(19) 대한민국특허청(KR)

(12) 등록특허공보(B1)

(45) 공고일자 2016년04월12일

(11) 등록번호 10-1611864

(24) 등록일자 2016년04월06일

(51) 국제특허분류(Int. Cl.)

E02B 3/04 (2006.01) E02B 3/14 (2006.01)(21) 출원번호 10-2013-0007418

(22) 출원일자 2013년01월23일

심사청구일자 2013년01월23일

(65) 공개번호 10-2014-0094854

(43) 공개일자 2014년07월31일

(56) 선행기술조사문헌

KR101001342 B1*

KR200406809 Y1*

KR100659300 B1*

*는 심사관에 의하여 인용된 문헌

(73) 특허권자

서울시립대학교산학협력단

서울특별시 동대문구 서울시립대로 163 (전농동,서울시립대학교)

(72) 발명자

송지용

서울 동대문구 전농로38나길 30-1, (전농동)

김두영

충북 충주시 봉방3길 9, 가동 210호 (봉방동, 영천아파트)

(뒷면에 계속)

(74) 대리인

강태훈, 나선균, 방영석

전체 청구항 수 : 총 8 항 심사관 : 장창환

(54) 발명의 명칭 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공

(57) 요 약

본 발명은 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 관한 것으로, 본 발명은, 유수의 진행 방향을 기준

으로 양측에 경사 방향을 갖도록 연장되는 다중의 "Ｖ" 자형 방호 돌기; 및 상기 다중 방호 돌기가 일률적으로

지지되는 바닥 보호부재를 포함하며, 상기 방호 돌기는 각각의 선단이 동일선상에 위치된다.

본 발명에 의하면, 바닥 보호부재 상에 "Ｖ" 자형 방호 돌기가 다중으로 구비되어 유수의 방향을 바꾸면서 유속

감소 및 낙차 수두(水頭)를 분산시켜 수중보 하부의 하상세굴을 방지할 수 있고, 바닥 보호부재의 길이를 세굴이

발생하는 곳까지 연장하는 기존 방법과 달리 바닥 보호부재 길이를 감소시켜 바닥 보호부재 유실에 따른 유지보

수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

대 표 도 - 도3

등록특허 10-1611864

- 1 -

(72) 발명자

윤창규

충남 논산시 부적면 덕평3길 105-4,

문영일

서울 송파구 올림픽로35가길 10, 101동 2803호 (신천동, 잠실더샵스타파크)

이 발명을 지원한 국가연구개발사업

과제고유번호 201201A007

부처명 교육과학기술부

연구관리전문기관 한국산업기술진흥원

연구사업명 공학교육혁신사업

연구과제명 도시특성화 기반의 창의·융합형 글로벌 공학교육 혁신

기 여 율 1/2

주관기관 서울시립대학교

연구기간 2012.03.01 ~ 2013.02.28

이 발명을 지원한 국가연구개발사업

과제고유번호 KCUE-10수B02

부처명 교육과학기술부

연구관리전문기관 한국대학교육협의회

연구사업명 학부교육 선진화 선도대학 지원사업

연구과제명 학사제도 및 학생지도 선진화 - 경험학습프로그램(ELP)

기 여 율 1/2

주관기관 서울시립대학교

연구기간 2012.03.01 ~ 2013.02.28

등록특허 10-1611864

- 2 -

명 세 서

청구범위

청구항 1

유수의 진행 방향을 기준으로 양측에 경사 방향을 갖도록 연장되되 경사 방향은 동일하면서 연장거리가 점차 줄

어들도록 다중으로 배치된 Ｖ" 자형 방호 돌기; 및

상기 다중 방호 돌기가 일률적으로 지지되는 바닥 보호부재를 포함하며,

상기 방호 돌기는 각각의 선단이 동일선상에 위치되고,

상기 방호 돌기가 수중보 낙차부(월류부) 하부에 설치되면서, 낙차 지점이 세굴 방호공 내에 들어오도록 상기

방호 돌기가 위치되며,

상기 방호 돌기는 사잇각(θ)이 90°내지 150°로 형성되고, 서로 이웃한 간격(d)이 상기 방호 돌기 높이(H)의

0.7배 내지 1.4배인 간격으로 배치되며,

상기 바닥 보호부재는 표면에 상기 방호 돌기가 고정될 수 있도록 대응되는 다수개의 경사 결합홈이 다수 형성

되어 상기 방호 돌기의 결합 위치에 따라 상기 방호 돌기의 간격 조정이 가능한 수중보 하부 하상세굴 방지를

위한 세굴 방호공.

