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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(1); 2017 > Article
수치모형을 이용한 우수관거 내 토사퇴적량 산정

Abstract

Sedimentation occurs in urban sewer, it disturbs the runoff rate and one of the main reasons causing inundation during heavy rainfall. In order to eliminate risks, we must check the inside of the sewer at any time or on a regular basis. Based on this, systematic maintenance management is necessary so that the original function of the sewer can be maintained.
It is necessary to review the flow characteristics and sedimentation phenomena for the amount of sediment flow rate into the sewer system. In this study, analysis was carried out by applying the same specification as a sewer based on a numerical model. Analysis was carried out while changing the particle size and inflow rate similar to the runoff condition into the sewer. The transport and erosion phenomena occurred in the conduit were reviewed. Based on this, the amount of sedimentations was calculated. In this study, we tried to confirm that the hydrodynamic analysis carried out on the CFD model was able to use this effectively when comparing and examining the same behavior as the actual phenomenon. These results were calculated simply from changes to inflow conditions, maybe different from the actual situation. However, this research result is expected to be able to establish an improvement proposal, and to utilize design and maintenance management guidelines of repair structures in various fields.

요지

도심지 우수관거 내부에서 발생되는 퇴적은 유수의 흐름을 방해하고 집중 호우시 침수피해를 야기하는 주요 원인들 중 하나이다. 이러한 위험요소를 제거하기 위해서는 수시 또는 정기적으로 관 내부를 점검하여 관거 본래의 기능이 보전될 수 있도록 체계적인 유지관리가 필요하다. 이를 위해서 우수관거로 유입되는 토사량에 대한 거동 특성과 발생하는 퇴적에 대한 특성을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 수치모형을 바탕으로 우수관거와 동일한 제원을 적용하여 분석을 실시하였다. 분석의 경우 관거의 내부에 유입되는 조건과 유사입자크기 및 유입유사량을 변화해가면서 진행하였다. 조건별로 관거 내부에서 발생되는 이송⋅침전현상을 검토하였으며, 이를 종합하여 퇴적토사량을 산정하였다. 본 연구에서 수행한 수리학적인 분석의 경우 향후 실제 현상과 같은 거동을 비교, 검토할 경우 CFD 모형이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하고자 하였다. 이러한 결과는 단순히 관거에 대한 유입조건들의 변화로부터 계산된 값이므로 실제와는 다른 양상을 보일 수도 있다. 그러나 이 연구결과는 개선방안을 정립하고 다양한 분야의 수리구조물 관련 설계와 유지관리지침에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

