교각 안정성의 숨은 위협: 조석해일(Tidal Bore) 해석을 통한 세굴 위험 예측

이 기술 요약은 S.C. Yeow, H. Chanson, H. Wang이 2016년 Canadian Journal of Civil Engineering에 발표한 논문 “Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 조석해일(Tidal Bore) 해석
• Secondary Keywords: CFD, 교각 세굴, 난류 모델링, 수리 구조물 상호작용, 유체 역학

Executive Summary

• The Challenge: 조석해일(Tidal Bore)이 교각과 같은 수리 구조물에 미치는 충격은 심각한 안전 문제를 야기할 수 있지만, 그 복잡한 유체 역학적 영향, 특히 교각 기초 주변의 세굴(scour) 현상에 대한 정량적 데이터는 부족했습니다.
• The Method: 손상된 교각 기초를 모사하는 대형 원통형 장애물을 수로에 설치하고, 고속 차단 게이트를 이용해 조석해일을 인공적으로 발생시켜 장애물 통과 시 자유 수면, 유속, 난류 응력의 변화를 정밀 계측했습니다.
• The Key Breakthrough: 원통형 장애물은 조석해일의 자유 수면에는 거의 영향을 미치지 않았지만, 구조물 주변의 유속과 난류 응력은 극적으로 증폭시켰습니다. 특히, 일시적인 유동 재순환 시간이 두 배 가까이 길어지고, 재순환 유속의 크기는 60% 더 강해졌습니다.
• The Bottom Line: 조석해일 통과 시 수면 변화가 없다고 해서 교각이 안전한 것은 아니며, 수면 아래에서는 교각 기초를 침식시키는 강력한 난류가 발생할 수 있으므로, 구조물 설계 시 반드시 수중의 동적 하중을 고려한 CFD 해석이 필수적입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

조석해일(Tidal Bore)은 조수간만의 차가 큰 하구나 만에서 홍수 조류가 상류로 급격히 밀려 들어오며 발생하는 수력학적 충격파입니다. 이 현상은 교량, 제방 등 인간이 만든 구조물에 심각한 손상을 입히고 인명 피해를 유발할 수 있는 위험한 자연 현상입니다. 실제로 인도의 후글리 강(Hoogly River)에서는 조석해일로 인해 여러 교량이 파괴된 사례가 있으며, 전 세계적으로 400개 이상의 하구에서 이러한 현상이 보고되고 있습니다.

문제는 조석해일이 교각에 미치는 영향이 체계적으로 연구된 바가 거의 없다는 점입니다. 특히, 교각 기초 주변에서 발생하는 국부적인 침식, 즉 ‘세굴(scour)’ 현상은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 핵심 요인입니다. 기존 연구는 대부분 평탄한 하상에서의 조석해일 전파에 초점을 맞추었기 때문에, 엔지니어들은 교각과 같은 대형 구조물이 조석해일의 파괴력을 어떻게 변화시키는지 정확히 예측하기 어려웠습니다. 본 연구는 이러한 기술적 공백을 메우고, 교각 주변의 복잡한 난류 혼합 현상을 실험적으로 규명하여 보다 안전한 구조물 설계를 위한 기초 데이터를 제공하고자 수행되었습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 실제와 유사한 환경을 정밀하게 통제하기 위해 물리적 모델링 실험 방식을 채택했습니다. 실험은 길이 15m, 폭 0.5m의 대형 수평 수로에서 진행되었습니다.

• 실험 장치: 조석해일은 수로 하류에 설치된 테인터 게이트(Tainter gate)를 0.2초 미만의 속도로 빠르게 닫아 인공적으로 생성했습니다. 이는 상류로 전파되는 강력한 충격파를 만들어냅니다.
• 연구 대상: 손상된 교각 기초를 모사하기 위해 직경 0.060m, 높이 0.020m의 PVC 재질 원통형 장애물을 수로 중앙 바닥에 고정했습니다. 장애물이 없는 평탄한 바닥 조건(Configuration A)과 장애물이 있는 조건(Configuration B)을 비교 분석했습니다.
• 계측 방법: 자유 수면의 높이 변화는 음향 변위 센서(acoustic displacement meters)를 이용해 측정했으며, 구조물 주변의 3차원 순간 유속과 난류 특성은 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를 사용하여 200Hz의 높은 빈도로 데이터를 수집했습니다.
• 실험 조건: 3가지 다른 유량 조건에서 부서지는 조석해일(breaking bore)과 부서지지 않는 조석해일(undular bore)을 모두 생성하여 다양한 Froude 수(Fr₁) 범위에서 실험을 수행했습니다.

