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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(2); 2016 > Article
HEC-RAS 및 HEC-6를 이용한 낙차공 평가 및 제방설계 방안

Abstract

Drop structure prevents variation of river bed caused by bed erosion and deposition. However, discontinuous river flow and waterlevel difference between upstream and downstream can occurs in near the drop structure. Without proper assessment, therefore, unalleviated upstream water level by the drop structure may cause flooding in interior area and levee breaks at the downstream. It would be a simple solution to make higher levees, however, stream longitudinal slope will increase rapidly. This will cause decline of levee usability and additional economic and time loss. In this study, evaluation of flood water level at the drop structure and, prediction of river-bed change are analyzed using HEC-RAS and HEC-6. Based on this study, we propose hydraulic characteristic about height and relocation of existing drop structure, and rational design of levee. Assessment method and procedures of stream crossing facilities systematizing might be provide efficient river design and plan for related field expert.

요지

낙차공은 세굴 또는 퇴적으로 인해 발생할 수 있는 하상변동을 방지하여 치수적인 안정성 확보를 목표로 한다. 낙차공 설치지점에서는 불연속적인 하천흐름이 발생하며 상·하류부의 수위차가 크게 발생한다. 따라서 상·하류부의 수위변화나 하상변동 평가 없이 설치될 경우 상류구간의 수위가 낙차공의 영향으로 인해 상류의 흐름이 제한되어 수위가 높아지므로 제내지 침수 및 제방붕괴를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 단순히 높은 제방을 설치한다면 제방종단경사가 급격하게 커지게 된다. 이는 제방의 활용성이 낮아질 수 있으며 제방종단경사 완화를 위한 추가적인 경제적, 시간적 비용 손실이 초래될 가능성이 있다. 본 연구에서는 경기도 양평군 덕평천의 낙차공을 대상으로 HEC-RAS를 이용하여 낙차공 상·하류부에 대한 홍수위 평가를 실시하였다. 또한, HEC-6 모형을 이용해 장래 하상변동을 모의하였다. 이들 결과를 바탕으로 낙차공 높이와 기설 낙차공 존치 여부에 따른 수리특성을 검토하고, 제방설계 방안을 제시하였다. 이러한 하천횡단시설물에 대한 평가 방법 및 절차를 체계화 한다면 향후 효과적인 하천설계 및 계획에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

