[논문]프로파일링 세굴 모니터링 시스템을 이용한 교각 국부세굴 계측 및 평가

신종현; 박현일; 신승현; 박경수

프로파일링 세굴 모니터링 시스템을 이용한 교각 국부세굴 계측 및 평가
The measurement and evaluation of local scour at a bridge pier using the profiling scour monitoring system 원문보기

신종현 (삼성건설 기술연구소) , 박현일 (삼성건설 기술연구소) , 신승현 (삼성건설 인천대교현장) , 박경수 ((주)AAT 기술연구소)

Scour means the erosion of bed material by flow change when a bridge is constructed in a stream. Scour is one of the critical factors of a bridge failure. There are several methods for the monitoring of scour near bridge foundations; Sounding rods, Magnetic sliding collar System, Sonar system, underwater camera system and so on. In general, Sonar system is preferred due to its convenience and good accuracy. In this study, the new scour monitoring system was developed using profiling sonar sensor. The new system can measure a line profile of a seabed and has small size due to the effectively designed data logger. The performance of the new scour monitoring system was evaluated at a bridge pier in tidal environment. The measured local scour depths were discussed with the result of the empirical formulas; CSU, Froehlich, Laursen and Neill.

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문제 정의

본 연구에서는 기존 고정식 시스템의 단점인 단일 지점 측정을 개선하기 위해, 해상 바닥의 임의의 라인에 대한 수심 계측이 가능한 프로파일링 소나를 시스템 센서로 사용하고, 나노와트 마이크로칩으로 데이터 로거 기판을 제작하여, 2차원 라인 계측이 가능하고 전력 소모량이 적은 고정식 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 세굴 모니터링 시스템은 그림 2와 같이 구성되어 있다.
본 연구에서는 기존의 고정식 세굴 모니터링 시스템의 단점을 개선하기 위해 프로파일링 소나를 이용하여 교각 주변의 여러 지점에서 유발되는 세굴양상을 동시에 측정할 수 있는 새로운 고정식 세굴 모니터링 시스템을 개발하고자 하였다. 실제 시공 중인 인천대교의 교각 국부세굴 계측에 개발된 장비를 적용하여 장비의 계측 정확성 및 현장 적용성을 평가하였으며, 기존에 제안된 국부세굴 실험식을 이용하여 계측된 최대 세굴심과 비교 검토하였다.

제안 방법

4. 국내 하천설계기준에서 명시된 CSU 공식, Froehlich 공식, Laursen 공식, Neill 공식을 사용하여, 단일말뚝 및 무리말뚝 조건에 대해 대상 교각 W1의 국부세굴심을 평가하였다. 그 결과, 실험식들 모두 계측된 최대 세굴심보다 국부세굴심을 과대 평가하는 것으로 나타났으며, 무리말뚝 조건의 경우 10배 정도 과대 평가하는 것으로 나타나 현 조건에서 무리말뚝에 의한 효과가 국부세굴에 미치는 영향은 미비하다고 사료된다.
국내 하천설계기준(건설교통부, 2005)에서 권장하는 CSU 공식, Froehlich 공식, Laursen 공식, Neill 공식을 사용하여 대상 교각 W1의 국부세굴심을 평가하고 계측값과 비교하였다. 대상 교각 W1은 직경 3m의 현장타설말뚝을 3×8 배열한 무리말뚝이지만, CSU 공식을 제외한 다른 실험식들이 무리말뚝 효과를 고려하지 못하기 때문에 단일 현장타설말뚝 조건을 우선적으로 적용하였다.
먼저 간조 시 바닥면 굴곡이 완전히 드러나 육안으로 확인할 수 있는 지점을 선택하여 다림추로 특정 라인의 지반고를 실측하였다. 그리고 만조 시 개발된 장비를 설치하여 실측 위치를 지나는 라인에 대해 프로파일 계측을 수행하고 두 결과를 서로 비교하였다(그림 5).
대상 교각 W1은 직경 3m의 현장타설말뚝을 3×8 배열한 무리말뚝이지만, CSU 공식을 제외한 다른 실험식들이 무리말뚝 효과를 고려하지 못하기 때문에 단일 현장타설말뚝 조건을 우선적으로 적용하였다.
개발된 시스템의 현장 적용성 및 계측 정확도를 평가하기 위해 인천대교 영종도 측에 가설된 교량에서 검증 시험을 수행하였다. 먼저 간조 시 바닥면 굴곡이 완전히 드러나 육안으로 확인할 수 있는 지점을 선택하여 다림추로 특정 라인의 지반고를 실측하였다. 그리고 만조 시 개발된 장비를 설치하여 실측 위치를 지나는 라인에 대해 프로파일 계측을 수행하고 두 결과를 서로 비교하였다(그림 5).
본 연구에서는 프로파일링 소나와 나노와트 마이크로칩을 사용하여 새로운 세굴 모니터링 시스템을 개발하였으며, 검증시험 및 현장적용을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 기존의 고정식 세굴 모니터링 시스템의 단점을 개선하기 위해 프로파일링 소나를 이용하여 교각 주변의 여러 지점에서 유발되는 세굴양상을 동시에 측정할 수 있는 새로운 고정식 세굴 모니터링 시스템을 개발하고자 하였다. 실제 시공 중인 인천대교의 교각 국부세굴 계측에 개발된 장비를 적용하여 장비의 계측 정확성 및 현장 적용성을 평가하였으며, 기존에 제안된 국부세굴 실험식을 이용하여 계측된 최대 세굴심과 비교 검토하였다.
음파 프로파일 분석 결과, 설치 지점 직하부에서 좌·우 30m 떨어진 지점까지 원활하게 반사파가 수신되어 이 범위를 신뢰성 있는 측정 구간으로 결정하였다.

