2.1. 온도계측을 이용한 교량 세굴 및 수위 측정 방법

온도계측을 이용한 교량 세굴 및 수위 측정방법 (^{Joo et al., 2009a})은 교각에 수직으로 계측장치를 설치하고 일정간 격으로 설치된 온도 센서의 온도를 측정하여 수면 위치와 수 중 지면의 위치를 추정하는 방법으로 대기온도와 수온, 수온 과 수중 지온의 차이를 분석하여 수면 및 수중 지면의 위치 를 추정한다 (Fig. 1 참조). 그리고 개발된 방법은 절대적인 온도 차이뿐만 아니라 대기와 수중 그리고 지중의 일변화량 이 서로 다르다는 점을 이용하여 수면의 위치와 수중 지면 위치를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 하천에서 매질별 예 상 일간변화량 (기준점 좌측)과 계절별 (여름과 겨울) 낮 최 고기온일 때 예상 온도분포 (기준점 우측)를 Fig. 2에 나타내 었다. 일간 온도변화량은 지중이 가장 작고, 수중이 지중보 다 상대적으로 크며, 대기의 온도변화량이 가장 클 것이다. 또한 한낮기준으로 여름의 대기온도가 가장 높고 지중의 온 도가 가장 낮고, 반대로 겨울이면 지중의 온도가 가장 높고 대기의 온도가 가장 낮을 것이다. 특히 매질의 경계면인 수 면과 수중지면에서는 급격한 온도변화가 나타날 것이다. 이 와 같은 매질별 온도특성 (절대온도 및 일변화량)을 이용하 면 온도계측만으로 수면의 위치와 수중지면의 위치를 추정 할 수 있다. 개발된 교량 세굴 및 수위 측정방법은 분석방법 이 단순하고, 계측장치를 교각에 단단하게 고정시켜 측정하 므로 교량상시계측시스템에 적용될 경우 홍수와 같은 재난 상황에서도 세굴 및 수위 측정이 실시간으로 가능하여 세굴 및 수위 변화에 따른 위험징후를 신속히 파악할 수 있다. 이 는 재난상황에서 교량 안전관리에 상당한 도움이 될 것으로 기대된다.

Fig 1.

Concept of new measuring method for the scour and the water level using temperature difference between medium interfaces

Fig 2.

Temperature distribution in river by each medium for four seasons

3.1. 매질별 절대온도 확인

실제 하천조건에서 대기온도와 수중온도, 그리고 포화지중 온도를 계측하여 매질별 절대온도 차이와 경계면에서의 온 도변화 양상을 알아보고자 계측장치를 제작하고 현장계측을 실시하였다 (^{Joo et al., 2009b}). 실험은 작은 하천에 설치된 인도교 (Photo 1 참조)에서 실시하였으며, 계측장치 (Photo 2, Photo 3, Fig. 3 참조)는 단위길이 (100mm)마다 온도센서 를 부착한 2,000mm 길이의 온도 계측장치로 고정지지대는 열전도율이 매우 낮은 FRP Bar를 사용하였다. 하천 현장계 측은 총 2회 실시하였으며, 첫 번째 계측조건은 기온이 약 18°C이고 수심이 약 600mm 인 조건이었고, 두 번째는 기온 이 약 29°C이고, 수심이 약 400mm인 조건에서 계측하였다. 두 계측 사이에는 세굴은 발생하지 않았다.

Photo 1.

Environments for field tests

Photo 2.

Installation of the measuring device

Photo 3.

Measuring device for temperature

Fig 3.

Measuring condition for field tests

3.2. 세굴 발생에 따른 수중지면 주위 온도변화 확인

세굴 발생 환경에서 수중지면 주위의 온도변화를 알아보기 위해, 실험실에서 단순하게 하천모형을 만들고 인위적으로 세 굴을 발생시키면서 수중지면 주위 온도변화를 계측하였다 (^{Joo et al., 2010}). 이를 위하여 Photo 4와 같이 폭 1,400mm, 넓이 900mm, 높이 500mm의 수조에 약 350mm의 모래를 채우고, 약 100mm씩 2차례 세굴을 발생시키면서, 50mm 높 이 간격으로 설치된 온도 계측장치(Fig. 4, Photo 5 참조)를 이용해 위치별 절대온도의 변화와 시간에 따른 온도 변화패 턴을 확인하였다.

Photo 4.

Test environments for lab experiments

Photo 5.

Measurements of scour

Fig 4.

Measuring condition for lab experiments

3.3. 실교량 환경에서의 수중지면 주위 온도변화 확인

실제 교량환경에서 시간에 따른 온도변화 패턴 분석방법 으로 수중지면의 위치 추정이 가능한지 확인하고자 수심이 약 6m인 환경에 위치한 교각 (Photo 6 참조)에 온도 계측장 치를 Fig. 5와 같이 설치하고 하루 동안 온도 변화량을 계측 하였다 (^{Joo et al., 2013}). 교각에 설치된 온도 계측장치는 Photo 7과 같이 길이 8m, 지름 50mm인 FRP 재질의 봉형식 으로 제작되었으며, 선단부에 200mm 간격으로 10개의 FBG 온도센서를 설치하여 최대 1.8m 높이의 온도를 200mm 간 격으로 측정할 수 있도록 제작하였다. Photo 8은 교각에 설 치된 온도계측장치의 사진이다.

Photo 5.

Measuring condition

Photo 6.

Measuring environments of the existing bridge

Photo 7.

Measuring device for temperature

Photo 8.

