퇴적물이동 실험의 개요 및 실험과정

퇴적물이동 실험

이번 시간에는 항만설계 시 퇴적물이동 실험에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

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항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

 

실험개요

해안·하구역에서는 소류사(Bed Load)와 부유사(Suspended Load) 형태로 이동하는 퇴적물에 의한 침식, 퇴적 현상을 적절하게 재현·예측하여 시설물 완공 후 선단부의 침식이나 항로·박지의 매몰과 같은 문제를 최소화하여야 합니다.

 

공간적인 퇴적·침식 분포 양상을 모의하기 위해서는 조류, 해류, 풍성류, 하천류 등의 해수유동을 기본 외력으로 하고 필요시 파랑과 해빈류를 고려하여 부유사와 소류사를 재현할 수 있는 2차원 또는 3차원 퇴적물이동 실험을 수행합니다. 수치 모형은 흐름에 의한 퇴적물의 침강, 퇴적, 침식, 재부유, 이류, 확산 및 소류 현상을 모의하고, 흐름과 파랑에 의한 합성 저면 전단응력을 고려하여야 합니다.

 

1) 부유사 모델

수심 적분된 형태의 부유사 이류·확산 방정식은 아래 식과 같습니다. 여기서 t는 시간, u와 v는 x, y 방향의 유속 성분, C는 부유사 농도, Kh는 수평난류확산계수, Qe는 부유사의 외부 생성·소멸항, Ql는 부유사의 내부 생성·소멸항입니다. Qe는 모델 경계를 통한 부유사의 유입과 유출을, Ql는 모델 내에서의 부유사의 침식(재부유)과 퇴적을 나타냅니다.

 

수주로부터 해저면으로의 점성 부유 퇴적물의 플럭스는 Tb<Td 인 경우에 아래 식과 같이 표현됩니다. 여기서 Ws는 퇴적물의 침강속도, Sc는 수주 내의 퇴적물량, Td는 침강이 발생하기 시작하는 퇴적한계 전단응력, Tb는 해저면에 가해지는 전단응력입니다.

해저면으로부터 수주로의 퇴적물 플럭스는 Tb>Te인 경우에 아래식과 같이 표현됩니다.

 

2) 소류사 모델

흐름과 파랑을 동시에 고려하는 소류사 이동량 공식 중에서 널리 사용되고 있는 Bijker(바이커) 식은 아래와 같습니다. 각 격자에서 매 계산시각마다 유속과 파랑에 의한 소류사 이동량으 계산하고, 연속방정식을 풀어서 소류사에 의한 해저면 변화를 계산하게 됩니다.

 

실험과정

실험 전에 해수유동, 하천유량, 파랑, 해빈류 등의 외력 조건과 그 지속 기간을 설정하여야 하며, 전체 실험기간은 1년 이상의 장기간으로 하는 것이 바람직합니다. 퇴적물의 초기 및 경계 조건과 각종 파라메타는 관측치를 기반으로 하되, 관측치가 부족한 경우에는 보정 실험을 통하여 결정합니다.

 

퇴적물이동 실험은 충분한 검정을 수행하지 않을 경우 매우 비션실적인 결과를 도출할 수 있으므로 관측자료와의 검정에 유의하여야 합니다. 검정방안으로는 부유사 농도 시계열 자료의 검정, 단면 측량에 의한 단면 변화의 검정, 그리고 퇴적 및 침식율이 큰 해역에서는 공간적인 퇴적 및 침식 분포의 검정을 수행할 수 있습니다.

 

아래 그림(a)은 수심츨량을 통하여 산정된 강릉항 일대의 연간 퇴적율 분포와 현상태 재현 실험을 통해 산출된 연간 퇴적율 분포를 나타냅니다. 강릉항 부근에서 현상태의 퇴적율 분포와 방사제 건설 후의 퇴적율 분포 계산 예는 그림(b)에 도시한 바와 같습니다.

 

지금까지 항만설계 시 퇴적물이동 실험에 대하여 알아보았습니다. 해안에서 퇴적물에 의한 침식 및 퇴적 현상의 검토는 아주 중요한 부분입니다. 시설물 설계 시 이를 검토하여 항로 및 박지의 매몰을 막고, 선단부의 침식현상을 최소화하여 문제점이 발생하지 않도록 하여야합니다. 그럼 이만~