하천에서 흐르는 수자원의 효율적인 이용과 호우 시 발생할 수 있는 홍수에 대한 대비를 위해 다양한 하천 횡단 시설물이 설치된다. 대표적으로 교량, 취수보, 낙차공, 여울, 복개BOX등이 있다. 이러한 시설물들은 하천에서 흐르는 물의 흐름에 많은 영향을 미친다. 이 중 우리가 하천에서 흔히 볼 수 있는 취수보와 낙차공은 그 형태가 유사하지만 각각의 설치목적이상이하다. 먼저 취수보는 하천수의 이용을 목적으로 설치되는 시설물이며 낙차공은 세굴 또는 퇴적으로 인해 발생할 수 있는 하상변동을 방지하여 치수적인 안정성 확보를 목표로 한다. 도심지역은 광역상수도 또는 지방상수도를 사용하지만 상류에 저수지가 존재하지 않거나 관개시설이 부족한 지역에 위치한 농경지에서는 하천에 취수보를 설치하여 수자원을 활용한다. 이때 취수보의 높이는 하천수의 사용이 예상되는 몽리지역의 면적에 따라 결정된다. 반면 낙차공은 하상유지를 목적으로 하천경사가 큰 구간에 도입되며 일정간격을 두고 계단식으로 설치되는 경우가 많다. 낙차공 설치 시 높이는 해당 하천의 경사 등 다양한 여건을 고려하여 결정되며 그 높이가 최대 1 m 이상이 되는 경우도 있다. 취수보와 낙차공 설치는 하천의 수위에 큰 영향을 미친다. 설치지점에서 와류 등불연속적인 하천흐름이 발생하며 상·하류부의 수위차가 크게 발생할 수도 있다. 따라서 취수보와 낙차공이 상·하류부의 수위변화나 하상변동의 평가 없이 설치될 경우 상류구간의 수위가 취수보나 낙차공의 영향으로 인해 상류의 흐름이 제한되어 수위가 높아지므로 제방을 월류하여 제내지 침수 및 제방붕괴를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하지 않고, 단순히 높은 제방을 설치한다면 낙차공 상·하류단제방종단경사가 급격하게 커지게 된다. 이는 제방 둑마루를 농로, 진입로, 자전거도로 등 다른 목적으로서의 활용성이 낮아질 수 있으며 이를 위해 제방종단경사 완화를 위한 추가적인 경제적, 시간적 비용 손실이 초래될 가능성이 있는 것이 사실이다. 또한, 하천경사가 급한 구간에서 낙차공 등 하상유지시설이 설치되지 못할 경우, 하상의 급격한 세굴 또는 퇴적으로 인한 다양한 문제가 발생할 수 있다.
하천 내에서 다양한 원인으로 발생할 수 있는 수리특성 및 하상의 변동에 관한 연구에 대해 조사 및 참고하였다. 김이현 등(2003)은 교량건설로 인한 배수위 상승 및 하상준설로 인한 홍수위 하강에 대해 분석하였다. 홍수위 분석은 에너지 방법, 운동량 평형방법 및 Yarnell 방법으로 방법별, 빈도별, 단면적 별로 산정하였다. 김지선 등(2009)은 한강과 평창강이 만나는 합류부 상류 영월지점에서 발생하는 홍수위의 배수영향을 분석하기 위하여 동역학적 흐름해석 모형을 구축하였다. 구축된 모형을 사용하여 본류 및 지류의 다양한 유입량 조건이 발생할 경우, 영월지점에서 발생 가능한 수위-유량 관계곡선의 변화를 살펴보고, 지류 유입에 따른 홍수위의 영향범위를 분석하였다. 정상만 등(2009)은 세종시 금강 구간을 대상으로 200년 빈도 홍수량에 대하여 수치해석을 실시하였으며, 1차원 HEC-RAS와 2차원 FESWMS 모형을 이용하여 수위유지시설의 설치 높이에 따른 홍수위 변화를 비교 분석하였다. 조홍제 등(2010)은 1차원 HEC-RAS 모형과 2차원 SMS 모형의RMA2 모형을 이용하여 교량밀집과 지천유입에 따른 흐름특성을 상·하류 연계하여 비교·분석하였으며, SMS 모형의 SED2D 모형을 이용하여 같은 구간에 대한 하상변동 양상을 분석하였다. 이원호(2013)는 2차원 모형을 이용하여 하천시설물 설치에 따라 미치는 수리영향을 분석하였다. 정안철 등(2015)은 보의 수문운영 방식에 따라 유량이 변화하여 하상변동 및 유사이동 형태의 변화 가능성이 있다고 판단하여 다기능보의 수문운영에 따른 장기 하상변동을 금강유역을 중심으로 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 경기도 양평군 덕평천을 대상으로 해당 하천에 존재하는 하천횡단시설물에 대한 현황을 파악하였다. 이중 하상유지시설인 낙차공을 대상으로 HEC-RAS를 이용하여 계획홍수량 발생 시 낙차공 상·하류부에 대한 홍수위 평가를 실시하였다. 또한, HEC-6 모형을 이용해 대상 낙차공이 없을 경우를 가정하여 장래 하상변동을 모의하였다. 이들 결과를 바탕으로 기설 낙차공이 필요한 경우 HEC-RAS를 이용하여 낙차공 높이에 따른 수리특성을 검토하고, 홍수위가 제내지 표고보다 높을 경우 요구되는 제방높이와 상·하류부 구간의 제방종단경사를 산정하였다. 만약 제방종단경사가 상당히 급해 이를 완화할 경우 추가적으로 필요한 제방추가연장길이를 산정하였다. 기설 낙차공이 필요 없는 경우 낙차공 각각의 존치여부를 case별로 나누어 수리특성을 분석하고, 역시홍수위가 제내지 표고보다 높을 경우 제방높이, 제방종단경사, 제방추가연장길이를 산정하였다.

