선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 15 m의 아크릴 직사각형 수로로 기존의 계단식 침사지를 소규모로 제작하였다. 본 실험의 목적은 실제 침사지 내 침전양상에 대해 정성적인 분석을 통한 특성파악이므로 축척효과의 영향은 배제하였다.
- 77로 나타나 선형과 비선형의 형태가 유사한 관계로 나타났다. 본 연구에서는 래버린스 위어 적용에 따른 침사효율이 개선되는지 여부와 그 능력을 정량적으로 평가하기 위하여 침사효율 개선의 임계치를 설정하고자 하였다. 3차 대수함수를 적용한 회기분석을 통해 변곡점을 기준으로 래버린스 위어 적용에 따른 침사효율 개선의 임계치는 7%(침사량 증가)로 판단하였으며, 침사개선 구간(그림 7 내 음영구간)을 선정할 수 있었다.
- 본 연구에서는 래버린스 위어를 적용한 침사지의 확폭비(L/W) 변화에 따른 침사효과를 분석하기 위해 상사성을 고려하지는 않았지만 실제 공사현장에서 적용되고 있는 장방형 계단식 침사지를 1/20 축적으로한 소규모 실험(pilot test)을 수행하였다. 실험은 내부 수공구조물의 형상에 따라 기존의 침사지(CASE 1) 형태와 래버린스 침사지(CASE 2~6)형태로 구분하였다.
가설 설정
- 규조토는 생성될 때 같이 퇴적한 점토, 모래, 화산회 등이 혼재하고 많은 수분도 함유하고 있어 실트질 모래와 같은 점착성을 기대할 수 있으며 비슷한 입경 및 비중을 지녀 본 실험의 재료로 사용하기에 적합하다고 판단하였다(유재영, 2000). 또한 실제 침사지 내 둔턱 및 측벽 저면에는 자갈 등의 자체여과처리 시설이 부가적으로 설치되어 있지만, 수리모형실험에서는 모형수로 내 수공구조물을 통한 월류에 의해 하천으로 재 유입되는 것으로 가정하였다. 표 1은 모형 침사지 설계 조건을 나타내었다.
제안 방법
- 기존의 침사지(CASE 1)에는 월류를 유도하는 수공구조물로써 사다리꼴 수중광정위어 형태의 둔턱 1기만을 침사지 하층부에 적용하지만, 본 연구에서 제시한 래버린스 침사지(CASE 2~6)에서는 일반형 사다리꼴 래버린스 위어와 경사형 마루 래버린스 위어를 복합적으로 적용하였다. 적용한 래버린스 위어는 횡방향 배열 반복수(N)에 따라 CASE 2~6의 5가지로 나누어져 있으며 형상별 변수는 마루 사이 각(α), 위어 마루길이(L), 단일 위어 폭(W), 위어 연직 높이(P) 등으로 적용하였다.
- 0005 m3/s로 각각 선정하였다. 따라서 실험은 형상에 따른 기존의 침사지(CASE 1) 및 래버린스 침사지(CASE 2~6)의 6가지 경우와 유입유량조건에 따른 2가지 경우를 병행하여 총 12가지 경우에 대하여 수행하였다. 실험시간 동안 주기적으로 유사혼합물을 추가하여 혼합물의 농도를 유지시키도록 하였으며, 실험 종료 후 상징액을 분류한 후 건조된 모래 무게를 측정하여 수로 내 침사량 Ws을 계산하였다.
- 7로 선정하였다(Taylor, 1968). 또한 경사형 마루 래버린스 위어는 위어 높이 P에 대하여 시점부의 위어높이를 1/3P, 종점부의 위어높이를 P로 적용하여 위어 마루에 경사를 주어 흐름특성에 변화를 유도하였다. 본 연구에서 사용된 래버린스 위어의 제원은 표 3에 나타내었다.
- 적용한 래버린스 위어는 횡방향 배열 반복수(N)에 따라 CASE 2~6의 5가지로 나누어져 있으며 형상별 변수는 마루 사이 각(α), 위어 마루길이(L), 단일 위어 폭(W), 위어 연직 높이(P) 등으로 적용하였다. 래버린스 위어의 설치개수에 대한 효과는 2개 이상이면 나타나므로(Lux와 Hinchliff, 1985) 본 연구에서는 2, 3, 4, 5, 6으로 선정하였다. 확폭비(L/W)는 Hay 등(1970)의 연구에 따라 1.