1. 서론

최근 기후변화와 도시화 현상으로 홍수시 침수피해가 가중되고 있다. 빗물펌프장 및 지하공간 저류조 등의 수방시설 증대의 필요성이 제기되고 있다. 다른 한편으로는 우수관거의 배수능력 및 효율에 대한 문제점이 부각되면서 우수관거 시스템을 설계하는 과정에 고려해야할 기존의 다양한 경험식들이 관거시스템 내부에서 발생하는 흐름특성을 적절히 반영하고 있지 못하다는 의견이 제시되고 있다. 우수관거의 계획 및 설계에 있어 중요 고려사항 중 하나는 관내로 유입되는 토사 및 침전물의 퇴적을 방지하는 것이다. 관거내 침전물의 방지를 위해 환경부 하수도시설기준(2011)에서는 적정유속의 범위를 제시하고 있으나 관거의 구조적 안정성에 초점이 맞추어져 있고 실제로 관거의 기능상 중요 기능인 통수능 부족을 고려한 문제점은 다소 결여되어 있다. 유입유량에 다량의 토사가 포함되어 유입될 경우 우수관거 시스템의 수리학적 설계에 영향을 미쳐 유출량과 토사량을 원활히 배출시키지 못하게 된다. 통수불능 문제를 야기시키며 관내 퇴적에 따른 내수침수 발생 문제에 적절히 대응하지 못하게 된다. 도심지에서 발생하는 토사재해는 토사 자체에 기인하는 1차적 재해 발생과 함께 기존 배수시설 체계의 기능 상실이라는 부수적인 2차적 재해 발생을 유발하는 특징을 갖는다. 도심지 토사재해 발생 시 배수시설의 원활한 통수능력 확보 기술이 필요하다고 판단된다.
하천의 경우 다양한 관측자료를 바탕으로 통수능 분석이 가능하며 수리 매개변수의 영향범위의 추정이 가능하다. 퇴적과 관련한 선행 연구들은 대부분 하상을 기준으로 자료수집 및 분석이 이루어져 침강속도가 토사가 흘러가는 이송의 개념으로만 사용되어왔다. 하지만 달리 생각해보면 침강속도는 유입되는 토사의 특성이 모두 같을 수 없다. 결국 특성별로 가변적인 값을 띄어야 함이 마땅하고 이에 따른 침강속도 역시 일관된 하나의 값으로만 적용해서는 우수관거 내 이송⋅침전 및 퇴적의 현상을 반영하기는 쉽지 않다. 그러나 도시유역에서의 우수관로를 통한 토사의 이송과 침전에 대한 실측자료는 국내・외적으로 거의 전무한 상태이며, 이는 관로 내에서의 미세한 토사 흐름에 대한 관측상의 어려움에 원인이 있다.
관로 내 우수의 흐름뿐만 아니라 다양한 흐름 상태에서의 토사의 흐름에 대한 실험적 관측 또한 매우 어려운 일이다. 관거 내에서는 이송⋅침전현상 및 퇴적이 일어남에 따라 관거의 통수단면이 변하는 복잡한 현상이 발생한다. 우수관거의 적정 설계와 효율적 유지관리를 위해서는 관내에서 발생하는 복잡한 현상에 대해 확인이 필요하며, 이를 바탕으로 적정 통수능의 확보를 위한 연구가 필요하다.
수치해석 모형을 이용하여 관거의 통수능을 검토한 연구들을 살펴보면 Kim et al.(2014)이 수치해석 모형을 이용하여 대심도 배수터널 유입부의 통수능력을 검토하였다. Choi and Lee(2016)는 대규모 우수관로 내부에서 발생할 수 있는 Gerser 현상에 대해 모의하였다. 두 연구들의 경우 관거 설계시 적용 매개변수들에 대한 결과들을 바탕으로 우수관거 시스템의 안정적인 설계방안을 제시하였다. 그러나 유입되는 침전물에 대한 고려는 반영하지 않았으며 공기압력 등을 고려한 순수유량의 배제능력을 중심으로 연구가 이루어 졌다.
일반적으로 우수관거로 유입되는 침전물의 부하량 정도는 강우의 형태에 따라 나뉘는데, 해당 강우가 갖는 특징에 따라 유량의 변동이 다르고 이에 따른 우수유출수와 동반하는 침전물의 특성 또한 전혀 다른 특징을 갖는다(Ashley et al., 2004). 지표면으로부터 형성되어 쓸려 들어온 다량의 가는 입자들은 강우사상의 시작과 동시에 쓸려 내려와 우수관거로 유입되고 이는 부유사량이라는 이름으로 유입량 내에서 짙은 농도층을 형성한다.
우수관거로 유입되는 토사의 수문학적 흡수용량(Flood Absorption Capacity)은 보통 입자의 크기에 따라 현저하게 달라지는 경향성을 갖는다. 미세한 작은 입자들의 경우 해당 입자들이 갖는 표면적에 비해 단위 중량당 높은 흡수능을 갖고 이에 따른 유입되는 비율이 커 토사의 비율이 높은 농도층을 형성하게 된다.
우수관거로 유입되는 토사 입자들의 크기와 관련된 연구들을 살펴보면 Chebbo and Bachoc(1992)는 우수관거 시스템으로 유입되는 총 부유사량(Total Suspended Solid, TSS)의 68∼85%가 100μm 미만의 입자 직경을 갖는다고 정의했다. Bertrand-Krajewski et al.(2008)의 경우 동일한 방법으로 64∼92μm의 범위를 갖는다고 제안하였다. Becouze and Lareure(2016)는 우수관거로 유입되는 토사들의 직경 비율을 각각의 실제 강우사상으로부터 조사하였는데 평균적으로 85-117μm으로 앞서 언급한 논문과 대략 7-17μm정도 차이를 보였다.
위에서 부유사량과 유입 직경의 크기를 조사한 논문들의 공통점은 결국 우수관거로 유입되는 토사량은 부유사와 이를 포함하는 작은 입경들로 대부분 구성되어 있으며, 해당 입경의 비율은 유출이 발생하는 유역과 강우의 특성에 따라 제각각이라는 것이다.
본 연구에서는 강우시 유출량과 더불어 다량의 토사가 유입되는 우수관거를 전산 유체역학적 모사를 통해서 관거 내부의 퇴적특성을 모의하였다. 보다 정확한 유동해석을 위하여 부수적인 모의들을 제외하고 단관형태로 구체화하여 해석시간을 줄인 설계 모델을 적용하였다. 분석에는 CFD 모형의 Solver들 중 Ansys Fluent 모형을 적용하였다. 이 모형은 주로 기계 및 산업 공학의 분야의 실무와 학술 연구를 비롯한 여러분야에 걸쳐 가장 널리 사용되는 상용 CFD Solver 중 하나이다. 더불어 해당 모형은 우수관거를 비롯한 수치해석에도 두루 적용되고 있는데 대표적으로 Stovin(1996), Lipeme Kouyi(2004) 등이 CFD 모형을 이용하여 도심지 우수관거 시스템의 다양한 압력류 흐름 및 테스트베드의 적용을 토대로 도입하기 시작했다. 분석을 위한 세부조건의 경우 경사가 없는 관거조건을 기준으로 경사도 조건을 변화시켜가며 관거 내부에서 발생하는 퇴적특성을 구체적으로 분석하였다. 우수관거내 흐름을 모의하기 위하여 통수능력을 평가하였으며, 적정 유속범위 내에서 통수능력 검토 및 예상 퇴적량 추정식을 제안하였다.

