저층수 배출관에 유입된 사석의 배제 한계조건

Threshold Condition for Exclusion of Riprap into Bypass Pipe

Abstract

국내 중소하천에 설치된 콘트리트 보에서 발생하는 많은 문제 중에서 상류로부터 유입되는 유사가 보 직상류에 퇴적되는 문제가 심각하다. 이로 인해 하류에 유사공급이 원활치 못하게 되며, 퇴적된 유사가 오염물과 흡착될 경우, 하상 오염뿐만 아니라 하천 생태계에 치명적인 피해를 유발할 수 있다. 보 직상류의 유사 퇴적문제를 해결하는 방안 중 하상에 배사관을 매설하여 퇴적되는 유사를 하류로 배출하고 있다. 그러나 배사관에 적정크기 이상의 사석 등이 유입될 경우, 배사효율은 현격하게 낮아지므로, 이에 대한 가이드라인 내지는 한계조건 제시가 필요하다. 본 연구에서는 상하류 수위차, 사석의 직경 등을 주요변수로 선정한 후, 3차원 수치모의 결과를 활용하여 사석 배제 능력에 대한 한계 조건을 도출하였다. 상류흐름은 정류된 상태로 가정하였고, 배사관을 포함하여 상 하류간 검사체적에서 에너지 개념을 적용하여 분석을 수행하였다. 그 결과 수위차와 사석지름의 비로 나타낸 무차원 변수가 약 1.2인 경우, 배사관 내 사석의 배출유뮤를 명확히 결정할 수 있었다. 본 연구결과는 향후 점성이 높은 유사나 흡착성 유사 등의 특성을 고려한다면 배사관이 있는 고정보의 운영관리방안에 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

One of the most serious problems with concrete small dams or barriers installed in small/median rivers is the deposit of sediments, especially, in Korea. An effective way to discharge such sediments to downstream is to construct a bypass pipe under the river bed. However, efficiency may become lowered if ripraps are entered into the bypass pipe. Therefore, in this study, we derived the threshold condition for the exclusion of ripraps from the bypass pipe using 3D numerical analysis. Upstream flow of the small dam was assumed to be stationary, and the energy concept was applied to the control volume containing the bypass pipe and its periphery. As a result, when the ratio of the water level difference between upstream and downstream to the diameter of the riprap was approximately equal to 1.2, the threshold condition for exclusion of the stones or riprap from the bypass pipe was affirmatively determined. If the characteristics of the adsorptive sediment adversely affecting the river environment in the future would be taken into account, results from this study are expected to put to practical use in the management of concrete small dam with bypass pipe system.

Fig. 1. Conceptual sketch showing side view of experimental channel (Jeong and Lee, 2017)

Fig. 2. Enlarged sketch of bypass pipe (Jeong and Lee, 2017)

Fig. 3. Experimental scene (Jeong and Lee, 2017)

Fig. 4. Comparison of experiments and 3D simulations using dimensionless parameters

Fig. 5. Simulation scenes for moving of riprap in Sand-exclusion pipe

Fig. 6. Threshold condition for exclusion of riprap in bypass pipe

Table 1. Dimensions of Bypass pipe (Jeong and Lee, 2017)

Table 2. Simulation cases for verification of FLOW-3D