Analysis of Characteristics for Bank Scour around Low Dam using 3D Numerical Simulation

3차원 수치모의를 이용한 보 접속부 세굴 특성 분석

보는 하천에서 취수나 하상유지를 위한 하천횡단구조물로 일반적으로 본체, 물받이, 바닥보호공 등으로 구성되며 제방 연결부 호안 및 밑다짐 등에 대한 설계기준이 하천설계기준에 제시되어 있다. 그러나 태풍 루사나 매미에 의한 피해사례를 보면 하천 횡단 구조물 본체가 파괴되는 피해 뿐만 아니라, 구조물과 제방과의 연결부가 세굴이 발생되어 붕괴되는 사례가 많이 발생하고 있다. 하천설계기준 해설(2009)에는 이러한 보와 제방의 연결부 부분을 연결호안이라하여 관련 기준을 제시하고 있으나, 설치구간의 길이를 정할 때 하천의 규모나 하도의 특성을 고려하지 못하고 일률적으로 결정하도록 하고 있다. 이에 건설기술연구원의 '보 및 낙차공 설계기술 개발 연구보고서'(윤광석 등, 2006)에서는 고정상 실험을 통해 연결호안 설치구간에 대한 실험식을 제시하였다. 본 연구에서는 3차원 수치모의를 통하여 건설기술연구원에서 수행하였던 실험을 재현하고, 제방을 이동상으로 하여 인자들 간의 상호 관계를 밝히며, 그 특성을 분석하고자 한다. 그리고 윤광석 등(2006)에 의해 제시된 실험식에 적용하여 검증하였다. 수치모의는 유량을 $0.7{\sim}2.8m^3/sec$까지 변화하며 수행하였으며, 유사의 대표입경은 0.63mm로, 상류수심은 1.0m로 일정하게 유지하였다. 수치모의는 평형세굴 발생 후, 최소 모의시간의 10%정도 지난 시간까지 하였다. 수치모의 결과는 다음과 같다. (1) 유량이 증가함에 따라 유속 및 Froude 수가 증가하여 상 하류부 세굴 발생 범위와 폭은 증가하였다. (2) 상류는 하류에 비해 유량에 따른 세굴발생 범위가 상대적으로 작게 나타났으며, 이는 하류단에 비해 상류단의 유속 및 Froude 수의 차이가 작았기 때문인 것으로 판단된다. (3) 세굴의 폭을 측정함으로써 세굴에 가장 취약한 부분을 짐작할 수 있으며, 설계에 반영되어 호안이나 옹벽의 두께결정에 적용한다면 세굴에 대해 좀 더 안전한 설계가 될 수 있을 것이다. (4) 건설기술연구원(2006)에서 제시한 식(1)과의 비교를 통해 수치모의 결과가 식(1)로부터 계산된 값보다 작음을 알 수 있으며, 그 이유는 식(1)의 범위는 와류영역구간을 나타내서 연결호안 설치구간 길이를 제시하고 있는 반면, 본 연구의 수치모의 결과는 세굴이 발생한 범위를 제시하였기 때문이다. 향후 보 높이와 좀 더 다양한 유량에 대한 경우를 수치모의하고, 이동상 제방에 대한 실험을 통해 명확한 식을 제안 할 것이다.