본 연구에서는 환형수조를 이용한 침식실험을 통하여 국내 최초로 퇴적저면의 침식매개변수들이 정량적으로 산정되었다. 퇴적저면은 고농도의 고령토 슬러리를 기 설정된 시간 동안 압밀시켜 조성되었으며, 각기 다른 압밀구조를 갖는 퇴적저면 조건 하에서 총 4회의 침식실험이 수행되었다. 침식실험 결과에 따르면, 흐름전단응력 ${\tau}_b$에 대한 저항력을 나타내는 저면전단강도 ${\tau}_s$는 압밀시간 및 저면(퇴적층) 깊이가 깊어짐에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 침식률${\epsilon}$은 흐름전단응력과 저면전단강도의 차로 주어지는 잉여전단응력 ${\tau}_b-{\tau}_s$과 상관성이 매우 큰 것으로 나타났는데, ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$인 경우에 침식률의 로그 값은 잉여전단응력과 선형적 관계에 있으나, ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$인 조건에서는 잉여전단응력이 작아질수록 침식률이 급격하게 작아지는 경향이 있는 것으로 나타났다. 또한 본 연구에서는 과거 연구결과와의 비교검토를 통하여 본 침식실험 결과에 대한 타당성이 입증되었으며, $0.1N/m^2$ 이하의 잉여전단응력 구간에서 침식률을 보다 잘 표현할 수 있는 새로운 침식률 산정식이 제시되었다.
본 연구에서는 환형수조를 이용한 침식실험을 통하여 국내 최초로 퇴적저면의 침식매개변수들이 정량적으로 산정되었다. 퇴적저면은 고농도의 고령토 슬러리를 기 설정된 시간 동안 압밀시켜 조성되었으며, 각기 다른 압밀구조를 갖는 퇴적저면 조건 하에서 총 4회의 침식실험이 수행되었다. 침식실험 결과에 따르면, 흐름전단응력 ${\tau}_b$에 대한 저항력을 나타내는 저면전단강도 ${\tau}_s$는 압밀시간 및 저면(퇴적층) 깊이가 깊어짐에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 침식률${\epsilon}$은 흐름전단응력과 저면전단강도의 차로 주어지는 잉여전단응력 ${\tau}_b-{\tau}_s$과 상관성이 매우 큰 것으로 나타났는데, ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$인 경우에 침식률의 로그 값은 잉여전단응력과 선형적 관계에 있으나, ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$인 조건에서는 잉여전단응력이 작아질수록 침식률이 급격하게 작아지는 경향이 있는 것으로 나타났다. 또한 본 연구에서는 과거 연구결과와의 비교검토를 통하여 본 침식실험 결과에 대한 타당성이 입증되었으며, $0.1N/m^2$ 이하의 잉여전단응력 구간에서 침식률을 보다 잘 표현할 수 있는 새로운 침식률 산정식이 제시되었다.
In this study, the erosional parameters for deposit beds were quantitatively estimated domestically for the first time through the erosion tests using an annular flume. Four erosion tests were carried out for the deposit beds with different consolidation structures, which were obtained by consolidat...
In this study, the erosional parameters for deposit beds were quantitatively estimated domestically for the first time through the erosion tests using an annular flume. Four erosion tests were carried out for the deposit beds with different consolidation structures, which were obtained by consolidating the kaolinite slurries for a given time durations. Results of erosion tests showed that the bed shear strength ${\tau}_s$ increased with the consolidation time and bed depth. The erosion rate ${\epsilon}$ was also shown to be related well with the excess shear stress ${\tau}_b-{\tau}_s$ which was given by the difference between flow shear stress ${\tau}_b$ and bed shear strength ${\tau}_s$. While the logarithm of the erosion rate was linearly related with the excess shear stress as ${\tau}_b-{\tau}_s{\geq}0.1N/m^2$, however, the erosion rate decreased rapidly with it when ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$. These erosion test results were also shown to be good enough to verify by comparing with the test results from previous studies and a new equation was suggested to describe the erosion rate more well in the region of ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$.