청구항 2

제1항에 있어서,

상기 방호 돌기는 단면 형상이 전면과 배면이 수직면으로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방

호공.

청구항 3

제1항에 있어서,

상기 방호 돌기는 단면 형상이 정면은 경사면이 형성되고, 배면은 수직면으로 형성되는 수중보 하부 하상세굴

방지를 위한 세굴 방호공.

청구항 4

제1항에 있어서,

상기 방호 돌기는 단면 형상이 정면은 곡면이 형성되고, 배면은 수직면으로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방

지를 위한 세굴 방호공.

청구항 5

제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방호 돌기는 전체 폭(b)이 월류부(a) 폭의 0.2배 내지 1.0배로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위

한 세굴 방호공.

청구항 6

등록특허 10-1611864

- 3 -

제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방호 돌기는 높이(H)가 수중보 높이의 0.1배 내지 0.3배로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세

굴 방호공.

청구항 7

삭제

청구항 8

제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방호 돌기는 두께(t)가 상기 방호 돌기 높이(H)의 1/10 이상으로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방지를

위한 세굴 방호공.

청구항 9

삭제

청구항 10

제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방호 돌기는 개수(n)가 3개 내지 11개로 형성되는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공.

청구항 11

삭제

발명의 설명

기 술 분 야

본 발명은 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중보 하부에 대한[0001]

하상세굴을 방지하는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 관한 것이다.

본 발명은 교육과학기술부 및 한국산업기술진흥원의 공학교육혁신사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것[0002]

이다[과제관리번호: 201201A007, 과제명: 도시특성화 기반의 창의·융합형 글로벌 공학교육 혁신], 교육과학기

술부 및 한국대학교육협의회의 학부교육 선진화 선도대학 지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이

다[과제관리번호: KCUE-10수B02, 과제명: 학사제도 및 학생지도 선진화 - 경험학습프로그램(ELP)].

배 경 기 술

일반적으로 강 ·바다에서 흐르는 물로 기슭이나 바닥의 바위나 토사가 씻겨 패는 일을 세굴이라고 하는데, 이[0003]

러한 세굴이 심해지면 보가 침식되거나 심한 경우에는 보가 붕괴될 수도 있다. 따라서 구조물의 보호를 위해서

는 호안(護岸), 수제(水制), 바닥 굳히기 등의 각종 공사를 하여 토사의 세굴을 막아야 한다.

이러한 세굴 방지와 관련된 기술이 특허등록 제1008188호 및 공개특허 제2011-0130006호에 제안된 바 있다.[0004]

이하에서 종래기술로서 특허등록 제1008188호 및 공개특허 제2011-0130006호에 개시된 세굴방호공을 간략히 설[0005]

명한다.

도 1에는 종래 기술 1에 의한 세굴방지 구조물의 전면 사시도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 교각(6)의 전[0006]

면부 상류측에 유수방향과 대응되도록 세굴방지 구조물(10)을 설치하며, 세굴방지 구조물(10) 전면부에는 하강

류(downflow)(2)를 차단하기 위해 상향경사의 유도수로 바닥판(11)과 유도수로 벽체(12)가 설치되며, 그 측면으

로는 교각 측면부 토사이동이 감소되도록 확산부(15)가 배치되고, 확산부(15)와 유도수로 바닥판(11)을 지지하

등록특허 10-1611864

- 4 -

는 중간벽(14) 및 바닥판(16), 그리고 하상과 전단마찰력을 증대시켜주는 전단키(13)로 구성되는 것을 특징으로

한다.

그러나 종래기술 1에 의한 세굴방지 구조물은 낙차 수두에 따른 해결책을 제시하지 못하는 문제점이 있었다.[0007]

도 2에는 종래 기술 2에 의한 친환경형 세굴방호공의 개략적인 구조를 나타낸 구성도가 도시되어 있다. 도 2를[0008]

참조하면, 종래 기술 2는 교량, 교각, 수중보, 하천, 항만, 수공구조물, 가물막이, 가호안, [0020] 가축도 등에

시공되는 세굴방호공에 관한 것으로, 세굴이나 침식이 일어나는 하상이나 사면 하부에 토목섬유폼을 설치하고,

그 토목섬유폼 내부로 콘크리트, 모르터 또는 고화토사 등을 충진시켜 세굴방호공을 시공할 때 환경오염을 일으

키지 않는 친환경형 세굴방호공에 관한 것이다.

