Analysis on Effect of Debris Flow Energy Mitigation by Arrangement of Cylindrical Countermeasures

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1) Ph.D Student, Department of Civil Engineering, Gangneung Wonju National University 2) Graduate Student, Department of Civil Engineering, Gangneung Wonju National University

원통형 토석류 대책구조물의 배치조건에 따른 에너지 저감효과 분석

Analysis on Effect of Debris Flow Energy Mitigation by Arrangement of Cylindrical Countermeasures

김 범 준¹⁾･ 조 흥 석²⁾･ 한 광 두³⁾･ Clarence E. Choi⁴⁾･ 윤 찬 영^†

Beomjun Kim ･ Heungseok Cho ･ Kwangdo Han ･ Clarence E. Choi ･ Chanyoung Yune

Received: July 12

^th

, 2019; Revised: July 22

^nd

, 2019; Accepted: September 18

^th

, 2019

ABSTRACT : In this study, in order to analyze the effect of cylindrical baffles on the debris flow energy, small-scale tests were conducted using a flume with cylindrical baffles. Various row numbers of installed baffles were considered as a test condition. To investigate the scale effect of debris flow and cylindrical baffles on flow characteristics, large-scale tests were also performed according to varying row numbers of baffle for same baffle configuration with small-scale tests. Both small- and large-scale test results showed that the increase of row number of baffle increase the energy dissipation effect due to reduction of the velocity and flow depth of debris flow.

Keywords : Debris flow, Cylindrical baffles, Number of rows, Velocity, Flow depth, Large-scale test, Small-scale test

요 지 : 본 연구에서는 원통형 대책구조물의 설치조건에 따른 토석류의 에너지 저감효과를 분석하기 위해, 원통형 대책구조물을 설치 가능한 소형 수로를 제작하고 구조물의 종방향 설치 수를 변화시켜가면서 실내모형실험을 수행하였다. 또한 토석류와 대책구 조물의 크기변화가 흐름특성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 대형수로 내에서 소형수로 실험과 동일한 종방향 구조물을 배치하고, 토석류와 대책구조물의 크기를 증가시켜 실험을 수행하였다. 소형 및 대형수로 실험결과, 원통형 대책구조물의 설치 개수가 증가는 토석류의 유속과 흐름깊이를 감소시켜, 토석류의 에너지 저감효과를 증가시키는 것으로 나타났다.

주요어 : 토석류, 원통형 구조물, 종방향 수, 유속, 흐름깊이, 대형수로 실험, 소형수로 실험 Journal of the Korean Geo-Environmental Society

20(10): 15～27. (October 2019) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2019.20.10.15

1. 서 론

최근 국지성 호우 및 태풍으로 인하여 자연사면 붕괴롤 인한 토석류의 발생이 증가하고 있으며, 이러한 토석류 재 해로부터 피해를 저감시키기 위해, 토석류의 발생이 예상되 는 산지 계곡부 및 하류부에 대책구조물을 설치하는 사례가 점차적으로 증가하고 있다. 대책구조물 중에서는 비교적 시 공비가 낮고, 유목 및 암석의 차단효과가 매우 높은 투과형 구조물 중에 하나인 원통형 대책구조물의 시공이 늘어나고 있다(Fig. 1). 그러나 국내에는 사방시설의 설계 및 시공을 위한 다양한 설계기준(산악지 도로설계 매뉴얼(구 건설교 통부, 2007), 하천공사 설계실무요령(국토교통부, 2016), 사 방기술교본(산림청, 2014))들이 있지만, 투과형 대책구조물 의 하나인 원통형 구조물의 제원 및 배치에 대한 합리적인 설계기준이 제시되어 있지 않다. 이로 인하여 원통형 구조

물 설계 시 상당한 부분을 기술자의 경험적 설계에 의존하 고 있는 실정이다. 특히, 원통형 구조물은 상류부에서 발생 하는 토석류의 선단부의 유속을 일시적으로 감소시키면서 하류부로 흐르는 토석류의 유동성을 저감시키는 역할을 하 며, 슬릿트 및 버트리스 사방구조물 등과 같이 상･하류부에 서 단일형태로 시공되지 않고 다수의 그룹 형태로 시공되는 경우가 대부분이므로, 토석류의 유속저감 효과는 설치되는 구조물의 높이(height), 구조물의 간격(spacing), 설치 수 (number of row installation)에 큰 영향을 받게 된다. 최근 중국 및 홍콩 등에서는 투과형 대책구조물의 형상과 배치 등이 토석류의 에너지 저감효과에 미치는 영향을 확인하기 위해 연구가 진행되었지만(Ng et al., 2014; Choi et al., 2014;

