1. 서 론
2. 활용재료의 물성 특성 분석
3. 수리적 안정성 확보 실험
3.1 바이오폴리머 포설두께에 따른 세굴특성 실험
3.2 고유속 수리적 안정성 (최대유속 및 허용소류력) 실험
3.3 고유속 소재이탈 실험
3.4 호안기술의 피복식생 이탈실험
4. 실험 결과
4.1 바이오폴리머 포설두께에 따른 세굴특성
4.2 개발 기술의 고유속 수리적 안정성 평가
4.3 개발기술의 소재 이탈 평가
4.4 바이오폴리머 호안기술 피복식생 이탈 평가
5. 결 론
1. 서 론
하천에서 이상기후 및 홍수에 대응함과 동시에 하천의 생태계도 고려하고 인간의 친수적인 기능을 확보하기 위하여 다양한 형태의 하천복원 기술이 개발되고 있다 (Park and Ji 2010, Kim et al. 2015, Choi et al. 2017). 특히 홍수에 견딜 수 있는 치수적인 안전성 확보가 전제 되어지는 하천공간에서는 경제적으로 값싸고 치수에 강한 콘크리트 제품을 사용하는 경우가 많다 (Paik et al. 1999). 콘크리트를 활용한 기술은 하천에 적용 시 강염기 (pH 12정도)가 지속적으로 용출 (10년)되어 하천생태계에 악영향을 미치고 있다고 보고되고 있다 (Hillier et al. 1999, Li et al. 2001, Park et al. 2015, Kim et al. 2016, Lee et al. 2019). 이러한 콘크리트 소재를 이용한 하천호안은 국내 대부분의 도시하천에서 확인할 수 있다 (Ahn et al. 2017a, MOF 2019). 또한, 하천복원이라는 명목으로 자연석을 과다하게 활용함으로써 오히려 이질적인 인공하천을 양산해 내는 문제가 발생하기도 한다 (MOLIT 2016, Ahn 2018).
이러한 문제로 인하여 치수와 하천생태를 고려한 다양한 형태의 하천복원기술이 개발되고, 또한 현장에 적용되고 있으나 국내 여건을 제대로 반영한 기술, 하천의 수리적인 안정성이 제대로 검증된 기술이 많지 않다. 대부분의 기술들이 개발기술의 자중, 체결 및 몰탈 처리하여 수리적인 안정성이 확보되지 않은 상태로, 오히려 생물서식 공간을 훼손하고 있는 실정이다 (Ahn 2018, Kim et al. 2019, Lee et al. 2019, Kim et al. 2022). 사석이나 돌망태공을 이용한 하천호안은 세굴방지에 높은 효과를 발휘한다는 장점이 있지만, 기후변화로 인한 돌발홍수나 계획홍수를 벗어나는 상황에서는 쉽게 파괴 및 유실되는 단점을 지니고 있다 (Ahn et al. 2017a). 특히, 시간이 지남에 따라 파괴되거나 유실되는 경우 최종적으로 하천구조물 전체의 안정성에도 영향을 미치게 된다 (Ji et al. 2008, Ji et al. 2009, Park and Ji 2010). 이와 더불어 기후변화로 인한 강우량의 증대 및 집중호우 등 돌변하는 하천환경변화에는 약한 것이 현실이다 (Lee et al. 2011). 콘크리트 제품의 경우 소재의 안정성은 앞서 말한 기술보다 높지만, 식물 및 수생동물에 대한 독성물질 용출 및 미관상의 이유로 문제가 되고 있다 (Tang et al. 2018, Lee et al. 2019). 또한, 하천공사설계실무요령에서 호안공법을 선정하는 방법으로 호안공법 설계유속과 호안별 허용소류력을 제시하고 있으나, 일부 식생호안의 경우를 제외하고는 수리실험을 통한 과학적인 안정성 보다는 외국자료에 근거하거나 경험 값에 의존하고 있기 때문에 개발기술의 안전성에 대한 과학적인 신뢰성이 부족한 상황이다 (MOLIT 2016, Ahn 2018). 더욱이 이상기후 및 돌발홍수 등 하천환경변화에 적용 가능하여야하며, 유해한 독성물질을 방출시키지 않아 하천환경 및 하천 생물의 생활사에 영향을 주지 않는 친환경적 소재를 활용하여 치수적으로 안정성을 강화시키고, 생태적으로도 건강한 생태하천 복원 기술개발이 요구되는 실정이다 (Ahn et al. 2017a, Ahn et al. 2017b).
