KR20230091482A - 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법 - Google Patents

유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법에 관한 것으로, (a) 물이 채워진 일정한 규격의 옥외수로를 이용하여 옥외수로 내로 모래 포설 후 저속배수하여 옥외수로에서 물을 빼고 포설된 모래에 의한 잔존 퇴적토 체적을 측량하는 단계와; (b) 유속과 수심에 대한 민감도가 높은 유실율을 산정하기 위해 최종 선정 실험변수는 실험수심과 실험유속 및 포설 Type (연속포설과 순간포설)으로 선정하고, 상기 잔존 퇴적토 체적을 이용하여 유실율을 산정하는 단계와; (c) 동일 수심내 결과에 대해 회귀분석하여 유속(U) 및 수심(h)에 대한 Froude수(
Figure pat00044
,g는 중력가속도)와 상기 유실율 사이의 관계를 분석하는 단계, 및 (d) 상기 Froude수와 유실율 사이의 관계를 이용하여 일정 수심 및 유속을 가지는 해상에 포설하는 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정하는 단계로 이루어짐으로써, 일정 수심 및 유속 구간의 유동에 노출된 해상에서 모래 포설시 유실되는 유실량 산정을 통한 정확한 모래 소요량을 산정할 수 있도록 한다.

Description

유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법 {Estimation method of land reclamation sand spreading loss according to flow speed and water depth}
본 발명은 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 수심 및 유속 구간의 유동에 노출된 해상에서 모래 포설시 유실되는 유실량 산정을 통한 정확한 모래 소요량을 산정할 수 있도록 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법에 관한 것이다.
해상 매립시 개방 수체(Open Water)에서의 모래 포설 작업이 필요한데, 즉 저수심 해역 유전 또는 가스전 용도의 인공섬 공사, 해상교량-터널 접속부, 정온한 해역에서 대형 매립공사를 대상으로 하는 경우와 외곽 번드용 사석 조달이 용이하지 않은 환경에서 단시간 내 부지 조성이 필요한 경우 및 가호안 일부 설치 또는 설치 전 포설 실시가 필요한 경우 등이다.
준설토 또는 원거리 모래의 준설, 운반, 매립 과정에서 발생할 수 있는 매립재의 질량 손실은 1차로 준설 유실, 2차로 중간 하역 과정에서 발생하는 유실인 운반 유실(1% 미만으로 미미한 수준), 3차로 Overflow와 함께 환경 영향이 가장 큰 포설중 유실, 4차로 노출부 침식 유실로 나뉜다.
이러한 포설 모래 또는 준설토는 운반은 물론, 투기가 불안정하면 투기된 매립재의 유실, 확산으로 예상치 못한 보상문제 등이 야기될 수 있으므로, 이로 인한 공기지연, 경제적인 손실을 방지할 수 있도록 사전에 충분히 조사하여 대처할 필요가 있고, 해양환경 보전상 매립지로부터의 모래 및 준설토 유실은 인근수역을 오탁시키게 되므로 이를 피하여야 한다.
한편, 집수정과 여수토는 투기장내 준설수 및 우수를 제체 바깥으로 배수시키는 구조물로서 준설토유실 방지 및 배수시 오탁수 배출을 최소화하여 외해 수질에 영향이 없도록 시설을 설치하여야 한다.
국내 항만 및 어항 설계기준에는 입경에 따른 유실율의 기준을 정해놓고 있으나 그 근거가 불명확하여 모든 현장에 그대로 적용하기에는 무리가 있다.
한편, 종래 기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0026167호(2013년03월13일 공개)에 개시되어 있는 바와 같이, 해안복원공사 또는 건설현장에서 발생하는 준설토를 작은 면적을 차지하는 식생토낭에 충진하여 설치장소로 수송한 후 식생토낭을 부직포 백에 다수 수용한 후 부직포 백을 해저 모래가 유실되는 곳에 투하(또는 수중잠재)하여 설치함으로써 해저모래의 유실을 방지함을 특징으로 하고 있고, 대한민국 등록특허공보 제10-1318368호(2013년10월16일 공고)는 토목섬유저장튜브를 매립지역을 이루는 일정 위치에 임시로 설치작업을 하는 경우 준설토의 주입작업만으로도 물과 토사의 분리작업이 이루어져 작업이 매우 간편하여 지고 작업속도를 향상시킬 수 있고 복수 개의 토목섬유저장튜브에 동시에 동일한 작업으로 호안구축작업이 진행가능하게 되어 준설토의 주입 작업 하나로써 가호안구축이 됨으로써 동시에 동일한 가호안구축작업이 가능하게 하는 발명이다.
