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문제 정의
- 고정하상 하류부에서 세굴공의 발달현상을 분석하기 위해서 본 연구에서는 개수로 실험장치에서 이동상 모형실험을 수행하였다. 개수로 실험장치(길이= 15.
- 본 연구에서는 고정하상 하류부에서 발생하는 국부세굴현상을 분석하고자 다양한 수리조건에 대하여 이동상 실험을 수행하였다. 그 결과 고정하상과의 경계지점에서의 세굴경사는 수리조건과는 관계없이 일정하게 발달함을 확인하였고, 단면평균유속에 따라 최대세굴심과 발생거리가 선형적으로 증가함을 분석하였다.
제안 방법
- 그 결과 고정하상과의 경계지점에서의 세굴경사는 수리조건과는 관계없이 일정하게 발달함을 확인하였고, 단면평균유속에 따라 최대세굴심과 발생거리가 선형적으로 증가함을 분석하였다. 고정하상과 이동하상의 경계지점에서의 3차원 유속자료를 이용하여 난류인자를 산정하여 최대세굴심의 시간변화식의 기울기와의 관계를 분석하였다. 이를 통해 최대세굴심의 저감을 위해서는 하상경계지점에 도달하는 유수흐름의 난류인자를 증가시키는 방안이 적절하다고 분석하였다.
- 수리조건에 해당하는 유량을 공급하기 위해서 먼저 이동하상을 설치한 뒤 수로 내에 유사이송이 일어나지 않을 만큼 작은 유량을 공급한 상태로, 이동하상의 공극을 제거하기 위해 적절하게 다짐과 평탄화를 하였다. 그리고 수위를 조절한 뒤에 유량을 증가시켜 실험을 수행하였다. 실험조건은 다음 표 1 과 같다.
- 특히 평형상태에 도달한 최대세굴심의 예측은 최근 들어 하상보호구조물의 길이 산정에 있어서 중요한 고려인자이고, 상류부 세굴공경사는 상류부 수리구조물의 안정적 유지관리에 반드시 고려되어야 하는 인자이다(CIRIA, 2007). 따라서 본 연구에서는 고정하상 모형 하류부에서 이동상 수리실험을 수행하여 수로중앙에서의 하상변동을 측정하고, 여기서 세굴공의 발달양상을 분석하여 이를 수리학적 특성과 비교하였다. 특히 단면평균유속 및 프루드 수에 따른 세굴공의 발달양상을 비교하였다.
- 실험조건은 다음 표 1 과 같다. 세 가지 예비실험을 11시간 동안 수행하여 발생한 세굴공의 규모를 비교하였고, 두 가지 본 실험을 수행하여 세굴공의 시간적 변화를 비교하였다.
- 수리조건에 해당하는 유량을 공급하기 위해서 먼저 이동하상을 설치한 뒤 수로 내에 유사이송이 일어나지 않을 만큼 작은 유량을 공급한 상태로, 이동하상의 공극을 제거하기 위해 적절하게 다짐과 평탄화를 하였다. 그리고 수위를 조절한 뒤에 유량을 증가시켜 실험을 수행하였다.
- 실험조건 case D(Q = 0.02 ㎥/s; h0= 0.12 m)의 250 시간 경과 후 세굴공 상류경사에서 3차원 순간 유속값을 취득하여 30초간 50 Hz로 취득하고 시간에 대하여 평균하여 흐름방향유속(#)을 도시하였고, 시간평균유속과의 편차인 3차원 난류강도(turbulence intensity, # , # , #)로부터 난류에너지(turbulent energy per mass, #를 산정하여 도시하였다(그림 4).
- 따라서 본 연구에서는 고정하상 모형 하류부에서 이동상 수리실험을 수행하여 수로중앙에서의 하상변동을 측정하고, 여기서 세굴공의 발달양상을 분석하여 이를 수리학적 특성과 비교하였다. 특히 단면평균유속 및 프루드 수에 따른 세굴공의 발달양상을 비교하였다.
대상 데이터
- 고정하상 하류부에서 세굴공의 발달현상을 분석하기 위해서 본 연구에서는 개수로 실험장치에서 이동상 모형실험을 수행하였다. 개수로 실험장치(길이= 15.0 m, 폭= 0.6 m, 높이= 0.8 m)에 아크릴로 제작된 고정하상모형(접근모형 포함길이= 3.0 m, 폭= 0.6 m, 높이= 0.2 m)을 수로유입부 1 m 지점에 설치하고, 동일한 높이로 균일입경의 모래(중앙입경= 1.2 ㎜)를 설치하였다. 이동하상 영역을 벗어난 유사가 수조나 펌프로 유입되는 것을 방지하기 위해서 수로 하류부 2.
- 2 ㎜)를 설치하였다. 이동하상 영역을 벗어난 유사가 수조나 펌프로 유입되는 것을 방지하기 위해서 수로 하류부 2.5 m 구간에서 유사를 채집하였다. 수로 상류로부터의 유량은 개수로의 하부에 설치된 수조로부터 공급되며 전자기식 유량계로 일정한 공급유량을 확인할 수 있다(그림 1).
이론/모형
- 여기서 난류강도의 적절한 산정을 위해서 시간적분규모 (integral time scale) 개념을 적용하였다(O’neil 등, 2004).
