[논문]테트라포드 사방댐의 적용성 평가 -산청군 홍계리 지역을 대상으로-

김기흥; 박재현; 마호섭

doi:10.13087/kosert.2012.15.1.119

문제 정의

따라서, 생태통로 확보 및 주변의 자연환경과 조화를 이룰 수 있는 중·소형 사방댐 공법의 개발 및 도입이 필요하므로, 본 연구에서는 해안보전시설 및 방파제에 사용되는 테트라포드(Tetrapod)를 활용한 사방댐 공법의 적용성을 평가하고자 하였다.
본 연구는 시범사업으로 설치한 테트라포드 사방댐의 현장 적용성과 구조적 안정성을 평가하기 위하여 테트라포드의 소류, 활동 및 전도에 대한 안정검토를 수행하고, 사후모니터링을 통하여 사방댐 설치 전후의 퇴사량·입경분포 및 사방댐 하류로의 토사 통과 등을 분석하였다.
본 연구에서는 테트라포드를 이용한 사방댐의 현장 적용성을 검토하는 것이므로 유체력, 토압, 하상저하를 외적(外的) 요인으로 하는 구조모델을 제시하며, 각 모델별로 역학적 안정성을 검토하였다. 따라서, 시범사업 야계에 대한 검토결과에 따라 5ton급 테트라포드를 기준으로 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 테트라포드의 파괴원인, 파괴 형태 및 설치상태 등 설계의 전제조건을 명확히 하고, 이들에 대한 분류 지표(指標)로서 유체력, 토압, 하상저하를 외적(外的) 요인으로 하는 구조모델에 대한 역학적 안정성, 유사공급의 연속성 및 생태통로 기능 확보에 대한 적용성을 평가하였다.
테트라포드 사방댐의 현장 적용성을 평가함에 있어서 역학적 안정성, 유사공급의 연속성 및 생태통로 확보 기능을 조사, 분석하여 그 효과 및 유의사항을 밝히고자 하였다.

