수리모형실험을 통한 송도 워터프런트 남1 수문의 수리학적 특성 분석 = Hydraulic Characterization of the Songdo Waterfront Nam-1 Sluice Gate through Physical Model Experiment

국문 초록 (Abstract)

송도 워터프런트 사업은 해수 순환을 통해 수질 개선과 방재 기능을 수행하는 핵심 기반 시설이다. 그러나 수문 개방 시 발생하는 고속 토출류는 하류부의 국부 세굴과 구조적 불안정을 유발할 수 있어, 이에 대한 수리학적 검토가 필수적이다. 이에 본 연구는 송도 워터프런트 남1 수문을 대상으로 1:50 축척의 자유수면 수리모형을 구축하고, 하류부의 유동 특성을 정량적으로 규명하였다.
실험을 위해 실제 지형을 정밀하게 반영한 수조와 상류 유량조절조-하류 가변 위어 체계를 구축하였으며, 수문 직 하류 4m 구간 내 총 180개 지점의 고밀도 격자망에서 유속과 수심을 정밀 계측하였다. 운영 시나리오는 외해 조위와 유수지 수위 차()에 의해 결정되는 실제 수문 운영조건을 반영하여, 유수지로 유입되는 평상시 조건(Case 1)과 홍수 시 서해로 방류하는 조건(Case 2)으로 구분하였다. 특히 최대 수위 차가 발생하여 유속 부하가 가장 클 것으로 예상되는 극한 조건을 포함하여 시나리오별 수리학적 거동을 비교·분석하였다. 분석 체계는 평면 분포, 횡단·종단 지표, Froude 수() 기반의 흐름 특성, 그리고 바닥 전단응력() 산정을 통한 하상 부하 검토로 구성하였다.
연구 결과, 평상시 유입(Case 1) 조건에서 형성되는 고속 제트가 우안 방향으로 편향됨을 확인하였다. 홍수 시 방류(Case 2) 조건의 경우 높은 하류 수심의 영향으로 전반적으로 낮은 유속과 균일한 분포를 보였다. Froude 수의 종 방향 변화를 분석한 결과, 모든 조건에서 의 상류 상태가 유지되었다. 전단응력 분석 결과, 약최고 고조위 조건인 Case 1-4에서 최대 유속과 전단응력 규모 측면에서 가장 가혹한 지배 조건으로 식별되었다.
종합하면, 남1 수문 하류부는 전반적으로 도수가 없는 흐름을 유지하나, 우안 직 하류의 고 전단 영역에 대해서는 우선적인 모니터링이 요구된다. 본 연구는 물리 모형실험을 통해 유동의 편향성과 전단응력 분포를 정량적으로 입증하였으나, 조도 계수() 가정 및 실험 수로 길이에 따른 한계가 있다. 하지만 물리 모형실험을 통해 유동의 편향성, 지배 조건, 전단응력 분포 및 흐름의 자연적 감쇠 특성을 일관된 정량 지표로 입증했다는 점에서, 향후 수문의 운영 및 하상 유지관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Songdo Waterfront Project is a critical infrastructure initiative designed to improve water quality and enhance disaster prevention capabilities through seawater circulation. However, the high-velocity discharge generated during gate operations can induce local scour and structural instability in the downstream area, making a comprehensive hydraulic examination essential. Accordingly, this study constructed a 1:50 scale free-surface hydraulic model of the South Gate 1 to quantitatively investigate the downstream flow characteristics.
For the experiment, a water tank precisely reflecting the actual topography was constructed, featuring an upstream flow control tank and a downstream adjustable weir system. Velocity and water depth were precisely measured at a total of 180 points within a high-density grid covering the 4 m section immediately downstream of the gate. Operational scenarios were established based on actual gate operation conditions determined by the difference () between the outer sea tidal level and the reservoir water level. These were categorized into normal inflow conditions (Case 1) and flood discharge conditions toward the West Sea (Case 2). In particular, the hydraulic behavior of each scenario was compared and analyzed, including extreme conditions where the velocity load is expected to be highest due to the maximum water level difference. The analysis framework consisted of 2D planar distributions, transverse and longitudinal profiles, flow characteristics based on the Froude number (), and examination of bed load via bottom shear stress () calculation.
The results confirmed that under inflow conditions (Case 1), the high-speed jet was deflected toward the right bank. In the case of flood discharge conditions (Case 2), the flow exhibited generally low velocities and a uniform distribution due to the influence of high tailwater depth. Analysis of the longitudinal variation of the Froude number showed that a subcritical flow state () was maintained under all conditions. Regarding shear stress analysis, Case 1-4 (Approximate Highest High Water) was identified as the most severe "Governing Case" in terms of maximum velocity and shear stress magnitude.
In conclusion, while the flow downstream of South Gate 1 is structurally stable without hydraulic jumps, priority monitoring is required for the local high-shear zones on the right bank. This study is significant in that it quantitatively demonstrated flow deflection, governing conditions, shear stress distribution, and natural flow decay characteristics through consistent indicators derived from physical modeling. These findings can serve as fundamental data for the future operation and bed maintenance of the sluice gate.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 국문초록 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 v
• 그림목차 vi
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 범위 및 내용 3
• 1.3. 연구 동향 6
• 1.3.1. 수문·위어 수리 실험 동향 6
• 1.3.2. 수문 하류 유동 평가 동향 8
• 1.3.3. 상사·축척효과 동향 9
• 제 2장 이론적 배경 12
• 2.1. 수리모형 상사법칙 12
• 2.1.1. 동역학적 상사와 지배 무차원수 개요 12
• 2.1.2. Froude 상사 법칙 14
• 2.1.3. Reynolds·Weber 임계 하한 및 축척효과 18
• 2.2. 개수로 흐름 이론 20
• 2.2.1. 흐름의 분류와 Froude 수 20
• 2.2.2. 비에너지(Specific Energy)와 임계 조건 21
• 제 3장 연구 방법 22
• 3.1. 대상 구조물 22
• 3.2. 수리 모형실험 24
• 3.2.1. 모형 축척 결정 24
• 3.2.2. 실험 시설 25
• 3.2.3. 모형 제작 및 설치 28
• 3.2.4. 계측 장비 30
• 3.2.5. 측정 방법 31
• 3.3. 실험 및 해석 조건 32
• 3.3.1. 평상시 유입 조건 34
• 3.3.2. 홍수 시 방류 조건 35
• 제 4장 연구 결과 및 고찰 36
• 4.1. 평면 수리 특성 분포 36
• 4.1.1. 평상시 평면 수리 특성 분포 37
• 4.1.2. 홍수 시 평면 수리 특성 분포 41
• 4.2. 종·횡단면 수리 인자 특성 45
• 4.2.1. 종단면 수리 인자 특성 45
• 4.2.2. 횡단면 수리 인자 특성 48
• 4.3. Froude 수 기반 유동 안정성 평가 53
• 4.3.1. 최대 Froude 수의 종방향 변화 및 안정화 53
• 4.3.2. Froude 수 감쇠율 54
• 4.4. 바닥 전단응력 분포 및 세굴 위험도 분석 55
• 4.4.1. 전단응력 산정 개요 55
• 4.4.2. 전단응력 분포와 고 전단 구역 식별 57
• 4.4.3. 전단응력 정량 지표와 케이스 간 비교 60
• 4.4.4. 전단응력 특성에 대한 고찰 60
• 제 5장 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 68