Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. September 2019. 23-32
https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.3.023


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 인공어초 세굴 실내실험 및 결과

  •   2.1 실험 재료

  •   2.2 실험 방법

  • 3. 인공어초 세굴 실험 결과

  • 4. 인공어초 세굴 특성 수치 모형 해석

  •   4.1 해석 기법 및 제원

  •   4.2 수치해석 모델링 결과

  •   4.3 세굴 패턴 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

인공어초는 연안 생태계 환경 조성과 어종의 다양성 향상 등 많은 부분에서 유익한 점이 있다. 하지만 해저 지반에 인공어초를 설치할 경우 인공어초의 자중에 의한 침하와 해수의 흐름 등 외력 조건에 의해 인공어초 주변의 토사가 유실되는 세굴이 발생할 수 있다. 이러한 인공어초 침하, 세굴 및 매몰 등의 현상이 발생할 경우 인공어초의 공용적이 감소하여 인공어초 기능을 상실할 우려가 있다(Kim, 2001; Yun and Kim, 2001; Kwak et al., 2002). 일반적으로 인공어초를 설치할 경우 막대한 설치 비용에 비해 유지 및 보수 절차가 까다로운 실정이다. 설치 단계에서 조사를 수행함에도 불구하고 인공어초의 지속적인 안정성 확보가 어려운 경우가 종종 발생한다. 즉 인공어초의 침하 및 세굴에 대한 방지책 등을 확보하게 될 경우 인공어초의 제 기능을 유지할 수 있으며 이로인해 경제적인 손실을 저감할 수 있다. 기존에 수행된 연구를 살펴보면 현장에 설치된 인공어초의 공용적 조사, 침하 및 세굴의 발생 현황 등 현장 실태 조사, 다양한 형태의 인공어초에 대한 수치 모델링 연구 등이 주를 이룬다(Kimura et al., 1994; Kim et al., 1995; Ahn et al, 1999; Choi and Kim, 2000; Briaud et al, 2001; Duzbastilar et al., 2006; Briaud, 2008; Chen, 2008; Briaud et al., 2009; Oh, 2009; Suh and Kim 2009; Kim and Gang, 2011; Yeo et al., 2011).

어초시설의 판정요건 기준을 살펴보면 인공어초를 설치한 지반에서 발생하는 침하, 세굴, 매몰 등과 같은 지반의 안정성을 평가할 때 일반적으로 지층탐사 및 시추퇴적물을 이용하여 지지력 또는 점토 함량 등을 이용하여 안정성을 검토하고 있다. 그러나 이러한 조사에도 불구하고 인공어초 설치 이후 침하 및 세굴 발생이 일부 지역에서 관측되고 있으며(Kim et al., 2010; Raineault et al., 2013), 이렇게 발생하는 인공어초의 침하 및 세굴 현상을 저감하고자 다양한 형태의 인공어초 특허가 출원 및 등록되었다. 하지만 이렇게 발명된 특허의 경우 각각 적용되는 설치 조건이 상이하고, 재질의 다양성 및 각각의 보강판에 적합한 특수 형태의 인공어초가 필요하므로 전 해역에 적용하기에는 어려움이 있으며, 기존에 개발된 인공어초에 대한 활용성은 크게 떨어진다. 이러한 점들을 미루어 볼 때 인공어초가 설치되는 지반의 보강을 통해 인공어초의 침하 및 세굴을 저감하고 다양한 형태의 인공어초를 설치할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 해저 연약지반에 설치되는 인공어초의 안정성을 증대시키기 위해 실내실험 및 수치해석을 통해 무보강 및 보강에 따른 지반의 세굴 특성을 알아보았다. 사용된 보강재는 토목용 보강재인 지오그리드(geogrid)이며, 2차원 흐름 세굴 실험을 통해 무보강 및 각 보강 조건에서 인공어초의 세굴 특성을 알아보았다. 이때 보강재의 보강 면적은 인공어초 하부 면적 대비 각 1배, 3배 및 5배로 하였다. 또한 인공어초의 세굴에 대한 다양한 분석을 위해 실내실험과 동일한 조건의 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 인공어초 주변에서 발생하는 유속장과 시간에 따른 인공어초 주변의 세굴 패턴을 알아보았으며, 수치해석 결과와 실내실험 결과 값을 비교 및 분석하였다.