그러나 종래기술 2에 의한 친환경형 세굴방호공 역시 종래기술 1과 마찬가지로 낙차 수두에 따른 해결책을 제시[0009]

하지 못하는 문제점이 있었다.

선행기술문헌

특허문헌

(특허문헌 0001) KR 1008188 B1 [0010]

(특허문헌 0002) KR 2011-0130006 A

발명의 내용

해결하려는 과제

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바닥 보호부재 상에 "Ｖ" 자[0011]

형 방호 돌기가 다중으로 구비되어 유수의 방향을 바꾸면서 유속 감소 및 낙차 수두(水頭)를 분산시켜 수중보

하부의 하상세굴을 방지할 수 있게 한 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 바닥 보호부재의 길이를 세굴이 발생하는 곳까지 연장하는 기존 방법과 달리 바[0012]

닥 보호부재 길이를 감소시켜 바닥 보호부재 유실에 따른 유지보수 비용을 절감할 수 있게 한 수중보 하부 하상

세굴 방지를 위한 세굴 방호공을 제공하는 것이다.

과제의 해결 수단

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 유수의 진행 방향을 기준으로 양[0013]

측에 경사 방향을 향해 연장되는 다중의 "Ｖ" 자형 방호 돌기; 및 상기 다중 방호 돌기가 일률적으로 지지되는

바닥 보호부재를 포함하며, 상기 방호 돌기의 선단은 동일선상에 위치되는 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한

세굴 방호공을 통해 달성된다.

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 단면 형상이 전면과 배면이 수직면으로 형성될 수 있다.[0014]

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 단면 형상이 정면은 경사면이 형성되고, 배면은 수직면으로 형성될 수[0015]

있다.

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 단면 형상이 정면은 곡면이 형성되고, 배면은 수직면으로 형성될 수 있[0016]

다.

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 전체 폭(b)이 월류부(a) 폭의 0.2배 내지 1.0배로 형성될 수 있다.[0017]

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 높이(H)가 수중보 높이의 0.1배 내지 0.3배로 형성될 수 있다.[0018]

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 사잇각(θ)이 90°내지 150°로 형성될 수 있다.[0019]

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 두께(t)가 상기 방호 돌기 높이(H)의 1/10 이상으로 형성될 수 있다.[0020]

또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 이웃한 간격(d)이 상기 방호 돌기 높이(H)의 0.7배 내지 1.4배로 형성될[0021]

수 있다.

등록특허 10-1611864

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또한, 본 발명에서의 상기 방호 돌기는 개수(n)가 3개 내지 11개로 형성될 수 있다.[0022]

또한, 본 발명에서의 상기 바닥 보호부재는 표면에 상기 방호 돌기가 고정될 수 있도록 대응되는 다수개의 경사[0023]

결합홈이 다수 형성될 수 있다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 바닥 보호부재 상에 "Ｖ" 자형 방호 돌기가 다중으로 구비되어 유수의 방향을 바꾸면서 유속[0024]

감소 및 낙차 수두(水頭)를 분산시켜 수중보 하부의 하상세굴을 방지할 수 있고, 바닥 보호부재의 길이를 세굴

이 발생하는 곳까지 연장하는 기존 방법과 달리 바닥 보호부재 길이를 감소시켜 바닥 보호부재 유실에 따른 유

지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 종래기술 1에 대한 세굴방지 구조물의 전면 사시도이다.[0025]

도 2는 종래기술 2에 대한 친환경형 세굴방호공의 개략적인 구조를 나타낸 구성도이다.

도 3은 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공이 수중보 하부에 장착된 상태를 도시한 개략

도이다.

도 4는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공이 수중보 하부에 장착된 상태를 도시한 평면

도이다.

도 5는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공을 도시한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에서 방호 돌기의 제원을 나타낸 사시도이다.

