그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴

주관연구기관 / 홍익대학교 산학협력단
공동연구기관 / 한국건설기술연구원
공동연구기관 / 주식회사 지티이

연구의 목적 및 내용

하천횡단구조물이 하천설계기준(2009)대로 설계되었음에도 불구하고, 하류부에서 물받이공 및 바닥보호공의 피해가 발생하여, 구조물 본체에 대한 안전성이 현저하 게 낮아지고 있는 실정이다. 하천설계기준이 상류부의 수리특성을 반영하였다고 하나 하류부의 수리특성인 유속의 변동 성분 또는 압력의 변동성분까지 고려하고 있지는 않다. 현재 많은 선행연구에서 이러한 난류적 특성이 구조물에 미치는 영 향에 대해 제시하고 있는 실정이며, 국내 하천에서의 피해 또한 이와 관련이 있다 고 판단된다. 이에 본 연구에서는 난류성분 특히 압력의 변동성분이 물받이공과 바닥보호공에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 하천 횡단구조물의 치수 안전 성 증대에 기여하고자 한다. 물받이공과 바닥보호공에 미치는 압력의 변동성분 (pressure fluctuation) 영향을 분석하기 위해 크게 3가지로 연구내용을 분류하였 다. 첫 번째는 압력의 변동으로 순간적인 음압구배(adversed pressure gradient) 가 발생할 경우 바닥보호공의 사석 및 블록이 이탈하는 것이다. 이를 확인하기 위 해 정밀한 압력 측정장치를 통해 압력변이를 측정하여, 사석의 이탈 가능성을 검 토할 것이며, 최종적으로 이탈에 대한 한계조건을 도출할 것이다. 두 번째는 압력 의 변동이 물받이공의 진동을 유발시켜 이를 지지하고 있는 지반에 다짐효과를 가 져와 물받이공과 지반사이에 공극이 발생하는 경우이다. 이러한 공극으로 물받이 공은 자중 및 물의 압력을 받게 되어, 결국 휨에 의한 파괴가 발생할 가능성이 있 게 된다. 본 연구에서는 실험을 통하여 압력의 변동과 물받이공의 진동을 동시에 측정하여, 진동이 발생하지 않을 최소 두께를 제시할 것이다. 세 번째는 압력변이 로 인한 물받이공의 진동이 피로파괴로 연결되는 경우이다. 이 현상 또한 수리실 험을 통해 압력변이-피로파괴의 관계를 정량적으로 분석하여, 한계 조건을 제시할 것이다. 본 연구는 국내 보 및 낙차공에서 발생하는 다양한 Jet의 특성을 수리실 험으로 재현해야 하며, 이를 위해 평면 Jet 분사기(plane Jet injector)를 고안/ 제작하여, 효율적인 수리실험을 수행할 것이다. 또한 3차원 수치해석을 통해 실제 스케일에 적용함으로써 연구결과의 활용도 및 적용성을 높이고자 한다.

Keywords

압력변이, 물받이공, 바닥보호공, 난류, 진동

 그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴
그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴
그림 2. 시간에 따른 압력의 변동 양상 및 정의
그림 2. 시간에 따른 압력의 변동 양상 및 정의
 그림 3. 하천횡단구조물 하류부 도수현상시 발생하는 압력변이 분포도, Fr=8.0 상태이며, 바닥(slab)에 양압과 음압이 지속적으로 작용한다. (Fiorotto & Rinaldo, 2010)
그림 3. 하천횡단구조물 하류부 도수현상시 발생하는 압력변이 분포도, Fr=8.0 상태이며, 바닥(slab)에 양압과 음압이 지속적으로 작용한다. (Fiorotto & Rinaldo, 2010)
 그림 4. 파괴 개념
그림 4. 파괴 개념
그림 6. PIV 측정 원리(www.photonics.com)
그림 6. PIV 측정 원리(www.photonics.com)
그림 7. LED회로판 및 BIV기법 기본개념
그림 7. LED회로판 및 BIV기법 기본개념
그림 8. BIV측정기법을 적용한 순간이미지 (Lin et al., 2012)
그림 8. BIV측정기법을 적용한 순간이미지 (Lin et al., 2012)
그림 9. 감세공의 분류
그림 9. 감세공의 분류
그림 17 수리실헐 수로시설: (a) 전체수로전경, (b) Weir 보를 포함한 측면도, (c) 도수조건 실험전경
그림 17 수리실헐 수로시설: (a) 전체수로전경, (b) Weir 보를 포함한 측면도, (c) 도수조건 실험전경
그림 18 수리실험 개요도
그림 18 수리실험 개요도
그림 127 난류모형별 압력 Data (측정위치는 그림 125 참조)
그림 127 난류모형별 압력 Data (측정위치는 그림 125 참조)
그림 128 RNG 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 128 RNG 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 129 LES 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 129 LES 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 130 압력 Data의 필터링
그림 130 압력 Data의 필터링
그림 134 Case 1의 흐름특성 분포도 및 그래프
그림 134 Case 1의 흐름특성 분포도 및 그래프