가설 설정

테트라포드를 야계사방 구조물로서 활용할 경우에는 다음과 같은 장점이 있다. ① 정사면체가 기본 형상이므로 중심의 위치가 낮아 유수력에 대한 안정성을 확보할 수 있다. ② 일렬로 배치할 경우 블록과 블록 사이에 수로가 형성되므로 유사이송의 연속성을 확보하고, 생태통로를 유지할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 테트라포드를 이용한 사방댐의 현장 적용성을 검토하는 것이므로 유체력, 토압, 하상저하를 외적(外的) 요인으로 하는 구조모델을 제시하며, 각 모델별로 역학적 안정성을 검토하였다. 따라서, 시범사업 야계에 대한 검토결과에 따라 5ton급 테트라포드를 기준으로 안정성을 평가하였다.
본 연구를 수행하기 위하여 테트라포드 사방댐의 시공전후에 지형측량, 하상재료조사 및 모니터링을 포함한 현장조사를 시행하였다. 또한, 표 1에 나타낸 수문자료를 이용하여 테트라포드 사방댐 설치구간에 대한 수리계산 결과를 근거로 구조물의 안정성과 적용성을 평가하였다. 수리계산에서 산정된 수심, 유속, 소류력, Froude수 등의 수리학적 인자를 이용하여 단위체적중량 2.
연구 대상지의 위치는 그림 1에 나타낸 바와 같이 경남 산청군 삼장면 홍계리이며, 지방하천인 평촌천 지류의 상류 계곡으로서 홍계1지구는 폭 28m인 구간에 5ton급 테트라포드 11기를 2009년 11월에 설치하여 소형 사방댐을 완공하였고, 홍계2지구는 폭 25m인 구간에 유목차단을 위한 강제 스크린을 부착한 5ton급 테트라포드 10기로 사방댐을 2010년 12월에 완공하였다. 본 연구를 수행하기 위하여 테트라포드 사방댐의 시공전후에 지형측량, 하상재료조사 및 모니터링을 포함한 현장조사를 시행하였다. 또한, 표 1에 나타낸 수문자료를 이용하여 테트라포드 사방댐 설치구간에 대한 수리계산 결과를 근거로 구조물의 안정성과 적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 1차원 수리계산 프로그램인 HEC-RAS를 이용하여 야계입지해석에 필요한 유속, 수심, 소류력, Froude수 등 수리학적 인자를 산정하였다. 표 3 및 표 4는 홍계 1 및 2지구의 수리계산 결과로서 대부분의 구간에서 2.
또한, 표 1에 나타낸 수문자료를 이용하여 테트라포드 사방댐 설치구간에 대한 수리계산 결과를 근거로 구조물의 안정성과 적용성을 평가하였다. 수리계산에서 산정된 수심, 유속, 소류력, Froude수 등의 수리학적 인자를 이용하여 단위체적중량 2.5ton/m³의 사석의 직경 및 중량을 계산한 다음 사석의 중량과 같은 테트라포드의 제원을 환산하여 소류, 활동 및 전도에 대한 구조적 안정성 평가를 시행하였다.
일반적인 사방댐의 안정성 검토와는 방법론에서 다른 테트라포드의 사방댐의 활동 및 전도에 대한 안정성 검토 방법을 적용하여 향후 유사한 사방구조물에 대한 활용방법을 제시하였다.
전도에 대한 안정성 평가는 테트라포드의 기하 구조적 특성상 평면 배치시 하류단의 지지점이 2개일 경우에는 1개일 경우로 구분하여 수행 하였다. 하류단의 지지점이 2개인 경우 4.
테트라포드 사방댐 설치목적의 하나인 생태통로 확보 및 사방구조물 하류에 대한 유사공급의 연속성을 평가하였다. 홍수 전후에 대한 하상재료를 분석한 결과, 상류에는 입경이 큰 작은 전석(512～256mm) 이상의 하상재료를 퇴적시키고, 큰 호박돌(256～128mm) 이하는 대부분 하류로 이송시키므로써 비교적 양호하게 기능을 발휘하고 있음을 확인하였다.
테트라포드 사방댐의 생태통로 기능 평가를 위하여 댐 상류에 서식하는 어패류를 조사하였다.
테트라포드의 유체력에 대한 안정성 평가는 파괴유형을 토대로 그림 3～6과 같이 소류모델, 활동모델 및 전도모델로 구분하여 수행할 수 있다. 테트라포드는 단체(單體)로 취급할 경우 유체력에 대하여 소류에 대한 안정, 활동에 대한 안정 및 흐름방향의 전도에 대한 안정에 대하여 검토하였다.
투과형 사방댐으로서 유사공급의 효과를 평가하기 위하여 2010년의 지형측량 결과와 2011년 지형측량 결과를 이용하여 사방댐 상하류의 퇴적 현황을 조사하고 퇴적량 및 하류로의 유사 이송량을 측정하였다, 또한, 선격자(표척) 및 20cm 간격으로 분할한 1m×1m의 격자망을 이용하여 하상재료를 조사, 분석하였다.

대상 데이터

연구 대상지의 위치는 그림 1에 나타낸 바와 같이 경남 산청군 삼장면 홍계리이며, 지방하천인 평촌천 지류의 상류 계곡으로서 홍계1지구는 폭 28m인 구간에 5ton급 테트라포드 11기를 2009년 11월에 설치하여 소형 사방댐을 완공하였고, 홍계2지구는 폭 25m인 구간에 유목차단을 위한 강제 스크린을 부착한 5ton급 테트라포드 10기로 사방댐을 2010년 12월에 완공하였다.