In this study, the erosional parameters for deposit beds were quantitatively estimated domestically for the first time through the erosion tests using an annular flume. Four erosion tests were carried out for the deposit beds with different consolidation structures, which were obtained by consolidating the kaolinite slurries for a given time durations. Results of erosion tests showed that the bed shear strength ${\tau}_s$ increased with the consolidation time and bed depth. The erosion rate ${\epsilon}$ was also shown to be related well with the excess shear stress ${\tau}_b-{\tau}_s$ which was given by the difference between flow shear stress ${\tau}_b$ and bed shear strength ${\tau}_s$. While the logarithm of the erosion rate was linearly related with the excess shear stress as ${\tau}_b-{\tau}_s{\geq}0.1N/m^2$, however, the erosion rate decreased rapidly with it when ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$. These erosion test results were also shown to be good enough to verify by comparing with the test results from previous studies and a new equation was suggested to describe the erosion rate more well in the region of ${\tau}_b-{\tau}_s{\leq}0.1N/m^2$.
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문제 정의
본 연구에서는 자연 상태에 가까운 갓 퇴적된 퇴적저면에 대한 침식특성 해석을 위한 기초연구로써, 현장 퇴적물에 대한 침식실험에 앞서 고령토를 이용한 퇴적저면에서의 침식실험이 수행되었다. 침식실험은 국내 최초로 제작되고 타당성이 검증된 전북대 환형수조를 이용하여 수행되며, 이를 통하여 퇴적저면의 침식률이 정량적으로 산정되었다.
본 연구에서는 퇴적저면의 침식특성을 파악하기 위하여 상용 고령토(Kaolinite)를 이용한 실험이 수행되었다. 고령토는 점착성 퇴적물의 침식 혹은 침강특성을 알아보기 위해 실내실험 시에 가장 널리 사용되는 점토 중의 하나로서, 상용화 되어 있어 구입이 용이하다는 장점을 갖는다.
본 연구에서는 퇴적저면으로 이루어진 고령토의 침식특성을 정량적으로 산정하기 위하여 환형수조를 이용한 침식실험이 수행되었다. 총 4회의 침식실험이 각기 다른 압밀시간을 갖는 퇴적저면 조건 하에서 수행되었으며, 퇴적저면의 침식률이 정량적으로 산정되었다.
제안 방법
충분히 혼합되어 균일한 농도를 갖는 탁수는 환형수조로 옮겨져 수조 내의 수심이 15cm를 갖도록 채워졌다. 이후 환형수조의 상부링과 수면을 밀착시키고 상부링을 0.9 N/m2의 바닥전단응력으로 12시간동안 다시 교반시킨 다음, 정지상태에서 기 설정된 압밀시간(consolidation time, Tdc)동안 퇴적물을 침강/퇴적시켜 최종적으로 퇴적저면이 형성되게 하였다. 퇴적저면이 형성된 후, 저면의 깊이에 따라 변화하는 밀도측정 실험이 수행되었고, 이후 주어진 바닥전단응력에 따른 저면의 침식률 변화 산정을 위한 침식실험이 수행되었다.
9 N/m2의 바닥전단응력으로 12시간동안 다시 교반시킨 다음, 정지상태에서 기 설정된 압밀시간(consolidation time, Tdc)동안 퇴적물을 침강/퇴적시켜 최종적으로 퇴적저면이 형성되게 하였다. 퇴적저면이 형성된 후, 저면의 깊이에 따라 변화하는 밀도측정 실험이 수행되었고, 이후 주어진 바닥전단응력에 따른 저면의 침식률 변화 산정을 위한 침식실험이 수행되었다.
각 단계별 바닥전단응력은 60분 동안 가해졌으며, 수조 내 수층의 탁수는 0, 5, 10, 15, 30, 45, 60분에 채취되었다. 전체 수층에서의 평균 부유사농도를 측정하기 위하여 수층의 각기 다른 2개의 높이에서 탁수가 동시 채취되었으며, 그 평균값이 실험결과 해석시에 사용되었다.
대상 데이터
퇴적저면에 대한 침식특성 연구를 위해 전북대 환형수조가 사용되었다. 환형수조는 물과 퇴적물을 담을 수 있는 환형모양의 수조와 수조 내에 거치되어 수면과 접할 수 있게 수조보다 약간 작은 폭을 갖는 환형의 상부링(top ring)으로 구성되어 있다.