그러나 이러한 종래 기술들은 대개 모래가 유실된 해안의 복원이나 매립 등의 간척작업을 위한 효율적인 호안구축에 대한 것이고, 유동 환경을 고려한 매립용 포설 모래의 수중 유실율 산정에 대한 연구와 노력은 종래에는 거의 이루어지지 못하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0026167호(2013년03월13일 공개, 발명의 명칭: 친환경 토목섬유를 활용한 해안, 해저 모래 유실 방지용 구조물 및 그 시공방법) 대한민국 등록특허공보 제10-1318368호(2013년10월16일 공고, 발명의 명칭: 물이 배출되는 토목섬유저장튜브를 이용한 호안 매립용 가호안 구축 및 오염토 정화방법)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 해상매립 프로젝트 준설 및 원거리모래 반입물량 산정을 위한 수중 유실율 근거자료를 획득하고, 매립생산성 최적화를 위한 조류예측 기반의 모래 포설 지점 및 시점을 제어하고 활용하며, 포설 모래 유실과 상관관계가 큰 부유사 및 퇴적 발생으로 인한 주변환경영향 분석에 활용하여 친환경 준설/매립 요구에 대응하기 위한, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 물이 채워진 일정한 규격의 옥외수로를 이용하여 옥외수로 내로 모래 포설 후 저속배수하여 옥외수로에서 물을 빼고 포설된 모래에 의한 잔존 퇴적토 체적을 측량하는 단계와; (b) 유속과 수심에 대한 민감도가 높은 유실율을 산정하기 위해 최종 선정 실험변수는 실험수심과 실험유속 및 포설 Type (연속포설과 순간포설)으로 선정하고, 상기 잔존 퇴적토 체적을 이용하여 유실율을 산정하는 단계와; (c) 동일 수심내 결과에 대해 회귀분석하여 유속(U) 및 수심(h)에 대한 Froude수(
Figure pat00001
,g는 중력가속도)와 상기 유실율 사이의 관계를 분석하는 단계, 및 (d) 상기 Froude수와 유실율 사이의 관계를 이용하여 일정 수심 및 유속을 가지는 해상에 포설하는 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 단계(a)에서 잔존 퇴적토 체적의 측량은 3차원 레이저 스캐너를 이용한다.
또한, 본 발명의 상기 단계(b)에서 유실율은 다음의 수학식,
Figure pat00002
(여기서, 정지수체는 실험유속이 0인 경우이고, 유동은 실험유속이 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.26 m/s인 6가지 경우로 실험유속 6가지 각각에 대해 유실율이 산정되고, 연속포설은 100kg/60s, 순간포설은 100kg/5s)을 이용하여 산정하되, 3가지의 실험수심(0.7, 1.0, 1.3 m) 각각에 대하여 상기 7가지의 실험유속과 포설 Type별로 실험하여 산정한다.
또한, 본 발명에서 상기 옥외수로 실험은 벤치마크 현장을 선정하여 벤치마크 현장에 3가지 물리적 상사법칙(Cloud No. 상사, 기하상사 및 Froude 상사)을 적용하여 축소모형으로 옥외수로를 제작하여 실험한다.
또한, 본 발명에서 상기 Cloud No. 상사는 다음의 수학식,
Figure pat00003
(여기서, Nc는 Cloud 수(
Figure pat00004
), ｗs는 입자의 침전속도, ｗt는 입자운(Particle cloud)의 부력 하강 속도, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, Bo는 입자운(Particle cloud)의 초기 음성 부력, ρa는 주변수 밀도)을 적용하고, 상기 기하상사는 다음의 수학식,
Figure pat00005
(여기서, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, D50은 입자 중앙입경)을 적용하며, 상기 Froude 상사는 다음의 수학식,
Figure pat00006
(여기서, Fr은 프루드(Froude) 수(
Figure pat00007
), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 적용하되, 상기에서 아래첨자 m은 모형(model) 기준이고 아래첨자 p는 원형(prototype)기준이다.
