「극한 도심홍수 방어를 위한 최적 수리성능 대심도터널(왕복 4차선 이상) 원천설계기술 개발」 연구 소개

Water for Future

「극한 도심홍수 방어를 위한 최적 수리성능 대심도터널(왕복 4차선 이상) 원천설계기술

개발」 연구 소개

「극한 도심홍수 방어를 위한 최적 수리성능 대 심도터널(왕복 4차선 이상) 원천설계기술 개발」 연 구는 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 2015년 국토교통기술촉진연구사업의 글 로벌기술협력분야 기술선도형 국제공동연구 과제 이다. 2015년 6월부터 2018년 4월까지 총 2년 10 개월의 연구기간 동안 수재해 예방 목적으로 현재

수도권 등에서 계획 중인 대심도터널의 수리학적 성능 향상을 위한 국내 원천기술을 개발하고, 대 심도터널 설계 시 국내기술의 적용성 향상을 목표 로 하고 있다.

최근 이상기후로 인한 집중호우와 침수피해 의 증가로 적극적인 수재해 예방 및 도심지역의 침수피해 최소화 방안에 대한 사회・경제적 니즈 (needs)의 중요도가 매우 높아지고 있다. 특히, 홍 수 방어용 대심도터널의 경우 지하공간을 활용하 여 지상 저류시설 설치를 위한 공간 확보의 어려 움을 극복할 수 있고, 기존 배수시설의 용량 증설 및 배수 시스템 개선 시 발생하는 제약 등, 여러 사회적 문제를 해결할 수 있는 방안으로 급부상하 고 있다. 대심도터널의 도입으로 도시의 이수, 치 수, 환경적 문제를 해결할 수 있게 되었지만, 국내 에서 설치되어 운영되고 있는 사례가 없고, 기반 기술이 전무하여 대부분 국외 기술에 의존하고 있 는 상태이다. 따라서 대심도터널 설계 기술과 관 련된 국내 원천기술을 개발하고 실용화 및 현장 적용을 통해 국내기술의 종속현상을 방어하는 동 시에 국가차원의 기술적 성과 달성을 위해 본 연 구가 발족되었다.

이 동 섭 ●●●

한국건설기술연구원 수자원・하천연구소 수석연구원

[email protected]

Kawaike Kenji ●●●

교토대학교 방재연구소 부교수 [email protected]

류 시 완 ●●●

창원대학교 토목공학과 교수 [email protected]

Water for Future

본 연구는 대심도터널의 유입부 설계 기술과 대 심도터널 내 흐름안정화 기술, 대심도터널의 수치 해석 기술, 크게 세 분야로 나뉘어져 있다. 대심 도터널의 유입부 설계 기술에 대한 연구를 수행하 고 있는 1세부에서는 수리실험을 이용하여 유입부 공기 배출을 고려해 통수 능력을 증대시킨 고효율 유입시설 설계 기술 개발을 목표로 한다. 대심도 터널의 수치해석 기술에 대한 연구를 수행하고 있 는 2세부에서는 유입부-터널-유출부 흐름에 대

한 예측기술 개발과 대심도터널 적용에 의한 침수 피해 저감 검토를 목표로 한다. 대심도터널 내 흐 름안정화 기술에 대한 연구를 수행하고 있는 3세 부에서는 터널 내 공기와 물의 이상류(two-phase flow) 거동 해석을 통해 흐름안정화 기술 및 터널 내 수리성능 개선을 위한 효과적인 이상류 제어방 안 개발을 목표로 한다. 다음 그림 1은 세부과제의 연계성과 연구개발 모식도를 나타낸 것이다.

그림 1. 연구개발 모식도

3.1 1세부과제

1세부과제의 과제명은 ‘고효율 지하유입시설에 의한 대심도터널 최적 수리성능 확보기술 개발’로 서, 유입구 통수능력 증대 설계 기술 개발과 고용 량, 고효율 안정 와류 유도 유입구 설계 기술 개 발을 연구목표로 한다. 현재 관련 국내기술이 전 무하고 국외기술에 의존하고 있는 상황에서 국내 기술 잠식을 방지하고 원천기술 개발을 통해 기술

독립 및 국가차원의 기술적 성과 달성을 선도하고 자 한다. 이를 위해 1세부에서는 유입부 질식방지 기술과 접합부 흐름손실 최소화, 수충부 구조물 파손방지 기술, 총 세 가지 핵심성과를 중심으로 고효율 신형 유입시설 설계 기술을 개발할 예정이 다. 또한, 수리실험을 이용한 유입유량과 유입구 형식별 수직갱(drop shaft) 내부 흐름특성 분석을 통해 공기 배출과 공기공동(air-core) 형성을 파 악하고 실제 대심도터널 설계 시 적용 가능하도록 할 계획이다.

