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문제 정의
- Tenna Riiss 등(2003)은 유속과 식생피복과의 관계를 규명하였다. 따라서 본 연구에서는 수리적 안정성을 포함한 친환경적인 식생복토공법의 유실율 평가에 관해 수리모형 실험을 통해 규명하고자 한다. 본 연구에서는 고수호안의 종적, 횡적인 구조에 대한 수리실험을 통해 인위적 호안공을 제외한 순수 복토재료에 의한 토양의 유실율을 평가하고, 식생의 활착 유무에 따른 세굴영향을 비교하며, 유실율에서 취약 부분을 평가한 후 이를 방어하기 위한 물리적 구조에 대한 수리학적 제약조건을 도출하여 보완책을 마련하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 수리적 안정성을 포함한 친환경적인 식생복토공법의 유실율 평가에 관해 수리모형 실험을 통해 규명하고자 한다. 본 연구에서는 고수호안의 종적, 횡적인 구조에 대한 수리실험을 통해 인위적 호안공을 제외한 순수 복토재료에 의한 토양의 유실율을 평가하고, 식생의 활착 유무에 따른 세굴영향을 비교하며, 유실율에서 취약 부분을 평가한 후 이를 방어하기 위한 물리적 구조에 대한 수리학적 제약조건을 도출하여 보완책을 마련하고자 하였다.
- 본 연구에서는 식생의 활착유무에 따른 고수호안에 복토공법의 상대적 토양 유실율을 검토하기 위하여 표 1에서와 같이 다양한 수리학적 조건에서의 실험을 수행하였다. 또한 호안의 경사를 변화시켜가며, 식생의 유무에 따른 토양 유실의 상대적 변화를 측정하였다.
제안 방법
- 고수호안의 식생복토공법 실험을 위하여 한국건설기술연구원에서 호안의 식생에 관한 실험연구사례(이동섭, 2006)와 일본의 국토개발기술연구센터(2003)에서 제시한 호안의 설계법을 참고하여 실험수로를 제작하였다. 본 연구에서 사용된 실험 장치는 크게 저수조와 고수조(그림 1 참조) 그리고 실험수로로 구성되어 있다.
- 5%로 가장 크게 나타나고 있다. 그러나 본 실험에서는 실험 조건시 동일한 단면에서 유속을 맞추기 위해 만재하폭의 조정이 불가피 하여 실험을 수행하였으며, 일부구간에서 경사의 유실율에 대한 결과값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 본 연구 결과에서는 각 호안경사별 유속과, 수심 그리고 식생 유무에 따른 유실율의 크기 정도를 분석하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
- 8 m/s까지 변화시켜가며, 유속 크기에 따른 상대적인 토양 유실율의 변화를 관찰하였다. 또한 동일한 수리 조건에 대하여 식생이 없는 호안과 식생이 발달한 호안에서 현장에서 식생호안을 채집하여 설치 후 실험을 수행하여 복토 후 식생매트 설치공법에 대하여 식생 활착 유무에 따른 상대적인 토양 유실율을 평가하였다. 이와 같이 호안 경사, 유속, 식생 유무의 조건에 대하여 총 18가지의 실험을 수행하였으며 각각의 조건에 대하여 유속과 세굴심을 측정하였다.
- 본 연구에서는 식생의 활착유무에 따른 고수호안에 복토공법의 상대적 토양 유실율을 검토하기 위하여 표 1에서와 같이 다양한 수리학적 조건에서의 실험을 수행하였다. 또한 호안의 경사를 변화시켜가며, 식생의 유무에 따른 토양 유실의 상대적 변화를 측정하였다. 호안의 경사는 1:1.
- 본 연구에서는 측정오차를 줄이기 위하여 통수 후 약 10분이 경과된 후 등류수심을 확보한 상태에서 수리조건별 3개의 단면에서 각 지점별 3회를 측정하여 각각에 대하여 평균값을 구하였다. 측정된 평균값을 바탕으로 단면의 유속분포를 분석하였으며, 이와 같은 평균 유속이 특정 지점을 대표할 수 있는 유속으로 간주하여 특정 지점에서의 유속으로 발생하는 유실율(호안의 복토된 토양의 이탈 면적)을 계산하였다.
