ko ko ko ko ko en ko ko en ko ko ko ko ko en en ko ko ko ko ko la ko en ko ko en ko ko ko ko en en ko ko ko ko ko ko en ko en ko en ko ko en ko ko ko ko ko de en en en en fr la ko en ko fr en en en fa ko ko en ko ko ko en ko ko ko ko ko en en ko ko ko en en ko ko ko ko en en ko ko ko en ko ko en ko en ko en ko ko en ko en ko ko ko ko ko ko ko en en en en en en en en en en en en en en en en en ko ko en en en en en en en en en en en pms pms en en ko ko en ko ko ko ko ko en
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Journal of Ocean Engineering and Technology
해저지반 보강에 따른 인공어초의 침하 및 세굴 특성 Settlement and Scour Characteristics of Artificial Reef according to Reinforced Ground
Recently in Korea, a marine ranching project has continued to grow with the increasing needs of sea development. Management techniques, including settlement reduction and scour protection, have been required for constructing and maintaining the artificial reefs of this marine ranching project. The generation of settlement and scour can be influenced by ground characteristics. In this study, various laboratory tests (penetration test, two-dimensional water tank test) were performed to determine the settlement and scour characteristics of artificial reefs under various ground conditions. Three kinds of ground reinforcement were prepared: unreinforced, geogrid, and hybrid bamboo mat. Penetration test results showed that the normalized settlement ratio of ground reinforced with a hybrid bamboo mat was smaller than those of unreinforced ground and geogrid-reinforced ground. Two-dimensional water tank test results showed that the scour characteristics of ground reinforced with a geogrid were more reduced and stable than unreinforced ground. The amount of scour and ground settlement also decreased with increasing reinforced area.
인공어초 , 세굴 , 침하 , 보강
인공어초란 해양 생물의 보호와 배양을 목적으로 산란장, 서식장, 바다목장 및 바다 숲 등을 조성하기 위하여 해양에 설치되는 인공 구조물이다. 우리나라의 인공어초 시설사업은 초기(1971~1980년)에는 시험시설 단계로서 소규모 시설사업을 추진하여 왔으나, 1991년 이후에는 사업의 시설효과가 입증되면서 전국 11개 연안 시·도로 사업이 확대되었다. 시설어장 면적은 1990년 약 80km2, 1995년 100km2, 2007년 1,980km2가 조성되었으며, 어업 생산량의 증대 및 해양생태계의 유지·복원을 위해 정부 주도하에 인공어초 시설 사업비가 지속적으로 투입될 예정이다. 바다목장 및 바다숲 조성 시 수심, 용존산소, pH, 유속, 해저지형, 저질상태 및 환경오염 등 다양한 조건과 기준에 따라 인공어초 시설의 설치 여부를 결정하게 된다. 특히 저질상태 즉, 해저 지반의 입도 분포, 압축강도에 따라 인공어초 설치 시 어초의 자중 등에 의해 침하와 매몰이 발생할 수 있으므로 이에 대한 안정성 여부 검토가 반드시 필요한 실정이다. 현재 인공어초가 설치된 우리나라 연안 해역을 살펴보면 서·남해 연안에 실트, 점토 및 모래 퇴적물이 넓게 분포하고 있으며, 특히 남쪽으로 갈수록 실트보다 점토의 함유량이 증가하는 경향을 보인다. 또한 남해안의 경우 섬 주변 및 수로내의 일부지역을 제외하고는 대부분 점토 및 사질토로 구성되어 있어 인공어초를 설치하게 될 경우 인공어초의 장기 안정성에 대한 평가가 필요하다.
