[논문]우이천 유역의 횡단 월류형 구조물 철거에 의한 수리영향 분석

문영일; 윤선권; 전시영; 김종석

문제 정의

해석방법은 유체의 비정상 유동상태를 기본으로 하며, 연속방정식과 3차원 RANS를 지배방정식으로 사용한다. FLOW-3D의 지배방정식은 최근 많은 연구에서 제시하고 있기 때문에 본 연구에서는 기재를 생략하도록 하겠다.
본 연구에서는 서울시 관내 지방 2급하천인 우이천 시험유역을 대상으로 횡단 월류형 구조물이 철거 되었을 경우 수리학적 영향을 비교․분석하였다. 적용 난류모형은 k = ε, RNG(Renomalized Group Theory) k = ε, LES(Large Eddy Simulation) 등 3가지 난류모델을 적용하였다.
본 연구에서는 우이천 시험유역을 대상으로 하천의 물리적인 특성 변화에 따른 하천 흐름의 3차원 수치모의를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 횡단 월류형 구조물 철거시 상부 교각 주변에서의 유속이 5.
횡단 월류형 구조물 철거 전의 장월교 지점 교량 설치구간의 난류 모델별 수치모의 결과 교각전면부의 배수위 영향과 후면부에서의 후류 특성을 잘 표현해 주고 있으며, 장월교 직하류 횡단 월류형 구조물이 설치되어 있는 지점의 유속이 가속화되고 수위가 급격히 감소하는 양상을 효과적으로 파악할 수 있도록 모의 되었다. 횡단 월류형 구조물의 배수위 영향에 의한 교량상부 수위가 상당부분 상승하였고, 교량 하부 좌안 쪽의 콘크리트 구조물에 의해 홍수소통이 불규칙한 모습을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 접근유속을 1m/s로 고정하여 수치모의를 실시하였으며, 과거 실측 호우사상에 대하여 시간에 따른 유량변화를 단면적으로 환산한 값을 적용하여 상부 경계면의 입력 자료로 구성하였다. 대상영역의 Solid 형상은 실제 하천 단면의 측량자료와 구조물 계측자료를 최대한 활용하여 3차원 CAD프로그램으로 구현하였으며, 격자망의 형태는 직사각형 모양의 직각격자(Cartesian coordinates: x, y, z)를 사용하였고 교각주위 등 정밀한 흐름해석이 요구되는 지점에 대해서는 보다 더 세밀하게 격자간격을 분할하였다. 상류단 경계조건으로 지점별 산정된 계획 홍수량을 수위와 유속으로 환산한 값을 적용하였으며, 하류단 경계조건은 outflow로 주었다.
본 연구에서는 접근유속을 1m/s로 고정하여 수치모의를 실시하였으며, 과거 실측 호우사상에 대하여 시간에 따른 유량변화를 단면적으로 환산한 값을 적용하여 상부 경계면의 입력 자료로 구성하였다. 대상영역의 Solid 형상은 실제 하천 단면의 측량자료와 구조물 계측자료를 최대한 활용하여 3차원 CAD프로그램으로 구현하였으며, 격자망의 형태는 직사각형 모양의 직각격자(Cartesian coordinates: x, y, z)를 사용하였고 교각주위 등 정밀한 흐름해석이 요구되는 지점에 대해서는 보다 더 세밀하게 격자간격을 분할하였다.
대상영역의 Solid 형상은 실제 하천 단면의 측량자료와 구조물 계측자료를 최대한 활용하여 3차원 CAD프로그램으로 구현하였으며, 격자망의 형태는 직사각형 모양의 직각격자(Cartesian coordinates: x, y, z)를 사용하였고 교각주위 등 정밀한 흐름해석이 요구되는 지점에 대해서는 보다 더 세밀하게 격자간격을 분할하였다. 상류단 경계조건으로 지점별 산정된 계획 홍수량을 수위와 유속으로 환산한 값을 적용하였으며, 하류단 경계조건은 outflow로 주었다. 대상영역의 격자수는 다음 Table 1과 같다.
장월교 지점의 교각과 하단 횡단월류형 구조물의 철거에 의한 배수위 및 통수능의 영향검토를 위하여 현장 사진 촬영 자료와 실제 하천 단면의 측량자료 및 구조물 계측자료를 최대한 활용하여 3차원 CAD프로그램인 Solid Edge를 이용하여 형상을 구현하다. 다음 Table 2는 장월교 지점의 월류형 구조물 철거 전․후의 현장사진과 3차원 형상이다.
적용 난류모형은 k = ε, RNG(Renomalized Group Theory) k = ε, LES(Large Eddy Simulation) 등 3가지 난류모델을 적용하였다.

이론/모형

에서 개발한 상용 CFD 모형으로 Los Alamos National Laboratory에서 개발된 MAC(Marker and Cell) 방법과 SOLA-VOF(Volume of Fluid)방식을 기초로 하고 있다(Flow Science, 1999). 해석방법은 유체의 비정상 유동상태를 기본으로 하며, 연속방정식과 3차원 RANS를 지배방정식으로 사용한다. FLOW-3D의 지배방정식은 최근 많은 연구에서 제시하고 있기 때문에 본 연구에서는 기재를 생략하도록 하겠다.