2. 수치모형 방법 및 시뮬레이션 조건

수치해석 모델링의 목적은 일반적으로 단상 유체흐름(Single Phase Fluid Flow) 및 다상 유체흐름(Multiphase Phase Fluid Flow) 분석에 대한 수학적 모델을 증명하는데 있다. 본 연구에서 CFD 모형을 이용한 분석을 진행한 이유는 기존 우수관거 내 토사의 이송⋅침전을 모의하는 유출해석 모형의 개선에 있어 상호 보완적인 역할을 수행하며, 문제가 발생하는 주요 퇴적구간을 바탕으로 국부영역에 대한 상세한 해석 및 결과 도출이 가능하다고 판단되었다.
CFD 해석에 있어 모든 문제는 초기조건과 경계 조건의 관점을 정의하는 것이 가장 중요하다. 사용자가 정확하게 분석하고자 하는 모델을 지정하고 이에 적합한 수치모델을 구현하여 올바른 연산과정을 통해 해를 풀어나가는 것이 중요하다. 특히 부정류 및 난류흐름의 문제에 있어서는 분석에 적용되는 모든 변수들이 초기 값과 달리 전반적인 흐름영역에서 다양한 값을 띄게 되므로 이에 따른 범위를 제한하는 것 또한 중요한 변수로 반영되어야 한다(Versteeg and Malalasekera, 2007).
본 연구에서는 관거 내부의 퇴적량을 줄이고 통수능 개선을 목표로 하며 이를 위해 보다 정확한 유동해석을 위하여 부수적인 모의들을 제외하고 단관형태로 구체화하여 해석시간을 줄인 단편 설계 모델을 사용하였다. 수치모의는 우수관거의 형상과 세부 시설물들의 접목 형태를 고려하여 2차원 모의로 수행되었으며, 0.6m×10m(원형관거)의 영역에 대하여 약 140,000개의 사각형 격자망을 구성하였다. 계산 시간 간격(Time Interval)은 ∆t=1초를 적용하여 전체 500초까지 계산을 수행하였으며, 각각의 시간 간격에서 10회의 내부 계산(step length factor)을 반복하도록 설정하였다.
시뮬레이션 조건의 경우 토사와 유체의 유입유속을 1m/s, 2m/s, 3m/s 조건에서 유체내 토사의 혼입농도를 10%, 30%, 50%에 대하여 고려하였다. 이때 들어오는 유입 토사의 직경은 각 조건에 1.0mm, 3.0mm, 5.0mm로 적용하였으며, 앞서 언급한 조건들을 관거경사 0°, 1°, 3°, 5°에 적용함으로써 총 108가지의 시뮬레이션 조건에 대해 분석을 진행하였다.