성능/효과

계류유역의 환경 재생 및 보전을 위한 수서동물의 이동 및 유사의 연속성 확보 평가에서는 사진 3 및 4에서 알 수 있는 바와 같이 작은 전석 (512～256mm) 이상의 입경이 큰 하상재료는 상류에 퇴적되고, 큰 호박돌(256～128mm) 이하는 대부분 하류로 이송되는 것으로 나타났다. 또한, 연구대상지에 대한 지형측량 결과 표 11에 나타낸 바와 같이 상류측 퇴적량에 비하여 하류측 퇴적량이 상대적으로 많았으며, 특히 2011년의 경우 태풍 “무이파”에 의한 집중호우로 유역 전체의 토사 유출이 많이 발생한 것으로 분석되었다.
급류하천의 단단면 특성 및 평균유속을 적용하는 한계소류력 이론을 대상구간에 적용한 결과, 조도계수 0.06이하 및 유속 6m/sec 이하의 조건하에서는 표 5～8 및 그림 11～14에 제시한 바와 같이 5ton급 테트라포드가 소류에 대한 안정성을 확보할 수 있는 것으로 평가되었다.
또한, 연구대상지에 대한 지형측량 결과 표 11에 나타낸 바와 같이 상류측 퇴적량에 비하여 하류측 퇴적량이 상대적으로 많았으며, 특히 2011년의 경우 태풍 “무이파”에 의한 집중호우로 유역 전체의 토사 유출이 많이 발생한 것으로 분석되었다. 따라서, 상류에서 이송된 유사 중 입경이 큰 작은 전석 이상은 테트라포드 사방댐에 의한 배수영향으로 퇴적되고, 작은 입경은 하류로 이송되는 효과를 확인하였다.
또한, 연구대상지에 대한 지형측량 결과 표 11에 나타낸 바와 같이 상류측 퇴적량에 비하여 하류측 퇴적량이 상대적으로 많았으며, 특히 2011년의 경우 태풍 “무이파”에 의한 집중호우로 유역 전체의 토사 유출이 많이 발생한 것으로 분석되었다.
또한, 전도에 대한 안정성은 표 10과 같이 사방댐 설치지점의 유속이 4.0m/sec 이하일 경우에 대해서 적용 가능하나 하류단의 지지점이 2개일 경우에는 1개일 경우보다 상류측의 저항모멘트가 감소하여 안정조건을 만족하지 못하므로 하류단의 지지점이 1개가 되도록 거치해야 하는 것으로 평가되었다. 표 10에서 V는 유속, A는 테트라 포드의 흐름방향 투영면적, K는 단면형상에 따른 저항계수, P_k는 수압, L은 수압 작용점 및 테트라포드의 도심까지의 거리, M_a는 수압에 의한 작용모멘트, W_w는 테트라포드의 자중, M_r은 테트라포드의 자중에 의한 저항모멘트, F_s는 안전률이다.
0m/sec 까지는 적용할 수 있는 것으로 분석되었다. 본 연구 대상지의 경우 상류부에는 입경이 굵어 마찰각이 큰 하상재료가 테트라포드 지지점의 윗부분에 퇴적되어 자중을 증가시킬 뿐 아니라 하상재료의 상호 맞물림 효과에 의하여 전도에 대한 안정성을 더욱 증가시킬 것이다.
소류력은 동일 조도계수와 유속조건에서는 수심이 작을수록 크게 작용하는 것으로 분석되었으며, 또한 동일수심에서는 조도계수가 클수록 소류력이 크게 작용하는 것으로 분석되었다. 본 연구대상지에서는 적용된 조도계수 0.04일 경우에 8.0m/sec 이하의 유속조건에서도 테트라포드는 소류에 대하여 안정한 것으로 분석되었다.
생태통로 기능 확보 측면에서 보면 하류에 어패류 서식환경이 갖추어진 홍계 1지구에서는 다목적 이수댐에 서식하는 어패류가 소상하는 것을 확인할 수 있었으나, 서식환경이 갖추어지지 않은 홍계 2지구에서는 서식어류는 발견할 수 없었다. 따라서, 상류에 투과형 사방댐을 건설해도 하류에 저류수가 없는 불투과형 사방댐이 존재하면 생태통로 기능을 확보할 수 없으므로 상·하류의 생태의 종적 연속성을 고려하여 불투과형 사방댐을 개선해야 할 것이다.