본 기술은 무독성 소재인 피마자유에서 추출한 바이오폴리머를 활용하여 자연 친화적인 다층다공성 하천호안 보호기술을 개발하였다. 이 기술은 골재와 골재 사이를 바이오폴리머 소재로 결합하여 포설하는 일체형 다공성 골재층으로 구성되어 있으며, 표면엔 식생 활착이 가능한 구조를 지니고 있다.
본 연구에서는 개발된 호안기술의 안정성을 검증하기 위하여 먼저, 활용하는 소재의 물성특성을 분석하였고, 개발된 기술에 대한 세굴특성 실험, 최대유속 및 허용소류력 실험, 고유속 소재 이탈 실험, 식생이탈 실험을 수행하여 과학적인 검증을 수행하였다.
2. 활용재료의 물성 특성 분석
활용재료는 한국건설기술원에서 콘크리트 시험검사 방법에 의해 물리특성을 확인하였다 (Ahn 2018). 바이오폴리머를 활용하여 골재를 접착하였을 때, 골재의 크기 및 종류가 다르더라도 접착이 가능함을 확인하였다 (Fig. 1). 물리특성 실험에서는 하천에서 가장 많이 사용하는 13 mm의 골재를 접착하여 물리특성을 분석하였다. 압축강도, 동결 융해 후 압축강도는 각각 11.9 N/mm2, 6.0 N/mm2로 확인되었다. 이는 일반적인 콘크리트 압축강도 (21 - 24 N/mm2) 보다는 낮지만 일정 이상의 압축강도를 포함하고 있어 하천호안에 적용이 가능하다고 판단된다. 휨강도 및 투수계수는 각각 4.5 MPa, 43.5 mm/s로 확인되었다. 콘크리트 단괴의 경우 휨강도는 없거나 매우 낮으며, 투수계수는 없기 때문에, 콘크리트 단괴를 사용하여 하천 복원을 진행할 때 보다 본 소재를 이용할 경우 홍수 시 외부충격에 강하고, 홍수시 공극에 토사가 유입되어 식생활착이 가능하다 (Ahn et al. 2017a, Ahn et al. 2017b, Lee et al. 2019). 분석 결과, 건축소재로 사용하기에는 소재의 강도가 낮지만 일정 이상의 압축강도 및 휨강도, 투수계수, 수질용출 등 하천 복원소재에 사용하기에 좋은 성능을 지니고 있기 때문에 호안 및 하천보호공의 재료로서 활용에는 문제가 없는 것으로 판단되었다 (Tables 1, 2).
Table 1.
Results of physical properties of the biopolymer material
Table 2.
Comparison on characteristics between existing cement and biopolymer materials
3. 수리적 안정성 확보 실험
3.1 바이오폴리머 포설두께에 따른 세굴특성 실험
본 실험의 목적은 다층다공성 호안을 실험 수로에 설치하여 바이오폴리머 포설두께 및 사석필터 유무에 따른 세굴 특성을 파악하고 세굴의 영향이 없는 한계조건에 대한 실험결과를 얻고 이를 통해 설치두께 산정식을 제시하고자 한다.
실험수로의 제원은 길이 (L) 50 m, 폭 (B) 1.2 m, 높이 (H) 1.5 m이며, 낙차공의 제원은 길이 (L) 0.15 m, 폭 (B) 1.2 m, 높이 (Wh) 0.6 m이다 (Fig. 2).