도 7은 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 의한 유수의 흐름 상태를 도시한 평면도이

다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위[0026]

해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념

으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다[0027]

른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재

된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어

또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 대한 실시 예의 구성을[0028]

상세하게 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공이 수중보 하부에 장착된 상태가 개략도로[0029]

도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공이 수중보 하부에 장착된 상

태가 평면도로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공이 사시도로

도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에서 방호 돌기의 제원이 사

시도로 도시되어 있으며, 도 7에는 본 발명의 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공에 의한 유수의 흐

름 상태가 평면도로 도시되어 있다.

이들 도면에 의하면, 본 발명에 의한 수중보 하부 하상세굴 방지를 위한 세굴 방호공(100)은 바닥 보호부재[0030]

(110) 및 방호 돌기(120)를 포함하며, 수중보 낙차부(월류부) 하부에 설치된다. 그리고 상기 세굴 방호공(100)

의 낙차부(낙차 지점)는 계절변화 및 유량변화에 따라 유동적이므로 낙차 지점이 세굴 방호공(100)의 범위 내에

들어오도록 방호 돌기(120)의 개수(n)를 조절한다. (도 3 참조)

등록특허 10-1611864

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바닥 보호부재(110)는 다중 배치되는 방호 돌기(120)의 저면을 일률적으로 지지하도록 판재 형상으로 형성된다.[0031]

더욱이, 상기 바닥 보호부재(110)는 도면에는 도시하지 않았지만 바닥면에 돌기 등이 형성되어 하천 바닥 등에

고정시 유수 등에 의한 분리를 방지할 수 있다.

방호 돌기(120)는 바닥 보호부재(110) 상에 다수 구비되는 "Ｖ" 자형 수공구조물(Hydraulic Structure)로, 유수[0032]

(流水)의 진행 방향을 기준으로 양측에 대칭된 경사 방향을 갖도록 연장 형성되며, 본 실시예에서는 4개인 것으

로 예시한다.

즉, 상기 방호 돌기(120)는 평면에서 봤을 때 "Ｖ" 자형으로 직립 형성되어 후단의 꼭지점 부위가 각각 후방을[0033]

향하게 하면서 유수의 진행 방향과 평행하게 배치되며, 각각의 선단이 동일선상(유수의 진행방향과 직교 방향)

에 위치되게 한다.

여기서, 상기 방호 돌기(120)는 경사면에 의해 유수의 진행 방향을 바꾸고, 상기 경사면에 유수가 충돌하면서[0034]

유속 감소 및 낙차 수두(水頭)를 분산시켜 전방의 방호 돌기(120)로 유수가 이동하게 되며, 전방의 방호 돌기

(120) 역시 후방의 방호 돌기(120)에서처럼 유수의 진행 방향 전환, 유속 감소 및 낙차 수두 분산 등의 운동을

반복하게 된다. 이렇게 상기 방호 돌기(120) 마다 유수의 진행 방향 전환, 유속 감소 및 낙차 수두 분산 등의

기능을 반복하게 되므로 이를 통해 본 실시예의 세굴 방호공(100)의 최전방에서 세굴 현상을 방지하는 것이다.

더욱이, 상기 방호 돌기(120)는 단면 형상이 전면과 배면이 수직면으로 형성되어 수직면인 배면에 유수가 충돌[0035]

하는 경우 낙차에 의한 수두를 감소시켜 결과적으로 유속 등을 감소시킬 수 있게 된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 방호 돌기(120)의 제원은 하기와 같이 설명할 수 있다. (도 6 참조) [0036]

우선, 방호 돌기 전체 폭(b)은 강 중심을 기준으로 월류부 폭(a)의 0.2배~1.0배, 바람직하게는 0.4~0.8배로 설[0037]

치한다. 0.8배를 초과할 경우 강 연안의 침식 발생 우려가 있으며 0.4배 미만일 경우에는 낙차 수두 분산효과가

미비하여 세굴 감소 효과가 적어진다. 그리고 상기 세굴 방호공(100)은 그 중심(방호 돌기의 꼭지점 연결 선)이

강 폭(c) 중 강 중심에 일치하도록 설치되는 것이 바람직하다.

디음으로, 방호 돌기 높이(H)는 해당 수중보 높이의 0.1배~0.3배, 바람직하게는 0.125~0.25배로 형성되며, 높이[0038]

(H)가 수중보 높이의 0.25배를 초과할 경우 전도파괴 위험이 발생하고, 상기 수중보 높이의 0.125배 미만일 경

우 효과가 미비하다.

