김기흥*ㆍ이형래ㆍ정혜련
경남과학기술대학교 건설환경공과대학 토목공학과
Kiheung Kim*, Hyeongrae Lee and Heareyn Jung
Department of Civil Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, Jinju 660-758, Korea Received 18 March 2015, revised 24 March 2015, accepted 25 March 2015, published online 31 March 2015
ABSTRACT: In order to assess the hydraulic effects of flow pattern changes and geomorphological evolution around spur dikes, this study carried out monitoring and numerical simulation on the changes of morphologic characteristics around spur dikes that settled in the bend of the Yeongcheon River. The study site spanned 190 m, and spur dikes were installed in March 2008. Monitoring of the site started in May 2008 and was completed in April 2014. When the water level was higher than the height of the spur dikes, the spur dikes extrude flow from the bank. Therefore, the spur dikes that were built to stabilize the channel have been effectively performing hydraulic functions. With the passing of time, the channel was stabilized and pools formed around the spur dike toes by local scouring. It was confirmed that spur dikes created various physical characteristics in the aspect of channel topography, with sediments deposits occurring between the spur dikes, while riffles and pools formed in the channel.
KEYWORDS: Bank, Geomorphology, Numerical simulation, Sediment, Stream channel
요 약: 수제군 주변의 유동장 및 지형학적 변화에 대한 수리학적 효과를 분석하기 위하여, 본 연구는 영천강 만곡부에 설치된 저수 수제군 주변의 하도지형 특성의 변화에 대하여 모니터링과 수치모의를 수행하였다. 연구 대상지는 연장 190m로서 2008년 3월에 저수 수제군이 설치되었다. 현장 모니터링을 2008년 5월부터 2014년 4월까지 수행하였다. 설계된 수제 높이 보다 홍수시 수위가 더 높아져도 수제는 하안으로부터 흐름을 하도의 중심으로 밀어낸다. 따라서, 만곡부의 하도 안정을 위하여 설치된 수제군은 어느 정도 효과적으로 수리적 기능을 수행하고 있다. 시간의 경과에 따라 주수로가 하도의 중심으로 이동하면서 안정되었으며, 국소세굴에 의하여 수제 선단부 주변에 소가 형성되었다. 또한, 수제 사이에는 유사가 퇴적되었고, 하도에는 여울-소가 형성됨으로써 부수적으로 수제가 하도의 지형적 측면에서 다양한 물리적 특성을 창출함을 확인하였다.
핵심어: 제방, 지형, 수치모의, 유사, 하도
*Corresponding author: [email protected]
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1. 서 론
1980~2002년 사이에 발생된 하천 제방 파괴 원인 의 약 40%는 만곡부 등에서 세굴에 의하여 초래되었
다. 일반적으로 제방을 보호하기 위해서는 호안과 밑 다짐을 설치하여 왔으나 보다 적극적인 공법으로써 수제 (groin, spur dike, stream control works)를 설 치하는 것을 검토할 필요가 있다. 수제는 흐름방향과
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름의 법선에 도달시킨다. 수제는 하도단면 일부의 유 속을 약화시키는 기능을 하고, 그 때문에 물은 좁아 진 하천단면에 집중하여 흐른다. 그리고 동시에 수류 를 하안으로부터 멀어지게 하는 효과가 있기 때문에 침식의 위험에 노출된 하안보호에 유효하게 이용할 수 있다.
일본, 스위스, 미국 등에서는 치수목적상으로는 일 반적으로 호안과 일체로 하여 제방을 홍수로부터 보 호하는 고수수제와 호안 전면부의 하상세굴을 방지 하기 위한 저수수제가 이용되고 있다. 국내의 수제설 계 기술은 하천설계기준에 수제의 설계와 시공에 관 한 기준이 마련되어 있으나 주로 일본과 유럽에서 제 안된 경험적 공식이나 이론을 부분적으로 인용한 것 이기 때문에 설계 및 시공단계에서 이를 실무적으로 이용하기는 어려운 실정이다.
수제를 설치하면 수제의 규모에 따라 하도의 유효 통수단면적이 감소하고 횡단 형상이 달라져서 유속, 수위 및 홍수시 흐름구조 등 유동 특성이 변화하기 때 문에 수리모형 실험이나 수치모형을 적용하여 유동장 을 재현하기 위한 연구 (Bathurst et al. 1979, Marelius et al. 1998, Sukhodolov et al. 2004, Wu et al. 2004) 가 시도되어 왔다. 또한, 수제를 설치하면 유동 특성 의 변화에 따라 하상의 국소 세굴․퇴적이 발생하기 때문에 하상변동 예측에 대한 연구 (Acharya 2002, Kuhnle et al. 2002, Zhang et al. 2005, Zhang and Nakagawa 2008, Teraguchi et al. 2008)도 활발하게 이루어지고 있다.
