[논문]광산폐석의 유변학적 특성과 토석류 흐름특성 분석

정승원

doi:10.12652/ksce.2014.34.4.1227

광산폐석의 유변학적 특성과 토석류 흐름특성 분석
Rheological Characteristics and Debris Flow Simulation of Waste Materials 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.4, 2014년, pp.1227 - 1240

초록
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휴 폐광산지역은 복합지질재해지역으로 집중호우에 의해 토사재해와 산성광산배수를 발생시킨다. 본 연구는 폐석적치장 전반에 걸쳐 토사재해가 관측된 임기광산에 대해 지반공학적 유변학적 시험을 수행하고 얻어진 시험결과를 토대로 1-D 토석류 수치해석을 수행함으로써 토석류의 확산성을 조사하였다. 모래와 자갈로 구성된 광산폐석 시료의 유변학적 특성을 조사하기 위해 베인관입형 레오미터(Vane-penetrated rheometer)를 사용하였으며, 전단응력 제어를 통한 전단응력(${\tau}$)-전단속도(${\dot{\gamma}}$)와 점도(${\eta}$)-전단속도(${\dot{\gamma}}$) 간의 상관관계를 얻었다. 또한 광산폐석 시료에 대해 잘 알려진 유변학적 모델들(Bingham, Herschel-Bulkley, Power-law, bilinear 및 Papanastasiou 모델)을 적용함으로써 수치해석에 필요한 유변학적 매개변수(항복응력과 소성점도)를 결정하였다. 실험결과에 따르면, 체적농도에 무관하게 전형적인 전단담화(shear thinning) 거동이 관측되었으며, 함수비가 증가할수록 Bingham 유체처럼 거동하는 것으로 나타났다. 또한 사용된 모든 유변학적 모델들은 파괴 후 거동에 적합한 모델들로 밝혀졌다. 토석류 흐름특성을 조사하기 위해 실험결과를 토대로 토석류 크기(5 m, 10 m 및 15 m)와 항복응력(100 Pa, 200 Pa, 300 Pa 및 500 Pa)을 선정하여 1-D BING을 통해 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 토석류 이동거리와 이동속도는 항복응력의 크기에 반비례한 것으로 나타났으며, 토석류 항복응력이 500 Pa 이하인 경우 대부분의 토사는 계곡부까지 흘러갈 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 집중호우 기간에 산악지역에 방치된 광산폐석은 토사재해에 취약하고 2차적으로 인근 수계로 유입되어 환경적 문제를 야기시킬 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Abandoned mines often cause environmental problems, such as alteration of landscape, metal contamination, and landslides due to a heavy rainfall. Geotechnical and rheological tests were performed on waste materials corrected from Imgi waste rock dump, located in Busan Metropolitan City. Debris flow mobility was examined with the help of 1-D BING model which was often simulated in both subaerial and subaqueous environments. To determine flow curve, we used a vane-penetrated rheometer. The shear stress (${\tau}$)-shear rate (${\dot{\gamma}}$) and viscosity(${\eta}$)-shear rate (${\dot{\gamma}}$) relationships were plotted using a shear stress control mode. Well-known rheological models, such as Bingham, bilinear, Herschel-Bulkley, Power-law, and Papanastasiou concepts, were compared to the rheological data. From the test results, we found that the tested waste materials exhibited a typical shear shinning behavior in ${\tau}$-${\dot{\gamma}}$ and and ${\eta}$-${\dot{\gamma}}$ plots, but the Bingham behavior is often observed when the water contents increased. The test results show that experimental data are in good agreement with rheological models in the post-failure stage during shearing. Based on the rheological properties (i.e., Bingham yield stress and viscosity as a function of the volumetric concentration of sediment) of waste materials, initial flowing shape (5 m, 10 m, and 15 m) and yield stress (100 Pa, 200 Pa, 300 Pa, and 500 Pa) were input to simulate the debris flow motion. As a result, the runout distance and front velocity of debris flow are in inverse propositional to yield stress. In particular, when the yield stress is less than 500 Pa, most of failed masses can flow into the stream, resulting in a water contamination.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토석류 예측방법은 지금껏 어떤 방법에 의존해 왔는가?	지난 20년간 토석류를 사전예측하고 피해를 최소화하기 위한 많은 연구가 있었다(Hunger, 1995; Scotto di Santolo and Evangelista, 2009). 토석류 예측방법은 오랜 시간 토석류 체적-이동거리-사면경사들 간 상호관계에 따른 경험적 방법에 의존하여 왔다(예를 들어, Fahrboschung 해석, Locat and Lee, 2002). 토석류는 토질역학·지반공학 이론으로는 제한된 해석만이 가능하였기에 유체역학에 기초한 수리학적 모델을 개발하고 이를 통한 역해석을 수행하거나 지질공학 이론을 통한 실제 토석류 발생지역의 지형학적 특성만을 고려한 흐름해석을 수행하여 왔다.
	토석류 거종을 표현하기 위한 부정류-부등류(unsteadynon uniform flow) 수학적 모델을 사용할 때 반드시 필요한 것은?	이들 모델들은 평균심도를 고려한 수리학적 모델들로 생브낭 방정식(Saint-Venant equation)과 유사하다(Jiang and LeBlonde, 1992, 1993). 이러한 수학적 모델을 사용하여 토석류 해석을 수행하기 위해 반드시 유체거동 입력변수가 필요하다. 하지만 수치해석에 요구되는 입력 변수들은 토석류를 뉴턴유체, 완전소성유체 및 입상체들로 가정하고 과거 발생이력을 가진 토석류에 맞도록 임의적으로 선택하여 사용되고 있다.
	현재까지 가장 널리 사용되는 유변물성시험장치는?	유변학적 매개변수를 결정하기 위해 지구환경분야에서 다양한 점도계(viscometer)와 레오미터(rheometer)가 개발되었다. 현재까지 가장 널리 사용되는 유변물성시험장치는 플레이트-플레이트(plate-plate), 콘-플레이트(cone-plate), 동축 실린더(coaxial cylinder) 타입 등이다. 하지만 이들 시험장치들은 점토 혹은 점토보다 작은 균질한 입자크기를 가진 재료에 적합한 시험기로 토석류처럼 입자크기가 크고 다양한 경우에 부적합하다.