이러한 정밀 제어 실험을 통해, 연구진은 조석해일이 원통형 장애물을 통과할 때 발생하는 수리 현상을 순간적으로 포착하고, 그 영향을 정량적으로 분석할 수 있었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

실험 결과, 원통형 장애물은 조석해일의 거동에 예상과 다른 이중적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

Finding 1: 자유 수면의 미미한 변화

놀랍게도, 원통형 장애물의 존재는 조석해일의 자유 수면 특성에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 조석해일 전후의 수심 비율(공액 수심비, d₂/d₁)이나 최대 수면 상승 높이를 측정한 결과, 장애물이 없는 경우와 뚜렷한 차이를 보이지 않았습니다. 이는 Figure 5와 Figure 6의 데이터에서 명확히 확인할 수 있으며, 기존의 평탄 하상 연구 결과와도 잘 일치했습니다. 이 결과는 육안으로 수면만 관찰해서는 구조물에 가해지는 실제 위험을 파악할 수 없다는 중요한 사실을 시사합니다.

Finding 2: 유속장 및 재순환 영역의 극적인 증폭

자유 수면과 달리, 수중의 유속장은 장애물로 인해 극적인 변화를 겪었습니다. 조석해일이 장애물을 통과한 후, 구조물 상류와 하류에서 모두 강한 유동 재순환(recirculation) 현상이 관찰되었습니다. – 재순환 시간 증가: 장애물이 있을 때, 이 재순환 현상이 지속되는 시간은 장애물이 없을 때보다 거의 두 배나 길었습니다 (Figure 8 참조). – 재순환 강도 증가: 재순환 유동의 최대 역방향 유속 크기는 장애물이 없는 경우에 비해 약 60% 더 강하게 나타났습니다. 이는 장애물이 조석해일의 에너지를 국부적으로 집중시켜 훨씬 더 강력한 와류를 생성함을 의미합니다.

Finding 3: 난류 응력 증가와 교각 세굴 위험

유속장의 격렬한 변화는 난류 응력(Reynolds stresses)의 급격한 증가로 이어졌습니다. 난류 응력은 유체가 하상에 가하는 힘을 나타내는 지표로, 세굴 현상과 직접적인 관련이 있습니다. – 응력 집중: 조석해일이 통과하는 동안, 특히 장애물 중심으로부터 직경의 2배 이내 거리에서 평균 수직 응력과 전단 응력이 눈에 띄게 증가했습니다 (Figure 10 참조). – 세굴 가능성: 이러한 높은 전단 응력 수준은 하상 입자를 쓸어내기에 충분한 힘을 의미합니다. 조석해일이 주기적으로 발생하는 환경(예: 하루 두 번)에서는 이 현상이 반복되어 장애물 주변에 거대한 세굴 구멍(scour hole)이 형성될 수 있음을 강력히 시사합니다. 이는 실제 중국 첸탕강의 교량 건설 현장에서 관찰된 현상과도 일치합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

본 연구 결과는 다양한 분야의 엔지니어들에게 실질적인 통찰을 제공합니다.

• For 수리/구조 엔지니어: 이 연구는 조석해일이 발생하는 지역의 교량 설계 시, 단순히 정적인 흐름 조건뿐만 아니라 조석해일 통과 시 발생하는 동적이고 증폭된 난류 하중을 반드시 고려해야 함을 보여줍니다. 특히, 교각 기초 주변의 최대 전단 응력을 예측하는 것은 세굴 방지 설계의 핵심 요소가 될 수 있습니다.
• For 안전 진단 및 유지보수 팀: 수면 변화가 미미하더라도 교각 주변의 세굴 위험은 상당할 수 있습니다. [Figure 10]의 데이터는 장애물 주변 특정 영역(반경 2D 이내)에서 응력이 집중됨을 보여주므로, 이 구역에 대한 정기적인 수중 탐사 및 모니터링 기준을 강화하는 데 활용될 수 있습니다.
• For CFD 해석 엔지니어: 본 연구에서 측정된 정밀한 유속 및 난류 데이터는 조석해일과 구조물 상호작용을 모델링하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation) 자료로 매우 유용합니다. 특히, 장애물 후류에서 발생하는 복잡한 와류 및 재순환 현상을 정확히 예측하는 난류 모델의 성능을 평가하는 데 중요한 기준을 제공합니다.