사석필터층 없이 바이오폴리머 코팅 골재만을 이용한 실험의 재원은 길이 (L) 2.0 m, 폭 (B) 1.2 m, 두께 (Ht) 0.1 m, 0.15 m 로 수행하였다. 재료는 평균입경 0.443 mm의 모래로 실험수로 구간에 최소 10 - 20 cm 두께로 균일하게 다져서 실험용 지반층으로 사용하였다. 실험구조체는 완성된 지반층위에 설치하였으며, 실험수로와 접합되는 부위 등과 같은 세굴에 영향을 줄 수 있는 부분은 유점토를 이용하여 영향을 최소화하였다. 실험구간의 유량을 0.1 m3/s로 조정하여 실험을 수행하였으며, 각각의 실험에 따라 수위와 평균유속을 측정하였으며, 유하시간은 120분 동안 수행하였다. 이후 바닥의 세굴을 평가하였다.
필터층을 고려하여 흡출 실험을 수행하여 필터층 두께를 고려한 최적포설두께 검토하고자 하였다. 최적의 포설두께는 기술에 대한 경제성과 관련된 부분으로 적은양으로 최대의 효과를 확인해야 되기 때문에 기술개발에서 중요한 부분이다. 실험방법은 수리조건과 사석크기, 공극, 재료 등과 같은 재료특성을 고려한 허용한계 실험으로 재료는 균일사 및 사석으로 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 제원은 길이 (L) 1.6 m, 폭 (B) 1.2 m, 두께 (Ht) 0.05 m, 골재의 입경은 0.010 m, 0.025 m이다. 사석 필터층의 재원은 사석지름 ()은 0.013 m, 길이 (L) 1.6 m, 포설폭 (B)은 1.2 m이다. 실험에 사용된 재료는 모래이며 제원은 평균입경 0.443 mm이다. 통수시간은 180분 동안 수행하였으며, 포설두께는 투수성보호공과 사석필터를 포함하여 총 0.20 m 로 하였다. 포설조건은 총 포설두께는 변화시키지 않으면서 투수성보호공과 사석 필터의 두께를 조절하여 실험을 수행하였다.
3.2 고유속 수리적 안정성 (최대유속 및 허용소류력) 실험
개발 기술의 고유속 수리적 안정성 성능평가를 확인하고자 유속 변화에 따른 호안 안정성 능력 한계치 검토 실험을 수행하였다. 한국건설기술연구원 안동하천실험센터 내 고유속 수로에서 실험을 수행하였으며, 수로의 재원은 폭 2.0 m, 길이 30.0 m이다. 실험구간은 수로의 중앙 10.0 m에서 진행하였으며 해당구간은 강화유리로 설치되어 있어 실험 중 시험체 또는 주변에서 발생하는 흐름현상을 관측할 수 있다 (Fig. 3). 수로경사는 13/100 (12.77 %, 7.3°)의 경사로 이루어져 있으며 최대 8 m3/s의 유량 공급이 가능하며, 전단응력은 800 N/m2 이상 재현이 가능하다. 실험 조건은 단위 폭 당 유량조건은 0.6 m3/s에서 4.2 m3/s까지 증가시킨 후 조건 당 30분 동안) 물을 흘려주었다. 실험 조건은 총 10개의 Case를 통해 설치한 허용유속 및 허용소류력을 확인하였다.
3.3 고유속 소재이탈 실험
포장 두께 별 소재이탈과 그에 따른 안정성 변화 실험을 위하여 고유속 수리적 안정성 실험장과 동일한 실험장에서 고유속 수로를 이용하여 다양한 유속의 조건에서 이탈을 확인하기 위하여 유량 1.2 m3/s, 2.1 m3/s, 2.6 m3/s 를 각각 60분, 60분, 150분 동안 접촉 후 소재의 이탈을 확인하였다 (Fig. 4). 각 포장 단면두께는 10 cm, 15 cm, 20 cm이며, 소재이탈을 확인하기 위하여 소재 표면에 100 cm × 100 cm 넓이로 각각의 다른 색으로 표시 후 표면 이탈율 및 전체 이탈율을 확인하였다. 골재의 직경은 개당 2.5 cm이며, 1개당 이탈 넓이를 4.9 cm2이라고 가정했을 때, 전체 면적 10,000 cm2을 기준으로 포장 두께 별 이탈율을 확인하였다.