참고문헌 (34)

Beniello, M. A., Calligaris, C., Lapasin, R. and Zini, L. (2010). "Rheological investigation and simulation of a debris flow event in the Fella watershed."Natural Hazards and Earth System Sciences, Vol. 10, pp. 989-997.

상세보기
Cheong, Y. W., Ji, S. W. and Yim, G. J. (2004). "The acid rock drainage and hydraulic characteristics of the waste rock dump." Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 5, No. 4, pp. 13-24 (in Korean).
Cheong, Y. W., Jo, Y. D., Lee, H. S., Yim, G. J., Ji, S. W. and Yang, J. E. (2007). "An experimental study with lysimeter for the vegetating on mine waste dump."Journal of the Korean Society for Geosystem Engineering, Vol. 44, No. 5, pp. 411-417 (in Korean).
Coussot, P. (1994). "Steady, laminar, flow of concentrated mud suspensions in open channel."Journal of Hydraulic Research, Vol. 32, No. 4, pp. 535-559.

상세보기
Coussot, P. and Piau, J. M. (1994). "On the behavior of fine mud suspensions."Rheologica Acta, Vol. 33, pp. 175-184.

상세보기
Coussot, P., Nguyen, G. D., Huynh, H. T. and Bonn, D. (2002). "Viscosity bifurcation in thixotropic, yielding fluids."Journal of Rheology, Vol. 46, pp. 573-589.

상세보기
Hungr, O. (1995). "A model for the runout analysis of rapid flow slides, debris flows, and avalanches."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 32, pp. 610-623.

상세보기
Imran, J., Parker, G., Locat, J. and Lee, H. (2001). "1D numerical model of muddy subaqueous and subaerial debris flows."Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 127, pp. 959-968.

상세보기
Jeong, S. W. (2006). Influence of physico-chemical characteristics of fine-grained sediments on their rheological behavior, PhD Thesis, Laval University, Quebec, Canada.
Jeong, S. W. (2010). "Grain size dependent rheology on the mobility of debris flows."Geosciences Journal, Vol. 14, pp. 359-369.

상세보기
Jeong, S. W. (2011). "Rheological models for describing fine-laden debris flows: Grain-Size Effect."Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 6, pp. 49-61 (in Korean).

원문보기 상세보기
Jeong, S. W., Leroueil, S. and Locat, J. (2009). "Applicability of power law for describing the rheology of soils of different origins and characteristics."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 46, pp. 1011-1023.

상세보기
Jeong, S. W., Locat, J., Leroueil, S. and Malet, J. P. (2010). "Rheological properties of fine-grained sediments: The Roles of Texture and Mineralogy."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 47, pp. 1085-1100.

상세보기
Ji, S. W. and Cheong, Y. W. (2005). "Experiment of reactive media selection for the permeable reactive barrier treating groundwater contaminated by acid mine drainage."Economic and Environmental Geology, Vol. 38, No. 3, pp. 237-245 (in Korean).
Jiang, L. and Leblond, P. H. (1992). "The coupling of a submarine slide and the surface waves which it generates."Journal of Geophysical Research, Vol. 97, pp. 12731-12744.