Paper Details

Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation

1. Overview:

• Title: Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation
• Author: YEOW, S.C., CHANSON, H., and WANG, H.
• Year of publication: 2016
• Journal/academic society of publication: Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 43, No. 8, pp. 724-734
• Keywords: Tidal bores, Large roughness element, Physical modelling, Unsteady turbulent mixing.

2. Abstract:

A tidal bore is a hydrodynamic shock, surging upstream in some shallow-water bays and estuaries during the flood tide under large tidal range. This study investigates experimentally the propagation of tidal bores over a large cylindrical roughness element, representative of damaged bridge pier foundation. In the initially steady flow, the large cylindrical element generated a wake region, with extents comparable to steady flow literature. During the tidal bore propagation, the presence of the element had negligible effect on the free-surface properties, but a significant impact in terms of the instantaneous velocity and Reynolds stresses. This resulted in longer transient recirculation both upstream and downstream of the element and larger maximum velocity recirculation magnitudes, as well as enhanced turbulent stress levels and potential bed erosion around the large element, within two diameters from the element centre. The results showed the potential development of a large scour hole around the cylindrical element.

3. Introduction:

A tidal bore is a discontinuity of the water depth, and a hydrodynamic shock, surging upstream in shallow-water bays and estuaries during the flood tide under spring tidal conditions. It is estimated that over 400-450 estuaries worldwide are affected by tidal bores. Tidal bores can be dangerous, impacting adversely on man-made structures and endangering lives. For example, the Hoogly River bore (India) destroyed several bridge structures. The impact of a tidal bore on bridges and bridge piers was rarely documented. This study aims to investigate thoroughly the propagation of tidal bores over a large cylindrical roughness element, representative of a damaged bridge pier foundation, through carefully-controlled laboratory experiments.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

조석해일은 특정 지리적, 조석 조건 하에서 발생하는 자연 현상으로, 교량과 같은 연안 구조물에 상당한 위협이 됩니다. 특히 교각 기초 주변의 세굴 현상은 구조물의 안정성을 저해하는 주요 원인이지만, 조석해일과 같은 비정상 난류 흐름(unsteady turbulent flow) 하에서의 세굴 메커니즘은 명확히 규명되지 않았습니다.

Status of previous research:

과거 연구는 주로 평탄한 하상에서의 조석해일 전파 특성에 집중되었으며, 교각과 같은 대형 구조물과의 상호작용에 대한 연구는 드물었습니다. 쓰나미 해일이 구조물에 미치는 영향에 대한 연구는 일부 있었으나, 주기적으로 발생하는 조석해일의 영향과는 차이가 있습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 대형 원통형 장애물(교각 모사)이 조석해일의 전파 과정에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것입니다. 특히, 장애물 주변의 자유 수면, 유속장, 그리고 난류 응력의 변화를 정밀하게 측정하여, 교각 세굴 발생 가능성을 평가하고자 합니다.

Core study:

실험 수로에 원통형 장애물을 설치한 조건과 설치하지 않은 조건을 비교하여 조석해일 통과 시의 수리적 변화를 분석했습니다. 자유 수면의 변화는 미미했으나, 장애물 주변에서 유동 재순환이 더 길고 강하게 발생했으며, 이는 난류 전단 응력의 증가로 이어져 잠재적인 세굴 위험이 매우 높다는 것을 실험적으로 증명했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