- 본 연구에서는 프로펠러 유속계와 사면측정기를 통하여 유속 및 세굴심을 계측하였으며 그림 8은 호안의 경사에 따른 측정 단면에서의 유속과 사면 측정 지점에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
- 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 전자식 유량계를 설치하여 그 크기를 측정하였으며(그림 2 참조), 수로내로 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다. 수위와 유속 등이 안정된 유량을 이용하여 세굴측정구간에서 실험을 수행하며, 측정구간을 통과한 유량은 하류부를 지나 저수조로 흘러들어가게 된다. 그림 3은 실험수로의 모식도를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서 사용된 실험 장치는 크게 저수조와 고수조(그림 1 참조) 그리고 실험수로로 구성되어 있다. 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 전자식 유량계를 설치하여 그 크기를 측정하였으며(그림 2 참조), 수로내로 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다. 수위와 유속 등이 안정된 유량을 이용하여 세굴측정구간에서 실험을 수행하며, 측정구간을 통과한 유량은 하류부를 지나 저수조로 흘러들어가게 된다.
- 또한 동일한 수리 조건에 대하여 식생이 없는 호안과 식생이 발달한 호안에서 현장에서 식생호안을 채집하여 설치 후 실험을 수행하여 복토 후 식생매트 설치공법에 대하여 식생 활착 유무에 따른 상대적인 토양 유실율을 평가하였다. 이와 같이 호안 경사, 유속, 식생 유무의 조건에 대하여 총 18가지의 실험을 수행하였으며 각각의 조건에 대하여 유속과 세굴심을 측정하였다.
- 본 연구에서는 측정오차를 줄이기 위하여 통수 후 약 10분이 경과된 후 등류수심을 확보한 상태에서 수리조건별 3개의 단면에서 각 지점별 3회를 측정하여 각각에 대하여 평균값을 구하였다. 측정된 평균값을 바탕으로 단면의 유속분포를 분석하였으며, 이와 같은 평균 유속이 특정 지점을 대표할 수 있는 유속으로 간주하여 특정 지점에서의 유속으로 발생하는 유실율(호안의 복토된 토양의 이탈 면적)을 계산하였다. 그림 9와 그림 10은 식생이 활착되지 않은 단면에서의 단면평균유속 0.
- 또한 호안의 경사를 변화시켜가며, 식생의 유무에 따른 토양 유실의 상대적 변화를 측정하였다. 호안의 경사는 1:1.0, 1:1.5, 1:2.0 등 크게 3가지 조건으로 나누어 검토하였으며, 단면의 평균 유속으로는 0.2 m/s에서 0.8 m/s까지 변화시켜가며, 유속 크기에 따른 상대적인 토양 유실율의 변화를 관찰하였다. 또한 동일한 수리 조건에 대하여 식생이 없는 호안과 식생이 발달한 호안에서 현장에서 식생호안을 채집하여 설치 후 실험을 수행하여 복토 후 식생매트 설치공법에 대하여 식생 활착 유무에 따른 상대적인 토양 유실율을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 복토와 식생은 호안 평가를 위한 조사 연구가 수행되어 지고 있는 김해시 부원동에 위치한 해반천 구간 중 하류 지점에 해당되는 곳의 토양과 식생을 채취하여 실험을 수행하였으며(그림 4 참조), 그림 5는 고수호안 식생복토공법의 호안모형의 개념도를 나타낸 것이다. 실험에서 사용된 호안재료의 토양입자의 속성을 파악하기위하여 토양입자의 크기를 체분석을 수행한 결과 평균입경(D50)이 0.
