R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C132929-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 보 하류 하도 세굴 현상 3차원 수치모의 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-06-30 ~ 2019-03-30 | |||||
| 연구책임자 | 최성욱 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 연세대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
(1) 연구개발의 배경 하천 횡단 시설물 신축에 따른 하류 유사 공급이 차단되고, 4대강 사업 이후 16개 보 하류 하도에서 지속적인 세굴 문제가 발생하고 있다. 또한 보의 공학적 기능 이외에 안전 문제에 대한 국민의 관심이 증대되고 있는 상황이다. (2) 연구개발의 필요성 최근 도시화 및 개발로 인하여 하천의 홍수량 증가와 첨두유량 도달시간이 감소되고 있으며, 이에 따른 하천의 홍수 소통 능력이 필요하게 되었다. 또한 기후변화로 인한 돌발홍수 발생빈도가 증가하여, 재난관리 측면에서 하천홍수 대비가 필요하게 되었다. 게다가 하천사업 및 하천개발로 인하여 하천의 유황 또한 변화하게 되었다. 하천 시설물 하류의 과도한 세굴은 하천 시설물 주변의 유동을 불안정하게 하여 홍수시 하천재해를 유발할 가능성을 높이게 된다. 세굴이 지속적으로 진행될 경우, 하천시설물 자체의 안전을 심각하게 위협할 수 있다. 또한 하도 세굴로 인한 하류 유사량 변화는 하천의 통수능력과 생태계의 심각한 영향을 미친다. 선진국으로 진입할수록 하천의 친수기능에 대한 국민들의 기대수준이 높아지게 되며, 수자원으로서의 생태하천은 국가 녹색성장의 보고이다. 따라서 하천의 공학적 기능 및 환경 기능의 조화를 위하여 하천관리의 과학화 및 고도화가 추진되어야 한다. 이와 같은 국내 하천환경의 변화, 하천 시설물 안전관리 및 안정 하천 유지, 국내 하천의 환경기능 강화를 위해서 보 하류 하도의 세굴 현상을 예측하고 보의 안전과 하천의 안정성을 평가하여 대책을 제시할 수 있는 공학적 시뮬레이션 툴이 필요한 상황이다. (3) 연구개발 대상의 국내외 현황 국내에서는 세굴 발달 현상에 대하여 실내실험이 상당히 제한적으로 수행되고 있다. 국외에서는 3차원 이동상 모의를 통해 수공구조물 주변에서 발생하는 세굴 현상을 매우 정확하게 예측하는 수준이다. 또한 3차원 모형을 이용하여 하천구조물의 설치 방법에 대한 지침을 제공하기도 한다. 국외의 현황과 비교해 볼 때, 국내에서는 범용성이 입증되지 않은 코드를 사용하여 제한적인 사례에서만 연구가 진행되고 있다. 따라서 검증된 3차원 하상변동 모형을 이용하여 실제 보의 국부세굴 예측 연구가 필요한 상황이다. (4) 연구개발의 중요성 본 연구개발을 통하여 홍수시 보의 안전 및 하천의 안정성을 확보할 수 있으며, 돌발홍수 발생 및 홍수량 증가에 따른 하천의 치수능력을 제고할 수 있다. 또한 하천환경 관리를 위한 보의 기능을 유지하는데 기여할 수 있다. 이러한 이유로 본 연구개발은 보의 안전 및 기능과 하천의 안정성을 유지하는데 상당히 중요한 연구라 할 수 있다. [최종목표] 본 연구개발의 최종 목표는 보 하류 하도 세굴 현상을 모의할 수 있는 3차원 세굴예측 통합모형의 구축이다. 세부 목표로는 보 하류 하도에 적합한 유동해석 모형의 개발, 3차원 세굴예측 모형의 개발, 보 하류 하도 안정성 평가 기법 제시가 있다. 1차년도의 연구개발 목표는 보 하류 하도에 적합한 3차원 유동해석 모형의 개발이며, 2차년도의 연구개발 목표는 세굴예측 모형의 개발 및 보 하류 하도 안정성 평가 기법 제시이다. [연구내용 및 범위] 본 연구개발로 발생하는 핵심성과는 보 하류 세굴예측 통합모형과 보 하류 하도 안정성 평가 기법이 있다. 보 하류 세굴예측 통합모형의 구축을 위해 난류 모형 조사, 유동해석 알고리즘 조사 등을 통하여 유동해석 모형을 개발하고, 유사이송 모형 조사, 하상토보존 방정식의 해석 등을 통하여 세굴예측 모형을 개발한다. 유동해석 및 세굴예측 모형을 통합하여 보 하류 세굴예측 통합모형을 구축한다. 구축된 통합모형을 실제 보의 적용하여 보 하류 하도의 안정성을 평가하고 구조적/비구조적 안정하도 유지 방안을 제시한다. 모형개발을 위해 해석엔진 개발, 모형 검정, 모형 검증의 3단계로 구분하여 연구를 수행한다. 개발 모형의 실제 적용을 위해서, 하상 거칠기, 유사이송 모형의 검정 단계를 수행한다. 또한 유동해석, 세굴예측 모형의 검증을 위해 각각의 실험 및 실측자료를 확보할 것이다. 각 연구 분야의 선진 기술의 도입을 위해 세계 최고 전문가와 구축되어 있는 협력 체계를 적극 활용할 계획이다. 난류 및 3차원 유동해석 분야의 미국 Stony Brook Univ.의 Prof. F. Sotriopoulos와 유사이송 및 하상변동 모의 부문에서 미국 Univ. of Illinois at Urbana-Champaign의 Prof. M. Garcia와의 협력하여 연구개발을 수행할 계획이다. 유동해석 모형은 LES 난류모형을 중점으로 개발할 계획이며, 셰굴예측 모형은 기존의 하상토보존 방정식을 기반으로 세굴예측 모형의 특수성을 반영하여 모형을 확장 개발할 계획이다. 개발한 유동해석 모형을 수공구조물 주변 유동실험에 적용하여 평균흐름 및 난류량 등을 비교하여 검증할 것이다. 또한 세굴예측 모형을 실험실 규모의 국부 세굴 실험에 적용하여, 세굴예측 모형의 적합성을 판단하고 유사이송 모형의 타당성을 판단할 것이다. 검증된 모형을 실제 보 스케일의 적용하여 보 하류 하도 국부 세굴 현상의 기작을 규명하고 국부 세굴의 시간적 발달과정을 분석할 것이다. 특히 세굴현상에서 중요한 지표인 세굴 발생지점과 깊이 및 거리 등의 정량적인 분석도 수행할 계획이다. 통합모형을 이용한 수치모의 결과를 기반으로 세굴현상을 분석하여, 국부세굴 현상의 최소화 방안을 제시할 것이다. 이는 보의 운영 방안에 지침이 될 수 있을 것이다. 보 하류 하도 안정성 평가 요소를 선정하여 수치모의를 기반으로 보의 안정성을 평가할 것이다. 또한 비구조적 방안의 실현이 불가능할 경우를 대비하여, 사례 연구를 통하여 구조적 방안을 제시할 것이다. |
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| 색인어 | 한글 | 대규모 보 | 국부 세굴 | 기후변화 | 유사이송 | LES |
| 영문 | large weir | local scour | climate change | sediment transport | large eddy simulation | |
| 최종보고서 | [2] 최종보고서.pdf | |||||