2. 기본이론

2.1 HEC-RAS

미육군공병단의 수공학센터(Hydrologic Engineering Center)에서 개발된 HEC-RAS 모형은 상류, 사류 및 혼합흐름영역등의 수면곡선을 계산하는 프로그램이다. 이 모형은 정상류상태의 점변류 수면곡선의 계산, 부정류, 유사현상 해석과 교량, 암거, 위어, 홍수터의 구조물과 같은 여러 수공구조물의영향을 수면곡선 계산에 반영하는 기능을 갖춘 종합 하천 해석 시스템이다. HEC-RAS 모형은 HEC-2 모형의 확장된 시스템으로 HEC-2 모형과 비교하여 하나의 과제에 대한 입력자료들을 일괄 처리하여 자료관리, 결과도시, 애니메이션 기능 등 사용자의 편의와 작업시간을 최소화 할 수 있는 GUI를 활용하고, HEC-HMS, GIS 등 다른 프로그램과의 연계성도 강화되었다. HEC-RAS 모형은 표준축차계산법인 1차원 부등류 모형과 동역학적인 모형인 UNET모형으로 구분할 수 있고, 1차원 부정류 해석을 위한 지배방정식은 연속방정식과 운동량 방정식으로 다음과 같다. 지배체적에서의 유입 및 유출질량의 차이는 저류량의 변화율과 같으므로 연속방정식은 질량보존의 원리에 따라 다음과 같이 된다.
At+St+Qxq1=0
여기서, x는 하도길이, t는 시간, Q는 유량, A는 단면적, S는 저류량, q1는 단위길이당 측방유입량이다. 위의 방정식을 수로와 홍수터에 대하여 표현하면 다음과 같다.
Qcxc+Act=qf, Qfxf+Aft+St=qc+ql
여기서, 첨자 cf는 각각 수로와 홍수터를 의미하며 qc, qf는 수로와 홍수터 사이를 이동하는 유량이다. 상기의 미분방정식을 음해유한차분법을 이용해서 차분화 시키면 다음과 같다.
ΔQcΔxc+ΔAcΔt=q¯f
ΔQfΔxf+ΔAfΔt+ΔSΔt=q¯c+q¯l
교환된 질량이 Δxcqc = −qfΔxf이므로, 위의 두 식을 합하고 정리하면 다음과 같다.
ΔQ+ΔAcΔtΔxc+ΔAfΔtΔxf+ΔSΔtΔxfQ¯t=0
지배체적에 작용하는 외력의 합은 운동량의 변화율과 같다는 뉴톤의 제2법칙에 따라 압력항과 중력항 및 마찰항을 고려한 운동량의 방정식은 다음과 같다.
Qt+QVx+gA(zx+Sf)=0
Qct+QcVcxc+gAc(zxc+Sfc)=Mf
Qft+QfVfxf+gAf(zxf+Sff)=Mc
여기서, McMf는 각각 수로와 홍수터 사이에서 단위길이당 교환된 운동량의 유동이며, 유수의 방향과 직각인 단면의 수면은 수평이라는 가정하에 수면고에 대한 첨자구분은 없고, 즉, 주어진 단면에서 수로와 홍수터의 수면고는 동일하다. 위의 식을 유한차분형태로 나타내면,
ΔQcΔt+Δ(QcVc)Δxc+gA¯c(ΔzΔxc+S¯fc)=Mf
ΔQfΔt+Δ(QfVf)Δxf+gA¯f(ΔzΔxf+S¯ff)=Mc
여기서 ΔxcMc = −ΔxfMf이므로, 위 식을 정리하면 다음과 같다.
ΔQcxc+QfΔxfΔt+Δ(VcQc)+Δ(VfQf)+g(A¯c+A¯f)Δz+gA¯cS¯fcΔxc+gA¯fS¯ffΔxf=0
위 식에서 마지막 두 항은 제방으로부터 유체에 작용하는 마찰력이며 아래와 같이 표현할 수 있다.
gA¯S¯fΔxe=gA¯cS¯fcΔxc+gA¯fS¯ffΔxf
여기서, Δxe는 등유적, S¯f는 단면 전체에 대한 마찰경사, A¯=A¯c+A¯f 또한 유속분포계수를 정의하여 대류항을 정리하면 다음과 같고,
β=(Vc2Ac+Vf2Af)V2A=(VcQc+VfQf)QA
Δ(βVQ)=Δ(VcAc)+Δ(VfQf)
운동량 방정식의 최종 형태는 다음과 같다.
Δ(QcΔxc+QfΔxf)ΔtΔxc+Δ(βVQ)Δxe+gA¯(ΔzΔxe+S¯f)=0

2.2 HEC-6

HEC-6 모형은 하천과 저수지에서 세굴과 퇴적을 계산하기 위한 전산프로그램으로써 미국 공병단 수문센터의 W.A. Thomas 등에 의해 1973년에 처음 개발되었고, 1977년에 대폭적으로 개선되었다. HEC-6 모형은 하천이나 얕은 저수지의 세굴 및 퇴적을 분석하기 위한 것으로서 1차원 준부정류 모형이며 연속방정식과 에너지 방정식을 표준축차법으로 계산하고, 수리계산과 유사계산의 비조합(Uncoupled)모형이다. 이 모형은 저수지 내의 유사퇴적량과 퇴적위치를 분석 가능하고, 댐 하류 하천의 하상의 상승 및 저하분석, 하상의 장갑화 효과를 고려한다. 각 단면은 이동상과 고정상으로 구분되며, 하상의 상승 및 저하는 이동상 부분이 같은 높이로 변동된다고 가정한다. 또한, 유사량 계산은 Toffaleti 공식, Laursen공식, Yang 공식, 실측유사량공식 등 최대 12개까지 사용하며, 유량에 따른 하천 유동폭의 결정으로 유사퇴적 및 세굴의 측정방법을 자동으로 결정하고, 미립토사의 재부유허용, 화상출력 및 자료정리가 용이한 HEC-DSS/DISPLAY 파일을 제공하는 것과 같은 주요 특징이 있다. 또한, HEC-6 모형은 하천단면의 수, 각 단면 간의 거리, 지류의 위치 및 각 단면의 횡단좌표와 이동상 부분, 이동상 하상의 깊이, 준설량, 조도계수와 유사량 자료, 하상토 입경분표, 유사의 특성을 포함한 상류단과 지류의 유입수문곡선, 하류단 경계조건, 수온 등의 입력자료를 필요로 한다. HEC-6 모형은 일차원류의 연속방정식과 에너지 방정식을 HEC-RAS 모형과 같이 표준축차법으로 계산하여 각 단면의 수심, 하폭, 에너지경사 등 기본적인 수리량을 계산한다. 마찰손실은 Manning 공식에 의하며, 단면의 급확대 또는 급축소에 의한 수두손실은 손실계수를 이용하여 계산한다. 그 다음 각 단면별로 유사량을 계산하고 이 값을 유사의 연속방정식에 다음 식과 같이 유한차분 형태로 적용하여 하상의 변화량을 구한다.
(QSRQSL)0.5(XLXR)+B(ZP'ZP)Δ=0
ZP'=ZP+Δt0.5B(QSRQSL)(XLXR)
여기서 QSR은 (i+1) 단면의 유사량, QSL은 (i-1) 단면의 유사량, Zp는 (n+1)Δt 시간의 i 단면의 이동상 하상의 두께, ZpnΔt 시간의 i 단면의 이동상 하상의 두께, XL은 (i-1) 단면과 i단면 사의의 거리 및 XRi 단면과 (i+1) 단면사이의 거리이다. 위 식에서 하상토의 공극률은 일반적으로 0.5로 가정하고 있으며, 유사량은 각 시간간격의 처음에 계산되고, 하상변화 계산 시에는 재계산되지 않는다. 그러나 장갑 효과를 고려하기 위해서 하상토의 입경분포는 재계산된다.