- 고수호안의 식생복토공법 실험을 위하여 한국건설기술연구원에서 호안의 식생에 관한 실험연구사례(이동섭, 2006)와 일본의 국토개발기술연구센터(2003)에서 제시한 호안의 설계법을 참고하여 실험수로를 제작하였다. 본 연구에서 사용된 실험 장치는 크게 저수조와 고수조(그림 1 참조) 그리고 실험수로로 구성되어 있다. 실험수로에 공급되는 유량은 고수조로부터 유입되며, 전자식 유량계를 설치하여 그 크기를 측정하였으며(그림 2 참조), 수로내로 공급된 유량이 안정한 흐름을 유지하도록 에너지를 감소시키는 정류부와 안정화구간을 설치하였다.
- 그림 3은 실험수로의 모식도를 나타낸 것이다. 수로의 제원은 총 길이 14 m(정류부 3 m, 안정화 구간 3 m, 세굴측정구간 6 m, 하류부 2 m), 폭 1.2 m, 높이 0.6 m이다. 하류부에는 수위 조절을 위한 수문이 설치되어 있다.
성능/효과
- 0의 경우 식생의 유무에 따른 유실율 차이가 20%로 나타났다. 두 번째로 평균유속 0.8 m/s, 호안경사 1:1.5의 경우를 살펴보면 식생의 유무에 따른 유실율 차이가 45%로 큰 값을 보였으며, 마지막으로 실험한 호안경사 1:2.0 식생의 유무에 따른 유실율 차이가 52%로 나타났다. 또한 식생의 유무에 따른 저감효과를 살펴보면 호안의 경사도가 클수록 식생에 의한 저감효과가 큰 것으로 연구결과 나타났다.
- 또한 식생의 유무에 따른 평균 유속 결과를 비교를 하였을 경우, 식생이 있을 경우 위치에 따라 5~10% 정도 유속이 느려지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 호안의 설계시 1차원적인 단면평균 유속에 의한 평가가 아닌 위치에 따른 지점별 유속에 의한 평가가 바람직할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 하도의 특성에 대한 정량적인 분석보단 단순히 식생의 활착유무에 따른 복토의 상대적인 유실율을 평가하기 위한 기초적인 실험을 수행하였으며, 향후 원형실험을 통하여 홍수 규모의 유속에 대한 안정성 평가 실험을 수행한 후에 정량적인 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 0 식생의 유무에 따른 유실율 차이가 52%로 나타났다. 또한 식생의 유무에 따른 저감효과를 살펴보면 호안의 경사도가 클수록 식생에 의한 저감효과가 큰 것으로 연구결과 나타났다. 동일 유속 조건시 단면 평균유속 0.
- 식생의 유무에 따른 호안의 경사와 지점별 유속결과를 살펴보면 사면과 인접한 부근에서의 유속이 평균 유속에 비해 약 20% 정도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 식생의 유무에 따른 평균 유속 결과를 비교를 하였을 경우, 식생이 있을 경우 위치에 따라 5~10% 정도 유속이 느려지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 호안의 설계시 1차원적인 단면평균 유속에 의한 평가가 아닌 위치에 따른 지점별 유속에 의한 평가가 바람직할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 순간유속자료를 이용하여 식생이 식재된 개수로의 흐름에서 식생의 활착 유무에 따른 복토의 유실율을 평가하였는데 호안경사에 따라서 식생의 유무에 따른 유실율 차이가 52%로 나타났으며, 호안의 경사도가 클수록 식생에 의한 저감효과가 큰 것으로 연구결과 나타났으며, 동일 유속 조건시 단면 평균유속 0.8 m/s의 경우 호안경사 1:2.0 에서의 유실율이 식생이 없을 경우 19.5%로 가장 크게 나타나고 있다.
- 표 2는 전체 실험조건에 대한 유실율을 나타낸 것이다. 식생의 유무에 따른 호안의 경사와 지점별 유속결과를 살펴보면 사면과 인접한 부근에서의 유속이 평균 유속에 비해 약 20% 정도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 식생의 유무에 따른 평균 유속 결과를 비교를 하였을 경우, 식생이 있을 경우 위치에 따라 5~10% 정도 유속이 느려지는 것을 확인할 수 있다.