Choi et al., 2016; Wang et al., 2017a, 2017b; Zhou et al., 2019), 원통형 대책구조물을 대상으로 연구한 사례는 찾아 보기 힘들다. 국내에서도 주로 슬릿트, 버트리스, 링네트 등

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(a) Seoul Umyeon. Mt (b) Inje County Deoksan-ri Fig. 1. Debris flow baffles in Korea (Kim et al., 2019)

과 같은 구조물에 대한 토석류의 속도감소와 포착율로 인한 에너지 저감효과를 연구하였고(Lim et al., 2008; Choi et al., 2015; Cho et al., 2016; Jung, 2017; Kim et al., 2018), 원통 형 대책구조물을 대상으로 한 토석류의 유속과 흐름깊이 변 화 등을 연구한 사례는 아직까지 전무한 실정이다. 또한 기 존의 국내외 연구자들에 의해 수행된 토석류의 실험적 연구 결과들은 대부분 소규모로 제작된 수로에서 실험이 수행된 결과로, 그동안 몇몇 연구자들에 의해 크기효과에 대한 문 제점이 제기되어 왔다(Kim et al., 2010; Choi et al., 2016).

토석류의 크기효과는 흐름 메커니즘에서 매우 중요한 인자 이며, 토석류의 규모가 커지게 되면 점성 응력의 중요성이 감소하고, 유체압력의 영향이 커지는 것이 두드러지기 때문 에 토석류의 흐름에서 크기효과는 매우 크게 작용할 수 있 다. 기존에 미국, 일본 등(Iverson et al., 2010; Moriwaki et al., 2004)에서는 대형화된 수로를 제작하여 실제와 근사 한 규모의 토석류 실험을 수행하였지만, 모두 토석류의 역 학적 특성에 따른 초기붕괴, 이동거리 및 확산 등의 연구에 초점이 맞추어졌으며, 흐름메커니즘에 따라 토석류와 구조 물의 크기효과가 미치는 영향을 실험적으로 연구한 사례는 현재까지 국내･외적으로 전무한 실정이다. 따라서 토석류 의 흐름거동 뿐만아니라, 대책구조물에 대한 크기효과 분석 을 위한 실험적 연구가 필요하다.

본 연구에서는 원통형 대책구조물의 종방향 설치조건에 따른 토석류의 에너지 저감효과를 분석하기 위해, 대책구조 물을 모사할 수 있는 소형수로를 제작하고, 초고속 카메라 와 레이저 거리센서를 설치한 후에 실내모형실험을 수행하 였다. 소형수로 실험은 구조물의 종방향 설치 개수를 변화 시켜가면서 실시하였다. 또한 토석류와 대책구조물의 크기 변화가 토석류의 흐름특성에 미치는 영향을 확인하고, 이로

인한 토석류의 유속 저감효과를 비교하기 위해, 대형 수로 내에서 토석류의 흐름과 대책구조물의 크기를 증가시킨 후 에 구조물의 종방향 설치 개수를 변화시켜가면서 실험을 수 행하였다. 소형 및 대형수로 실험이 완료된 후에는 구조물 의 설치조건에 따른 토석류의 유속 및 흐름깊이 변화를 확 인하여 토석류의 에너지 저감효과를 비교･분석하였고, 이 를 바탕으로 토석류와 대책구조물의 크기변화가 토석류의 흐름특성에 미치는 영향을 추가적으로 확인하였다.

2. 실험조건

2.1 토석류 대책구조물 모사 실험장비

구축된 소형수로 실험장비의 형태와 구성도는 Fig. 2와 같다. 수로는 길이 4.0m, 폭 0.3m, 높이 0.45m의 직사각형 단면으로 제작되었다. 수로 폭은 국내에서 수행된 실규모 토석류 실험현장(Jun et al., 2015)의 유역 내 계곡부에 대한 상사비(1/17)를 적용하여 그 폭을 결정하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 수로의 구성은 상부의 모형지반을 조성하는 시료 저장부(storage container)와 중앙부의 대책구조물 설 치 및 토석류의 이동이 이루어지는 경사부로 구분된다. 시 료 저장부는 토석류의 발생을 모사하기 위해 일정량의 토사 를 채우는 곳으로, 입구에는 자동식 개폐도어를 설치하여 실험 시 시료를 원활하게 방출할 수 있도록 하였다. 토석류 의 거동을 육안으로 확인하기 위해, 모든 수로는 10mm 두 께의 투명 강화 아크릴로 제작되었다. 이 때, 반복적인 토사 유출 및 흐름으로 인한 수로의 변형을 최소화하기 위해, 아 크릴 수로는 강성 재질의 스테인리스 스틸로 제작된 프레임

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Fig. 2. Schematic diagram of small-scale test setup

Fig. 3. Cylindrical baffles

Fig. 4. Installation of cylindrical baffles in small-scale test device (two row baffles)

과 함께 고정되었다. 실험과정에서 토석류의 흐름을 촬영하 기 위해, 수로 상부와 측면에는 초고속 카메라(High speed camera, HAU-U2)를 설치하였다. 또한 토석류의 흐름깊이 를 측정하기 위해, 수로 상부에 레이저 거리센서(Laser level sensor, OPTONCDT-1420)를 추가적으로 설치하였다. 대책 구조물은 앞서 결정된 실규모 실험에서 사용된 대책구조물 과의 상사비를 적용하여 직경을 30mm로 결정하였으며, Fig.