한국건설기술연구원(KICT, 1994)에서 우리나라 서·남해안 및 동해안을 대상으로 해저지반의 시료를 채취하여 일축압축시험을 수행한 결과 대체적으로 매우 연약하거나 연약한 토층이 대부분인 것으로 나타났다. 실제 해역에 발생한 인공어초 시설 상태에 대한 조사를 살펴보면 국립수산과학원 남해수산연구소(NFRID, 2007)에서 수행한 남해 서부해역에 시설된 인공어초(총 284개소)의 침하량을 조사한 결과, 전체의 약 31.7%인 90개소에서 50cm이상 침하가 진행되고 있음을 밝힌 바 있다. Oh(2008)는 Side scan sonar 및 Split beam echo sounder를 이용하여 부산 수영만의 인공어초 시설 해역을 조사한 결과 인공어초의 일부가 매몰 및 침하된 것을 확인되었으며, Kim et al. (2010)은 전남 고흥지역의 인공어초 해역을 조사한 결과, 사니질로 형성된 해역의 인공어초는 약 2.4m, 니질 해역의 경우 약 1.9m 침하된 것을 확인한 바 있으며, 남해 중부 해역 전체 단위 어초 중 약 31.7%, 남해 서부 해역 전체 단위어초 중 약 50%가 매몰된 것으로 확인되었다(Fig. 1).
[Fig. 1] Settlement of artificial reefs observed by diver (Kim et al., 2010)
인공어초의 침하 및 세굴에 대한 기존 국내 연구를 살펴보면 (Sohn et al., 2010; Sohn et al., 2011) 다양한 형태의 인공어초를 제작하여 파랑·흐름 공존장에서 인공어초의 안정성에 관한 실내시험을 수행한 바 있으며, Suh(2008)는 인공어초 시설에 따른 하부지반의 세굴 특성을 수치해석을 통해 연구한 바 있다. 또한 동해안 사질지반에 시설된 인공어초 3종(세라믹어초, 반원가지형인공어초, 신요철형인공어초)의 매몰 특성을 조사한 결과 모든 어초에서 매몰이 발생하였고 접지압이 높은 반원가지형어초는 약 265cm 이상 매몰된 것을 조사한 바 있다(Kim et al., 2008). 국외 연구 사례를 살펴보면 Kimura et al.(1994), Kim et al.(1995), Duzbastilar et al.(2006)는 파랑 및 흐름에 의해 인공어초 주변에 세굴이 발생하여 인공어초의 안정성이 저하된다는 실험적 연구 결과를 제시한 바 있으며, Ingsrisawang et al.(1995)는 인공어초 주변 세굴 발생 패턴에 대한 특성을 실내 실험과 실해역 관측 결과를 비교하였다. 또한 Manoukian et al.(2011)은 Raineault et al.(2013)은 현장 관측 장비를 이용하여 시간 경과에 따른 실해역에 설치한 인공어초 주변부의 세굴 및 침하의 발생을 확인한 바 있다. 종합적으로 살펴보면 해저 연약 지반에 인공어초를 설치하게 될 경우 파랑 및 조류 등 해양 외력과 인공어초의 자중에 의해 국부적인 세굴 및 침하가 발생하여 인공어초의 기능을 상실하는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 토목용 보강재인 지오그리드(Geogrid) 및 지오그리드와 대나무매트가 결합된 하이브리드 대나무 매트 보강재(Hybrid bamboo mat)를 각각 해저 지반에 포설한 후 인공어초를 설치하여 해저 연약지반 보강이 인공어초의 침하 및 세굴 저감에 미치는 효과를 분석하고자 하였다. 인공어초의 침하 및 세굴 저감 효과를 정량적으로 분석하기 위해 관입시험과 2차원 대형 수조 실험을 수행하였다. 시험 조건은 인공어초가 설치된 하부지반의 보강 조건(무보강, 지오그리드 보강, 하이브리드 대나무매트 보강)과 보강 면적(1A, 2A, 3A, 5A)에 따른 인공어초의 침하 및 세굴에 대한 안정성을 비교하였다. 이때 2차원 대형 수조 실험 조건은 Froude 상사법칙을 고려하였으며, 남해안의 실제 관측 데이터를 기준으로 파랑 조건을 산정하였다.