2.1 해석모델

토사가 유입되는 관거 내부의 난류 효과를 해석하기 위해서는 난류 현상 및 난류모델에 대한 고려가 필요하다. 유체가 지속적으로 거동할 때에는 서로 이웃한 유체의 층류 점성력에 의한 전단력이 유체의 구동력이 되어 결국 일정한 층을 이루어 흐르는 층류 유동이 나타난다. 하지만 유속이 증가하여 전단응력이 매우 강해지면 결국 점성력에 의한 전달만으로는 이를 감당하지 못하여 전단응력은 아주 작은 난류와(Turbulent Eddy)들로 깨어지게 되고 이에 의하여 전단응력은 유체 내부로 전달된다. 유속이 증가 할수록 난류와의 크기는 점점 작아지고 유체의 거동은 시간의 변화에 따라 크게 변하게 된다. 이때 유동에는 일정 형식으로 변화하는 시간 평균값과 짧은 시간주기를 갖는 요동(Fluctuation)값이 존재하게 되는데 이러한 유동을 난류 유동이라 한다.
고체입자인 토사량과 유체로 구성된 유입량을 해석하기 위해서는 다상 유체 흐름 분석이 필요하다. 본 연구에서는 다상 유체 분석모델 중 Eulerian-Eulerian 모델을 적용하였으며, 연속방정식과 난류 운동을 해석하기 위해서는 k-ε모델을 사용하였다. k는 물리적으로 난류운동에너지를 의미하며 난류섭동속도로 정의되고, 난류 소산율을 정의하는데 사용된다. k-ε모델은 앞서 언급한 바와 같이 Eddy Viscosity 모델로 다음식과 같이 k와 ε을 통해 μt를 얻을 수 있다.
(1)
μt=ρCμkL=ρCμ k2ε
Cμ는 모델상수로 일반적으로 0.09 값을 사용한다. 관내 퇴적 발생에 따른 국부적인 영역에서 k와 ε를 아래와 같은 2개의 별도의 수송방정식(k-equation, ε-equation)을 계산함으로서 난류응력을 모델하게 된다.
(2)
ρui'ui'¯= 12 (ux'ux'¯+uy'uy'¯+uz'uz'¯)
(3)
 (ρk)t + (ρuj¯k)xj = xj [(μ+ μtδk )kxj ]+Pkρε
(4)
 (ρε)t + (ρuj¯ε)xj = xj (μ+ μtδε  εxj )+Cε1Pk εk Cε2Pk ε2k
(5)
Pk=μt( μ¯ixj + μ¯jxi )μ¯ixj
위의 방정식에서 나타나는 각 계수들은 Standard k-ε Model에서 다음과 같은 값이 사용된다.
k-ε 모델은 난류의 시간적으로 변동하는 속도가 시간 평균 속도와 변동분의 속도로 나눌 수 있다는 가정 하에 Navier Stokes 방정식을 시간 평균하여 속도 변동량의 상관 항이 응력 형태인 레이놀즈 응력 항으로 나타낸 것이다.