- 래버린스 침사지(CASE 2~6)는 기존의 침사지에서 사용하는 둔턱 대신 래버린스 위어를 설치하여 흐름특성에 변화를 유도하였으며 설계조건에 따른 래버린스 침사지의 구조적 최적화를 위하여 횡방향 위어 배열 수 N을 2, 3, 4, 5, 6의 5가지 형태(CASE 2~6)를 구분하였다(그림 2
- 또한 길어진 마루길이로 인해, 유입유량의 변화에 대하여 기존의 둔턱에 비해 월류수심의 변화폭이 적어 안정적으로 통수시키는 장점을 가지고 있다. 본 실험에서는 동일한 침사지 폭에 대하여 단일 래버린스 위어의 배열 반복수를 변화시키는 실험을 통해 마루길이와 폭의 비인 확폭비와 총 마루길이 당 유입유량에 따른 대한 침사량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 기존의 계단형 침사지 내 하층부에 설치된 사다리꼴 광정위어 형태의 둔턱을 대체하기 위하여 동일한 높이의 일반형 사다리꼴 래버린스 위어와 마루형상이 흐름방향에 대해서 양의 방향으로 기울어진 경사형 마루 래버린스 위어를 적용하였다. 기존의 둔턱은 사다리꼴 형태의 광정 위어로 작용하여 월류시 수심에 따른 연직성분 유속의 변화율이 크게 발생하지만, 본 연구에서 적용한 래버린스 위어는 연직방향 유속의 변화율이 상대적으로 적으며 전수두와 위어 높이의 비인 전수두비가 낮은 조건에서는 그 변화율이 더 적어 침전물의 재부상을 저감시킬 수 있는 수리학적 특징을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 동일한 유입유량 조건에 대해서 마루길이 L에 따른 월류수심의 변화를 분석하기 위해서 기존의 침사지와 래버린스 침사지의 수심의 비(hratio)를 분석지표로 사용하였다. 그림 3은 확폭비 L/W에 수심 비(hratio)를 나타내었으며 그림에 사용한 아래첨자는 기존의 침사지를 generic, 래버린스 위어를 labyrinth로 요약하여 표시하였다.
- 본 연구에서는 래버린스 위어를 이용한 침사지 성능 및 침전능력 검토를 분석하였으며 그 결과는 아래와 같다.
- 수리모형실험에 사용할 수로 모형은 실제 침사지 설계기준을 토대로 장방형 비와 침사 소요면적을 고려하여 길이(l) 1.20 m, 폭(N×X) 0.45 m, 높이 0.15 m의 아크릴 직사각형 수로로 기존의 계단식 침사지를 소규모로 제작하였다.
- 따라서 실험은 형상에 따른 기존의 침사지(CASE 1) 및 래버린스 침사지(CASE 2~6)의 6가지 경우와 유입유량조건에 따른 2가지 경우를 병행하여 총 12가지 경우에 대하여 수행하였다. 실험시간 동안 주기적으로 유사혼합물을 추가하여 혼합물의 농도를 유지시키도록 하였으며, 실험 종료 후 상징액을 분류한 후 건조된 모래 무게를 측정하여 수로 내 침사량 Ws을 계산하였다.
- 본 연구에서는 래버린스 위어를 적용한 침사지의 확폭비(L/W) 변화에 따른 침사효과를 분석하기 위해 상사성을 고려하지는 않았지만 실제 공사현장에서 적용되고 있는 장방형 계단식 침사지를 1/20 축적으로한 소규모 실험(pilot test)을 수행하였다. 실험은 내부 수공구조물의 형상에 따라 기존의 침사지(CASE 1) 형태와 래버린스 침사지(CASE 2~6)형태로 구분하였다. 본 실험에서는 직경 0.
- 래버린스 위어의 설계에는 단일 래버린스 위어의 마루 길이 (L), 폭 (W), 정부높이 (P), 마루 사이각 (α), 반복 배열수 (N), 마루형상, 선단(apex) 형태 등과 같은 많은 중요한 변수들이 서로 영향을 미치고 있으며, 여러 가지 래버린스 위어의 평면 형상 및 관련 흐름 개요도는 그림 1에 나타내었다. 일반적으로 래버린스 위어의 기하학적 구조가 수리학적 흐름특성에 미치는 영향을 분석하고자 전수두(total head) Ht를 위어 높이 P로 나눈 전수두비 Ht/P와 단일 래버린스 위어의 길이 L를 위어 폭 W로 나눈 확폭비 L/W를 분석지표로 선정하였다. 또한 영향인자 중래버린스 위어에서 마루 사이각 α는 L/W와 관계가 있으며 식 α = sin−1(1/(L/W)을 통해 산정된다.
