교량 교각 주변 세굴 감소를 위한 개비온 바구니 활용 연구 보고서

1. 서론: 교량 세굴 문제 및 기존 대책

• 교량 교각주변 세굴(Scour)은 수리 공학에서 중요한 문제이며, 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나입니다.
• 세굴 방지 대책은 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다.
  • 하상 보호(Bed armouring): 교각주변 강바닥에 돌을 놓는 방식입니다.
  • 예시: 립랩(riprap), 개비온(gabions), 콘크리트 아머 유닛 등이 있습니다.
  • 유동 변경(Flow-altering): 흐름을 변경하여 세굴을 줄이는 방식입니다.
  • 주요 원인인 하강류(down flow)와 말굽 와류(horseshoe vortex)를 감소시킵니다.
  • 교각 부착 및 변형: 교각에 슬롯, 칼라 플레이트, 스플리터 플레이트 등을 부착하는 방식입니다.
  • 하상 부착: 하상에 실(bed sills) 등을 설치하는 방식입니다.
• 개비온은 현재 교각부착물로 사용되지만, 세굴감소 효과에 대한 연구는 부족한 상황입니다.
• 본 연구의 목적은 돌로 채워진 바구니를 교각 상류면에 고정하는 새로운 유동 변경 대책으로서의 효과를 실험적으로 조사하는 것입니다.

2. 이론적 배경: 세굴 발생 원리 및 개비온의 역할

• 교각주변 국부 세굴의 주요 원인은 세 가지입니다.
  • 교각앞의 하강류(down flow)
  • 교각바닥에 형성되는 말굽 와류(horseshoe vortex)
  • 세굴구멍 내부에 형성되는 후류 와류(wake vortex)
• 돌 바구니를 교각면에 설치하면 유동 분리를 지연시키고 정체점(stagnation point)을 상류로 이동시킵니다.
• 이는 교각상류에서 난류와 운동 에너지를 발생시켜 하강류와 말굽 와류의 힘을 감소시키고 수로바닥에서 멀어지게 합니다.
  • 결과적으로 돌 바구니를 사용한 교각은 상류 바닥에 미치는 영향이 적어 세굴 깊이를 줄이는 예방책으로 효과적입니다.

3. 실험 재료 및 방법

3.1 실험 장치

• 직사각형 재순환 수로(flume):
  • 측정 장소: 이집트 자가지그 대학교 공학부 수리 실험실에서 수행되었습니다.
  • 크기: 폭 0.4m, 길이 4m, 깊이 0.2m.
  • 최대 유량: 5 L/s.
• 유량 측정: 원심 펌프의 토출 파이프에 설치된 오리피스 미터를 사용했습니다.
• 수심 및 세굴 깊이 측정: 0.1mm 정밀도의 포인트 게이지를 사용했습니다.

3.2 교각 모델

• 직사각형 목재 교각을 사용했습니다.
  • 크기: 폭 4cm, 길이 16cm, 높이 20cm.
  • 수로 폭(w) 대비 교각 폭(B) 비율(B/w)이 10% 미만(4cm/40cm = 10%)으로 벽면 영향을 최소화했습니다.

3.3 하상 재료

• 조립 모래를 사용했습니다.
  • 평균 입자 크기(d50): 0.52mm.
  • 교각 폭 대 입자 크기 비율(B/d50)이 약 72.72로, 멜빌(Melville)의 조건(>25)에 부합합니다.
  • 이는 퇴적물 크기가 세굴깊이에 미치는 영향을 무시할 수 있음을 의미합니다.

3.4 개비온 (돌 바구니)

• 재료: 1.2mm 조리개의 스테인리스 스틸 와이어 메쉬를 사용했습니다.
• 폭: 교각폭과 동일한 4cm로 제작되었습니다.
• 채움 재료: 균일한 돌을 사용하며, 평균 입자 크기는 0.80, 1.20, 1.80, 2.20mm로 다양합니다.
• 배치: 교각상류면에 부착되며, 종축은 흐름 방향과 평행하게 배치되었습니다.

3.5 실험 절차

• 총 35회 실험을 수행했습니다.
  • 5회는 보호되지 않은 교각(기준)으로 진행되었습니다.
  • 나머지는 개비온 바구니를 설치한 교각으로 진행되었습니다.
• 교각및 개비온 배치 후 스크레이퍼로 하상 표면을 평탄화하고 포인트 게이지로 수평을 확인했습니다.
• 수로에 물을 천천히 채워 지정된 유량 및 수심에 도달시켰습니다.
• 실험 종료 후 수로를 건조시키고 포인트 게이지로 모래 바닥의 모든 방향(상류, 하류, 종방향, 횡방향)을 측정하여 기록했습니다.

4. 결과 및 고찰: 개비온 바구니의 세굴 감소 효과

4.1 최대 세굴 깊이(ds) 관계식

• 다음과 같은 관계식이 개발되었습니다 : ds = f(B, F, u, y, g, Lg, dg)
  • ds: 교각상류 최대 세굴 깊이
  • B: 교각폭
  • F: 프루드 수
  • u: 평균 유속
  • y: 흐름 수심
  • g: 중력 가속도
  • Lg: 개비온 바구니 길이
  • dg: 돌 입자 크기

4.2 개비온 바구니의 세굴 깊이 감소 효과

• 와이어 개비온 바구니를 설치한 교각은 세굴깊이를 효과적으로 줄였습니다.
• 세굴감소율은 다음 공식으로 측정되었습니다 : (dsu – ds) / dsu * 100%
  • dsu: 보호되지 않은 교각의 최대 세굴 깊이
  • ds: 보호된 교각의 최대 세굴 깊이

4.3 개비온 채움 돌 재료 크기의 영향

• 개비온의 돌 크기(dg)는 세굴깊이에 직접적인 영향을 미칩니다.
• dg/B 비율(돌 크기/교각 폭)을 0.20, 0.30, 0.45, 0.50으로 변화시켜 실험했습니다.
• dg/B = 0.30인 개비온 바구니가 상대 최대 세굴 깊이를 최소화했습니다.
• 프루드 수(F) 0.297에서 dg/B = 0.30인 돌 바구니는 세굴깊이를 최대 57%까지 감소시켰습니다.

4.4 개비온 바구니 길이의 영향

• 개비온 길이(Lg)는 세굴깊이에 영향을 미칩니다.
• Lg/B 비율(개비온 길이/교각 폭)을 0.25, 0.50, 0.75로 변화시켜 실험했습니다.
• 최적의 상대 개비온 길이(Lg/B)는 0.5로 나타났습니다.

5. 결론 및 활용

• 돌 바구니를 사용한 교각은 세굴깊이를 크게 줄이는 효과가 있습니다.
• dg/B = 0.30일 때 세굴깊이가 57% 감소하며, 최적의 Lg/B는 0.5입니다.
• 본 연구 결과는 교량 교각 보호 설계 분야에 활용될 수 있습니다.

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