수제는 수제 높이와 수심의 비에 따라 흐름에 미치 는 영향이 다르므로 즉, 상대적으로 수제 높이에 비 해 수심이 작을 경우에는 구조물로써 흐름에 영향을 미치지만 수심이 클 경우에는 조도 요소로써 작용하 기 때문에 수심의 변화에 따른 하도 만곡부에서의 흐 름 구조의 변화에 대한 연구도 시도되고 있다 (Jorge et al. 2008). 국내의 수제에 관한 연구는 주로 수제 주변의 흐름특성, 세굴 및 퇴적경향 분석을 수행한 바가 있으며, 최근 수제의 평면배치 및 적정간격 산
성 등 하상변동은 하도의 다양한 흐름 조건을 형성함 으로써 생태계 기반에 다양성을 제공한다는 측면에 서 연구 (USGS 2009, Kim et al. 2014)가 진행되고 있다.
본 연구에서는 우리나라와 같이 유량 변동이 큰 하 천에는 비교적 높이가 낮고, 길이도 짧은 저수수제가 수리적 안정성 측면에서 유리한 것으로 판단하고, 홍 수시 하안의 세굴에 의한 호안 및 제방기초의 파괴가 빈발하는 하도의 만곡부에서 유향 제어와 토사의 퇴 적을 유도할 수 있는 하도안정 공법으로서 수제의 선 단 높이가 평수위 정도인 저수수제공법 (submerged spur dike works)을 선정하였다. 또한, 국내에서 수리 실험이나 수치해석에 의한 연구가 시도되고 있으나 현장 적용에 대한 연구가 미흡하기 때문에 실증적 연 구로써 현장 적용 및 모니터링을 통하여 저수수제군 이 홍수시 하도흐름에 미치는 영향과 그에 따른 흐름 특성 및 하상변동 경향 등 수제의 수리학적 효과와 수제 설치 구간에 대한 하도지형 변화를 분석하였다.
2. 연구방법
2.1 연구대상지
연구대상지는 Fig. 1에 나타낸 바와 남강의 합류점 으로부터 약 19 km 상류의 중심각 약 74°의 단일 만 곡부로서 경남 고성군 영현면 연화리의 연화천 합류 부 상류에 위치하고 있다. 대상지는 연장 190 m, 평 균하폭 70-80 m이며, 하상재료는 자갈이다.
Fig. 2와 Fig. 3은 수제 설치 전·후의 현장조사 사 진으로서 수제 설치 후의 수제구간에 대한 현황을 나 타낸 것이다. Fig. 4는 수제의 구조 및 제원을 나타낸 것으로써 연화천 합류부 직상류 하도 만곡부에 연장 190 m 구간에 길이 15 m, 높이 1.5 m, 하부폭 7 m, 상부 폭 2.0 m, 종단경사 1/15인 사다리꼴 단면의 저 수수제 3기를 40 m 간격으로 설치하였다.
Fig. 1. Map showing the study area.
(a) December 2006 (b) July 2009
(c) August 2010 (d) July 2011
(e) November 2012 (f) November 2013
Fig. 2. Photographs according to channel changes before and after construction of spur dikes.
(a) May 2008 (b) July 2013 Fig. 3. Photographs showing geomorphological changes around spur dikes.
(a) Plane view (b) Longitudinal section (A-A) (c) Cross section (B-B) Fig. 4. Structure and dimensions of spur dikes.
2.2 현장조사
본 연구의 대상지는 하천정비공사의 일환으로 제방 보강 및 저수수제를 설치공사 후 하상을 평탄하게 정 비하였기 때문에 저수수제군이 홍수시 유향 및 유속을 변화시켜 수제 선단부에는 국소세굴이 발생하고 및 수 제 사이에는 퇴적이 유도되는 등 하상변동이 발생한 다. 따라서, 본 연구는 저수수제군 설치 전․후의 하도지 형 및 흐름특성의 변화를 비교, 분석하여 만곡부에 설 치된 저수수제군이 하상변동 및 유향제어 등에 미치는 수리적 효과를 제시하고자 하였다. 따라서, 저수수제 군 설치 전․후의 항공사진 분석을 통하여 저수로 이동 등 하도의 평면적 변화를 분석하였고, 하도지형 변화 를 조사하기 위하여 2008년, 2009년, 2010년, 2011년 및 2014년 2월에 지형측량을 시행하여 대상구간에 대 한 하도의 종단 및 횡단 변화를 검토하였다.