3과 같이 모두 원통형으로 제작되었다. 제작된 원통형 구조 물은 수로에 설치 시, 수로 바닥부에 구조물의 개수만큼 구 멍을 뚫어 구조물의 하부와 수로 바닥부를 볼트로 고정시킬 수 있도록 하여, 실험조건에 따라 원하는 구조물의 배치형 태로 구조물을 자유롭게 탈부착이 가능하도록 하였다. 이 때, 대책구조물의 배치형태는 전체 수로 폭에 대해 종방향 으로 설치된 각 구조물 폭의 합에 대한 비율로 정의되는 차 단비율(Transverse blockage ratio)을 40%에 맞추어 대책구 조물을 설치하였다. 원통형 대책구조물의 설치형태는 Fig.

4와 같으며, 소형수로 실험장비 전경은 Fig. 5와 같다.

본 연구에서 대형수로 실험은 홍콩에서 대형화된 수로와 실험 시스템을 갖추고 있는 홍콩과학기술대학교(HKUST)의 대규모 현장실험 장비를 이용하여 실험을 수행하였다. Fig.

6은 대형수로 실험장비의 형태와 구성도이다. 대형수로 실 험장비는 소형수로 실험장비와 동일하게 시료의 저장부, 유 하부, 퇴적부로 각각 구성된다. 수로는 길이 20m, 퇴적부 길이 8.0m로 총 28.0m이며, 폭 2.0m, 높이 1.0m로 제작되

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Fig. 5. Small-scale test device

Fig. 6. Schematic diagram of large-scale test setup (Kadoorie centre, Hong Kong)

었다. 수로의 유하부 경사는 20°로 국내에서 발생된 토석류 유하부 평균경사 18°와 유사한 경사조건을 갖추고 있다(Jun et al., 2015). 실험 시에는 시료의 원활한 유출을 위해, 시료 저장부 입구에는 자동식 개폐도어를 설치하였다. 모든 수로 는 투명 강화 아크릴로 제작되었으며, 수로 외부에는 철제 프레임을 설치하여 토사유출 및 흐름에 따른 수로의 변형을 최소화할 수 있도록 하였다. 수로 바닥부에는 수로의 횡방향 으로 1.0m 간격 씩 선을 그어, 토석류가 구조물을 통과 전･

후 간의 이동거리에 따른 유속을 측정할 수 있도록 하였다.

수로 상부에는 초고속 카메라(High speed camera, Mikrotron

Motionblitz EoSens Mini2), 일반카메라(Gopro) 및 레이저 거리센서(Laser level sensor, Trispector1000)서를 각각 설치 하여 실험과정에서 토석류의 흐름 및 깊이를 촬영할 수 있 도록 하였다. 또한 수로 상공에는 무인드론(Unmanned aerial vehicle, UAV)을 띄워 대형수로 실험 전체과정을 실시간으 로 모니터링할 수 있도록 하였다. 토석류와 대책구조물의 크기변화가 토석류의 흐름특성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 대책구조물은 소형수로 실험조건과 동일한 구조물의 차단비율 약 40%에 맞추어, 구조물의 직경을 7배 이상 증 가시켜 제작하였으며, 직경은 약 219mm로 결정되었다. 대

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(a) Two row baffles

(b) Four row baffles

Fig. 7. Installation of cylindrical baffles in large-scale test device

Fig. 8. Large-scale test device (Kadoorie centre, Hong Kong)

책구조물 설치 시에는 구조물의 하부와 수로 바닥을 상하좌

우 모두 볼트로 고정할 수 있도록 제작하였다. 대형수로 내 에서 원통형 대책구조물의 설치형태는 Fig. 7과 같으며, 실

험조건에 따라 구조물의 종방향 설치 개수를 자유롭게 변화 시켜가면서 실험을 수행할 수 있도록 하였다. 대형수로 실 험장비의 전경은 Fig. 8과 같다.