3.4 호안기술의 피복식생 이탈실험
하천호안 기술의 하천호안 기술의 식생피복에 따른 식생이탈 실규모 수리실험 및 수리 안정성 분석을 수행하였다. 실험은 소재이탈 실험과 동일한 구간에서 수행하였다. 식생활착기간은 Fig. 5와 같이 약 2개월 (2021. 09. - 2021. 10.)에 걸쳐서 이루어졌으며, 수리안정성 실험의 조건은 Table 3와 같이 3가지 유량조건별 실험을 계획하였다. 실험체는 실험전 실험용 트레이를 사용하여 식생을 활착 시켰으며, 활착이후 완성된 실험체는 상차 및 견인을 통해 고속경사수로에 안착, 경계층 마감 후 실험을 수행하였다. 실험은 수리안정성 검토를 위해 미국에서 롤형 매트 및 호안블록의 호안설치 이후 수리안정성 검토에 사용하는 ASTM D 6460의 방법을 준용하여 실험을 수행하였다 (ASTM 2007).
Fig. 5
Preparation and installation of experiments on the separation of vegetation covering (a) installation of eco-friendly new material specimens; (b) installation of irrigation facilities; (c) nurturing vegetation; (d) vegetation rooted; (e) movement for installation of the test specimens; (f) installation of the experimental waterway; (e) specimen viewed from an upstream end; (f) specimen viewed from the side.
Table 3.
Experimental conditions for vegetation separation using biopolymer in shore protection
4. 실험 결과
4.1 바이오폴리머 포설두께에 따른 세굴특성
포장두께 및 필터층 두께는 소재의 흡출에 영향을 미친다 (Chiew 1995, Ji et al. 2009). 두께가 적게 산정된다면 비용은 적게 들겠지만 홍수와 같은 강한 외부충격에 약해진다. 또한 두껍게 설치되면 외부충격에는 강하겠지만 비용이 높게 발생된다. 기술을 현장에 적용하려면 경제성 분석도 해야 되기 때문에 적은 비용으로 최적의 효과를 도출하는 식이 필요하다 (Wörman 1989, Chiew 1995, Chiew and Lim 2000, Lauchlan and Melville 2001, Ji et al. 2009).
포장두께는 사석크기 및 두께에 따른 세굴심을 측정하여 세굴보호를 위한 사석재료와 포설두께를 결정하기 위한 것이다. 실험결과 사석필터가 없을 경우 최대 세굴규모는 투수성보호공 입경이 클수록, 포설두께가 클수록 적게 나타났으나 평균적으로 최대 세굴심은 0.089 m, 최대 세굴길이 0.675 m, 최대 세굴폭은 0.667 m로 확인되었다 (Table 4, Fig. 6). 사석필터층 유무에 대한 세굴을 확인하고자 May et al. (2002)의 제안 기준인 100 mm 및 150 mm 필터층을 적용하였을 때 흡출은 발생하지 않았다. 실험결과를 통해 볼 때, 평균 입경 (d50) 100 mm와 250 mm의 사석에 대해 평균 입경 (d50) 120 mm 필터입자를 100 mm 두께를 적용할 때 보호공의 파괴, 세굴, 흡출은 확인되지 않았다. 이는 투수성 보호공이 낙차공을 월류하는 유수에너지를 공극을 통해 감세시켜 필터층에 가하는 에너지를 완화시키기 때문인 것으로 판단된다. 해당 연구내용을 바탕으로 필터의 평균 입경 (d50) 120 mm는 국내 골재크기를 고려할 때 기존에 제안된 입자에 부합될 것으로 판단되며, 특히 일반적으로 시공되는 공법에 적용되는 사석크기에 적절한 것으로 판단된다.
Table 4.
