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토목기사 효율적 흐름 단면 — 동수반경 최대와 Manning 경사

같은 단면적이라도 물이 닿는 길이가 짧을수록 동수반경이 커지고, 같은 경사에서 더 많은 유량을 흘려보낸다. 수리학적으로 유리한 단면은 동수반경이 최대가 되는 단면이다.

2026-10-17 기준 · 토목기사 대시보드

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뜻

기준이 되는 값은 동수반경이다. 동수반경 R은 단면적 A를 물이 닿는 길이 P로 나눈 A/P이고, 직사각형 단면에서는 A = B·h, P = B + 2h로 잡는다. 수리학적으로 가장 유리한 단면은 이 동수반경이 최대가 되는 단면이므로, 동수반경이 최소라는 설명은 틀린 선지다.

직사각형 단면에서 윤변을 최소로 만드는 조건을 쓰면 동수반경이 수심의 절반, 곧 R = h/2가 된다. 수심 1.5m인 단면을 유리한 꼴로 잡으면 동수반경은 0.75m다. 폭과 수심의 비는 문항마다 1 : 2로 제시되기도 하고 같다고 제시되기도 하므로, 비를 외우기보다 동수반경이 최대가 되는 조건으로 판정한다. 동수반경을 수심과 같다고 적은 값이 오답이다.

Manning 식이 그 이유를 보여 준다. 평균유속은 V = (1/n)R^(2/3)S^(1/2), 유량은 Q = (1/n)A R^(2/3)I^(1/2)이다. 단면적과 조도, 경사가 같다면 R^(2/3) 항이 클수록 유량이 커지므로, 동수반경을 키우는 단면이 유리하다.

계산 예가 정해져 있다. 폭 4m, 수심 2m인 직사각형 단면은 A = 4×2 = 8m², P = 4 + 2×2 = 8m이므로 R = 1m가 된다. 조도계수 n = 0.012, 경사 I = 0.0009를 Manning 식에 넣으면 R^(2/3) = 1이므로 V = (1/0.012)×0.03 = 2.5m/s, Q = A·V = 20m³/s다. 폭 10m, 수심 2m, n = 0.03, 경사 1/50인 수로라면 A = 20m², P = 14m, R ≈ 1.43m이므로 V ≈ 6m/s, Q ≈ 120m³/s가 된다. 윤변을 B + 2h가 아닌 다른 식으로 잡거나 A와 P의 자리를 뒤집은 값, R^(2/3)를 빠뜨린 값이 오답이다.

흐름의 성질은 비에너지와 프루드 수로 가른다. 비에너지는 수로 바닥을 기준으로 한 단위중량당 에너지 E = y + q²/(2gy²)이고, 같은 유량에서 비에너지가 최소가 되는 수심이 한계수심 yc = (q²/g)^(1/3)이다. 비에너지가 일정할 때 한계수심에서는 유량이 최대가 되므로, 유량이 최소가 된다고 적은 선지가 오답이다. 프루드 수 Fr = v/√(gy)가 1보다 작으면 상류, 1보다 크면 사류, 1이면 한계류다. 단위폭당 유량 5m³/s, 수심 5m이면 유속 1m/s, Fr ≈ 0.143으로 상류다. 층류와 난류는 레이놀즈 수로 따로 판정한다.

예제

출제 패턴은 여섯 가지다. ① 정의 — 유리한 단면의 조건을 동수반경 최소라고 뒤집은 선지가 오답이다. ② 계산 — 윤변 P를 잘못 잡거나 A와 P를 뒤집어 동수반경을 구한 값이 오답이다. ③ 마무리 — R^(2/3)를 빠뜨리거나 유량을 V가 아니라 V×A로 곱하지 않은 값이 오답이다. ④ 유리한 꼴 — 동수반경을 수심과 같다고 하거나, 윤변 최소 조건과 무관한 비를 단정한 값이 오답이다. ⑤ 비에너지·프루드 — 한계수심에서 유량이 최소라고 뒤집거나, Fr < 1을 사류로 적은 선지가 오답이다. ⑥ Manning 유량 — A와 R을 각각 바르게 구했는지, Q = A·V로 곱했는지가 갈린다.

자주 묻는 물음

수리학적으로 유리한 단면은 무엇인가요?
동수반경이 최대가 되는 단면입니다. 같은 단면적에서 물이 닿는 길이가 짧을수록 동수반경이 커지고, 같은 경사에서 유량이 많아집니다.
동수반경은 어떻게 구하나요?
단면적을 윤변으로 나눈 R = A/P입니다. 직사각형 단면이면 A = B·h, P = B + 2h로 잡고, 유리한 꼴에서는 동수반경이 수심의 절반인 R = h/2가 됩니다.
폭 4m, 수심 2m, n = 0.012, 경사 0.0009인 수로의 유량은 얼마인가요?
A = 8m², P = 8m로 R = 1m입니다. R^(2/3) = 1이므로 V = (1/0.012)×0.03 = 2.5m/s이고, Q = A·V = 20m³/s입니다.
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