Hydrodynamics of tidal bore overflow on the spur dike and its influence on the local scour

Spur 제방의 갯벌 범람과 국지 세굴에 미치는 영향의 유체역학

ZhiyongZhang^abCunhongPan^abJianZeng^abFuyuanChen^abHaoQin^cKunHe^abKuiZhu^dEnjinZhao^bc

Highlights

The tidal bore overflow and scour behind the spur dike are investigated.
The overflow water depth under tidal bore is affected by dike height and Froude number after bore.
The scour depth behind the spur dike is mainly influenced by the flow intensity, dike height and water depth before bore.
An empirical equation predicting scour depth behind the spur dike is established.

Abstract

In estuaries with strong tidal bore, the scour behind the spur dike induced by tidal bore overflow has significant influence on the dike safety. In this study, an experiment study of the local scour induced by tidal bore overflow behind the spur dike was carried out in a physical flume. In addition, the process of the tidal bore overflow on the dike was numerically simulated with the boundary generation method. The stable overflow water depth on the spur dike (h_ts), unit overflow discharge (q_ts) and the scour hole characteristics were analyzed based on the experimental and numerical results. It is found that the relative stable overflow water depth (h_ts/h₁) increases with the increase of the Froude number after bore (F_r1) and decreases with the increase of relative dike height (h_d/h₁). While the relative stable unit overflow discharge (q_ts/q₁) is mainly affected by the relative dike height. Additionally, the results of scour pit behind the spur dike show that the scour depth (s/h₁) is directly proportional to the relative current intensity (u₁/u_c) and the dike height (h_d/h₁), but inversely proportional to the water depth before bore (h₀/h₁). An empirical equation for predicting relative maximum scour depth is obtained by fitting the experimental results and the field measured data, and the prediction accuracy is within 30%. The conclusions of this paper can provide technical support for the engineering design and operation evaluation of spur dikes in estuaries with the strong tidal bore.

갯벌이 강한 하구에서는 갯벌 범람에 의해 유발되는 둑 뒤 세굴이 둑 안전에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 물리수로에서 박차둑 뒤의 조수간만의 범람에 의해 유발되는 국지세굴에 대한 실험연구를 수행하였다. 또한 경계 생성법을 이용하여 제방 위의 조수간만의 범람 과정을 수치적으로 모사하였다. 실험적 및 수치적 결과를 바탕으로 평제방의 안정적인 범람 수심(hts), 단위 범람 방류량(qts) 및 세굴공 특성을 분석하였다. 상대적으로 안정적인 범람 수심(hts/h1)은 굴착 후 Froude 수(Fr1)가 증가함에 따라 증가하고 상대 제방 높이(hd/h1)가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 상대적으로 안정적인 단위 오버플로 방전(qts/q1)은 주로 상대적 제방 높이의 영향을 받습니다. 또한, 스퍼 둑 뒤의 세굴 구덩이 결과는 세굴 깊이(s/h1)가 상대 전류 강도(u1/uc) 및 둑 높이(hd/h1)에 정비례하고 물에 반비례함을 보여줍니다. 보어 전 깊이(h0/h1). 실험결과와 현장 실측자료를 피팅하여 상대 최대 세굴깊이를 예측하는 실증식을 구하였으며, 예측정확도는 30% 이내이다. 본 논문의 결론은 갯벌이 강한 하구에서 Spur dike의 공학적 설계 및 운영 평가에 대한 기술적 지원을 제공할 수 있다.

Keywords

Spur dike, Tidal bore overflow, Overflow water depth, Unit overflow discharge, Maximum scour depth