2.1 실험 재료와 지반보강 방법
Fig. 2는 본 연구에서 사용된 모래 지반의 입도분포실험 결과를 나타낸다. 일관된 실험 결과를 얻기 위해 4번 체(4.75mm)로 걸러 자갈 크기의 입자를 배제하였다. Table 1은 모래의 입도분포시험 및 표준다짐시험을 통해 구한 모래의 물리적 특성을 나타낸다. 통일 분류법으로 분류한 결과 입도가 불량한 모래(Sand poor graded, SP)로 나타났으며, 다짐시험을 통해 구한 최적함수비와 최대건조단위중량은 각각 13.1%와 16.0kN/m3으로 나타났다. 시료의 조성은 실제 해저 모래 지반과 유사한 상태를 재현하기 위해 수중강사법으로 조성하였다. 수중강사법은 수중에서 퇴적된 자연 상태 흙의 구조를 가장 잘 나타낼 수 있는 시료의 조성 방법으로서 균등한 시료의 조성이 용이하며 시료의 포화가 확실하게 된다(Lee et al., 2008). 본 연구에서는 수중강사법을 통해 상대밀도 30%의 포화 모래 지반을 조성하였다.
[Fig. 2] Particle size distribution
[Table 1] Physical properties of sand
지반 보강에 따른 인공어초 세굴 특성을 알아보기 위해 인공어초의 모형을 제작하였다. 본 연구에서 사용된 어초 모형은 일반적으로 가장 많이 사용되는 사각어초를 모델로 제작하였다. 실험대상 어초의 실제 크기는 2m×2m×2m, 중량은 약 3.4ton의 정사각형 모양의 어초로서 해양수산부(Ministry of Oceans and Fisheries, MOF) 통계 자료 기준(MOF, 2014)에 의하면 우리나라 전체 시설량의 약 66%를 차지하는 가장 보편적인 인공어초이다.
최적의 보강 면적을 구하기 위해 인공어초의 하부 면적 대비 각각 1배(1A), 2배(2A), 3배(3A) 및 5배(5A)의 넓이로 해저지반을 보강하였다. 인공어초의 설치는 보강재 포설 면적의 중앙에 위치하도록 하였다. 실험에 사용된 지오그리드는 연약지반 보강용 제품으로 Mesh 사이즈는 경사 6mm, 위사 6mm이며 인장 강도는 경사와 위사 모두 6t/m 이상의 값을 가진다. 또한 연약지반의 보강 및 인공어초의 안정성을 증대시키기 위해 강성이 우수한 대나무매트와 지오그리드와 결합하여 하이브리드 대나무매트를 제작하여 인공어초의 세굴 특성을 알아보았다. 하이브리드 대나무매트는 지오그리드의 약한 강성을 강성이 우수한 대나무로 보강하여 굽힘에 대한 저항력을 증가시킨 제품이다.
지오그리드 및 하이브리드 대나무매트의 보강 개념도는 Fig. 3과 같으며 Fig. 4에 그 예시를 나타내었다. 먼저 지오그리드로 해저 지반을 보강할 경우 해저지반에 지오그리드 포설한 후 상부에 인공어초를 설치한다. 지오그리드와 대나무매트가 결합된 보강재를 보강할 경우 대나무매트를 먼저 깔고 그 위에 지오그리드를 포설한다. 이는 강성이 좋은 대나무매트를 해저지반에 먼저 포설하여 해저지반을 보강함과 동시에 그 위에 지오그리드를 포설하여 대나무매트의 격자 사이로 인공어초가 기울어지는 것을 방지하기 위함이다.
[Fig. 3] Concept of reinforced ground with geogrid and hybrid bamboo mat
[Fig. 4] Reinforced types
해저 연약지반에 시설된 인공어초의 자중에 따른 지반의 침하특성을 알아보기 위해 인공어초 관입 시험을 수행하였다. 관입 시험은 노상토 지지력 실험 장비인 CBR(California bearing ratio) 실험 장치를 사용하여 수행하였다. 본 연구에서는 기존 CBR 실험시 사용되는 원통형 관입봉이 아니라 인공어초의 형상을 모사한 정사각형 모형을 자체 제작하여 관입 실험을 수행하였다. 시료의 조성은 직경 150mm, 높이 175mm의 원통형 몰드에 물을 채운 뒤 수중강사법을 이용하여 상대밀도 30%로 조성하여 현장지반과 유사한 거동을 나타내도록 하였다. 또한 보강 조건(무보강, 지오그리드 보강재, 하이브리드 대나무매트 보강재)에 대해 각각 3회씩 실험을 수행하여 실험 오차에 대한 영향을 줄이고자 하였다. 관입 시험시 지지력 값은 로드셀(Load cell)을 통해 측정하였으며, 이때 관입 속도는 1mm/min으로 하였다.
