1. 서 론

우리나라의 소하천은 집수면적 (catchment area)이 작고 유로연장이 짧으며 상 ‧ 하류간의 표고차가 커서 급류 하천인 경우가 많기 때문에 홍수 시 유속이 매우 빠르며, 계곡을 따라 굴곡이 심해 수충작용 (water hammer) 및 소류력에 의한 호안파괴, 하상세굴 등의 피해가 많이 발생하고 있다.

보 및 낙차공은 홍수 발생 시 구조물 파괴와 동시에 연결부인 제방의 붕괴로 인한 2차 피해를 야기할 수 있다고 보고되고 있다. 따라서 이러한 수공구조물 주변에서 발생하는 피해 원인을 규명하고 구조물의 안전성을 확보 할 수 있는 방안을 찾는 것이 중요하며, 소하천 내 흐름 분석을 통한 기존 구조물 설계기준의 미비점을 보완하는 것도 필요하다.

하천구조물 주변 세굴과 관련된 국외 연구동향을 살펴보면, Hoffmans (1998)는 Fahlbusch (1994)의 제안식을 보완하여 하상입경 (d₉₀)에 연관된 무차원 세굴변수인 c_2υ로 표현하여 유체 내 유사의 이동에 대해 전단응력과 항력, 양력의 평형과 유사의 저항에 대해 이론적으로 접근한 식을 제안하였다. 이 외에도 Blaisdell and Anderson (1988, 1991)은 파이프 방류구 하류에서의 세굴특성에 관한 조사와 실험을 통하여 최대 세굴깊이와 밀도 프루드 수 (Densimetric Froude Number)의 상관성을 규명하였으며, Bormann and Julien (1991)은 경사형 낙차공 하류부에서 발생하는 세굴심 평가식을 제안하였다. 국내에서는 Yoon et al. (1995)은 단락부 하류부에서의 둔덕의 유무에 따른 세굴 특성을 실험을 통하여 분석하였다. 또한, Yeo et al. (2005)은 하류조건에 따라 보 상류의 흐름특성에 미치는 영향을 수리모형실험을 통하여 분석하였으며, Kim et al. (2010)은 낙차공 물받이부에서의 세굴현상과 사석보호공 설치 후 발생하는 침하량에 대한 수리모형실험을 수행하여 사석보호공의 무차원 침하량 산정식을 제안하였다. 최근 Ryu and Lee (2019)는 수공구조물 주변에서 발생하는 폭기 흐름의 기포분율을 측정하는 실험 연구를 통한 그림자기법을 이용한 기포분율을 측정하고 이를 통해 폭기 정도를 정량화하였다.

현재 국내에서 발생되는 소하천 구조물 피해는 상류부 급경사 구간의 강한 흐름에 따른 보 하류 물받이에서 많은 피해가 발생하고 있다. 특히 물받이 길이의 부족으로 인해서 발생하는 경우가 많으며, 보 하류 물받이 길이 설계는 그 판단의 범위가 넓고 같은 조건에서도 큰 오차가 생길 수 있다. 이는 소하천 보 하류 물받이 (apron) 길이 설계 시 블라이 (Bligh) 공식 (Eq. 1) 또는 과거 건설부 국립건설시험소 (National Construction Research Institute, NCRI) (Eq. 2)에서 제안된 공식을 기반으로 물받이 길이를 산정하기 때문에 급경사 하천에서 중요한 인자인 하상경사에 대해서는 전혀 고려하지 않고 있다.

블라이 공식은 하상토의 상태에 따른 블라이 계수와 보 하류 물받이 상판에서 보 마루까지 높이를 인자로 사용하고 있으며 건설부 국립건설시험소 공식은 보 마루 표고부터 물받이 상단 표고까지 높이, 단위폭당 유량, 하상토사의 중앙 입경을 인자를 사용하고 있다. 따라서 보 하류 물받이 길이 설계 시 하상경사에 따른 수리흐름 특성을 반영하지 못하는 한계성이 있다. 또한 보 구조물 상 ‧ 하류에서의 세굴, 물받이 및 바닥보호공의 규모 결정 등과 관련하여 보 운영에 따른 치수적 안정성 문제가 보고되고 있다.

본 연구에서는 보 하류 물받이 피해 개선을 위해 하상경사 변화에 따른 보 하류 물받이에서의 세굴 영향을 분석하기 위한 것으로써 수리실험을 통한 물받이 세굴길이 측정결과와 기존 보 하류 물받이 길이 설계기준 공식에 따른 계산결과를 비교 ‧ 분석하여 물받이 길이 설계의 적정성에 대한 검토를 수행하고자 한다.

