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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 다년간의 수리모형실험을 통해 사석 및 돌망태의 이동한계유속 등을 분석한 결과와 기존의 경험공식에서 산정되는 이동한계유속의 비교 및 검증을 통하여 변수들을 조정하고, 발생유속에 따른 적정 사석 및 돌망태의 규모를 산정하는 매뉴얼을 개발하였다. 본 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이 시공계획 및 끝막이 수행 시 현장에서 일별 발생유속에 따른 사석규모를 산정하는데 사용되었으며, 본 논문에 제시된 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이가 끝난 후 그 적용성이 높게 평가되었다.
- 새만금방조제 끝막이 구간은 수심이 깊고, 기초지반의 지질은 극히 연약한 사질 실트 층으로 2개의 개방구간을 통해 최대 7 m/sec 이상의 유속이 발생하는 악조건으로 간척 선진국인 네덜란드 또는 일본 등에서도 유래를 찾아볼 수 없는 난공사였다. 이러한 악조건인 상황에서도 새만금 방조제의 끝막이가 성공할 수 있었던 요인은 무엇보다도 끝막이 시공구간별 발생유속에 따른 적정 사석 및 돌망태의 규모를 적기에 제시하였다는 것이다.
제안 방법
- 돌망태의 수리학적 거동을 파악하고자 3.0 ton/EA, 5.0 ton/EA의 사석과 동일 규모의 돌망태를 시공하였을 경우 이동한계유속을 각각 측정하였다. 먼저 상고공 구간을 3.
- 대체적으로 수리모형실험결과와 경험공식이 비슷한 경향으로 나타났지만, 동일한 유속에서는 경험공식으로 산정되는 사석규모가 크게 나타났다. 따라서 설계실무자들에게 있어 사석규모의 산정시 사용의 편의성과 신뢰도를 높이기 위해 수리모형실험결과를 바탕으로 경험공식을 적용토록 EXCEL 프로그램을 이용하여 매뉴얼화 하였다. 개발된 매뉴얼내에는 경험공식 적용시 변수들에 대한 설명을 자세하게 하여 설계실무자들이 쉽게 적용할 수 있도록 하였다.
- 3에서 보는 바와 같이 가로, 세로 각각 40 m, 60 m인 실험수조에 원형에서 1,500 m(모형: 30 m)구간의 방조제 노선이 포함되며, 방조제 개방구간의 중앙부 내측 및 해측으로 각각 750 m(모형: 15 m)까지의 현장영역을 포함시켰다. 또한 모형의 바닥지형은 현장 수심자료를 이용하여 고정상으로 재현하였다.
- 바닥보호공과 상고공 사석의 이동한계유속 측정은 미리 설정된 위치에 일정한 높이로 포설하여 흐름조건에 따른 이동성 실험을 수행하였으며, 1차 사석재 경우는 사석, 돌망태, 사석 및 돌망태 혼용의 순으로 방조제 선단부에서 3~4초 간격으로 낙하시켜 단면이 자연적으로 형성되지 않았을 때의 유속을 이동한계유속으로 평가하여 실험을 수행하였다. 이때의 1차 사석재 선단부 사면각도는 약 45° 정도로 하였다.
-
3.2 실험조건 및 방법
방조제 개방구간이 75 m인 조건에서 사석과 돌망태를 이용하여 개방구간의 축조재료가 투하되는 전구간(상고공, 바닥보호공, 1차 사석재)에 대하여 각각 사석, 돌망태만으로 시공되었을 조건과 1차 사석재 구간에서 각각 사석중량이 0.3~1.0 ton/EA, 2.0~3.0 ton/EA, 3.0~5.0 ton/EA, 3.0~6.0 ton/EA인 혼합사석에 3.0 ton/EA 돌망태를 일정비율로 혼합하여 시공되었을 조건에 대하여 수행되었다. 여기서 사석과 돌망태 혼용률은 사석만으로 시공되었을 경우와 사석과 돌망태가 혼용되었을 경우의 전체 중량을 100%으로 보았을 때 사석 80%의 중량, 돌망태 20% 중량에서 시작하여 사석을 10%씩 감소, 돌망태는 10%씩 증가시켜 사석 50%, 돌망태 50%까지 되었을 때까지 실험을 수행하였다.
- 사석, 돌망태, 사석 및 돌망태 혼용에 따른 이동한계유속을 수리모형실험을 통하여 정리하였다. 사석규모별 이동한 계유속과 경험공식에서 산정된 이동한계유속과 비교를 하였다.
