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문제 정의
- 다음 두 번째로 본 실험연구의 목표는 국부세굴로 노출된 교각기초의 보수공으로 TTG가 적합한지에 대한 평가이다. 기존의 보수공으로 많이 사용되고 있는 사석과 돌망태는 홍수 시 자주 유실된다.
- 본 논문에서는 기존 콘크리트블록의 단점인 하상경계면의 수생태 요소차단을 개선한 새로운 형상의 TTG블록(이하 TTG)에 대한 수리학적 특성을 파악하여 산악지대 하천특성(하상구배가 급하고 유속이 매우 빠르며, 유로연장이 짧고 하상변동이 심한 하천)에 적합한 세굴보호공으로서의 안전성을 확인하였다. 그리고 특히 집중호우 시급한 유속으로 하상변화가 심해 교각 상하류 측의 하상고 차가 최대세굴심도 만큼의 세굴孔이 형성된다.
- 본 실험연구의 첫 번째 목표는 TTG 국부세굴보호공실험의 적용성 검토이다. 이를 위한 조건으로 선정된 장열교 국부세굴보호공의 원형제원은 다음과 같이하여 결정하였다.
- 기존의 보수공으로 많이 사용되고 있는 사석과 돌망태는 홍수 시 자주 유실된다. 이들 보다 안전성이 우수한 대체공법으로 TTG 보수공의 성능을 확인코자 한다. TTG 국부세굴보호공의 적용성 검토를 위한 수문조건과 동일한 실험조건으로 사석·돌망태·TTG의 보수공 성능을 비교하여 TTG보수공 성능을 입증하기로 하였다.
제안 방법
- (1) 실험에 사용된 돌망태의 크기는 현장조건에 일치하는 산정식 선정의 어려움으로 ‘한강교량기초 수리모형 실험 2차 중간보고서’에 제시된 다음의 돌망태 크기 결정식을 사용하였다. 그러므로 보수공 성능비교실험에 선정한 돌망태 산정식의 유효성 입증이 보완 되어야 보다 정확한 TTG와의 성능 비교가 되리라 본다.
- 6 cm)로 교각기초가 노출된 현장조건을 그림 5 국부세굴보수공의 실험장치와 같은 모형으로 구성하였다. 13.6 cm 높이의 마운드를 설치하고 그 위에 사석공과 돌망태공 그리고 TTG공을 피복하여 실험을 각 각 수행하였다. 특히 TTG工은 그림 1의 아래에 나타낸 것처럼 TTG쌓기 방식으로 피복하여 자중에 의해 TTG의 돌기부 키(key)와 가운데 빈 공간을 끼워 맞추어서 TTG형상이 갖고 있는 기계적 맞물림(interlocking) 작용을 고려하여 피복효과를 제고하였다.
- 2002년에 발생한 최대 태풍 ‘루사’로 인하여 유실된 강원도 정선군 북평리에 위치한 철도교량 장열교의 복구계획 시 수립된 수문조건과 교량설계안을 채택하여 표 1 장열교 지점 수문조건에 정리하였다.
- TTG 국부세굴보호공의 적용성 검토를 위한 수문조건과 동일한 실험조건으로 사석·돌망태·TTG의 보수공 성능을 비교하여 TTG보수공 성능을 입증하기로 하였다.
- TTG를 규정에 따라서 그림 3 TTG의 조도계수실험에 나타낸 바와 같이 TTG의 본체 상부가 평형 하상고와 동일하도록 설치한 경우는 표면마찰응력에 의해서만 항력이 작용하므로 본 실험에서는 마찰항력계수를 구하여 블록의 안정조건을 산정하였다.
- 각 수심별로 수위를 고정시키고 전자유속계를 이용하여 관측하면서 실험유속을 증가시켰다. 사석·돌망태·TTG 보수공의 움직임을 관찰하였다.
- 파괴직전 초기에 보수공 單體가 미동을 하면서 들썩이고 모형사의 유출이 갑자기 증가한다. 각 수위별 유속의 증가에 따른 보수공들의 거동을 관찰하고 보수공의 파괴직전 상태의 한계 기준을 정하여 한계유속을 관측하여 기록하였다. 수위를 고정시키고 유속을 증가시켜 이 기준에 맞추어 한계유속을 측정하였다.
- 이때의 수심과 한계유속 Uc를 측정하여 수위와 한계유속관계를 작성하였다. 각 수위별 한계유속측정을 위하여 실험조건을 변화시키면서 반복 실험하여 각 보수공의 성능을 판단하는 안전성한계의 기준으로 삼았다.
