동 실험

윤광석

제방붕괴깊이 조건에 따른 제내지 범람홍수파 거동 실험
Experimental Study on Influence of Levee Breach Depth on Flood Wave Propagation in Inundation Area 원문보기

윤광석 (한국건설기술연구원 수자원연구부)

본 연구에서는 제방붕괴에 의한 제내지 홍수파 거동 해석의 일환으로 제방붕괴시 제방의 붕괴깊이에 따른 제내지에서의 홍수파의 거동 양상을 수리실험을 통하여 고찰하였다. 다양한 제방붕괴폭과 초기하도수위 및 제방붕괴고 조건에 대해 범람홍수파의 전파속도와 제내지에서의 최대수심의 변화를 실험을 통하여 관찰하였다. 범람홍수파 선단(wave-front)의 이동속도는 동일한 하도수위조건에서는 붕괴고가 높을수록 감소하는 것으로 나타나 제방붕괴시 월류수심 $H_w$가 범람홍수파 전파속도에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 모든 실험조건에서 최대수심은 일정한 경향을 띠고 있음을 알 수 있었다. 제방인근 지점에서 최대수심이 가장 크게 나타났고, 붕괴부로부터 일정 지점이 지나면 수위가 급격히 감소하여 거리에 관계없이 일정한 최대수심을 유지하는 것을 알 수 있었다. 동일 수위조건이라면 제방붕괴고가 낮을수록 제내지로 유입되는 유량이 증가하여 초기에 제방붕괴부 주위에서 수심이 높아지는 것으로 분석할 수 있다. 실험결과를 이용하여 범람홍수파의 전파속도와 최대수심을 산정하는 식을 무차원변수를 이용하여 제시하였다.

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문제 정의

제방붕괴에 의한 범람홍수파 거동과 관련하여 국내외에서 수치모형 연구는 활발하게 수행되었으나, 수리실험을 통한 연구는 미흡한 실정이며, 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 윤광석 등(2006)의 실험 연구를 기초로 하여 제방붕괴깊이가 범람홍수파의 거동에 미치는 영향을 실험을 통해 고찰하였다.
본 연구에서는 제방붕괴에 의한 제내지 홍수파 거동 해석의 일환으로 제방붕괴시 제방의 붕괴깊이에 따른 제내지에서의 홍수파의 거동 양상을 수리실험을 통하여 고찰하였다. 제내지에서의 거동은 범람 홍수 파의 전파속도, 시간별 수심 등을 측정하여 분석하였으며, 실험을 통해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

다양한 제방붕괴폭과 초기하도수위 및 제방붕괴고 조건에 대해 범람홍수파의 전파속도와 제내지에서의 최대수심의 변화를 실험을 통하여 관찰하였다. 범람홍수파 선단(wave-front)의 이동속도는 동일한 하도 수위 조건에서는 붕괴고가 높을수록 감소하는 것으로 나타나 제방붕괴시 월류수심 # 가 범람홍수파 전파속도에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
실험결과를 이용하여 범람홍수파의 전파속도와 최대수심을 산정하는 식을 무차원 변수를 이용하여 제시하였다. 향후, 추가적인 실험조건에 대해 수리실험을 수행함으로써 보다 일반화된 범람홍수파 거동양상을 규명할 수 있으리라 기대된다.
실험실의 최대공급가능유량, 실험장의 공간여건 등을 고려하여 계획된 실험 수조의 전체 크기는 가로 30m, 세로 30m이며, 수조 내부에 제내지, 제방, 하도를 제작하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 하도는 폭 5m, 길이 30m이며, 제내지는 폭 28m, 길이 24m이다.
45 m 각각에 대해서 하도 초기수위 가 최대일 때와 최소일 때에 대해 홍수파 전파속도를 나타낸 것이다. 제내지서의 홍수파 전파 양상을 측정하기 위해 하도 직각방향, 하류 대각방향 및 상류 대각방향으로 수위계를 배치하여 파가 도달하는 시간을 측정한 결과를 거리로 나누어 전파속도를 계산하였다. 홍수파의 전파속도는 앞서 홍수파 이동 거리에서 분석된 바와 같이 제방 붕괴 고에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.
제방붕괴장치의 개방속도는 18cm/sec이다. 제내지에서의 범람심은 측정지점에 파고계를 설치하여 연속적으로 계측하였다.
그림 1에서 보는 바와 같이 하도는 폭 5m, 길이 30m이며, 제내지는 폭 28m, 길이 24m이다. 하도와 제내지의 하상은 수평이며, 시멘트 모르타르로 표면을 처리하였다. 제방붕괴 재현장치는 최대붕괴폭 4m, 높이 0.

