1. 서 론
최근 들어 치수 기능만을 위한 공학적 효율 위주의 하천관리 정책에서 벗어나, 이수, 환경, 친수 기능 개선을 포함한 생태하천으로의 복원사업이 이루어지고 있다 (Kim et al. 2013). 특히 하천 환경을 중요시하면서 친환경적인 둔치 조성과 저수로 복원이 진행되고 있으나, 하천의 제방을 포함한 하천 경사면과 주요 구조물 주변에 여전히 콘크리트 제품을 주로 사용하고 있다. 콘크리트 제품에 의한 호안공법은 획일화된 형태로 인해 생태 및 친수 공간으로서의 하천 고유 특성을 잘 반영하지 못하고 있다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 사석, 목재, 식생 등의 다양한 재료를 이용한 생태호안공법을 개발하여 시공하고 있으나, 수리적 안정성에 대해 정량적인 평가가 이루어지지 못 하고 있다 (Choi 2001).
호안공법의 적용에 대한 객관적이고 구체적인 설계기준이 없어 설계자의 주관적인 판단이나 소류력 검토를 통해 공법을 결정하고 있으나, 수충부, 비수충부 등의 환경 특성을 반영한 구체적인 설계기법의 개발이 미흡한 실정이다 (Hwang and Lee 2008). 또한 최근에 개발된 다양한 생태복원공법은 주로 중소업체에서 충분한 기술적인 검토를 거치지 않고 양산하고 있는 실정이어서, 각 공법에 대한 구조적, 수리적인 안정성 검토와 식생 활착성 등이 제대로 평가되고 있지 않은 실정이다 (Kim 2006).
하천복원이 하천의 기능 중 환경 기능만을 반영하는 방향으로 이루어져서는 안되며, 반드시 전통적인 치수적 안정성을 확보하는 것을 토대로 하여야 한다 (Park 2009). 국내에서 개발된 호안 블록은 치수적 및 생태적으로 하천 환경에 매우 중요함에도 불구하고, 대부분 이론이나 기초적 실험에 근거하지 않고 경험과 모방에 의하여 개발되어서 수리 실험에 의해 특성이 제시된 경우가 부족하다. 따라서 최근 국내에서 다양한 친환경 호안 블록 제품이 개발되어 하천 현장에 적용되고 있으나 수리적 안정성을 충분히 검증하지 않고 특성을 명확하게 제시 되지 않은 상태로 시공되는 실정이다 (Lee and Tae 2011).
본 연구는 기 개발된 무·저독성 호안블록에 대하여 홍수시 발생하는 고유속에서의 수리적 안정성을 평가하기 위하여, 실규모 수로에서 실제 블록을 설치하고 설계 유량과 유속을 각각 2.5 m3/s와 1.5 m/s로 설정하여 이 블록의 침하 또는 침상의 정도를 측정하였다.
2. 연구방법
본 연구에서 사용한 무·저독성 호안블록은 일정크기의 골재와 폴리올과 이소시아네이트를 혼합한 폴리우레탄 용액을 교반하여 제작하는 투수성 블록의 제조 방법 (특허등록번호 1010847080000)을 기초로 하여 제작하였다. 미국위생협회 (National Sanitation Foundation) 독성 실험 결과에 따르면 냄새, 탁도, 중금속용출 등의 검사 항목에서 모두 적합하였다. 본 연구는 기 개발된 무·저독성 호안블록 (Kim et al. 2013)의 수리적 안정성 검토를 위하여 한국건설기술연구원 하천실험센터 급경사 수로인 A1 수로에서 실시하였다 (Table 1).
실험에 사용된 무·저독성 호안블록은 거푸집 제작, 양생, 거푸집 탈형의 과정을 거쳐 제작하였다 (Fig. 1). 블록이 설치된 포트의 크기는 1.5 m × 10.0 m로 본 연구에서는 블록형 호안공은 6.0 m, 현장타설 호안공은 4.0 m로 설정하였다 (Fig. 2). 설치된 호안블록은 평균입경 (d50) 15 mm 골재를 사용하여 가로 1.0 m × 세로 1.0 m × 두께 0.15 m의 블록 2개, 가로 1.0 m × 세로 1.0 m × 두께 0.20 m의 블록 2개, 가로 1.0 m × 세로 1.0 m × 두께 0.25 m의 블록 2개를 제작하여 설치하였다.
