홍수조절능력을 확보한 측수로형 여수로의 유동특성 연구

주성식(Sung sik Joo),임성빈(Sung Bin Lim),김수영(Sooyoung Kim),이승오(Seung Oh Lee) 대한토목학회 2012 대한토목학회 학술대회 Vol.2012 No.10

국내 농업용수 댐은 약 18,000개로 추산되며 기존 댐의 여수로 형식은 자연월류 측수로형 여수로가 99%인 것으로 추산되고 있다. 그러나 과거 설계기준에 의해 건설되어 최근 집중호우 및 기상이변에 대하여 대부분 홍수방어에 취약한 것으로 확인되고 있다. 최근 한국수자원공사와 한국농어촌공사에서 치수능력증대사업을 추진 중이며, 구조적인 방안으로 보조여수로 신설, 여수로 확장 및 상류에 홍수조절용 댐 신설 등의 대책이 제시 및 시공되고 있으나 이러한 대책들은 중규모 이하의 댐에 적용하기에는 시공성 및 경제성면에서 현실적인 어려움이 있다. 본 연구에서는 중규모 이하 댐의 치수능력을 향상시킬 수 있는 현실적인 방안을 강구하기 위하여 기존 측수로 여수로의 측벽에 수문을 설치하는 방안을 검토하였다. 국내 몇몇 적용사례들(달방댐, 담양댐 등)이 있으나 측벽에 수문 설치시 수문의 방류능력에 대한 연구와 측수로와 수문 방류수가 교차하는 조절부 내의 유동특성에 대한 연구가 부족한 실정이므로 댐 설계시 적용사례가 많은 Flow-3D를 이용한 3차원수치해석을 통하여 수위별 방류량의 변화 분석 및 조절부의 유동특성을 분석하였다.

농업용저수지 긴급방류 장치 개발을 위한 수리학적 적용성 검토

주성식(Joo, Sung Sik),문장원(Moon, Jang Won),권현한(Kwon, Hyun Han),최병한(Choi, Byoung Han),정민규(Jung, Min Kyu) 대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10

HEC-RAS 2D 모형 격자크기 및 계산시간간격 변화 민감도 분석

주성식(Joo, Sungsik),이정수(Lee, Jeong soo),박종표(Park, Jongpyo),원준배(Won, Junbae) 대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10

고무보 저층수 배출관의 직상류 퇴적물 배제능력 검토를 위한 수리실험

홍녕교,김지호,주성식,이승오,Hong. Nyung Kyo,Kim. Ji Ho,Joo. Sung Sik,Lee. Seung Oh 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2012 No.1