통제된 실험실 환경에서 물리적 모델링을 수행했습니다. 평탄한 바닥(Configuration A)과 원통형 장애물이 설치된 바닥(Configuration B)의 두 가지 조건을 설정하여 조석해일 통과 시의 유체 역학적 특성을 비교 분석하는 실험 설계를 채택했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 자유 수면: 음향 변위 센서를 이용하여 비접촉 방식으로 수위 변화를 측정했습니다.
• 유속: 3차원 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 구조물 주변의 x, y, z 방향 순간 유속을 200Hz로 샘플링했습니다.
• 데이터 분석: 각 실험은 25회 반복 수행되었으며, 앙상블 평균(ensemble-average) 기법을 사용하여 평균 유속과 난류 변동성(Reynolds stresses)을 계산했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 수평 사각 수로 내에서 전파되는 조석해일이 단일 원통형 장애물과 상호작용하는 현상에 국한됩니다. 초기 정상 흐름 상태와 조석해일 통과 시의 비정상 흐름 상태 모두를 다루었으며, 자유 수면 특성, 평균 유속, 그리고 난류 응력 텐서 성분들을 주요 분석 대상으로 삼았습니다. 이동상(mobile bed)이 아닌 고정상(fixed bed) 조건에서의 실험입니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 원통형 장애물의 존재는 조석해일의 자유 수면 특성(공액 수심비, 최대 파고 등)에 거의 영향을 미치지 않았습니다.
• 장애물은 조석해일 통과 시 국부적인 유속장을 크게 변화시켰습니다. 장애물이 없는 경우에 비해 유동 재순환 지속 시간이 약 2배 길어졌고, 최대 재순환 유속은 약 60% 더 강해졌습니다.
• 장애물 주변, 특히 중심으로부터 반경 2D(직경의 2배) 이내 영역에서 난류 응력(Reynolds stresses)이 현저하게 증가했습니다.
• 증가된 난류 응력은 해당 영역에서 심각한 하상 침식, 즉 세굴이 발생할 잠재력이 매우 높음을 시사합니다.

Figure List:

• Fig. 1 – Photographs of tidal bores impacting man-made structures
• Fig. 2 – Definition sketch of the experimental channel
• Fig. 3 – Photographic sequence of tidal bore propagation (from right to left) with 0.12 s between successive photographs (From left to right, top to bottom)
• Fig. 4 – Dimensionless vertical distributions of time-averaged longitudinal velocity Vx and standard deviation of longitudinal velocity vx’ downstream of the cylindrical element in steady flow
• Fig. 5 – Ratio of conjugate depths in tidal bores propagating in a horizontal rectangular channel
• Fig. 6 – Dimensionless maximum water elevation (dmax-d1)/(d2-d₁) in tidal bores propagating in a horizontal rectangular channel
• Fig. 7 – Time variations of median water depth dmedian and instantaneous free-surface fluctuations (d75-d25) during the generation and upstream propagation of a breaking bore
• Fig. 8 – Ensemble-averaged longitudinal velocity as a function of time: comparison between bed configuration A (no element) and bed configuration (with element)
• Fig. 9 – Time variations of median water depth dmedian, median longitudinal velocity Vx and instantaneous longitudinal fluctuations (V75-V25) during a breaking bore passage
• Fig. 10 – Time variations of ensemble-averaged Reynolds stresses vxvx and vxvy: comparison between bed configuration A (no element) and bed configuration B at (x-x｡)/D = -2 (upstream of large element)

7. Conclusion:

본 연구는 대형 원통형 장애물이 조석해일 전파에 미치는 영향을 물리적 실험을 통해 평가했습니다. 초기 정상 흐름에서 장애물은 문헌과 일치하는 후류 영역을 생성했습니다. 조석해일 전파 중, 장애물은 자유 수면에는 미미한 영향을 미쳤으나, 순간 유속과 난류 응력에는 상당한 영향을 주었습니다. 장애물 상류와 하류에서 더 긴 재순환 시간과 더 큰 재순환 유속이 관측되었으며, 장애물 주변(중심으로부터 반경 2D 이내)에서 난류 응력 수준이 증폭되어 잠재적인 하상 침식 위험이 증가함을 확인했습니다. 이 결과는 조석해일이 발생하는 환경에서 교각과 같은 구조물 주변에 대규모 세굴 구멍이 발생할 수 있는 가능성을 시사합니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 CFD 시뮬레이션 대신 물리적 모델링 실험을 선택한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문에 따르면, 조석해일과 같은 실제 현장은 통제와 반복이 불가능하여 체계적인 연구가 어렵습니다. 물리적 모델링은 통제된 실험실 환경에서 조석해일을 반복적으로 생성하고 정밀 계측 장비를 사용하여 복잡한 난류 현상을 직접 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 이렇게 얻어진 고품질 데이터는 향후 CFD 모델의 정확성을 검증하고 개선하는 데 필수적인 기초 자료로 활용될 수 있습니다.