3. 기설 낙차공 평가

3.1 대상지역 선정

본 연구에서 기설 낙차공을 평가 및 수정하기 위해 선정한대상하천은 경기도 양평군에 위치한 덕평천이다. 덕평천은 유역면적이 9.16 km2이고, 유로연장이 6.01 km인 지방하천으로 한강에 직접 유입된다. 하상경사는 대략 1/54~1/20 정도이며 하폭은 8~32 m 정도로 중소규모에 해당한다. 유역내 행정구역상으로는 경기도 앙평군 양평읍 일부로 1도 1군 1읍 3리로 구성되어 있다. 토지이용현황은 임야가 4.46 km2로 48.68%, 경작지가 2.48 km2로 27.19%, 대지 및 기타는 2.22 km2로 24.13%를 차지하고 있는 농경지 관류 하천에 해당한다. 덕평천 현황을 그림으로 나타내면 Fig. 1과 같다.
Fig. 1
Deokpyeong-cheon
KOSHAM_16_02_445_fig_1.gif

3.2 횡단시설물 현황

덕평천에 존재하는 하천 횡단시설물에 대해 조사하였다. 덕평천에는 3.945 km의 제방이 5개소 설치되어 있으며, 하천횡단시설물로는 취수보가 2개소, 낙차공이 7개소, 교량이 19개소가 설치되어 있다. 덕평천에 설치된 하천시설물을 치수, 이수, 기타시설물로 분류한 현황은 Table 1과 같으며 이 중 하상유지목적으로 설치된 낙차공 현황, 설치지점, 제원은 Fig. 2, Table 2와 같다.
Table 1
Existing structures status in Deokpyeong-cheon
Flood Control Structure Conservation Structure etc.
Levee (km) High Water Revetment (m) Low Water Revetment (m) Drainage Structure (Unit) Water-intake Weir (Unit) Drop Structure (Unit) Bridge (Unit)
Existing Plan
3,945 3,945 400 2 20 2 7 19
Fig. 2
Drop structures in Deokpyeong-cheon
KOSHAM_16_02_445_fig_2.gif
Table 2
Drop structures status in Deokpyeong-cheon
Structure Name Station (No.) Specifications
Width (m) Height (m) Length (m)
Obin Drop Structure 1 0+258 13.2 1.00 3.4
Deokpyeong Drop Structure 1 0+789 17.4 0.30 8.0
Deokpyeong Drop Structure 2 1+487 21.8 0.80 7.5
Deokpyeong Drop Structure 3 1+921 17.0 1.75 8.5
Deokpyeong Drop Structure 4 2+210 7.8 0.50 0.6
Deokpyeong Drop Structure 5 2+232 8.2 0.50 0.6
Deokpyeong Drop Structure 6 2+246 8.3 0.50 0.6