- 사석, 돌망태, 사석 및 돌망태 혼용에 따른 이동한계유속을 수리모형실험을 통하여 정리하였다. 사석규모별 이동한 계유속과 경험공식에서 산정된 이동한계유속과 비교를 하였다. 대체적으로 수리모형실험결과와 경험공식이 비슷한 경향으로 나타났지만, 동일한 유속에서는 경험공식으로 산정되는 사석규모가 크게 나타났다.
- 수리모형실험은 새만금 방조제 끝막이 개방구간을 대상으로 하였으며, 실험수조 범위는 방조제 상하류의 유동상황, 방조제 개방구간 및 노선방향의 수리특성을 재현할 수 있도록 수조시설과 여유공간을 감안하여 축척 1:50의 정상모형으로 제작하였다. 모형규모는 Fig.
- 0 ton/EA 돌망태를 일정비율로 혼합하여 시공되었을 조건에 대하여 수행되었다. 여기서 사석과 돌망태 혼용률은 사석만으로 시공되었을 경우와 사석과 돌망태가 혼용되었을 경우의 전체 중량을 100%으로 보았을 때 사석 80%의 중량, 돌망태 20% 중량에서 시작하여 사석을 10%씩 감소, 돌망태는 10%씩 증가시켜 사석 50%, 돌망태 50%까지 되었을 때까지 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 수리모형실험은 새만금 방조제 끝막이 개방구간을 대상으로 하였으며, 실험수조 범위는 방조제 상하류의 유동상황, 방조제 개방구간 및 노선방향의 수리특성을 재현할 수 있도록 수조시설과 여유공간을 감안하여 축척 1:50의 정상모형으로 제작하였다. 모형규모는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 가로, 세로 각각 40 m, 60 m인 실험수조에 원형에서 1,500 m(모형: 30 m)구간의 방조제 노선이 포함되며, 방조제 개방구간의 중앙부 내측 및 해측으로 각각 750 m(모형: 15 m)까지의 현장영역을 포함시켰다. 또한 모형의 바닥지형은 현장 수심자료를 이용하여 고정상으로 재현하였다.
- 방조제 끝막이 구간에서의 흐름은 중력의 지배를 받고 있으므로 방조제 축조재료인 사석과 돌망태는 Froude 상사법칙을 적용하여 제작하였다. 모형실험에 사용된 사석은 새만금 방조제 공사시 현장에서 실제 제작되어 사용되는 사석 크기를 선정하여 모형사석으로 사용였으며, 현장시공 사석은 규격별로 0.3, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0 ton/EA의 사석과 3.0, 5.0 ton/EA의 돌망태이다. 원형사석과 모형사석 크기에 대한 상세한 내역은 Table 1과 같고, 또한 돌망태는 Fig.
이론/모형
- 10. Structural scale of dam-face calculated by utilizing the manual.
- 방조제 끝막이 구간에서의 흐름은 중력의 지배를 받고 있으므로 방조제 축조재료인 사석과 돌망태는 Froude 상사법칙을 적용하여 제작하였다. 모형실험에 사용된 사석은 새만금 방조제 공사시 현장에서 실제 제작되어 사용되는 사석 크기를 선정하여 모형사석으로 사용였으며, 현장시공 사석은 규격별로 0.
성능/효과
- 0 ton/EA의 사석과 돌망태로만 각각 시공하였을 경우 Fig. 6의 (a)와 같이 돌망태의 이동한계유속은 3.0 ton/EA 사석의 이동한계유속보다 1.22배, 5.0 ton/EA 사석의 이동한계유속보다 1.26배로 크게 나타났으며, 단일 사석으로 대체하여 시공될 경우 3.0 ton/EA 돌망태는 10.0 ton/EA 사석, 5.0 ton/EA 돌망태는 15.0 ton/EA의 대체 사석규모 효과가 있는 것으로 나타났다. 바닥보호공 구간의 경우 Fig.
- (b)와 같이 돌망태의 이동한계유속은 3.0 ton/EA 사석의 이동한계유속보다 1.36배, 5.0 ton/EA 사석의 이동한계유속보다 1.38배 큰 것으로 나타났으며, 단일 사석으로 대체하여 시공될 경우 3.0 ton/EA 돌망태는 20.0 ton/EA 사석, 5.0 ton/EA 돌망태는 30.0 ton/EA의 대체 사석규모 효과가 있는 것으로 나타났다.
