선형 배수로에 대한 부등류 해석

Abstract

본 연구는 노면배수시설에 이용될 수로 양단에 유출구를 가지며 유량이 연속적으로 증가하는 선형 배수로의 부등류 흐름의 해석 방법을 정립하기 위하여 수행되었다. 지배 방정식으로서 유한 차분 형태의 대수방정식을 사용하여 지배단면에서의 수심 값을 경계조건으로 Newton-Raphson 방법에 의하여 수면곡선을 계산하였다. 하류단에 유출구를 갖는 수로와 수로 양단에 유출구를 갖는 수로를 고려하고, 다양한 종단경사에 대하여 흐름 해석을 수행하였다. 단, 양단에 유출구를 갖는 수로의 경우 양단을 지배단면으로 만드는 임계 종단경사를 조사하여 이보다 작은 종단경사에 대한 흐름 해석을 수행하였으며, 임계경사는 지배단면의 위치와 종단경사의 관계로부터 결정하였다. 하류단에 하나의 유출구를 갖는 수로의 경우 수로 상에 존재하는 지배단면의 위치를 조사하여 그 지점을 기준으로 상류 및 하류 방향으로 수심을 계산한다. 반면 양단에 유출구를 갖는 수로의 경우 지배단면이 수로 양단이라면 분수계를 가정하여 분수계를 기점으로 구분되어지는 상류측 및 하류측 수로에 대한 흐름 해석을 수행하고, 상류단에서 분수계 방향으로 그리고 하류단에서 분수계 방향으로 계산된 분수계 지점의 두 수심이 동일할 때까지 흐름 계산을 반복한다. 흐름 계산 결과 양단에 유출구를 갖는 수로가 임계경사보다 큰 경사로 설치된 경우에는 하류단에 유출구를 갖는 수로의 흐름 거동과 유사지는 것으로 판단되었다. 노면배수시설 설계의 중요한 요소인 최대수심은 종단경사가 작을 때 등류 해석으로 계산된 값이 부등류 해석보다 크게 산정되었으며, 이는 종단경사가 작을 때 등류 해석을 기반으로 한설계가 과대설계가 되기 쉽다는 것을 의미한다. The present study was carried out to examine flow properties in linear drainage channels such as road surface drainage facilities. The finite difference formulation for the varied flow analysis was solved for flow profiles in the channels. Starting the first step at the control section, the Newton-Raphson method was applied for producing numerical solutions of the equation. We considered two types of linear drainage channels, a channel with one outlet at downstream end and a channel with two outlets at both ends. Moreover, the flow analysis for various channel slopes was performed. However, we considered channels with the two outlets of slopes satisfying the condition that the both ends are the control section. The maximum of those slopes was decided from the relation between the channel slope and the location of control section. The flow of a channel with one outlet was calculated upward and downward from the control section existing in channel or upward from the control section at downstream end. The flow of a channel with two outlets at both ends were calculated for upstream and downstream channel segments divided by the water dividend, respectively and the flow analysis was completed when the water depth at the water dividend calculated from upstream end was equal to that calculated from downstream end. If the slope was larger than the critical slope, the channel with two outlets was likely to behave like the channel with one outlet. The maximum water depth was investigated and compared with that calculated additionally from the uniform flow analysis. The uniform flow analysis was likely to lead a excessive design of a drainage channel with mild slope.