1세부과제의 최종 연구목표인 “고용량, 고효율

Water for Future

안정 와류 유도 유입구 설계 기술 개발”을 위한 연 차별 로드맵은 그림 2와 같다. 연차별 로드맵에 따라 세부연구를 살펴보면, 총 3년차의 연구기간 중 1차년도에는 국외 유입구 설계 기술의 선진사 례 연구와 수리실험을 이용한 유입구 형상에 따른 수직갱 통수능력 분석을 통해 신형 유입구 형상을 제안하였다. 1차년도 유입부 흐름특성 파악과 수 직갱 통수능력 분석을 위해 수행된 수리실험을 그 림 3에 나타내었다. 이어지는 2차년도에는 제안된 유입구 형상에 따른 수직갱 내부 흐름특성을 파악

하고 공기공동 형성 특성을 분석하여 내부 질식방 지 기술을 개발할 예정이다. 마지막으로 3차년도 에는 제안된 유입구 형상의 적용 및 검토를 주요 내용으로 하여 유입부 제원 및 흐름특성과 공기 배출에 따른 통수능력을 검토하고, 수직갱 하단 접합부 충격량 평가와 접합부 형상에 따른 충격량 저감효과를 분석할 예정이다. 나아가 접합부의 공 동현상 발생을 검토하고 공동현상 발생 시 구조물 파손을 최소화 할 수 있는 감세지 설계 및 구조물 파손방지 기술을 제안할 계획이다.

그림 2. 연구개발 모식도

그림 3. 1세부과제 연차별 로드맵

(a) 유입부 통수능력 분석 (b) 공기공동(air-core) 형성 파악 (c) 수직갱 내부 흐름 특성 분석

1세부과제가 성공적으로 완수되면 최근 수재해 예방 목적으로 활용성에 대한 관심이 커지고 있 는 대심도터널의 유입부 설계기술에 대한 국내 원 천기술의 확보로 기술적 독립을 이룰 수 있게 된 다. 관련 기반기술이 전무한 상태에서 대심도터널 의 수리/수문학적 설계를 위한 기술 개발과 기술 검증을 위한 예산 및 시간의 절감이 가능하며, 추 후 기술 선도를 위한 기초 기술 확보가 가능하다.

이와 더불어 대심도터널의 수리/수문학적 설계 기 술 개발 및 설계 가이드라인을 제시하여 관련 계 획 추진 시 시행착오를 예방할 수 있으며, 지속적 인 설계/시공 및 유지관리 기술 개발을 통한 요소 기술 확보와 관련 기술 패키지화를 통한 잠재적인 기술 수출 가능성을 지니고 있다. 특히, 1세부과제 의 수리실험 결과는 2세부과제에서 개발하고 있는 대심도터널 수치해석 모형의 변수 변화에 의한 모

Water for Future

의결과의 검증자료로 제공함으로써 대심도터널 수 치해석 모형의 개선효과를 기대할 수 있다. 나아 가 2세부과제 대심도터널 수치해석 모형과 3세부 과제의 대심도터널 내 흐름안정화 및 수리성능 개 선 기술과 융합하여 대심도터널의 침수피해 개선 효과와 유입부-터널-유출부 전체 시스템 운영에 대한 예측기술 개발이 가능하다.

3.2 2세부과제

2세부과제의 과제명은 ‘대심도터널의 수리현상 과 침수피해 감소효과에 대한 수치모형의 개발과 해석기법’으로서, 대심도터널 유동 내부에 발생하

는 물-공기에 의한 이상류 해석 기술을 개발하는 데 그 목표가 있다. 대심도터널의 경우 유입부의 복잡한 흐름특성으로 인한 공기 유입 및 처리에 관련한 제어기술 연구가 필요한 상태로, 본 연구 를 통해 대심도터널로 인해 기대되는 침수피해 경 감효과에 관한 기준을 간략하게 제시하고, 대심도 터널에서 발생 가능한 이상류 흐름을 규명하기 위 한 수치해석 모형의 기초연구를 수행하고자 한다.