Installation of the measuring device on a pier

4.1. 매질별 절대온도 확인 결과

계측위치에 따른 온도 계측결과를 Fig. 6에 나타내었다. 이해를 돕기 위해 실제 수면과 수중지면의 위치도 함께 표시 하였다. 매질의 경계면인 수면과 수중지면 주위에서 온도가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한 지중의 온도 패턴, 수중의 온도 패턴 그리고 대기의 온도 패턴에 차이가 있어 위치에 따른 온도 계측만으로도 수중지면의 위치와 수 면의 위치를 추정할 수 있다. 특히 수심이 1m 미만의 낮은 하천에서는 수심에 따른 온도차이가 거의 없었다. 그리고 지 중의 온도는 특정온도 (10°C)로 수렴하는 경향을 확인하였 다. 실제 교각주변의 온도변화와는 다소 차이가 있을 것으로 예상되나 본 연구에서 개발한 방법은 하천 수면의 위치와 수 중 지면의 위치를 추정하는 방법으로 타당하다고 판단된다.

Fig 6.

Result of measured temperature by position

4.2. 세굴에 따른 수중지면 주위 온도변화 확인 결과

세굴에 따른 수중지면 주위 온도변화를 확인하기 위하여 초기 하천조건에서 세굴을 2차례 발생시켰다. 1차 세굴량은 약 100mm, 2차 세굴량은 약 50mm로 총 150mm의 세굴조 건을 만들었다. Fig. 7(a)는 세굴 발생에 따른 위치별 온도를 나타낸 그림으로 수면과 수중지면 부근에서 온도변화가 크 게 일어남을 다시 한 번 확인 할 수 있다. 본 실험 조건은 물 의 흐름이 없고 지중의 두께가 얇아 실제 하천 조건과 비교 하여 수중과 지중온도 변화의 차이가 상대적으로 작은 조건 임에도 수중지면에서 온도변화를 명확하게 확인할 수 있다. 실체 하천에서는 본 실험결과보다 더욱 명확할 것으로 예상 된다.

Fig 7.

Result of temperature measurement under scour condition in the lab

Fig. 7(b)는 시간에 따른 온도변화 패턴을 나타낸 그림으 로 매질의 종류 (대기, 수중, 지중)별로 시간에 따른 온도변 화의 패턴이 상이한 것을 확인할 수 있다. 매질별 열전도율 의 차이로 인하여 일출 (오전 6시)이후부터 정오까지 대기온 도는 지속적으로 증가하는 반면, 지중온도는 반대로 감소하 였고, 수온은 감소하다가 다시 증가하여 오전 6시의 온도와 정오의 온도가 비슷하였다. 이처럼 위치별 절대온도뿐만 아 니라 시간에 따른 온도변화 추이를 분석해도 수면의 위치와 수중지면의 위치를 추정할 수 있다. 따라서 위치에 따른 절 대온도 경향 분석과 시간에 따른 온도변화 패턴 분석방법을 동시에 적용할 경우 보다 정확하게 수중지면과 수면의 위치 를 확인할 수 있을 것이다.

4.3. 실교량 환경에서 수중지면 주위 온도변화 확인 결과

하천에 위치한 교량 교각에 온도 계측장치를 설치하고 시 간에 따른 온도 변화량을 계측한 결과를 Fig. 8에 나타내었 다. 계측 시작점을 기준 (0)으로 시간에 따른 온도 변화량을 약 24시간 측정하였다. 시범 제작된 세굴센서는 보호덮개에 대한 검⋅교정을 실시하지 못하고 현장에 설치되어 계측결 과는 위치별 온도의 상대적 변화패턴 비교에 한정하였다. 측 정결과, 포화지중의 온도변화 패턴과 수온변화 패턴 그리고 수중지면 부근의 온도변화 패턴이 상이한 것으로 나타났다. 지중온도와 수온 그리고 경계부분의 온도변화 패턴을 그림 에 각각 구분하여 나타내었다. 시간에 따른 지중의 온도변화 는 거의 없으며, 수온변화는 지중의 온도변화와 비교하여 상 대적으로 큰 변화를 나타내었다. 특히 수중지면 부근의 온도 변화폭이 가장 크게 나타났다. 본 실험조건에서의 시간에 따 른 온도 변화 패턴 분석결과 수중지면은 No.3과 No.5 사이에 있는 것으로 추정되었으며, 이는 수면으로부터 약 6.4~6.8m 정도의 위치로 실제 수심 (약 6.5m)과 유사한 결과이다. 따 라서 시간에 따른 온도변화량 분석방법만으로 실제 교량 환 경의 수중지면 추정도 가능하나 정밀도 향상을 위해 추가적 인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig 8.

Result of temperature measurement under scour condition in the field (river)

그리고 수중지면 부근의 수온변화량이 일반 수온변화량 보다 크게 나타난 것은 교각주변에 형성되어 있는 세굴홀 (Scour hole)의 영향으로 추정된다. 하천에 위치하는 교각 주 변은 난류가 발생하여 반드시 세굴홀이 발생하게 되는데, 세 굴홀에서 일어나는 난류의 영향으로 시간에 따른 일반적인 수중온도 변화패턴과 상이한 결과가 계측된 것으로 추정된 다. 본 실험 연구를 통해 교각 주변, 특히 세굴홀에서의 온도 변화 패턴이 일반적인 수온 변화 패턴과 상이함을 확인하였 다. 향후 실제 하천 교각에서 발생하는 국부세굴 환경 (세굴 홀)에서 수중지면 부근의 온도변화에 대한 추가적인 검증 연 구가 필요하다.