친환경 하천사업의 활성화로 식생매트의 사용은 증가하고 있으나 수리적 안정성에 대한 평가는 미흡한 실정이다. 본 연구는 호안용 식생매트 제품의 객관적인 수리안정성 시험 기법 개발을 위해 수행하였다. 이를 위해서 식생매트 2종에 대한 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 작용 소류력을 계산하였다. 1차원 부정류 모형을 이용하여 최적 조도계수를 결정하고 작용 소류력을 계산하였다. 각 유량의 시험 후에는 매트 표면 및 기반층의 변동 여부를 기록하여 평가하였으며 이에 따라 매트표면의 손상 유형 3가지 및 기반층의 손상 유형 2가지를 제시하였다. 본 연구에서는 식생매트의 표면 변동이 있더라도 하부 기반층의 유실이 발생하지 않는 경우에는 안정한 상태로 제안하였다. 이에 따라 실험체 2종의 허용소류력을 평가하였으며 철망으로 보강된 식생매트가 허용 소류력 측면에서 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
친환경 하천사업의 활성화로 식생매트의 사용은 증가하고 있으나 수리적 안정성에 대한 평가는 미흡한 실정이다. 본 연구는 호안용 식생매트 제품의 객관적인 수리안정성 시험 기법 개발을 위해 수행하였다. 이를 위해서 식생매트 2종에 대한 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 작용 소류력을 계산하였다. 1차원 부정류 모형을 이용하여 최적 조도계수를 결정하고 작용 소류력을 계산하였다. 각 유량의 시험 후에는 매트 표면 및 기반층의 변동 여부를 기록하여 평가하였으며 이에 따라 매트표면의 손상 유형 3가지 및 기반층의 손상 유형 2가지를 제시하였다. 본 연구에서는 식생매트의 표면 변동이 있더라도 하부 기반층의 유실이 발생하지 않는 경우에는 안정한 상태로 제안하였다. 이에 따라 실험체 2종의 허용소류력을 평가하였으며 철망으로 보강된 식생매트가 허용 소류력 측면에서 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
By the activation of environment-friendly river works, application of vegetation mats is increasing, however, evaluation techniques for hydraulic stability of vegetation mats are not presented. This study is conducted to develop the objective test method for vegetation mats. Two kind of vegetation m...
By the activation of environment-friendly river works, application of vegetation mats is increasing, however, evaluation techniques for hydraulic stability of vegetation mats are not presented. This study is conducted to develop the objective test method for vegetation mats. Two kind of vegetation mats are tested by the real scale experiments, and hydraulic quantities are measured and analyzed to evaluate acting shear stresses. Roughness and shear stress are evaluated by 1 D non-uniform model. After each tests, changes in mat surfaces and sub-soil are evaluated, and from these evaluation, 3 types of mat surface damages and 2 types of sub-soil damages are presented. In the study, the case in which some damages in mat surface don't cause loss of sub-soil, is presented to be in the stable condition. Appling this stable condition and acting shear stresses, permissible shear stresses of vegetation mats are evaluated, and the results show that the reinforced mat with wire netting has more permissible shear stress.
By the activation of environment-friendly river works, application of vegetation mats is increasing, however, evaluation techniques for hydraulic stability of vegetation mats are not presented. This study is conducted to develop the objective test method for vegetation mats. Two kind of vegetation mats are tested by the real scale experiments, and hydraulic quantities are measured and analyzed to evaluate acting shear stresses. Roughness and shear stress are evaluated by 1 D non-uniform model. After each tests, changes in mat surfaces and sub-soil are evaluated, and from these evaluation, 3 types of mat surface damages and 2 types of sub-soil damages are presented. In the study, the case in which some damages in mat surface don't cause loss of sub-soil, is presented to be in the stable condition. Appling this stable condition and acting shear stresses, permissible shear stresses of vegetation mats are evaluated, and the results show that the reinforced mat with wire netting has more permissible shear stress.