2.2 경계조건

본 연구에서 고려해야할 경계조건은 매우 다양하며 이들 중 실제 분석에 적용한 조건은 크게 입구, 출구 및 벽면의 경계조건이다. 입구의 경우 유동에 관한 모든 정보를 알고 있는 영역으로 사용자가 유속이나 압력, 특성길이, 난류강도, 온도 등을 정의할 수 있다. 출구는 유동의 방향이 모두 바깥을 향할 때 사용할 수 있으며 유동에 관한 정보는 필요로 하지 않는다.
본 연구에서는 유입 조건이 시간에 따라 변하거나 기타 특징이 형성되지 않는다고 가정하였다. 반대로 유출되는 흐름을 다양하게 가정함으로써 실제현상을 포괄하는 모사할 수 있는 장점이 있다. 계산시간 또한 단축되므로 반복적인 계산이 가능하도록 구성하였다. 분석 구간의 경계는 벽면 및 유체의 유⋅출입구가 해당되는데 벽면은 무미끄러짐 조건(No Slip Condition)을 부여하였다. 따라서 우수관거의 유입구는 토사가 유량이 강제적으로 유입되는 조건이라 할 수 있고, 유출구는 방류특성을 가진 자연 유출구 조건과 같다. 유⋅출입구의 형상이 복잡하지 않기 때문에 유입구는 속도 경계조건을 사용함을 원칙으로 하였고, 유출구는 차압 경계조건을 사용하여 유량을 배출하는 관계를 설정하였다.