- (c)와 같이 돌망태의 이동한계유속은 3.0 ton/EA 사석의 한계유속보다 1.30배, 5.0 ton/EA 사석의 한계유속보다 1.36배 큰 것으로 나타났으며, 단일 사석으로 대체하여 시공될 경우 3.0 ton/EA 돌망태는 16.0 ton/EA 사석, 5.0 ton/EA 돌망태는 24.0 ton/EA의 대체 사석규모 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 0 ton/EA 이하의 사석규모에서는 변수를 일부 조정해야 할 필요성이 있음을 나타냈다. 그리고 현재까지 연구가 수행되지 않았던 사석과 돌망태의 한계유속 비교를 통하여 돌망태의 시공구간별 이동한계 유속측정 결과 사석의 이동한계유속 보다 1.22배~1.38배 크게 나타났으며, 3.0 ton/EA의 돌망태는 20 ton/EA, 5.0 ton/EA의 돌망태는 30 ton/EA의 사석 대체 효과가 있는 것으로 분석되어 돌망태가 바닥의 안착성과 맞물림효과(Interlocking effect)가 사석보다 크다는 것을 증명하였다. 또한 사석과 돌망태의 혼용률에 따른 한계유속 비교를 통하여 사석만으로 시공되었을 경우보다 돌망태를 20% 정도 혼용하여 시공하였을 경우 0.
- 54 m/s의 유속에 저항하는 것으로 나타나 사석자체만의 시공보다는 사석에 돌망태를 혼합하여 시공하였을 경우도 수리학적으로 안정성이 있는 것으로 나타났다. 또한 돌망태 혼용률이 20%에서 10%씩 증가하여 50%에 이를 때가지 10%의 돌망태 증가에 따라 이동한계 유속도 0.24~0.29 m/s로 증가하는 경향을 나타냈다. 돌망태 혼용율에 따른 이동한계유속의 증가는 사석과 돌망태 간의 맞물림 작용, 공극감소 등의 원인으로 발생유속에 대한 저항성을 증가시켜 주었기 때문이라 판단된다.
- 0 ton/EA의 돌망태는 30 ton/EA의 사석 대체 효과가 있는 것으로 분석되어 돌망태가 바닥의 안착성과 맞물림효과(Interlocking effect)가 사석보다 크다는 것을 증명하였다. 또한 사석과 돌망태의 혼용률에 따른 한계유속 비교를 통하여 사석만으로 시공되었을 경우보다 돌망태를 20% 정도 혼용하여 시공하였을 경우 0.45~0.54 m/s의 유속에 저항하는 것으로 나타났고, 돌망태 혼용률이 20%에서 10%씩 증가하여 50%에 이를 때가지 10%의 돌망태 증가에 따라 이동한계 유속도 0.24~0.29 m/s로 증가하는 경향을 나타나 사석자체만의 시공보다는 사석에 돌망태를 혼합하여 시공하였을 경우 수리학적으로 안정성이 있는 것으로 나타났다.
- 장기간의 수리모형실험 실험을 통해 축척된 자료와 기존의 경험공식들과의 비교, 검증과 변수들의 자세한 설명을 통해 이러한 문제점들을 극복할 수 있도록 사석규모 산정 매뉴얼이 개발되었다. 방조제 시공구간별로 사석의 이동한계유속 측정결과와 경험공식을 비교한 결과 거의 비슷한 경향으로 나타났으나, 3.0 ton/EA 이하의 사석규모에서는 변수를 일부 조정해야 할 필요성이 있음을 나타냈다. 그리고 현재까지 연구가 수행되지 않았던 사석과 돌망태의 한계유속 비교를 통하여 돌망태의 시공구간별 이동한계 유속측정 결과 사석의 이동한계유속 보다 1.
- 방조제 시공구간별로 사석이 안착되었을 경우 사석 중량이 0.3 ton/EA, 1.0 ton/EA, 2.0 ton/EA, 3.0 ton/EA, 5.0 ton/EA인 경우에 대하여 상고공 구간에서의 이동한계유속 측정결과는 4.49 m/s, 5.42 m/s, 6.13 m/s, 6.72 m/s, 7.40 m/s, 바닥보호공 구간에서는 3.89 m/s, 4.94 m/s, 5.63 m/s, 6.22 m/s, 6.60 m/s, 1차 사석재 구간에서는 3.31 m/s, 4.23 m/s, 4.81 m/s, 5.13 m/s, 5.72 m/s로 나타났다. 시공구간 별로 Fig.