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문제 정의
본 실험은 국내 실정에 맞는 식생매트 시험방법 개발의 일환으로 수행되었으며, 본 연구에서는 실규모 실험에 의한 수리량 및 안정성 평가 방법을 제시하여 향후 객관적 시험방법 개발에 활용하고자 한다.
본 연구는 실규모 식생매트 실험체 2종에 대해서 수행 하였고 식생이 없는 상태의 수리특성을 검토하였다. 실규모 실험은 경상북도 안동에 위치한 한국건설기술연구원하천실험센터의 실규모 수로 중 고속수로의 호안시험구간에서 수행하였다(Fig.
본 연구는 호안용 식생매트 제품의 객관적인 수리안정성 시험 기법 개발을 위해 수행하였다. 이를 위해서 식생 매트 2종에 대한 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 작용 소류력을 계산하였다.
제안 방법
고유속의 흐름이 형성되는 시험의 특성 상 수심 측정의 불확실도가 있으나 1차원 부정류 모형을 이용하여 최적 조도계수를 결정하고 작용 소류력을 계산하였다. 각 유량의 시험 후에는 매트 표면 및 기반층의 변동 여부를 기록하여 평가하였으며 이에 따라 매트표면의 손상 유형 3가지 및 기반층의 손상 유형 2가지를 제시하였다. 안정성 평가 기준은 향후 지속적인 실험이 필요할 것으로 판단되지만 본 연구에서는 식생매트의 표면 변동이 있더라도 하부 기반층의 유실이 발생하지 않는 경우에는 안정한 상태로 제안 하였다.
이를 위해서 식생 매트 2종에 대한 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 작용 소류력을 계산하였다. 고유속의 흐름이 형성되는 시험의 특성 상 수심 측정의 불확실도가 있으나 1차원 부정류 모형을 이용하여 최적 조도계수를 결정하고 작용 소류력을 계산하였다. 각 유량의 시험 후에는 매트 표면 및 기반층의 변동 여부를 기록하여 평가하였으며 이에 따라 매트표면의 손상 유형 3가지 및 기반층의 손상 유형 2가지를 제시하였다.
하상고는 시험 전의 하상고로 1/80 경사를 이용하였으며 수위는 측정된 수심을 이용하여 산정하였다. 본 실험의 흐름상태가 사류이므로 상류단에서 측정된 수심을 경계조건으로 설정하고 조도계수를 0.001 단위로 조정하여 계산 수위와 측정 수위가 최소가 되는 최적조도계수를 결정하였다. 측정 값 중에서 하상 변동의 영향으로 급격한 수심 변동이 발생한 자료는 분석에서 제외하였다.
하상의 변화를 관측하기 위해서 3D LiDAR(Light Detection And Ranging)를 이용하여 시험 전후의 하상을 측량하였다. 시험 유량은 펌프를 통해서 유입수로로 공급되는데 유입수조의 수위변화를 측정 하여 공급유량을 산정하였다. 실험 조건 및 측정된 평균 수심은 표 2와 같으며 수심 측정은 각 실험구간 10m의 중앙부에서 1m 간격으로 수행하였다.
시험 유량은 펌프를 통해서 유입수로로 공급되는데 유입수조의 수위변화를 측정 하여 공급유량을 산정하였다. 실험 조건 및 측정된 평균 수심은 표 2와 같으며 수심 측정은 각 실험구간 10m의 중앙부에서 1m 간격으로 수행하였다.
4와 같다. 실험체를 실험수로 내에 10m 구간에 각각 설치하였으며 기반층은 모래로 구성하였고 매트 제조사에서 제시된 표준 시공법에 따라 고정핀 등을 설치하였다. 설치 후의 상황은 그림5와 같다.