- 적용한 래버린스 위어는 횡방향 배열 반복수(N)에 따라 CASE 2~6의 5가지로 나누어져 있으며 형상별 변수는 마루 사이 각(α), 위어 마루길이(L), 단일 위어 폭(W), 위어 연직 높이(P) 등으로 적용하였다.
- 일반적으로 유입유량에 따른 침사지 내 침전효율의 개선정도를 평가하기 위해 침사지 폭 당 총 유입유량(Q/(N×W)을 변수로 활용한다. 하지만 본 연구에서는 동일한 침사지 폭에 대해서도 반복배열수 N의 값에 따라 마루길이를 변화시킬 수 있는 래버린스 위어를 적용하였으므로, 래버린스 위어의 기하학적 형상을 분류하는 지표인 확폭비 L/W와 유입유량 조건을 동시에 고려할 수 있는 총 마루길이 당 유입유량 qL을 분석지표로 제시하였다. 본 실험의 CASE 1~6까지 각각의 총 마루길이 당 유입유량 qL은 0.
대상 데이터
- 본 실험에서는 준설과정에서 생기는 탁수를 재현하기 위하여 비중 2.1, 평균입경 0.075 mm의 규조토를 실험재료로 선정하였다. 기존의 연구동향에 따르면 Woo 등(1986)은 미세부유사(wash load)를 구성하는 입자의 크기를 특정 짓기는 불가능하지만 기존의 연구결과에 따라 입자크기를 직경 0.
- 실험은 내부 수공구조물의 형상에 따라 기존의 침사지(CASE 1) 형태와 래버린스 침사지(CASE 2~6)형태로 구분하였다. 본 실험에서는 직경 0.075 mm의 규조토(diatomaceous earth)를 이용하여 초기농도(Cs) 10%의 유사 혼합물을 제작하였으며, 유입유량 Q는 실제 공사현장에서 적용한 준설선 용량 및 가용대수, 시공능력 등을 고려한 오탁수 발생량에 대해 축척비 1/20을 적용한 값으로 0.0004 m3/s와 0.0005 m3/s로 각각 선정하였다. 따라서 실험은 형상에 따른 기존의 침사지(CASE 1) 및 래버린스 침사지(CASE 2~6)의 6가지 경우와 유입유량조건에 따른 2가지 경우를 병행하여 총 12가지 경우에 대하여 수행하였다.
- 상층부에는 폭 N×W = 0.45 m, 위어고 P = 0.045 m, 종방향 투영 길이 D = 0.015 m의 경사형 마루 래버린스 위어가 유입부에서 x = 0.30 m(x/l = 0.25) 떨어진 지점에 설치하였으며, 하층부에는 기존의 둔턱의 위치와 동일하게 유입부에서 x = 0.95 m(x/l = 0.79) 떨어진 지점에 폭 N×W = 0.45 m, 위어고 P = 0.045 m, 종방향 투영 길이 D = 0.015 m의 일반형 래버린스 위어를 설치하였다.
- 0625 mm 이내로 가정할 수 있다고 하였으며 이에 실트질 모래가 적합하다고 제시하였다. 실험에 사용한 규조토는 규조라는 단세포 조류의 유해가 해저나 호저에 퇴적한 집합체로서 체내의 성분들이 분해하여 규산이 주체인 유각이 쌓여 지층을 형성한 일종의 화석토이다. 규조토는 생성될 때 같이 퇴적한 점토, 모래, 화산회 등이 혼재하고 많은 수분도 함유하고 있어 실트질 모래와 같은 점착성을 기대할 수 있으며 비슷한 입경 및 비중을 지녀 본 실험의 재료로 사용하기에 적합하다고 판단하였다(유재영, 2000).
성능/효과
- 1. 래버린스 위어는 동일한 높이의 수공구조물에 비해 월류수심 Hd를 낮추어 수심을 유지시키며 유입유량 Q의 변동에 대해서 수심의 변화율을 최소화할 수 있어 수심유지 및 안정을 위한 수공구조물로써 적용하는데 효과적이다.
- 2. 기존의 침사지와 비교하였을 때 본 연구에서 제시한 래버린스 침사지는 래버린스 위어의 확폭비 L/W≥3.5 조건에서 동일한 월류량에 대한 수심저하 및 안정적인 월류수심 유지에 효과적이다.
