모래와 시멘트를 충진한 토목섬유 모래통 방파제의 안정성 및 수력성능에 관한 예비조사

Dec 23, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15244(2022) 이 기사 인용

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방파제는 자연 보호 조치가 부족한 경우 항만 및 항만 구조물에 평온함을 제공하는 필수 건축물입니다. 전통적으로 이러한 거대한 구조물은 무게가 1톤에 달하는 천연 암석을 사용하여 건설되었습니다. 현재 시나리오에서는 거대한 자연 암석을 얻는 것이 어렵고 환경 친화적이지 않습니다. 토목섬유 모래 용기(GSC)는 방파제의 암석 갑옷 장치에 적합한 대안으로 떠오르며 다양한 문헌에서 그 효능을 뒷받침합니다. 본 연구의 목표는 계산된 양의 시멘트와 모래로 채워졌을 때 GSC의 성능을 분석하는 것입니다. 시멘트 및 모래로 채워진 지오텍스타일 방파제 모델의 수력학적 성능 및 안정성 분석은 1:30 크기의 단색 파도 수로에서 수행됩니다. GSC 방파제를 모래와 시멘트로 채울 경우 모래만 채운 장치에 비해 파도 런업, 런다운 및 반사가 크게 감소하여 최대 43% 향상된 안정성이 관찰됩니다. 결과적으로 시멘트-모래로 채워진 GSC 장치는 기물 파손에 대응해야 하는 모래만으로 채워진 장치에 대한 가능한 대안으로 제안될 수 있습니다.

방파제는 일반적으로 파도 에너지를 소산하도록 건설되어 항구에 정박된 선박에서 화물을 쉽게 싣고 내릴 수 있도록 항구 지역 내부에 조용한 환경을 조성합니다. 또한, 항만의 원활한 기능을 위해서는 조용한 항만지역이 유리합니다. 바다의 파도는 장마철에 심각한 해안 침식을 일으키는 경우가 많으며 해안 생태계, 생계 및 지역 사회에 재앙을 초래할 수 있습니다. 세계적인 기후 변화와 그에 따른 해수면 상승은 인접한 해안 지역에 심각한 파도 현상, 침수 및 해안 홍수를 일으킬 수 있습니다1. 반복되는 사이클론과 관련 폭풍 해일은 최근 우려 사항입니다2,3,4. 따라서 해안지역에 피해파도가 미치는 악영향을 줄일 수 있는 보호구조물의 마련이 불가피하다.

해안 보호 구조물은 일반적으로 단단할 수도 있고 연성일 수도 있습니다. 모래 우회, 사구 보충, 식물 보호, 해변 복원 등은 소프트 솔루션으로 간주됩니다5,6. 수중 및 출현 방파제, 제방, 방파제, 호안 및 사타구니 등이 하드 솔루션으로 채택됩니다7,8. 수년에 걸쳐 돌무더기 또는 암석 장갑 구조물이 가장 일반적으로 채택되는 방파제 시스템이었습니다9. 천연 암석 비용의 놀라운 증가, 가용성 감소 및 많은 주에서의 채석 금지로 인해 암석 구조에 대한 실행 가능한 대안이 필요합니다10. 수년에 걸쳐 인공 갑옷 유닛에는 엄청난 혁신이 있었습니다. 콘크리트 큐브, 테트라포드, 아크로포드, 돌로스, 코어 록 등은 주목할만한 갑옷 유닛입니다9,11,12,13,14,15. 혁신적인 방파제 구조물 설계에 대한 연구가 확대되었습니다. 이와 관련하여 주목할 만한 기여로는 반원형 및 1/4원형 방파제16,17, 판형 방파제18, 직렬 방파제19, 부유관 방파제20,21, 파일 방파제22,23 등이 있습니다. 이와 함께 토목섬유는 다양한 해안 엔지니어링 응용 분야에도 널리 사용됩니다. 토목섬유는 다양한 토목공학 응용분야에 사용될 수 있는 광범위한 천연 또는 인공 고분자 재료를 의미합니다24. 토목섬유에는 지오텍스타일, 지오멤브레인, 지오그리드 등(도로 건설, 폐기물 관리, 경사면 보호 등을 포함한 토목 공학 응용 분야에 사용됨)이 포함되며 지오텍스타일은 해안 엔지니어링 응용 분야에 널리 사용됩니다25,26. 지오텍스타일의 해안 엔지니어링 적용에는 호안27, 제방28, 방파제29, 방파제 장갑 장치30,31 및 기타 해안 보호 구조물8,12,32,33,34,35이 포함됩니다. 토목합성 모래 용기(GSC)는 기존 암석 구조물에 비해 다양한 이점을 갖는 것으로 입증되었습니다36. 이는 균일한 크기의 다양한 갑옷 유닛을 공급할 수 있는데, 이는 암석의 경우 매우 어렵습니다37,38. 컨테이너의 크기가 클 경우 단위 부피당 비용을 줄일 수 있어 공사 시간이 크게 단축됩니다. 채우기 비율은 맞물림과 유연성으로 인해 안정성과 모양에 영향을 미칩니다. 또한 기존 구조물에 비해 가파른 경사면에도 쌓을 수 있습니다. 토목섬유 구조물의 또 다른 매력적인 특징은 현지에서 구할 수 있는 재료로 튜브나 용기를 현장에서 충전할 수 있다는 점으로, 건설 비용이 효율적이고 신속하게 이루어집니다. GSC 유닛이 시각적인 영향을 미친다는 사실에도 불구하고 위에서 언급한 장점으로 인해 모래로 채워진 토목섬유 유닛은 기존의 잔해 제방 방파제의 1차 및 2차 장갑 유닛에 대한 실행 가능한 대안이 됩니다. 방파제 구조에서 지오텍스타일 단위의 성능을 정량화하려는 시도는 적었고, 이는 현재 연구를 추구하도록 동기를 부여했습니다.