Water for Future
1. 서론
최근 급격한 기후 변화에 따른 집중호우로 지방 하천 및 소하천의 홍수피해가 잇따르고 있다. 강
원지역 산지하천의 홍수피해 규모가 전국에서 가 장 큰 것으로 조사되었다(소방방재청, 2015). 산 지가 약 89%를 차지하는 강원도는 국지성 집중호 우로 인해 산지하천 만곡부 외측 하안이 붕괴되는 사례가 많고 하안에 인접해 발달한 도로의 유실과 산사태에 의한 주거지 매몰 등의 피해가 빈번하게 발생하고 있다. 산지하천은 하천 지형적인 특성상 하천 경사가 급하고 유속이 빨라 침식이 지배하는 특성을 가지고 있다. 지질적으로 세굴에 취약한 지역은 유로 변형에 따른 만곡 하천지형을 형성 한다. 이 하천지형은 유량, 수면경사, 유속, 유로 의 폭 및 깊이, 하상재료 등에 따라 지속적으로 변 하면서 유로가 발달한다. 산지하천의 하반은 폭이 좁은 충적지로서 사회기반시설이 자리하고 경제활 동이 이루어지는 공간이다. 홍수로부터 이를 보호 하기 위한 제방이 대부분 축조되어 있다. 이는 하 도평면의 동적인 발달특성을 억제하므로 하천 피 해의 대부분은 만곡부에 집중되고 있다(국토해양 부, 2013).
하천 만곡부는 외측 하안부가 유수에 의한 침식 에 따라 후퇴하면서 하도가 넓어지고 2차류가 강 해지며 세굴이 지속되고, 내측 하안부는 에너지 가 소멸되면서 토사가 퇴적되는 현상이 발생한다.
이는 하류 유로에 영향을 미쳐 하도가 지속적으로 변하는 원인이 되고, 하도 주변의 도로, 하천 교량 및 상하수도 시설 등 각종 인프라 시설의 안전을
수중 수제(날개형)를 이용한 만곡하천 제방침식 제어 기술
최 철 희 한국종합기술 [email protected]
백 중 철
강릉원주대학교 교수 [email protected]
박 상 덕 강릉원주대학교 [email protected] 이 현 재
한국종합기술 부사장 [email protected]
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위협하고 파괴한다.
하천 재해방지 및 하안부의 자연 생태계와 경관 보전을 위해서는 하도의 형성과 변화에 가장 큰 영향을 미치는 만곡부의 발달을 제어하여 하도안 정을 유지할 필요가 있다. 이와 같은 만곡부의 하 도 변화를 제어하는 직접적인 방법으로써 수제의 설치를 고려할 수 있다. 하천은 국부적으로 저항 이 증가하면 그 하류에서 침식 및 하상저하가 촉 진되는 데 수중 수제(submerged vanes)는 이 국 부 저항과 같은 특성을 변화시키지 않으면서 하 상부근의 유속을 줄이는 수단이다. 따라서 날개 형 수중 수제는 만곡 외측하안 침식을 줄일 수 있 는 가장 효과적인 방법의 하나로 알려져 있다. 국 내에서는 현재까지 날개형 수제에 관련된 설계기 준이 없고 기술에 대한 실용화도 이루어지지 않은 실정이므로 이를 위한 연구와 설계기준 제시가 필 요하다. 산지하천 하도안정 실용화 기술개발의 일 환으로 필자들이 수행중에 있는 수중 수제를 이용 한 만곡부 하안침식 저감에 대한 연구를 소개하고 자 한다.
2. 수리실험 및 수치모델링 연구
2.1 수리실험
만곡부 하상에 수중 수제를 설치하면 외측 하안 부의 침식을 상당히 줄일 수 있다. 만곡부 하안 침 식은 유수에 작용하는 원심력에 기인하는 유속분 포의 변형 및 2차류의 강화와 횡단방향 유사이송 증가와 같은 물리적 현상을 반영한 결과이다. 이 를 줄이기 위한 수리학적 방법은 만곡부 외측에서 내측으로 향하는 2차류의 구조를 약화시키는 것 이다. 하상근처에 소형의 날개형 수제를 설치하 여 2차류 흐름구조를 변경시키고 만곡 외측 하안 침식을 제어하는 기법이 Odgaard and Kennedy (1983)에 의해서 처음으로 제시되었다. Odgaard and Lee (1984)는 길이가 76m이고 폭 2.44m, 높 이 0.61m인 직사각형 단면 180°만곡 개수로에서 직경 3.2mm인 잔자갈을 하상에 깔고 길이15cm, 높이13cm, 두께 1mm인 수제를 2열 및 3열로 설 치하고 공급유량 164L/S로 실험하였다. 그 결과 에 따라 수제의 입사각 (attack angle)과 수제규 격을 제안하였다. 이후 수중 수제의 형상, 배열,
그림 1. 실험 개수로
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설치각도와 하천 만곡도 등을 고려한 다양한 실험 적인 연구들이 활발히 이루어졌다. 그러나 이 연 구들은 하천경사가 완만한 모래하상에 대한 것이 며, 하천경사가 급하고 하상재료가 큰 하천에 대 한 수중 수제 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라 서 필자들은 가로 1.4m, 높이 1m인 직사각형 단면 의 길이 24m 90°만곡 개수로에 잔자갈을 깔고 길 이 8.4cm, 폭 4.2cm의 수제를 2열로 설치하여 실 험유량을 3시간 공급한 후 유속과 만곡부 하상변동 을 조사한다. 수제는 평균 하상고에서 2.8cm 높게 설치하였다. 평균하상고는 수제를 설치하지 않은 수로의 하상경사 1/300~1/150에 유량143~230L/
S을 공급해서 얻어진 단면형상으로부터 구하며 수 제 설치기준은 표 1과 같다. 이 실험에서는 수제의 높이와 입사각의 영향을 조사한다. 여기서 수충부 는 수제를 설치하지 않은 하상의 만곡부에서 하상 세굴이 발생한 구간의 외측 벽을 의미한다.