-
그림 8. 레이놀즈 수와 항력계수와의 관계
관측된 수심 및 실험유량 자료와 마찰항력계수 CD를 사용하여 흐름으로 인해 블록에 작용하는 유수력을 계산하고 이로부터 한계소류력공식을 사용하여 TTG가 움직이기 시작하는 한계안전중량 WCR을 산정하였다
. - 그리고 ‘한강 교량기초 수리모형 실험 2차 중간보고서(1998)’에 제시된 돌망태 크기 결정식을 사용한 t/L = 2인 돌망태와 장열교 설계 조건인 유속3.45 m/sec를 만족하는 TTG의 중량을 ‘블록 T.T.G 수리모형 실험보고서’와 ‘하천공사 표준시방서(1994)’의 유속별 콘크리트 블록중량 기준에 의해 산정한 TTG를 위에 언급한 조건하에서 서로 비교 실험하였다.
- 그리고 속채움재 위의 세굴보수공을 위한 피복용 사석은 장열교 세굴해석 결과 산정된 사석보호공의 사석직경 0.59 m에 대한 모형사석으로 평균입경 2.36 cm의 모형사석을 선정하고 추가적으로 실험의 신뢰성을 제고하기위해 ‘교량세굴 방지대책 연구(1995)’의 사석보호공 결정식을 적용하여 얻은 사석직경 0.31 m의 1/25모형인 모형사석 1.24 cm도 함께 검토하기로 하였다.
- 실험유량은 각각의 경우에 대해서 7개의 유량을 선정하여 공급하였으며, 각각의 실험유량에 대해서 하류 단 수위를 조절함으로써, 실험수로 내에서 동일 실험유량에 대해서 2~3가지 수위자료를 관측하였다. 길이 40 m의 수로 중앙에 길이 9 m의 마운드를 설치하여 실험대상 수로의 하상이 등류구간에 위치하도록 하였다. 이 마운드위에 모형사 안트라싸이트를 0.
- 흐름과 수직으로 접하는 블록 결속돌기 상부의 유수방향 단면적은 무시할 정도로 미소하므로 형상항력은 무시할 수 있으므로 항력은 표면마찰항력에 지배된다. 따라서 실험을 통하여 마찰항력계수를 산정함으로써 흐름 특성에 대한 블록의 안정 조건을 산정하였다.
- 또 실험의 신뢰성 확보를 위해 ‘교량세굴 방지대책 연구(1995)’의 사석보호공 결정식을 적용하여 얻은 사석직경 0.31 m의 1/25모형인 사석1.24 cm의 보수공 성능실험을 추가하였다.
- 본 수리모형실험연구에서는 TTG의 수리학적 특성을 파악하기위해 조도계수, 항력계수, 한계안전중량을 구하여 산악지대 하천특성(하상구배가 급하고 유속이 매우 빠르며, 유로연장이 짧고 하상변동이 심한 하천)에 적합한 TTG세굴보호공과 TTG세굴보수공의 적용성을 확인하였다. 장열교지점 계획 홍수량에 대한 교각국부세굴보호공과 노출된 교각기초의 TTG세굴그림 11.
- 본 실험에서는 그림 3 TTG의 조도계수실험에 보인 것과 같이 형상저항을 최소화하도록 블록 몸체상부표면이 하천의 평균하상고와 같도록 설치하여 안정조건을 산정하였다. 흐름과 수직으로 접하는 블록 결속돌기 상부의 유수방향 단면적은 무시할 정도로 미소하므로 형상항력은 무시할 수 있으므로 항력은 표면마찰항력에 지배된다.
- 사석과 돌망태 그리고 TTG의 세가지 실험안의 비교결과를 수위-한계유속과의 관계를 그림 11 각 세굴방지공의 수위와 한계유속관계에 제시하였다. 이는 동일한 흐름 에너지에 대하여 TTG가 가장 한계유속이 크게 나타나서 안전성이 우수하고 다음으로 돌망태, 사석 2.
- 사석과 돌망태와 동일한 조건에서 블록 1개가 떠내려 갈 때를 한계유속으로 정하였다. 앞에서 수행한 국부세굴보호공은 같은 수평면상에 TTG를 포설하였지만 보수공실험에서는 TTG를 쌓기방법(그림 1의 우측 사진 참고)으로 피복하였기에 1개만 이탈하여도 TTG보수공전체가 바로 붕괴되기 때문이다.
- 실험유량은 150년 빈도의 장열교 지점과 동일한 수문조건을 사용하였다. 산악지대 하천에 위치한 교각 상하류 측의 하상고 차가 최대세굴심도 깊이만큼 형성된 세굴孔으로 노출된 교각기초의 補修工 적용성 검토조건으로 박기수(2002)의 세굴해석 결과를 채택하였다. 최대 세굴심 3.
