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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 장창래
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 한국교통대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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하천횡단구조물은 일반적으로 수위를 조절하거나 용수공급 등 이수 목적으로 하천을 횡단하여 설치한다. 이는 하천에서 흐름의 방향을 변화시키며, 하도의 지형변화에 많은 영향을 미친다. 보는 상, 하류에 흐름의 정체를 유발시켜 수질을 악화시키고 어류의 이동을 단전시키는 등 환경적인 문제를 일으키고 있다. 또한, 집중호우에 의한 보 상류의 유사의 퇴적으로 인하여 하천의 연속성이 단절되고, 홍수시 통수능력 감소로 인한 제방붕괴 및 침수피해, 용수공급기능 상실 등 이수, 치수적으로 문제가 발생하고 있다. 그러나 현재 우리나라에서는 하천구조물에 대한 수리특성 등의 검토가 부족한 상황에서 무분별하게 건설되고 있으며, 이는 하천을 유지 및 관리하는데 어려움을 발생시킨다.
대표적인 하천횡단 구조물중 보의 경우 사행도가 작고 직선 구간에서 수리구조물의 상류와 하류에서 국소 세굴이 발생하지 않도록 흐름에 직각으로 설치하여야 한다. 그러나 하도의 지형적인 특성과 설치 목적에 따라 흐름에 직각으로 설치되지 않은 곳이 있으며, 이로 인하여 하류에 흐름이 집중되거나 분산되어 수리구조물 하류에서 하상이 세굴되고, 하도 지형이 변화된다. 수리구조물로 인해 보 상?하류에 다양한 현상이 발생함에도 불구하고, 하천횡단 수리구조물의 설치각도에 따라 발생하는 흐름 및 지형변화에 대한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 실내실험 및 수치모의를 통해 보의 설치 각도 변화에 대한 보 상하류에서 흐름특성 변화와 사주의 거동을 정량적으로 분석하였다.
분석결과 잠김흐름 형태에서 보의 설치각도()에 따른 잠김흐름에 대한 유량계수()는 보의 설치각도가 증가함에 따라 잠김흐름에 대한 유량계수가 점차 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 현상은 기존 연구와 유사한 경향을 보였으며, 보의 길이가 늘어남에 따라 유량계수가 증가한 것으로 판단된다. 또한, 보 직하류 경사형 보와 측벽이 만나는 곳에서 경사형 보 상류 흐름이 굴절되면서 유선이 분리되어 흐름이 분리된다. 이때, 경사 각도가 클수록 측방향으로 굴절되는 각도는 크게 되며, 수로 측벽에 수충부가 크게 형성된다. 경사형 보와 수충부 사이에는 흐름의 횡방향으로 와류가 발생하는 회전류 구역이 형성되었다. 위어의 설치각도가 증가함에 회전류 구역이 증가하였으며, 이에 따라 무차원 유효길이가 감소하는 것을 확인하였다.
경사형 보의 설치 각도가 증가 하는 것을 의미하는 무차원 보의 길이가 증가함에 따라, 무차원 사주의 파장이 감소하였다. 무차원 보의 길이가 증가함에 따라 보 에 의하여 굴절되는 흐름의 각이 커지므로, 흐름이 수로 측벽에 집중 되면서 수충부가 점차 좁은 구역에 발생하게 된다. 수충부에서는 강한 와류로 인해 세굴이 발생하게 되며, 점차 좁은 구역에 발생한 수충부로 인해 사주의 길이가 짧아진 것으로 판단된다. 무차원보의 길이가 증가함에 따라, 무차원 사주의 파고는 증가하였다. 이것은 무차원 보의 길이가 증가함에 따라 보에 의하여 굴절되는 흐름의 각이 크므로, 흐름이 집중되어 하상이 세굴 되고 사주의 파고가 증가한 것으로 판단된다.