3.3 기설 낙차공부 홍수위 평가

덕평천의 계획빈도는 50년으로 계획홍수량은 주요지점별로 92~194 m3/s이며, 남한강에 직접 유입되는 하천으로 남한강과 덕평천의 합류지점의 기점수위는 남한강의 50년 빈도에 해당하는 EL. 31.89 m로 설정하였다. 덕평천 하구로부터 상류 615 m 지점까지는 한강의 배수영향 구간에 해당하며, 대상 낙차공 중 오빈제1낙차공이 배수영향구간에 위치하고 있다.
HEC-RAS 모형 구동을 위해 덕평천의 하천횡단 자료와 7개의 기설 낙차공 제원을 반영하여 입력자료를 구축하였고, 경계조건으로는 덕평천의 계획홍수량과 기점홍수위를 적용하였다. 이를 통해 산출된 낙차공 상·하류부의 홍수위, 여기에 각 낙차공 좌·우안에 위치한 제내지의 표고와의 차를 산정한 결과는 Table 3과 같다.
Table 3
Elevation difference between water surface and interior floodplain at Drop Structure
Name Height (m) Q Total (m3/s) Minimum Bed Elevation (EL.m) Water Surface Elevation (EL.m) Interior Floodplain Elevation (EL.m) Difference of Water Surface-Interior Floodplain (m)
Down Stream Upper Stream
Down Stream Upper Stream Down Stream Upper Stream Left Right Left Right Left Right
Obin Drop Structure 1 1.00 194 26.05 26.95 31.93 31.98 32.57 33.50 0.64 1.57 0.59 1.52
Deokpyeong Drop Structure 1 0.30 125 33.20 33.40 34.89 35.62 36.02 36.33 1.13 1.44 0.40 0.71
Deokpyeong Drop Structure 2 0.80 125 44.95 45.75 46.46 47.61 49.23 48.20 2.77 1.74 1.62 0.59
Deokpyeong Drop Structure 3 1.75 125 53.25 54.75 55.82 57.10 60.00 56.65 4.18 0.83 2.90 -0.45
Deokpyeong Drop Structure 4 0.50 125 60.50 61.00 62.35 63.54 63.24 63.51 0.89 1.16 -0.30 -0.03
Deokpyeong Drop Structure 5 0.50 125 61.10 61.60 63.64 64.07 63.37 64.01 -0.27 0.37 -0.70 -0.06
Deokpyeong Drop Structure 6 0.50 125 61.65 62.15 64.08 64.68 63.98 64.18 -0.10 0.10 -0.70 -0.50
HEC-RAS 모형을 이용하여 덕평천의 낙차공 상·하류부 수위를 분석한 결과, 각 낙차공 상·하류부의 수위차가 0.05~1.28 m 정도를 나타내었다. 낙차공의 영향으로 높은 수위가 발생하는 덕평제3~6낙차공은 홍수위가 제내지 보다 높아 홍수 시 월류로 인한 홍수범람 발생이 예상되는 것으로 분석되었다. 현재 낙차공의 제원 기준으로 덕평제3~6낙차공에 제방설치 등 추가적인 대책이 필요할 것으로 판단된다.

3.4 기설 낙차공 타당성 평가

홍수위가 제내지보다 높아 홍수 시 월류로 인한 홍수범람발생 가능성이 큰 것으로 분석된 덕평제3~6낙차공을 대상으로 HEC-6 모형을 이용하여 낙차공 설치가 필요한 구간인지에 대한 평가를 실시하였다. 하천기본계획기준 측점 No.1+900~2+400 구간 내 하천횡단시설물이 존재하지 않는 다는가정 하에 장래 5년, 10년, 20년 후 하상변동에 대한 분석을 실시하였고, 그 결과는 Table 4와 같다.
Table 4
Analysis of bed variation to relocate at significance stations
Station (No.) Accumulated Distance (m) Minimum Bed Slope (EL.m) HEC-6 Minimum Bed Slope (EL.m) Note
After 5 years After 10 years After 20 years
1+900 1,900 52.89 52.89 52.84 52.74
1+921 1,921 54.75 54.73 54.75 54.75 Deokpyeong Drop Structure 3
2+000 2,000 56.31 55.26 54.95 54.80
2+030 2,030 57.00 57.00 57.00 57.00
2+060 2,060 57.69 57.73 57.74 57.77
2+100 2,100 58.41 58.17 57.92 57.83
2+200 2,200 60.40 60.53 60.56 60.51
2+210 2,210 60.50 60.58 60.64 60.63 Deokpyeong Drop Structure 4
2+232 2,232 61.10 61.10 61.12 61.12 Deokpyeong Drop Structure 5
2+246 2,246 61.65 61.65 61.65 61.65 Deokpyeong Drop Structure 6
2+300 2,300 62.98 62.98 62.98 62.97
2+390 2,390 65.35 65.35 65.35 65.35
2+400 2,400 65.30 65.42 65.49 65.60
분석결과 덕평제3낙차공의 직상류부는 현재 최심하상고가 56.31 m에서 5년 후 55.26 m, 10년 후 54.95 m, 20년 후에는 54.80 m로 대체로 큰 변동이 예상되었다. 36 m 구간에 낙차공 3개가 집중되어 있는 덕평제4~6낙차공의 직상류부는 현재 최심하상고 62.98 m에서 5년 후, 10년 후가 동일하고, 20년 후에 0.01 m 낮아질 것으로 분석되었다. 따라서 하상변동의 측면에서 덕평제3낙차공은 적절한 지점에 설치된 것으로 보이며 덕평제4~6낙차공은 추가적인 평가가 필요할 것으로 판단된다.