- TTG를 이용한 세굴보호공의 성능확인을 위한 모형수로는 그림 4 TTG 국부세굴보호공 실험장치와 같이 구성하였다. 수로 종단면의 중앙부분에 표 3 주요 물리량에 대한 축적비와 원형과 모형의 제원에 제시된 바와 같이 0.1 m(0.096 m) 직경의 플라스틱 파이프를 이용하여 모형교각을 설치하고 교각 주위에 교각직경 3배에 해당되는 예상세굴범위에 TTG를 설치하였다.
- 모형의 축척 결정은 다음과 같이 검토하였다. 수리학적 상사성에 대한 우선 조건은 모형과 원형의 흐름 및 경계에 대한 기하학적 상사성이 성립되어야 하므로 연직 및 수평축척을 동일하게 설정하는 것이 바람직하며, 아울러 일정 Reynolds 수보다 작으면 흐름이 층류가 되어 모형의 흐름이 상사를 이루지 못하는 경우가 있으므로 Reynolds 수가 500보다 크도록 하여 개수로 흐름의 난류조건을 재현했다. 한편 본 실험연구를 위한 조건으로 선정한 박기수의 장열교 세굴해석 수리모형실험의 1/40 축적(표 2.
- 각 수위별 유속의 증가에 따른 보수공들의 거동을 관찰하고 보수공의 파괴직전 상태의 한계 기준을 정하여 한계유속을 관측하여 기록하였다. 수위를 고정시키고 유속을 증가시켜 이 기준에 맞추어 한계유속을 측정하였다. 이때의 수심과 한계유속 Uc를 측정하여 수위와 한계유속관계를 작성하였다.
- 이에 근거하여 박기수는 세굴해석을 수행하였다. 수치와 수리모형실험 그리고 경험식들을 이용하여 세굴심과 세굴폭을 산정한 결과를 표 2 장열교지점 수문 조건에 대한 세굴 해석방법과 결과에 정리하였다. 보고서에 제안된 결론은 다음의 1)에서 4)와 같다(박기수, 2002).
- 실험유량으로 환산한 유속 0.69 m/sec와 수심 0.27 m를 정확히 재현하기 위하여 전자유속계를 이용하여 확인하였다. 이 목표실험유량 이상의 유량을 3차례 연속적으로 유하시키면서 직경 10 cm의 모형교각 주변에 모형교각 직경의 3배 범위인 30 cm에 걸쳐 설치한 TTG의 이탈여부와 모형블록 가운데 빈 부분에 속채움재 평균입경 0.
- 실험유량은 각각의 경우에 대해서 7개의 유량을 선정하여 공급하였으며, 각각의 실험유량에 대해서 하류 단 수위를 조절함으로써, 실험수로 내에서 동일 실험유량에 대해서 2~3가지 수위자료를 관측하였다. 길이 40 m의 수로 중앙에 길이 9 m의 마운드를 설치하여 실험대상 수로의 하상이 등류구간에 위치하도록 하였다.
- 한계상태에 이르면 교각부 측면부의 와류로 생기는 초기 파괴양상은 교각주변의 유사와 사석입자 3~4개가 동시에 이탈하고 이어서 피복된 사석공의 대부분이 유실되고 만다. 실험의 정확성을 위해 동일한 실험을 2-3차례 반복할 때 동일한 한계상태 기준을 적용하기 위해 사석입자 3~4개가 동시에 이탈하는 순간을 한계상태로 정하였다.
- 안정조건 검토를 위한 항력계수 CD에 대한 실험은 조도계수실험과 동시에 수행하였다. 실험과정은 조도계수실험과 동일하며 등류구간에서 관측된 수심 및 실험유량자료를 토대로 한계소류력공식을 적용하여 블록의 흐름 저항계수를 산정하였으며, 이 자료에 근거하여 회귀 분석을 수행하여 Re-CD 관계식과 그래프를 그림 8 레이놀즈 수와 항력계수와의 관계에 나타내었다.
- 이 교량은 2002년 최대 태풍 ‘루사’로 인하여 유실되었다. 이 교량의 복구계획 시 채택된 150년 빈도의 계획홍수량을 표 1 장열교 지점 수문조건과 같이 수리모형실험의 실험유량으로 환산한 유속 0.69 m/sec와 수심 0.27 m를 정확히 재현하기 위하여 전자유속계를 이용하여 확인하였다. 이 목표실험유량 이상의 유량을 3차례 연속적으로 유하시키면서 직경 10 cm의 모형교각 주변에 모형교각 직경의 3배 범위인 30 cm에 걸쳐 설치한 TTG의 이탈여부와 모형TTG 가운데 부분을 채운 평균입경 0.