또한, 본 발명의 상기 단계(c)에서 연속포설에 의한 경우, 유실율은 Froude수(Fr)에 대해 선형관계를 가지고, 선형관계의 비례상수(a(h))는 수심에 대한 자연로그 함수인 다음의 수학식,
Figure pat00008
(여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심)이다.
또한, 본 발명의 상기 단계(d)에서 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
Figure pat00009
(여기서, a(h)는 비례상수, Fr은 Froude수(
Figure pat00010
), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 이용하여 산정한다.
또한, 본 발명의 상기 단계(c)에서 순간포설에 의한 경우, 유실율은 Froude수(Fr)에 대해 선형관계를 가지고, 선형관계의 비례상수(b(h))는 수심에 대한 자연로그 함수인 다음의 수학식,
Figure pat00011
(여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심)이다.
또한, 본 발명의 상기 단계(d)에서 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
Figure pat00012
(여기서, b(h)는 비례상수, Fr은 Froude수(
Figure pat00013
), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 이용하여 산정한다.
이상에서 살펴본, 본 발명인 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법은 일정 수심 및 유속 구간의 유동에 노출된 해상에서 모래 포설시 유실되는 유실량 산정을 통한 정확한 모래 소요량을 산정할 수 있고, 이러한 유실율의 산정으로 물량 유실 및 환경영향을 최소화하면서 완전폐합(호안) 없이 모래 포설 가능한 매립 구간의 선정이 가능할 뿐만 아니라 사석 구득이 어려운 지역에서의 인공섬 등 해상 부지 조성시 사석가호안 설치 완료 전 매립 동시 진행으로 공기 단축이 가능하며, 유실율 산정을 통해 개방수체 내 모래 포설에 따른 주변 해저면으로의 부유사관련 세립토 침전량을 추산할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법에서 실험을 위한 옥외수로를 나타낸 사진.
도 2 는 본 발명에서 연속포설(a)과 순간포설(b) 각각에 대해 포설 후 물을 저속배수한 수로를 나타낸 사진.
도 3 은 본 발명에서 연속포설(a)과 순간포설(b) 각각에 대해 잔존 퇴적토 체적을 3차원 레이저 스캐너로 측량한 사진.
도 4 는 본 발명에서 연속포설에 의한 실험결과를 회귀분석하여 수심별로 유실율을 나타낸 그래프.
도 5 는 본 발명에서 연속포설에 따른 유실율의 Froude수에 대한 비례상수는 수심에 대한 자연로그 함수로 표현되는 것을 나타낸 그래프.
도 6 은 본 발명에서 순간포설에 의한 실험결과를 회귀분석하여 수심별로 유실율을 나타낸 그래프.
도 7 은 본 발명에서 순간포설에 따른 유실율의 Froude수에 대한 비례상수는 수심에 대한 자연로그 함수로 표현되는 것을 나타낸 그래프.
도 8 은 본 발명에 대한 유실관리시 포설 시나리오를 선정하는 도면(a)과 2차원 수심평균 해수유동해석모델을 이용해 선정된 포설시간과 포설구역에서의 유속과 수심을 산정한 도면(b).
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면들 및 이를 참조한 설명은 본 발명에 관하여 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들이 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시된 것이며, 본 발명의 사상 및 범위를 한정하려는 의도로 제시된 것은 아님에 유의하여야 할 것이다.
도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 본 발명은 개방된 혹은 부분 폐합되어 유동에 노출된 수중에서의 매립공사 모래 포설 중 주변수 흐름에 의한 모래 유실량을 산정하는 과정과 그 고유한 산정식에 관한 것이다.
