보강재가 적용된 인공어초 지반의 지지력, 침하 및 세굴 특성 연구

Abstract

An artificial reef is a human-made structure installed in the seabed to protect and cultivate marine life. Artificial reefs can be used effectively to create a spawning ground, habitat, sea ranch, or sea forest. To avoid settlement and scouring of the seabed, geotechnical characteristics such as soil type, grain size distribution, shear stress, and unconfined compressive strength are all considered. This study examines an artificial reef that was actively installed to restore marine ecosystems and increase fish catching. An artificial reef that is installed on soft ground will lose its function due to settlement and scouring of the seabed. A series of laboratory tests were performed to investigate the settlement and scour characteristics of the seabed installed artificial reef according to soil types, reinforcement types and reinforced area. To reduce settlement and scour of the seabed under the artificial reef, two types of seabed reinforcement were applied in this study: a geogrid and geogrid-bamboo mat (i.e., a geogrid and bamboo mat in combination). The soil types tested were clay, silt, and sand deposits. Several series of laboratory tests, including the California bearing ratio (CBR) test, large size settlement test, and two-dimensional (2-D) water channel test were performed to examine the effects of soil type and reinforcement type, with different reinforced areas, on the settlement and scour characteristics. .The experimental model of the artificial reef had a hollow, cuboid shape, which is the most commonly used type of artificial reef in South Korea. Froude similitude was also taken into consideration in the experimental conditions of the 2-D water channel scour test. Hydraulic experiemntal conditions were calculated based on actual observational data of the South Sea of Korea. To find out the geotechnical characteristics of each soils installed artificial reef,calculated bearing capacity increase ratio (BIR) from CBR test. The variations of BIR value tends to increase as the reinforced area increases, especially three times of reinforced area. In addition, the BIR values of geogrid-bamboo mat(GBM)-reinforced soils are significantly higher than those of geogrid-reinforced soils, because the geogrid-bamboo mat has a high flexural rigidity compared to the geogrid. The settlement test results showed that a largest settlement occurred in the clay deposit without reinforcement, which was about 25% height of the artificial reef. From settlement test restuls, this study calculated settlement reduction ratio (SRR) with each soil types with different reinforced type. For different soil types, SRR values were fround to range from 38.5~63.6% for sand deposits, 30.5~42.9% for silt depostis, and 32.6~44.7% for clay deposits. Soils reinforced with a GBM show a greater reduction in settlement compared to geogrid-reinforced soils due to the high bending stiffness. From 2-D water channel scour test carried out to investigated scour patten with sand and silt deposits. Reinforced with a geogrid or geogrid-bamboo mat tend to reduce as the reinforced area increases. Scour ratios of soils reinforced with a geogrid-bamboo mat were found to be smaller than those of geogrid-reinforced soils. The experimental results showed that geogrid or geogrid-bamboo mat reinforcement of soft ground contributes to reduce settlement and scour. Numerical analysis shows the velocity vector and scouring patten around artificial reef which is same condition with experiment. The results were in good agreements with the experimental test results and a scouring patten It was found that improved soft ground with reinforcement which installed artificial reef, reduced settlement and a case of scouring patten. The settlement and scour characteristics were found to be the most important factors in maintaining the stability of an artificial reef on soft ground. The experimental results indicated that reinforcement of soft ground can reduce settlement and scouring of the ground.

