2D SPH를 이용한 토석류 이동성에서 바닥 배출구를 갖춘 체크댐의 역할에 대한 수치적 조사

Jan 26, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20456(2022) 이 기사 인용

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바닥 배출구가 있는 체크 댐은 토석류로 인한 피해를 최소화하기 위해 토석류 도랑에서 널리 사용됩니다. 그러나 바닥 크기는 토석류와 바닥 출구가 있는 체크 댐 사이의 상호 작용에 대한 지식이 부족하기 때문에 종종 경험적 기준에 기초합니다. 본 연구에서는 점성 토석류와 바닥 배출구가 있는 체크 댐 사이의 상호 작용을 2D 평활 입자 유체 역학을 사용한 수로 테스트를 통해 조사했습니다. 바닥 출구의 표준화된 높이는 0에서 1까지 다양하며 경사각은 15에서 35°까지 고려됩니다. 수치 결과를 바탕으로 점프 높이는 하단 배출구의 표준화된 높이가 증가함에 따라 감소하며 이 추세는 거듭제곱 법칙 함수로 근사화될 수 있습니다. 하단 배출구의 정규화된 높이가 0.15 미만인 경우 성능은 폐쇄형 체크댐과 유사합니다. 바닥 배출구의 정규화된 높이가 0.6보다 큰 경우 체크댐의 유량 조절 및 퇴적물 포집 기능이 실패할 수 있습니다. 이러한 결과는 바닥 출구가 있는 체크댐의 에너지 차단, 흐름 조절 및 퇴적물 포집 기능이 바닥 출구의 정규화된 높이가 0.15~0.6 범위에 있을 때 잘 작동함을 보여줍니다. 모델 제한으로 인해 이 연구 결과를 검증하기 위한 추가 노력이 필요하더라도 이는 바닥 배출구가 있는 점검 댐의 합리적인 설계를 위한 기초를 제공합니다.

산불, 지진, 산사태와 같은 인간 활동과 자연재해로 인해 많은 수의 죽거나 쓰러지거나 벌목된 나무가 토석류 형성 지역 전체에 흩어지게 됩니다. 토석류가 발생하면 이 나무들은 하류로 운반됩니다1. 이러한 흐름의 빠른 속도와 엄청난 양은 종종 강 유역의 하류에 상당한 피해를 초래합니다. 또한, 그러한 유목을 포함하는 토석류와 관련된 비용에는 고가치 목재의 손실과 상류 지역의 기반 시설 유지 관리가 포함됩니다2.

토석류로 인한 피해를 완화하기 위해 다양한 공학적 대책이 제안되었습니다. 그 중 대규모 목질토석류의 관리를 개선하기 위한 수단으로 개구부가 있는 점검댐의 수가 점차 증가하고 있습니다3. 토석류 도랑에 점검 댐이 설치되면 이동하는 모든 유목과 퇴적물은 하류의 더 중요한 구조물에 도달하기 전에 댐 뒤에 갇히게 됩니다. 그러나 체크댐의 저류량은 여러 번의 토석류 사건4 후에 완전히 채워질 수 있습니다. 점검 댐의 지속 가능성을 향상시키기 위해 바닥 배출구는 종종 점검 댐과 토석류 채널 베드 사이에 위치합니다5.

바닥 배출구가 있는 점검댐의 주요 기능은 배출 조절, 퇴적물 또는 유목 가두기, 운동 에너지 소산입니다. 이러한 기능은 이동하는 유목과 퇴적물의 기계적 및 수력학적 제어라는 두 가지 메커니즘에 의해 제공됩니다6. 기계적 제어는 종종 유목과 퇴적물의 특성 규모가 개구부의 크기를 초과할 때 개구부의 막힘과 관련됩니다5. 유압 제어는 체크 댐6에서 물이 역류하여 발생하는 운반 능력을 감소시키기 위한 것입니다. 따라서 개구부의 크기는 체크댐의 기능성을 확보하는데 중요한 역할을 한다.

바닥 배출구가 있는 체크 댐의 설계 지침에 대한 과학적 기초를 제공하기 위해 여러 실험 및 수치 연구가 수행되었습니다. Piton과 Recking3은 개별 통나무의 길이가 개구부 폭의 두 배가 될 때 유목이 갇힐 가능성이 있다는 것을 발견했으며, 트래핑 효율은 배수량, Froude 수 및 배출구 크기와 음의 상관 관계가 있음을 보여주었습니다. Schwindt6은 배출구 높이가 운반된 물체의 특성 치수보다 낮을 때 재밍 가능성이 상대적으로 높다는 것을 발견했습니다. Choi et al.7은 건조 입상 흐름과 바닥 배출구가 있는 점검 댐 사이의 상호 작용을 모델링하기 위해 일련의 수로 테스트를 수행했습니다. 이 연구를 바탕으로 Shen et al.8은 이산 요소법을 사용하여 수로 테스트를 모델링하고 Froude 수와 정규화된 출구 크기(출구 높이 \({H}_{c}\)와 입자 직경 D)는 점프 높이, 충격력, 에너지 차단 효율, 보유 효율 및 유출 속도를 평가할 때 두 가지 주요 고려 사항입니다. 건식 단분산 입상 흐름의 경우 바닥 배출구 높이가 입자 직경의 1.5배인 경우 체크 댐에 의해 막힘이 유발될 수 있습니다. 콘센트 크기가 증가함에 따라 전력 기능이 증가함에 따라 보유 효율과 에너지 차단 효율이 감소합니다. 다중 장벽 시스템의 성능을 향상시키기 위해 Ng 등9은 이중 견고한 장벽의 오버플로 볼륨과 충격력에 대한 첫 번째 장벽의 바닥 출구 크기의 영향을 조사하는 일련의 수로 테스트를 수행했습니다.

2.0\). As \({\dot{\gamma }}_{cutoff}\) decreases, the propagation of the leading edge of the fluid becomes progressively slower when \(T>3.5\). And there is no noticeable variation between surge front propagation curves when \({\dot{\gamma }}_{cutoff}\le 0.1 {s}^{-1}\). Therefore, the \({\dot{\gamma }}_{cutoff}\) will set as 0.1 s-1 in subsequent simulations./p>4.0\)./p>0.5\)), the effect of the drag force is relatively small compared with the energy carried by the outflow, resulting in Qp/Qof being close to the corresponding \({H}_{c}/{h}_{max}\)./p>0.5\). A steeper slope produces a faster decrease in Qr. When \(\frac{{H}_{c}}{{h}_{max}}>0.8\), Qr for the open check dam is very close to Qr in the case of free flow./p>0.6\), only the upper part of the debris flow is blocked by the check dam, and the lower part of the debris flow can still pass through the bottom freely, which leads to a relatively low RE. This pattern implies that the regulation function of the open check dam may fail when \(\frac{{H}_{c}}{{h}_{max}}>0.6\)./p>0.6\), EB is very low. The slope angle has a negligible influence on EB compared with the normalized bottom outlet height. In this case, only the upper part of the debris flow is blocked by the check dam, while the lower part can pass freely through the bottom outlet. The debris flow is governed by the inertia force in this instance, and the kinetic energy of the debris flow is largely dissipated by the block mechanism induced by the check dam. Thus, EB is mainly governed by \({H}_{c}/{h}_{max}\)./p>0.6\)), RE and the residual outflow rate of the check dam are very close to those in the case of free flow. This indicates that the discharge regulation and sediment trapping functions of the check dam may fail in the case of high normalized bottom outlet heights./p>

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