연행침식을 반영한 토석류 수로실험의 역학적 상사

정진규1*, 유송2, 김태현1, 임상준1

(1서울대학교 농림생물자원학부, 2국립산림과학원 산사태연구과)

Dynamic Similarity of Flume Experiments
Incorporating Entrainment of Debris Flow

Jingyu Jeong1*, Song Eu2, Taehyun Kim1, Sangjun Im1

(1Department of Agriculture, Forestry and Bioresources, Seoul National University,

2Landslide Division, National Institute of Forest Science)

요약: 많은 연구에서 수로실험은 토석류의 다양한 특성을 조사하는 데에 활용되고 있다. 그러나 일부 연구자들은 대다수의 수로실험이 토석류의 연행과 상사를 고려하지 않는다는 점에서, 자연의 토석류를 적절하게 모의하고 있는지에 대한 의문을 제기하고 있다. 본 연구에서는 토석류의 연행을 고려한 수로실험을 통해 자연의 토석류와 역학적 상사를 만족하는 토석류를 재현하고, 연행 특성을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 수로 내에 3.2m 길이의, 자갈로 구성된 침식층을 설치한 후 일정 유량의 물을 지속적으로 공급하여 토석류를 유도하였다. 토석류의 유심, 유속 등 유동 특성을 측정하였고, 이를 바탕으로 Froude 수, Bagnold 수를 비롯한 다양한 무차원수를 계산하여 수로실험의 역학적 상사를 평가하였다. 또한 PIV를 이용하여 수로 경사와 공급 유량 등 실험 조건에 따른 연행 속도를 분석하였다. 수로실험으로부터 재현된 토석류의 무차원수가 자연에서 발생한 거석형 토석류의 무차원수 범위 내에 포함되었으므로, 역학적 상사를 만족한 것으로 나타났다. 토석류의 연행 속도는 수로 경사가 급해지거나 공급 유량이 증가할수록 빨라졌으며, 연행 속도를 종속변수, 경사와 공급 유량을 독립변수로 하는 멱함수 형태의 관계식을 제시하였다.

Abstract: Flume experiments have been widely used in many studies to examine debris flows. However, concerns have been raised by some researchers regarding the adequacy of these experiments in simulating natural debris flows, as the majority do not account for entrainment and similarity. This study has two objectives: (1) to replicate debris flows that are dynamically similar to natural ones through flume experiments that incorporate entrainment, and (2) to analyze their entrainment characteristics. An erodible bed composed of gravel was installed in the flume, and debris flows were generated by continuously supplying water at a constant discharge. The flow characteristics, including flow depth, velocity and sediment concentration, were measured. Using these measurements, various dimensionless parameters, including the Froude number and the Bagnold number, were calculated to assess the dynamic similarity of the flume experiments. The entrainment rate was analyzed under various experimental conditions, such as flume slope and supplied discharge, using Particle Image Velocimentry. The results of assessment of dynamic similarity showed that the flume experiments closely replicated the stony-type debris flows observed in nature. The entrainment rate of the erodible bed was proportional to the slope angle and water discharge, and a power-law relationship was proposed.