2.2 수치모델링
만곡하천에서 2차류의 발생 형상과 난류 조직 구조의 특성을 분석하기 위해서 3차원 수치모델 링을 수행한다. 흐름에 대한 지배방정식은 부정
류, 비압축성 Navier-Stokes 방정식이다. 물-공 기 유체의 경계면인 자유수면은 2상(two-phase) VOF(volume of fluid)기법으로 포착하였다. 자 유수면의 위치는 인공표면 압축항을 포함하는 이송방정식을 해석하여 구한 체적분할(volume fraction) 의 값으로 결정된다. 난류흐름 해석을 위해서 이 연구에서는 하이브리드 RANS-LES 모형의 일종으로서 높은 레이놀즈 수 흐름에 대 해서 유연하고 합리적으로 해석을 수행할 수 있 는 IDDES(improved delayed detached eddy simulation) (Shur et al. 2008)를 적용하였다.
IDDES는 기존의 표준 DES의 문제점을 보완한 것 으로서, DDES(delayed DES)와 유사하게 계산격 자의 모호함에 의해서 발생하는 과도한 흐름분리 (spurious premature separation)를 방지할 수 있다(Shur et al., 2008). 그림 2는 계산 결과의 일례로, 유선으로 표현한 만곡부에서의 2차류 발 생 특성을 보여준다. 바닥부근의 유선 형태를 보 면 흐름이 만곡부를 통과하면서 만곡부 외측에서 내측으로 향하는 강한 2차류가 발생함을 알 수 있 다. 그리고 만곡 외측에서 내측으로 바닥을 따라 이동한 물입자들은 내측 벽을 따라 수면위로 부상 하는 것을 알 수 있다.
표 1. 수제의 설치조건
구분 내용 비고
수제제원 • 높이 : H, 길이 : 3H, 폭 : 1.5H 평균하상에서 수제 높이
설치간격
• 만곡시점 이전 : 30H, 2개소
• 만곡부 (만곡시점~수충시점) : 15H까지 점축소
• 만곡부 (수충시점~만곡종점) : 30H까지 점확대
• 만곡종점 이후 : 30H, 2개소
상류 수제와 하류 수제 사이의 거리
배열방법 • 종방향 : 2열, 횡방향 간격 : 3H
• 만곡 외측제방에서 이격거리 : 3H
입사각
• 만곡시점 이전 : 20°
• 만곡시점 ~ 수충부시점 : 20° ~ 10° 점축소
• 수충부시점 ~ 수충부종점 : 10°~ 5°~10°
• 수충부종점 ~ 만곡종점: 10° ~ 20° 점확대
• 만곡종점 이후 : 20°
흐름 방향과 수제가 이루는 각도
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3. 현장 적용
3.1 현장 및 수제 설치 현황
강원도의 산지하천을 대표할 수 있는 하천으로 서 현재 강릉원주대에서 수행하는 수리실험 개수 로와 유사한 약 90°만곡도를 갖는 양양남대천 상 류부 원일전2교 하류 만곡부를 적정한 Test Bed 로 선정하였으며 선정 시 고려한 주요 사항은 다 음과 같다.
• 하폭, 하상경사, 하상재료, 만곡도 등의 하천특 성이 산지하천 특성을 지닌 하천일 것
• 양안으로 접근이 가능하며 모니터링 설비의 설 치가 가능하고 관측이 가능한 곳
• 자연하천의 흐름 특성을 갖는 상류에 댐이 없 는 곳
• 도로가 하천을 따라 발달한 곳
• 수위 관측 지점이 상·하류에 설치되어 있거나
없을 경우 설치가 가능한 구조물 (교량, 보 등) 이 위치해 있어 모니터링 시 수위 변화를 용이 하게 파악할 수 있는 곳
이 만곡부에 수제 Test Bed를 설치하여 수제 설 치 전·후의 수리적인 특성과 하상의 변화를 모니 터링하고 수제의 기능에 대한 평가를 실시한다.