- 길이 40 m의 수로 중앙에 길이 9 m의 마운드를 설치하여 실험대상 수로의 하상이 등류구간에 위치하도록 하였다. 이 마운드위에 모형사 안트라싸이트를 0.1 m 두께로 포설하고 그 위에 TTG 모형을 그림 3 TTG의 조도계수실험과 같이 길이 5 m 폭 0.6 m로 흐름에 평행 및 직각으로 설치하였다.
- 27 m를 정확히 재현하기 위하여 전자유속계를 이용하여 확인하였다. 이 목표실험유량 이상의 유량을 3차례 연속적으로 유하시키면서 직경 10 cm의 모형교각 주변에 모형교각 직경의 3배 범위인 30 cm에 걸쳐 설치한 TTG의 이탈여부와 모형TTG 가운데 부분을 채운 평균입경 0.5 cm 속채움재 모형사석의 유실을 관찰하였다.
- 27 m를 정확히 재현하기 위하여 전자유속계를 이용하여 확인하였다. 이 목표실험유량 이상의 유량을 3차례 연속적으로 유하시키면서 직경 10 cm의 모형교각 주변에 모형교각 직경의 3배 범위인 30 cm에 걸쳐 설치한 TTG의 이탈여부와 모형블록 가운데 빈 부분에 속채움재 평균입경 0.5 cm의 모형사석을 채우고 유실을 관찰하였다.
- 수위를 고정시키고 유속을 증가시켜 이 기준에 맞추어 한계유속을 측정하였다. 이때의 수심과 한계유속 Uc를 측정하여 수위와 한계유속관계를 작성하였다. 각 수위별 한계유속측정을 위하여 실험조건을 변화시키면서 반복 실험하여 각 보수공의 성능을 판단하는 안전성한계의 기준으로 삼았다.
- 현장에서는 주로 사석공과 돌망태공으로 보수하지만 사석과 돌망태공에 대한 산정식 도출조건과 현장조건이 상이하여 유실사례가 빈번하다고 한다. 이를 대체할 노출된 교각기초의 補修工으로서의 TTG적용성도 검토하였다. 이를 위해 산악지대 하천조건과 유사한 실험조건을 설정하여 사석과 돌망태 그리고 TTG의 성능을 비교 실험하였다.
- 이를 대체할 노출된 교각기초의 補修工으로서의 TTG적용성도 검토하였다. 이를 위해 산악지대 하천조건과 유사한 실험조건을 설정하여 사석과 돌망태 그리고 TTG의 성능을 비교 실험하였다.
- 이상의 세굴보수공의 성능비교 실험방법을 정리하여 표 4에 보수공의 성능 비교평가 실험에서 한계유속이 관측된 수위와 단위 폭 당 유량범위를 제시하였다(박현주, 2003).
- 40 m로 제시되었다. 이에 근거하여 박기수는 세굴해석을 수행하였다. 수치와 수리모형실험 그리고 경험식들을 이용하여 세굴심과 세굴폭을 산정한 결과를 표 2 장열교지점 수문 조건에 대한 세굴 해석방법과 결과에 정리하였다.
- 이 때 발생하는 문제점으로는 실험유량을 공급하기 위해서 저수조의 밸브를 열면 상류단 흐름의 교란이 하류로 전파된다는 것이며, 둘째로 실험수로내의 수위를 조절하기 위해서 하류단에 설치된 수문에 의한 배수효과 및 월류하는 수류의 낙하에 의한 영향이 상류로 전달된다는 것이다. 이와 같은 상류단 및 하류단으로 부터 전파되는 영향이 미치지 않는 등류구간을 형성하기 위하여 본 실험에서는 실험 대상 유량들에 대해서 실험수로의 하류단에 설치된 tailgate를 조정하여 실험수로 내에서 상류단 및 하류단의 영향을 받지 않는 등류구간에서 등류수심을 구하였다.
- 조도계수를 산정하기 위해서 실험유량을 공급한 후 정상상태로 유지시키면서 실험수로 내에서의 등류수심을 관측하였다. 이 때 발생하는 문제점으로는 실험유량을 공급하기 위해서 저수조의 밸브를 열면 상류단 흐름의 교란이 하류로 전파된다는 것이며, 둘째로 실험수로내의 수위를 조절하기 위해서 하류단에 설치된 수문에 의한 배수효과 및 월류하는 수류의 낙하에 의한 영향이 상류로 전달된다는 것이다.