1・2차원 대심도터널 이상류 흐름 해석 수치모형을 개발한 후, 1세부과제와 3세부과제의 수리실험 결 과를 이용하여 수치모형의 정확도 개선 및 모형의 검보정을 시행할 계획이다. 2세부과제의 연차별 로드맵은 그림 4와 같다.

그림 4. 2세부과제 연차별 로드맵

3.2.1 1차원 이상류 흐름모형

유입되는 유량에 따른 관 내 공기의 배출 상황 을 고려하여 유입부와 터널 연결부, 관수로 내에 서의 공기 거동을 각각 재현하기 위해 공기의 흐 름을 구분하여 계산하였다. 여기에서 유동 흐름에 의해 혼합되는 공기와 흐름 내부의 기포는 고려 하지 않기로 한다. 관 내의 공기압을 고려한 관수 로 흐름과 만관 시의 압력 흐름을 고려하기 위해 연속방정식 및 운동량방정식을 이용하여 시간차 를 이용한 Leap-Frog 해석 방식으로 관수로 내 의 수위 및 유량을 계산하며, 만관 시에는 Slot- Model(Chaudhry, 1979)을 이용하여 만수위에 따 른 압력수두를 계산하게 된다. Slot-Model 모델

은 관수로 내에서 그림 5와 같이 총 6가지의 해석 을 수행한다. 관 내의 공기압을 고려한 관수로 내 흐름 해석과 부피-질량의 관계식과 상태방정식을 이용한 관수로 내 공기압 및 공기밀도 해석, 연속 방정식에 의한 수직 유입부 내 체적 및 수위 계산, 상태방정식에 의한 수직갱 내 공기압 및 공기 밀 도 계산, 공기의 운동량방정식을 이용한 수직 유 입부와 관수로 접합부에서의 공기 이동량 계산, 공기배출 단면에서의 축소효과를 고려한 외부로의 공기 배출 해석이 수행된다.

3.2.2 1차원 이상류 수치해석

1차년도 연구수행으로 1차원 이상류 수치해석

Water for Future

모형 개발이 진행되었으며, 이를 통해 지하터널 내 공기가 유입부의 수직갱을 통해 유・출입하는 현상을 검토하였다. 1차원 이상류 흐름해석 모형 은 2003년 일본의 퍼시픽컨설턴트에서 발표한 대 심도터널의 유입시설 형상 검토 및 터널 내 발생 하는 비정상적이며 복잡한 수리현상을 재현한 논 문을 참고하여 구축하였다. 모형 구축 후 논문과 비교한 결과, 그림 6과 같이 전체적으로 지하터널 유입부와 유출부 내 수위 부분에서 어느 정도 일

치하는 양상을 보이지만 공기압이나 공기 분출량 부분에서는 그림 7과 같이 다소 일치하지 않는 부 분을 확인할 수 있었다. 이는 실제 실험과 수치해 석의 초기값 설정에서 기인하는 오류라고 생각 할 수 있다. 수치해석의 경우, 초기 관수로 내 공기 압이 존재하지 않는 진공상태라고 가정하고 계산 을 수행하게 되는데, 초기에 이 차이가 크게 발생 하게 되는 것이다. 하지만 계산 시간이 지남에 따 라 수치해석 결과값과 실험값이 유사해지는 경향 그림 5. Slot-Model의 흐름해석 구조(Chaudhry, 1979)

그림 6. 유입부와 유출부 내 수위 비교

(a) 유입부 수위 (b) 유출부 수위

그림 7. 유입부와 유출부 내 공기압 비교

(a) 유입부 공기압 (b) 유출부 공기압

Water for Future

을 확인하였으며, 이는 실험 결과를 어느 정도 잘 표현하였다고 평가할 수 있다. 1차년도 연구에서 는 유입부 내부에서 일어나는 공기압의 최대값(위 험값)을 도출해 내는데 목적이 있으므로 공기압의 최대값을 잘 표현해 주었다고 볼 수 있다. 현재까 지 개발된 모형을 이용하여 터널 내 공기 거동이 전체 시스템에 미치는 영향을 파악할 수는 있었지 만 모형의 정밀도를 증가시키기 위해서는 1세부와 3세부과제의 수리실험 결과와 연계하여 개발된 모 형에 대한 검보정 과정을 수행 할 필요가 있다.