소류력은 동일 조도계수와 유속조건에서는 수심이 작을수록 크게 작용하는 것으로 분석되었으며, 또한 동일수심에서는 조도계수가 클수록 소류력이 크게 작용하는 것으로 분석되었다. 본 연구대상지에서는 적용된 조도계수 0.
소류에 대한 안정성 검토에서 이론식의 결과와 설치 후 현장에서의 적응과정을 비교한 결과, 테트라포드가 소류에 대한 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였으며, 소류력은 하도경사 및 횡단형상에 따라 다르므로 유역규모 및 유출량을 고려하여 그 안정성을 검토해야 한다.
연구대상지역 2개 지구의 수심이 5ton 테트라포드의 중심점으로부터의 높이 1.26m와 거의 같은 1.13m와 1.27m로서 월류하고, 소류력이 가장 크게 작용하는 조건하에서 안정성 평가를 수행하였다.
유사공급의 연속성을 분석한 결과, 작은 전석급 이상은 상류에 퇴적시키고, 큰 호박돌 이하는 테트라포드 사이의 공간을 통하여 하류로 이송시킴으로서 사방댐 설치로 인한 하류 하상의 장기 저하를 방지할 수 있고, 작은 전석급 이하의 많은 양의 토석을 하류로 공급함으로써 준설이 필요없어 유지관리가 용이함을 입증하였다.
본 연구에서는 1차원 수리계산 프로그램인 HEC-RAS를 이용하여 야계입지해석에 필요한 유속, 수심, 소류력, Froude수 등 수리학적 인자를 산정하였다. 표 3 및 표 4는 홍계 1 및 2지구의 수리계산 결과로서 대부분의 구간에서 2.0m/ sec이상의 유속을 나타내어 홍수시 세굴 및 측방 침식이 발생하는 하도이며, Froude수가 1이상으로서 사류상태의 흐름이므로 강성호안 및 바닥막 이공 등 구조물 계획이 필요함을 알 수 있다. 그림 9와 10은 대상지의 평면도와 횡단면도이다.
테트라포드 사방댐 설치목적의 하나인 생태통로 확보 및 사방구조물 하류에 대한 유사공급의 연속성을 평가하였다. 홍수 전후에 대한 하상재료를 분석한 결과, 상류에는 입경이 큰 작은 전석(512～256mm) 이상의 하상재료를 퇴적시키고, 큰 호박돌(256～128mm) 이하는 대부분 하류로 이송시키므로써 비교적 양호하게 기능을 발휘하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 볼 때 불투 과형 사방댐은 하류로의 유사공급을 차단하여 하류하천의 장기적인 하상저하로 호안 및 제방 등하천구조물의 파괴를 초래하지만, 테트라포드 사방댐을 활용하여 유사공급을 연속시킨다면 이를 예방할 수 있을 것이다.
활동에 대한 안정성 평가 결과, 유속의 증가에 따른 동수압의 증가로 인하여 4.0m/sec 까지는 1.83(허용 안전률)>1.5(기준 안전률)로서 안정한 것으로 분석되었으나 5.0m/sec 이상에서는 동수압이 유속의 제곱에 비례하여 증가하므로 불안정한 것으로 나타났다.
활동에 대한 안정성을 평가한 결과 표 9에 나타낸 바와 같이 사방댐 설치지점의 유속이 4.0m/ sec 이하일 경우에 대해서 적용 가능함을 확인하였다. 표 9에서 V는 유속, A는 테트라포드의 흐름방향 투영면적, K는 단면형상에 따른 저항계수, P_k는 수압, W_w는 테트라포드의 자중, μ는 정지마찰계수, F는 마찰력, F_s는 안전률이다.

