입자 혼합비율과 사면 경사에 따른 입상 충돌 유동이 지반 침식 및 이송에 미치는 영향에 대한 실험적 연구 : 입자 혼합비율과 사면 경사에 따른 입상 충돌 유동이 지반 침식 및 이송에 미치는 영향에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Effects of Particle Mixing Ratio and Slope Inclination on Granular Impact Flow, Ground Erosion, and Sediment Transport
- 주제(키워드) 도움말 입상 충돌 , 레이저 스캐닝 , 침식 , 실내 모형 실험 , 입자 혼합
- 발행기관 국립강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 윤찬영
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 스마트인프라방재
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012397
- UCI I804:42001-000000012397
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
국내·외에서는 최근 기후변화로 인한 국지성 집중호우 증가로 사면 재해 발생이 빈번해지고 있다. 산지 정상부에서 시작된 토석류는 계곡부를 따라 퇴적물을 동반하고 하상 퇴적부를 침식시키면서 부피가 증가하여 하류부에 큰 충격에너지를 전달할 수 있어, 인구밀도가 높은 산지 하부 도심지에 심각한 피해를 초래할 수 있다. 토석류의 유동 과정에서 유발되는 부피 증가는 이동 거리 및 운동 에너지 증가로 이어지면서 하류부에 많은 양의 토사를 퇴적시켜 피해 규모를 증가시킬 수 있으나, 이 유동 과정에서 점진적인 침식과 연행에 의한 토석류의 성장 메커니즘은 아직 명확하지 않으며, 토석류의 발생으로부터 그 영향과 퇴적 범위를 추정하기는 매우 어렵다. 선단부에는 다량의 거석(Boulder)과 굵은 입자(Coarse grain)를 동반하는 흐름 특성을 보이며, 이러한 거석과 굵은 입자들을 동반한 토석류의 선단부가 많은 양의 침식을 유발하는 것으로 알려져 있다. 이때, 흐름 선단부의 입자크기와 혼합비에 따라 그 흐름 특성과 침식 양상이 크게 달라지며, 토석류의 선단부가 계곡부를 통과하는 동안 많은 침식을 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한, 충돌 응력에 의해 유발된 침식은 토석류와 침식층 간 경계면에 가해지는 하중이 입자의 유동 속도에 영향을 받기 때문에 그 강도와 범위가 달라질 수 있다. 하지만, 토석류의 유동체 전단응력이나 선단부의 충돌 응력이 지반 침식을 지배한지는 아직까지는 불문하며, 이를 정량적으로 분석한 연구 사례는 거의 전무하다. 이에 본 연구에서는 소형 수로 실험을 통해 입자 혼합비율과 사면 경사 변화가 입상 충돌 유동의 침식 및 이송 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 5mm, 60mm 글라스 비즈를 이용하여 단일 및 혼합 흐름을 모사하고, 수로 경사를 25°와 30°로 변화시키며 실험을 진행하였다. 고속 카메라를 활용하여 흐름 거동을 촬영하고, PIV 분석을 통하여 흐름 속도를 측정하였다. 그 결과, 경사 25°에서는 60mm 입자량이 증가할 때 흐름 속도와 토사 이송량이 크게 나타났으며, 5mm 입자량이 감소하면 흐름 속도와 토사의 이송량이 감소하였다. 경사 30°에서는 5mm 입자 혼합에 따른 흐름 속도와 이송량의 비선형적인 관계를 확인하였다. 또한 침식 깊이는 입자크기 구성과 혼합비 변화에 크게 영향을 받는 것으로 확인되었으며, 5mm 입자가 증가할수록 침식 깊이가 증가하고, 60mm 입자가 증가할수록 침식 깊이는 감소하였다. 흐름 후 지표면 레이저 스캐닝 분석 결과, 경사 25°에서는 5mm 입자량이 증가할수록 퇴적이 우세해졌다. 반면, 경사 30°에서는 5mm 입자가 증가할수록 상류부 침식과 하류부 퇴적의 대비가 더욱 뚜렷해졌다. 이를 통해 입자 혼합비와 경사가 입상 충돌 유동의 이송 효율과 침식 규모를 결정하는 것을 확인하였다.
more초록/요약 도움말
Recent increases in localized extreme rainfall due to climate change have intensified the occurrence of slope hazards worldwide. Debris flows that initiate from mountain ridges entrain sediments along valley channels and erode channel beds, resulting in substantial volume growth and transmitting high impact forces to downstream areas. This process can cause severe damage, particularly in densely populated urban zones located at the foot of mountainous regions. Although such volume enlargement during debris‐flow motion contributes to longer travel distances and higher kinetic energy, the progressive erosion and entrainment mechanisms governing debris‐flow growth remain unclear, making it difficult to accurately estimate the extent of erosion and deposition. The debris-flow front commonly transports large boulders and coarse particles, which are known to induce significant erosion. The flow behavior and associated erosion patterns vary greatly depending on the particle size and mixing ratio at the flow front, and substantial erosion often occurs as the front travels through confined channel sections. Moreover, erosion induced by collisional stresses is influenced by particle impact velocity, which affects both the magnitude and spatial distribution of bed disturbance. However, it still remains uncertain whether internal shear stress or frontal impact stress primarily governs bed erosion, and quantitative experimental studies on this topic are scarce. In this study, small-scale flume experiments were performed to investigate the effects of particle mixing ratio and slope inclination on erosion and transport characteristics in collision-dominated granular flows. Experiments were conducted using 5mm and 60mm glass beads under single- and mixed-grain conditions, with flume inclinations of 25° and 30°. High-speed imaging and PIV analysis were employed to measure flow velocity. The results show that at a 25° slope, increasing the proportion of 60mm particles led to higher flow velocities and transported mass, whereas a reduction in 5mm particles decreased both flow velocity and transported mass. At a 30° slope, a nonlinear relationship between flow velocity and transported mass was observed depending on the amount of 5mm particles. Erosion depth was strongly governed by particle-size composition; it increased as the proportion of 5mm particles rose and decreased when 60mm particles dominated. Post-flow laser surface scanning further revealed that deposition became dominant with increasing 5mm content at the 25° slope, while at the 30° slope, the contrast between upstream erosion and downstream deposition intensified as the proportion of 5mm particles increased. These findings demonstrate that particle mixing ratio and slope inclination jointly control the transport efficiency and erosion magnitude of collision-driven granular flows.
more목차 도움말
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 내용 및 방법 2
제 2 장 문헌 고찰 3
2.1 입상 충돌 유동의 정의 3
2.2 국내·외 입상 충돌 실험 5
제 3 장 입상 충돌 유동 실내 모형 실험 8
3.1 소형 수로 모형 실험 장비 구축 8
3.2 실험 조건 10
3.2.1 소형 수로 실험의 상사성 10
3.2.2 기본 물성 실험 12
3.3 실험 방법 13
제 4 장 입상 충돌 유동 실험 및 분석 결과 15
4.1 실험 결과 15
4.1.1 흐름 거동 15
4.1.2 흐름 속도 22
4.1.3 토사 이송량 26
4.1.4 침식 깊이 32
4.1.5 지형 변화 37
제 5 장 결론 40
제 6 장 참고문헌 43
