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R&D최종보고서

연구과제 상세정보
과제고유번호 201616CTAP-C098446-02
연구사업명 국토교통기술촉진연구사업
연구과제명 보와 하상유지공의 안전성 확보를 위한 물받이와 바닥보호공의 성능평가 기법에 대한 원천기술 개발
총 연구기간 2015-06-02 ~ 2017-06-23
연구책임자 박문형
당해년도
참여 연구원수
4명 총 연구기간
참여 연구원수
8명
당해년도
연구비
정부 : 200,000,000 원
기업 : 67,000,000 원
계 : 267,000,000 원
총연구비 정부 : 400,000,000 원
기업 : 134,000,000 원
계 : 534,000,000 원
연구기관명 한국건설기술연구원
등록 발간번호 .
ISBN .
주요 내용 ○ 필요성
- (횡단구조물 설치 현황) 2009년 현재 전체 하천 횡단 구조물은 총 약 20,753개로서 하상유지공과 보가 각각 4,010개와 16,733개
- (횡단구조물 설치 계획) “4대강외 국가 및 지방하천 정비계획”에서 약 1,00여개의 횡단구조물에 대한 이설 및 개량 계획
- (횡단구조물 피해사례) 일본의 통계에 의하면 211건의 피해사례중 물받이 및 바닥보호공에 의한 피해가 101건으로 약 50% 차지
- 하천횡단구조물의 물받이와 바닥보호공의 안정에 대한 논란이 계속되고 있으나, 이를 과학적으로 구명할 수 있는 성능기준 부재
- 국토교통부에서는 하천횡단구조물의 물받이와 바닥보호공에 대한 하천설계기준에 대한 문제점을 인식하고 이에 대한 개선안을 마련하였으나, 해외 사례 조사 위주의 결과물로서 과학적 근거 미약
- 따라서 성능개선 공법 개발 등에 활용할 수 있는 수리실험을 포함한 여러 가지 방법으로 하천횡단구조물의 물받이와 바닥보호공의 성능기준을 명확히 구명할 필요가 있음
○ (목표) 물받이공과 바닥보호공의 안전확보를 위한 성능기준(안) 제시
○ (연구방법) PIV, BTV 등의 흐름장 분석 기법 및 3차원 수치모형을 이용하여 횡단구조물 하류에 위치한 물받이와 바닥보호공에서의 복잡한 흐름양상을 정량적으로 분석 수행

[최종목표]
○ 물받이공과 바닥보호공의 안전확보를 위한 성능기준(안) 제시
- 입자영상유속측정(Partical Image Velocimeter, PIV, 기포추적유속측정(Bubble Tracing Velocimeter, BTV) 등의 최첨단 난류 유동해석 실험기법과 난류 수치모형을 이용하여, 정량화된 외력 조건((예: 양압 및 부압 조건, 난류강도 및 kinetic energy에 의한 피로하중 정량화) 제시
- PIV, BTV 등의 실험과 난류 수치모형을 통하여 난류특성과 사석의 중량에 대한 상관관계, 공극사이에서 발생하는 역학적 현상 등을 구명하여 정량적 성능기준 제시

[연구내용 및 범위]
○ 연구의 범위
- 하천을 횡단하는 구조물인 보와 하상유지시설에는 세굴로부터 본제의 안전을 확보하기 위해 물받이와 바닥보호공이 설치되어 있음
- 본 연구에서는 물받이와 바닥보호공은 복잡한 흐름양상을 파악하고 정량적인 성능기준 제시하고자 함

○ 단계별 연구내용
- (아이디어 도출 단계, 3개월) 선행연구 및 선진사례 벤치마킹, 물받이 및 바닥보호공 피해 메카니즘 유형화, 유형별 지배력 구분
- (수리실험 및 수치모의, 10개월) 횡단구조물 하류구간 흐름특성 분석, 물받이와 바닥보호공에 작용하는 외력특성 분석
- (성능평가 기준안 개발, 6개월) 물받이와 바닥보호공에 작용하는 외력과 구조물 응력의 상관관계 분석 및 유형화, 유형별 성능기준(안) 개발
- (검증실험, 5개월) 대표 유형에 대한 준실규모 실험을 통한 성능기준(안) 검증, 유형별 다양한 조건에 대해서는 3차원 수치모의로 검증

○ (물받이구간 분석방법) PIV, BTV 등의 흐름장 분석 기법 및 3차원 수치모형을 이용하여 횡단구조물 하류에 위치한 물받이와 바닥보호공에서의 복잡한 흐름양상을 정량적으로 분석 수행
- 횡단구조물 하류에서는 사류흐름이 상류흐름으로 급격히 변화하여 에너지가 감세되며 거품이 형성
- 난류흐름장의 분석은 일반적으로 PIV를 많이 이용하지만, 기포 발생영역의 측정은 곤란
- 이에 대한 보완책으로 기포를 영상처리하여 추적하는 기법인 BTV를 병용하여 전체 흐름장에 대한 분석
○ (바닥보호공구간 분석방법) 피해 원인별 성능기준 제시
1) 원인
- (선단부 세굴) 일반적으로 발생하는 세굴로서 항상 파괴를 야기하지는 않지만, 지속적으로 세굴이 발생하는 경우 바닥보호공의 기능을 상실할 수 있음
- (흐름에 의한 변형) 사석 중량 부족에 의해 발생
- (사석의 침하) 구조물과 연결된 필터의 이동에 의해 야기되며, 구조물 저면 이하로 침하가 발생한 경우 문제 발생
2) 성능기준
- (선단부 세굴) 자연스러운 현상으로서 본체에 영향을 미치지 않는 필요 길이 결정 기준 제시
- (흐름에 의한 변형) 사석 중량 부족에 의해 발생하는 현상으로서 적정 사석규모 결정 기준 제시
- (사석의 침하) 사석하부 하상토입자의 흡출에 의해 발생하는 현상으로서 흡출방지용 필터 매트 또는 플터층의 적정 성능 기준 제시
색인어 한글 횡단구조물 물받이공 바닥보호공 성능기준
영문 weir & barrage apron bed protection performance standard
최종보고서 최종보고서(최종).pdf
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