3.3 3세부과제

3세부과제의 과제명은 ‘흐름안정화를 통한 대 심도터널 수리성능 개선 기술 개발’로서, 지표수 와 함께 유입되는 공기로 인해 대심도터널 내부에 서 발생하는 물-공기 이상류 거동특성을 파악하 고 효과적인 공기 유동 제어기법을 개발함으로써 대심도터널의 수리성능을 개선하고자 한다. 대심 도터널을 홍수방어용으로 활용하는 경우 짧은 시

간에 많은 양의 지표수가 터널 내부로 유입되면서 상당량의 공기를 포획하게 된다. 그 결과 터널 내 부에서 이상류가 발생되며, 두 유체 간의 물리적 특성 차이로 인해 일반적인 물의 단상흐름과 비교 하여 수리성능의 저하 및 흐름의 비정상성이 커지 게 된다. 이러한 터널 내 이상류는 극히 제한적인 경우를 제외하면 지배방정식을 기반으로 한 수학 적 해석으로는 복잡한 3차원 거동특성과 관련된 변수들의 정량화가 불가능하므로, 이상류 거동의 3차원적 거동특성에 대한 정확한 해석 및 규명을 위해 이론적 해석과 더불어 다차원 수치모형을 이 용한 모델링 및 실험적 연구가 병행되어야 한다.

3세부과제의 연차별 로드맵은 그림 8과 같으며, 1차년도에는 터널 내 이상류 거동 메커니즘을 파 악하기 위한 수리실험을 실시하였다. 유량과 공기 혼입률에 따른 다양한 형태의 이상류를 구현할 수 있는 실험장치를 개발・구축하였으며, 영상기법과 전기신호를 이용한 계측기법을 적용하여 터널 내 이상류의 시・공간적 거동특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 물리적, 기술적 기반을 확립하였다.

그림 8. 3세부과제 연차별 로드맵

수평 터널 내 흐름은 중력의 영향으로 중심축에 대하여 비대칭 형태를 가지며, 상대적으로 밀도가 작은 기체는 위쪽으로 분포하여 흐르게 된다. 이 상류 흐름의 형태는 기포흐름(bubble flow), 플러 그흐름(plug flow), 성층흐름(stratified flow), 슬 러그흐름(slug flow), 환상흐름(annular flow) 등 이 있으며 그림 9와 그림 10에 도시된 바와 같은

특징을 가진다. 기포흐름은 연속적인 액체에 작은 기포가 분산된 형태로 부력의 영향으로 관 상부에 다량 분포하여 흐르게 되며, 액체의 유량이 증가 할수록 단면 전체에 균일하게 분포하는 경향을 보 인다. 플러그흐름은 기포흐름이 느려지면서 기포 들 간의 병합에 의해 긴 형태의 공기덩어리를 형 성하여 관 윗부분을 따라서 흐르게 된다. 성층흐

Water for Future

름은 기체와 액체 모두 느린 속도로 수평관 내를 흐를 때 나타나며, 상대적인 속도 차이가 작기 때 문에 두 유체의 경계면은 부드러운 형태를 가지게 된다. 슬러그흐름은 외형상 플러그흐름과 유사하

지만 빠른 속도의 기체흐름에 의해 발생한다. 환 상흐름은 기체의 유속이 빨라지면서 관은 거의 기 체로 채워져 액체가 벽 쪽으로 밀려서 유동하는 형태이다.

그림 9. 수평관 내 흐름체계도 (Mandhane et al, 1974) 그림 10. 수평관 내 흐름특성 (Weisman,J., 1983)

수평관 내의 이상류 거동특성 연구를 위해 실험 장치를 제작하였으며, 관로는 내경 100㎜의 원형 관으로 계측구간은 투명아크릴, 기타 부분은 PVC 로 제작되었다. 실험장치 관로 구간은 6개 모듈 로 구분・제작하여 실험조건 및 측정방법에 따라 각 부분을 목적에 맞게 교체할 수 있도록 하였으 며, 전체 연장은 약 7m이다. 실험장치는 순환관로 형식으로 유량공급을 위하여 400리터 용량의 수 조 2개를 병렬로 연결하였으며, 흐름 발생을 위 한 펌프(WILO PSV-1080B, 1750 rpm)를 설치 하였다. 실험유량을 적절히 조절하기 위하여 토출 량 조절이 가능한 인버터펌프와 전환관로(bypass pipe)를 설치하였다. 유량계측을 위한 전자유량계 와 기포 발생을 위한 공기발생장치를 연결하였다.