다시 말해, 유속-수심에 따른 모래 포설시 유실율 산정을 위한 실험에 의해 수로 내 잔존퇴적 실험사 측정을 통한 유실율 산정 과정을 거치는데, 이러한 산정 과정을 통해 송토관, 컨베이어, 호퍼의 Rainbowing 등을 이용한 수시간 이상 연속 포설 장비에 대한 포설 지점의 유속-수심별 유실율 산정식과 바지, 호퍼 등을 이용한 수분 내 순간적인 포설 장비에 대한 포설 지점 유속-수심별 유실율 산정식을 도출하고, 더불어 이러한 산정식을 활용한 특정 해역에서의 모래포설시 유속 및 수심을 추산하는 수치해석모델링을 포함한 유실율 산정 프로세스 및 유실관리방안까지 고려할 수 있다.
본 발명은 유속-수심에 따른 모래 포설시 유실율 산정 실험을 기반으로 하는데, 이러한 실험을 위해 옥외수로 제작과 투입중량을 선정하고 계측장비를 도입하였다.
일실시예로, 옥외수로 규격: L22m × W1.5m × H1.8m (스틸 + 유리), 유량: 최대 0.45 ㎥/s, 투입중량(포설량) 100 kg (단위중량 약 1.25 ton/㎥)이고, 계측 방법은 3차원 레이저 스캐너(오차: 6mm/10m)를 이용하여 포설 후 저속배수하여 수로에서 물을 빼고 포설된 모래에 의한 잔존 퇴적토 체적을 3차원 레이저 스캐너로 측량한다. 여기서 저속배수를 하는 이유는 잔존 퇴적토의 형상을 변형시키지 않기 위함인데, 유동 내에서 퇴적물 입자의 운동 시작을 나타내는 임계 Shields number를 고려하여 임계유속을 산정하면 0.008 ㎧ 이므로 본 발명에서도 상기 저속배수는 0.008 ㎧를 기준으로 그 이하로 한다.
이러한 실시예에서 포설장비, 유속, 수심, 1회 포설량, 포설시간에 따른 민감도를 측정한 바 그 중 유속, 수심에 대한 민감도가 높아 본 발명에서는 유속과 수심에 따라 유실율을 산정하고 최종 선정 실험변수도 실험수심(0.7, 1.0, 1.3 m)과 실험유속(0, 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.26 m/s) 및 포설 Type (연속포설- 100kg/60s, 순간포설- 100kg/5s)으로 선정하였다. 여기서 포설 Type은 Pelican barge, 송토관 등의 포설장비를 이용한 연속포설과 Split barge, 호퍼 등의 포설장비를 이용한 순간포설을 재현한 것이다.
상기 일실시예의 옥외수로 실험은 벤치마크 현장을 선정하여 벤치마크 현장에 Cloud No. 상사, 기하상사 및 Froude 상사 등 물리적 상사법칙을 적용하여 축소모형으로 옥외수로를 제작하여 실험한 것이다(도 1 참조). 즉, 옥외수로에서의 포설량과 실험수심 및 실험유속에는 모두 상기 세가지의 상사법칙이 적용된 것이다.
상기 적용 상사는 다음의 수학식 1(Cloud No. 상사)과 수학식 2(기하상사) 및 수학식 3(Froude 상사)과 같다.
Figure pat00014
여기서, Nc는 Cloud 수(
Figure pat00015
), ｗs는 입자의 침전속도, ｗt는 입자운(Particle cloud)의 부력 하강 속도, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, Bo는 입자운(Particle cloud)의 초기 음성 부력, ρa는 주변수 밀도이다.
Figure pat00016
여기서, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, D50은 입자 중앙입경이다.
Figure pat00017
여기서, Fr은 프루드(Froude) 수(
Figure pat00018
), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도이다.
상기 수학식 1 내지 수학식 3에서 아래첨자 m은 모형(model) 기준이고 아래첨자 p는 원형(prototype)기준이며, 본 발명에서 옥외수로의 실험유속과 실험수심은 모형(model) 기준의 유속(U)과 수심(h)이 되는 것이고 벤치마크 현장을 포함한 실제 해상의 유속과 수심은 원형(prototype)기준의 유속(U)과 수심(h)이 되는 것이다. 이에 상기 수학식 1과 수학식 2는 포설량(체적)과 입경에 적용할 수 있고 상기 수학식 3은 수심과 유속에 적용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 실험에 대한 벤치마크 현장은 쿠웨이트만으로 평균 수심: 5.7 m, 조석: 2.8 m, 최대 유속: 0.6 m/s, 포설장비: Pelican Barge, 1 trip 물량: 1,300 ㎥, 포설시간: 2 hr (10.7 ㎥/min)이었다.