Table 1. Specification of the experimental channel for this study. | |
Property | Value |
Supply capacity of discharge (m3/s) | 10 |
Size (channel length x bottom width) (m x m) | 594×3 |
Gradient | 1:70–1:800 |
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(a) | (b) |
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(c) | (d) |
Fig. 1. Photographs showing the revetment block making process. Making forms (a), curing (b), removal of forms (c) and the finished block (d). | |
본 연구에서 수리적 안정성 검토 방법은 미국 ASTM D7277-08 (ASTM 2014)을 참조하여 목표 유량을 4시간 이상 지속하여 공급했을 경우에 블록의 안정성 여부를 평가 하였다. 설계 유량과 유속은 각각 2.5 m3/s과 1.5 m/s로 설정하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서 호안 블록의 수리적 안정성 평가를 위하여 유량, 유속, 수심 및 블록의 침하·침상 여부의 총 4가지 항목을 측정하였다. 유량 측정은 상류부 웨어를 통하여 1차 측정한 뒤 유속과 수심을 측정하여 연속방정식의 유량공식 (Q=AV)을 이용하여2차 검토하였다. 유속 측정을 위하여 총 2가지 유속계를 이용하였는데, flow tracker 유속계로 2회, 전자파 표면 유속계로 5회에 걸쳐 측정하고 평균값을 산정하였다. 수심은 호안 블록 설치 지점 좌·우안에 설치되어 있는 수위표를 목측하였다, 블록의 침상·침하 여부는 제작블록 구간 6.0 m에 대하여 실험 전후 사면 측정기 및 스타프를 이용하여 측정하였으며, 블록 내 측정지점은 Fig. 3과 같다.
3. 결과 및 고찰
유속 측정은 실험 블록이 설치된 포트 후방에서 실시하였으며, 유속 측정 결과 flow tracker의 평균 유속은 3.09 m/s, 전자파 표면 유속계의 평균 유속은 2.99 m/s이었다. (Table 2). 유속과 수심 측정 결과를 바탕으로 유량을 재산정하였다. Flow tracker의 평균 유속 (1점법)으로 유량 산정시 평균 유량은 3.09 m3/s이었고 전자파 표면 유속계의 표면 유속으로 유량 산정시 평균 유량은 2.84 m3/s로서, 상류부 웨어 측정값인 3.01 m3/s와 -5%－+3%의 오차율을 나타내었다.
블록의 안정성 평가를 위하여 실험 전·후의 블록의 침상·침하 여부를 측정하였다 (Appendix 1). 이 결과를 도식화한 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 실험 후 각 블록의 상하 이동은 약 ±3 mm로서 미미하였다. 6개 실험 블록 중에서 1, 2, 3 실험 블록의 경우 블록 내 측정 지점의 높이가 평균 1.41－2.58 mm 하강한 것으로 보아 블록 하부 기초 쇄석의 세굴로 블록 침하가 발생한 것으로 판단되었다. 한편 4, 5, 6 실험 블록의 경우 블록 내 측정 지점의 높이가 평균 0.50－0.95 mm 상승한 것으로 보아 1, 2, 3 실험 블록 하부에서 세굴된 기초 쇄석의 유입으로 인한 침상이 발생한 것으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구에서 실시한 무·저독성 호안블록의 수리적 안정성 검토 실험의 결과에 따르면 최고 유량 3.0 m3/s, 최고 유속 3.0 m/s에서 수리적 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다. 설치된 호안 블록의 3가지 모두에서 호안 블록이 상하 ±3 mm 정도로 미미하게 이동하여 대규모 이동, 블록 파괴 및 침상·침하는 나타나지 않았다. 이에 본 연구에서 평가한 무·저독성 호안 블록이 본 연구에서 실시한 흐름 (유속, 소류력 등)에 대한 안정성이 충분히 확보되는 것으로 판단된다. 또한 향후 블록 연결부의 안정성에 대한 추가적인 연구와 실험이 필요할 것으로 판단된다.
