하천 횡단 수공구조물 위치에 따른 만곡부의 하상변동 특성
Bed Variation Characteristics in River Bends According to Location of Transverse Hydraulic Structures
- 주제(키워드) 도움말 하천 만곡부 , 횡단 수공구조물 , 저낙차 보 , 보 설치 위치 , 세굴 , 하상변동
- 발행기관 국립강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 박상덕
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012321
- UCI I804:42001-000000012321
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
기후변화로 인한 태풍, 집중호우의 빈도와 강도가 증가하면서 하천 만곡부에서 발생하는 세굴과 제방 파괴 위험이 크게 증대되고 있다. 따라서 저낙차 보와 같은 횡단 수공구조물이 설치된 조절 하천에서는 하상변동에 대한 정량적 이해가 중요해지고 있다. 그러나 기존 연구는 만곡부의 편수위, 세굴 특성, 수중위어의 국부세굴, 보, 교량 세굴 등 개별 구조물에 초점을 두는 경우가 대부분으로, 만곡부 내에서 저낙차 보의 설치 위치를 주요 변수로 설정하여 이동상 조건에서 하상변동을 종합적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 90° 만곡 개수로를 대상으로 보의 설치 위치(입구부, 출구부, 입ㆍ출구부 동시 설치)와 유량 조건에 따른 하상변동 및 세굴 특성을 규명하고, 유량 변화보다 구조물 설치 위치가 세굴 특성에 더 지배적인지 여부를 분석하며, 국내 설계 관행의 타당성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 강원, 충청, 경북 지역 25개 지방하천, 52개 보를 대상으로 만곡각과 곡률반경, 제내지 이용 형태, 만곡부 내 보 설치 위치 및 만곡 중심과의 이격거리 등을 분석하여 실제 하천에서의 설치 경향과 형태학적 취약성을 파악하였다. 이러한 현장 특성을 반영하여 폭 1.165m의 직사각형 단면, 외측 기준 곡률반경 3.25m의 90° 만곡 개수로 이동상 수리실험 장치를 구축하고, 평균입경 3.3mm 잔자갈을 포설한 조건에서 보 설치 조건(A: Wu, B: Wud, C: Wd)와 유량(52, 57, 62L/s)을 조합한 수리실험을 하였다. 상ㆍ하류 직선부와 만곡부의 경사를 조정하여 Froude 수 0.5~0.8 범위의 흐름 조건을 구현하고, Manning 식을 이용해 역산한 조도계수는 n≈0.045로 산지하천 자갈 및 조약돌 하상의 대표 범위와 유사한 수준으로 나타났다. 표면유속 시각화, 3D Laser Scanner를 이용한 하상고 계측, 각도별(0°∼90°, 15° 간격) 세굴심 분석, 무차원 세굴심과 상류부 입도분포 변동을 통해 만곡부 내 흐름 구조와 하상변동을 정량적으로 평가하였다. 실험 결과, 모든 조건에서 만곡부 외측 제방 인근 세굴과 내측 퇴적이라는 전형적인 하상변동 패턴이 나타났으나, 세굴심의 크기와 범위, 최대세굴 발생 위치는 Froude 수보다 보 설치 위치에 의해 더 크게 지배되는 것으로 확인되었다. 입ㆍ출구부에 동시에 보를 설치한 B조건(Wud)의 평균 최대세굴심은 약 0.122m로 가장 완화된 반면, 출구부에만 보를 설치한 C조건(Wd)는 Froude 수가 상대적으로 낮음에도 45°지점에서 약 0.146m의 최대세굴심이 발생하여 하상안정 측면에서 가장 불리한 조건으로 나타났다. 입구부 설치 A조건(Wu)에서는 만곡부 최대세굴심은 B조건과 유사하였으나, 입도분포 변동에서 다소 차이를 보였다. 또한 보 설치 위치에 따라 하상재료의 균등계수(Cu) 및 공간적 분급 특성이 뚜렷하게 달라졌으며, B조건은 대체로 균등한 입도분포를 유지하며 하상안정에 가장 유리한 조건으로 평가되었다. 이러한 결과는 만곡부 하류에 보를 설치하는 하천설계기준의 권장사항이 만곡부 중앙부(45° 인근)의 세굴을 오히려 심화시킬 수 있음을 시사하며, 만곡부 입구부 또는 입ㆍ출구부 동시 설치를 통해 상ㆍ하류를 연계적으로 제어하고, 세굴 집중 구간(45°∼60°)에 선택적 하상보호공을 병행하는 것이 보다 합리적인 설계 대안이 될 수 있음을 보여준다. 본 연구는 90° 만곡 개수로 이동상 수리실험을 통해 저낙차 보의 입지 조건과 하상변동의 인과관계를 실험적으로 규명함으로써, 향후 하천설계기준에서 만곡부 보 설치 및 하상보호공 설계의 개선을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
more초록/요약 도움말
Due to climate change, the frequency and intensity of typhoons and localized heavy rainfall have increased, amplifying the risk of scour and levee failure in river bends. In regulated rivers where transverse hydraulic structures such as low weirs are installed, quantitative understanding of bed deformation has therefore become increasingly important. However, most previous studies have focused on individual elements—such as water-surface slope and scour in bends, local scour around submerged weirs, and scour at weirs or bridge piers in straight channels—rather than comprehensively analyzing bed deformation under mobile-bed conditions while explicitly treating the longitudinal location of low weirs within a bend as a key design variable. This study aims to clarify bed deformation and scour characteristics in a 90° channel bend under different low weir locations (inlet, outlet, and simultaneous inlet–outlet installation) and flow conditions, examine whether the structure location exerts a stronger control on scour than changes in discharge, and evaluate the validity of current domestic design practices. A field survey was first conducted on 52 low weirs located in 25 local rivers in the Gangwon, Chungcheong, and Gyeongbuk regions. Bending angle, radius of curvature, floodplain land use, weir position within the bend, and offset distance from the bend center were analyzed to identify actual installation patterns and morphological vulnerabilities. These characteristics were then reflected in a mobile-bed hydraulic model consisting of a 90° rectangular bend flume with a width