Q2: 조석해일이 통과할 때 자유 수면에 큰 변화가 없었다는 결과는 어떤 실질적인 의미를 가지나요?

A2: 이는 매우 중요한 발견입니다. 현장 관리자나 엔지니어가 수면의 변화만 보고 구조물이 안전하다고 오판할 수 있기 때문입니다. 본 연구는 수면 아래에서는 눈에 보이지 않는 강력한 와류와 난류 응력이 발생하여 구조물 기초를 심각하게 침식시킬 수 있음을 보여줍니다. 따라서 구조물의 안전성 평가는 반드시 수중의 유체 역학적 데이터를 기반으로 이루어져야 하며, CFD 해석은 이러한 보이지 않는 위험을 시각화하고 정량화하는 데 효과적인 도구입니다.

Q3: 논문에서 언급된 ‘난류 응력(Reynolds stresses) 증가’가 교각 세굴과 어떻게 직접적으로 연결되나요?

A3: 난류 응력, 특히 전단 응력(shear stress)은 유체가 강바닥이나 구조물 표면을 긁어내는 힘의 척도입니다. 이 값이 특정 임계치를 넘어서면 바닥의 흙이나 모래 입자가 움직이기 시작하며 침식, 즉 세굴이 발생합니다. 본 연구에서 장애물 주변의 난류 응력이 크게 증가했다는 것은 조석해일이 통과하는 순간, 교각 기초 주변의 바닥을 파내는 힘이 극적으로 강해진다는 것을 의미합니다.

Q4: 이 연구는 고정된 바닥(fixed bed)에서 수행되었는데, 실제 모래나 흙으로 이루어진 이동상(mobile bed)에 적용할 때 어떤 점을 고려해야 할까요?

A4: 본 연구의 결론에서도 이동상을 사용한 추가 연구의 필요성을 언급하고 있습니다. 고정상에서 측정된 높은 난류 응력은 이동상 조건이라면 실제로 세굴이 발생할 것이라는 강력한 증거입니다. 이동상에서 실험을 진행한다면, 본 연구에서 예측한 세굴 위험이 실제로 어느 정도 깊이와 넓이의 세굴 구멍으로 발전하는지 정량적으로 확인할 수 있을 것입니다. 이는 세굴 깊이를 예측하는 CFD 모델 개발에 중요한 데이터를 제공할 것입니다.

Q5: 연구 결과에 따르면 세굴 위험이 ‘장애물 중심으로부터 직경의 2배 이내’에서 가장 크다고 나왔습니다. 이 정보는 교량 설계에 어떻게 활용될 수 있나요?

A5: 이 정보는 교각 기초의 보호 공법을 설계할 때 매우 유용합니다. 세굴 위험이 가장 큰 영역을 특정할 수 있으므로, 해당 구역에 집중적으로 사석(riprap)이나 콘크리트 블록과 같은 보호공을 설치하여 침식을 방지할 수 있습니다. 이는 비용 효율적인 설계를 가능하게 하며, 제한된 예산 내에서 교량의 안전성을 최대한 확보하는 데 기여할 수 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 조석해일이 교각을 통과할 때 발생하는 복잡한 유체-구조물 상호작용에 대한 중요한 통찰을 제공합니다. 핵심 결론은 수면의 변화가 미미하더라도 수면 아래에서는 교각 기초의 안정성을 심각하게 위협하는 강력한 난류와 와류가 발생한다는 것입니다. 이러한 보이지 않는 위험을 정확히 예측하고 대비하기 위해서는 정밀한 조석해일(Tidal Bore) 해석이 필수적입니다. CFD 시뮬레이션은 이러한 복잡한 현상을 시각적으로 분석하고 정량적 데이터를 제공함으로써, 엔지니어들이 보다 안전하고 경제적인 구조물을 설계할 수 있도록 지원합니다.

“At STI C&D, we are committed to applying the latest industry research to help our customers achieve higher productivity and quality. If the challenges discussed in this paper align with your operational goals, contact our engineering team to explore how these principles can be implemented in your components.”

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Impact of a large cylindrical roughness on tidal bore propagation” by “YEOW, S.C., CHANSON, H., and WANG, H.”.
• Source: https://doi.org/10.1139/cjce-2015-0557

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