Figure 6. (a) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D50 = 0.470 mm type under open for the highest flow discharge. (b) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under smooth for the highest flow discharge. (c) Scour patterns around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under rough for the highest flow discharge.

얼음으로 덮인 흐름 조건에서 병렬 교각 주변의 국부 세굴에 관한 실험적 연구

Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge Piers under Ice-Covered Flow Conditions

본 보고서는 겨울철 하천 결빙이 교량 기초의 안전성에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행된 실험적 연구 결과를 담고 있습니다. 특히 병렬로 배치된 교각 주변의 복잡한 흐름 구조와 비균질 하상 재료의 세굴 메커니즘을 규명하여, 한랭 지역 교량 설계의 기술적 타당성을 검토하는 데 중점을 둡니다.

Paper Metadata

  • Industry: 토목공학 (Civil Engineering) / 수공학 (Hydraulic Engineering)
  • Material: 비균질 모래 (Nonuniform sand), 스티로폼 인공 얼음 (Styrofoam ice cover)
  • Process: 수로 실험 (Flume experiment), 3차원 유속 측정 (ADV), 국부 세굴 분석

Keywords

  • 얼음 덮개 (ice cover)
  • 국부 세굴 (local scour)
  • 비균질 모래 (nonuniform sand)
  • 교각 (bridge piers)
  • 최대 세굴 깊이 (maximum scour depth)
  • 말굽 소용돌이 (horseshoe vortex)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Quesnel River Research Centre의 대형 수로(길이 38.2m, 폭 2m, 깊이 1.3m)에서 수행되었습니다. 실험 장치는 90m³ 용량의 저수조와 유량 조절 밸브, 그리고 두 개의 모래 상자로 구성되었습니다. 60, 90, 110, 170mm 직경의 원형 교각 4쌍을 병렬로 배치하였으며, 하상 재료로는 중앙 입경(D50)이 0.47, 0.50, 0.58mm인 세 종류의 비균질 모래를 사용했습니다. 흐름 조건은 개수로(Open channel), 매끄러운 얼음(Smooth ice), 거친 얼음(Rough ice)의 세 가지 경계 조건을 설정하여 총 108회의 실험 케이스를 구축했습니다.

Key Findings

실험 결과, 얼음 덮개가 존재하는 경우 개수로 조건보다 최대 세굴 깊이가 유의미하게 증가하는 것으로 나타났습니다. 특히 거친 얼음 덮개 조건에서 하강 유속(Downfall velocity)의 강도가 가장 높게 측정되었으며, 이는 세굴 구멍의 심화를 초래했습니다. 교각 간격비(G/D)가 1.94에서 7.33으로 증가함에 따라 말굽 소용돌이의 간섭이 약화되어 상대적 최대 세굴 깊이(ymax/y0)가 감소하는 경향을 보였습니다. 또한, 비균질 하상에서 형성된 장갑층(Armor layer)의 입자 크기가 커질수록 하부 침식이 억제되어 세굴 깊이가 감소하는 정량적 상관관계를 확인했습니다.

Industrial Applications

본 연구의 데이터는 한랭 지역 교량 기초 설계 시 얼음 덮개에 의한 세굴 깊이 증가분을 반영하는 설계 공식의 기초 자료로 활용될 수 있습니다. 병렬 교각의 최적 배치 간격을 결정하여 세굴 위험을 최소화하는 공학적 가이드라인을 제공하며, 수치 해석 모델의 검증을 위한 벤치마크 실험 데이터로도 가치가 높습니다. 이는 교량의 유지 관리 비용 절감과 구조적 안정성 확보에 기여합니다.

Theoretical Background

말굽 소용돌이와 흐름 구조 (Horseshoe Vortex and Flow Structure)

교각 주변의 국부 세굴은 흐름이 교각 전면에서 분리되면서 발생하는 복잡한 3차원 흐름 구조에 의해 결정됩니다. 주요 메커니즘은 교각 전면의 하강 흐름과 이로 인해 형성되는 말굽 소용돌이(Horseshoe vortex), 그리고 교각 후면의 후류 소용돌이(Wake vortex)입니다. 얼음 덮개는 흐름의 상단에 고체 경계를 추가하여 습윤 둘레를 증가시키며, 이로 인해 최대 유속 지점이 하상 쪽으로 이동하게 됩니다. 이러한 유속 분포의 변화는 말굽 소용돌이의 강도를 높여 세굴 구멍 내의 전단 응력을 강화하는 결과를 초래합니다.