후속연구

따라서, 상류에 투과형 사방댐을 건설해도 하류에 저류수가 없는 불투과형 사방댐이 존재하면 생태통로 기능을 확보할 수 없으므로 상·하류의 생태의 종적 연속성을 고려하여 불투과형 사방댐을 개선해야 할 것이다.
향후에는 모니터링에 의한 불투과형 사방구조물의 효과와 문제점을 정리하여 방재 및 수생물권 보존을 위한 목적을 명확히 하여 투과형 사방구조물 계획과 평가방법을 마련해야 할 것이며, 투과형 사방구조물의 토사유출과 하상변동, 하상구조변화의 실태를 파악, 방재상의 평가와 생물의 응답과 그 메카니즘을 규명할 필요가 있다. 또한, 기설치된 불투과형 사방구조물 등의 개축에 의한 새로운 유역보전방법을 모색해야할 것이다.
본 연구에서는 5ton급 단일 테트라포드에 대해 서만 평가를 하였지만 상류유역 규모에 따라서는더 무거운 8ton급이나 10ton급 테트라포드를 적용하면 그 활용도를 높일 수 있을 것이다.
따라서, 계류에서상·하류의 생태통로 확보와 유사이송의 연속성을 확보하기 위해서는 과거에 시공된 불투과형 사방댐을 투과형 사방댐으로 개선할 필요가 있다. 생태통로 기능에 대한 평가를 위해서는 향후 체계적인 모니터링에 의한 계속 연구가 필요하다.
홍수 전후에 대한 하상재료를 분석한 결과, 상류에는 입경이 큰 작은 전석(512～256mm) 이상의 하상재료를 퇴적시키고, 큰 호박돌(256～128mm) 이하는 대부분 하류로 이송시키므로써 비교적 양호하게 기능을 발휘하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 볼 때 불투 과형 사방댐은 하류로의 유사공급을 차단하여 하류하천의 장기적인 하상저하로 호안 및 제방 등하천구조물의 파괴를 초래하지만, 테트라포드 사방댐을 활용하여 유사공급을 연속시킨다면 이를 예방할 수 있을 것이다. 또한, 불투과형 사방댐은 장기적인 퇴사로 인하여 주기적인 준설이 필요하 지만 테트라포드 사방댐은 상당량의 토석을 하류로 이송함으로써 준설이 거의 필요 없으며, 규모가 작기 때문에 계류에 적정한 간격으로 설치하면 유속 및 유사이송의 종단적 안정성도 확보할수 있다.
지금까지 테트라포드 및 유사한 재료를 적용한 선행연구가 전무하므로 계속 연구가 필요하다고 본다.
P)은 1949년 프랑스에서 개발되어 지금까지 세계 각지에서 이용되면서 해안에서의 소파효과와 더불어 구조적 안정성이 입증되었다. 테트라포드의 제원은 그림 2 및 표 2와 같고 0.5ton～64ton까지 17종이 있으며, 본 연구에서는 5ton급을 적용하였으나 필요에 따라 더 큰 중량을 활용할 수 있을 것이다.
향후에는 모니터링에 의한 불투과형 사방구조물의 효과와 문제점을 정리하여 방재 및 수생물권 보존을 위한 목적을 명확히 하여 투과형 사방구조물 계획과 평가방법을 마련해야 할 것이며, 투과형 사방구조물의 토사유출과 하상변동, 하상구조변화의 실태를 파악, 방재상의 평가와 생물의 응답과 그 메카니즘을 규명할 필요가 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천 상류의 계류에 토사재해 방지를 위해 설치된 횡단구조물에는 무엇이 있는가?	하천 상류의 계류에는 토사재해를 방지하기 위하여 사방댐, 바닥막이공, 바닥다지기공 등 횡단구조물이 많이 설치되어 있다. 특히, 지금까지 설치된 사방댐은 산사태 및 토석류 발생시 다량의 토사를 저류할 수 있는 불투과형 사방댐으로 되어 있어 저사기능은 우수하나 생태통로를 차단하여 어류의 이동을 저해할 뿐만 아니라 주변의 자연경관을 훼손하고 있다.
	불투과형 사방댐 대신 방재적 기능의 발휘, 계류 생태계에 대한 영향 부하의 경감을 위해 검토되는 방법은 무엇인가?	토사재해 방지 및 경감을 목적으로 시공된 불투과형 사방댐은 방재효과를 제고할 수 있어도 계류를 횡단방향으로 차단하기 때문에 최근 계류 생태계 파괴의 원흉으로 지적되고 있다. 이 때문에 방재적 기능의 발휘, 계류 생태계에 대한 영향 부하의 경감을 위하여 불투과형 사방구조물의 슬릿트(slit)화가 검토되고 있지만 아직 사례가 흔하지 않으며, 어떠한 효과를 나타낼 것인가에 대한 이론적 체계가 미흡한 실정이다.
	테트라포드를 야계사방 구조물로서 활용할 경우의 장점은 무엇인가?	테트라포드를 야계사방 구조물로서 활용할 경우에는 다음과 같은 장점이 있다. ① 정사면체가 기본 형상이므로 중심의 위치가 낮아 유수력에 대한 안정성을 확보할 수 있다. ② 일렬로 배치할 경우 블록과 블록 사이에 수로가 형성되므로 유사이송의 연속성을 확보하고, 생태통로를 유지할 수 있다. ③ 하부의 중심부가 지지점보다 높기 때문에 야계에서 간단한 평탄작업으로도 거치가 가능하다. ④ 블록주변에 사석이 채워질 경우 맞물림 효과에 의하여 구조적으로 활동 및 전도에 대한 안정을 확보할 수 있다. ⑤ 상부가 기둥역할을 하므로 슬리트 사방댐과 같은 유목 차단효과를 발휘할 수 있다. ⑥ 블록의 중심이 낮은 형상이므로 운반시 안전성을 확보할 수 있다. ⑦ 접근로가 없는 계곡부에 헬기 등을 이용할 경우 자연환경 훼손을 최소화하면서 구조물 설치가 가능하다는 여러 가지 장점이 있다.

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