- 6 cm 높이의 마운드를 설치하고 그 위에 사석공과 돌망태공 그리고 TTG공을 피복하여 실험을 각 각 수행하였다. 특히 TTG工은 그림 1의 아래에 나타낸 것처럼 TTG쌓기 방식으로 피복하여 자중에 의해 TTG의 돌기부 키(key)와 가운데 빈 공간을 끼워 맞추어서 TTG형상이 갖고 있는 기계적 맞물림(interlocking) 작용을 고려하여 피복효과를 제고하였다.
- 수리학적 상사성에 대한 우선 조건은 모형과 원형의 흐름 및 경계에 대한 기하학적 상사성이 성립되어야 하므로 연직 및 수평축척을 동일하게 설정하는 것이 바람직하며, 아울러 일정 Reynolds 수보다 작으면 흐름이 층류가 되어 모형의 흐름이 상사를 이루지 못하는 경우가 있으므로 Reynolds 수가 500보다 크도록 하여 개수로 흐름의 난류조건을 재현했다. 한편 본 실험연구를 위한 조건으로 선정한 박기수의 장열교 세굴해석 수리모형실험의 1/40 축적(표 2. 장열교지점 수문 조건에 대한 세굴 해석방법과 결과 참고)을 적용 시 개수로 실험 장치내(최대수심 : 0.6 m)에서 난류를 발생시킬 수 있는 조건과 세굴실험 조건인 세굴폭과 모형TTG의 돌기 형상재현과 같은 TTG의 형상특성을 표현하기가 어렵다고 판단하여 적절한 수평축적 Xr = 1/25과 연직축적 Yr= 1/25의 동일축적으로 변형비를 1로 하였다.
대상 데이터
- 洗掘孔의 속채움재는 산악형 하상재질을 고려하여 비중 2.65의 모난 입자로 평균입경 3.53 mm(원형 8.8 cm)의 작은 사석과 안트라싸이트를 혼합하여 사용하였다. 그리고 속채움재 위의 세굴보수공을 위한 피복용 사석은 장열교 세굴해석 결과 산정된 사석보호공의 사석직경 0.
- 개수로 실험 장치는 한국농어촌공사 농어촌연구원 수리시험장내에 설치되어 있는 사각형 개수로 실험장치를 이용하였다. 개수로 실험장치의 제원은 폭 0.
- 개수로 실험 장치는 한국농어촌공사 농어촌연구원 수리시험장내에 설치되어 있는 사각형 개수로 실험장치를 이용하였다. 개수로 실험장치의 제원은 폭 0.6 m, 높이 0.9 m, 길이 40m이다.
- 교각 국부세굴보호공으로 사용 시 TTG의 이탈에 대한 안전성 여부와 성능을 확인하기 위하여 산악형 하천조건의 강원도 정선군 북평리에 위치한 장열교를 선택하였다. 이 교량은 2002년 최대 태풍 ‘루사’로 인하여 유실되었다.
- 수리모형실험 조건 장치 방법의 서두에서 설명한 (1)식과 그림 2 돌망태 형상에서 언급하였으며 TTG를 이용한 세굴보수공 실험조건도 마찬가지로 장열교 설계조건 유속 3.45 m/sec를 만족하는 TTG의 중량 2톤중은 ‘하천공사 표준시방서’의 유속별 콘크리트 블록중량 기준으로 선정하였다.
- 2002년에 발생한 최대 태풍 ‘루사’로 인하여 유실된 강원도 정선군 북평리에 위치한 철도교량 장열교의 복구계획 시 수립된 수문조건과 교량설계안을 채택하여 표 1 장열교 지점 수문조건에 정리하였다. 수문조건은 150년 빈도의 계획 홍수위 352.42 m(수심 6.72 m), 홍수량 4,240 m3/s, 유속3.45 m/s이며, 복구교량의 원형교각직경은 2.40 m로 제시되었다. 이에 근거하여 박기수는 세굴해석을 수행하였다.
- 실험유량은 150년 빈도의 장열교 지점과 동일한 수문조건을 사용하였다. 산악지대 하천에 위치한 교각 상하류 측의 하상고 차가 최대세굴심도 깊이만큼 형성된 세굴孔으로 노출된 교각기초의 補修工 적용성 검토조건으로 박기수(2002)의 세굴해석 결과를 채택하였다.
- 이동상 조건의 실험을 위한 모형사는 물보다 크고 자연사의 비중 2.65보다 적으며 물의 거동을 잘 나타내며 현장토성에 적합한 진비중 1.49, 평균입경(D50) 0.38 mm의 안트라싸이트를 사용하였다(송재우, 2002).
- 전술한 산악지대 하천특성과 유사한 현장여건을 고려하여 실험조건으로 타당하다고 판단되는 다음의 자료를 선정하였다. 2002년에 발생한 최대 태풍 ‘루사’로 인하여 유실된 강원도 정선군 북평리에 위치한 철도교량 장열교의 복구계획 시 수립된 수문조건과 교량설계안을 채택하여 표 1 장열교 지점 수문조건에 정리하였다.