3. 수치모형을 이용한 관내 퇴적토사량 예측

3.1 수치해석 모형의 검증

일반적으로 수치해석 모형을 이용한 분석을 위해서는 분석 이전에 검증대상을 바탕으로 구축하고자 하는 모형을 위한 검증과정이 필수적이다. 본래의 모형만을 가지고 검증을 할 경우, 어떠한 조건과 분석특성이 상이한 것에 대해서 모든 조건을 검증하는 과정은 시간이 오래 걸리고 그만큼 그에 대한 오류들을 잡아줄 인력과 시간이 다수 소모되어 비효율적이라 판단된다.
본 연구에서는 검증을 위해 기존에 제시된 주요 논문을 바탕으로 구축한 모형을 검증하고자 하였으며 실험적인 측면에 있어 축소된 모형을 미리 구동시켜 보고 그 후에 오류들을 하나씩 찾아내어 본래의 특성을 반영하고자 하였다. 검증은 Tamer et al.(2014)이 제시한 유체과 토사의 입경, 밀도, 구성비 및 관거의 제원, 경사도 등을 동일하게 적용하여 구성하고자 하는 모형의 검증을 진행하였다.
다음의 표는 모형의 검증을 위해 구성한 상세 제원과 검증에 적용된 각 조건들을 제시하였다.
Table 4 위에 명시된 조건들을 바탕으로 해석을 수행하되, 해석시간의 경우 실제 강의 패턴과 같이 변동성을 주지 않고, 짧게 10~20초의 세분화된 시간간격을 적용하여 이송⋅침전의 특성을 확인하였다. 제시된 조건들과 같이 10%, 20%, 30%의 농도 조건에 대하여 1∼3m/s의 유속조건을 반영하여 검증을 실시하였다. 다음의 Figs.23을 보면 유입된 토사와 유량의 관계에서 30% 농도에 대한 결과가 최초 검증의 기준이 된 Tamer et al.(2014)의 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 유속조건 역시 검증의 기준이 된 논문과 동일한 형태의 추이로 나타났으며, 실제 관거의 특성상 관 최대직경의 80%에서 유속 및 유량이 최대가 되는 점을 감안할 때 모델링을 하기 위한 최초 난류모형의 검증이 비교적 잘 이루어졌다 판단된다.
Table 1
Simulation Condition and Case
Inlet Velocity (m/s) Volume Fraction (%) Sand Diameter (mm) Pipe Gradient (°) Total Simulation Case
1.0, 2.0, 3.0 10, 30, 50 1.0, 3.0, 5.0 0, 1, 3, 5 108
Table 2
Standard k-ε Model Patameters
Cμ Cε1 Cε2 δk δε
 0.09   1.44   1.92   1.0   1.3 
Table 3
Analysis Condition in FLUENT
Condition Setting
Type Fluid
Material Water
Turbulence Model Kε Standard
Inlet Velicity = 1.0~3.0m/sec
Outlet  Relative Pressure = 0 (Pa) 
Wall Influence of Flow No Slip
 Surface Influence of Flow  Free Slip
Table 4
Verification Conditions of the Modelling
Title Sand-water Transport
Geometry 6 m x 0.0268m
Model Eulerian-Eulerian model, Turbulent flow
 Mixture boundary Conditions  Inlet Velocity: 3m/s Inlet Volume Fraction: 30%
Sand Density: 2,650kg/m3, Particle Diameter: 0.2mm
Water Density: 1,000kg/m3, Dynamic Viscosity:0.001004Pa·s 
Fig. 1
Conduit Mesh
KOSHAM_17_01_235_fig_1.gif
Fig. 2
Comparison of the Simulation Result about Volume Fraction
KOSHAM_17_01_235_fig_2.gif
Fig. 3
Comparison of the Simulation Result about Velocity Profile
KOSHAM_17_01_235_fig_3.gif
Table 5
Sedimentation Result of Simulation Inside the Pipe(kg)
Condition SandDia-meter (mm) Volume Fraction 10% Volume Fraction 30% Volume Fraction 50%
Velocity (m/s)
0 ° 1 ° 3 ° 5 ° 0 ° 1 ° 3 ° 5 ° 0 ° 1 ° 3 ° 5 °
1.0 1.0 2,074 1,885 1,681 1,565 4,756 4,253 3,770 3,065 6,789 6,538 5,776 5,453
3.0 2,407 2,161 1,915 1,647 5,105 4,651 3,974 3,445 6,829 6,635 6,014 5,510
5.0 2,605 2,582 2,222 2,051 6,423 4,967 4,145 3,377 6,935 6,726 6,048 5,766
2.0 1.0 1,886 1,762 1,762 1,709 4,154 3,474 3,474 3,192 6,811 6,429 6,429 6,182
3.0 2,242 1,885 1,885 1,765 4,892 4,221 4,221 3,441 7,364 6,658 6,658 6,449
5.0 2,697 2,420 2,420 2,151 5,960 5,134 5,134 4,179 7,412 6,926 6,926 6,603
3.0 1.0 1,745 1,640 1,640 1,606 4,217 4,032 4,032 3,768 6,653 5,965 5,965 5,836
3.0 1,767 1,640 1,640 1,581 4,555 4,112 4,112 3,914 7,267 6,018 6,018 5,882
5.0 1,805 1,779 1,779 1,725 4,924 4,336 4,336 4,208 7,435 6,107 6,107 6,082