수평관 내를 흐르는 기포율 측정은 전기전도계 (KANOMAX System 7931)를 이용하였으며, 특 정 지점에서의 기포율 측정을 위한 전용 이송장치

를 설계・제작하여 설치하였다(그림 11). 유량조건 을 달리하고 동일한 공기량을 주입하였을 때 이상 류 거동특성을 살펴보기 위한 실험을 수행하였으 며, 각 실험조건에 대해서 단면 내 중심선을 기준 으로 연직방향으로 상(H1, H2, H3, H4), 중(M), 하(L1, L2)로 구분하여 총 7개 지점에서 국부 기 포율을 측정하였다. 전기전도계를 이용해 측정된 전기신호는 필터링 및 신호처리 과정을 거쳐 기포 율을 산정하였으며, 초당 950Hz로 촬영된 영상에 대한 영상처리분석을 통해 기포 이동속도를 측정 하였다.

실험결과 부력에 의해 기포가 관 상부에 존재함 에 따라 H2 지점부터는 기포율이 0에 가까운 값을 나타내었으며, 동일한 양의 공기를 주입하였을 때 유속이 증가함에 따라 최대 기포율을 나타내는 지 점(y/D)이 낮아졌다. 최대유속이 2m/s를 초과한 경우 기포율이 약 0.5의 값을 가지며, 관 상부뿐

Water for Future

아니라 중심부인 M지점에서 기포율이 0.2로 나타 났다. 이를 통해 대심도터널 내부의 이상류 거동 특성에 대해 살펴 볼 수 있었으며, 향후 다양한 유 량조건의 실험 및 지상과 연결되는 수직갱을 포함 한 실험을 통해 터널 내 흐름의 안정화 및 그에 따 른 수리성능의 개선을 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구를 통해 제안하고 자하는 잔류공기의 효과적인 제어 및 배제를 통한 터널의 수리성능개선 기법은 홍수방어용으로 활용 될 대심도터널 내부에서 발생하는 다량의 포획공 기를 포함한 물-공기 이상류의 안정화 및 비정상 성을 감소시켜 시설물의 방재성능을 제고하는데 목적이 있다.

국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 으로 시작된 본 연구의 최종목표는 도심홍수방어 를 위한 최적 수리성능의 대심도터널 원천 설계기 술 개발이다. 1세부과제는 대심도터널 내 최초 흐 름 유입이 시작되는 지하유입시설에 대한 고효율, 고용량 신형 유입구 설계 기술 개발을 기반으로 대심도터널 내 최적 수리성능 확보를 위한 선구자 적 역할을 하고 있다. 2세부과제는 유입부-터널-

유출부의 대심도터널 전체 시스템에 대한 수리/수 문학적 예측 모형을 개발하고 도시침수 피해와 대 심도터널 설계 변화에 따른 수리성능 변화를 예측 하고자 한다. 3세부과제는 터널 내부 공기거동 메 커니즘을 구명하고 이상류 거동을 고려한 흐름안 정화 기술 개발을 통해 대심도터널의 수리성능 개 선을 선도하고자 한다. 1세부와 3세부의 수리실험 결과는 2세부 수치해석 모형 검증에 중요한 자료 로 활용될 예정이며, 1세부와 2세부, 3세부 연구 팀과의 긴밀한 연구협업이 필요하다. 약 3년에 걸 친 기술 개발과 연구진의 노력을 통해 계획된 연 구 성과를 모두 이루어 낼 것이며, 기술적 독립과 기술선도를 주도하여 국내 및 개발도상국의 수재 해 예방 사업에 있어 인력 양성 및 국가 경쟁력 향 상이 가능하도록 면밀히 사업을 추진하고 관리할 것이다. 국내외 수리/수문학, 대심도터널 전문가 들의 지속적인 관심과 아낌없는 조언을 바라는 바 이다.

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구개 발사업의 연구비지원(16CTAP-C095650-02)에 의해 수행되었습니다.

그림 11. 실험장치 구성 및 세부 장치