이에 상사 적용모듈(11)은 실제 현장인 해상에 Cloud No. 상사, 기하상사 및 Froude 상사 등 물리적 상사법칙을 적용하여 모형을 구축하게 되는데, 이러한 산정 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 포함하면서 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 상사 적용모듈(11)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 입력데이터 및 상기 프로그램을 이용하여 본 발명에서의 옥외수로를 구축하게 되는 것이다.
구체적으로 상기 옥외수로 내 잔존 퇴적토 측정을 통한 유실율 산정과정을 살펴보면 다음과 같다. 이러한 과정은 포설 Type(연속포설, 순간포설)에 따라 각각 실험한다.
정지된 혹은 흐름이 존재하는 인공수로 내 수체에 모래를 투하한 후 수시간에 걸쳐 천천히 배수를 진행한다(도 2 참조). 여기서 정지된 수로는 상기 실험유속이 0인 경우이고 흐름이 존재하는 흐름은 상기 실험유속이 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.26 m/s인 6가지 경우이며 모래 투하량은 100kg이다.
다음으로 상기 3가지의 실험수심 각각에 대하여 7가지의 실험유속과 포설 Type별로 실험하여 3차원 레이저 스캐너 장비로 수로 바닥에 잔류된 퇴적토의 높이 측정을 각각 수행한다(도 3 참조).
그 다음으로 수로 종방향으로 10cm 간격으로 구간을 나누고 각 단위구간별 체적을 측정, 이를 합하여 다음의 수학식 4의 유실율 측정식에 대입한다.
Figure pat00019
여기서, 정지수체는 실험유속이 0인 경우이고, 유동은 실험유속이 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.26 m/s인 6가지 경우로 실험유속 6가지 각각에 대해 유실율이 산정된다. 즉, 상기 유실율은 정지수체에 대한 상대적인 유실율이다.
또한, 본 발명에서 입자 중앙입경(D50)은 원형 매립재 기준으로 0.5㎜, 상사 적용시 실험수로에서 모형사는 0.25㎜이다.
이에 실험수로에 의한 유실율 산정모듈(12)은 옥외수로를 통한 실험에 의해 취득된 잔존 퇴적토 체적에 의한 유실율을 산정하게 되는데, 이러한 산정 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 수학식 4를 포함하면서 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 실험수로에 의한 유실율 산정모듈(12)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 상기 잔존 퇴적토 체적 데이터와 상기 프로그램을 이용하여 유실율을 산정하게 되는 것이다.
도 4 는 연속포설에 의한 상기 수리모형실험 결과를 원형(prototype) 또는 모형(model) 기준의 유속(U) 및 수심(h)에 대한 Froude수(
Figure pat00020
,g는 중력가속도)를 수평축으로 하고 상기 수학식 4에 의한 유실율을 수직축으로 하는 도표에 각 실험 결과를 도시하여 동일 수심내 결과에 대해 최소자승법으로 회귀분석하여 Froude수와 유실율 사이의 관계를 분석한 것이다. 즉 도 4 는 하나의 그래프에 3가지의 수심 각각에 대해 6가지 유속을 각각 도시한 것이며, 여기서 원형(prototype) 기준의 Froude수와 모형(model) 기준의 Froude수는 동일한 값이고 R2은 최소자승법에 대한 결정계수로 1에 가까울수록 회귀식이 데이터에 가장 적합하다.
이에 회귀분석모듈(13)은 Froude수와 유실율 사이의 관계를 분석하게 되는데, 이러한 분석 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 회귀분석모듈(13)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 상기 Froude수와 유실율 및 상기 프로그램을 이용하여 회귀분석하게 되는 것이다.
각 원형 수심에 대하여 도시한 유실율은 회귀분석 결과에 의하여 Froude수(Fr)에 대한 선형관계를 가지는 것으로 분석되었으며, 각 선형관계의 비례상수(a(h))는 수심이 증가할수록 커지는 경향이 있음을 알 수 있다.