다음으로, 방호 돌기 사잇각(θ)은 90°~150°, 바람직하게는 90°~140°범위로 형성되며, 각도(θ)가 90°미만[0039]

일 경우 분산효과가 미비하고, 140°를 초과할 경우 구조물에 작용하는 응력 및 전도 위험이 증가한다.

다음으로, 방호 돌기 두께(t)는 구조안정성 확보를 위한 최소 두께가 15cm로, 방호 돌기 높이(H)의 1/10 이상으[0040]

로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 방호 돌기 높이(H)의 1/10 미만일 경우 구조물에 전단 및 휨 응력이 증가

하여 파괴 위험이 존재한다.

다음으로, 방호 돌기 간격(d)은 낙차수두 분산효과(흐름 유도)를 위한 최소 간격이 0.9m로, 방호 돌기 높이(H)[0041]

의 0.7배~1.4배, 바람직하게는 0.9~1.2배 범위로 형성되며, 방호 돌기 높이(H)의 1.2배를 초과할 경우 분산효과

가 미비하다.

마지막으로, 방호 돌기 개수(n)는 2개~11개, 바람직하게는 3~9개로 형성되며, 낙차 발생 지점은 유량 및 계절변[0042]

화에 따라 유동적이기 때문에 세굴 방호공(100)은 낙차 발생 지점 범위를 포괄해야 하므로 하천 크기에 따라 개

수를 조절하여 상기 세굴 방호공(100)의 크기를 조절하여야 한다.

한편, 상기 방호 돌기(120)는 도면에는 도시하지 않았지만 단면 형상이 정면은 경사면이 형성되고, 배면은 수직[0043]

면으로 형성되거나, 단면 형상이 정면은 곡면이 형성되고, 배면은 수직면 등으로 형성될 수 있다. 이는 유수가

방호 돌기에 충돌할 때 가이드 역할을 하게 된다.

또한, 상기 방호 돌기(120)는 상기 바닥 보호부재(110)에 일체로 형성되는 것으로 예시하였으나, 도면에 도시되[0044]

지는 않았지만 바닥 보호부재의 표면에 방호 돌기가 고정될 수 있도록 다수개의 "Ｖ" 자형 결합홈이 다수 형성

되어 상기 결합홈에 탈부착이 가능하면서 결합 위치에 따라 방호 돌기의 간격 조정이 가능하다. 이렇게, 방호

돌기의 탈부착이 가능한 경우 별도의 브래킷(도면에 미도시)을 통해 견고하게 바닥 보호부재에 고정시킬 수 있

다.

그리고 본 실시예에서의 방호 돌기(120)는 다단의 "Ｖ" 자형인 것으로 예시하였지만, 이에 한정하지 않고 다단[0045]

등록특허 10-1611864

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의 직삼각 기둥, 다단의 반원 기둥, 단수 직삼각 기둥 등으로 변경 실시가 가능하다.

하기 표 1에서는, 방호 돌기가 다단의 직삼각 기둥인 세굴 방호공을 구조물 A라 하고, 상기 방호 돌기가 다단의[0046]

반원 기둥인 세굴 방호공을 구조물 B라 하고, 상기 방호 돌기가 단수 직삼각 기둥인 세굴 방호공을 구조물 C라

하며, 본 실시예에서 다단의 "Ｖ" 자형 방호 돌기가 포함되는 세굴 방호공(100)을 구조물 D라 하였을 때의 세굴

정도를 하기와 같이 실험하였다.

표 1

Type[0047] 구조물 A 구조물 B 구조물 C 구조물 D

구조

형상

기본

제원

height : 1.0m

width : 1.0m

height : 0.4m

D : 0.8 m

height : 1.2m

width : 1.2m

height : 1.0m

thickness : 0.15m

특징

단계적인 수두 감소효과

단계적인 수두 감소효과

적은 양의 재료로 세굴감소 기대

구조물 내 수로 형성,세굴 감소 기대

우선, 각 구조물 A, B, C, D에 대해 C.F.D와 STAR-CCM+ Information을 통해 세굴 정도를 시험하였다.[0048]

전산 유체 역학(CFD, Computational fluid dynamics)은 유체 현상을 기술한 비선형 편미분 방정식인 Navier-[0049]

Stokes Equations(나비에-스토크스 방정식)을 FDM(Finite Difference Method), FEM(Finite Element Method),

FVM(Finite Volume Method) 등의 방법 들을 사용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수치 기법

(numerical methods)의 알고리즘을 사용하여 유체 유동 문제를 풀고 해석하였다.