참고문헌

국토기술연구센터 (1998) 하상유지공의 구조설계 지침.

감사원 (2013) 감사원 결과보고서- 4대강살리기 사업 주요시설물 품질 밑 수질관리 실태.

국토해양부 (2009) 전국 하천횡단 구조물 설치현황 및 어도 실태조사 보고서. 국토해양부 (2010). 낙동강 살리기 사업 24공구(성주칠곡지구) 실시설계보고서.

국토해양부 (2012) 보도자료-준공대비 점검결과, 4대강 보 안전 재확인.

국토해양부 (2012) 국가 및 지방하천 종합정비 마스터플랜.

국토교통성 (2008) 하천사방기술기준.

농림부 (1996). 농업생산기반정비사업계획 설계기준. 류권규(역자) (2009). 난류의 수치모의(원저자 : 梶島岳夫, 1999).

류권규, 마리안 머스테, 로버트 에테마, 윤병만 (2006). “난류 중 부유사의 속도 지체 측정.” 한국수자원학회논문집, 제39권, 제2호, pp.99-108.

배재현, 이경훈, 신종근, 양용수, 이주희 (2011). “입자영상유속계를 이용한 은어의 유영능력 측정.” 제47권, 제4호, pp.411-418.

우효섭 (2001). 하천수리학. 청문각.

한국수자원학회 (2009). 하천설계기준해설.

한국건설기술연구원 (2014) 입자영상유속계(PIV)를 이용한 하천구조물 주변 유동해석 기법 개발

한국건설기술연구원 (2017) 보와 하상유지공의 안전성 확보를 위한 물받이와 바닥보호공의 성능평가
기법에 대한 원천기술개발

국토기술연구센터 (1998) 하상유지공의 구조설계 지침.

감사원 (2013) 감사원 결과보고서- 4대강살리기 사업 주요시설물 품질 밑 수질관리 실태. 국토해양부 (2009) 전국 하천횡단 구조물 설치현황 및 어도 실태조사 보고서.

국토해양부 (2012) 보도자료-준공대비 점검결과, 4대강 보 안전 재확인. 국토해양부 (2012) 국가 및 지방하천 종합정비 마스터플랜.

국토교통성 (2008) 하천사방기술기준.

농림부 (1996). 농업생산기반정비사업계획 설계기

류권규(역자) (2009). 난류의 수치모의(원저자 : 梶島岳夫, 1999).
류권규, 마리안 머스테, 로버트 에테마, 윤병만 (2006). “난류 중 부유사의 속도 지체 측정.” 한국수자원학회논문집, 제39권, 제2호, pp.99-108.
배재현, 이경훈, 신종근, 양용수, 이주희 (2011). “입자영상유속계를 이용한 은어의 유영능력 측정.” 제47권, 제4호, pp.411-418.
우효섭 (2001). 하천수리학. 청문각. 한국수자원학회 (2009). 하천설계기준해설. 한국건설기술연구원 (2014) 입자영상유속계(PIV)를 이용한 하천구조물 주변 유동해석 기법 개발
한국건설기술연구원 (2017) 보와 하상유지공의 안전성 확보를 위한 물받이와 바닥보호공의 성능평가
기법에 대한 원천기술개발