2.3 2차원 수치모형의 적용
하도의 흐름과 하상변동에 대하여 적용되는 수치 모형은 하천흐름 및 유사이송을 지배하는 연속방정
식, 운동방정식, 흐름저항방정식, 유사연속방정식, 유 사량 예측 방정식을 이용하여 수학적으로 해석하는 것으로써 1차원 모형에서부터 3차원 모형에 이르기 까지 많은 연구가 진행되고 있다. 1980년대부터 본격 적으로 연구개발이 시작되었다. 국내외에서 적용되는 주요 수치모형들은 SMS (SED2D), RAMS (RAM6), CCHE2D, RIC-Nays 등이 있다. CCHE2D 모형은 개수로의 부정류와 유사이동에 대한 모의를 위해 개 발된 수치모형으로써 흐름 조건은 상류, 사류 및 천 이영역까지 적용이 가능하며, 하상변동 조건은 하상 경사 및 만곡부의 2차류 영향으로 인한 모의가 가능 한 것으로 평가된다 (Yafei and Wang 2001).
본 연구에서는 하상토 입도분포를 입력자료로 이 용이 가능하며, 소류사와 부유사, 총유사 이송형태 모의가 가능한 수심적분 2차원 모형인 CCHE2D 모 형을 이용하여 저수수제군의 설치에 따른 수리 및 하 상변동 경향을 모의하고 고찰하였다.
2차원 흐름 및 하상변동 모의를 위한 지형자료는 영천강 연화제 구간 공사구간에 대하여 2009년 수제 설치 후에 수행한 현장 지형측량 성과를 적용하였다.
2차원 해석을 위한 격자의 구성은 종단 방향 190 m,
Fig. 5. Changes of water levels at the Doomoon Station (year-month-day).
(a) 2006 (b) 2012
Fig. 6. Photographs showing bed materials.
Table 1. Sensitivity analysis of parameters.
Parameters Lower limits Standards Upper limits Collections Rank
Grain shape factor 0.0 0.7 1.0 0.6 -
Specific gravity 0.0 2.65 -2.60 5
Depth to consider dry (m) -0.04 -0.04 2
Wall slipness coefficient 0.0 0.5 1.0 0.5 3
von Karman constant -0.41 - 0.4 4
Kinematic viscosity (m2 s-1) -0.1×10-5 -0.1×10-5 -
Roughness coefficient 0.034 -0.033 1
하폭 70-80 m에 대하여 종단 방향 70개, 횡단 방향 50개의 격자로 요소망을 구성하였다. 대상구간은 미 계측 유역으로서 유량측정 자료가 전무하므로 대상 지점으로부터 약 4.5 km 하류의 두문교에 설치된 수 위표 (국토교통부)의 수위 관측자료 (Fig. 5)를 이용 하여 수제설치 이후에 발생했던 유출수문곡선으로부 터 첨두홍수 지속시간을 추정하였다.
또한, 수제 설치 구간에 대한 흐름 양상 및 하상 변동을 파악하기 위하여 CCHE2D를 활용한 수치모 의를 하였다. CCHE2D의 수치모의에 앞서 수제설치
이후에 발생했던 홍수 흔적수위로부터 HEC-RAS로 써 정상등류 조건으로 역산하여 유량 및 하류수위를 구한 계산결과를 CCHE2D 수치모의를 위한 초기조 건 및 경계조건에 반영하였다.
Fig. 6은 수제 설치 전 (Fig. 6 (a)) ․ 후 (Fig. 6 (b)) 의 하상재료의 분포현황으로써 입경분포는 0.1 mm (모래) - 250 mm (큰 호박돌) 범위의 10개 그룹으로 D50은 약 50 mm 정도이며, 지배적인 하상재료는 굵 은 자갈이다.
Table 1은 CCHE2D모형에 적용된 매개변수의 민
(a) 2002 (b) 2006 (c) 2009 (d) 2010 (e) 2011 (f) 2013 Fig. 7. Aerial photographs before and after construction of spur dikes at the site (from NGII (2014)).
(a) July, 2010 (b) July, 2011 (c) September, 2012
Fig. 8. Photographs showing flow patterns according to floods after construction of spur dikes.