데이터처리
- 선정된 등류구간에서 관측된 수심 및 실험유량자료를 토대로 Manning의 평균유속공식을적용하여 각 실험유량별 조도 계수를 산정하였으며, 이 자료에 근거하여 회귀분석을 실시함으로써 블록에 대한 단위폭당 유량-조도계수 관계식을 작성하였다. 산정한 단위폭 당 유량-조도계수 관계곡선과 상관식을 도시하면 그림 6 단위 폭 당 유량과 조도계수 관계에 나타내었다.
- 에 대한 실험은 조도계수실험과 동시에 수행하였다. 실험과정은 조도계수실험과 동일하며 등류구간에서 관측된 수심 및 실험유량자료를 토대로 한계소류력공식을 적용하여 블록의 흐름 저항계수를 산정하였으며, 이 자료에 근거하여 회귀 분석을 수행하여 Re-CD 관계식과 그래프를 그림 8 레이놀즈 수와 항력계수와의 관계에 나타내었다. Reynolds수에 따른 항력계수 CD값이 비교적 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다.
- 59 m의 적합성은 이미 박기수(2002)에 의해 수행된 세굴해석 결과에 제시되었다. 이에 대한 1/25 모형사석 2.36 cm의 보수공 성능을 확인하고 TTG와 비교하였다. 또 실험의 신뢰성 확보를 위해 ‘교량세굴 방지대책 연구(1995)’의 사석보호공 결정식을 적용하여 얻은 사석직경 0.
이론/모형
- 관성력과 중력이 흐름을 지배하는 조건에서는 Froude 상사 법칙을 만족해야 한다. 모형블록제작을 위한 중력에 대한 상사는 중력가속도비와 밀도비를 1로 간주하면 Froude 상사와 동역학적 상사조건에 의해 질량비와 같게 된다.
- 돌망태공은 현장조건에 일치하는 산정식 선정의 어려움으로 ‘한강교량기초 수리모형 실험 2차 중간보고서(1998)’에 제시된 다음의 돌망태 크기 결정식을 사용하였다.
- 그림 5 국부세굴보수공의 성능비교 실험장치와 같이 사석직경의 3배의 두께로 포설하여 부설면의 하상고와 일치하도록 하였다. 세굴방지를 위한 사석 피복면적은 C.S.U 공식에 의해 모형 교각직경 b =10 cm의 3배 이상(일반적으로 2.80ys를 권장함)으로 하였다.
- 이를 위한 조건으로 선정된 장열교 국부세굴보호공의 원형제원은 다음과 같이하여 결정하였다. 하천공사 표준시방서(대한토목학회, 1994)의 유속별 콘크리트 블록 중량 기준에 따라 선정한 표 1 장열교 지점 수문조건에 적합한 콘크리트블록의 중량을 2톤중으로 결정하였다. 그리고 (주)한석엔지니어링이 개발한 TTG중량별 제원표에 따라 TTG 2톤중의 제원은 가로 세로 각 각 178 cm, 높이는 71.
성능/효과
- (1) 동일한 흐름 에너지일 때 TTG의 한계유속이 가장 크게 나타나서 안전성이 우수하였으며 다음으로 돌망태, 2.36 cm 사석 그리고 1.24 cm 사석 순으로 한계유속이 적게 나타났다. 따라서 주어진 실험조건과 합당한 현장의 세굴보수공으로 기존의 사석과 돌망태보다 성능이 우수하여 안전성이 크다고 판단된다.
- (2) TTG 국부세굴보호공 실험에서 모형사인 안트라싸이트가 소용돌이 흐름으로 인하여 유실되는 것을 관찰되었다. 토사유출에 대한 대책 중 토목섬유매트의 설치는 안전성 향상을 위해서는 필연적이지만 또 다른 생태계 차단 문제를 야기한다.
- (2) 수심 0.32 m~0.27 m에서 유속 1.21 m/sec를 전후하여 평균입경 3.53 mm 모형 속채움재 사석(원형크기 8.8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치 여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다
- (3) 수심 0.32 m~0.27 m에서 유속 1.21 m/sec를 전후하여 평균입경 모형 속채움재 3.53 mm 사석(원형크기 8.8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치 여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다.
- 1) 축척을 1/40으로 하여 실험한 결과 최대세굴심은 3.36 m, 최대세굴폭(교각을 중심으로 한 직경)은 10.68 m가 발생하였고, 세굴형태는 교각의 모양과 비슷한 원형으로 발생하였다.