비균질 하상의 장갑화 현상 (Bed Armoring in Nonuniform Sediment)

자연 하천의 하상은 대개 다양한 입경을 가진 비균질 모래로 구성됩니다. 세굴이 진행되는 동안 흐름의 전단 응력이 미세 입자의 임계 전단 응력을 초과하면 미세 입자가 먼저 씻겨 내려가고, 상대적으로 굵은 입자들이 표면에 남게 됩니다. 이 과정을 장갑화(Armoring)라고 하며, 형성된 장갑층은 하부의 미세 입자가 직접 흐름에 노출되는 것을 차단하는 보호막 역할을 합니다. 본 연구에서는 Meyer-Peter와 Müller의 공식을 활용하여 장갑층 입경과 세굴 깊이 사이의 이론적 관계를 분석했습니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 38.2m 길이의 대형 수로에서 0.2%의 경사 조건으로 수행되었습니다. 유속 측정에는 10-MHz 초음파 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 세굴 구멍 내부의 3차원 유속 성분을 정밀하게 기록했습니다. 얼음 덮개는 부유식 스티로폼 패널로 모사하였으며, 거친 얼음 조건은 25x25x25mm 크기의 스티로폼 입방체를 35mm 간격으로 부착하여 구현했습니다. 각 실험은 평형 세굴 상태에 도달하는 데 충분한 24시간 동안 지속되었습니다.

Figure 1. The ice cover around bridge piers (the confederation bridge, Prince Edward Island, 2015).
Figure 1. The ice cover around bridge piers (the confederation bridge, Prince Edward Island, 2015).

Visual Data Summary

세굴 패턴 분석 결과, 모든 흐름 조건에서 최대 세굴은 교각의 상류 전면부에서 발생했습니다. 얼음 덮개가 거칠어질수록 세굴 구멍의 평면적 범위와 깊이가 확대되는 양상을 보였습니다. 교각 후면에는 침식된 모래가 쌓여 형성된 퇴적 언덕(Deposition ridge)이 관찰되었으며, 거친 얼음 조건에서 이 언덕의 높이가 가장 높고 넓게 분포했습니다. 이는 강화된 말굽 소용돌이가 더 많은 양의 퇴적물을 후류로 운반했음을 시사합니다.

Variable Correlation Analysis

교각 레이놀즈 수(Reb)와 세굴 깊이 사이에는 밀접한 상관관계가 확인되었습니다. Reb는 교각 간격비(G/D)가 증가함에 따라 감소하며, 이는 소용돌이 강도의 약화로 이어져 세굴 깊이를 감소시킵니다. 또한, 무차원 전단 응력(τ*)과 입자-유체 파라미터(S*)의 관계 분석을 통해, 입경이 작을수록 동일한 흐름 조건에서 더 높은 무차원 전단 응력을 받게 되어 세굴에 취약해짐을 정량적으로 입증했습니다.

Paper Details

Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge Piers under Ice-Covered Flow Conditions

1. Overview

  • Title: Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge Piers under Ice-Covered Flow Conditions
  • Author: Mohammad Reza Namaee, Jueyi Sui, Peng Wu
  • Year: 2019
  • Journal: IntechOpen (Chapter in “Current Practice in Fluvial Geomorphology”)