- 3. 침사효율에 중요한 영향을 미치는 설계인자는 전수두비 Ht/P로 나타났으며, 확폭비 L/W와 총 마루길이 당 유입유량 qL을 침사효율 개선의 지표로 사용하여 CASE 2, 3, 4의 형상(반복배열수 N = 2, 3, 4)이 기존의 침사지를 개선할 수 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 래버린스 위어 적용에 따른 침사효율이 개선되는지 여부와 그 능력을 정량적으로 평가하기 위하여 침사효율 개선의 임계치를 설정하고자 하였다. 3차 대수함수를 적용한 회기분석을 통해 변곡점을 기준으로 래버린스 위어 적용에 따른 침사효율 개선의 임계치는 7%(침사량 증가)로 판단하였으며, 침사개선 구간(그림 7 내 음영구간)을 선정할 수 있었다. 침사개선 구간(7%이상 침사량 증가 및 qL ≥3.
- 4. 본 연구에서 제시한 총 마루길이 당 유입유량 qL은 침사지 내 유입유량 Q와 침사지 폭 N×W이 결정된 이후, 래버린스 위어의 확폭비 L/W의 활용 최대치와 기하학적 영향인자 산정의 지표로 사용할 수 있다.
- CASE 2, 3, 4 경우, 기존의 침사지에 대한 래버린스 침사지의 전수두비 Ht/P 비율이 58% 이상으로 상대적으로 안정적으로 유지되지만, 변곡점 이후 확폭비 L/W≥3.5 에 해당하는 CASE 5, 6의 경우 전수두비 Ht/P 비율이 급격하게 감소하였다.
- 경사형 마루 래버린스 위어 하류단의 시간에 따른 침전양상을 사진 및 영상으로 분석한 결과, CASE 5와 6와 같이 마루 사이각이 20o미만(2α < 20o)인 경우, 월류시 긴 마루길이를 활용한 횡분산 흐름이 적게 발생하고 오히려 절곡구간으로 흐름이 집중되었으며, 순간적으로 월류수심 Hd가 낮아져 위어 상류단의 흐름을 불안정하게 만들며 절곡구간으로 집중되어 월류하는 흐름으로 인해 위어 하류단에서 침전된 입자의 재부상효과가 상대적으로 많이 발생하였다.
- 따라서 기존의 침사지와 비교하였을 때 동일한 월류량에 대한 수심저하 효과와 안정적인 월류수심 유지 효과는 확폭비 L/W≤3.5 조건에서 효과적으로 발생하는 것으로 판단하였다.
- 이는 확폭비 L/W가 증가할수록 월류시 접촉하는 마루의 길이도 증가하며 동일한 유입유량에 대하여 월류수심 Hd을 낮추기 때문이며 래버린스 위어의 기본적인 흐름특성을 정확히 보여주고 있다. 또한 본 실험에서의 유입유량조건 변동(0.0004~0.0005 m3/s)에 따른 수심(h)의 변동률을 비교한 결과 기존의 침사지는 3.7% 증가하지만 래버린스 침사지는 1.8~2.7%로 증가해 래버린스 침사지의 수위 변동률이 기존의 침사지의 48~73% 수준으로 적게 발생하는 것으로 나타났다. 반면, 월류유속 V의 증가율은 기존의 침사지가 28.
- 일반적으로 회귀곡선은 독립변수를 종축 종속변수를 세로축으로 선정하여 종속변수의 증감이 독립변수의 증감에 어느정도 영향을 미치는지를 분석할 때 사용된다. 래버린스 위어의 확폭비 변화에 따라 수리학적 흐름특성의 변화양상 및 한계조건을 결정하기 위해 3차 회기곡선을 이용한 상관계수(R2)분석결과, 3차 다항식일 경우 R2 = 0.97 로 매우 적합하게 나타나 확폭비에 따른 경계영역을 구분할 수 있었다. CASE 2, 3, 4 경우, 기존의 침사지에 대한 래버린스 침사지의 전수두비 Ht/P 비율이 58% 이상으로 상대적으로 안정적으로 유지되지만, 변곡점 이후 확폭비 L/W≥3.
- 그림 6은 확폭비 L/W에 따른 기존의 침사지에 대한 래버린스 침사지의 침사량 증감율을 나타내고 있다. 래버린스 침사지의 침사량은 CASE 2의 경우 약 18% 증가하는 것으로 가장 큰 침사효율을 나타냈으며 CASE 3, 4의 경우는 각각 약 11%, 9%의 침사효율 증가를 나타냈다. CASE 2, 3, 4의 경우 상층부에 설치된 경사형 마루 래버린스 위어로 인해 월류흐름이 횡방향으로 분산되어 하층부로 낙하하여 상대적으로 와(vortex) 발생이 적다.