2. 인공어초 세굴 실내실험 및 결과

2.1 실험 재료

본 연구에서 사용된 지반은 우리나라 해안의 해저 지반 분포 경향을 고려하여 모래 및 실트 지반을 대상으로 하였다. Table 1은 각각 모래 및 실트의 기본 물성 실험 결과를 나타낸다. 통일분류법으로 분류한 결과 각각 입도가 불량한 모래(SP)와 실트질 모래(SM)로 나타났다. 실험에 사용된 지반의 조성은 실제 해저 지반과 유사한 상태로 재현하고자 수중낙사법을 이용하였다. 수중낙사법은 수중에서 퇴적된 자연 상태의 흙의 구조를 가장 잘 나타낼 수 있는 시료 조성방법으로 균등한 시료의 조성과 더불어 시료의 포화가 확실하게 되는 장점이 있다(Vaid et al., 1999; Lee et al., 2008). 또한 모든 지반은 일관된 실험 결과를 얻기 위해 4번 체(4.75mm)로 걸러 자갈, 조개 등과 같은 불순물을 제거하였다.

Table 1. Geotechnical properties of soils

Type D50 (mm) CU CC LL (%) PI GS USCS
Sand 0.470 1.81 0.89 N.P N.P 2.63 SP
Silt 0.085 1.63 1.02 29.6 N.P 2.69 SM

본 연구에서 인공어초의 세굴을 저감하기 위해 사용한 보강재는 대표적인 토목용 보강재인 지오그리드(geogrid)이다. 실험에 사용된 지오그리드는 연약지반 보강용으로 제작된 제품으로 재질은 PET (polyethylene terephthalate)와 PVC(polyviny chloride)이며, 인장강도는 경사와 위사에서 모두 6t/m, 인장신도는 경사와 위사에서 각각 12%와 14%이다.

보강재의 보강 면적은 지지력 증대 및 침하량의 저감에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 본 연구에서는 보강재의 보강 면적이 지지력 및 침하량에 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 넓이의 보강 면적을 이용하여 실험을 수행하였다. 보강 면적은 Fig. 1과 같이 인공어초의 하부 면적(bottom area of artificial reef) 대비 보강재의 보강 면적(reinforced area of reinforcement)을 각각 1배(AAR = 1, 50.0mm), 3배(AAR = 3, 86.6mm) 및 5배(AAR = 5, 111.8mm)로 제작하여 실험을 수행하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F1.jpg
Fig. 1.

Artificial reef and reinforced area

2.2 실험 방법

보강재의 보강 유・무에 따른 인공어초의 세굴 특성을 알아보기 위해 2차원 흐름 수조를 이용하여 세굴 실험을 수행하였다. 2차원 흐름 수조의 제원은 폭 30cm, 높이 60cm, 길이 1,100cm이며 흐름 수조의 양 끝단에는 수위조절용 장치가 설치되어 있어 동수경사를 이용하여 일정 유속의 흐름을 지속적으로 발생시킬 수 있다(Yun and Kim, 2019). Table 2에 Froude 상사 법칙에 의거한 실내실험 조건, 인공어초 모형 및 보강재의 세부 제원을 나타내었다. 여기서, 적용된 수리학적 조건은 남해안의 실제 관측 데이터를 기준으로 산정하였다.