2. Abstract

얼음으로 덮인 조건에서 교각 주변의 최대 세굴 깊이(MSD)를 정확하게 예측하는 것은 교량 기초의 안전한 설계에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 개수로, 매끄러운 얼음 및 거친 얼음 덮개 조건 하에서 비균질 하상 재료를 가진 4쌍의 원형 병렬 교각 주변의 국부 세굴을 조사하기 위해 일련의 수로 실험을 완료했습니다. 실제 하천 조건을 모사하기 위해 중앙 입경이 0.47, 0.50, 0.58mm인 세 가지 하상 재료를 사용했습니다. 교각 크기에 관계없이 모든 흐름 조건에서 교각 전면에서 최대 세굴 깊이가 관찰되었습니다. 또한 교각 크기가 작고 교각 사이의 간격이 넓을수록 세굴 깊이가 작아졌습니다. 결과에 따르면 최대 세굴 깊이는 장갑층의 입자 크기가 증가함에 따라 감소합니다. 수직 유속 분포는 거친 얼음 덮개 아래에서 하강 유속의 강도가 가장 크다는 것을 보여줍니다. 개수로 및 얼음 덮개 흐름 조건 모두에서 병렬 교각 주변의 최대 세굴 깊이를 추정하기 위한 경험적 공식이 개발되었습니다.

3. Methodology

3.1. 실험 장치 준비: 38.2m 길이의 대형 수로에 0.30m 깊이의 모래 상자를 설치하고, 비균질 모래(D50=0.47, 0.50, 0.58mm)를 채워 하상을 조성함.
3.2. 교각 및 얼음 모사: 60~170mm 직경의 교각 쌍을 병렬로 배치하고, 스티로폼 패널을 사용하여 매끄러운 얼음과 거친 얼음(입방체 부착) 경계 조건을 설정함.
3.3. 데이터 측정: 24시간 동안 실험을 수행하며 매시간 세굴 깊이를 기록하고, ADV를 사용하여 세굴 구멍 주변의 3차원 유속 분포를 정밀하게 측정함.

Figure 4. Distribution curves of the three nonuniform sediments.
Figure 4. Distribution curves of the three nonuniform sediments.

4. Key Results

얼음 덮개의 존재는 개수로 조건에 비해 최대 세굴 깊이를 25~35% 증가시킬 수 있음을 확인했습니다. 거친 얼음 덮개는 하상 근처의 유속을 증가시켜 말굽 소용돌이를 강화하며, 이는 세굴 구멍의 확대로 이어집니다. 교각 간격비(G/D)가 커질수록 두 교각 사이의 흐름 간섭이 줄어들어 세굴 깊이가 감소하는 반비례 관계가 나타났습니다. 비균질 하상에서는 장갑화 현상이 세굴 진행을 억제하는 주요 요인으로 작용하며, 장갑층 입경이 클수록 세굴 방어 효과가 뚜렷했습니다.

Figure 6. (a) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D50 = 0.470 mm type under open for the highest flow discharge. (b) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under smooth for the highest flow discharge. (c) Scour patterns around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under rough for the highest flow discharge.
Figure 6. (a) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D50 = 0.470 mm type under open for the highest flow discharge. (b) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under smooth for the highest flow discharge. (c) Scour patterns around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under rough for the highest flow discharge.

5. Mathematical Models

$$Re^{*} = \frac{U^{*} D_{i}}{\nu}$$ $$U^{*} = \sqrt{gRS}$$ $$\tau_{c}^{*} = \frac{\rho U_{c}^{*2}}{(\rho_{s} – \rho)gD_{50}} = \frac{\tau}{(\rho_{s} – \rho)gD_{50}}$$ $$W = \frac{\pi d^{3}}{6}(\rho_{s} – \rho)g$$ $$S^{*} = \frac{D_{50}}{4\nu}\sqrt{(SG-1)gD_{50}}$$ $$Re_{b} = \frac{UD}{\nu}$$

Figure List

  1. Figure 1: 2015년 컨페더레이션 교량 주변의 얼음 덮개 현황.
  2. Figure 2: 실험 수로의 평면도 및 측면도 구성.
  3. Figure 3: 원형 교각 주변의 간격비 및 유속 측정 지점 상세.
  4. Figure 4: 실험에 사용된 세 가지 비균질 모래의 입도 분포 곡선.
  5. Figure 5: 9cm 교각 주변의 세굴 깊이 변화 및 퇴적 패턴 비교.
  6. Figure 6: 110mm 교각 주변의 세굴 패턴 등고선도 (개수로 vs 얼음 덮개).
  7. Figure 7: 교각 간격비(G/D)에 따른 상대적 최대 세굴 깊이 변화 그래프.
  8. Figure 8: 교각 간격비와 교각 레이놀즈 수(Reb)의 상관관계.