감도 분석한 결과를 보여주고 있으며, 나머지 매개변 수를 제시된 기준치로 고정시키고 해당 매개변수를 적용범위 내에서 변화시키면서 모형의 계산을 수행 하였다. 계산된 민감도 값이 0.1보다 작은 경우에는 해당 매개변수의 민감도는 작은 것으로 고려하여 제 거하였다. 왜냐하면 민감도가 낮은 매개변수를 고려 할 경우 모의 값이 뚜렷한 개선 없이 수렴시간만 길 어지거나 수렴조건의 횟수가 제안될 경우 매개변수 들이 비현실적인 값으로 산정될 가능성이 크기 때문 이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 하도특성 조사
대상구간의 하도는 저수수제군 설치 및 하상정리 로 인하여 하상은 평탄하고 단순한 지형구조를 가짐 에 따라 흐름의 양상도 단순해졌다. 따라서, 수제 설 치 및 하상정리 등 하천공사 후 하도의 물리적 특성 변화를 파악하기 위하여 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 2002년부터 2013년까지 11년 사이의 6개년에 걸쳐 촬영된 항공사진을 분석하였다.
Fig. 7 (b)에 나타낸 바와 같이 2006년에는 하도 만곡부의 지형특성인 좌안측에 고정사주가 형성되 고, 우안측에 세굴에 의한 좁고 긴 여울이 발생하면 서 호안기초부가 세굴되어 제방이 붕괴되었다. Fig.
7 (b) (2006년)의 항공사진(점선)에 나타낸 바와 같 이 태풍 “에위니아”시 홍수로 인하여 영금교 상류 우 안측 호안이 유실됨에 따라 2007년 가을에 하도정비 를 착공하여 2008년 4월에 준공하였다.
Fig. 7 (c) (2009년)의 항공사진에는 유심 (thalweg) 이 뚜렷하지 않으나 Fig. 7 (d) - Fig. 7 (f)의 2010년 및 2011년의 항공사진에서는 점차 뚜렷해지다가 2013년에는 저수로가 안정화된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 대상구간에 저수수제군을 설치한 후에 발생 한 소규모 홍수 상황을 나타낸 것으로서 수제에 의하 여 만곡구간의 유향이 하심으로 굴절되고 있음을 알 수 있다. 높이가 낮은 저수수제는 상대적으로 강도 는 약하나 빈도가 많은 소규모 홍수시에 유향과 유심 을 제어하는 수리학적 효과를 발휘할 수 있음을 시사 한다.
저수수제군 설치에 따른 평면, 종단 및 횡단 등의 하상변동 양상을 파악하기 위하여 하천공사 이전인 2008년부터 2014년까지 5회에 걸쳐 하도 지형측량 을 실시하였으며, Fig. 9는 그 결과를 정리한 것이다.
(a) Planimetric map (b) Longitudinal changes of thalweg
(c) Cross section in No.1 (d) Cross section in No.3 (e) Cross section in No.5 Fig. 9. Longitudinal and cross sectional changes.
Fig. 9 (b)는 저수수제군 설치 전․후의 최심하상고를 나타낸 것으로써 2008년 하천공사 이전에는 하류지 점을 제외하면 현재와 같은 하상경사를 유지하고 있 었으며, 2009년에는 하천공사에 따른 하상정리로 인 하여 하상경사가 완만해졌고, 2010년, 2011년 및 2014년에는 수제구간의 국소세굴로 인하여 하상이 저하되면서 여울-소가 발생함을 나타내고 있다. 이러 한 하상경사와 변화는 2008부터 2009년 사이에 큰 홍수가 발생하지 않아 하상변동이 발생하지 않았으 나, 2010년 7월, 2011년 7월 및 2012년 9월에 중규 모의 홍수가 발생함에 따른 것으로 판단된다.
Fig. 9 (c) – (e)는 저수수제군 설치 전․후의 횡단면 의 변화를 나타낸 것으로써 2008년 이전에는 현재와 유사한 횡단형상을 유지하였으나 하천공사로 인하여 수제설치 지점인 No. 1 - No. 5 사이의 전구간 하상 이 평탄하게 정리되었음을 알 수 있다. 그 후인 2010 년 7월, 2011년 7월 및 2012년 9월에 중규모의 홍수 가 발생함에 따라 수제 선단부에 국소세굴이 발생하 여 저수로가 형성되면서 2011년 및 2014년의 횡단형 상이 안정단계에 도달했음을 나타내고 있다.