파랑 제어가 가능한 2차원 대형 수조 실험 장치를 이용하여 지반 보강에 따른 인공어초의 침하 및 세굴 특성을 알아보았다(Fig. 5). 본 연구에서 수행한 2차원 대형 수조 실험의 제원은 다음과 같다. 수로의 길이 30m, 폭 1.0m, 높이 1.2m이며, 조파기 형식은 1개의 플런저형 조파기를 이용하여 규칙파를 생성할 수 있다. Table 2는 실험에 적용된 모형 및 세부 실험조건을 나타낸다. 천수효과를 고려하여 수조 해저면의 경사는 1:40으로 제작·설치하였다. 또한 수조 특성, 실험파 제원, 조파기 성능 등을 고려하여 Froude 상사법칙에 의거 실물의 1:40으로 축소하여 실험을 수행하였으며, 지반 보강에 따른 인공어초의 세굴 및 침하 특성만을 알아보기 위해 파랑 조건은 규칙파로 하여 파랑에 의한 실험 오차를 저감하고자 하였다. 또한 실험시 사용된 파고 및 주기는 우리나라 연안 지역 중 남해안의 측정 데이터를 근거로 선정하였으며, 파동장에서는 태풍이나 폭풍파의 지속시간을 3시간으로 가정하여 실험시간을 30분으로 하여 실험을 수행하였다(Sohn, 2007; Sohn et al., 2010). 모든 실험은 각 조건에 따라 3회씩 반복 실험을 수행하고 실험 종료 후 재 실험시 상부 모래층을 다시 조성하여 동일한 상태의 지반조건을 유지하고자 하였다.
[Fig. 5] Section of 2-dimensional large water tank
[Table 2] Experimental conditions for design condition
Fig. 6은 인공어초 하부지반에 대한 무보강 및 보강재의 종류 에 따른 관입시험 결과를 나타낸다. 실험 결과 무보강 지반에 비해 지오그리드 보강재 및 지오그리드와 대나무매트를 결합한 보강재의 지지력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 지지력 보강 효과는 지오그리드 단일 보강에 비해 지오그리드와 대나무매트를 결합한 하이브리드 대나무매트 보강재의 경우 더 큰 보강 효과를 나타내었다. 대나무매트의 강성이 인공어초를 지지하여 침하 저감을 시킬 뿐만 아니라 상재하중이 증가함에 따라 보강재에 의한 지반의 구속응력을 증가시키고 이로 인해 모래 입자간의 마찰력을 증대시켜 지지력의 증가가 이루어진 것으로 판단된다. 침하에 따른 모래지반의 지지력 증가 거동을 살펴보면 초기에 낮은 기울기로 증가하다가 약 3mm 관입 깊이에서부터 점차 기울기가 증가하여 일반적인 관입시험 결과와 같은 경향을 보였다. 이러한 결과는 모래지반의 시료를 조성할 때 모래층 상부 이완영역이 압축되면서 나타난 오차(Bedding error)로 판단된다.
[Fig. 6] Load-settlement curves
보강재의 보강 면적에 따른 인공어초의 세굴 특성을 평가하기 위해 2차원 대형 수조 실험을 수행하였다. 인공어초의 설치는 수조의 중앙에 오도록 설치하여 벽면 마찰 및 흐름 교란에 대한 영향을 최소화 하였다. Fig. 7은 실험 종료 후 각각 보강 면적에 따른 인공어초 주변부의 세굴 깊이 측정 결과를 등고선으로 나타낸 것이다. 인공어초 주변부 세굴 발생량을 살펴보면 전면부와 측면부에는 급한 경사의 깊은 세굴이 발생하였으며, 후면부로 갈수록 세굴로 인한 경사가 완만하게 나타났다. 또한 인공어초 전면부에서 세굴된 모래가 인공어초의 후면부에 퇴적되어 초기 모래층보다 더 높게 나타나는 경향을 보였다.