대상 데이터

인천대교 구간 중 수심이 깊어 세굴 영향이 크다고 판단되는 사장교 주탑부 서측 교각 W1에 개발된 세굴 모니터링 시스템을 설치하여 2007년 1월부터 3월까지 3개월 동안 계측을 수행하였다. 그림 7에 나타난 바와 같이 교각 W1은 직경 3m의 현장타설말뚝 24개로 구성되어 있으며, 17번 말뚝이 있는 북동측 모서리에 시스템을 설치하고 그림 7과 같은 방향으로 계측을 수행하였다.

데이터처리

개발된 시스템의 현장 적용성 및 계측 정확도를 평가하기 위해 인천대교 영종도 측에 가설된 교량에서 검증 시험을 수행하였다. 먼저 간조 시 바닥면 굴곡이 완전히 드러나 육안으로 확인할 수 있는 지점을 선택하여 다림추로 특정 라인의 지반고를 실측하였다.
그림 7에 나타난 바와 같이 교각 W1은 직경 3m의 현장타설말뚝 24개로 구성되어 있으며, 17번 말뚝이 있는 북동측 모서리에 시스템을 설치하고 그림 7과 같은 방향으로 계측을 수행하였다. 측정된 모든 수심은 조석의 영향을 배제하기 위하여 인천지역 평균해면(464cm, E.L.=0m)을 기준으로 보정하였다. 음파 프로파일 분석 결과, 설치 지점 직하부에서 좌·우 30m 떨어진 지점까지 원활하게 반사파가 수신되어 이 범위를 신뢰성 있는 측정 구간으로 결정하였다.