조사결과를 요약하면 연구 대상구간에서는 하상 및 수리현상 등 물리적 특성이 안정되는 조건은 홍수 규모에 따른 유속 및 유사량에 지배되는 것으로 보인
다. 또한, 홍수량 증가에 따른 소류력의 크기 및 홍수 발생 빈도에 따라 다르게 나타날 수 있지만 연구 대 상지의 경우 하도의 물리적 특성이 안정되는데 소요 되는 기간은 대략 3년 정도가 걸리는 것으로 보인다.
저수수제군을 설치한 후 5년 동안 계획홍수량에 가까운 큰 홍수는 없었지만, 중·소규모의홍수시 수제 가 구조물로써 작용하여 유심이 수제 선단과 평행하 게 유도됨에 따라 수제 선단부에서는 부분적인 단면 축소로 인하여 국소세굴이 발생하여 소가 형성되면 서 저수로가 하도의 중앙으로 이동하였으며, 단면이 확대되는 수제 사이에서는 유속의 감소로 퇴적이 유 도되어 식생이 정착하는 것을 확인한 바 있다 (Kim et al. 2013).
3.2 수리특성 및 하상변동 예측을 위한 2차원 모형의 적용
3.2.1 수제 설치 전의 유동장 및 하도지형의 모의 수제 설치 이전의 하상을 추정하기 위하여 사용할 수 있는 수리학적 정보가 없기 때문에 2009년의 현 장 지형측량 성과를 조건으로 유량을 증가시키면서 CCHE2D로써 유동장 및 하상변동을 모의하였다.
Fig. 10은 유량증가에 따른 유속분포의 변화를 나
(a) 200 m3 s-1 (4 hrs)
(b) 265 m3 s-1 (4 hrs)
(c) 350 m3 s-1 (5 hrs)
(d) 450 m3 s-1 (5 hrs)
(e) 550 m3 s-1 (5 hrs) Fig. 10. Velocity distributions according to discharges before construction of spur dikes.
(a) 200 m3 s-1 (4 hrs)
(b) 265 m3 s-1 (4 hrs)
(c) 350 m3 s-1 (5 hrs)
(d) 450 m3 s-1 (5 hrs)
(e) 550 m3 s-1 (5 hrs) Fig. 11. Bed elevations according to discharges before construction of spur dikes.
타낸 것으로서 만곡부에서의 흐름특성은 원심력에 의하여 지배되기 때문에 유량의 증가에 따라 외안측 으로 유속이 집중됨을 나타내고 있다. 상류단에서 직 선상의 유속이 큰 지점은 높이 0.5 m의 콘크리트 보 가 설치되어 있기 때문이며, 상류단의 모의 구간이 짧아 흐름조건이 안정적으로 수렴되지 못한 것에 기 인하는 것으로 판단된다. Fig. 11은 유량증가에 따른 하상의 변동을 나타낸 것으로써 외안측으로 유속이 집중되면서 우안 제방기초를 따라 세굴이 발생함을 알 수 있다 (Fig. 11 (d), (e)의 점선 내).
이상의 CCHE2D에 의한 저수수제군 설치 이전의 연구 대상구간은 만곡구간으로서 홍수시 수리학적으 로 외안측에 세굴이 발생하고 앞에서 제시된 Fig. 2 (a)와 같이 호안기초가 파괴되면서 제방이 붕괴될 수 밖에 없음을 알 수 있다. 따라서, 홍수시 외안측의 호 안기초 세굴에 의한 제방붕괴를 방지하기 위해서 저 수수제군을 설치하여 유향을 하도의 중심으로 밀어
내는 것이 치수적 안전성 확보 대책이 될 수 있음을 나타내고 있다.
3.2.2 수제 설치 후의 유동장 및 하도지형의 모의 수제는 하안으로 향하는 흐름을 하심 방향으로 돌 려보내고, 유속을 지체시켜 유로의 고정, 제방, 호안 근방의 세굴방지, 토사 퇴적의 유도 등 다각적인 기 능을 가지는 하천구조물이다. 특히, 급류하천에서는 유수의 집중이나 토사이동에 따른 하안의 침식 등을 방지한다는 의미에서 수제의 활용이 필요하다. 따라 서, 본 연구에서는 3개소의 저수수제 설치 직후의 하 도 지형조건을 기준으로 유량별 유속분포 및 하상변 동을 평가하기 위하여 CCHE2D로써 유동장 및 하상 변동을 수치모의하였다.