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Table 1. Index properties of Jumunjin sand



_

(mm) 

_

(mm) 

_



_



_

Internal friction angle (Ø) U.S.C.S

Jumunjin sand 0.38 0.50 1.35 0.97 2.65 31.5 SP

Table 2. Index properties of debris flow

Material composition Diameter (mm) Weight (kg) Mass percentage (%) Volume fraction

Gravel 20 2,770 24

0.64 Sand 0.06 4,790 42

Clay <0.006 2,000 17

Water - 1,924 17 0.36

2.2 실험과정 및 조건

본 연구에서는 원통형 대책구조물의 종방향 설치조건에 따른 토석류의 에너지 저감효과를 분석하고, 이를 토대로 토석류와 대책구조물의 크기변화가 흐름특성에 미치는 영 향을 확인하기 위해, 소형 및 대형 수로실험을 수행하였다.

수로실험은 원통형 대책구조물이 설치된 소형수로 실험을 우선적으로 수행한 후에 대형수로 실험 순으로 진행하였다.

소형 수로실험에 앞서, 수로 내에서 시료의 원활한 흐름유 지를 위한 최적의 수로경사와 토사량을 산정하기 위해, 다 양한 수로경사와 토사량 변화에 대한 반복적인 토사유출 실 험을 수행하였다. 이 때, 최적의 현장조건을 모사하기 위해, 흐름특성을 무차원화한 프루드수(Froude Number)를 함께 비교하였으며, 그 결과, 소형수로 실험을 수행하기 위한 최 적의 수로경사(29°)와 토사량(75kg)을 도출하였다. 토사유 출 실험을 통하여 산정된 프루드수는 3으로 나타났다. 소형 수로 실험은 먼저 수로하부를 지지하고 있는 철제 프레임을 이용하여, 수로경사를 29°로 고정한 후에 실험조건에 따라 수로 바닥부에 원통형 구조물을 설치한다. 토석류가 구조물 을 통과하기 전･후 흐름을 촬영하고 토층깊이를 측정하기 위해, Fig. 2와 같이 초고속 카메라와 레이저 거리센서를 각 원통형 구조물 상류와 하류부 0.05m 지점에 설치하였다. 초 고속 카메라와 거리센서를 설치완료한 후에는 수로상부에 위치한 시료 저장공간에 주문진 표준사로 토석류의 초기 발 생부를 모사하였다. 시료는 원활한 방출 및 흐름거동을 모 사하기 위하여 느슨하게 부었으며, 모형지반의 단위중량은 16kN/m³로 나타났다. 초고속 카메라 영상에서 시료의 입자 추적(Tracer particle)을 통한 토석류의 유속측정을 용이하게 하기 위해, 전체 시료의 10%는 시료 색과 대비되는 검은색 을 칠하였다. 주문진 표준사의 기본 물성시험결과는 Table 1과 같다. 수로 내에 토석류의 발생부 조성이 완료되면, 시 료 저장공간과 개폐식 도어 사이의 시료 유출여부와 초고속 카메라 및 레이저 거리센서의 작동 여부를 확인한 후에 시 료 저장공간의 개폐식 도어를 열어 시료를 방출시킨다. 시

료가 방출되는 동안에는 대책구조물 상부에 설치된 초고속 카메라와 레이저 거리센서를 이용하여 시간에 따른 토석류 의 흐름을 촬영하고 그 깊이를 측정하였다. 실험은 수로 내 에서 토석류의 흐름이 완전히 멈춘 것을 확인한 후에 카메 라 촬영 및 수위측정을 종료하였으며, 촬영된 영상과 측정 된 수위를 토대로 시간에 따른 원통형 구조물 통과 전･후 유속과 흐름깊이를 각각 산정하였다. 이 때, 유속은 Fig. 9 와 같이 대책구조물의 유･출입 지점에서 촬영된 흐름영상 을 토대로 PIV 기법(particle image velocimetry)의 유동장 해석을 통하여 산정하였으며, 해석결과는 Fig. 10 및 11과 같다. 또한 PIV 유속결과에 대한 정확성을 검증하기 위해, 흐름영상을 통해 육안으로 측정된 유속과 PIV 해석으로 산 정된 유속결과를 상호비교 하였다. 그 결과, PIV 해석으로 산정된 유속은 실제 토사유출 실험으로 산정된 유속과 매우 유사한 것으로 확인되어, 대책구조물의 배치로 인한 소형수 로 실험에서 토석류의 유･출입 간의 유속을 원활히 측정할 수 있을 것으로 판단하였다. 실험이 완료되면, 촬영된 영상 과 측정된 수위를 토대로 구조물 전･후부의 유속과 흐름깊 이를 산정하였다. 소형수로 실험은 각 실험조건 당 총 3회 의 반복실험을 수행하였으며, 대책구조물이 설치되지 않는 조건(without baffle)과 대책구조물이 설치된 조건(2열, 4열) 에 따라 총 9회의 실험을 수행하였다.