Table 2. Law of similarity of experimental conditions

Type Real sea Experiment Law of similarity
Experiment parameter Depth 15m 37.5cm 1:40
Velocity 1m/s 15cm/s
Duration 3hr 30min
Artificial reef Size 2m×2m×2m 5cm×5cm×5cm
Thickness 25cm 6.25cm
Wight 3.4t 63g
Mesh size Geogrid 0.24×0.24 6×6

본 연구에서는 지반 보강에 따른 인공어초의 세굴 및 침하 특성만을 알아보기 위해 유속의 크기 및 수심을 고정하여 실험을 수행하였다. 이때 수심은 실험에 사용된 모델인 사각어초의 현장 설치 수심(15m 이내)을 고려하여 실내실험에 적용하였다. 인공어초를 설치하기 적합한 지역을 선별하는 판정 기준인 최대 유속은 2.0m/s이지만, 실내실험 장비의 한계를 고려하여 실험에 적용한 유속은 1m/s로 수행하였다. 또한 흐름장의 지속 시간은 태풍이나 폭풍파의 지속시간을 3시간으로 가정하여, 실험 시간을 30분으로 하여 수행하였다. 실험에 적용된 상사법칙은 1:40으로 하였다. 실제 해역의 경우 조석의 영향으로 유체의 흐름이 양방향(bidirection)으로 진행되지만 본 논문에서는 세굴 실험을 위한 2차원 단면 수로의 특성상 흐름 방향이 일방향(unidirection)으로 제한되었다. 하지만 본 실험의 목적은 보강재의 적용 유무에 따른 세굴 특성에 대한 상대적인 비교를 위한 것으로 양방향 흐름 특성에 대해서는 고려하지 않았다.

3. 인공어초 세굴 실험 결과

Fig. 2는 모래 및 실트 지반에서 보강재의 보강 면적에 따른 세굴 깊이 측정 결과를 각각 나타낸다. 이때 인공어초의 설치 위치와 지반 초기 높이를 좌표 축 원점으로 하여 결과를 나타내었다. 세굴 패턴을 살펴보면 인공어초 전면부에서 세굴이 발생하여 바로 아래에서 가장 깊게 발생하였으며, 후면부로 갈수록 낮은 기울기로 세굴의 깊이가 감소하는 경향을 보였다. 무보강 모래 지반의 세굴 깊이는 8.3mm, 무보강 실트 지반에서 12.0mm로 실트 지반에서 세굴이 더 많이 발생하였다. 또한 세굴 깊이 뿐만 아니라 세굴 길이도 실트 지반에서 더 크게 나타났다. 세굴된 일부 지반 입자의 경우 인공어초의 측면 부근에 퇴적되었다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F2.jpg
Fig. 2.

Scour depth with different reinforced area

보강재의 보강 면적에 따른 모래 지반의 세굴 실험 결과(Fig. 2(a)), 무보강과 보강재 AAR = 1은 거의 유사한 세굴 결과를 보였으나, 이후 보강 면적이 증가함에 따라 세굴이 크게 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 해저 바닥에 설치된 보강재가 세굴을 유발시키는 유속을 저감시킬 뿐만 아니라 지반과 맞물려 입자의 이동을 방해하여 나타난 결과로 판단된다. 실트 지반의 경우 모래 지반에 비해 보강재의 면적에 따른 세굴 깊이의 변화가 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 2(b)). 이러한 결과는 Table 1의 D50 값에서 알 수 있듯이 모래 지반의 입경에 비해 실트 지반의 입경이 상대적으로 작으며, 일반적으로 실트 지반의 지지력이 더 작으므로 지반과 지반 또는 지반과 보강재와의 마찰 저항에 대한 영향을 덜 받게 되어 나타난 결과로 판단된다. Briaud et al.(2001)은 해저 지반과 세굴과의 관계에 대해 지반 입자가 작을수록 세굴이 더 크게 발생한다고 실험적으로 밝힌 바 있다. 또한, 실험이 진행됨에 따라 전면부에서 발생하는 세굴로 인해 인공어초가 앞으로 기울어지는 현상이 관측되었다.