보는 하천 횡단구조물로 수위를 조절하거나 관계 및 취수 등을 목적으로 설치한다. 그러나 현재 설치된 보는 대부분 콘크리트 구조물이기 때문에 경관상 좋지 않으며 상류의 수위를 조절하는데 다소 어려운 점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하고 수자원의 효율적인 사용을 위해 가동보에 관한 관심이 점차 증가하고 있는 추세이다. 특히 가동보 중 고무보는 홍수시 도복이 가능하고 평상시 기립하는 원리를 이용하여 수위를 조절하는 특징을 가지고 있으며 기존 보와 같이 관계, 용수공급, 수력발전, 환경보호 등 다양한 목적으로 사용되고 있다(심명필, 2000). 그러나 기존 콘크리트보와 같이 보 직상류 저층부의 흐름을 정체시키므로 토사의 퇴적 및 수질악화가 발생하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 장정수(2008)는 고무보 직상류 저층부에 정체되어 있는 물을 하류 측으로 원활하게 배출시키는 저층수 배출관 및 배출관의 개폐장치에 관한 특허를 출원하였다. 그러나 저층수 배출관의 다양한 형태에 관한 검증 또는 실험적 연구가 부족하여 본 연구에서는 저층수 배출관이 설치된 실제 하천에서 발생할 수 있는 다양한 상황에 대한 수리실험을 실시하였다. 본 실험에서 사용한 수로 연장은 12 m, 폭 3 m의 소하천 원형 수로이며 유입 및 유출각이 <TEX>$30^{\circ}$</TEX>, <TEX>$45^{\circ}$</TEX>, <TEX>$60^{\circ}$</TEX>인 3가지 저층수 배출관 형상에 대해 퇴적물 배제능력을 비교하였다. 실험조건은 고무보의 상류수심이 0.47 m 및 실험 최대 유량 0.14 m3/s로 수행하였다. 첫 번째 실험은 고무보 직상류의 정체된 흐름에 의해 퇴적되는 유사에 대한 저층수 배출관의 배제능력을 검토하기 위한 실험으로 실험 전 후배제된 유사의 부피를 비교하였다. 두 번째 실험은 다양한 이유로 저층수 배출관의 내부가 자연재료에 의해 폐색되는 경우에 대해 배출관 덮개의 운영을 이용하여 내부 폐색에 대한 배제능력을 검토하였다. 실험결과 유입 및 유출각이 <TEX>$60^{\circ}$</TEX>인 저층수 배출관이 최대 배제율 12.1%로 가장 높게 나타났으며 유입 및 유출각이 작을수록 배제능력이 떨어지는 것으로 나타났다. 관 내부 폐색시 배제능력을 검토한 결과도 동일하게 유입 및 유출각이 <TEX>$60^{\circ}$</TEX>일 경우 배제시간이 가장 빠른 것으로 나타났다. 이는 유출각이 하류측으로 기울어진 정도가 큰 경우, 흐름에 의한 저항이 가장 적게 받기 때문이라 판단된다. 또한 두 실험 모두 유량 및 수심이 증가할수록 배제능력이 향상되었는데 이는 상류 수심 증가로 인한 유출관 내 유속의 증가로 유사 및 배출관 내 퇴적물을 배제시키는 운동량이 증가하기 때문이라고 판단된다. 본 연구결과를 통해 실제 하천에 저층수 배출관 설계 시 참고 자료로 활용할 수 있을 것이라 판단된다.

CFD 모형을 이용한 횡월류 위어 수리특성 분석

유창환(Chang hwan Yu),주성식(Sung sik Joo),원창연(Chang yeon Won),이승오(Seung Oh Lee) 대한토목학회 2012 대한토목학회 학술대회 Vol.2012 No.10

긴급 차단에 의한 수압관 내 수격작용의 영향 평가

김수영(Kim, Sooyoung),주성식(Joo, Sung Sik),이승오(Lee, Seung Oh),윤광석(Yoon, Kwang Seok) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

하류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

유형주(Hyung Ju Yoo),주성식(Sung Sik Joo),권범재(Beom Jae Kwon),이승오(Seung Oh Lee) 한국방재안전학회 2021 한국방재안전학회 논문집 Vol.14 No.2