대책구조물의 종방향 배치조건에 따른 소형수로 실험이 종료된 후에는 토석류와 대책구조물의 크기변화에 대한 흐 름특성을 비교하기 위해, 소형수로 실험과 동일한 종방향 구조물 배치조건으로 대형수로 실험을 수행하였다. 대형수 로 실험과정은 소형수로 실험과 마찬가지로 원통형 대책구 조물 설치, 초고속 카메라 및 거리센서 설치, 모형지반 조 성, 시료방출 및 측정 순으로 진행된다. 먼저 수로 바닥부에 는 실험조건에 따라 원통형 대책구조물을 설치하고, 수로 상부에는 토석류가 대책구조물을 통과하기 전･후의 흐름과 토층깊이를 촬영하기 위하여 초고속 카메라 및 일반카메라, 레이저 거리센서를 설치한다. 이와 같은 측정 장비들을 모

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(a) Inflow (b) Impact 1

(c) Impact 2 (d) Block and deposition

Fig. 9. Behavior of debris flow (CH15_N2_L200_R40)

Table 3. Test condition Test

condition

Baffle condition

Cylindrical baffle Number of rows (R)

Spacing between successive rows (L)

Blockage ratio (S)

Amount of debris (kg)

Channel inclination Diameter (D) Height (H)

Small-scale

Without baffle - - - -

With baffle

(Cylindrical shape) 30 mm 60 mm 2, 4 200 mm 40% 75 29°

Large-scale With baffle

(Cylindrical shape) 219 mm 304 mm 2, 4 1,500 mm 44% 11,484 20°

두 설치한 후에는 시료 혼합장비를 이용하여 자갈, 모래, 점 토와 물을 혼합시켜 토석류를 모사하고, 이를 수로 상부에 위치한 시료 저장공간으로 이동시켜 토석류의 초기 발생부 를 모사하였다. 혼합된 토석류의 세부적인 물성은 Table 2

와 같다. 토석류의 발생부 조성이 완료되면, 시료 저장공간 의 개폐식 도어를 열고, 시료를 방출시키면서 실험을 수행 하였다. 시료의 유속은 토석류의 선단부를 대상으로, 토석 류가 대책구조물을 통과하기 전･후의 유입 및 유출부에서

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(a) Impact 1 (b) Impact 2 Fig. 10. Behavior of debris flow with PIV analysis (CH15_N2_L200_R40)

(a) Tow rows (b) Four rows

Fig. 11. Behavior of debris flow with PIV analysis after passing baffles

시간에 따른 이동거리를 계산하여 유속을 산정하였다. 본 연구에서는 소형 및 대형 수로에서 원통형 대책구조물의 종 방향 설치 수를 변화시켜가면서 실험을 수행하였으며, 각 수로실험에 적용된 실험조건은 Table 3과 같다.

3. 소형수로 실험

3.1 토석류 속도

Fig. 12는 원통형 대책구조물의 종방향 설치 개수에 따른 토석류의 유속변화를 시간에 따라 대책구조물을 통과하기 전･

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Fig. 12. Velocity of debris flow

Fig. 13. Comparison of debris flow velocity

후(B: Before countermeasures, A: After countermeasures)로

구분하여 도시한 결과이다. 이 때, 대책구조물 통과 전의 유 속은 실선으로, 통과 후의 유속은 점선으로 표시하였다. 또 한 비교를 위하여 대책구조물이 없는 경우(without baffles) 의 유속측정 결과도 함께 도시하였다. 사각형 기호는 대책 구조물을 2열로 설치하였을 때의 속도이고, 원형 기호는 대 책구조물을 4열로 설치하였을 때의 결과이다. 이 때 대책구 조물 통과 전의 유입지점과 통과 후의 유출지점을 관측지점 으로 설정하고 토석류의 선단부가 관측지점을 지나는 시점 을 0초로 하여 유속을 도시하였다. 그림에서 초기에는 토석 류의 속도가 빠르게 변화하므로 흐름변화가 빠르게 발생하 는 1초까지는 0.1초 간격으로 유속을 표시하였고, 흐름변화 가 상대적으로 느려지는 1초 이후부터는 1초 간격으로 유 속을 표시하였다. 실험조건은 구조물의 높이(H), 열간격(L), 유로차단 비율(S)을 고정하고, 종방향 설치 수(R)만을 변화 시켰다. 실험결과, 대책구조물 무설치 수로에서의 유속은 대책구조물 통과 전･후 과정에서 모두 초기에 최대유속을 보이다가 0.4초 이후부터 시간이 지남에 따라 점차적으로 감소하며, 6초 정도에서 모든 시료가 다 유하하고 흐름이 종료되는 것으로 나타났다. 또한 상류부와 하류부에서 유속 의 차이가 크지 않고 유사한 변화양상을 보이는 것으로 나 타났다. 반면에 대책구조물이 설치된 수로에서는 대책구조 물로 인하여 처음부터 토석류의 유속이 크게 감소하는 것으 로 나타났으며, 3초 이후부터는 대책구조물 상부에 적체되 어 있으면서 매우 느린 속도로 대책구조물을 통과해 흘러내 려가는 양상을 보여주고 있다. 대책구조물을 통과한 후에는 다시 어느 정도 속도를 회복하였다가 다음 대책구조물을 만 나면서 동일하게 유속이 감소하는 경향성을 보여준다. 이 때, 2열로 대책구조물이 설치된 경우보다 4열로 설치된 경 우에 더 유속감소가 크게 나타나, 흐름방향 설치 개수를 늘