Fig. 3과 같이 인공어초에 발생하는 세굴 깊이와 세굴 길이에 대한 정량적인 값을 알아보기 위해 세굴깊이비(scour depth ratio, SDR) 및 세굴길이비(scour length ratio, SLR)을 식 (1) 및 식 (2)를 이용하여 산정하였다.

$$SDR(\%)=-\frac{D_S}{H_{AR}}\times100$$ (1)
$$SLR(\%)=-\frac{L_S}{H_{AR}}\times100$$ (2)

여기서 HAR은 인공어초의 높이, DS는 발생한 최대 세굴 깊이, LS는 발생한 최대 세굴 길이를 나타낸다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F3.jpg
Fig. 3.

Scour depth and length measurement

Fig. 4와 Fig. 5는 각 지반 조건에서 보강재의 면적에 따른 SDR 값과 SLR 값의 변화를 나타낸다. 먼저 SDR 값을 살펴보면 모래 지반의 경우 무보강(unreinforced)에서 약 16.6%, 1배 보강(AAR = 1)에서 약 15%로 SDR 값의 변화가 큰 차이를 보이지 않았으나, 3배 보강(AAR = 3) 및 5배 보강(AAR = 5)에서는 약 7.6% 및 7.0%로 SDR 값이 크게 감소하는 경향을 보였다. 실트 지반의 경우 무보강에서 약 24.0%로 인공어초 전체 높이의 1/4가량 세굴이 발생한 것으로 나타났으나, 보강재의 면적이 증가함에 따라 21%, 12.6% 및 10.8%로 보강면적에 따른 보강 효과가 뚜렷하게 나타났다. 또한, 모래 지반의 경우 무보강 조건과 보강 조건에 따른 SDR 값이 최대 9.6%의 차이를 보인 반면, 실트 지반의 경우 그 차이가 13.2%로 보강재의 보강 면적에 따른 세굴 저감 효과가 더 크게 나타났다.

Fig. 5와 같이 보강재의 면적에 따른 SLR 값을 비교한 결과, 모래 지반에서는 무보강의 경우 SLR값이 약 59%이며 보강재의 보강 면적이 증가함에 따라 각각 54%, 48% 및 44%로 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 실트 지반의 경우 무보강에서는 약 104%로 세굴 발생 거리가 넓게 나타났으나, 보강 면적이 증가함에 따라 SLR 값이 감소하는 경향을 보였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F4.jpg
Fig. 4.

SDR with different reinforced area

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F5.jpg
Fig. 5.

SLR with different reinforced area

보강재의 면적에 따른 SDR 및 SLR 그래프의 분포는 S 형태이며 무보강을 기준으로 보강 면적이 1배일 때보다 3배 및 5배인 경우 그 효과가 크게 나타나는 경향을 보였다. 이는 1배 보강의 경우 보강 면적이 인공어초의 하부 면적과 동일하여 인공어초의 내부에서 발생하는 세굴은 저항할 수 있는 반면, 인공어초 가장자리 외부에서 발생하는 세굴에 대한 저항 효과는 미비하다. 반면, 보강 면적 3배와 5배에서는 인공어초 내부 뿐만 아니라 설치 주변 지역까지 보강하여 세굴에 대한 저항 효과가 더 높게 나타난 것으로 판단된다.

4. 인공어초 세굴 특성 수치 모형 해석

4.1 해석 기법 및 제원

본 연구에서 사용한 수치해석 프로그램인 Flow-3D는 Flow Science, Inc에서 개발한 상용 프로그램으로, 난류, shallow water, scalar 등 유동해석 뿐만 아니라 주조, 잉크젯 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 기본적으로 비정상 유동상태이며, Navier-Stokes 방정식을 유한차분법(finite difference method, FDM)과 유한체적법(finite volume method, FVM)을 사용하여 유체 흐름을 해석한다. 또한 난류 흐름을 해석하기 위해 혼합 길이 모형(mixing length model), 난류 에너지 모형(turbulence energy model), k-ε 모형, RNG(renormalized group) 모형 등 5가지의 모형을 적용하며 자유수면표현기법인 VOF(volume of fluid) 방정식을 사용하고 있다.