대상 데이터

같다. 하도내 유입유량은 0이고, 제방 붕괴 폭은 0.5 ~ 3.0 m이 며 , 제방붕괴 고는 제내 지 바닥면을 기준으로 하고, 0.25 ~ 0.45 m 범위로서 총 36개 조건에 대해서 실험이 수행되었다.

성능/효과

사용된 변수는 최대수심 # 하도초기수위 # 전파거리 P 그리고 월류심 Hw 등이다. 각각의 무차원 변수를 이용하여 적합식을 구해본 결과 멱함수 관계로 표시할 수 있는 것으로 나타났으나, 제방붕괴부 주위에서는 산포도가 커서 결정계수가 높지 않은 것으로 나타났다. 제방붕괴부 주위에서 제방붕괴고에 따른 최대수심의 변화가 크기 때문인것으로 유추할 수 있으며, 이 구간에 대해 여러 조건들을 반영한 변수 설정이 필요한 것으로 판단된다.
모든 실험조건에서 최대수심은 일정한 경향을 띠고 있음을 알 수 있었다. 제방인근 지점에서 최대수심이 가장 크게 나타났고, 붕괴부로부터 일정 지점이 지나면 수위가 급격히 감소하여 거리에 관계없이 일정한 최대수심을 유지하는 것을 알 수 있었다.
변화를 실험을 통하여 관찰하였다. 범람홍수파 선단(wave-front)의 이동속도는 동일한 하도 수위 조건에서는 붕괴고가 높을수록 감소하는 것으로 나타나 제방붕괴시 월류수심 # 가 범람홍수파 전파속도에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
본 실험결과에서 주목할 점은 제방 붕괴 부 인근에서 범람홍수파의 전파속도가 급속하게 증가한다는 점이다. 실험결과에서 보면, 붕괴부로부터 약 5m 지점까지는 급경사로 증가한 후 그 이후부터 점차 전파 속도가 감소하게 된다.
제내지에서의 최대수심은 제방붕괴깊이와 초기하도수위의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 본 실험에서는 제방붕괴부로부터 2 m까지의 구간에서 최대수심의 변화가 큰 것으로나타났는더], 제방붕괴고가 낮을수록, 초기하도수위가 높을수록 최대수심이 커짐을 알 수 있다. 동일 수위 조건이라면 제방붕괴고가 낮을수록 제내지로 유입되는 유량이 증가하여 초기에 제방붕괴부 주위에서 수심이 높아지는 것으로 분석할 수 있다.
증가한다는 점이다. 실험결과에서 보면, 붕괴부로부터 약 5m 지점까지는 급경사로 증가한 후 그 이후부터 점차 전파 속도가 감소하게 된다. 이 결과는 도시화에 따른 하천 연안 지역의 개발로 인하여 인구가 집중되면서 인명피해 우려도 높아질 수 있음을 예측할 수 있게 한다.
모든 실험조건에서 최대수심은 일정한 경향을 띠고 있음을 알 수 있었다. 제방인근 지점에서 최대수심이 가장 크게 나타났고, 붕괴부로부터 일정 지점이 지나면 수위가 급격히 감소하여 거리에 관계없이 일정한 최대수심을 유지하는 것을 알 수 있었다. 동일 수위조건이라면 제방붕괴고가 낮을수록 제내지로 유입되는 유량이 증가하여 초기에 제방붕괴부 주위에서 수심이 높아지는 것으로 분석할 수 있다.

후속연구

이 결과는 도시화에 따른 하천 연안 지역의 개발로 인하여 인구가 집중되면서 인명피해 우려도 높아질 수 있음을 예측할 수 있게 한다. 따라서, 본 결과에 대해 무차원화된 일반적인 관계식이 작성된 다면 극심하게 피해가 우려되는 지역에 대한 사전 대책 수립이 가능할 것으로 판단된다.
향후, 추가적인 실험조건에 대해 수리실험을 수행함으로써 보다 일반화된 범람홍수파 거동양상을 규명할 수 있으리라 기대된다.

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