림에 따라서 유속감소 효과가 더 커진다는 것을 확인할 수 있다.

각 실험에서 대책구조물의 종방향 설치 개수에 따른 토 석류의 유속 감소비율을 대책구조물 통과하기 전･후로 구 분하여 Fig. 13에 나타내었다. 대책구조물이 설치된 수로의 유속은 무설치 수로와 비교하여 구조물 통과 전과 통과 후 모두 평균 50% 이상 감소하는 것으로 나타나, 대책구조물 설치로 인한 토석류의 유속저감 효과는 매우 큰 것으로 나 타났다. 또한 대책구조물 통과 전의 유속 감소는 대책구조 물의 종방향 설치 개수와 관계없이 유사하지만, 대책구조물 통과 후에는 구조물이 2열에서 4열로 늘어나면서 평균 38%

더 감소하는 것으로 나타나, 구조물 설치 개수의 증가는 대 책구조물 하류부의 토석류의 유속감소 효과를 더욱 증가시 키는 것으로 나타났다. 이와 같이 대책구조물의 종방향 설 치 수의 증가는 토석류와 구조물의 충돌횟수를 증가시키고 유속을 감소시키는데, 종방향 구조물이 2열에서 4열로 늘어 나면 충돌횟수가 2배로 증가하면서 토석류의 유속을 연속 적으로 감소시킨다. Fig. 11은 토석류가 구조물을 최종 통 과한 후에 대한 유동장 해석결과를 구조물의 설치조건 별로 도시한 것이다. 여기서, 토석류의 흐름을 표현한 벡터는 유 속이 변화함에 따라 그 크기와 방향성이 달라지므로, 토석 류와 구조물의 충돌에 따른 흐름방향 및 유속변화를 자세하 게 관찰할 수 있다. 해석결과, 종방향 구조물이 2열로 설치 된 수로에서는 토석류가 구조물과의 충돌 후에도 그 흐름이 충분히 제어되지 못하고 빠른 속도로 인하여 토석류가 구조 물을 월류(overflow)하면서 최종 구조물을 통과하는 것으로 나타났다. 반면에 종방향 구조물이 4열로 설치된 수로에서 는 토석류가 구조물과의 단계적인 충돌로 인하여 유속이 충 분히 줄어들면서 최종구조물의 좌우로 느리게 통과하는 것 을 확인할 수 있다. 따라서 대책구조물 종방향 설치 수의

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Fig. 14. Flow depth of debris flow

Fig. 15. Comparison of debris flow depth

증가는 토석류의 에너지를 지속적으로 감소시켜, 토석류의

유속을 저감시키는 효과를 크게 발휘한다고 할 수 있다.

3.2 토석류 흐름깊이

Fig. 14는 대책구조물의 종방향 설치 수에 따른 토석류의 흐름깊이 변화를 나타낸 것으로, 시간에 따른 토석류의 흐 름깊이를 구조물 통과 전･후로 구분하여 도시하였다. 구조 물 설치에 따른 실험조건은 앞선 유속결과조건(Fig. 12)과 동일하다. 먼저 대책구조물 무설치 수로에서의 흐름깊이 결 과를 보면, 초기 상류부에서는 토석류가 구조물과의 충돌이 없으므로 흐름깊이가 비교적 일정하게 유지되다가, 약 2초 이후 흐름깊이가 급격히 줄어드는 것으로 나타나며, 최종 하류부에서는 토석류의 선단부 크기가 줄어들면서 흐름깊 이도 전반적으로 감소하지만, 흐름깊이의 변화양상은 상류 부와 유사하게 나타났다. 대책구조물이 설치된 수로의 경우 토석류가 구조물을 통과하기 전에는 토석류의 선단부가 구 조물과 충돌하면서 흐름깊이가 증가하다가, 0.6초 이후에는 토석류의 흐름깊이가 설치된 구조물의 높이(60mm) 보다 높아지면서 일부의 토석류가 구조물 상부로 월류되는 것으 로 나타났다. 그 이후에는 월류량이 줄어들고 토석류가 구 조물로 인하여 구조물 배면에 장시간 동안 포착되고 억제되 면서 흐름깊이가 지속적으로 유지되는 것으로 나타났다. 이 때, 구조물의 설치 개수의 증가는 토석류의 단계적인 흐름 차단을 유발하여 토석류의 흐름깊이를 증가시키는 것으로 나타났다. 대책구조물을 통과한 후에는 대책구조물로 인한 흐름차단 효과로 대책구조물이 설치되지 않은 조건에 비하 여 흐름깊이가 줄어들면서 훨씬 적은 양의 토석이 지속적으 로 유출되는 것으로 나타났다.