Experimental conditions and results on thickness calculation of paving and filter layer in river bed protection
4.2 개발 기술의 고유속 수리적 안정성 평가
개발 기술의 고유속에서 소재의 안정성 성능평가를 확인하고자 유속 및 유량변화에 따른 호안 안정성 능력 한계치 검토 실험결과를 분석하였다. 실험 결과 총 10개의 Case를 통해 소재의 안정성 확인하고자 허용소류력 평가를 하였을 때, 가장 높은 조건인 단위폭당 유량 4.2 m3/s 및 유속 8.0 m/s에서 소재의 광범위한 이탈은 없으며 안정성을 유지하는 것을 확인하였다 (Table 5). 이때 계산된 허용소류력은 소류력은 67.25 kgf/m2 (659.05 N/m2)으로 확인되며, 이는 국토교통부에서 발간된 하천공사설계실무요령의 하천공법 적용기준 중 하나인 설계유속은 7.0 m/s 이상, 허용소류력은 저수 및 고수호안의 석재에 해당하는 600 N/m2이상으로 강성호안 기준에 충족되는 것으로 판단된다 (MOLIT 2016). 또한 NDMI (2000)에 따르면 설계유속에 대한 기준을 확인하였을 때, 콘크리트 블록의 경우 7.0 m/s에서 적용이 가능하도록 고시하고 있기 때문에 해당 기술은 콘크리트 블록을 대체할 하천 복원기술로 사용이 가능할 것으로 판단되어 진다.
Table 5.
Experimental result value of the tractive force experiment in river bed protection structure
4.3 개발기술의 소재 이탈 평가
두께 별 소재 이탈을 확인을 하였을 때, 표면 이탈율은 10 cm, 15 cm, 20 cm에서 각각 0.343%, 0.343%, 0.392% 로 평균 약 0.3%의 이탈이 되는 것으로 확인되었다 (Table 6, Fig. 7). 전체 이탈율을 확인하였을 때 0.034%, 0.023%, 0.020%로 확인되었으며, 평균 약 0.026%로 매우 낮은 것으로 확인되었다. 약 270분간 소재에 대해 고유속 스트레스를 주었을 때, 소재의 이탈율이 낮아 홍수와 같은 고유속에서 파괴 및 이탈이 일어날 가능성이 적을 것으로 판단되어 하천복원 소재사용이 가능할 것으로 판단된다.
Table 6.
Result of material separation experiment
4.4 바이오폴리머 호안기술 피복식생 이탈 평가
실험체에 작용하는 바닥 소류력은 측정 자료의 선형회귀분석을 통해 결정하였으며 실험의 수리 자료 분석 결과는 Table 7와 같으며 유량조건별 바닥에 작용하는 소류력을 확인하였다. 실험을 통한 최대 소류력은 3차 실험 결과 최대 548.64 N/m2으로 산정되었다. 시험체를 대상으로 총 3회의 실험을 진행한 결과 모든 실험조건에서 일부 지점에서 식생의 이탈이 관찰되긴 했으나, 제품의 손상이나 이탈 등 제품의 안정성을 위협할 정도의 변위는 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 이때 상류단에서 하류단으로 진행될수록 식생의 영향으로 인한 조도값 상승으로 수심 상승 및 유속저감을 확인하였다.
Table 7.
Result for vegetation separation using biopolymer in shore protection
5. 결 론
무독성 소재인 바이오폴리머를 활용한 다층다공성 하천호안보호기술에 대해 다음과 같이 검증할 수 있었다. 물리특성의 결과 기존 콘크리트 단괴 대비 일정 정도의 마모저항성은 있는 것으로 확인되어 건설재료로서 활용에는 문제가 없는 것으로 판단되었다. 포장 및 필터층 두께는 실험을 통하여 물의 영향을 받는 구간에서는 최소 100 mm 이상의 두께를 유지하여야 토양유실을 막을 수 있는 것으로 판단되으며, 이를 통하여 세굴보호를 위한 사석재료와 포설두께를 결정할 수 있었다. 고유속 실험에서는 최대 유속 8.0 m/s, 최대 소류력은 67.25 kgf/m2 (659.05 N/m2)에서 소재의 이탈은 없는 것으로 확인되었다. 또한 높은 유속에도 골재에 정착된 식생의 이탈이 제품의 안정성을 위협할 정도의 변위는 발생하지 않은 것을 확인하였다.
본 연구 결과를 통하여 피마자유기반 바이오폴리머를 활용하여 개발된 호안기술의 수리학적 안정성을 과학적으로 검증 및 확인할 수 있었으며, 향후 친환경적이며 치수적으로 안전한 호안을 조성할 수 있을 것으로 판단된다.