2. 수리실험

2.1 실험현장 및 수로

한국건설기술연구원 하천연구센터 (River experiment center, REC)는 하천환경과 홍수대응기술 개발을 위해 실규모 하천 실험을 수행하는 기관으로 센터의 총 면적은 193,051 m²이며 최대 10 m³/s의 유량을 방류 가능한 3개의 대형수로를 보유하고 있다. 실험수로는 폭 1.0 m, 높이 1.2 m, 길이 30.0 m, 무경사 개수로이며 유출수조, 유입수조, 펌프, 하류부 수위조절장치 등으로 구성되어 있다. 또한 유출수조에는 부유물들이 펌프에 유입되지 않도록 수로 끝단에 스크린을 설치하였고, 수로 중앙의 10 m 구간은 벽체가 강화유리로 설치되어 세굴 양상 관측이 용이하다 (Fig. 1).

Fig. 1.

View of River Experiment Center (REC) and experiment site.

2.2 실험조건

수리실험에 사용된 보 모형은 폭 1.0 m, 높이 0.3 m이며, 순환수로 내 고정한 뒤 보 상류부 하상경사 조건에 따라 총 6 Cases (하상경사 0%, 2%, 3%, 4%, 7%, 10%)의 실험을 수행하였다 (Fig. 2). 하상재료는 평균입경 25 mm인 쇄석자갈을 이용하여 보 모형 하류측으로 길이 4.0 m, 폭 1.0 m, 0.4 m의 두께로 고르게 포설하였다. 실험유량의 초기 공급에 의해 발생할 수 있는 하상 세굴에 대비하여 소량의 실험유량을 공급해 실험수로 하류단부터 물 채우기를 실시하였다. 실험의 하상 구간이 충분히 잠긴 이후 하류단으로 흘러나가는 조건 (outflow)에서 등류 상태 (uniform flow)로 유지한 후 실험을 진행하였으며, 실험은 흐름이 시작되는 시점부터 수로 전 구간에 하상이 안정화될 수 있도록 3시간 이상 진행한 후 종료하였다 (Fig. 3).

하상경사에 따른 보 하류 세굴 특성을 정량적으로 분석하기 위해 실험유량은 0.117 m³/s로 모든 실험조건에 동일하게 적용되었으며, 보를 통과하는 고속 사류 (supercritical flow)로 인한 국부세굴의 영향을 분석을 위해 광대역 레이저 스캐너 (RIEGL LMS-Z390)를 이용하여 세굴심, 세굴길이, 세굴 부피 등을 측정하였다 (Fig. 4).

Fig. 2.

Installation of weir model in channel.

Fig. 3.

Overflow at weir in channel.

Fig. 4.

3D scanning for measuring scour depth, length, and volume.

3. 실험결과

3.1 하상경사에 따른 보 하류 세굴특성

총 6개의 실험조건에 대한 보 하류부 국부세굴 경향을 분석하였다. 보에서 월류로 인한 하류부의 최대 세굴심은 하상경사 변화에 따라 각각 0.097 m, 0.105 m, 0.111 m, 0.116 m. 0.130 m, 0.164 m로 측정되었다. 또한 세굴길이는 물받이 하류 방향으로 각각 2.004 m, 2.371 m, 2.379 m, 2.407 m, 2.499 m, 2.521 m로 측정되었다 (Table 1).

하상경사 변화에 따른 보 상류부 측정지점 (WO, W1, W2, W3, W4, W5) 별 평균유속을 측정하여 수리적 특성을 분석한 결과, 전체적으로 보 상류부 하상경사가 커질수록 평균유속 값이 서서히 증가하는 양상을 보였다. 이는 월류 유량 (overflow discharge)의 증가와 함께 흐름의 운동량도 증가함에 따라 나타나는 현상으로 월류 수두 (overflow head)와 함께 보 마루의 곡률부를 통과하는 흐름의 원심력 또한 증가하면서 보 마루 (weir crest)에 작용하는 압력의 강하 (drop)를 유발하여 유속을 가속시키는 원인이 된다. 보에서 상류측으로 1 m 떨어진 W1 지점에서는 보를 통과할 시 보 마루에서의 단면축소 현상으로 인해 전체적으로 유속이 급격하게 감소하는 현상을 볼 수 있다. 각 실험 조건에 따른 유속의 발달 과정을 살펴보면 S00, S02 및 S03의 경우 상류측에서의 흐름이 보를 통해 제어되면서 보를 통과할 때 최대유속을 나타내고 있다. S04, SO7 및 S10의 경우 상류측 경사면의 끝이 보 마루보다 높기 때문에 상류측 경사면의 끝에서 한계수심 (critical depth)이 발생하는 것으로 보이며, 특히 S10 조건의 경우 보 마루보다 높은 상류측 경사구간에서 발생하는 유속이 하류측으로 가속화되는 흐름을 보이면서 보를 통해 더 이상 흐름이 제어되지 않는 것으로 판단된다 (Figs. 5 and 6).

Fig. 5.

Velocity measurement points and values at each point according to the bed slope conditions.

Fig. 6.

Comparison of mean velocity according to the bed slope conditions.