Adrian, R. J., Meinhart, C. D., & Tomkins, C. D. (2000). Vortex organization in the outer
region of the turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 422, 1-54.
Anderson, T. W., & Darling, D. A. (1954). A test of goodness of fit. Journal of the American
statistical association, 49(268), 765-769.
Altman, E. I. (1968). Financial ratios, discriminant analysis and the prediction of corporate
bankruptcy. The journal of finance, 23(4), 589-609.
Barjastehmaleki, S., Fiorotto, V., & Caroni, E. (2016). Spillway stilling basins lining design
via Taylor hypothesis. Journal of Hydraulic Engineering, 142(6), 04016010.
Beheshti, M. R., Khosrojerdi, A., & Borghei, S. M. (2013). Experimental study of air-water
turbulent flow structures on stepped spillways. International Journal of Physical Sciences,
8(25), 1362-1370.
Bligh, W. G. (1910). Dams, barrages and weirs on porous foundations. Engineering News, 64(26),
708-710.
Bowers, C. E., &Tsai, F. Y. (1969). Fluctuating pressure in spillway stilling basins. Journal
of the Hydraulics Division, 95(6), 2071-2080.
Brater, E. F., King, H. W., Lindell, J. E., & Wei, C. Y. (1976). Handbook of hydraulics for
the solution of hydraulic engineering problems (Vol. 7). New York: McGraw-Hill.
Castillo, L. G., Carrillo, J. M., & Sordo-Ward, Á. (2014). Simulation of overflow nappe
impingement jets. Journal of Hydroinformatics, 16(4), 922-940

Lin, C., Hsieh, S. C., Lin, I. J., Chang, K. A., & Raikar, R. V. (2012). Flow property and
self-similarity in steady hydraulic jumps. Experiments in Fluids, 53(5), 1591-1616

Chanson, H. (1999). The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction. Physical Modelling
of Hydraulics.
Chow, V. T. (1959). Open-Channel Hydraulics, McGraw Hill Book Company, Inc., New York.
Christensen, B. A. (1984). “Analysis of Partially Filled Circular Storm Sewers.” J. of
Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 8.
El-Ragaby, A., El-Salakawy, E., and Benmokrane, B., “Fatigue Life Evaluation of Concrete
Bridge Deck Slabs Reinforced with Glass FRP Composite Bars,” Journal of Composites for
Construction, ASCE, Vol. 11, No. 3, 2007, pp. 258-268. (doi: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)
1090-0268(2007)11:3(258),
Fiorotto, V., & Rinaldo, A. (1992). Turbulent pressure fluctuations under hydraulic jumps.
Journal of Hydraulic Research, 30(4), 499-520.
Flow Science (2015). FLOW-3D User Manual(Release 11.1.0), Los Alamos, New Mexico.
González-Betancourt, M. (2016). Uplift force and momenta on a slab subjected to hydraulic
jump. Dyna, 83(199), 124-133.
Grinstein, L., & Lipsey, S. I. (2001). Encyclopedia of mathematics education. Routledge.
Grubbs, F. E., & Beck, G. (1972). Extension of sample sizes and percentage points for
significance tests of outlying observations. Technometrics, 14(4), 847-854.
Gylltoft K. (1983): Fracture mechanics models for fatigue in concrete structures. Doctoral
thesis / Tekniska högskolan i Luleå, 25D, Luleå, 210 pp.
Herlina, H. and Jirka, G. H. (2008). “Experiments on gas transfer near the air-water
interface in a grid-stirred tank.” Journal of Fluid Mechanics, 594, pp.183-208.
IACWD (Interagency Advisory Committee on Water Data). (1982). Guidelines for determining flood
flow frequency. Bulletin 17B.
JIRKA, G. H. (2008). Experiments on gas transfer at the air–water interface induced by
oscillating grid turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 594, 183-208.
Kadota, A., Suzuki, K., Rummel, A. C., Weitbrecht, V., & Jirka, G. H. (2007). Shallow flow
visualization around a single groyne. In Proc. of 7th International Symposium of Particle
Image Velocimetry (CD-ROM).
Kazemi, F., Khodashenas, S. R., & Sarkardeh, H. (2016). Experimental study of pressure
fluctuation in stilling basins. International Journal of Civil Engineering, 14(1), 13-21.
Klowak, C., Memon, A., and Mufti, A., “Static and fatigue investigation of second generation
steel-free bridge decks,” Cement & Concrete Composites, ScienceDirect, Elsevier, Vol. 28, No.