References

  1. Basson GR. Hydraulics of two-phase flows: Water and sediment. 2009.
  2. Chiew YM, Melville BW. Local scour around bridge piers. 1987.
  3. Richardson EV, Davis SR. Evaluating Scour at Bridges. 2001.
  4. Zhang Q, Zhou XL, Wang JH. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles. 2017.
  5. Melville BW, Raudkivi AJ. Flow characteristics in local scour at bridge piers. 1977.

Technical Q&A

Q: 얼음 덮개가 세굴 깊이를 증가시키는 물리적 이유는 무엇입니까?

얼음 덮개는 흐름의 상단에 추가적인 고체 경계를 형성하여 습윤 둘레를 증가시킵니다. 이로 인해 흐름의 저항이 커지고 유속 분포가 변화하여, 최대 유속 지점이 하상에 더 가깝게 이동하게 됩니다. 결과적으로 교각 전면의 하강 흐름과 말굽 소용돌이의 강도가 세워져 하상 재료를 더 깊게 침식시키게 됩니다.

Q: 병렬 교각 사이의 간격(G)은 세굴에 어떤 영향을 미칩니까?

교각 사이의 간격이 좁을수록 두 교각에 의해 발생하는 소용돌이 시스템이 서로 간섭하고 강화됩니다. 실험 결과, 교각 간격비(G/D)가 작을수록 말굽 소용돌이의 강도를 나타내는 교각 레이놀즈 수(Reb)가 높게 측정되었으며, 이는 더 깊은 세굴을 유발합니다. 간격이 넓어질수록 이러한 간섭 효과가 줄어들어 세굴 깊이는 감소합니다.

Q: 비균질 하상에서 발생하는 장갑화(Armoring) 현상의 효과는 무엇입니까?

비균질 모래에서는 세굴 과정 중 미세 입자가 먼저 씻겨 나가고 굵은 입자들이 표면에 남게 됩니다. 이 굵은 입자들이 형성하는 장갑층은 하부의 침식 가능한 입자들을 흐름으로부터 보호하는 역할을 합니다. 본 연구에서는 장갑층의 입자 크기가 커질수록 최대 세굴 깊이가 감소함을 확인하였으며, 이는 장갑층이 세굴 진행을 억제하는 방어 기제로 작용함을 의미합니다.

Q: 거친 얼음 덮개와 매끄러운 얼음 덮개의 세굴 특성 차이는 무엇입니까?

거친 얼음 덮개는 매끄러운 덮개에 비해 흐름에 더 큰 마찰 저항을 제공합니다. 이로 인해 유속 프로파일이 하상 쪽으로 더 크게 치우치게 되며, 하강 유속의 강도가 매끄러운 조건보다 훨씬 강하게 나타납니다. 실험 데이터에 따르면 거친 얼음 조건에서 최대 세굴 깊이와 퇴적 언덕의 규모가 가장 크게 관찰되었습니다.

Q: 실험에서 평형 세굴 상태에 도달하는 기준은 어떻게 설정되었습니까?

실험 관찰 결과, 세굴 구멍은 실험 시작 후 약 6시간 이내에 급격히 발달하며 이후 평형 상태에 도달하여 깊이 변화가 거의 나타나지 않았습니다. 그러나 본 연구에서는 결과의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위해 모든 실험 케이스에 대해 24시간 동안 흐름을 지속시킨 후 최종 세굴 깊이를 측정하였습니다.

Conclusion

본 연구는 얼음 덮개 조건이 병렬 교각 주변의 국부 세굴을 심화시키는 핵심 요인임을 실험적으로 입증했습니다. 특히 거친 얼음 덮개 하에서의 유체역학적 변화가 세굴 위험을 극대화하며, 교각 간격 설계가 세굴 깊이 제어에 결정적인 역할을 함을 확인했습니다. 이러한 결과는 한랭 지역의 교량 기초 설계 지침을 개선하고, 기후 변화에 따른 하천 결빙 환경 변화에 대응하는 공학적 기초를 제공합니다.

Source Information

Citation: Mohammad Reza Namaee, Jueyi Sui, Peng Wu (2019). Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge Piers under Ice-Covered Flow Conditions. IntechOpen.

DOI/Link: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.86369

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