4. 기설 낙차공 수정

4.1 낙차공 높이에 따른 수리특성 평가 및 제방설계

4.1.1 낙차공 높이에 따른 수리특성 평가

기설 낙차공 타당성 평가에서 덕평제3낙차공은 유지되어야 하는 것으로 분석되었다. 하지만 홍수 시 월류로 인한 홍수범람 발생 가능성이 존재하여 낙차공 높이에 따른 수리특성을 평가하였고, 적정한 낙차공 높이를 추정하였다. 덕평제3낙차공을 대상으로 높이를 1.75 m에서 0.0 m까지 감소시키며 홍수위와 유속 변화를 분석을 실시하였다. 분석된 결과는 Table 5와 같다.
Table 5
Analysis of water surface elevation and velocity by modifying height (Deokpyeong Drop Structure 3)
Height (m) Q Total (m3/s) River Width (m) Water Surface Elevation (EL. m) Velocity (m3/s)
Down Stream Upper Stream
1.75 125 22 55.82 57.10 2.66~2.63
1.50 125 22 55.82 56.72 2.66~3.20
1.25 125 22 55.82 56.48 2.66~3.22
1.00 125 22 55.82 56.24 2.66~3.23
0.75 125 22 55.82 56.00 2.66~3.24
0.50 125 22 55.82 55.82 2.66~3.15
0.30 125 22 55.82 55.84 2.66~2.84
0.00 125 22 55.82 55.91 2.66~2.44
낙차공의 높이가 낮아질 경우 상류단 홍수위가 낮아지는 경향을 보였으나 낙차공 높이가 0.3 m인 경우부터 다시 상승하기 시작하였다. 덕평제3낙차공에서 우안의 제내지 지반고가 56.65 m로 낙차공의 높이를 1.25 m로 낮출 경우 하천 홍수위가 지반고보다 낮아졌다. 낙차공 높이를 0.75 m로 낮출 경우 하천설계기준의 계획홍수량별 여유고 기준(0.6 m)도 만족하였다. 낙차공 높이가 1.75 m일 경우 유속은 2.63 m3/s이나 높이가 1.50~0.50 m일 경우에는 3.15~3.24 m/s로 유속이 증가하였으며, 낙차공 높이 0.3 m에서는 유속이 2.84 m/s로 다시 감소하였다. 분석결과 현재 낙차공 높이를 낮출 여지가 충분히 존재하는 것으로 판단된다.

4.1.2 낙차공 높이에 따른 제방설계

하천 홍수위가 제내지 표고보다 높은 덕평제3낙차공 설치구간은 제방을 축조하여 홍수시 범람에 대비하여야 한다. 하천설계기준에 제방의 종단경사에 대한 별도규정은 없으나 중소하천의 경우 제방의 둑마루를 농로나 진입로, 자전거도로등과 병행하여 이용하는 경우가 많으므로 급경사 설치는 지양해야 한다. 부득이하게 제방종단경사가 커질 경우 제방의 활용 등을 고려하여 경사완화를 위한 추가적인 제방공사가 이루어져야 하며 이로 인한 추가적인 경제적, 시간적 비용 소모가 뒤따르게 된다.
본 연구에서는 하상유지를 위한 낙차공이 필요한 곳에서 상·하류단 수위차를 감소시키고, 흐름의 불연속성은 최소화한 상태에서 효율적인 제방설계를 위한 적정 낙차공 높이를 산정하였다. 덕평제3낙차공 구간을 대상으로 홍수범람 대비를 위한 제방을 설계할 경우 요구되는 상·하류단 제방종단경사를 산정하였다. 덕평천 제방설계 시 요구되는 높이는 낙차공 상류단 홍수위에 여유고 0.6 m를 고려하여 산정하였다. 제방경사가 상당히 큰 경우 이를 완화하기 위해 추가적으로 연장되어야 할 제방길이를 산정하였다. 또한, 덕평제3낙차공 높이감소에 따른 제방종단경사와 경사완화 시 필요 제방연장길이를 산정하였다. 산정된 결과는 Table 6과 같다. 덕평제3낙차공의 높이가 1.75~0.00 m까지 낮아질수록 요구되는 제방의 종단경사는 작아지는 경향을 보였다. 낙차공 높이가 현재 높이인 1.75 m인 경우 낙차공 하류 방향으로 54 m 제방을 추가로 연장하여 축조하면 종단경사를 2%로 완화할 수 있을 것으로 산정되었다. 낙차공 높이가 낮아짐에 따라 제방종단경사 및 제방종단경사 완화를 위한 제방추가연장길이가 감소하는 것으로 분석되었다.
Table 6
Redesign of levee by modifying height (Deokpyeong Drop Structure 3)
Height (m) Water Surface Elevation (EL.m) Levee Elevation (EL.m) Levee Longitudinal Slope (%) Levee Longitudinal Slope Modification
Down Stream Upper Stream Down Stream Upper Stream Levee Longitudinal Slope (%) Levee Extra Extension (m)
1.75 55.82 57.10 56.42 57.70 14.2 2.0 54
1.50 55.82 56.72 56.42 57.32 10.0 2.0 37
1.25 55.82 56.48 56.42 57.08 7.3 2.0 24
1.00 55.82 56.24 56.42 56.84 4.7 2.0 12
0.75 55.82 56.00 56.42 56.60 2.0 2.0 -
0.50 55.82 55.82 56.42 56.42 - - -
0.30 55.82 55.84 56.42 56.44 0.2 0.2 -
0.00 55.82 55.91 56.42 56.51 1.0 1.0 -