- 8 m/s 조건에서의 호안 경사별 유실율 측정 결과를 나타낸 것이다. 식생이 활착되지 않은 경우에 비하여 전체적으로 토양 유실이 적게 발생하며 유실이 일어나는 구간도 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서 사용된 복토와 식생은 호안 평가를 위한 조사 연구가 수행되어 지고 있는 김해시 부원동에 위치한 해반천 구간 중 하류 지점에 해당되는 곳의 토양과 식생을 채취하여 실험을 수행하였으며(그림 4 참조), 그림 5는 고수호안 식생복토공법의 호안모형의 개념도를 나타낸 것이다. 실험에서 사용된 호안재료의 토양입자의 속성을 파악하기위하여 토양입자의 크기를 체분석을 수행한 결과 평균입경(D50)이 0.08 mm로 나타났다(그림 6).
후속연구
- 그러나 본 실험에서는 실험 조건시 동일한 단면에서 유속을 맞추기 위해 만재하폭의 조정이 불가피 하여 실험을 수행하였으며, 일부구간에서 경사의 유실율에 대한 결과값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 본 연구 결과에서는 각 호안경사별 유속과, 수심 그리고 식생 유무에 따른 유실율의 크기 정도를 분석하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
- 하천은 다양한 형태와 고유의 특성을 지니고 있으며, 자연형 하천의 고수호안 역시 마찬가지로 수리적 특성 및 식생 특성을 고려하여 설계하는 것이 안정성과 환경에 있어 매우 중요하다. 본 연구에서 수행된 실험결과를 활용하여 고수호안의 설계에 있어 위치별 소류력에 따른 복토의 두께, 보호공의 설치유무, 식생의 활착정도 및 식생밀도 등을 제시하는데 기본 자료가 될 것으로 판단된다. 향후 보다 다양한 실험 조건을 추가하여 유실율 평가를 위한 비교분석에서는 호안 경사별로 따로 분류는 것이 필요할 것으로 판단되며, 동일한 만재하폭에서의 수리실험이 수행되어야 할 것이다.
- 따라서 호안의 설계시 1차원적인 단면평균 유속에 의한 평가가 아닌 위치에 따른 지점별 유속에 의한 평가가 바람직할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 하도의 특성에 대한 정량적인 분석보단 단순히 식생의 활착유무에 따른 복토의 상대적인 유실율을 평가하기 위한 기초적인 실험을 수행하였으며, 향후 원형실험을 통하여 홍수 규모의 유속에 대한 안정성 평가 실험을 수행한 후에 정량적인 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 보다 다양한 실험 조건을 추가하여 유실율 평가를 위한 비교분석에서는 호안 경사별로 따로 분류는 것이 필요할 것으로 판단되며, 동일한 만재하폭에서의 수리실험이 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서의 결과를 활용하여 홍수시 빈번히 발생하는 식생호안의 이탈을 방지하는 연구의 기초자료로 활용될 수 있으며, 보다 효율적이고 자연적인 고수호안에 대한 설계가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 수행된 실험결과를 활용하여 고수호안의 설계에 있어 위치별 소류력에 따른 복토의 두께, 보호공의 설치유무, 식생의 활착정도 및 식생밀도 등을 제시하는데 기본 자료가 될 것으로 판단된다. 향후 보다 다양한 실험 조건을 추가하여 유실율 평가를 위한 비교분석에서는 호안 경사별로 따로 분류는 것이 필요할 것으로 판단되며, 동일한 만재하폭에서의 수리실험이 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서의 결과를 활용하여 홍수시 빈번히 발생하는 식생호안의 이탈을 방지하는 연구의 기초자료로 활용될 수 있으며, 보다 효율적이고 자연적인 고수호안에 대한 설계가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
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