3.2 유출구 퇴적량 유출특성

혼입된 상태로 유입된 유체와 토사량은 관내부를 흘러가면서 분포형태가 지속적으로 변하며, 시간 경과에 따라 일정량 퇴적이 발생하게 된다. 이렇게 퇴적된 토사는 관거 특정 위치에서 점차 증가되면서 해당구간에서의 국부적인 유속의 상승을 초래한다. 하지만 이러한 현상이 관거 내부에서 반복적인 형태를 이루며 결국 유출구 방향으로 이동해가며 배출하게 된다. 결국 이러한 패턴을 반복하면서 퇴적량이 산출되는데 이때 유속이나 농도에 따라 배출되는 패턴을 파악할 필요가 있다.
본 연구에서 진행한 108개의 분석 경우에 대해 해석한 결과를 바탕으로 관거 내부에서의 유체와 토사의 흐름 분포에 대한 결과를 관찰하였으며, 그 결과 유출구에서 배출되는 토사퇴적량의 패턴은 세 가지 형태로 나타내었다.
Figs. 46은 유입유속 1m/s, 토사 직경 5.0mm의 0° 조건 관거에서 유체와 토사의 농도를 변화시켜가며 관거의 유출구에서 분석된 결과를 나타낸다. Fig. 4 결과를 살펴보면 유출구에서 빠져나가는 토사량이 일정한 주기와 간격을 형성하고 있다. 이는 관거 내부에서도 퇴적고를 형성하는 높이와 이를 나타내는 구간의 폭이 일정하게 형성되며 유출구 방향으로 이동함을 알 수 있다. 이러한 패턴은 관내 토사의 퇴적량이 일정한 주기를 갖고 관거 유출구 방향으로 향해 빠져나감을 의미하며, 유입 유속에 비해 입자의 크기 및 농도가 낮아 전반적으로 원활히 배출되는 형태를 띄고 있다. Figs. 56의 경우에는 앞서 동일한 패턴에 비해 점차 배출되는 간격이 잦아드는 것을 볼 수 있다. 이는 관거 내부에서 점차 퇴적된 토사가 경화된 현상으로 관거 바닥에 증착되어 적정 통수능을 형성하지 못함을 의미한다. 초반부 유출을 제외하고 유입되는 양과 동일한 유출현상의 경우 유속에 입자의 크기가 크고 농도가 큰 경우에 관찰되었다. 본 연구에서 분석한 전체 108개의 분석 결과 모두 위 세 가지 특성으로 분류되었다. 그러나 분석 조건 별로 유출특성을 통해 나타난 퇴적의 패턴은 정성적인 경향성에 대한 일정 추정은 가능하지만 내부의 유속 및 압력 특성을 통해 명확한 분석이 필요하다고 판단된다.
Fig. 4
Flow Rate Pattern No.1
KOSHAM_17_01_235_fig_4.gif
Fig. 5
Flow Rate Pattern No.2
KOSHAM_17_01_235_fig_5.gif
Fig. 6
Flow Rate Pattern No.3
KOSHAM_17_01_235_fig_6.gif
Fig. 7
Sedimentation Predict Equation for Low Volume Fraction
KOSHAM_17_01_235_fig_7.gif
Fig. 8
Sedimentation Predict Equation for Mid Volume Fraction
KOSHAM_17_01_235_fig_8.gif
Fig. 9
Sedimentation Predict Equation for High Volume Fraction
KOSHAM_17_01_235_fig_9.gif

3.3 퇴적토사량 결과

본 연구에서는 Mass Balance 관계를 이용하여 유체와 토사량의 유입-유출 관계를 바탕으로 관내 토사퇴적량을 산정하였다. 산정 결과 관거의 경사도 증가에 따른 퇴적량의 변화는 크게 변화하는 것으로 나타났다. 더불어 입자의 크기와 유체내 토사의 농도의 관계에 따라 퇴적의 변화량이 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 토사가 10%의 농도로 유입된 경우 관거내 발생 퇴적량이 관거 체적대비 약 25%정도로 산정되었다. 30% 농도의 경우는 평균 57%로 나타났으며, 50%의 경우 약 86%로 관거의 폐색에 가깝게 나타났다. 농도 증가에 따라 퇴적량이 두드러지게 증가하는 경향을 나타내었으나 본 연구에서 적용한 1.0∼3.0mm 직경의 토사 입자에 따라서는 뚜렷한 변화를 보이지 않는 것으로 분석되었다. 관거의 기울기에 따른 감소 경향성을 살펴보면 최초 관거의 경사가 없는 상태의 퇴적량을 기준으로 1° 기울기에 따라 약 10%의 감소를 보였으며 3°와 5°로 기울기가 증가할수록 약 14%, 20%의 감소 경향성을 확인하였다.
이러한 결과는 경사도가 작은 관거에 비해 경사가 커질수록 반응할 수 있는 통수 단면적이 넓어지게 된다. 다시말해 토사량을 유출구로 이송시키기 위한 유체와의 반응이 경사도가 작은 단면을 구성하는 관거에 비해서 큰 경사도를 가진 단면을 포함하는 관거에서 반응이 크게 일어나 퇴적의 경향이 감소한다고 판단할 수 있다. 이러한 퇴적량의 감소추세를 볼 때, 실제 관거 설계시 지표에서 발생가능한 토사량을 파악하고 관거시스템 내부로 유입되는 형태를 예측한다면 발생가능한 퇴적의 범위 추정이 가능하다고 판단된다. 이를 바탕으로 관거시스템 내부 수리구조물에 퇴적량을 고려하여 설계시 관경과 경사도의 검토가 필요하다고 판단된다.
결과적으로 관거 경사가 증가에 따른 토사 입자들 간의 증착의 경향성이 감소되어 퇴적량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 관거 내부영역에서 존재하는 유출량의 흐름구간이 증가로 이어진다고 판단된다. 이러한 해석결과들을 바탕으로 관거 내부로 유입되는 유사량의 농도를 기준으로 발생 가능한 퇴적량의 추정식을 Eqs. 6∼8에 농도별도 제안하였으며, 향후 관거 유지관리 및 효율적인 관거설계를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
(6)
y=25.454*x+1,911.75(kg)Low Volume Fraction Equation
(7)
y=28.490*x+4,034.22(kg)Mid Volume Fraction Equation
(8)
y=35.664*x+6,467.25(kg)High Volume Fraction Equation