Fig. 12는 유량증가에 따른 유속분포의 변화를 나 타낸 것으로서 만곡부에서의 흐름특성은 원심력에
(a) 100 m3 s-1 (4 hrs)
(b) 200 m3 s-1 (4 hrs)
(c) 265 m3 s-1 (4 hrs)
(d) 350 m3 s-1 (5 hrs)
(e) 450 m3 s-1 (5 hrs)
(f) 550 m3 s-1 (5 hrs) Fig. 12. Velocity distributions according to discharges after construction of spur dikes.
(a) 100 m3 s-1 (4 hrs)
(b) 200 m3 s-1 (4 hrs)
(c) 265 m3 s-1 (4 hrs)
(d) 350 m3 s-1 (5 hrs)
(e) 450 m3 s-1 (5 hrs)
(f) 550 m3 s-1 (5 hrs) Fig. 13. Bed elevation according to discharges after construction of spur dikes.
의하여 지배되기 때문에 유량의 증가에 따라 유속이 증가하며 외안측으로 유속이 집중되지만, 유향이 No.1 지점에서부터 하심으로 이동됨을 나타내고 있 다. 이러한 현상은 Fig. 12 (a) - (c)와 같이 유량이 작은 경우 즉, 수심에 비하여 수제 높이가 상대적으 로 큰 경우에는 수제가 구조물로써 작용하여 유향을 변화시킴으로써 수제 선단부 주변에서 국소적인 유 속이 증가함을 나타내고 있으며, 수제 사이에서는 유속이 느린 정체 수역이 뚜렷하게 발생함을 알 수 있다.
반면에 Fig. 12 (d) - (f)와 같이 유량이 큰 경우 즉, 수심에 비하여 수제 높이가 상대적으로 작은 경 우에는 수제가 조도요소로써 작용하여 유향을 변화 시킴으로써 수제 선단부 주변에서도 유속이 전반적 으로 분포됨을 나타내고 있으며, 수제 사이에서는 유 속이 느린 정체 수역이 부분적으로 감소함을 알 수 있다.
Fig. 13은 유량증가에 따른 하상의 변동을 나타낸 것이며, 외안측으로 유속이 집중됨으로써 우안 제방기
초를 따라 세굴이 발생함을 알 수 있다. Fig. 13 (a) - (c)와 같이 유량이 작은 경우 즉, 수심에 비하여 수제 높이가 상대적으로 큰 경우에는 수제가 구조물로써 작용하여 유속이 집중되는 수제 선단부 주변에서 국 소세굴이 발생하는 데 유량의 증가에 따라 그 영역이 종단방향으로 확대되며, 수제 사이의 정체 수역에서 는 퇴적이 발생되었다.
반면에 Fig. 13 (d) - (f)와 같이 유량이 큰 경우 즉, 수심에 비하여 수제 높이가 상대적으로 작은 경 우에는 수제가 조도요소로써 작용하기 때문에 유량 의 증가에 따라 수제 선단부 주변에서 국소세굴 영역 이 감소함을 나타내고 있으며, 수제 사이의 정체수역 은 퇴적이 뚜렷하게 증가하였다.
Fig. 14는 유량증가에 따른 각 수제 주변의 단면 유속분포 변화를 나타낸 것이다. 만곡부에 수제를 설 치할 경우 유심을 중앙으로 밀어내기 때문에 수제 선 단부에서 최대유속이 발생함을 알 수 있으며, 이러한 현상은 유량이 증가할수록 뚜렷한 차이를 나타내는 데 대안측에서도 유속이 증가하며 그 경향은 상류에
.
(a) No.1
(b) No.3
(c) No.5
Fig. 14. Velocity distribution around spur dikes.
(a) No.1
(b) No.3
(c) No.5
Fig. 15. Bed changes around spur dikes.
서 하류로 갈수록 완화됨을 나타내고 있다.
Fig. 15는 수제 주변의 유량증가에 따른 하상변동 을 나타낸 것이다. 유량의 증가에 따라 하상이 저하 하는 것으로 나타났고, 수제 선단부에서 국소세굴이 발생함을 잘 재현하였으며, 이는 Fig. 9의 현장조사 결과와 비교적 유사한 결과를 나타내고 있다.
3.3 저수수제군 설치에 따른 수리특성 변화 및 하상변동
본 연구는 하도 만곡부에 저수 수제군을 설치한 후 의 수리 및 하도 특성변화를 파악하기 위하여 항공사
진 분석, 현장 지형측량 조사 및 CCHE2D를 적용한 수치모의를 통하여 검토하였으며, 수제설치 구간의 수리특성 및 하상 변동을 토대로 분석한 효과는 다음 과 같다.