Fig. 6은 본 연구에서 수행한 인공어초의 격자망(mesh) 및 경계조건(boundary condition)을 나타낸다. 수치모델에서 좌표계는 x, y, z를 축으로 하는 직교좌표계를 사용하였으며, 축을 흐름 방향으로 하여 인공어초를 설치하였다. Table 3은 수치해석에 적용된 조건이다. 실내실험과 그 결과를 비교하기 위해 동일한 조건으로 수행하였다. 여기서 적용된 지반 조건은 본 연구에서 수행된 실트 지반의 기본물성으로 하였으며, 적용된 보강재의 면적은 3배이다.

흐름장의 수치해석을 위한 경계조건은 Fig. 6과 같다. x축을 중심으로 유입(inflow)과 유출(outflow)이 있으며, y축 방향은 벽면 마찰 등을 최소화하기 위해 대칭(symmetry)으로 하였다. z축의 바닥은 wall로, 상부는 대기압(pressure)이 작용하도록 하였다. 본 연구에서 난류확산(turbulent diffusion)의 해석은 RNG(renormalized group)모형을 사용하였으며, 유체와 구조물 사이의 벽면 전단응력(wall shear boundary condition)은 No-slip 조건으로 처리하였다. 중력(gravity)은 z 방향에서 -9.81m/sec2이 작용하도록 설정하였으며, 밀도류(density current)의 영향을 고려하지 않으므로 유체의 밀도는 1,000kg/m3으로 하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F6.jpg
Fig. 6.

Mesh and boundary conditions for numerical analysis

Table 3. Numerical simulation input data

Model of artificial reef Size (mm) 50×50×50
Thickness (mm) 6.25
Sediment Average particle diameter (D50, m) 8.5e-5
Specific gravity (kg/m3) 1,850
External force Critical shields parameter 0.05
Gravity acceleration (m/sec2) -9.81
Fluid density (kg/m3) 1,000
Fluid viscosity (kg/sec/m) 0.001
Velocity (m/sec) 0.15

4.2 수치해석 모델링 결과

Fig. 7은 인공어초 주변에 발생한 유선(streamline) 분포 특성을 나타낸 것으로서 흐름에 의해 인공어초 전면부에 말굽형와(horseshoe vortex)가 발생하며, 후면부에 후류(wake vortex)가 발생한 것을 확인할 수 있다. 인공어초 가장자리에서는 흐름이 집중되어 유속이 빨라진 것을 알 수 있으며, 후면부 및 중심부에서는 역방향의 흐름이 발생하였다. 인공어초 주변에 발생하는 유속 벡터(velocity vector) 분포를 알아보기 위해 B-B’ section 및 C-C‘ section의 유속 벡터를 Fig. 8에 나타내었다. 인공어초의 설치로 인해 인공어초 전면부에 세굴을 유발시키는 하향 흐름이 발생하였으며, 인공어초의 후면부에 후류 영역이 발생되는 등 실제 수리학적 현상과 유사한 흐름 패턴을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F7.jpg
Fig. 7.

Velocity streamline around artificial reef

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F8.jpg
Fig. 8.

Velocity field around artificial reef

Fig. 9는 동일한 시간 조건에서 무보강 및 보강에 따른 인공어초 주변 지반의 세굴 및 유선(flow stream line) 분포를 나타낸다. 유선 분포를 살펴보면 앞서 Fig. 7과 같이 인공어초의 후면부에 역방향의 흐름이 발생한 것을 알 수 있으며, 전면부에는 세굴을 유발시키는 흐름이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 보강재의 설치로 인해 흐름에 영향을 주어 세굴을 발생시키는 유속의 크기가 감소한 것을 알 수 있다. 특히 인공어초 세굴 발생 부분을 살펴보면 무보강에 비해 보강재로 보강된 지반에서 세굴이 크게 저감된 것을 알 수 있으며, 세굴 깊이 뿐만 아니라 세굴 발생 범위 역시 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 보강재의 설치로 인해 바닥 부분에서 유속 벡터에 간섭이 생겨 발생한 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F9.jpg
Fig. 9.