C.F.D 해석 과정으로는 해석모델의 형상 작업(카티아, Catia)을 하고, Star-ccm+에서 작업 모델을 불러와 Mesh[0050]

를 생성하고, Boundary 조건으로 해석모델의 도면을 분할한 후 Inlet 과 Outlet을 제외한 나머지 면을 Wall로

설정해 줌으로서 경계조건을 단순화시키고, Inlet(Velocity inlet) / Outlet(pressure outlet)으로 설정하여

흐름 방향을 결정하고, Physics[물리조건 설정(주요 물리조건: Liquid / turbulent / K-epsilon)] 후에 Scene

(중점적으로 보고자 하는 지점) 지정하고, Report - surface Averege - turbulent kinetic energy 설정을 바꿔

가며 Velocity, pressure 등 역시 확인 가능하다.

Program으로는 STAR-CCM+ Information을 이용하였으며, CAD에서부터 post-processing까지 STAR-CCM+는 single[0051]

intergrated 소프트웨어 환경에서 통합적 CFD 과정을 제공한다. CAD나 격자를 자동적으로 만들 수 있도록 함으

로써 좀더 빠르고, 정확한 결과를 제공한다. 그리고 STAR-CCM+은 Surface wrapping, 높은 질의 자동 격자(다면

체 또는 육면체격자를 만들 경우)와 모델 사이에서 콤포넌트를 복사하고 붙여 넣는 기능이 있다.

하기 표 2에서와 같이 각 구조물의 흐름별 바닥부, 극면부 중 바닥면의 C,F,D를 해석하면 다음과 같다. [0052]

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표 2

[0053] 구조물 바닥면의 CFD 해석 결과(Turbulent Kinetic Energy)

A

B

C

D

에너지 분포

더욱이, 표 2는 각 수공구조물을 C.F.D 프로그램을 통해 해석했을 때, 구조물 이후에서 발생하는 물의 에너지[0054]

분포를 바닥부 부분에서 도식화한 그림이다. 표의 맨 아래 있는 에너지 분포도를 통하여, 왼쪽에 가까울수록 물

의 에너지가 작은 것이고, 반대로 오른쪽에 가까워질수록 더 큰 에너지가 집중됨을 알 수 있다.

여기서, 에너지가 집중된 곳에서 세굴이 좀 더 발생한다고 가정할 수 있다. 그 이유는 물의 에너지가 클수록 바[0055]

닥부의 흙과 충돌할 때 더 큰 힘을 전달할 수 있을 것이고, 결과적으로 흙의 세굴을 더욱 발생시키기 때문이다.

이러한 가정 사항을 토대로 다음 표를 분석해보았을 때, 바닥 보호부재 이후에 물의 에너지가 충분히 감소하지[0056]

않는 구조물 A, B는 효과가 덜할 것으로 판단하였다. 그리고 반대로 바닥 보호부재 이후에 물의 에너지가 충분

히 분산되고 감소된 구조물 C, D는 효과적이라는 결론을 내렸다. 좀 더 정확한 결론을 내리기 위해서 해석 결과

에서 색 이상의 에너지를 가지는 부분의 넓이를 계산해서 하기 표 3에서와 같이 비교해 보았다.

표 3

구조물 A[0057] 70%

구조물 B 55%

구조물 C 40%

구조물 D 36%

수치 계산을 통해서 구조물 C, D의 효율성을 좀 더 정확히 증명할 수 있었다. [0058]

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표 4

[0059] 구조물 바닥면의 CFD 해석 결과(Turbulent Kinetic Energy)

A

B

C

D

에너지 분포

표 4는 C.F.D 프로그램을 통해서 해석했을 때, 각 구조물 이후에서 물이 가지는 에너지를 측면부에서 도식화한[0060]

모습이다. 바닥부에서 결과와 비교했을 때 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 여기서, 구조물 D의 경우가 아

주 효과적으로 에너지를 분산시킨다는 점을 파악할 수 있다.

하기 표 5 및 표 6은 물의 흐름 분석 즉, C.F.D 해석을 통해서 구조물이 없는 경우와 구조물 D가 있는 경우 어[0061]

떤 형상으로 유수 흐름을 분산시키는지 간접적으로 확인할 수 있는 실험 결과 표이다.

