Numerical Simulation of Sediment Transport and Bedmorphology around Gangjeong Weir in Nakdong River

Abstract

수공구조물 주변의 세굴 현상은 오늘날 수공학 분야가 다루는 주요한 문제 중 하나이다. 세굴 깊이에 대한 과소평가는 구조에 심각한 문제를 일으키는 반면 과대평가는 불필요한 건설 비용을 유발한다. 하지만 현재까지의 실험에 기초한 세굴 예측 기법과 공식은 현장 조건을 재현할 만큼 정확하지 않다. 축적과 유체 특성에 인해, 상사법칙을 만족하는 현장 조건을 실내모형에 반영해야 한다. 하지만 전산유체역학(CFD)을 이용한 미지수 예측 방법은 실내시험보다 물리적/운동적 제약조건이 적은 편이며, 다양한 설계 변수에 따른 계산을 수행할 수 있고 준경험식에 비해 정확한 계산이 가능하다. 4대강 정비 사업 완공 이후, 주요 하천에 건설된 보 주변의 퇴적ᆞ침식 현상이큰 화제가 되고 있다. 본 연구에서는 낙동강의 강정보 주변의 지형변화를 평가하기 위하여 전산유체역학 소프트웨어 TELEMAC을 사용하였다. 수치 모형에는 강과 구조물의 실제지형공간정보를 반영하였으며, 현장관측 자료와 경험식을 이용하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 가장 많은 지형변화는 보 수문이 완전히 개방되는 홍수기에 나타났다. 이는 수문 뒤로 세굴공이 형성되기 때문이다. 수치모델을 이용한 계산결과와 현장 실측된 자료가 일치하였으며, 세굴공 형성의 메커니즘은 호프만 이론을 따랐다.

Scour around hydraulic structures is one of critical problems in hydraulic engineering: under prediction of scour depths can lead to costly failures in the structure, while over prediction can result in unnecessary construction costs. Unfortunately, up-to-date empirical scour prediction methods and equations based on laboratory data are not always accurate enough and able to reproduce field conditions. Because of physical scales and fluid properties, lab-scale models should be derived from field conditions according to the Hydraulic Similitude Laws. However, unlike physical models, computational fluid dynamics (CFD) tools can perform using real field dimensions and operating conditions to predict turbulent flows and sediment scour. Since the completion of the Four Major Rivers Restoration Project, several new weirs have been installed in the main Korean streams, sediment deposition and erosion around such structures have became a major issue in such rivers. This study is to modify and apply an open source CFD software package, the TELEMAC, to simulate sediment transport and bed morphology around Gangjeong weir in Nakdong River. The real bathymetry of the river and the geometry of weir have been implemented in the numerical model. Numerical results have been validated against available field observations and empirical formulas from literature to predict maximum eroded depths of scour near hydraulic structures. The highest change in bed morphology occurs when the gates are fully opened during flooding. A scour hole is formed behind the weir gates.A reasonably good agreement has been observed between the simulated result and the measured river bathymetry after construction of the weir. The mechanism of formation of the scour hole qualitatively follows Hoffmans' theory, where a strong erosion of the vertical direction is followed by the longitudinal propagation of the hole to the downstream, as well as the amount of eroded sediment decreases reaching to an equilibrium situation.