The results of scour pattern according to reinforcement

4.3 세굴 패턴 분석

Fig. 10은 흐름 방향에 대해 각각 A-A’ section인 정면(y-z)과 B-B’ section인 측면(x-z)에서 무보강 및 보강된 인공어초 주변 세굴에 대한 수치해석 결과를 나타낸다. 먼저 A-A’ 단면에서 발생한 세굴 패턴 경향을 살펴보면(Fig. 10(a)) 인공어초의 가장자리에서 가장 큰 세굴 깊이를 보였으며 인공어초에서 멀어질수록 점차 깊이가 감소하는 경향을 보였다. 중심부에는 내부가 비어있는 인공어초 형태의 특성상 관통하는 흐름이 발생하므로 세굴이 크게 나타나지 않았다. 특히 보강 조건에서는 인공어초 중심부의 세굴은 거의 발생하지 않았으며, 무보강에 비해 전반적으로 크게 감소한 경향을 보였다. B-B’단면(Fig. 10(b))에서의 세굴 패턴 또한 보강 지반에서 세굴이 크게 감소한 경향을 보였으며, 인공어초의 후면부에 세굴된 지반 입자가 퇴적된 것을 확인할 수 있다. 이러한 세굴 패턴의 경향은 앞서 Fig. 8과 Fig. 9에 나타난 바와 같이 인공어초 주변부에서 유발된 흐름에 의한 것임을 알 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F10.jpg
Fig. 10.

Scour depth around artificial reef

Fig. 11은 인공어초의 정면(A-A’ section)과 측면(B-B’ section)에서 각각 x축, y축 및 z축에 대한 유속 크기의 분포를 나타낸 것이다. 흐름의 진행 방향인 x축의 유속과 인공어초 설치로 인해 측면으로 흐르는 y축의 유속 크기는 인공어초의 정면부와 측면부에서 각각 무보강 및 보강 조건에 따른 유속의 크기가 큰 차이를 보이지 않았다. 반면, 수직 방향의 흐름인 z축 유속의 크기를 살펴보면 무보강된 지반에 비해 보강된 지반의 유속 크기가 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 z축 방향의 유속 분포를 살펴보면 인공어초에 발생한 세굴의 패턴과 유사한 것을 알 수 있으며, 이러한 결과를 통해 인공어초 등 해양구조물에 발생하는 세굴은 구조물의 설치로 유발되는 수직 방향에 대한 유속에 의한 것으로 판단된다. 보강재를 설치할 경우 지반에 인접한 부분에서의 유속 분포에 영향을 미쳐 흐름을 교란시키고, 설치된 보강재가 수직 방향에 대한 흐름을 방해하여 세굴의 발생을 저감할 수 있는 요인 중 하나로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F11.jpg
Fig. 11.

Velocity distribution around artificial reef

Fig. 12는 인공어초 세굴 패턴에 대한 수치해석 결과(Numerical - unreinforced, Numerical - reinforced)와 실내실험 결과(Experimental - unreinforced, Experimental - reinforced)를 비교한 것이다. 세굴 분포 경향을 살펴보면 무보강 지반과 보강 지반 모두 실내실험과 세굴 패턴이 전반적으로 유사한 경향을 보였다. 수치해석을 통해 구한 최대 세굴 깊이는 무보강 지반에서 약 11.17mm, 보강된 지반에서 약 6.25mm로 나타났다. 특히 무보강 지반의 경우 실내실험에서 구한 최대 세굴 깊이인 12mm보다 약 10% 가량 낮은 값을 보였는데 이는 수치해석의 경우 인공어초 모델이 고정상으로 시간에 따른 인공어초의 거동에 변화가 없는 반면, 실내실험의 경우 Fig. 13과 같이 세굴이 진행됨에 따라 인공어초가 기울어지면서 유속 분포에 영향을 주어 나타난 결과로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F12.jpg
Fig. 12.

Scour depth compare with numerical and experimental results

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-03/N0150180303/images/kgss_18_03_03_F13.jpg
Fig. 13.