10, 2006, pp. 890-897. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.07.019),
Koca, K., Noss, C., Anlanger, C., Brand, A., & Lorke, A. (2017). Performance of the Vectrino
Profiler at the sediment–water interface. Journal of Hydraulic Research, 55(4), 573-581.
Kolmogorov, A. (1933). Sulla determinazione empirica di una lgge di distribuzione. Inst. Ital.
Attuari, Giorn., 4, 83-91.
Leon, A., & Alnahit, A. (2016). A Remotely Controlled Siphon System for Dynamic Water Storage
Management.
Lin, C., Hsieh, S., Chang, K. and Raikar, R. (2012). “Flow property and self-similarity in
steady hydraulic jumps.” Experiments in Fluid, 53, pp. 1591-1616.
Lopardo, R., Fattor, C. A., Casado, J. M. and Lopardo, M. C. (2004). “Aspects of vibration
and fatigue of materials related to coherent structures of macroturbulent flows”
International Conference on Hydraulic of Dams and River Structures.
Lopardo, R. A., & Romagnoli, M. (2009). Pressure and velocity fluctuations in stilling basins.
In Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering (pp. 2093-2098). Springer, Berlin,
Heidelberg.
Sanchez, P. A., Ramirez, G. E., Vergara, R., & Minguillo, F. (1973). Performance of
Sulfur-Coated Urea Under Intermittently Flooded Rice Culture in Peru 1. Soil Science Society
of America Journal, 37(5), 789-792.
Matsui, S., Tokai, D., Higashiyama, H., and Mizukoshi, M., “Fatigue Durability of Fiber
Reinforced Concrete Decks Under Running Wheel Load,” Proceedings 3rd International Conference
on Concrete Under Severe Conditions, Ed. N. Banthia, Vancouver, Canada, 2001, pp. 982-991.,
Mohammadi, S. F., Galgoul, N. S., Starossek, U., & Videiro, P. M. (2016). An efficient time
domain fatigue analysis and its comparison to spectral fatigue assessment for an offshore
jacket structure. Marine Structures, 49, 97-115.
Pothof, I. (2011). Co-current air-water flow in downward sloping pipes. Stichting Deltares
Pothof, I. W. M., & Clemens, F. H. L. R. (2011). Experimental study of air–water flow in
downward sloping pipes. International journal of multiphase flow, 37(3), 278-292.
Ryu, Y., Chang, K. A., & Lim, H. J. (2005). Use of bubble image velocimetry for measurement of
plunging wave impinging on structure and associated greenwater. Measurement Science and
Technology, 16(10), 1945.
Sanjou, M., & Nezu, I. (2009). Turbulence structure and coherent motion in meandering compound
open-channel flows. Journal of Hydraulic Research, 47(5), 598-610.
Sargison, J. E., & Percy, A. (2009). Hydraulics of broad-crested weirs with varying side
slopes. Journal of irrigation and drainage engineering, 135(1), 115-118.

Sobani, A. (2014). Pressure fluctuations on the slabs of stilling basins under hydraulic jump.
Song, Y., Chang, K, Ryu, Y. and Kwon, S. (2013). “ Experimental study on flow kinematics and
impact pressure in liquid sloshing.”, Experiments in Fluid, 54, pp. 1592.
Stagonas, D., Lara, J. L., Losada, I. J., Higuera, P., Jaime, F. F., & Muller, G. (2014).
Large scale measurements of wave loads and mapping of impact pressure distribution at the
underside of wave recurves. In Proceedings of the HYDRALAB IV Joint User Meeting.
Toso, J. W., & Bowers, C. E. (1988). Extreme pressures in hydraulic-jump stilling basins.
Journal of Hydraulic Engineering, 114(8), 829-843.
Youn, S. G. and Chang, S. P., “Behavior of Composite Bridge Decks Subjected to Static and
Fatigue Loading,” Structural Journal, ACI Technical paper, Title No. 95-S23, 1998, pp.
249-258. (doi: http://dx.doi.org/10.14359/543),

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