최심하상고의 변화를 분석한 결과, 구간 전체의 하 상경사는 시간의 경과에 따라 다소 완만해지는 경향 을 보였으며, 하류단 부근에 점차적으로 세굴이 발생 하면서 소가 형성되고 중간 지점에 여울이 형성되는 것으로 나타났다. 또한, 수제 부근의 횡단 변화를 분 석한 결과, 상류의 첫 번째 수제 선단부에서 국소 세 굴에 의하여 저수로와 분리된 깊은 소가 나타났으며, 두 번째 수제 선단부에서도 유사한 하상변동이 발생
유량이 작은 중․소규모 홍수에서는 수충부측에 유속 이 집중되는 경향을 보였으며, 계획홍수량이 유하하 는 조건에서는 유속이 다소 수충부측으로 집중되지 만 전체적으로 퍼져나감을 알 수 있었다. 또한, 하상 변동의 양상은 유속 분포범위와 유사하게 발생하였 으며, 계획홍수량 유하시에 제방을 따라서 세굴이 발 생하기 때문에 호안기초의 유실에 초래하였음을 알 수 있었다. 이러한 현상은 하상변동이 대규모 홍수뿐 만 아니라 강도는 약하나 빈도가 잦은 지배유량 정도 의 중․소규모 홍수량에서 하상변동이 발생할 수 있음 을 시사한다.
수제 설치 후의 경우에는 수제 설치 전에 비하여 유속분포가 다양하게 나타났으며, 유심이 하도의 중 앙측으로 이동함을 알 수 있었다. 하상변동은 유속 변화의 양상과 같이 저수로가 중앙측으로 이동하였 으며, 수제 선단부에서 국소세굴에 의한 소가 발생하 기 때문에 수제 설계시에는 기초 깊이의 결정에 신중 해야 함을 시사하고 있다.
결론적으로 하도 만곡부에서는 원심력에 의하여 수충부측에 유속이 집중되고 그에 따라 국소세굴이 발생하여 제방의 안전을 저해하기 때문에 이러한 문 제를 해결하기 위한 대책으로써 수제공법이 타당함을 확인하였다. 또한, 수제 설치 구간에서 국소세굴에 의 하여 소가 형성되고 수제 사이에 유사 퇴적이 유도되 어 식생이 이입되므로써 생태적으로 다양한 기반이 형성될 수 있다는 부수적인 효과도 확인하였다. 따라 서, 하천사업 시행시에 계획․설계 단계에서 수리 및 하도특성을 고려하여 수제공법을 활용하면 치수적 안 전성과 생태계의 다양성을 얻을 수 있을 것이다.
4. 결 론
하도 만곡부 제방의 치수적 안전성 확보를 목표로 저수수제를 설치하고, 그 효과를 평가하기 위해 항공
의 지형변화 및 흐름상황을 모니터링한 결과, 저 수수제군이 홍수시에 유심을 하심측으로 밀어내 어 치수적으로 호안기초의 세굴 및 하안침식 방지 등의 하천 방재에 필요한 수리적 기능을 발휘하고 있음을 확인하였다.
2) 저수 수제군의 유향 제어 및 선단부 세굴을 검토 한 결과, 상류측 수제 선단부에 유수력이 집중되 어 좁고 깊은 소와 여울이 같이 발생함으로써 하 상변화가 가장 크게 나타났으며, 하류로 갈수록 저수로 폭이 넓어지면서 하도가 안정화됨을 확인 하였다. 이는 수제공은 단일 수제보다는 수제군으 로 설치하는 것이 효과적임을 시사하는 것이다.
3) 유량의 변화에 대한 저수 수제군 주변의 유속 및 세굴을 평면 2차원 수치모의를 통하여 검토한 결 과, 유량이 작아 수심이 얕은 경우에는 수제가 유 동장에 대하여 구조물로써 작용하기 때문에 유속 분포가 다양하게 나타나지만, 유량이 많은 경우에 는 수제 높이에 비하여 수심이 크기 때문에 조도 로써 작용하여 유속변화가 비교적 단순하게 나타 났다. 이는 수심과 구조물의 높이 비에 따라 수제 는 수리학적으로 다른 기능을 발휘하는 것으로 판 단된다.