Picture of tilted artificial reef

5. 결 론

해저 연약 지반에 설치되는 인공어초에서 발생하는 세굴을 저감하고자 보강재를 이용하여 실내실험 및 수치해석을 통해 지반 보강 유・무에 따른 세굴 패턴 특성을 알아보았으며, 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 흐름 수조 세굴 실험을 통해 세굴 깊이를 측정한 결과 보강재의 면적이 증가할수록 세굴이 감소하는 경향을 보였다. 특히, 보강재의 보강 면적이 1배(AAR = 1)의 경우 무보강된 지반의 세굴 깊이와 큰 차이를 나타내지 않았으나, 3배(AAR = 3)로 증가됨에 따라 그 세굴값이 크게 감소하였다. 반면, 보강재의 면적이 3배인 경우와 5배(AAR = 5)인 경우에서는 세굴 깊이가 유사하게 나타났다.

(2) 실내실험 결과를 이용하여 보강재가 보강된 지반의 물성치를 산정하였으며, 이를 통해 보강 조건에 따른 인공어초 세굴 수치해석을 수행한 결과, 세굴 패턴은 지반이 보강됨에 따라 크게 감소하는 경향을 보였다. 세굴의 발생은 수직 방향에 대한 유속에 영향을 받는 것으로 판단되며, 수치해석 결과와 실내실험 결과를 비교해 본 결과 세굴 패턴은 전반적으로 유사한 경향을 띄었다. 최대 세굴 깊이는 실내실험에서 그 값이 더 크게 나타났으며, 이는 실내실험의 경우 세굴이 진행됨에 따라 인공어초가 기울어지고, 이것이 흐름에 영향을 미쳐 나타난 결과로 판단된다.

(3) 수치해석을 통해 인공어초 설치에 따른 세굴 패턴을 확인한 결과 인공어초 전면부 가장자리에서 세굴의 발생이 가장 활발하게 나타났으며, 인공어초 후면부에서 지반 입자의 일부가 퇴적되는 결과를 보였다. 인공어초의 중심부에서는 인공어초를 관통하는 흐름에 의해 세굴이 크게 발생하지 않았으며, 인공어초 중심을 기준으로 대칭 형태를 띄었다.

본 연구에서는 인공어초 세굴 저감용 보강재의 적용성 검증을 위한 기초적인 연구 단계로서, 보강재의 설치로 인해 흐름에 의한 지반 입자의 세굴 유발을 저감시켜 인공어초의 안정성이 증대되는 효과를 확인하였다. 하지만 실제 해역의 경우 복잡한 조류의 흐름이 발생하며, 해저 지반의 공학적인 특성 또는 보강재의 특성 등과 같이 다양한 영향 인자를 고려해야 할 필요가 있다. 따라서 실무적으로 적용이 가능할 수 있도록 결과의 정확성을 높히기 위해 다양한 조건에 따른 실험 및 해석을 계속적으로 수행할 필요가 있다.

Acknowledgements

This work is supported by the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA) grant funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport (Grant 19TSRD-B151228-01) and Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education (2018R1D1A1B07049360).

References

1

Ahn, S. J., Kim, U. Y. and Lee, J. K. (1999), Experimental Study for scour Protection around Bridge Pier by Falling-Flow Interruption, Journal of Korean Society of Civil Engineering, Vol.19, No.1, pp.57-65.

2

Briaud, J. L. (2008), Case Histories in Soil and Rock Erosion: Woodrow Wilson Bridge, Brazos River Meander, Normandy Cliffs, and New Orleans Levees, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.134, No.10, pp. 1425-1447.

10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:10(1425)
3

Briaud, J. L., Chen, H. C., Chang, K. A., Oh, S. J. and Chen, X. (2009), “Abutment Scour in Cohesive Materials.” NCHRP Report 24-15(2), National Research Council: Transportation Research Board, Washington, DC, USA.

4

Briaud, J. L., Ting, F., Chen, H. C., Cao, Y., Han, S. W. and Kwak, K. S. (2001), Erosion Function Apparatus for Scour Rate Predictions, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.127, No.2, pp.105-113.