of 1.165m and an outer radius of 3.25m. Experiments were conducted with a uniform gravel bed (mean diameter 3.3mm) under three weir configurations (A : Wu, inlet; B : Wud, inlet and outlet; C : Wd, outlet) and three discharges (52, 57, 62L/s). By adjusting the slopes of the upstream and downstream straight reaches and the bend, flow conditions with a Froude number of 0.5–0.8 were reproduced. The Manning roughness coefficient estimated from the experiments was n≈0.045, comparable to typical gravel–cobble mountain streams. Bed deformation was quantified using surface-velocity visualization, bed-elevation measurements with a 3D laser scanner, scour-depth analysis at 15° intervals between 0° and 90°, dimensionless scour depth, and changes in upstream grain-size distribution. In all cases, a typical pattern of outer-bank scour and inner-bank deposition developed within the bend. However, the magnitude and spatial extent of scour, as well as the location of maximum scour, were governed more strongly by the low weir location than by the Froude number. Case B (Wud, inlet–outlet installation) exhibited the smallest mean maximum scour depth (approximately 0.122m) due to the spatial dispersion of scour, whereas Case C (Wd, outlet-only installation) produced the largest maximum scour depth (approximately 0.146 m at 45°) despite having a relatively lower Froude number, indicating the least favorable condition for bed stability. Case A (Wu, inlet-only) showed a maximum scour depth similar to Case B but exhibited greater variation in grain-size distribution. In addition, the coefficient of uniformity (Cu) and spatial sorting of bed material differed markedly with weir location, with Case B generally maintaining a more uniform grain-size distribution and providing the most favorable condition for bed stability. These findings suggest that the current design recommendation of installing low weirs at the downstream part of a bend may, in some cases, intensify scour near the bend center (around 45°). As a more rational alternative, installing low weirs at the bend inlet or at both the inlet and outlet in combination, and providing selective bed protection works within the scour-prone zone (45°–60°), can more effectively integrate control of the upstream and downstream reaches while mitigating localized scour. By experimentally elucidating the causal relationship between the longitudinal location of low weirs and bed deformation in a 90° bend under mobile-bed conditions, this study provides fundamental data for improving future river design guidelines on low weir placement and bed protection design in river bends.
more목차 도움말
제1장 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.1.1 연구배경 1
1.1.2 연구의 필요성 4
1.1.3 연구목적 6
1.2 연구동향 8
1.2.1 국외 연구동향 8
1.2.2 국내 연구동향 16
1.3 연구내용 및 방법 21
제2장 하천 만곡부의 수리 특성 24
2.1 하천 만곡부의 기하학적 특성 24
2.2 하천 만곡부의 흐름 특성 27
2.3 하천 만곡부의 편수위 29
2.4 하천 만곡부의 세굴 36
2.5 하천 만곡부의 횡단 수공구조물 43
제3장 하천 만곡부의 횡단 수공구조물 입지 및 형태학적 특성 48
3.1 만곡부의 횡단 수공구조물 조사 48
3.2 만곡부의 횡단 수공구조물 특성분석 54
3.2.1 횡단 수공구조물 입지 및 형태학적 특성분석 54
3.2.2 횡단 수공구조물 수리 특성분석 60
3.3 소결 71
제4장 90° 만곡 개수로 이동상 수리실험 75
4.1 실험시설 및 장비 75
4.1.1 수리실험 장치 75
4.1.2 측정장치 80
4.1.3 하상재료 82
4.2 실험조건 84
4.2.1 실험 조건 및 시나리오 84
4.2.2 실험 방법 86
가. 보 위치 86
나. 하상재료 및 하상경사 88
다. 유량 88
라. 유속 89
마. 하상변동 90
바. 수온 92
사. 조도계수 92
4.3 실험결과 94
4.3.1 초기 하상 경사 및 입도 분포 조건 94
4.3.2 수리실험 결과 96
4.4 소결 101
제5장 횡단 수공구조물이 만곡부의 하상변동에 미치는 반응 특성 105
5.1 수리실험 시나리오 조건에 따른 설정 105
5.2 하상변동에 대한 횡단 수공구조물의 영향 106
5.2.1 3D Laser Scanner 영상 분석 106
5.2.2 수리실험 유속분포 113
5.2.3 수리 특성과 하상변동 116
가. 무차원 세굴심과 Froude 수 116
나. 보 설치 조건에 따른 상류부 유사 공급 특성 분석 120
다. 한계마찰속도 산정 124
라. 유량에 따른 하상 입도분포 변동 126
5.2.4 만곡부 하상변동에 따른 최대세굴심 분석 136
가. 각도별 세굴심 깊이 비교 136
나. 만곡부 60°지점 시간에 따른 세굴심 변동 149
다. 시간 경과에 따른 연속적 세굴ㆍ퇴적 변동 분석 154
라. 거리에 따른 세굴ㆍ퇴적 변동 분석 166
마. 만곡부 최대세굴심 비교 분석 171
바. 직선수로와 만곡부 최대세굴심 비교 분석 173
5.3 소결 181
제6장 고찰 186
제7장 결론 190
참고문헌 195
Abstract 204