본 연구는 호안용 식생매트 제품의 객관적인 수리안정성 시험 기법 개발을 위해 수행하였다. 이를 위해서 식생 매트 2종에 대한 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 작용 소류력을 계산하였다. 고유속의 흐름이 형성되는 시험의 특성 상 수심 측정의 불확실도가 있으나 1차원 부정류 모형을 이용하여 최적 조도계수를 결정하고 작용 소류력을 계산하였다.
6). 하상의 변화를 관측하기 위해서 3D LiDAR(Light Detection And Ranging)를 이용하여 시험 전후의 하상을 측량하였다. 시험 유량은 펌프를 통해서 유입수로로 공급되는데 유입수조의 수위변화를 측정 하여 공급유량을 산정하였다.
식생매트의 성능 시험은 크게 실험실 시험와 현장 시험으로 나뉘는데 실험실 시험에서는 광투과성, 함수능, 강수 낙수 침식, 식생 활착도, 전단응력 등에 대한 시험을 수행하며 각 시험에 대해서는 ASTM 기준이 제시되어 있다[3]. 현장 시험에서는 급경사 수로에 식생매트를 실규모로 설치하여 허용 소류력 및 허용 유속을 평가한다. ASTM D6460에 제시된 현장 시험 방법을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
식생매트 실험체는 국내 기성제품으로 표면이 코이어 네트층(B형)으로 구성된 제품과 코이어네트층 위에 코팅 철망이 보강된 제품(A형)의 2종으로 하였으며 상세 사양은 표 1 및 Fig. 4와 같다. 실험체를 실험수로 내에 10m 구간에 각각 설치하였으며 기반층은 모래로 구성하였고 매트 제조사에서 제시된 표준 시공법에 따라 고정핀 등을 설치하였다.
본 연구는 실규모 식생매트 실험체 2종에 대해서 수행 하였고 식생이 없는 상태의 수리특성을 검토하였다. 실규모 실험은 경상북도 안동에 위치한 한국건설기술연구원하천실험센터의 실규모 수로 중 고속수로의 호안시험구간에서 수행하였다(Fig. 1 및 Fig. 2). 실험수로의 총연장은 594m인데 본 연구에서는 상류 급경사부(1/80) 100m 구간에서 10m 단위로 두 개의 규준틀을 설치하여 시험을 수행하였다(Fig.
2). 실험수로의 총연장은 594m인데 본 연구에서는 상류 급경사부(1/80) 100m 구간에서 10m 단위로 두 개의 규준틀을 설치하여 시험을 수행하였다(Fig. 3).
이론/모형
단면평균 소류력은 결정된 최적 조도계수 상태에서 HEC-RAS 모형에서 계산된 값을 이용하였다. HEC-RAS 모형에서 단면평균 소류력은 다음과 같이 계산한다.
본 연구에서는 1차원 부등류 모형인 HEC-RAS를 이용 하여 수리 분석을 수행하였다. 하상고는 시험 전의 하상고로 1/80 경사를 이용하였으며 수위는 측정된 수심을 이용하여 산정하였다.
시험 유량은 ASTM 기준에 따라 30분간 유하하였으며 유하시간 동안 하도 중앙부에서 1m 간격으로 수위 및 유속을 측정하였다(Fig. 6). 하상의 변화를 관측하기 위해서 3D LiDAR(Light Detection And Ranging)를 이용하여 시험 전후의 하상을 측량하였다.
성능/효과
나머지 손상 유형에 대해서는 정량적 평가를 통해서 불안정성을 판단할 필요가 있다. 본 실험에 의한 하상의 변화를 정량적으로 분석하지는 않았지만 손상이 가장 작은 식생매트 A형의 case1의 경우에도 평균 하상의 변화가 12.7mm 이상임은 사진상으로도 추정할 수 있으므로 이 기준을 적용하여 불안정성을 평가하는 것은 다소 무리가 있다고 판단된다.