10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:2(105)
5

Chen. X. (2008), Numerical Study of Abutment Scour in Cohesive Soils, Texas A&M University, Doctor of Philosophy, pp.1-191.

6

Choi, K. B. and Kim, U. Y. (2000), Experimental Study on Local Scour around Bridge Piers by Scour Protection Devices, Journal of Korean Society of safety, Vol.15, No.1, pp.126-131.

7

Duzbastilar, F. O., Lok, A., Uas, A., Metin, C. (2006), Recent developments on artificial reef applications in Turkey: hydraulic experiments. Bulletin of Marine Science, 78(1), 195-202.

8

Kim, D. K., Suh, S. H., Cho, J. K., Kim, C. G., Choi, I. H. and Kim, B. S. (2010), Settlement Characteristics of Square Reefs installed on Soft Seafloor Ground, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.34, No.1, pp. 163-167.

10.5916/jkosme.2010.34.1.163
9

Kim, H. T. (2001), A Study of Artificial Reef Subsidence in Unsteady Flow Field, Journal of The Korean Society of Ocean Engineers, Vol.15, No.2, pp.33-38.

10

Kim, J. Q., Mizutani, N. and Iwata, K. (1995), Experimental Study on the Local Scour and Embedment of Fish Reef by Wave Action in Shallow Water Depth, Proceeding of Civil Engineering in the Ocean12, pp.243-247.

10.2208/prooe.12.243
11

Kim, Y. S. and Gang, G. O. (2011), Experimental Study on Hydraulic Resistance of Sea Ground considering Tidal Current Flow, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol.23, No.1, pp.118-125.

10.9765/KSCOE.2011.23.1.118
12

Kimura, H., Ingsrisawang, V. and Ban, M. (1994), A study on the local scour of cylinder artificial fish reefs. Fisheries engineering, Vol.31, pp.33-40.

13

Kwak, K. S., Chung, M. K., Chung, H. I., Woo, J. Y. and Cho, S. D. (2002), Measurements of Erosion Rate in Fine-Grained Soils., KGS spring conference, pp.337-342

14

Lee, M. J., Choi, S. K., Choo, H. W., Cho, Y. S. and Lee, W. J. (2008). “Uniformity of Large Gypsum-cemented Specimens Fabricated by Air Pluviation Method”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.24, No.1, pp.91-99.

15

Oh, S. J. (2009), Experimental Study of bridge Scour in Cohesive Soil, Texas A&M University, Doctor of Philosophy, pp.1-238.

16

Raineault, N. A., Trembanis, A. C., Miller, D. C. and Capone, V. (2013), Interannual changes in seafloor surficial geology at an artificial reef site on the inner continental shelf. Continental shelf research, Vol.58, pp.67-78.

10.1016/j.csr.2013.03.008
17

Suh, S. H. and Kim, D. K. (2009), Settlement Prevention Method of Artificial Reefs using Suction Pile, Conference of the Korean Society of Marine Engineering, pp.321-322.

18

Vaid, Y. P., Sivathayalan, D. S. and Stedman, D. (1999), “Influence of Specimen Reconstituting Method on the Undrained Response of Sand”, Journal of Geotechnical Testing, Vol.22, No.3, pp.187-195.

10.1520/GTJ11110J
19

Yeo, C. G., Lee, S. O., Yoon, S. E. and Song, J. W. (2011), Temporal Variation of Local Scour Depth in the Downstream of Weir with Shapes, Journal of Korean Society of Civil Engineering, Vol.31, No.4B, pp.353-360.

20

Yun, D. H. and Kim, Y. T. (2019), Behavoirs of Artificial Reef Reinforced with Settlement Reduction Reinforcement, Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.18, No.1, pp. 1-9.

21

Yun, S. J. and Kim, H. T. (2001), A Study of Artificial Reef Subsidence in Unsteady Flow-Wave Field, Journal of The Korean Society of Ocean Engineers, Vol.15, No.3, pp.28-34.

페이지 상단으로 이동하기