4.2 기설 낙차공 존재 유무에 따른 수리특성 평가 및 제방설계

4.2.1 기설 낙차공 존재 유무에 따른 수리특성 평가

기설 낙차공 타당성 평가에서 덕평제4~6낙차공은 하상유지를 위한 필요성이 낮게 분석되었다. 덕평천4~6낙차공은 36 m의 짧은 구간에 집중되어있어 개별적인 수리특성 평가보다 각각을 연계한 평가를 실시하였다. 따라서 낙차공 존재유무에 따라 case별로 나누어 HEC-RAS 모형을 이용하여 홍수위 및 유속을 분석하였다. 분석된 결과는 Table 7과 같다. 분석결과 case 7과 case 8에서 수위저감 효과가 가장 크게 나타났다.
Table 7
Analysis of water surface elevation and velocity to relocate drop structures
Case Drop Structure Name Q Total (m3/s) River Width (m) Water Surface Elevation (EL.m) Velocity (m3/s)
Deokpyeong Drop Structure 4 Deokpyeong Drop Structure 5 Deokpyeong Drop Structure 6 Down Stream Upper Stream
1 194 20 62.35 64.68 2.65~3.87
2 × 125 20 62.35 64.68 2.68~4.00
3 × 125 20 62.35 64.68 2.64~4.05
4 × 125 20 62.35 64.10 2.65~3.87
5 × × 125 20 62.35 64.68 2.70~4.05
6 × × 125 20 62.35 64.10 2.68~4.00
7 × × 125 20 62.35 63.65 2.64~4.05
8 × × × 125 20 62.35 63.66 3.54~4.05

4.2.2 기설 낙차공 재배치에 따른 제방설계

덕평천 36 m 구간 내 덕평제4~6낙차공 재배치에 따른 홍수위 및 유속 평가 결과에 따라 요구되는 제방종단경사와 제방추가연장길이를 산정하였다. 여기서 제방설계 시 요구되는 제방높이는 상기와 동일하게 낙차공 상류단 홍수위에 여유고 0.6 m를 고려하여 산정하였다. 분석된 결과는 Table 8과 같다.
Table 8
Redesign of levee to relocate drop structures
Case Drop Structure Name Water Surface Elevation (EL.m) Levee Elevation (EL.m) Levee Longitudinal Slope (%) Levee Longitudinal Slope Modification
Deokpyeong Drop Structure 4 Deokpyeong Drop Structure 5 Deokpyeong Drop Structure 6 Down Stream Upper Stream Down Stream Upper Stream Levee Longitudinal Slope (%) Levee Extra Extension (m)
1 62.35 64.68 62.95 65.28 6.5% 2.0% 78
2 × 62.35 64.68 62.95 65.28 6.5% 2.0% 78
3 × 62.35 64.68 62.95 65.28 6.5% 2.0% 78
4 × 62.35 64.10 62.95 64.70 4.9% 2.0% 53
5 × × 62.35 64.68 62.95 65.28 6.5% 2.0% 78
6 × × 62.35 64.10 62.95 64.70 4.9% 2.0% 53
7 × × 62.35 63.65 62.95 64.25 3.6% 2.0% 30
8 × × × 62.35 63.66 62.95 64.26 3.6% 2.0% 30
덕평제4~6낙차공의 재배치에 따른 제방 종단경사는 3.6~6.5%이며, case 7과 case 8에서 종단경사가 3.6%로 가장 완만해졌다. 낙차공의 높이를 현재 상태로 유지할 경우 하류 측의 제방높이가 높아져 편입 토지가 증가하고 경관성과 경제성이 낮아지게 될 것으로 판단된다.