즉, 원형 수심에 따라 증가하는 동일 수심 내에서 유실율의 Froude수에 대한 비례상수(a(h))는 수심에 대한 자연로그 함수(a(h) 함수)인 다음의 수학식 5로 표현될 수 있다(도 5 참조).
Figure pat00021
여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심이다.
이에 따라 다음의 수학식 6을 통하여 일정 수심 및 유속을 가지는 해상에 연속포설하는 일반적인 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정할 수 있다.
Figure pat00022
여기서, a(h)는 비례상수, Fr은 Froude수이다.
이에 비례상수에 의한 유실율 산정모듈(14)은 특정 실험수로에서가 아닌 일반적인 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정하게 되는데, 이러한 산정 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 수학식 5와 수학식 6을 포함하면서 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 비례상수에 의한 유실율 산정모듈(14)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 수심과 유속 및 상기 프로그램을 이용하여 유실율을 산정하게 되는 것이다.
도 6 은 순간포설에 의한 상기 수리모형실험 결과를 원형(prototype) 또는 모형(model) 기준의 유속(U) 및 수심(h)에 대한 Froude수를 수평축으로 하고 상기 수학식 4에 의한 유실율을 수직축으로 하는 도표에 각 실험 결과를 도시하여 동일 수심내 결과에 대해 최소자승법으로 회귀분석하여 Froude수와 유실율 사이의 관계를 분석한 것이다. 즉 도 6 은 하나의 그래프에 3가지의 수심 각각에 대해 6가지 유속을 각각 도시한 것이며, 여기서 원형(prototype) 기준의 Froude수와 모형(model) 기준의 Froude수는 동일한 값이고 R2은 최소자승법에 대한 결정계수로 1에 가까울수록 회귀식이 데이터에 가장 적합하다.
연속 포설과 마찬가지로 각 원형 수심에 대하여 도시한 유실율은 회귀분석 결과에 의하여 Froude수(Fr)에 대한 선형관계를 가지는 것으로 분석되었으며, 각 선형관계의 비례상수(b(h))는 연속포설의 경우보다 수심의 증가에 따라 민감하게 커지는 경향이 있음을 알 수 있다.
즉, 원형 수심에 따라 증가하는 동일 수심 내에서 유실율의 Froude수에 대한 비례상수(b(h))는 연속포설과 마찬가지로 수심에 대한 자연로그 함수(b(h) 함수)인 다음의 수학식 7로 표현될 수 있는데(도 7 참조), 상기 수학식 5와는 차이가 존재한다.
Figure pat00023
여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심이다.
이에 따라 다음의 수학식 8을 통하여 일정 수심 및 유속을 가지는 해상에 순간포설하는 일반적인 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정할 수 있다.
Figure pat00024
여기서, b(h)는 비례상수, Fr은 Froude수이다.
이에 순간포설에서의 회귀분석모듈(13)과 비례상수에 의한 유실율 산정모듈(14)의 수행은 대응되는 수학식들을 제외하고는 상기 연속포설에서와 마찬가지이다.
상술한 유실율 산정 방법을 활용하여 포설모래 유실관리 방법의 일실시예를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 매립공사를 시행할 해상의 지형과 조류 등 기초자료를 활용하여 모래 포설구역과 포설순서 및 포설시간을 포함한 포설 시나리오를 선정한다(도 8a 참조).
다음으로, DHI사의 MIKE21 등의 2차원 수심평균 해수유동해석모델을 이용해 매립공사를 시행할 해상의 해저지형 및 수심도를 구현하고 현지 조석 및 풍황을 반영한 유동현상을 재현하여 상기 선정된 포설시간과 포설구역에서의 유속과 수심을 산정한다(도 8b 참조). 이에 유속 수심 산정모듈(15)은 2차원 수심평균 해수유동해석모델을 이용해 매립공사를 시행할 해상의 해저지형 및 수심도를 구현하고 현지 조석 및 풍황을 반영한 유동현상을 재현하여 상기 선정된 포설시간과 포설구역에서의 유속과 수심을 산정하게 되는데, 이러한 산정 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 상기 2차원 수심평균 해수유동해석모델을 포함하면서 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 유속 수심 산정모듈(15)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 선정된 포설시간과 포설구역 및 상기 프로그램을 이용하여 유속과 수심을 산정하게 되는 것이다.