[Fig. 7] Contour line with respect to reinforced areas
Fig. 8은 각각 보강 면적에 따른 인공어초 주변 세굴 깊이량을 나타낸 것이다. 세굴 깊이는 무보강(0A)에서 약 18.24mm로 가장 크게 나타났으며, 지오그리드의 보강 면적에 따라 세굴 발생 깊이가 점차 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 해저 바닥에 설치된 지오그리드가 세굴을 유발시키는 유속을 저감시킬 뿐만 아니라 지반과 맞물려 모래 입자의 이동을 저지하여 나타난 결과로 판단된다. 또한 인공어초의 자중으로 인해 지오그리드와 지반과의 마찰 저항을 증가시켜 인공어초 주변에서 발생하는 국부세굴에 의한 인공어초의 침하가 저감된 것으로 보인다. 그러나 보강 면적이 3A 이상 증가할 경우에는 추가 세굴이 거의 발생하지 않고 5A와 유사한 세굴 거동을 나타내었다.
[Fig. 8] Characteristics of scouring depth
일반적으로 지오그리드는 우수한 인장강도에 비해 연성재료로서 강성에 취약한 경향이 있다. 본 연구에서는 강성이 우수한 대나무매트를 지오그리드와 결합한 하이브리드 대나무매트를 사용하여 각 보강 조건에 따른 인공어초의 세굴 및 침하 안정성을 비교 및 분석하였다. Fig. 9는 각 조건에 따른 인공어초의 침하 깊이를 살펴보기 위하여 지오그리드 보강(Geogrid) 및 하이브리드 대나무매트 보강(hybrid bamboo mat)에 따른 정규화된 침하비(Normalized settlement ratio, NSR)로 나타낸 것이다. NSR은 식 (1)과 같이 무보강 또는 보강에 따른 인공어초 침하량과 인공어초 높이의 비로 산정하였다. 또한 보강 조건에 따라 무보강 대비 인공어초의 침하 저감율을 살펴보기 위해 식 (2)와 같이 무보강된 인공어초의 침하깊이와 보강에 따른 인공어초의 침하깊이를 이용하여 인공어초의 침하 저감비(Settlement reduction ratio, SRR)를 산정하였다.
[Fig. 9] NSR with reinforcement type
여기서, H는 인공어초 높이(Height of artificial reef), SUR은 무보강된 지반의 침하량(Settlement depth of unreinforced ground), SR은 보강된 지반의 침하량(Settlement depth of reinforced ground)이다.
Fig. 9는 무보강 및 보강에 따른 인공어초의 침하 경향을 비교한 결과이다. 먼저 지오그리드 단일 보강의 경우 보강 면적이 1배(1A)에서는 무보강 대비 침하 저감 효과가 크게 나타나지 않았으나 보강 면적이 2배(2A)부터 보강 효과가 점차 증가하였으며 3배(3A) 이후부터 일정한 보강 효과를 나타내었다. 반면 지오그리드와 대나무매트 결합한 하이브리드 보강의 경우 보강 면적이 1배(1A)일 때부터 보강 효과가 크게 나타났으며, 2배(2A) 이상의 경우 추가 세굴로 인한 침하가 거의 나타나지 않았다. 이는 대나무매트의 보강으로 인해 인공어초가 설치된 지반의 강성이 증가하여 세굴로 인한 인공어초의 침하를 방지하여 침하의 저감이 상대적으로 더 크게 나타난 것으로 판단된다. 이러한 경향은 Fig. 10의 침하 저감비(SSR)에서도 알 수 있다. 하이브리드 대나무 매트가 지오그리드 보강에 비해 침하 저감비가 훨씬 큼을 알 수 있다. 그러나 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 파랑 조건과 지반 특성 및 보강재의 강성 등에 영향을 받는 것으로서 보다 다양한 조건에서 많은 실험을 수행하여 정확한 세굴 영향 검토를 지속적으로 수행해야 한다.