4) 저수 수제군 설치 전․후에 대한 평면 2차원 수치모 의 결과를 통하여 유속분포와 하상변동을 분석한 결과, 설치 전의 경우에는 만곡부에서 원심력에 의하여 유속이 외안 수충부측으로 집중됨으로써 호안 기초부에 세굴이 발생하였으나 설치 후에는 수제가 하심측으로 유향을 제어함으로써 세굴이 발생하지 않았다. 따라서, 하천지형측량 성과 및 평면 2차원 수치모의 결과를 종합하면 향후에 하 도 만곡부에서 저수 수제군 공법을 적용하는 것이 타당함을 입증하였다.
앞으로 치수사업이나 하천복원사업에서 목적에 따라 다양한 수제공법을 적용할 필요가 있으며, 동시에 모
본 연구는 국토해양부 건설기술혁신사업의 연구 비지원 (12기술혁신C02)에 의해 수행되었습니다.
References
Acharya, A. 2011. Experimental Study and Numerical Simulation of Flow and Sediment Transport around a Series of Spur Dikes. Ph.D. Dissertation, University of Arizona, USA.
Bathurst, J.C., Thorne, C.R., and Hey, R.D. 1979. Secondary flow and shear stress at river bends. Journal of Hydraulics Division, ASCE 105: 1277-1295.
Jorge, D.A., Rhoads B.L., Güneralp İ., and García, M.H.
2008. Flow structure at different stages in a meander- bend with bendway weirs. Journal of Hydraulic Engi- neering, ASCE 134: 1052-1063.
Kang, J.G., Kim S.J., and Yeo, H.K. 2008. Experimental study on flow characteristic of L-type groyne. Journal of Korea Water Resources Association 41: 653-667.
(in Korean)
Kang, J.G., Kim, S.J., and Yeo, H.K. 2009. An experi- mental study on flow characteristic around inclined crest groyne. Journal of Korea Water Resources Asso- ciation 42: 715-724. (in Korean)
Kim, S.J., Kang, J.G., and Yey, H.K. 2014. An experimental study on flow characteristics for optimal spacing suggestion of 45° upward groynes. Journal of Korea Water Resources Association 47: 459-468. (in Korean)
Kim, K.H., Lee, H.R., and Jung, H.R. 2013. Effects of submerged spur dikes on the ecosystem and bed deformation in Yeongcheon river bend. Journal of the Korea Society of Environmental Restoration Technology 16: 137-153. (in Korean)
Kuhnle, R.A., Alonso, C.V., and Shields, F.D. 2002.
Local scour associated with angle spur dikes. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 128: 1087–1093.
Marelius, F. and Sinha, S. 1998. Experimental investigation
Society of Environmental Administration 17: 31-41.
(in Korean)
Park, J.K. 2011. Analysis on velocity characteristics around spur dike zone in stream. Journal of Korea Society of Environmental Administration 15: 183-192.
(in Korean)
NGII. 2014. www.ngii.go.kr. National Geographic Infor- mation Institute. Assessed 15 August 2014.
Sukhodolov, A.N., Engelhardt, C., Kruger, A., and Bungartz, H. 2004. Case study: Turbulent flow and sediment distributions in a groyne field. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 130: 1-9.
Teraguchi H., Nakagawa, H., Muto, Y., Baba, Y., and Zhang, H. 2008. Effects of groins on the flow and bed deformation in non-submerged conditions. Annuals of Disaster Prevention Institute, Kyoto University 51(B):
625-631.
USGS. 2009. Hydrodynamic Simulations of Physical Aquatic Habitat Availability for Pallid Sturgeon in the Lower Missouri River, at Yankton, South Dakota, Kenslers Bend, Nebraska, Little Sioux, Iowa, and Miami, Missouri, 2006–07. Scientific Investigation Report 2009-5058, United States Geological Survey, USA.
Wu, W., Pingy, W., and Nobuyuki, C. 2004. Comparison of five depth-averaged 2-D turbulence models for river flows. Archives of Hydro-Engineering and Environ- mental Mechanics 51: 183-200.
Yafei J. and Wang, S.Y. 2001. Two-Dimensional Hydro- dynamic and Sediment Transport Model for Unsteady Open Channel Flow over Loose Bed. Technical Report No. NCCHE-TR-2001-1, School of Engineering, University of Mississippi University, USA.
Zhang, H. and Nakagawa, H. 2008. Scour around spur dyke: Recent advanced and future researches. Annuals of Disaster Prevention Institute, Kyoto University 51(B): 633-652.
Zhang, H., Nakagawa, H., Ishigaki, T., Muto, Y., and Baba, Y. 2005. Three-dimensional mathematical modeling of local scour. Journal of Applied Mechanics 8:
803-812.