성능/효과

횡단 월류형 구조물 철거 후의 장월교 지점 교량 설치구간의 난류 모델별 수치모의 결과 교각전면부의 배수위 영향과 후면부에서의 후류 특성을 잘 표현해 주고 있다. 교량 설치부 직하류 월류형 구조물에 의한 배수위 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났으며, 교량상부 수위도 상당부분 저하되었다. 또한 교량 하부 좌안 쪽의 콘크리트 구조물제거에 의한 홍수소통이 원활해지는 모습을 확인할 수 있었다.
교량통과 부분인 교각 상․하부 사이의 유속은 교각의 두께만큼 하폭이 감소하여 유속은 빨라지고 수위가 하강하는 효과를 잘 모의하였으며, 실제로 월류형 구조물 철거시 5.7~11.9 % 정도 유속이 빨라짐을 확인할 수 있었다. 하지만 월류형 구조물이 철거 되었을 경우 구조물 위치에서의 난류 모델별 유속분포의 분석결과 6.
따라서 보 및 횡단 월류형 구조물 철거시 하천 상부구조물에 대한 세굴 등의 영향이 보다 신중히 검토하여야 할 것으로 사료된다. 또한 교각 하류 횡단월류형 구조물의 철거에 따른 종단 수위 분포를 분석결과, 철거전 교각 상류 쪽의 수위가 높아져 M1형의 수면형이 발생 하였으며, 평균 0.017~0.469 m의 배수고(hp)가 발생하였다. 월류형 구조물의 철거 후에는 구간에 따라 최고 평균 0.
따라서 보 및 횡단 월류형 구조물 철거시 구조물 설치 상부의 수공구조물에 대한 세굴 등의 영향이 보다 신중히 검토하여야 할 것으로 사료된다. 또한 구조물의 철거후 교각 설치부의 흐름이 원활해지고 배수위가 상당부분 저감되는 효과가 있었다. 수위는 난류모델별 최고 25.
본 연구에서는 우이천 시험유역을 대상으로 하천의 물리적인 특성 변화에 따른 하천 흐름의 3차원 수치모의를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 횡단 월류형 구조물 철거시 상부 교각 주변에서의 유속이 5.7~11.9 %정도 빨라짐을 확인할 수 있었다. 하지만 구조물 제거 구간의 유속분포 분석결과 6.
횡단 월류형 구조물 철거 전의 장월교 지점 교량 설치구간의 난류 모델별 수치모의 결과 교각전면부의 배수위 영향과 후면부에서의 후류 특성을 잘 표현해 주고 있으며, 장월교 직하류 횡단 월류형 구조물이 설치되어 있는 지점의 유속이 가속화되고 수위가 급격히 감소하는 양상을 효과적으로 파악할 수 있도록 모의 되었다. 횡단 월류형 구조물의 배수위 영향에 의한 교량상부 수위가 상당부분 상승하였고, 교량 하부 좌안 쪽의 콘크리트 구조물에 의해 홍수소통이 불규칙한 모습을 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 다음 Fig.

후속연구

0 %의 유속 저감 효과가 있는 것으로 분석 되었다. 따라서 보 및 횡단 월류형 구조물 철거시 구조물 설치 상부의 수공구조물에 대한 세굴 등의 영향이 보다 신중히 검토하여야 할 것으로 사료된다. 또한 구조물의 철거후 교각 설치부의 흐름이 원활해지고 배수위가 상당부분 저감되는 효과가 있었다.
0 %의 유속 저감 효과가 있는 것으로 분석 되었다. 따라서 보 및 횡단 월류형 구조물 철거시 하천 상부구조물에 대한 세굴 등의 영향이 보다 신중히 검토하여야 할 것으로 사료된다. 또한 교각 하류 횡단월류형 구조물의 철거에 따른 종단 수위 분포를 분석결과, 철거전 교각 상류 쪽의 수위가 높아져 M1형의 수면형이 발생 하였으며, 평균 0.
이는 도시하천의 수질악화와 토사의 퇴적 경관훼손 등의 문제를 기능을 상실한 보 및 횡단 구조물 철거에 따라 홍수시 수위저감 등의 치수안정적인 측면의 효과와 더불어 수질정화, 경관개선 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구는 하도 내에 설치되어 있는 교량 등의 수공구조물에 의한 영향과 횡단 월류형 구조물(낙차공, 우수관 매설, 보, 소형댐 등)의 설치나 철거 시 국부적인 수리영향 분석에의 활용이 가능하리라 사료된다.
적용 난류모형은 k = ε, RNG(Renomalized Group Theory) k = ε, LES(Large Eddy Simulation) 등 3가지 난류모델을 적용하였다. 본 연구의 결과는 도시하천의 기능을 상실한 하천 횡단 구조물의 향후 장기적인 하상변동과 토사의 퇴적, 세굴 및 수질 등의 영향을 파악해 볼 수 있는 기초자료로 활용이 가능하리라 사료된다.
3 %의 저감 효과가 있는 것으로 분석되었다. 이는 도시하천의 수질악화와 토사의 퇴적 경관훼손 등의 문제를 기능을 상실한 보 및 횡단 구조물 철거에 따라 홍수시 수위저감 등의 치수안정적인 측면의 효과와 더불어 수질정화, 경관개선 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구는 하도 내에 설치되어 있는 교량 등의 수공구조물에 의한 영향과 횡단 월류형 구조물(낙차공, 우수관 매설, 보, 소형댐 등)의 설치나 철거 시 국부적인 수리영향 분석에의 활용이 가능하리라 사료된다.
38 m의 수위가 저감되는 것으로 나타났다. 이는 도시하천의 수질악화와 토사의 퇴적 경관훼손 등의 문제를 유발 할 수 있는 기능을 상실한 보 및 횡단 구조물 철거에 따른 홍수시 수위저감 등의 치수안정적인 측면의 효과와 더불어 수질정화, 경관개선 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 다음 Fig.

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