즉, 수제 설치 전·후 만곡부의 종 횡단방향 수위 와 유속 그리고 하상의 변화(세굴과 퇴적) 등을 모 니터링하고 수제 설치 전·후의 변화를 파악한다.
3.2 수리량 계측 및 분석
원일전 2교 하류 만곡부에 수제를 설치하고 대 상하천에서의 수리량을 모니터링하기 위하여 그림 4와 같은 위치에 압력식 수위센서 6개를 설치하고 수위를 조사하고 있다. 만곡부 하류에는 보(그림 에서 YN-5 지점)가 있으며 그 하류에 위치한 원 일전1교(그림에서 YN-6 지점)에는 강원도가 관리 그림 2. 실험수로에서 계산된 유선으로 표현한 만곡부 2차류 현상: 유선의 색은 높이를 나타내며, 파란색은 바닥 그리고
빨간색은 수면부근을 의미
표 2. 수제 Test Bed 설치지점 (그림 2)
하천명 위치 기존 수위표
양양남대천 (지방하천)
강원도 양양군 현북면 원일전리 603번지
(원일전2교 직하류) 하류에 원일전1교 수위표 (강원도)
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하는 수위표가 있다. 수충부 및 토석류 방재기술 연구단이 2013년에 개발한 수위-유량관계곡선을 보완하여 만곡부 모니터링의 유량조사에 적용한 다. 홍수 시 만곡부 상류의 원일전2교에서 구형봉
부자를 하천에 투하하고 그 이동경로를 드론으로 촬영하여 만곡부의 유향과 유속을 조사한다.
현장에서 수제 설치에 따른 흐름변화를 정밀하 게 제시하기 위해서 현장을 대상으로 3차원 수치 그림 3. 수제 Test Bed 설치지점과 설치 현황
그림 4. 수위 측정 지점 및 원일전1교 수위-유량 관계곡선
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모델링을 수행하기 위해서 현장측량을 통해 확보 된 지형자료를 이용하여 수치격자를 구성한다. 홍 수시 계측된 자료를 이용하여 검증을 하고자 한다.
현장에서 올해 계측된 최대 유량에 대해서 3차원 모델링을 수행하여 설치된 수제 주변에서의 흐름 특성을 제시할 것이다.
4. 맺음말
수중 수제는 만곡부 외측 하안침식을 줄이기 위 한 공법으로 활용되고 있으나 이는 대부분 완경사
모래하천을 대상으로 하고 있다. 필자들은 하상경 사가 급하고 유속이 빠른 자갈하상 하천의 만곡부 에 날개형 수중 수제를 적용하기 위한 수리실험, 수치모델링, 현장 적용에 관한 연구를 진행중이다.
최근에 날개형 수제를 양양남대천에 설치하여 모 니터링을 실시하고 있으나 만곡부에서 발생하는 2 차류 흐름을 수제가 저지하면서 발생하는 수위 및 하상변화 등의 특성을 파악하기에는 아직 충분한 자료가 확보되지 못한 실정이다. 추후 지속적으로 모니터링을 실시하고 그 결과를 수리실험 및 수치 모델링의 결과와 비교 검토하여 수제의 효과를 평 가하고자 한다. 수리실험에서는 수중 수제의 설치 방법이 만곡부 하상변화에 미치는 영향을 파악하 고 현장모니터링 결과와 비교하며 수치모델링으로 부터 보다 구체적인 수리특성을 파악할 예정이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화 사업의 연구비 지원 (18RDRP-B134571)에 의해 수행되었습니다.
1. 국토해양부 (2013). 산지하천도로 호우피해방지를 위한 수충부 및 토석류 방재설계 선 진화 기술개발.
2. 소방방재청 중앙재난안전대책본부 (2015). 재해연보 2014.
3. Odgaard, A.J., and Kennedy, J.F. (1983). "River-Bend Bank Protection by Submerged Vanes." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.109, No.8 pp.1161-1173.
4. Odgaard A.J., and Lee H.E. (1984). Submerged Vanes for Flow Control and Bank Protection in Streams. IIHR Report No. 279.
5. Shur, M.L., Spalart, P.R., Strelets, M.Kh., and Travin, A.K. (2008). “A hybrid RANS-LES approach with delayed-DES and wall-modelled LES capabilities.” Int. J. Heat Fluid Flow, Vol. 29, pp. 1638-1649.
참고문헌
그림 5. 구형봉부자 (원일전2교, 만곡부 전경)
