교각형태에 따른 교각주변의 국소세굴 양상에 관한 실험 및 수치해석 = (An) experiment and numerical analysis about local scour around pier with pier shape

국문 초록 (Abstract)

하도 내 설치된 교각은 하상저하나 교각 주변의 이상 세굴에 의해 변형 전도 등의 피해를 보는 경우가 적지 않다. 교량의 대형화나 도하하는 교각 수의 증대에 따라서 교각 흐름이나 하상 변동에 미치는 영향은 점점 커지고 있다.
본 연구는 교각주위에 발생하는 국소 세굴의 특성을 파악하기 위해 세굴공의 형태, 범위, 최대세굴심의 특성을 분석하였으며, 이를 위한 교각 형태의 변화에 따른 교각주위의 국소세굴 변화 양상에 관한 실험을 수행하였고, 이러한 교각 세굴에 대한 해석에 앞서 고정상 수로에 교각이 설치되었을 경우의 교각 주변 흐름 해석에 대한 기초적인 흐름의 수치해석을 실시하여 교각 주변의 평면 2차원적인 흐름에 대해서도 검토하였다.
실험을 정적세굴조건으로 유지하면서 평형상태에 도달한 후의 세굴공의 형태는 교각전면부에서 반원이고, 교각후면부에서는 반타원의 형태를 나타내었으며, 교각형상으로 인한 상대 세굴심은 직사각형일 때 가장 크게 나타났다. 최대세굴심은 흐름이 교각과 부딪쳐서 하강류가 발생하는 지점인 교각전면부에 발생되었다. 이는 하강류가 교각 전면부에 세굴공으로부터 하상물질을 세굴공 외부로 이송시키는 역할을 하기 때문으로 판단이 되었으며, 본 실험을 통해 교각 후면부의 하류구간에서 교각에 의해 교란된 물의 흐름의 영향으로 인한 세굴공의 형상을 분석하여 보면 세굴공의 경사가 후면부에서는 완만하게 형성되어 있었고, 하류구간에는 세굴공에서 침식, 이동된 토사가 퇴적되어 하상이 원하상고보다 높게 형성된 것을 관찰할 수 있었다.
교각의 형태에 따라 와류의 발달 정도가 상이함을 확인하기 위한 평면 2차원 수치해석을 실시하여 이것을 이용하여 이후 과제인 교각 주위의 세굴 형태에 관한 수치 해석에 있어 세굴공의 범위 등을 판단할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 평면2차원 일반좌표계를 이용한 수치해석을 통해 2가지 Case에 대해 교각 주위의 흐름 해석을 하였으며, 이를 통해 교각 주위의 평면적인 흐름을 확인할 수 있었다. 이후 이를 이용하여 이동상 조건일 경우 교각 주위의 세굴 형태 및 범위를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Piers installed in river are harmed by strange scour around the pier or riverbed fall. flow of pier or riverbed change are getting more affected by supersized pier or increase of crossing of a river. This study analyzed characteristic of maximum depth, range, shape of scour hole to figure out characteristic of local scour which happens around the pier. For this we experimented about local scour changing aspect around the pier as pier shape changes, and before analyzing pier scour, we experimented basic flow characteristic about flow around the pier in fixed condition and reviewed in plane two-dimensional flow around the pier.
Maintaining the experiment in passive scour condition, we reached balanced state and shape of scour hole there were most effect if there is half circle in fore side, half oval in rare side and rectangle in relativity scour depth accord to pier shape. Maximum scour depth appeared in point where the flow and pier meets and arose descending water current. We figured out this is because descending water current moves bed material from scour hole to out side of it in fore side of pier, and through this study, if we analyzed the shape of scour hole by effect of water flow that disturbed by pier in downstream of rare side pier, we can figure out inclination of scour hole is gentle in rare side of pier, and in downstream, eroded, moved soil accumulate in scour hole so the shape of river is higher that originally river bed height.
To find out how parasitic degree is different in shape of pier, we analyzed two-dimensional value, and through this we could figure out range of scour hole in value analyzation of shape of scour around the pier. In this study, through the numerical analyzation of two-dimensional general coordinate system, we found out the flow around the pier about in two cases. And through this we can identify the plane flow around the pier. We are expecting that we could also figure out range and shape of scour around the pier in condition of movement by using this study.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• 표목차 = ⅲ
• 그림목차 = ⅳ
• 〈국문요약〉 = ⅴ
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구동향 = 3
• 1.3 연구목적 및 방법 = 5
• 제2장 이론적 배경 = 6
• 2.1 세굴의 발생과 형성과정 = 6
• 2.2 세굴에 영향을 미치는 인자 = 7
• 2.3 교각 주위의 흐름구조 = 8
• 2.3.1 하강류(Down flow) = 8
• 2.3.2 마제형와(Horseshoe vortex) = 9
• 2.3.3 후류와(Wake vortex) = 9
• 2.4 세굴의 종류 = 11
• 2.4.1 장기하상변동(General Scour) = 11
• 2.4.2 단면축소세굴(Constriction Scour) = 12
• 2.4.3 국소세굴 = 13
• 3장 실험장치 및 방법 = 17
• 3.1 실험장치 = 17
• 3.2 실험 방법 = 18
• 3.3 실험결과 및 분석 = 22
• 제4장 수치해석 = 33
• 4.1 수치해석의 이론적 배경 = 33
• 4.2 흐름해석장과 경계조건 = 34
• 4.2.1 수치해석에 사용된 제원 = 34
• 4.2.2 기초방정식 = 35
• 4.3 수치해석 결과 및 분석 = 39
• 4.4 실험 및 수치해석의 유속분포 결과 비교 = 42
• 제5장 결론 = 45
• 참고문헌 = 47
• 〈Abstract〉 = 51