그 다음으로, 상기 수학식 5 내지 수학식 8을 활용하여 포설지점의 유실율을 산정한다.
마지막으로, 산정된 유실율이 관리유실기준 이하이면 상기 포설 시나리오를 확정하고 관리유실기준을 초과하면 관리유실기준을 만족할 때까지 상기 포설 시나리오를 수정하면서 상기 동일한 절차들을 반복 수행한다. 이에 포설 지점과 시점을 제어하여 매립생산성을 최적화할 수 있고 유실율은 주변환경영향과 상관관계가 높으므로 관리유실기준을 통해 친환경적인 매립 요구에 대응할 수 있다.
상기 산정된 유속과 수심은 상황에 따라 수시로 변할 수 있으므로 최선의 유실율을 산정하기 위해 매립이 진행되면서 수시로 모니터링하는 것이 바람직하고, 만약 포설 시나리오를 수정하면서 상기 동일한 절차들을 여러 차례 반복 수행해도 유실율이 관리유실기준 이하를 만족하지 않으면 가호안 설치 등 추가적인 구조물을 이용한 유실대응방안이 필요할 수 있다.
참고로 상기 관리유실기준은 목표 유보율로 정하는 경우가 있는데 여기서 유보율은 (1-유실율)로 정의된다.
이에 유실관리모듈(16)은 유실율이 관리유실기준 이하가 되는 포설 시나리오를 확정하는데, 이러한 과정은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 알고리즘으로 코딩한 프로그램이고, 다시 말해 이러한 프로그램은 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 저장되어 유실관리모듈(16)이 유실율 산정장치(10) 또는 저장 장치(20)에 입력저장된 유실율과 관리유실기준 및 상기 프로그램을 이용하여 포설 시나리오를 확정하게 되는 것이다.
상기 상사 적용모듈(11), 실험수로에 의한 유실율 산정모듈(12), 회귀분석모듈(13), 비례상수에 의한 유실율 산정모듈(14), 유속 수심 산정모듈(15) 및 유실관리모듈(16)은 본 발명의 일부가 컴퓨터상에서 수행되도록 하기 위한 기술적 수단으로 상사 적용부, 실험수로에 의한 유실율 산정부, 회귀분석부, 비례상수에 의한 유실율 산정부, 유속 수심 산정부 및 유실관리부로 각각 명명할 수도 있다.
이에 따라 본 발명은 일정 수심 및 유속 구간의 유동에 노출된 해상에서 모래 포설시 유실되는 유실량 산정을 통한 정확한 모래 소요량을 산정할 수 있고, 이러한 유실율의 산정으로 물량 유실 및 환경영향을 최소화하면서 완전폐합(호안) 없이 모래 포설 가능한 매립 구간의 선정이 가능할 뿐만 아니라 사석 구득이 어려운 지역에서의 인공섬 등 해상 부지 조성시 사석가호안 설치 완료 전 매립 동시 진행으로 공기 단축이 가능하며, 유실율 산정을 통해 개방수체 내 모래 포설에 따른 주변 해저면으로의 부유사관련 세립토 침전량을 추산할 수 있는 효과가 있다.