작용 소류력은 식 (1)에 제시된 것과 같이 동수반경과 마찰경사의 영향을 받으며 마찰경사는 조도계수의 영향을 받는다. 본 실험에서는 case3의 B형 구간에서 최적 조도계수가 0.018로 나타나 동일 유량에서 다소 큰 소류 력이 계산되었다.
각 유량의 시험 후에는 매트 표면 및 기반층의 변동 여부를 기록하여 평가하였으며 이에 따라 매트표면의 손상 유형 3가지 및 기반층의 손상 유형 2가지를 제시하였다. 안정성 평가 기준은 향후 지속적인 실험이 필요할 것으로 판단되지만 본 연구에서는 식생매트의 표면 변동이 있더라도 하부 기반층의 유실이 발생하지 않는 경우에는 안정한 상태로 제안 하였다. 이에 따라 시험체 2종의 소류력을 평가하였으며 철망으로 보강된 식생매트가 허용 소류력 측면에서 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
안정성 평가 기준은 향후 지속적인 실험이 필요할 것으로 판단되지만 본 연구에서는 식생매트의 표면 변동이 있더라도 하부 기반층의 유실이 발생하지 않는 경우에는 안정한 상태로 제안 하였다. 이에 따라 시험체 2종의 소류력을 평가하였으며 철망으로 보강된 식생매트가 허용 소류력 측면에서 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
실규모 실험 연구의 한계로 다양한 실험이 이루어지지는 못했지만 지속적인 자료 축적을 통해서 객관적인 시험 기법개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 실제 홍수 상황을 고려한 유량 지속시간 영향, 연속적인 유량 유하, 홍수파 실험 등의 후속 연구를 통해 식생매트 파괴 유형 및 대책을 보다 세분화하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
하천사업에서는 기본설계 및 실시설계 단계에서 구간별 작용 유속과 작용 소류력이 결정되며 이를 견딜 수 있는 적절한 재료를 시공하여 세굴 및 침식을 대비한다. 본 연구에서 제시된 시험방법을 통해 국내에서 다양하게 활용되는 식생매트류의 허용 소류력을 평가할 수 있으며, 이를 통해서 하천사업의 치수안정성을 향상시킬 것으로 기대된다.
실규모 실험 연구의 한계로 다양한 실험이 이루어지지는 못했지만 지속적인 자료 축적을 통해서 객관적인 시험 기법개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 실제 홍수 상황을 고려한 유량 지속시간 영향, 연속적인 유량 유하, 홍수파 실험 등의 후속 연구를 통해 식생매트 파괴 유형 및 대책을 보다 세분화하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식생매트공법이란?
식생매트공법는 식생 종자와 매트를 일체로 구성하여 하안 또는 비탈면의 침식방지와 장기적인 지반 안정성을 확보하는 공법이다[16]. 식생매트는 절토면 및 성토면의파종(seeding) 공법의 내침식성 강화를 위해서 도입되었으며 매트는 짚 등의 천연재료 또는 합성 섬유 등의 인공 재료 등으로 다양하게 구성된다.
국내에서는 식생매트를 언제부터 적용하기 시작하였는가?
국내에서는 1990년대 후반부터 친환경 하천사업에서 식생 활착에 의한 침식 및 세굴 방지 목적으로 제방 법면, 저수로 하안, 고수부지 등에 적용되어 왔다. 식생매트는 기존 호안에 비해서 경제적이고 시공이 간편하며 생태적으로도 유리하여 하천공사에서 적용성이 증가하는 추세이다.
식생매트는 어떻게 구성되는가?
식생매트공법는 식생 종자와 매트를 일체로 구성하여 하안 또는 비탈면의 침식방지와 장기적인 지반 안정성을 확보하는 공법이다[16]. 식생매트는 절토면 및 성토면의파종(seeding) 공법의 내침식성 강화를 위해서 도입되었으며 매트는 짚 등의 천연재료 또는 합성 섬유 등의 인공 재료 등으로 다양하게 구성된다.
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