성능/효과
- 그 결과 case D, E의 실험조건에서 t가 t1의 약 0.1 %가 되는 지점부터 무차원화된 최대세굴심과 거듭제곱의 관계로 나타나게 되며 변화식의 기울기는 각각 약 0.34, 0.4로 산정되었다. Hoffmans와 Verheij(1997)의 연구를 바탕으로 본 실험 결과의 t/t1<0.
- 본 연구에서는 고정하상 하류부에서 발생하는 국부세굴현상을 분석하고자 다양한 수리조건에 대하여 이동상 실험을 수행하였다. 그 결과 고정하상과의 경계지점에서의 세굴경사는 수리조건과는 관계없이 일정하게 발달함을 확인하였고, 단면평균유속에 따라 최대세굴심과 발생거리가 선형적으로 증가함을 분석하였다. 고정하상과 이동하상의 경계지점에서의 3차원 유속자료를 이용하여 난류인자를 산정하여 최대세굴심의 시간변화식의 기울기와의 관계를 분석하였다.
- 그 결과 유수흐름은 세굴공에 진입함과 동시에 약 15 cm 지점까지 후류가 분포하며 이 영역에서 흐름의 상층부과 하층부의 유속편차가 극심하게 커지는 영역이 발생하였다. 또한 하류방향으로 진행할수록 유속편차는 감소하였다.
- 그 결과, 수리조건에 관계없이 상류부 세굴경사(θu)는 cotθu ≒2.5로 일정하게 발달하였으며 최대세굴심(ym)과 최대세굴심 발생위치(L1)는 프루드 수보다는 단면평균유속(U0 = Q/A)에 대하여 선형적인 증가관계를 나타내었다(그림 2).
- 40 의 범위를 갖는다고 제안하였다(Hoffmans와 Verheij, 1997). 또한 표 2에서 산정된 r0의 값과 그림 3의 기울기(exponent)를 비교한 결과 흐름방향 경계지점에서 발생하는 난류성분의 크기가 커질수록 기울기는 감소하는 것으로 나타났으며 따라서 세굴양상을 저감시키기 위해서는 이동하상의 상류부에 적절한 형태와 규모의 구조물을 설치하여 경계지점에서의 발생하는 난류인자를 증가시켜 세굴공의 발달양상을 저감할 수 있을 것으로 사료된다.
- 고정하상과 이동하상의 경계지점에서의 3차원 유속자료를 이용하여 난류인자를 산정하여 최대세굴심의 시간변화식의 기울기와의 관계를 분석하였다. 이를 통해 최대세굴심의 저감을 위해서는 하상경계지점에 도달하는 유수흐름의 난류인자를 증가시키는 방안이 적절하다고 분석하였다. 하지만 본 세굴실험의 최대세굴심은, 최대세굴심의 크기가 점차 감소하는 안정화 단계 (stabilization time phase)혹은 평형상태에 도달하는 평형단계 (equilibrium time phase)에 도달하지 못했기 때문에, 향후 보다 충분한 시간동안 세굴실험을 수행할 필요가 있다.
후속연구
- 하지만 본 세굴실험의 최대세굴심은, 최대세굴심의 크기가 점차 감소하는 안정화 단계 (stabilization time phase)혹은 평형상태에 도달하는 평형단계 (equilibrium time phase)에 도달하지 못했기 때문에, 향후 보다 충분한 시간동안 세굴실험을 수행할 필요가 있다. 발달된 세굴공 내에서의 3차원 유속 및 난류에너지의 분포를 통해 순환류의 형상을 관찰하였고 그로 인해 수심방향으로 유속편차가 초과적으로 발생하는 분리전단층의 발달을 분석하였으나 하류방향으로 갈수록 감쇠된다는 기존연구결과와 비교하기 위해서는 세굴공의 하류부에서도 유속 및 난류분포를 분석하여 감쇠양상을 비교할 수 있으며, 향후 추가적인 실험과의 비교 분석을 통해 세굴심을 예측하여 세굴현상의 저감 방안을 제안할 수 있다.
- 이를 통해 최대세굴심의 저감을 위해서는 하상경계지점에 도달하는 유수흐름의 난류인자를 증가시키는 방안이 적절하다고 분석하였다. 하지만 본 세굴실험의 최대세굴심은, 최대세굴심의 크기가 점차 감소하는 안정화 단계 (stabilization time phase)혹은 평형상태에 도달하는 평형단계 (equilibrium time phase)에 도달하지 못했기 때문에, 향후 보다 충분한 시간동안 세굴실험을 수행할 필요가 있다. 발달된 세굴공 내에서의 3차원 유속 및 난류에너지의 분포를 통해 순환류의 형상을 관찰하였고 그로 인해 수심방향으로 유속편차가 초과적으로 발생하는 분리전단층의 발달을 분석하였으나 하류방향으로 갈수록 감쇠된다는 기존연구결과와 비교하기 위해서는 세굴공의 하류부에서도 유속 및 난류분포를 분석하여 감쇠양상을 비교할 수 있으며, 향후 추가적인 실험과의 비교 분석을 통해 세굴심을 예측하여 세굴현상의 저감 방안을 제안할 수 있다.
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