- 반면, L/W≥3.5 인 CASE 5, 6의 경우는 침사량은 기존의 침사지와 같거나 약 3% 감소하여 기존의 침사지에 비해 비효율적인 것으로 나타났다.
- 7%로 증가해 래버린스 침사지의 수위 변동률이 기존의 침사지의 48~73% 수준으로 적게 발생하는 것으로 나타났다. 반면, 월류유속 V의 증가율은 기존의 침사지가 28.6%로 래버린스 침사지의 29.8~31.0%와 약 4~8% 정도의 작은 차이를 보여, 유입유량의 변동이 발생할 경우 통수단면적의 변화보다는 유속변동을 통한 유량배제가 지배적으로 나타나는 것으로 분석되었다. 따라서 앞선 연구동향과 마찬가지로 래버린스 침사지는 이러한 조절기능을 극대화시켜 수심유지를 위한 수공구조물로써 적용하는데 매우 효과적일 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 제시한 총 마루길이 당 유입유량 qL은 침사지 내 유입유량 Q와 침사지 폭 N×W이 이미 결정되어 있을 경우, 래버린스 위어의 확폭비 L/W의 활용 최대치를 산정하는데 적용할 수 있으며, 이를 통해 위어의 측벽길이 B, 마루 사이각 α, 위어 높이 P등을 결정할 수 있는 기하학적 영향인자 산정의 지표로 사용할 수 있는 것으로 판단된다.
- CASE 2, 3, 4의 경우 상층부에 설치된 경사형 마루 래버린스 위어로 인해 월류흐름이 횡방향으로 분산되어 하층부로 낙하하여 상대적으로 와(vortex) 발생이 적다. 이로 인해 이미 침전된 입자의 재부상효과가 감소하여 기존의 침사지에 비해 침사량이 증가하는 것으로 나타났다. 반면, L/W≥3.
- 5 cm2/s)이하에서는 전수두비 Ht/P가 급격히 감소하였다. 전수두비 Ht/P가 급감하는 범위에는 그림 4에서 언급한 확폭비에 따른 전수두비 비율 관계와 마찬가지로 0.0004 m3/s 유량조건의 CASE 4와 모든 유량조건의 CASE 5, 6를 포함하고 있어, CASE 5, 6의 형상은 래버린스 침사지의 수심저하 효과 및 월류수심 유지 효과에 비효율적인 것으로 판단되었다.
- 침사개선 구간(7%이상 침사량 증가 및 qL ≥3.5 cm2/s)을 통해 래버린스 위어의 침전효율을 평가한 결과, 앞서 확폭비에 따른 분석한 결과와 마찬가지로 CASE 2, 3, 4의 경우 기존의 침사지에 비해 개선된 형상인 것으로 판단되었다.
- 그림 3은 확폭비 L/W에 수심 비(hratio)를 나타내었으며 그림에 사용한 아래첨자는 기존의 침사지를 generic, 래버린스 위어를 labyrinth로 요약하여 표시하였다. 침사지 내 수심 비 분석결과, 기본적으로 침사지 내 수심은 기존의 침사지의 0.90~0.94배 수준으로 감소하였으며, 확폭비 L/W가 증가할수록 수심 비가 더욱 감소하였다. 이는 확폭비 L/W가 증가할수록 월류시 접촉하는 마루의 길이도 증가하며 동일한 유입유량에 대하여 월류수심 Hd을 낮추기 때문이며 래버린스 위어의 기본적인 흐름특성을 정확히 보여주고 있다.
- 회기분석 결과, 선형식 (R2= 0.70) 보다 3차 대수함수 (R2= 0.85)가 적합하게 나타났으며 변곡점(qL = 3.5 cm2/s)이하에서는 전수두비 Ht/P가 급격히 감소하였다.
후속연구
- )을 이용하여, 침사효율을 개선시킬 수 있는 구조적으로 최적화된 래버린스 침사지 설계 및 관련 기초연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 현장 적용성을 고려하기 위해서는 축적효과에 대한 보다 정량적인 실험이 추후에 추가되어야 한다.
- 본 연구에서 제시한 래버린스 위어의 확폭비(L/W)와 총 마루길이 당 유입유량(qL)을 이용하여, 침사효율을 개선시킬 수 있는 구조적으로 최적화된 래버린스 침사지 설계 및 관련 기초연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.