[Fig. 10] SRR with reinforcement type
Fig. 11은 2차원 수리 모형 실험 종료 후 촬영한 인공어초 형상으로서 무보강(Fig. 11(a)) 및 2배(2A) 보강 면적의 지오그리드 보강(Fig. 11(b)), 하이브리드 대나무매트 보강(Fig. 11(c))을 각각 나타낸다. 지속적인 파랑 작용에 의해 인공어초 주변에 세굴이 발생하였으며, 이로 인해 인공어초가 안정성을 잃고 전면부 또는 후면부로 기울어지는 현상이 나타났다. 무보강된 인공어초의 경우 인공어초 전면부 및 후면부의 세굴 발생으로 인해 약 15° 정도 기울어졌고, 지오그리드 단일 보강의 경우 약 5°로 기울어졌다. 반면 지오그리드와 대나무매트 결합 보강의 경우에는 기울기 현상이 나타나지 않고 안정적으로 인공어초를 지지하고 있는 것으로 나타났다.
[Fig. 11] Reinforcement type
본 연구에서는 인공어초가 설치된 해저 연약지반에서 발생하는 침하 및 세굴을 저감하기 위해 토목용 보강재인 지오그리드 및 하이브리드 대나무매트 보강재를 보강하여 실내실험을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
(1) 보강 유·무에 따른 관입시험 결과 무보강에 비해 지오그리드 및 하이브리드 대나무매트 보강재의 지지력이 크게 증가하는 경향을 보였다. 특히 하이브리드 대나무매트 보강재에서 더 큰 보강 효과를 보였다. 이는 대나무매트의 강성이 우수하여 관입시 하이브리드 대나무매트가 지반의 구속응력을 증가시킴으로써 모래의 마찰력을 증대시켜 나타난 결과로 판단된다.
(2) 2차원 수리 모형 실험 결과로부터 해저 지반을 보강할 경우 세굴이 적게 발생하는 것을 알았다. 이는 해저 바닥에 설치된 보강재가 세굴을 유발시키는 유속을 저감시킬 뿐만 아니라 지반과 접촉하여 모래 입자의 이동을 저지하기 때문인 것으로 사료된다.
(3) 2차원 수리 모형 실험 결과 인공어초 하부지반의 보강 면적이 증가할수록 세굴 및 침하량이 점차 감소하는 경향을 보였다. 지오그리드 단일 보강에서는 보강재의 넓이가 1배(1A)인 경우에는 보강효과가 낮았으나 이후 점차 보강효과가 증가하는 경향을 보였으며, 3배(3A) 부터는 보강효과가 수렴되는 경향을 보였다. 또한 하이브리드 대나무매트 보강재의 경우에는 1배(1A)에서 지오그리드 단일 보강보다 더 높은 보강 효과를 보였으며 2배(2A)부터 세굴 및 침하 저감효과가 수렴되는 경향을 보였다.
(4) 보강에 따른 인공어초의 안정성 평가를 위해 세굴 및 침하로 인한 인공어초의 기울기를 관측한 결과 하이브리드 대나무매트 보강재의 경우 보강으로 인해 지반의 강성이 증가하여 인공어초가 안정적으로 설치되어 있는 것으로 나타났다.
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[ Fig. 1 ]  Settlement of artificial reefs observed by diver (Kim et al., 2010)
[ Fig. 2 ]  Particle size distribution
[ Table 1 ]  Physical properties of sand
[ Fig. 3 ]  Concept of reinforced ground with geogrid and hybrid bamboo mat
[ Fig. 4 ]  Reinforced types
[ Fig. 5 ]  Section of 2-dimensional large water tank
[ Table 2 ]  Experimental conditions for design condition
[ Fig. 6 ]  Load-settlement curves
[ Fig. 7 ]  Contour line with respect to reinforced areas
[ Fig. 8 ]  Characteristics of scouring depth
[ Fig. 9 ]  NSR with reinforcement type
[ Fig. 10 ]  SRR with reinforcement type
[ Fig. 11 ]  Reinforcement type
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