최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다. 수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다. Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased and the aging of the existing spillway, it is necessary to establish a plan to utilize an auxiliary spillway to minimize the flood damage of downstream rivers. Most studies have been conducted on the review of flow characteristics according to the operation of auxiliary spillway through the hydraulic experiments and numerical modeling. However, the studies on examination of flood damage in the downstream rivers and the stability of the revetment according to the operation of the auxiliary spillway were relatively insufficient in the literature. In this study, the stability of the revetment on the downstream river according to the outflow conditions of the existing and auxiliary spillway was examined by using 3D numerical model, FLOW-3D. The velocity, water surface elevation and shear stress results of FLOW-3D were compared with the permissible velocity and shear stress of design criteria. It was assumed the sluice gate was fully opened. As a result of numerical simulations of various auxiliary spillway operations during flood season, the single operation of the auxiliary spillway showed the reduction effect of maximum velocity and the water surface elevation compared with the single operation of the existing spillway. The stability of the revetment on downstream was satisfied under the condition of outflow less than 45% of the design flood discharge. However, the potential overtopping damage was confirmed in the case of exceeding the 45% of the design flood discharge. Therefore, the simultaneous operation with the existing spillway was important to ensure the stability on design flood discharge condition. As a result of examining the allocation ratio and the total allowable outflow, the reduction effect of maximum velocity was confirmed on the condition, where the amount of outflow on auxiliary spillway was more than that on existing spillway. It is because the flow of downstream rivers was concentrated in the center due to the outflow of existing spillway. The permissible velocity and shear stress were satisfied under the condition of less than 77% of the design flood discharge with simultaneous operation. It was found that the flood damage of downstream rivers can be minimized by setting the amount allocated to the auxiliary spillway to be larger than the amount allocated to the existing spillway for the total outflow with simultaneous operation condition. However, this study only reviewed the flow characteristics around the revetment according to the outflow of spillway under the full opening of the sluice gate condition. Therefore, the various sluice opening conditions and outflow scenarios will be asked to derive more efficient utilization of the auxiliary spillway in th future.

3차원 수치모델을 활용한 호안 블록 형상에 따른 하도 내 유속 분석

김동현(Dong Hyun Kim),양수현(Su-Hyun Yang),주성식(Sung Sik Joo),이승오(Seung Oh Lee) 한국방재안전학회 2023 한국방재안전학회 논문집 Vol.16 No.4

기후변화는 외수침수와 연관이 있는 하천제방 안전성에도 영향을 미친다. 제방의 안전성을 높이기 위해 비탈면 보강에 대한 연구가 활발히 수행되어왔다. 특히 최근에는 순환자원을 재활용하여 호안블록을 제작하는 기술 등이 개발되고 있다. 그러나 호안블록의 재료적인 측면의 연구와 더불어 블록 형상에 의해 제외지의 흐름특성에 미치는 영향을 분석하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 호안블록의 형상에 따라 호안면의 유속 등 수리학적 특성의 영향을 3차원 수치모의를 통해 수행하였다. 호안 블록 형상은 3가지 형상을 제안하였고, 이상적인 하천 수로에 블록을 설치하여 수치해석을 수행하였다. 3차원 수치해석은 FLOW-3D를 사용하였고, 호안블록의 형상에 따른 최대유속, 호안부의 바닥유속, 최대 전단응력의 변화를 분석하였다. 그 결과, 자연석형 식생블록인 블록 A가 요철의 크기와 규모가 불규칙하여 호안에 연결하여 설치할 경우 호안 블록 B, C보다 호안 설치구간의 유속변화가 가장 큰 것으로 분석되었다. 향후 하천의 지형적 특성을 고려한다면 현장적 용성을 고려한 호안블록 설계를 수행할 수 있을 것으로 기대된다. Climate change affects the safety of river revetments, especially those associated with external flooding. Research on slope reinforcement has been actively conducted to enhance revetment safety. Recently, technologies for producing embankment blocks using recycled materials have been developed. However, it is essential to analyze the impact of block shapes on the flow characteristics of exclusion zones for revetment safety. Therefore, this study investigates the influence of revetment block shapes on the hydraulic characteristics of revetment surfaces through 3D numerical simulations. Three block shapes were proposed, and numerical analyses were performed by installing the blocks in an idealized river channel. FLOW-3D was used for the 3D numerical simulations, and the variations in maximum flow velocity, bed velocity beneath the revetment, and maximum shear stress were analyzed based on the shapes of the revetment blocks. The results indicate that for irregularly sized and spaced revetment blocks, such as the natural stone-type vegetation block (Block A), when connected to the revetment in an irregular manner, the changes in flow velocity in the revetment installation zone are more significant than those for Blocks B and C. It is anticipated that considering the topographical characteristics of rivers in the future will enable the design of revetment blocks with practical applicability in the field.