- 1. TTG의 조도계수는 단위폭당 유량이 약 10 CMS 이상인 고유량에서 결속돌기 상부만 노출시키고 나머지 부분은 평균하상고 이하로 매설시 블록의 조도계수 값의 범위는 0.018~0.025로서 사석의 조도계수 0.033~0.036보다 작으므로 흐름 소통에 보다 안정적이라 할 수 있다. 따라서 TTG의 본체 상부면이 평균 하상고와 동일하도록 설치하는 규정이 필요하다고 본다.
- 2) 외국에서 개발된 세굴심 산정식의 경우 대체로 실험값을 중심으로 크고 작은 값을 나타냈으나 일부식은 상당히 큰 오차를 보였다. 장열교에 대해서는 Breusers식이 가장 실험값과 근사한 것으로 나타났다.
- 2. 사석과 TTG의 수리학적 특성을 비교해보면 직경 15 cm~30 cm인 사석의 경우 허용전단응력이 9.76~19.53 kg/m2이며, TTG의 경우는 안전율 2를 고려할 경우 허용전단응력이 약 230 kg/m2이다. 기존의 사석국부 세굴보호공과 비교하여 TTG를 규정에 따라서 연결 설치한다면 전단파괴에 대해서 상당히 안정한 것으로 보인다.
- 3) 세굴폭에 대한 검토는 실험에서 발생한 최대세굴폭이 10.68 m이므로 현재 각 교각간의 거리가 약 3 0m이상이므로 각 교각간의 세굴에 대한 간섭효과는 없는 것으로 나타났다.
- 4) Ishbash 공식으로 산정된 사석직경 0.59 m에 대해 사석보호공 설치 후 실험을 한 결과 교각주위의 세굴은 거의 발생하지 않았다.
- 5. 하천공사 표준시방서에 따른 현장조건의 TTG 2톤중은 150년 빈도의 수심 6.72 m와 유속 3.45 m/sec의 계획홍수량 4,240 m3/sec에 대한 모형수리시험에서 안정함을 보였다. 그리고 실험조건의 TTG 가운데 빈 부분의 속채움재로 사용한 평균입경 0.
- 앞에서 수행한 국부세굴보호공은 같은 수평면상에 TTG를 포설하였지만 보수공실험에서는 TTG를 쌓기방법(그림 1의 우측 사진 참고)으로 피복하였기에 1개만 이탈하여도 TTG보수공전체가 바로 붕괴되기 때문이다. TTG의 한계유속이 측정된 수위범위는 0.320 m~0.148 m이고 단위폭 당 유량범위는 0.372 m3/sec~0.208 m3/sec에서 실험결과를 얻을 수 있었다.
- 결과를 분석해 보면 단위폭 당 유량이 약 10 m3/sec 이상인 고유량에서 블록의 조도계수 값의 범위는 0.018~0.025로서 사석의 조도계수 0.033~0.036보다 작으므로 흐름 소통에 보다 안정적이라 할 수 있다.
- 45 m/sec의 계획홍수량 4,240 m3/sec에 대한 모형수리시험에서 안정함을 보였다. 그리고 실험조건의 TTG 가운데 빈 부분의 속채움재로 사용한 평균입경 0.5 cm의 모형사석은 유실없이 안정하였으므로 현장에서 2톤중 TTG의 빈 공간의 속채움재는 사석평균 입경 12.5 cm이상이면 유실을 방지할 수 있으리라 판단된다. 그러므로 국내 산악지대에 위치한 하천의 동일한 수리조건의 교각국부세굴방지공으로 TTG를 적용하여도 안전하다고 생각된다.
- 그림 9 레이놀즈 수와 한계안정중량(연결시)의 관계를 분석해보면 TTG가 실험 시 제시된 조건에 따라서 연결 설치되면 한계안정중량이 약 100 Kg 이내로서 모든 흐름조건에 대해서 매우 안정적인 것으로 나타났다.
- 24 cm 사석 순으로 한계유속이 적게 나타났다. 따라서 주어진 실험조건과 합당한 현장의 세굴보수공으로 기존의 사석과 돌망태보다 성능이 우수하여 안전성이 크다고 판단된다.
- 따라서 하천공사 표준시방서기준의 현장설치 TTG 2 ton은 150년 빈도의 수심 6.72 m와 유속 3.45 m/sec의 계획홍수량 4,240 m3/sec에 대한 블록의 활동에 대해서는 안정함을 보인다. 그러나 실험조건에서 모형사인 안트라싸이트가 소용돌이 흐름으로 인하여 유실되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 블록을 연결고리로 결속하여 매트화하면 개별 설치 시 보다 10배 이상의 안전율을 확보 할 수 있다고 판단된다.