이론/모형
본 연구에서는 과거 Parchure (1984)에 의해 제시된 방법으로 침식실험이 수행되었다(Fig. 6 참조). 침식실험의 전처리 단계로써, 고령토와 수돗물을 약 2개월간 교반시켜 균일한 농도를 갖는 일정농도의 탁수가 준비되었다.
성능/효과
침식률 산정시, 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 침식특성 산정결과의 타당성이 검토되었으며, 대표적인 퇴적저면 침식률 산정식인 Parchure and Mehta (1985)의 식을 이용한 접합곡선 뿐만 아니라 낮은 잉여전단응력 구간에서 침식률을 더 잘 표현하는 새로운 침식률 산정식이 도출되었다.
그 결과로써, 침식률은 점차 감소하게 되며 최종적으로는 τb -τs = 0이 되는 저면 깊이까지만 침식된다.
2cm로 관찰되었다. 형성된 퇴적저면의 평균건조 밀도는 150.3~172.8g/L의 범위를 갖는 것으로 나타났는데, 저면 표층으로부터 약 1.5cm 이내의 상층부는 1.04~1.12g/cm3의 느슨한 밀도를 갖는 것으로 나타나 저면의 깊이가 증가할수록 밀도 또한 증가하는 퇴적저면을 대표한다고 할 수 있다.
본 연구결과, 잉여전단응력 τb -τs가 0.05~0.30 N/m2로 증가할 때 침식률은 0.3~100g/cm2·min로 로그함수적으로 증가하였으며, ∊f와 a1은 각각 0.74×10-5g/cm2·min, 20.12 N/m2로 산정되었다.
또한, 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 실험결과의 타당성이 간접적으로 검증되었다.
퇴적물의 점착력이 크다는 것은 개개의 토사입자의 결합력이 더 강하고, 결과적으로 침식률이 더 크다는 것을 의미하므로, 상대적으로 작은 점착력을 갖는 고령토의 침식률이 Parchure and Mehta (1985)의 침식률보다 더 큰 값을 갖게 되었다고 해석할 수 있다. 이러한 분석 결과에 비추어볼 때, 본 연구에서 산정된 고령토 퇴적저면의 침식특성은 타당하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 퇴적저면으로 이루어진 고령토의 침식특성을 정량적으로 산정하기 위하여 환형수조를 이용한 침식실험이 수행되었다. 총 4회의 침식실험이 각기 다른 압밀시간을 갖는 퇴적저면 조건 하에서 수행되었으며, 퇴적저면의 침식률이 정량적으로 산정되었다. 또한, 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 실험결과의 타당성이 간접적으로 검증되었다.
잉여전단응력변화에 따른 침식률은 로그함수 형태로 증가하였는데, 본 연구에서 산정된 결과는 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 타당성이 검증되었으며, 과거 연구결과와의 침식률 매개변수의 차이는 퇴적물의 물리·화학적 특성에 기인한 것으로 판단된다.
본 연구결과에 따르면, 고령토와 수돗물을 이용하여 조성된 갓 퇴적된 층은 압밀에 의해 깊이가 깊어짐에 따라 저면밀도가 증가하는 것으로 나타났으며, 또한 압밀시간이 길어질수록 저면밀도가 증가하였다. 수층부유사 농도변화와 저면의 깊이별 밀도와의 관계를 이용하여 산정된 저면전단강도는 압밀시간 및 저면 깊이에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구결과에 따르면, 고령토와 수돗물을 이용하여 조성된 갓 퇴적된 층은 압밀에 의해 깊이가 깊어짐에 따라 저면밀도가 증가하는 것으로 나타났으며, 또한 압밀시간이 길어질수록 저면밀도가 증가하였다. 수층부유사 농도변화와 저면의 깊이별 밀도와의 관계를 이용하여 산정된 저면전단강도는 압밀시간 및 저면 깊이에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 잉여전단응력변화에 따른 침식률은 로그함수 형태로 증가하였는데, 본 연구에서 산정된 결과는 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 타당성이 검증되었으며, 과거 연구결과와의 침식률 매개변수의 차이는 퇴적물의 물리·화학적 특성에 기인한 것으로 판단된다.
