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토석류 수로 실험을 통한 토석류 흐름 특성 분석

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Authors
유송
Advisor
임상준
Major
농업생명과학대학 산림과학부
Issue Date
2016-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
토석류수로 실험흐름 특성흐름 저항 계수
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 산림과학부 산림환경학전공, 2016. 8. 임상준.
Abstract
토석류는 흙과 자갈, 바위 등이 물과 혼합되어 빠른 속도로 흘러내리는 산지토사재해의 한 종류이다. 토석류는 주로 강수에 의해 유발되는데, 기후변화에 따라 강우강도가 증가함에 따라서 토석류의 발생 빈도도 또한 증가하고 있다. 따라서 토석류로 인한 피해 저감을 위해서는 토석류의 흐름 특성을 고려한 토석류 피해 추정과 피해 저감 시설의 설계가 중요하다. 토석류 흐름 속도는 토석류의 충격력과 퇴적 형태에 영향을 주는 흐름 특성으로, 이 연구에서는 토석류 수로 실험을 통해 수로의 경사 조건과 시료의 점성에 따른 토석류의 흐름 특성을 실험적으로 분석하고, 토석류 흐름 속도 추정식에 적용되는 흐름 저항 계수를 산정하여, 흐름 속도 추정식을 이용하여 토석류 흐름 특성을 분석하였다.
토석류 수로 실험 결과, 수로 경사가 증가할수록 흐름 속도는 증가하고 토석류 흐름의 깊이는 감소하는 경향을 보였다. 고점도의 점성 토석류가 저점도의 점성 토석류에 비해 느린 흐름 속도를 보였고, 흐름의 깊이는 두 시료 조건 간에 유의한 차이가 나타나지 않았다.
흐름 속도 추정식을 통한 흐름 저항 계수 추정 결과, 겉보기 점성(μ), 구성 입자의 종류 및 토사 부피 농도에 관한 통합 상수 (ξ)는 시료 조건에 따라 유의한 차이가 없었으며, 평균값은 각각 0.5054 Pa s, 2140.13 m-1/2 s-1이었다. Manning 계수 (n), Chezy 상수 (C1), Koch (1998) 경험상수 (C2)는 실험에 사용된 토석류 시료에 따라 유의한 차이를 보였고, 각각의 평균은 고점도의 경우 0.0282 m-1/3 s, 18.4401 m1/2 s-1, 5.1244 m0.78 s-1의 값을 보였고, 저점도의 경우, n 0.0245 m-1/3 s, C1 20.7486 m1/2 s-1, C2는 5.9335 m0.78 s-1로 나타났다.
선행연구에서 제시된 실제 토석류 사례 및 수로 실험 결과들을 종합하여 흐름 저항 계수를 비교한 결과, 흐름 저항 계수는 흐름의 깊이에 유의한 관계를 보였고, 각각 μ 는 h1.5729, ξ 는 h-1.018, n은 h0.1847, C1은 h-0.018, C2는 h0.1986에 비례하는 것으로 나타났다. 흐름 저항 계수 중에서 C1은 흐름 깊이의 변화에 대한 민감도가 가장 낮은 것으로 나타나, 토석류 실험 뿐만 아니라 실제 토석류 사례에 대해서도 범용적으로 적용될 수 있을 것으로 보았다.
Debris flow, usually triggered by rainfall, is a fast movement of solid-water mixture. Recently, rainfall intensity persistently increases because of climate change, and thus debris flow occurrence also increases along increase of rainfall intensity. Therefore, estimation of debris flow behavior is important for hazard assessment and design of protective measures against debris flow. One of flow behavior used in hazard assessment is flow velocity, that is usually introduced to estimate deposit area and impact force. This research conducted debris flow experiments using the flume for analyzing debris flow behavior depending on flume slope and viscosity of debris mix. The specific objectives of the study ware to calculate flow resistance coefficient using flow velocity estimation equation and validate the derived flow resistance in simulated debris flow behavior.
As results of debris flow experiment, flow velocity increased and flow depth decreased as flume slope increased. High viscous debris flow shows slower velocity than low viscous debris flow. Flow depth, however, did not show significant difference between two types of debris flow.
As results of estimating flow resistance coefficient, apparent viscosity (μ, 0.5054 Pa s) and lumped coefficient depending on grain size and grain concentration (ξ, 2140.13 m-1/2 s-1) were not significantly different. Manning coefficient, Chezy coefficient, and Koch (1998) empirical coefficient were significantly different between high and low viscous debris flow. Mean of n, C1, and C2 were 0.0282 m-1/3 s, 18.4401 m1/2 s-1, 5.1244 m0.78 s-1 in high viscous debris flow type and 0.0282 m-1/3 s, 18.4401 m1/2 s-1 5.1244 m0.78 s-1 in low viscous debris flow type.
Comparing calculated flow resistance coefficients of this research to real debris flow cases and other debris flow experiments, flow resistance coefficients and flow depth had a power law relationship
μ, ξ, n, C1, and C2 was relative to h1.5729, h-1.018, h0.1847, h-0.018, and h0.1986. Showing extremely low sensitivity to flow depth, C1 was regarded as an appropriate coefficient for application in real debris flow cases.
Language
Korean
URI
http://hdl.handle.net/10371/125701
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Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Forest Sciences (산림과학부)Theses (Master's Degree_산림과학부)
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