결론적으로 하상경사가 커질수록 세굴길이 및 세굴심이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 하상경사 변화에 따라 수류의 총에너지 경사가 급하게 변화하게 되고 그에 따른 보 하류부의 소류력 증가가 주요 원인인 것으로 판단된다. 세굴로 인한 하상변동을 살펴보면, 물받이에서의 수심 및 유량의 변동이 강한 지점을 중심으로 하상변화가 크게 작용하는 경향을 보였으며, 보 하류측으로 멀어질수록 하상변동의 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 7은 3D 스캐너를 통해 분석한 보 하류부 세굴 영향을 도시화한 것이다.

Fig. 7.

Scour effect according to the bed slope through 3D scanner.

3.2 기존 보 하류 물받이 설계 공식과 실험 결과 값 비교

보 하류 물받이공 설치는 하천설계기준에서 제안하고 있는 블라이 공식 및 국립건설시험소의 공식을 사용하거나 실험을 통한 경험식을 통해 결정하고 있으며, 본 실험결과와 비교 ‧ 검토하여 기존 공식의 적정성을 평가하고자 한다. 블라이 공식은 하상재료에 따라 블라이 계수 (C) 값이 다르게 정의되어 있으며, 본 연구에서는 소하천에 주로 분포하는 하상재료인 호박돌과 자갈을 대상으로 C 값의 범위를 설정하였다 (호박돌 및 자갈: C = 4 - 6).

Table 2는 보 하류부 세굴실험 결과와 기존 설계 공식을 비교한 결과이며, 실험결과 값은 보 하류부에 연결된 고정하상 (0.3 m)과 물받이 세굴길이를 더한 값이다. 그 결과, 상류측 하상경사가 0%인 경우는 국립건설시험소 공식 및 블라이 공식 모두 허용치 내에 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 상류측 하상경사가 점차적으로 증가함에 따라 물받이 구간의 세굴길이가 기존 설계 공식을 통해 얻은 값들과 약간의 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었고, 전반적으로 기존 공식들은 하상경사가 커질수록 과소 산정되는 경향이 나타났다 (Fig. 8). 이는 하천설계기준에서 제시하는 블라이 공식과 국립건설시험소 공식들은 다양한 설계인자를 활용하여 제안된 공식이 아니며 보의 높이, 유량, 하상 입자분포에 기반을 두어 제안된 공식이기 때문에 국내 소하천과 같은 급경사 하천에서 적용하기에는 한계가 있다는 것을 의미한다. 따라서 보 하류 하상보호 구조물을 설계할 시 기존의 설계 인자뿐만 아니라 하천의 하상경사 등 다양한 설계인자를 고려하여 국내 소하천 환경에 적합한 공식이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Comparison of small river design standard formulas and the experimental results.

4. 결 론

본 연구는 경사가 가파른 소하천 구간에 보를 설치할 경우, 보 상류측 하상경사 변화에 따른 보 하류 세굴 영향을 수리실험을 통하여 분석하였다. 또한, 실험결과와 기존 보 하류 물받이 길이 설계기준 공식에 따른 계산결과를 비교 ‧ 분석하여 물받이 길이 설계의 적정성에 대한 검토를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 보 하류부 국부세굴 영향을 분석한 결과, 하상경사가 급해질수록 세굴길이 및 세굴심이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 하상경사 변화에 따른 보 하류부의 소류력 증가로 인해 침식현상이 활발하게 이루어진 것으로 판단된다. 또한 보 하류측으로 멀어질수록 하상변동에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다.

2) 하상경사 변화에 따른 수리적 특성을 분석한 결과, 보 상류부 하상경사가 커질수록 평균유속 값이 서서히 증가하는 양상을 보였다. 이는 월류 유량의 증가와 함께 흐름의 운동량도 증가함에 따라 나타나는 현상으로 월류수두와 함께 보 마루의 곡률부를 통과하는 흐름의 원심력 또한 증가하면서 보 마루에 작용하는 압력의 강하를 유발하여 유속을 가속시키는 원인이 된다.

3) 보 하류부 세굴실험 결과와 기존 물받이 설계 공식을 비교한 결과, 상류측 하상경사가 없을 시에는 국립건설시험소 공식 및 블라이 공식 모두 허용치 내에 분포하는 것을 확인할 수 있었지만, 보 상류측 하상경사가 점차적으로 증가함에 따라 물받이 구간의 세굴길이가 기존 설계 공식을 통해 얻은 값들과 약간의 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 경사가 가파른 소하천 구간에서 보 하류 물받이를 설계할 시에는 기존의 설계 인자뿐만 아니라 하천의 하상경사 등 다양한 설계인자를 고려하여 국내 소하천 환경에 적합한 공식이 필요한 것으로 판단된다.

본 연구에 사용된 실험수로는 가변식 경사수로 (flexsible slope-channel)가 아닌 무경사 수로였기 때문에 보 하류 방향으로 경사가 없었다는 점과 단일 보 형상 조건만으로 실험이 진행되어 보 하류부 세굴 영향을 평가함에 있어서 일반화될 수 없다는 실험적 한계가 있다고 생각한다. 향후 이러한 부분을 보완하여 실험을 지속적으로 수행하고 보와 같은 수공구조물 주변 유체의 수리학적 거동을 재현하고 분석해야 한다고 사료된다.