10: 유실율 산정장치
11: 상사 적용모듈
12: 실험수로에 의한 유실율 산정모듈
13: 회귀분석모듈
14: 비례상수에 의한 유실율 산정모듈
15: 유속 수심 산정모듈
16: 유실관리모듈
20: 저장 장치

Claims (10)

  1. (a) 물이 채워진 일정한 규격의 옥외수로를 이용하여 옥외수로 내로 모래 포설 후 저속배수하여 옥외수로에서 물을 빼고 포설된 모래에 의한 잔존 퇴적토 체적을 측량하는 단계와;
    (b) 유속과 수심에 대한 민감도가 높은 유실율을 산정하기 위해 최종 선정 실험변수는 실험수심과 실험유속 및 포설 Type (연속포설과 순간포설)으로 선정하고, 상기 잔존 퇴적토 체적을 이용하여 유실율을 산정하는 단계와;
    (c) 동일 수심내 결과에 대해 회귀분석하여 유속(U) 및 수심(h)에 대한 Froude수(
    Figure pat00025
    ,g는 중력가속도)와 상기 유실율 사이의 관계를 분석하는 단계, 및
    (d) 상기 Froude수와 유실율 사이의 관계를 이용하여 일정 수심 및 유속을 가지는 해상에 포설하는 매립용 모래의 유실율(Loss)을 산정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(a)에서 잔존 퇴적토 체적의 측량은 3차원 레이저 스캐너를 이용하는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(b)에서 유실율은 다음의 수학식,
    Figure pat00026

    (여기서, 정지수체는 실험유속이 0인 경우이고, 유동은 실험유속이 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.26 m/s인 6가지 경우로 실험유속 6가지 각각에 대해 유실율이 산정되고, 연속포설은 100kg/60s, 순간포설은 100kg/5s)을 이용하여 산정하되, 3가지의 실험수심(0.7, 1.0, 1.3 m) 각각에 대하여 상기 7가지의 실험유속과 포설 Type별로 실험하여 산정하는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 옥외수로 실험은 벤치마크 현장을 선정하여 벤치마크 현장에 3가지 물리적 상사법칙(Cloud No. 상사, 기하상사 및 Froude 상사)을 적용하여 축소모형으로 옥외수로를 제작하여 실험한 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 Cloud No. 상사는 다음의 수학식,
    Figure pat00027
    (여기서, Nc는 Cloud 수(
    Figure pat00028
    ), ｗs는 입자의 침전속도, ｗt는 입자운(Particle cloud)의 부력 하강 속도, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, Bo는 입자운(Particle cloud)의 초기 음성 부력, ρa는 주변수 밀도)을 적용하고,
    상기 기하상사는 다음의 수학식,
    Figure pat00029
    (여기서, Ro는 입자운(Particle cloud)의 초기 직경, D50은 입자 중앙입경)을 적용하며,
    상기 Froude 상사는 다음의 수학식,
    Figure pat00030
    (여기서, Fr은 프루드(Froude) 수(
    Figure pat00031
    ), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 적용하되,
    상기에서 아래첨자 m은 모형(model) 기준이고 아래첨자 p는 원형(prototype)기준인 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(c)에서 연속포설에 의한 경우,
    유실율은 Froude수(Fr)에 대해 선형관계를 가지고, 선형관계의 비례상수(a(h))는 수심에 대한 자연로그 함수인 다음의 수학식,
    Figure pat00032
    (여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심)인 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
    Figure pat00033
    (여기서, a(h)는 비례상수, Fr은 Froude수(
    Figure pat00034
    ), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 이용하여 산정하는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(c)에서 순간포설에 의한 경우,
    유실율은 Froude수(Fr)에 대해 선형관계를 가지고, 선형관계의 비례상수(b(h))는 수심에 대한 자연로그 함수인 다음의 수학식,
    Figure pat00035
    (여기서, h는 원형(prototype) 기준의 수심)인 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계(d)에서 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
    Figure pat00036
    (여기서, b(h)는 비례상수, Fr은 Froude수(
    Figure pat00037
    ), U는 유속, h는 수심, g는 중력가속도)을 이용하여 산정하는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
  10. Froude수(Fr)를 이용한 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법에 있어서,
    연속포설에 의한 경우에 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
    Figure pat00038
    (여기서, a(h)는 비례상수(
    Figure pat00039
    , h는 원형 기준의 수심), Fr은 Froude수(
    Figure pat00040
    , U와 h는 원형 기준의 유속과 수심 또는 모형 기준의 유속과 수심, g는 중력가속도))을 이용하여 산정하고,
    순간포설에 의한 경우에 유실율(Loss)은 다음의 수학식,
    Figure pat00041
    (여기서, b(h)는 비례상수(
    Figure pat00042
    , h는 원형 기준의 수심), Fr은 Froude수(
    Figure pat00043
    , U와 h는 원형 기준의 유속과 수심 또는 모형 기준의 유속과 수심, g는 중력가속도))을 이용하여 산정하는 것을 특징으로 하는, 유속 및 수심별 수중포설 모래의 유실율 산정방법.
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수중 토사 매립재 투하 수리모형실험(2021.01.06)* *

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