성능/효과

1. 개발된 프로파일링 세굴 모니터링 시스템은 프로파일링 소나를 적용하여 센서 직하부 수심 계측 뿐아니라 임의의 라인에 대한 수심 계측이 가능하다. 또한 나노와트 마이크로칩으로 데이터 로거 기판을 새롭게 제작하여 시스템의 전력소모량도 개선되었다.
2. 개발 시스템의 검증 시험 결과, 반사파 수신이 양호한 신뢰 구간에서 다림추 측정값과의 수심 차이가 ±3cm 이내로 나타나, 개발 시스템이 매우 정확하게 수심 프로파일을 계측할 수 있음을 확인하였다.
3. 현장적용 결과, 대상 교각 W1 북측 측면 라인에 대한 국부세굴 계측이 3개월 동안 원활히 수행되었고, 이 기간 동안 수심 변화가 거의 없어 국부세굴이 안정화 되었음을 확인할 수 있었다. 공사 전 수심 19.
음파 프로파일 분석 결과, 설치 지점 직하부에서 좌·우 30m 떨어진 지점까지 원활하게 반사파가 수신되어 이 범위를 신뢰성 있는 측정 구간으로 결정하였다. 3개월 동안 설정 라인에 대한 음파 프로파일 변화가 거의 없는 것으로 계측되어 해저면이 안정화되었음을 확인 할 수 있었다(그림 8(a)).
국내 하천설계기준에서 명시된 CSU 공식, Froehlich 공식, Laursen 공식, Neill 공식을 사용하여, 단일말뚝 및 무리말뚝 조건에 대해 대상 교각 W1의 국부세굴심을 평가하였다. 그 결과, 실험식들 모두 계측된 최대 세굴심보다 국부세굴심을 과대 평가하는 것으로 나타났으며, 무리말뚝 조건의 경우 10배 정도 과대 평가하는 것으로 나타나 현 조건에서 무리말뚝에 의한 효과가 국부세굴에 미치는 영향은 미비하다고 사료된다.
그리고 신뢰 구간에서 다림추 측정값에 대한 수심 프로파일 계측값의 차이가 ±3cm 이내로 나타나, 개발된 시스템으로 매우 정확한 수심 프로파일 계측이 가능함을 확인할 수 있었다.
이 방법은 정확성이 높고 연속적인 측정이 가능하기 때문에 최근 가장 선호하는 세굴 계측 방법들 중 하나이다. 넷째로, 수중카메라 시스템은 수중 카메라를 이용하여 세굴 현황을 눈으로 확인할 수 있는 효과가 있어 세굴 상태 및 구조물 손상 파악에 유리하나 정량적인 세굴심 계측은 어렵다.
개발된 프로파일링 세굴 모니터링 시스템은 프로파일링 소나를 적용하여 센서 직하부 수심 계측 뿐아니라 임의의 라인에 대한 수심 계측이 가능하다. 또한 나노와트 마이크로칩으로 데이터 로거 기판을 새롭게 제작하여 시스템의 전력소모량도 개선되었다.
실험식을 이용한 예측값과 계측 최대 세굴심을 비교한 결과, 표 3에서 볼 수 있듯이 적용된 실험식들 모두 국부세굴심을 과다 예측하는 경향을 보였으며 단일말뚝 조건에서는 CSU 공식 결과가 계측값에 가장 근사하였다. 그러나 무리말뚝의 투영폭을 고려한 CSU 공식의 경우, 약 10배 정도 계측값을 과대 평가하는 것으로 나타나, 현 조건에서 무리말뚝에 의한 효과가 국부세굴에 미치는 영향은 미비하다고 사료된다.

후속연구

5. 개발된 프로파일링 세굴 모니터링 시스템은 기존 방법들과 달리 특정 라인에 대한 연속적인 세굴 계측이 가능하기 때문에 교각 주위의 최소 · 최대 세굴심을 합리적이고 정확하게 계측할 수 있을 것으로 판단되며, 3차원 계측이 가능하도록 시스템을 개선한다면 세굴 홀(scour hole)의 계측도 가능할 것으로 기대된다.
그러나 무리말뚝의 투영폭을 고려한 CSU 공식의 경우, 약 10배 정도 계측값을 과대 평가하는 것으로 나타나, 현 조건에서 무리말뚝에 의한 효과가 국부세굴에 미치는 영향은 미비하다고 사료된다. 향후 유속 등의 수리조건 변화가 커질 경우 무리말뚝 효과 확인을 위한 추가적인 국부세굴 계측을 수행할 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

세굴은 무엇을 의미하는가?

세굴은 교량과 같은 구조물이 하상 및 해상에 설치될 때 발생하는 하부 지반의 침식을 의미한다. 이러한 침식은 구조물 주위의 와류에 의해 발생하며 와류는 흐름조건, 지반의 특성, 구조물의 형상 등에 영향을 받는다.

세굴 계측 방법은 어떻게 구분될 수 있는가?

세굴 계측 방법은 사용되는 센서의 특징에 따라 Sounding rods 시스템, Magnetic sliding collar 시스템, 소나 시스템(Sonar system), 수중 카메라 시스템(Underwater camera system) 등으로 구분될 수 있다(Hani Nassif, 2003). 첫째로, Sounding rods 방법은 세굴 계측에 있어서 가장 기본적인 방법으로 구조물 혹은 선박 위에서 로드(rod)를 연결해 내려가며 바닥에 로드가 닿았을 때 깊이를 측정하여 세굴을 평가하는 방법이며, 수심이 낮고 유속이 느린 강 등에 적합하다.

세굴은 어떻게 발생하는가?

세굴은 교량과 같은 구조물이 하상 및 해상에 설치될 때 발생하는 하부 지반의 침식을 의미한다. 이러한 침식은 구조물 주위의 와류에 의해 발생하며 와류는 흐름조건, 지반의 특성, 구조물의 형상 등에 영향을 받는다. 특히, 홍수와 같은 급격한 흐름조건의 변화는 교량의 안정성을 위협할 정도의 국부세굴을 유발 시킬 수 있다.

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