대책구조물의 설치조건에 따른 흐름깊이의 변화에 대한 감소비율을 각 실험별로 정리하여 Fig. 15에 나타내었다.

토석류가 구조물을 통과하기 전에는 대책구조물이 상류부 의 흐름을 억제하여 흐름깊이가 평균 32% 증가하였고, 종 방향 구조물의 설치 개수가 2열에서 4열로 늘어나면서 토 석류의 흐름깊이가 평균적으로 10% 더 증가하는 것으로 나 타났다. 반면에 구조물을 통과한 이후에는 흐름깊이가 평균 51% 감소하였으며, 종방향 설치 수 증가에 따라서도 흐름 깊이가 평균 50% 더 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결 과로 볼 때, 종방향 구조물 설치 수에 따른 흐름깊이 저감효 과는 토석류의 유･출입과정에서 모두 연속적으로 이어지는 것으로 나타나며, 종방향 구조물의 설치 수가 증가할수록 그 효과는 더욱 커지는 것으로 나타났다. 따라서 종방향 구 조물의 설치 개수를 증가시키면 더 많은 토석류를 퇴적시키 는 효과와 함께 하류부의 흐름깊이를 감소시켜, 토석류의 에너지를 저감시키는데 더욱 효율적인 것으로 판단된다.

4. 대형수로 실험

토석류와 대책구조물의 크기변화가 흐름특성에 미치는 영향을 확인하고, 이로 인한 토석류의 에너지 저감효과를 비교하기 위해, 대형 수로 내에서 토석류의 흐름과 대책구 조물의 크기를 증가시킨 후에 구조물의 종방향 설치 개수를 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. Fig. 16은 대형수로 실 험에서 진행된 토석류의 유속변화를 대책구조물 통과 전･

후로 구분하여 나타낸 결과이다. 이 때, 각 구조물 간의 유 속은 토석류가 대책구조물을 통과하기 전의 유입시점과 대 책구조물을 통과한 이후의 유출시점에서 각각 측정하였다.

실험조건은 소형수로 실험과 동일한 설치조건으로 구조물 을 배치하고, 종방향 구조물의 설치 개수만을 변화시켰다.

Fig. 16와 같이 대형수로 실험에서의 유속결과를 보면, 대

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Table 4. Comparison of velocity of debris flow

No. of row Before countermeasures After countermeasures

Ratio

V(m/s) V(m/s)

Large-scale test

2 6.46 4.42 0.68

4 6.86 2.99 0.44

Small-scale test

2 2.91 2.68 0.92

4 3.07 1.73 0.56

Table 5. Comparison of flow depth of debris flow

No. of row Before countermeasures

Ratio h (mm)

Large-scale test

2 42.10 -

4 84.33 2.00

Small-scale test

2 51.73 -

4 60.57 1.17

Fig. 17. Flow depth of debris flow in large-scale test Fig. 16. Velocity of debris flow in large-scale test

책구조물을 통과하기 전에는 토석류의 유속이 종방향 구조 물의 설치조건과 관계없이 비교적 유사하였다. 반면에 대책 구조물을 통과한 후의 유속은 급격하게 감소하는 것으로 나 타났으며, 구조물의 종방향 설치 수가 늘어날수록 그 유속 은 더욱 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 17은 대책구조물 통과 전의 유입시점에서 시간에 따른 토석류의 흐름깊이 변 화를 나타낸 것이다. 초기에는 토석류의 선단부가 구조물과 충돌하면서 흐름깊이가 구조물의 설치조건과 관계없이 유 사하다가, 0.3초 이후부터는 구조물의 설치 개수가 증가할 수록 토석류의 흐름깊이는 증가하는 것으로 나타났다. 토석 류와 대책구조물의 크기변화에 따른 에너지 저감효과를 비 교하기 위해, 토석류의 유속 감소비율과 흐름깊이 증가비율 을 각 수로실험 별로 정리하여 Table 4, 5에 나타내었다. 먼 저 대형수로 실험에서 대책구조물 설치조건에 따른 유속변 화에서는 토석류가 최종구조물을 통과하면서 유속이 평균 44% 감소하며, 종방향 구조물의 설치 수가 2열에서 4열로