- 따라서 본 논문에서는 다년간의 수리모형실험을 통해 사석 및 돌망태의 이동한계유속 등을 분석한 결과와 기존의 경험공식에서 산정되는 이동한계유속의 비교 및 검증을 통하여 변수들을 조정하고, 발생유속에 따른 적정 사석 및 돌망태의 규모를 산정하는 매뉴얼을 개발하였다. 본 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이 시공계획 및 끝막이 수행 시 현장에서 일별 발생유속에 따른 사석규모를 산정하는데 사용되었으며, 본 논문에 제시된 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이가 끝난 후 그 적용성이 높게 평가되었다.
- 사석과 돌망태의 혼용률에 따른 이동한계유속 측정결과는 Fig. 7과 같으며, 사석만으로 시공되었을 경우보다 돌망태를 20% 정도 혼용하여 시공하였을 경우 0.45~0.54 m/s의 유속에 저항하는 것으로 나타나 사석자체만의 시공보다는 사석에 돌망태를 혼합하여 시공하였을 경우도 수리학적으로 안정성이 있는 것으로 나타났다. 또한 돌망태 혼용률이 20%에서 10%씩 증가하여 50%에 이를 때가지 10%의 돌망태 증가에 따라 이동한계 유속도 0.
- 72 m/s로 나타났다. 시공구간 별로 Fig. 5에 이동한계유속을 도시하였으며, 동일 사석규모라 하더라도 시공 구간별로 이동한계유속이 다르게 나타남을 보여주었으며, 방조제 시공구간별로 사석규모별 이동한계유속을 경험공식과 수리모형실험 결과와 비교한 결과 동일사석규모에서 수리모형실험 결과의 이동한계유속이 적게 나오는 경향을 나타냈다. 이는 향후 경험공식을 이용하여 사석 규모를 산정할 경우 변수를 조정할 필요성이 있음을 의미한다.
- 이와 같이 수리모형실험의 기초자료와 방조제 시공구간별로 사용되는 Netherlands 간이공식, Isbash 공식, Pilarczyk 공식에 기초를 두어 개발된 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이 시 현장적용을 통하여 적용성이 상당히 높게 평가되었다. 본 매뉴얼을 통하여 향후 설계실무자들이 매뉴얼을 좀더 간편하게 적용할 수 있도록 전문소프트웨어를 이용한 시스템으로 개발된다면 방조제 뿐 만 아니라 사석 및 돌망태가 이용되는 구조물의 안정성 평가에 크게 기여할 것으로 판단된다.
후속연구
- 5의 (a)와 같이 상고공의 경우는 수류의 수축현상 및 심한 난류현상으로 비교적 강한 조류속이 부분적으로 발생되므로 상고공의 안정성 측면에서 동일유속에서 사석규모가 크게 산정되는 Isbash 공식으로 산출된 사석규모를 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단되며, Fig. 5의(b)와 같이 바닥보호공의 경우는 유속이 증가 할수록 Pilarczyk 공식과 일치하는 경향으로 나타나 6.0~8.0 m/s의 강한 조류속이 발생되는 구간에서는 Pilarczyk 공식을 사용하길 추천하지만 이 공식을 적용시는 반드시 정확한 유속자료와 수심측량 자료가 필요하다. Fig.
- 이와 같이 사석재보다 돌망태의 이동한계 유속이 큰 원인은 돌망태가 바닥의 안착성과 맞물림효과(Interlocking effect)가 사석보다 크게 작용하였기 때문이라 판단된다. 따라서 방조제 끝막이 구간에서 빠른 유속에 저항할 수 있는 시공사석의 개당중량이 미달될 경우 돌망태를 사용하여 시공한다면 방조제의 안정성 증가 측면에서 상당한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 이와 같이 수리모형실험의 기초자료와 방조제 시공구간별로 사용되는 Netherlands 간이공식, Isbash 공식, Pilarczyk 공식에 기초를 두어 개발된 매뉴얼은 새만금방조제 끝막이 시 현장적용을 통하여 적용성이 상당히 높게 평가되었다. 본 매뉴얼을 통하여 향후 설계실무자들이 매뉴얼을 좀더 간편하게 적용할 수 있도록 전문소프트웨어를 이용한 시스템으로 개발된다면 방조제 뿐 만 아니라 사석 및 돌망태가 이용되는 구조물의 안정성 평가에 크게 기여할 것으로 판단된다.
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