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표 5

[0062]

표 5는 세굴 방호공 구조물 설치 전후의 velocity 분산 및 저감정도를 나타낸 표이다. (유속벡터 및 스칼라량의[0063]

분산 정도)

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표 6

[0064]

표 6은 세굴 방호공 구조물 설치 전후의 wall shear stress 의 저감정도를 나타낸 표이다. [0065]

표 5와 표 6을 통해 구조물 D는 구조물이 없을 경우와 비교해 봤을 때 Velocity 및 Wall shear stress를 효과적[0066]

으로 저감시키는 것을 알 수 있다.

표 7

[0067]

세굴 형상

세굴심

그러므로 표 6에서와 같이 세굴 발생 전 세굴형상은 흑색으로 표시하고, 수공구조물이 없을 때의 세굴형상은 적[0068]

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색으로 표시하고, 구조물 A에 대한 세굴형상은 청색으로 표시하고, 구조물 B에 대한 세굴형상은 보라색으로 표

시하고, 구조물 C에 대한 세굴형상은 황색으로 표시하며, 구조물 D에 대한 세굴형상은 녹색으로 표시할 수

있다.

여기서, 세굴형상에 대한 실험시 Fr 상사법칙 적용한 보의 모델을 1:160 scale로 제작하였다. 창녕 함안보 하굴[0069]

은 강 중간부에서 가장 심하며 그 원인은 가동보 2번 게이트의 집중방류로 추정된다. 즉, 가동보(수직형

낙차공)에 의한 세굴에 관심이 있으므로 가동보 2번 게이트 40m에 대한 Modeling 작업을 실시한다.

그리고 보의 모델에서 유량 은 이다. 함안보의 방류량은 직접적으로 측[0070]

정할 수 없었기 때문에 가까운 도산 관측소의 유량측정성과를 바탕으로 평균유량을 산정하였다.

2012년의 평균유량 이므로 모델의 유량[0071]

이다.

그리고 실험을 위해 제작한 모델의 유수 공급 시간은 3분(실제 함안보의 유수 공급시간은 38분)으로 가정했다. [0072]

표 8

수공구조물[0073] 구조물 없음 A B C D

최대세굴심도 15mm 11mm 11mm 11mm 4mm

실제세굴심도 2.4m 1.76m 1.76m 1.76m 0.64m

세굴감소비 0% 26.67% 26.67% 26.67% 73.33%

실험 결과, 표 8에서와 같이 어떤 구조물도 설치하지 않았을 경우 최대 세굴은 15mm이고 구조물 A, B, C의 경우[0074]

의 최대 세굴은 11mm 로, 구조물이 없을 때 보다 약 26.67%의 감소를 보인다. 구조물 D의 경우의 최대 세굴 심

도는 4mm로, A, B, C 에 비해 더 효과적으로 세굴을 감소시켰다. 이는 유수 흐름과 낙차를 효과적으로 분산시켜

주기 때문인 것으로 예상된다. 결과적으로 D의 경우 다른 구조물과 비교해 봤을 때 세굴 저감에 200%이상의 높

은 효율을 보이는 것을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는[0075]

것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이

가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라[0076]

이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

부호의 설명

100: 세굴 방호공[0077]

110: 바닥 보호부재

120: 방호 돌기

a: 월류부 폭

b: 방호 돌기 전체 폭

c: 강 폭

d: 방호 돌기 간격

H: 방호 돌기 높이

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n: 방호 돌기 개수

t: 방호 돌기 두께

θ: 방호 돌기 사잇각

도면

도면1

도면2

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도면3

도면4

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도면5

도면6

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도면7

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문서서지사항요 약대 표 도청구범위발명의 설명기 술 분 야배 경 기 술발명의 내용해결하려는 과제과제의 해결 수단발명의 효과

도면의 간단한 설명발명을 실시하기 위한 구체적인 내용부호의 설명

도면도면1도면2도면3도면4도면5도면6도면7

문서서지사항 1요 약 1대 표 도 1청구범위 3발명의 설명 4 기 술 분 야 4 배 경 기 술 4 발명의 내용 5 해결하려는 과제 5 과제의 해결 수단 5 발명의 효과 6 도면의 간단한 설명 6 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 6 부호의 설명 13도면 14 도면1 14 도면2 14 도면3 15 도면4 15 도면5 16 도면6 16 도면7 17