우리나라 경제 성장에 따른 임해공업단지 조성, 연안의 매립, 해안의 육지화, 무분별한 어획 등 다양한 원인에 의해 연안해역의 서식 환경이 점차 악화되어 가고 있다. 이로 인해 해양 식량의 생산성이 저하되고 수산자원이 점차 감소하여 어획 소득이 급격하게 저감되고 있는 추세이며, 이러한 현상을 해결하고자 정부에서는 인공어초를 이용한 수산자원회복 사업을 실시하고 있다. 인공어초(artificial reef)는 인공적으로 해저 및 해중에 인공 구조물을 설치하여 대상 해양 생물의 정착 및 보호와 배양을 목적으로 하는 어장 시설로서 해양생물의 생활 환경과 그 특성을 고려한 수산자원 조성 방법으로, 군집되는 해양생물의 종류 및 개체 수가 자연적인 암초와 유사한 경향을 나타낸다. 인공어초시설사업은 1971년부터 사업에 착수하여 초기(1971∼1980년)에는 시험시설단계로 소규모로 시설사업을 추진하여 왔으나, 1991년 이후에는 동사업의 시설효과가 입증되면서 전국 11개 연안 시·도로 사업이 확대되었으며, 매년 지속적으로 사업비가 투입되고 있다. 인공어초 설치를 위한 적지 선정의 경우 일반적으로 수심, 유속, 용존산소, pH, 해저 지형, 지반 상태 등 다양한 항목을 조사하고 이를 검토하여 판정한다. 하지만 이러한 사전 조사에도 불구하고 일부 해저 지반의 경우 인공어초의 자체 무게 및 해양 외력 조건 등에 의해 시간 경과에 따라 인공어초의 침하 또는 매몰 현상이 발생하며 이로 인한 인공어초의 유실 및 파손이 관측되는 경우가 종종 나타난다. 또한 해수 흐름의 영향이 탁월한 지역에 인공어초가 설치될 경우 구조물의 영향으로 인하여 인공어초 주벼에 국부적인 해저지형의 변화가 발생한다. 이와 같은 세굴 현상은 인공어초가 매몰되는 원인이 되기도 하므로 인공어초가 설치된 지반에서 발생하는 침하 및 세굴에 영향을 주는 주요 인자들에 대해 파악하는 것이 중요하다. 기존 연구 동향을 살펴보면 인공어초 주변에서 발생하는 수리학적 조건에 대한 특성 또는 현장에 설치된 인공어초의 보존 상태에 대한 연구가 주를 이루고 있으며, 지반공학적인 측면에 대한 접근은 현재까지 미비한 실정이다. 또한 인공어초의 침하 또는 세굴 현상을 저감하고자 다양한 형태의 인공어초 침하 및 세굴 방지 기법이 제시되었으나, 이는 인공어초의 형상 등에 기인한 것으로 이와 같이 새로운 인공어초를 제작할 경우 시간적·경제적인 문제가 야기될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 인공어초 적지 선적의 폭을 증대시키고 기존에 개발되었던 인공어초의 계획적인 활용을 위해 침하 및 세굴 저감용 보강재를 개발 및 적용성을 평가하고자 하였다. 본 연구에서 적용한 보강재는 대표적인 토목용 보강재인 지오그리드(geogrid)를 이용하여, 인공어초의 형상 및 재질 등과 같은 새로운 인공어초의 제작이 아니라 기존의 인공어초를 그대로 활용하면서 침하 및 세굴을 저감하고자 하였다. 또한 상대적으로 강성이 취약한 지오그리드의 단점을 보완하기 위해 지오그리드와 대나무매트(bamboo mat)를 결합한 geogrid-bamboo mat(GBM)을 제작하였으며, 보강도는 멵거을 인공어초 하부 면적 대비 1배, 2배, 3배 및 5배와 같이 다양한 배율로 적용하여 각각 그 특성을 알아보았다. 지지력 실험, 수조 침하 실험, 2차원 흐름 세굴 실험 등 다양한 실내 실험을 통해 인공어초가 설치된 지반의 보강 유·무에 따른 인공어초의 침하 및 세굴 저감 특성을 알아보았으며, 모래, 실트 및 점토 등 지반 조건을 달리하여 각 조건에 따라 실험을 수행하였다. 이때 수조 침하 실험은 총 3단계의 하중 조건(인공어초 무게 대비 1배, 2배 및 4배)으로 각각 24시간 동안 관측하였으며, 2차원 흐름 세굴 실험은 Froude 상사법칙을 고려하여 수행하였다. 이때 적용된 수리학적 조건은 남해안의 실제 관측 데이터를 기준으로 산정하여 적용하였다. 또한 유한요소 해석 프로그램인 Flow-3D를 이용하여, 실내 실험과 동일한 조건으로 수치 해석을 수행하여 인공어초의 세굴 특성에 대한 비교 및 분석을 수행하였다.