- 수심 0.32 m~0.27 m에서 유속 1.21 m/sec를 전후하여 평균 입경 모형 속채움재 3.53 mm 사석(원형크기 8.8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다.
- 수심 0.32 m~0.27 m에서 유속1.21 m/sec를 전후하여 평균 입경 3.53 mm(원형크기 8.8 cm)의 호박돌 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다.
- 유량 공급 밸브를 조절하여 유량을 완만하게 증가시켜 목표유량이 발생할 때 까지 사석이 유실되지 않도록 주의하였다. 수로의 하단 수문을 충분히 높인 상태에서 정해진 유량을 유지하여 한계상태가 발생 할 때 까지 수문을 조절하여 수위를 낮추면서 유속을 증가시킨다.
- TTG를 규정에 맞추어 연결 설치한 경우와 TTG가 하상 위에 개별적으로 분리되어 單體로 따로따로 거동할 경우의 유속-한계중량 관계곡선과 상관식을 비교하여 도시하면 그림 10 유속과 한계중량의 관계와 같다. 유속-한계중량 관계곡선에서 알 수 있듯이 블록을 규정에 따라서 연결 설치할 경우는 유속에 따라서 약100 Kg내외의 중량이 필요한 것으로 산정되어 매우 안정적인 것으로 나타났다.
- 0 m/sec로 관측되었다. 이 결과를 분석하여 보면 TTG는 돌망태보다 한계유속이 23%크며 2.36 cm 모형사석의 한계유속보다 45% 그리고 1.24 cm 모형 사석보다는 60% 크게 나타나므로 동일조건에서 TTG 한계유속이 훨씬 크므로 주어진 급경사 산악하천의 깊은 세굴로 교각기초가 노출된 경우에 보수공으로 적용성이 우수함을 알 수 있었다. 또 동일조건에서도 Ishbash 공식으로 산출한 사석 2.
- 평균직경 1.24 cm 사석공실험의 한계유속이 측정된 수위범위는 0.303 m~0.101 m였고 단위폭 당 유량범위는 0.242 m3/sec~0.08 m3/sec였으며, 평균직경 2.36 cm 사석공실험에서 한계유속이 측정된 수위범위 0.320 m~0.101 m와 단위폭 당 유량범위는 0.297 m3/sec~0.082 m3/sec로 실험결과가 나타났다.
후속연구
- (1) 실험에 사용된 돌망태의 크기는 현장조건에 일치하는 산정식 선정의 어려움으로 ‘한강교량기초 수리모형 실험 2차 중간보고서’에 제시된 다음의 돌망태 크기 결정식을 사용하였다. 그러므로 보수공 성능비교실험에 선정한 돌망태 산정식의 유효성 입증이 보완 되어야 보다 정확한 TTG와의 성능 비교가 되리라 본다.
- 8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다. 그리고 보수공 경사면 최하단의 TTG주변 하상 세굴로 보수공의 경사면의 붕괴가 우려되므로 보수공하부의 하상보강과 토사유출에 대한 대책을 수립하여 보수공을 설치하여야 한다(박현주, 2003).
- 8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다. 그리고 보수공 경사면 최하단의 TTG주변 하상 세굴로 보수공의 경사면의 붕괴가 우려되므로 보수공하부의 하상보강과 토사유출에 대한 대책을 수립하여 보수공을 설치하여야 한다(박현주, 2003).
- 8 cm의 호박돌) 일부분이 TTG의 가운데 구멍을 통하여 유실되는 현상을 보였다. 따라서 비교적 큰 하상재질의 유실방지를 위하여 블록아래에 토사유실방지용 필터 설치여부 또는 유실방지룰 위한 보다 큰 호박돌을 보수공 하부 하상재료로 선택하는 문제를 추가적으로 검토하여야 한다. 그리고 보수공 경사면 최하단의 TTG주변 하상 세굴로 보수공의 경사면의 붕괴가 우려되므로 보수공하부의 하상보강과 토사유출에 대한 대책을 수립하여 보수공을 설치하여야 한다(박현주, 2003).
- 실험연구결과를 이용하여 산악지대 하천특성을 갖는 유사한 조건의 현장에 적합한 TTG 교각국부세굴보호공과 TTG 보수공 설계기준으로 사용할 수 있다고 생각한다.
- 토사유출에 대한 대책 중 토목섬유매트의 설치는 안전성 향상을 위해서는 필연적이지만 또 다른 생태계 차단 문제를 야기한다. 향후 속채움재의 입도분포에 대한 추가 연구로 토목섬유매트 설치 없이 보다 안전한 속채움재 시공기준이 필요하다고 본다.
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