4. 결론 및 향후 연구방향

본 연구에서는 도심지 우수관거 내부로 유입되는 토사에 대한 이송⋅침전 해석을 실시하였다. CFD Fluent 해석모형을 이용하여 퇴적량 산정을 위한 정밀해석 방법을 제시하고, 이에 대한 분석을 수행하였다. 관거로 유입되는 유체와 토사입자, 농도 및 유속의 조건을 바탕으로 경사도별 퇴적발생량을 산정하였으며 농도별 예상퇴적량 추정식을 제안하였다.
우수관거 내부로 유입되는 유체에 토사량을 고려함으로써 정밀한 관거 내부 흐름 분석에 대한 고려 없이 일률적으로 적용하고 있는 유속에 관한 설계기준은 우수관거에 있어 원활한 통수능에 지장을 줄 뿐만 아니라 홍수시 발생될 수 있는 자연재해 등과 같은 큰 영향을 끼칠 수 있다. 이론적인 접근과 더불어 세밀한 분석을 바탕으로 보다 합리적인 우수관거 통수능 검토 및 설계안 도출이 본 연구의 궁극적인 목표이다.
향후 유입토사량과 우수관거 내 수리학적 인자를 반영하여 토사의 이송⋅침전 해석 결과를 바탕으로 다양한 모형 변수의 적용에 따른 발생 한계점을 정리가 필요하다. 이를 바탕으로 실제 관거 내부에서 발생하는 퇴적 특성에 대한 모의현상을 반영한 알고리즘의 구축이 필요하다. 본 논문에서 진행한 mass balance를 고려한 관내 퇴적량 예측을 토대로 복잡한 도심지 우수관거 설계 구성 등에 의한 수리학적 퇴적발생 예측의 고려가 가능하다. 최종적으로 도심지 우수관거의 설계시 채택하고 있는 관거 매개변수 적용과 관내를 흐르는 유체와 토사 입자의 해석기술의 제시를 통해 도심지 유출모형을 개선하는 것이 본 연구의 목표이며, 토사저류조나 빗물펌프장 등의 내배수 시스템의 효과적인 설계 및 운영에도 도움이 될 것으로 기대된다. 본 연구에서 제안한 우수관거내 토사퇴적량 산정 기법은 우수관거 시스템 설계시 기본적인 자료와 응용 기술을 제공함으로써 도시 홍수 방어에 대한 기초자료 수집 및 실용성면에서 경제적 효과를 기대할 수 있다.

감사의 글

본 연구는 국민안전처 자연재해저감기술개발사업단(자연피해예측및저감연구개발사업)의 지원으로 수행한 ‘기후변화 적응을 위한 연안도시지역별 복합원인의 홍수 취약성 평가기술 개발 및 대응 방안 연구’ [MPSS-자연-2015-77]과제의 성과입니다.

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