상세보기
Jiang, L. and Leblond, P. H. (1993). "Numerical modeling of an underwater Bingham plastic mudslide and the waves which it generates."Journal of Geophysical Research, Vol. 98, No. C6, pp. 10303-10317.

상세보기
Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) (2012). Development of practical technologies for countermeasures for hazards in steep slope and abandoned mine areas, Ministry of Knowledge Economy, GP2012-022-2012(1), p. 375 (in Korean).
Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) (2013). Development of practical technologies for countermeasures for hazards in steep slope and abandoned mine areas, Ministry of Science, ICT and Future Planning, GP2012-022-2013(2), p. 359 (in Korean).
Leroueil, S., Tavenas F. and LeBihan, J. P. (1983). "Proprietes caracteristiques des argiles de l'est du Canada."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 20, pp. 681-705.

상세보기
Locat, J. (1997). "Normalized rheological behaviour of fine muds and their flow properties in a pseudoplastic regime."Proc. 1st Int. Conf. on Debris-Flow Hazards Mitigation, San Francisco, ASCE, New York, pp. 260-269.
Locat, J. and Demers, D. (1988). "Viscosity, yield stress, remoulded strength, and liquidity index relationships for sensitive clays." Canadian Geotechnical Journal, Vol. 25, pp. 709-806.
Locat, J. and Lee H. J. (2009). "Submarine mass movements and their consequences: An Overview."Sassa, K. and Canuti, P. (eds.), Landslides?Disaster Risk Reduction, Springer-Verlag, (ch. 6), pp. 115-142.
Locat, J. and Lee, H. J. (2002). "Submarine landslides: Advances and Challenges."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, pp. 193-212.

상세보기
Locat, J., Lee, H. J., Locat, P. and Imran, J. (2004). "Numerical analysis of the mobility of the Palos Verdes debris avalanche, California, and its implication for the generation of tsunamis." Marine Geology, Vol. 203, pp. 269-280.

상세보기
Papanastasiou, T. C. (1987). "Flows of materials with yield." Journal of Rheology, Vol. 31, pp. 385-404.

상세보기
Quan Luna, B. Blahut, J., van Westen, C. J., Sterlacchini, S., van Asch, T. W. J. and Akbas, S. O. (2011). "The application of numerical debris flow modeling for the generation of physical vulnerability curves."Natural Hazards and Earth System Sciences, Vol. 11, pp. 2047-2060.

상세보기
Schatzmann, M., Bezzola, G. R., Minor, H. E., Windhab, E. J. and Fischer, P. (2009). "Rheometry for large-particulated fluids: Analysis of the Ball Measuring System and Comparison to Debris Flow Rheometry."Rheologica Acta, Vol. 48, pp. 715-753.

상세보기
Scotto di Santolo, A. and Evangelista, A. (2009). "Some observations on the prediction of the dynamic parameters of debris flows in pyroclastic deposits in the Campania region of Italy."Natural Hazards, Vol. 50, pp. 605-622.

상세보기
Scotto di Santolo, A., Pellegrino, A. M. and Evangelista, A. (2010). "Experimental study on the rheological behaviour of debris flow."Natural Hazards and Earth System Sciences , Vol. 10, pp. 2507-2514.

상세보기
Scotto di Santolo, A., Pellegrino, A. M., Evangelista, A. and Coussot, P. (2012). "Rheological behaviour of reconstituted pyroclastic debris flow."Geotechnique, Vol. 62, No. 1, pp. 19-27.

상세보기
Sosio, R. and Crosta, G. B. (2009). "Rheology of concentrated granular suspensions and possible implications for debris flow modeling."Water Resources Research, Vol. 35, p. W03412.
Torrance, J. K. (1987). "Shear resistance of remoulded soils by viscometric and fall-cone methods: A Comparison for the Canadian Sensitive Marine Clays."Canadian Geotechnical Journal, Vol. 24, pp. 318-322.

상세보기
Wu, Y. H., Liu, K. F. and Chen, Y. C. (2013). "Comparison between Flo-2D and Debris-2D on the application of assessment of granular debris flow hazards with case study."Journal of Mountain Science, Vol. 10, No. 2, pp. 293-304.

상세보기
Youm, S. J., Yun, S. T., Kim, J. H. and Park, M. E. (2002). "Neutralization of acid rock drainage from the Dongrae pyrophyllite deposit: A Study on Behavior of Heavy Metals."Korean Society of Soil and Groundwater Environment, Vol. 7. No. 4, pp. 68-76 (in Korean).

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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