KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
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Experimental Investigation of Effects of Sediment Concentration and Bed Slope on Debris Flow Deposition in Culvert

횡단 배수로에서 토석류 퇴적에 대한 유사농도와 바닥경사 영향 실험연구

  • 김영일 (강릉원주대학교 대학원 토목공학과) ;
  • 백중철 (강릉원주대학교 토목공학과)
  • Received : 2011.04.18
  • Accepted : 2011.06.03
  • Published : 2011.10.31
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Abstract

Debris flow is one of the most hazardous natural processes in mountainous regions. The degradation of discharge capacity of drainage facilities due to debris flows may result in damages of properties and casualty as well as road. Understanding and accurate reproducing flow behaviour of debris flows at various conditions, such as sediment volume concentration and approaching channel and culvert slopes, are prerequisite to develop advanced design criteria for drainage facilities to prevent such damages. We carried out a series of laboratory experiments of debris flows in a rectangular channel of constant width with an abrupt change of bottom slope. The experimental flume consists of an approaching channel part with the bed slope ranging $15^{\circ}$ to $30^{\circ}$ and the test channel with slope ranging from $0^{\circ}$ to $12^{\circ}$ which mimics a typical drainage culvert. The experiments have been conducted for 22 test cases with various flow conditions of channel slopes and sediment volume concentration of debris flows to investigate those effects on the behaviour of debris flows. The results show that, according to sediment volume concentration, the depth of debris flow is approximately 50% to 150% larger than that of fresh water flow at the same flow rate. Experimental results quantitatively present that flow behaviour and deposit history of debris flows in the culvert depend on the slopes of the approaching and drainage channels and sediment volume concentration. Based on the experimental results, furthermore, a logistic model is developed to find the optimized culvert slope which prevents the debris flow from depositing in the culvert.

토석류는 산간지역에서 발생할 수 있는 가장 위험한 자연현상 중 하나이다. 토석류로 인한 배수구조물의 통수능 저하는 도로의 파괴뿐만 아니라 인명과 재산의 피해를 야기시킬 수도 있다. 이러한 토석류 피해를 막기 위한 배수구조물의 진보된 설계 기술을 개발하기 위해서는 토석류의 유사체적농도 그리고 접근 수로와 배수로의 경사를 포함하는 다양한 조건에 대해서 토석류의 흐름 거동을 이해하고 정확하게 재현할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 경사 변화점을 갖는 일정한 폭의 사각형 수로에서 일련의 토석류 실험을 실시하였다. 실험수로는 $15^{\circ}{\sim}30^{\circ}$의 경사조절이 가능한 접근수로와 전형적인 배수로를 재현하기 위한 $0^{\circ}{\sim}12^{\circ}$의 경사조절이 가능한 하류부 배수로로 이루어진다. 실험은 서로 다른 수로의 경사와 유사체적농도의 조합으로 구성된 전체 22개의 실험조건에 대해서 수행하여 이들 실험 변수들이 토석류의 흐름 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 실험결과는 먼저 동일 유량 조건에 대해서 토석류 흐름은 물 흐름에 비해서 유사체적농도에 따라서 약 50%에서 150%정도 수심이 크게 형성되는 것으로 나타났다. 실험결과는 배수로에서 토석류의 흐름 거동과 퇴적의 시간적 변화 특성이 접근수로 및 배수로의 바닥경사 그리고 유사체적농도 특성에 지배됨을 정량적으로 보여준다. 아울러 실험 자료에 근거해서, 토석류의 퇴적을 방지할 수 있는 배수로의 최적 경사를 결정할 수 있는 로지스틱 모형을 개발하였다. 이 로지스틱 모형은 우수한 정확도로 배수로에서의 토석류 퇴적 유무를 판별할 수 있는 것으로 나타났다.

Keywords

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