5. 결론

본 연구에서는 덕평천의 기존 낙차공을 대상으로 수리특성을 평가하였다. 또한 기존 낙차공의 적정성을 평가하기 위해 하천시설물이 존재하지 않는다고 가정한 상태에서 장래하상변동을 모의하였다. 낙차공 설치가 적정한 곳에 대해서는 낙차공 높이에 따른 수리특성을 분석하여 낙차공 적정 높이를 도출하였다. 낙차공 설치가 필수적이지 않다고 분석된 곳에 대해서는 낙차공 존재 유무를 case별로 나누어 추가적인 수리특성 분석을 실시하였다. 모든 경우에 대해 홍수 시 제내지 홍수범람을 방지할 제방높이, 제방종단경사 등을 산정해 보았다. 분석결과 도출된 결론은 아래와 같다.
  • (1) 현재 덕평천 기존 낙차공 구간에 대한 홍수위 분석 결과 덕평제3~6낙차공의 상류부 홍수위가 제내지보다 0.03~0.7 m높아 홍수범람에 취약한 것으로 분석되었다.

  • (2) HEC-6 모형을 이용하여 5년 후, 10년 후, 20년 후 장래하상변동을 모의한 결과 덕평제3낙차공의 직하류 하상변동이 각각 1.05 m, 1.36 m, 1.51 m 있을 것으로 예상되어 하상유지를 위해 필요한 것으로 분석되었다. 덕평제4~6낙차공은 직상류부 하상이 20년 후 0.01 m만이 변동이 있을 것으로 모의되어 낙차공 설치 필요성이 적은 것으로 판단된다.

  • (3) 덕평제3낙차공의 현재 높이 1.75 m를 유지할 경우 계획빈도 홍수발생 시 제내지 범람이 우려되는 것으로 분석되었다. 따라서 낙차공 높이 감소에 따른 수리특성을 분석한 결과1.5 m 이하로 감소시켜도 큰 문제가 없는 것으로 분석되었다. 특히 0.75 m 이하부터는 계획 홍수위 대비 0.6 m 이상의 여유고도 추가로 확보할 수 있었다.

  • (4) 덕평제3낙차공 구간에 제방을 설계할 경우 현재 높이 1.75 m 기준으로 제방높이는 상류부 57.70 m, 하류부 56.42m가 적정하였고, 이 경우 제방종단경사는 14.2%로 상당히 크게 산정되었다. 이를 2%로 완화하기 위해서 54 m의 추가적인 제방길이 연장이 필요한 것으로 산정되었다. 제방 높이를 낮출 경우 제방높이, 제방종단경사, 제방추가연장길이 모두 감소하는 경향을 보였다.

  • (5) 덕평제4~6낙차공 존재유무에 따른 case별 수리특성 분석 결과 덕평제4낙차공만을 유지하는 경우와 모두 제거하는 경우 직상류부 홍수위가 63.65 m로 수위저감효과가 가장 큰 것으로 분석되었다.

  • (6) 제방설계 시 덕평제4낙차공만을 유지하는 경우와 덕평제4~6낙차공을 모두 제거하는 경우에 제방높이가 가장 낮고, 제방종단경사가 3.6%로 가장 완만하였으며 2% 완화 시 요구되는 제방추가연장길이가 30 m로 가장 작게 산정되었다.

  • (7) 모든 결과를 종합해보면 덕평제3낙차공은 존치 후 낙차공 높이를 1.5 m 이하로 감소시키고, 덕평제4~6낙차공은 덕평제4낙차공만을 존치하거나 모두 제거할 경우 수리특성 안정과 하상유지, 제방설계의 효율적 측면에서 타당성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

  • (8) 본 연구에서의 하천횡단시설물에 대한 평가 방법 및 절차를 체계화 한다면 향후 효과적인 하천설계 및 계획에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 자연재해저감기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임[MPSS-자연-2013-62].

References

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2. Kim, J.S, Kim, S.H, Kim, K.S, and Kim, W (2009) Analysis of Flood Stage in a Confluence using the Dynamic Numerical Model. Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol. 29, No. No. 5B, pp. 453-461.

3. Jeong, S.M, Park, C.S, Lee, J.H, and Shin, K.S (2009) Flood Water Level Changes Analyses for the Construction of a Small Dam - Focused on the Geum River Reach in Sejong City. Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 2, No. No. 9, pp. 59-68.

4. Jeon, W.Y (2011) Flow Characteristics and Riverbed Change Simulation on Bridge-intensive Section.

5. Lee, W.H (2013) Hydraulic Influence Analysis of influence by Stream Structure using 2-Dimensional Model. Journal of Korea National University of Transportation, Vol. 48, pp. 131-135.

6. Jeong, A.C, and Jung, K.S (2015) Analysis of Long-Term River-bed-Level and Flood Stage Variation due to Water Gate Operation of Multi-functional Weirs at Geum River. Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 48, No. No. 5, pp. 379-391. 10.3741/JKWRA.2015.48.5.379.
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