늘어남에 따라 유속은 평균 32% 더 감소하는 것으로 나타 났다. 소형수로 실험결과에서도 마찬가지로 최종구조물을 통과한 후의 유속이 평균 26% 감소하고, 종방향 구조물의 설치 수를 증가시키면 유속이 평균 35% 더 감소하는 것으 로 나타났다. 흐름깊이 변화에서는 종방향 구조물의 설치 수가 늘어날수록 흐름깊이는 대형 수로실험에서 평균 2.00 배, 소형 수로실험에서 평균 1.17배로 각각 증가하여 종방 향 구조물의 설치 수 증가는 토석류의 흐름깊이를 더욱 증 가시키는 것으로 나타났다. 비록 각 수로실험 간의 유속 감 소비율과 흐름깊이 증가비율은 큰 차이를 보이지만, 구조물 의 설치조건에 따라 토석류 흐름 특성은 동일한 경향성을 보인다. 따라서 소형수로 실험의 결과를 바탕으로 토석류 대책구조물의 유로차단비율이나 배치 형태에 따른 토석류 의 에너지 저감효과를 분석하고 이를 정성적으로 활용하는 것은 가능한 것으로 판단된다. 하지만 토석류는 기존의 연 구에서도 언급된 것과 같이 크기효과가 크게 나타나는 동적

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현상이므로 정량적 설계지표 등을 결정하고 실제 설계 및 시공현장에서 활용되기 위해서는 대형실험이 함께 수행되 어야 할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 원통형 대책구조물의 종방향 설치 조건에 따른 토석류의 에너지 저감효과를 분석하고, 토석류와 대책 구조물의 크기효과가 흐름특성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 소형 및 대형 수로 내에서 대책구조물을 모사하고 구 조물의 종방향 설치 수를 변화시켜가면서 실험을 수행하였 다. 실험완료 후에는 토석류가 대책구조물을 통과하기 전･

후의 유속과 흐름깊이 변화에 따른 토석류의 에너지 저감효 과를 확인하였고, 이를 기반으로 토석류와 대책구조물의 크 기변화가 흐름특성에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 소형수로 실험에서 대책구조물의 설치조건에 따른 유 속 결과를 보면, 대책구조물의 설치는 대책구조물 유입 전･후의 토석류 속도를 모두 감소시키며, 대책구조물의 종방향 설치 개수가 증가함에 따라 대책구조물 하류부 의 속도가 더욱 감소하는 것으로 나타났다. 반면에 토 석류 흐름깊이는 대책구조물 유입 전에는 대책구조물 의 토석류 포착효과로 인하여 종방향 설치 개수 증가에 따라 흐름깊이가 증가하며, 대책구조물 통과 후에는 종 방향 설치 개수 증가에 따라 흐름깊이가 감소하는 것으 로 나타났다.

(2) 대형수로 실험에서 대책구조물의 설치조건에 따른 유 속결과를 보면, 소형수로 실험결과와 마찬가지로 최종 구조물을 통과하면서 유속이 감소하며 종방향 구조물 의 설치 수를 증가시키면 유속 감소효과가 더 커지는 것으로 나타났다. 흐름깊이 결과에서도 마찬가지로 대 책구조물 유입 전에는 종방향 구조물의 설치 수가 증가 할수록 토석류의 흐름깊이는 더욱 증가하는 것으로 나 타났다. 하지만 소형수로 실험과 경향성은 동일하지만 유속 감소율과 흐름깊이 증가율에는 큰 차이를 보여, 실험규모가 커질수록 대책구조물이 토석류 흐름에 미 치는 영향이 더 커지는 것으로 나타났다.

(3) 이러한 결과들을 종합하여 비교해 보면, 대책구조물의 종방향 설치 수를 증가시키면 토석류의 유속과 흐름깊 이를 모두 감소시켜, 토석류의 에너지 저감효과를 높이 게 된다. 또한 토석류와 대책구조물의 크기 증가에 따 른 토석류 흐름특성의 변화 양상은 동일하지만 변화 비

율은 다르게 나타나, 실제 설계 및 시공현장에서 실험 결과를 적용하기 위해서는 대형실험이 함께 수행되어 야 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업의 연 구비 지원(19RDRP-B134571)을 받아 수행되었습니다.

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