범람홍수파의 수리학적 거동 특성 해석

Abstract

본 연구에서는 대규모 제방붕괴 범람실험을 수행하여 제내지 범람 현상의 물리적 특성 및 제방붕괴로 인한 제내지 유입량, 범람홍수파의 전파속도, 범람수심의 변화 등을 분석하였다. 제방붕괴에 의한 제내지 유입량 산정을 위하여 수리실험을 수행하고 그 결과를 기존의 횡월류위어 공식 및 댐붕괴에 의한 하도유출량 산정 방법과 비교 분석하였다. 본 연구에서는 개발된 목적과 적용 대상이 다른 기존 식으로는 제내지 유입량을 산정하는 것이 적합하지 않다는 것을 확인하였으며, 실제 하천특성과 제내지 특성이 반영된 새로운 유입량식을 제시하였다. 범람홍수파 선단의 전파속도식을 수리실험을 통해 산정하여 제시하였다. 지금까지의 대부분의 범람연구는 저류형 제내지를 대상으로 확산모형을 이용한 침수예측 위주로 수행되었기 때문에 제방붕괴 초기의 범람류의 동수역학적 거동 특성에 대한 규명이 미흡했다. 따라서, 본 연구에서는 초기 범람홍수파의 거동 특성을 관측하고, 그 결과를 분석하여 홍수파 선단의 이동속도를 산정하였으며 변수 무차원화를 통해 일반식을 제시하였다. 홍수파 선단의 이동거리는 월류수심과 시간의 함수로 나타낼 수 있으며, 월류수심이 범람홍수파의 전파속도를 결정하는 지배적인 변수임을 알 수 있었다. 홍수범람시 제내지에서의 범람수심 측정결과를 이용하여 최대수심 분포를 분석하였다. 제방이 붕괴되어 홍수파가 도달하면서 수심은 최대수심까지 상승하다가 다시 감소한다. 본 실험조건 범위 내에서 최대수심은 제방붕괴지점으로부터의 거리와 제방붕괴저폭의 함수임을 알 수 있었다. 최대수심은 제방붕괴저폭이 증가할수록 증가하고, 붕괴지점으로부터 멀어질수록 감소하는 특성을 가지며, 이러한 상관관계는 관련 무차원변수를 이용하여 단일곡선으로 표현됨을 알 수 있었다. 이상과 같이 대규모 실험을 통한 범람류의 흐름특성을 관찰하고 측정함으로써 범람홍수파의 수리학적 거동을 규명하였으며, 본 연구결과는 차후에 수치모형 검증 또는 대피계획 등의 수립시에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.; The floods resulting from the breach of river levees is of great concern since they may cause human casualties or significant damage to properties in a potentially inundated region. Previous researches for the inundation problem have mostly focused on numerical simulations due to limited cost and time. Although a few studies approached the problem experimentally, they were mainly carried out through the small scale measurements to verify the numerical models. Since the small scale experiments are subject to the scale effect, there has been a need of large scale experiments reproducing a flood inundation close to its occurrence in the field for better understanding of the realistic levee breach. The present study performs experimental investigations through large scale measurements to examine the flow rate, wave front propagation and inundation depth of the breach flow in the horizontal inundation area. The flow rate of the breach flow to the inundation area is estimated from the experimental results and compared with existing equations for a dam breach flow and a lateral weir flow. The comparisons show that the existing methods are not appropriate to estimate the breach flow rate. In this study, a new formula suitable for the real situation in a river and an inner lowland is suggested from using the experimental results. The flood wave propagation on the inundation area of initially dry condition is analyzed. Most of previous numerical simulations have been studied with the diffusion model for the submersion of inland. This leads to lack of understanding about the process of the wave front movement immediately after the levee breach. From the experimental observations, this study describes the initial behavior of the flood wave and provides the propagation speed of wave front. Through dimensional analysis using variables of interest, a formula for the front speed is suggested. The formula shows that the travelling distance of flood wave can be expressed as a function of overflow depth and time and the overflow depth in the main channel is a dominant variable to determine the propagation speed of wave front. The inundation depth of the breach flow is also analyzed and the maximum flood depth indicating the peak of flood wave in the inundation area is estimated. At any location in the flooded area, the inundation depth that is initially zero before the arrival of the wave front increases reaching a maximum depth and then decreases. The maximum flow depth is found to depend on the breach width and the distance from a breach point. It is observed that the maximum flow depth increases with increase of the levee breach width while it decreases as the breach point gets distant. The relationship of non-dimensional variables corresponding to the parameters can be modeled by a single curve. The present study provides the experimental observations on the flooding characteristics on the inundation area through the large scale measurements and suggests the empirical and analytical equations describing the characteristics of the flood wave. The findings from the large scale study are expected to help hydraulic engineers and scientists have an insight to the realistic phenomena and be used to verify numerical models. Furthermore, the suggested formulas are likely to contribute to the establishment of the emergency action plan to cope with the flood inundation.