대표적인 하천횡단 구조물중 보의 경우 사행도가 작고 직선 구간에서 수리구조물의 상류와 하류에서 국소 세굴이 발생하지 않도록 흐름에 직각으로 설치하여야 한다. 그러나 하도의 지형적인 특성과 설치 목적에 따라 흐름에 직각으로 설치되지 않은 곳이 있으며, 이로 인하여 하류에 흐름이 집중되거나 분산되어 수리구조물 하류에서 하상이 세굴되고, 하도 지형이 변화된다. 수리구조물로 인해 보 상?하류에 다양한 현상이 발생함에도 불구하고, 하천횡단 수리구조물의 설치각도에 따라 발생하는 흐름 및 지형변화에 대한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 실내실험 및 수치모의를 통해 보의 설치 각도 변화에 대한 보 상하류에서 흐름특성 변화와 사주의 거동을 정량적으로 분석하였다.
분석결과 잠김흐름 형태에서 보의 설치각도()에 따른 잠김흐름에 대한 유량계수()는 보의 설치각도가 증가함에 따라 잠김흐름에 대한 유량계수가 점차 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 현상은 기존 연구와 유사한 경향을 보였으며, 보의 길이가 늘어남에 따라 유량계수가 증가한 것으로 판단된다. 또한, 보 직하류 경사형 보와 측벽이 만나는 곳에서 경사형 보 상류 흐름이 굴절되면서 유선이 분리되어 흐름이 분리된다. 이때, 경사 각도가 클수록 측방향으로 굴절되는 각도는 크게 되며, 수로 측벽에 수충부가 크게 형성된다. 경사형 보와 수충부 사이에는 흐름의 횡방향으로 와류가 발생하는 회전류 구역이 형성되었다. 위어의 설치각도가 증가함에 회전류 구역이 증가하였으며, 이에 따라 무차원 유효길이가 감소하는 것을 확인하였다.
경사형 보의 설치 각도가 증가 하는 것을 의미하는 무차원 보의 길이가 증가함에 따라, 무차원 사주의 파장이 감소하였다. 무차원 보의 길이가 증가함에 따라 보 에 의하여 굴절되는 흐름의 각이 커지므로, 흐름이 수로 측벽에 집중 되면서 수충부가 점차 좁은 구역에 발생하게 된다. 수충부에서는 강한 와류로 인해 세굴이 발생하게 되며, 점차 좁은 구역에 발생한 수충부로 인해 사주의 길이가 짧아진 것으로 판단된다. 무차원보의 길이가 증가함에 따라, 무차원 사주의 파고는 증가하였다. 이것은 무차원 보의 길이가 증가함에 따라 보에 의하여 굴절되는 흐름의 각이 크므로, 흐름이 집중되어 하상이 세굴 되고 사주의 파고가 증가한 것으로 판단된다.
목차
Ⅰ. 서 론 11.1 연구배경 및 목적 11.1.1 연구의 배경 11.1.2 연구의 목적 81.2 연구동향 91.2.1 보의 흐름 흐름특성 91.2.2 보에 의한 상·하류 지형변화 101.3 연구내용 및 범위 12Ⅱ. 실내실험에 의한 경사형보의 흐름 및 하상변동 분석 142.1 보에서의 흐름성분 분석 및 차원해석 142.1.1 보의 흐름 142.1.2 경사형 보에서의 흐름성분 192.1.3 차원해석 272.2 실내실험 292.2.1 실험조건 292.2.2 실험결과 및 분석 31Ⅲ. 수치모형을 이용한 보 설치각도 변화에 의한 하도변화 분석 483.1 하상변동이론 483.2 유사량 공식 513.3 수치모형의 개요 553.4 수치모형의 지배방정식 553.5 수치모형의 적용 653.5.1 수치모의 조건 653.5.2 모형의 적용성 검토 663.5.3 수치모의 결과 70Ⅳ. 결론 81참 고 문 헌 82
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