잉여전단응력변화에 따른 침식률은 로그함수 형태로 증가하였는데, 본 연구에서 산정된 결과는 과거 연구결과와의 비교·검토를 통하여 타당성이 검증되었으며, 과거 연구결과와의 침식률 매개변수의 차이는 퇴적물의 물리·화학적 특성에 기인한 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서 산정된 결과에서는 잉여전단응력이 0.1 N/m2 이상인 경우에는 침식률의 log 값과 잉여전단응력은 선형적 관계에 있으나, 0.1 N/m2 이하에서는 잉여전단응력이 작아질수록 침식률이 급격하게 작아지는 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 이러한 경향을 잘 반영하는 새로운 식이 제시되었다.
후속연구
1 N/m2보다 작은 구간에서의 값은 의미없다고 할 수 있겠다. 침식률을 보다 정밀하게 측정하기 위해서는 저면밀도 측정시에 정확성을 향상시킬 수 있는 레이저 및 초음파를 이용한 장비의 사용이 적용될 필요가 있으며, 수층의 부유사 농도 측정시에는 재래식 방법인 중량분석법과 함께 보다 높은 정밀도와 시간단축을 장점을 가지는 OTS (Optical Transmission Sensor), 또는 OBS (Optical Backscatter Sensor)의 활용을 도입하여 정밀도를 향상시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서 수행된 퇴적저면의 침식특성 연구는 자연 상태 퇴적물의 침식특성 산정을 위한 선행연구로서 큰 가치를 지닌다고 할 수 있다. 비록 본 연구가 상용 고령토를 이용한 실험이라 하더라도, 퇴적저면에서의 거동특성에 대한 국내 연구가 전무하기 때문에 국내 최초로 수행된 퇴적저면의 침식실험으로서 큰 의미를 가지며, 본 연구를 통하여 도출된 고령토 퇴적저면의 침식특성 산정결과는 향후 퇴적물의 이송특성 해석시 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 퇴적물의 침퇴적 평가를 위한 수치모형 실험시 필수 입력자료로 요구되는 침식조건(침식한계전단응력 및 침식률계수)으로 사용되는 등 다양한 목적으로 크게 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현장측정의 제한점은 무엇인가?
이는 타 지역에서 측정된 결과를 특정지역에 사용할 수 없다는 것을 의미하며, 현장 혹은 실내실험을 통해 측정하는 것이 최선이다. 현장측정은 현장특성이 완벽하게 반영될 수 있다는 장점을 가지나, 현장에서는 흐름 등과 같은 현장조건이 끊임없이 변화하므로 동일조건에서의 재측정이 사실상 불가능하다. 또한 태풍 등과 같은 이상기후 조건에서 장비의 분실 및 측정여건의 어려움 등으로 인하여 실질적인 측정이 어려우므로, 실험의 적용 범위가 제한적이다. 반면, 실내실험에서는 흐름 및 실험조건들을 완벽하게 제어할 수 있으므로 단계적인 실험의 수행이 가능한데, 이 때 제반 조건들을 자연 상태에 가깝게 모의하는 것은 매우 중요한 사항이라 할 수 있겠다.
부드러운 점토층은 어떻게 형성되는가?
우리나라 서․남해안 해역에는 갯벌이 널리 분포하고 있는데, 이러한 갯벌이 분포하는 지역에는 수층과 저면의 경계면에 부분적으로 압밀된 수 센티미터에서 수 미터의 두께를 가지는 매우 부드러운 점토층이 존재한다(Parchure and Mehta, 1985). 부드러운 점토층은 주기적으로 반복되는 조류 및 파랑 등으로 인하여 충분히 압밀되지 못하고 매우 느슨한 밀도로 압밀되어 형성되는 것으로, 일반적으로 20~320g/L의 부유사농도를 가진다(Nguyen et al., 2012).
갯벌이 분포하는 지역에 존재하는 특별한 지질층은 무엇인가?
우리나라 서․남해안 해역에는 갯벌이 널리 분포하고 있는데, 이러한 갯벌이 분포하는 지역에는 수층과 저면의 경계면에 부분적으로 압밀된 수 센티미터에서 수 미터의 두께를 가지는 매우 부드러운 점토층이 존재한다(Parchure and Mehta, 1985). 부드러운 점토층은 주기적으로 반복되는 조류 및 파랑 등으로 인하여 충분히 압밀되지 못하고 매우 느슨한 밀도로 압밀되어 형성되는 것으로, 일반적으로 20~320g/L의 부유사농도를 가진다(Nguyen et al.
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