Local Scour in the Vicinity of Riblet Type Piers

파상형 교각 주위에서의 국부세굴 특성

하천의 교각주위에는 국부세굴현상과 이에 따른 퇴적현상이 나타난다. 특히 교각주위에서의 국부세굴특성은 교량의 안전성과 관련하여 중요한 문제가 되므로 세굴의 크기를 감소하기 위한 대책이 필요하다. 교각주위에서의 국부세굴현상은 교각부 인근에 형성되는 말발굽형 와류가 중요한 역할을 하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 교각주위에서의 수류변화를 적절히 제어함으로서 세굴특성을 감소하고자 하는 연구가 행해져 오고 있으며, 교각에 원환(collars)을 설치하거나 조도를 증가시킴으로 세굴감소 대책을 제안하고 있다(Zarrati et al, 2006). 본 연구에서는 교각주위에서의 세굴을 감소하기 위해 원주교각의 표면을 파상형(riblet type)으로 하였으며, 파상형교각의 기본개념은 원주교각 전면에 나타나는 하강류를 파상형 원주내로 흡수하여 세굴작용을 감소시키고자 하는 것이다. 이같은 형식은 원주형 교각에 원환을 설치하는 방법이 대표적이며 하상과 교각사이 경계부에 수평방향의 단일 파형(single riblet type)을 설치한 Sato et al(1993)의 연구가 있다. 이들의 결과에 의하면 원형교각과 비교하여 초기 세굴감소 효과가 있음을 확인하였으나 시간경과에 따라 세굴이 점차 증가하고 있는 바 그 원인으로서 세굴이 진행되면서 하상면과 단일 파형과의 간격이 확대하여 단일파형내로의 흐름흡수 효과가 감소하기 때문으로 보고되었다. 따라서 여기서는 이같은 문제를 해결하기 위해 다단의 오목 및 볼록 파상형(concave/convex riblet type) 원주교각에 대한 국부세굴 특성을 검토하였다. 또한 원주형의 교각에서는 단일원주보다는 원주군으로 설치되는 경우가 대부분이며 이때 교각의 직경(D)에 대한 교각 사이 간격$(L_d)$의 비$(L_d/D)$에 따른 전면교각에서의 수류변화의 영향이 후면교각에 작용하여 상호 복합적인 흐름 및 세굴특성을 나타내므로 이와 같은 복렬형 원주군의 세굴특성을 파상형 원주교각에 적용하여 국부세굴의 크기 변화를 해석하였다. 따라서, 교각주위에서의 수류특성 및 세굴의 변동은 원주군 및 교각파상의 크기와 간격 등과 같은 구조물의 배열조건과 Froude 수, 수심 등의 수리학적 조건에 따라 달라지므로 이의 조건을 체계적으로 변화시켜 가면서 교각주위에서의 국부세굴 및 세굴 감소특성을 검토하였다. 실험결과 오목 및 볼록 파상형 원주 주위에서의 세굴크기는 원형원주와 비교하여 전체적으로 감소하는 것으로 확인되었으며 특히 오목형 $B/\acute{h}=3$에서는 세굴경감효과가 탁월하여 70%이상 감소하는 것으로 확인되었으나 볼록형 $B/\acute{h}=5$에서는 세굴촉진특성이 나타나고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 파상형 원주에서는 하강류나 와류를 파상형의 내부로 유도하여 세굴의 크기를 조절할 수 있는 최적의 파상이 존재하고 있는 것으로 예측되었다.