[논문]토양 손실 평가에 의한 식생매트의 허용 소류력 결정

이두한; 이동섭; 김명환

doi:10.5762/kais.2013.14.11.5956

초록
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친환경 하천사업의 활성화로 식생매트의 사용은 증가하고 있으나 수리적 안정성에 대한 평가기법은 제시되지 않은 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. 작용 소류력에 대한 토양손실평가를 위하여 지상라이다에 의한 측량을 수행하고 실험 전후의 하상고 변화를 평가하여 토양손실지수(CSLI)를 산정하였으며, 작용 소류력과 함께 도시하여 허용 소류력을 정량적으로 평가하였다. 하상고에 대한 정밀 측량 결과 분석에 의해서 식생매트가 안정한 경우에는 하상 변동이 국부적으로 제한되나, 불안정으로 판정되는 경우에는 식생매트 하부에서 비교적 큰 규모의 하상 변동이 발생하며 이는 자연 하상의 거동과 유사함을 확인하였다. 이상의 연구를 통해서 ASTM D 6040에 의한 식생매트의 허용 소류력 평가가 파괴 메카니즘 및 토양손실판정 기준에서 유효함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

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. To evaluate soil loss, Terrestrial 3D LiDAR measurement is conducted and soil loss index are calculated from changes of bed elevation. Quantified evaluation for permissible shear stresses is conducted by graphical method for acting shear stresses and soil loss index. By the results of precision survey, changes of sub soil are limited to local range in stable cases and relatively large changes of sub soil which is similar to natural river bed are detected in unstable cases. From the study, evaluation of permissible shear stresses by ASTM D 6040 is avaliable in the failure mechanism and failure criteria by soil loss index.

주제어

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문제 정의

본 연구는 하천용 식생매트 제품의 허용 소류력 결정을 위한 시험방법 개발의 일환으로 수행되었다. ASTM D 6040에 의한 실험을 수행하고 소류력 및 토양손실을 평가하여 정량적인 식생매트 허용 소류력 평가기법을 제시하고자 한다.
본 연구는 실규모 식생매트 실험체 2종에 대해서 수행 하였고 식생이 없는 상태의 수리특성을 검토하였다. 실규모 실험은 경상북도 안동에 위치한 한국건설기술연구원 하천실험센터의 실규모 수로 중 고속수로의 호안시험구간에서 수행하였다(Fig.
본 연구는 하천용 식생매트 제품의 허용 소류력 결정을 위한 시험방법 개발의 일환으로 수행되었다. ASTM D 6040에 의한 실험을 수행하고 소류력 및 토양손실을 평가하여 정량적인 식생매트 허용 소류력 평가기법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 이두한 등[13]의 실험에서 측정된 하상고 변화를 분석하여 소류력에 따른 식생매트의 손실을 평가하고 허용 소류력을 결정하고자 한다.
본 연구에서는 작용 소류력의 정확한 계산을 위해서 통제된 실규모 실험 수로에서 실험과 계측을 수행하였으며, 작용 소류력에 대한 토양손실을 정확하게 평가하기 위하여 지상 LIDAR에 의한 측량 및 분석을 수행하였다. 실험 전후의 하상고 변화를 평가하여 토양손실지수 (CSLI)를 산정하였으며, 작용 소류력과 함께 도시하여 허용 소류력을 정량적으로 평가할 수 있음을 보여주었다.

제안 방법

1) 식생 매트 하부 하상의 변동을 지상 LiDAR를 이용하여 정밀 측정하여, 토양 유실 정도에 따른 유실부와 퇴적부의 양상 변화를 제시하였다. 식생 매트가 안정한 조건에서는 퇴적부가 소규모로 형성되어 하상의 변형이 국부적으로만 발생되나, 유실량이 증가할수록 국부적인 유실부와 퇴적부의 규모가 커지며, 완전한 파괴가 진행된 경우에는 자연 하상과 유사한 소규모의 여울-소 구조가 형성됨을 확인하였다.
본 연구에서는 정확한 시험체의 하상 변화 측정을 위해서 식생매트 설치 전의 하상을 측정하고, 실험 유량 유하 후에는 식생매트를 완전히 제거하여 하상을 측정하였다. 측정 장비는 지상라이다를 이용하여 정밀하게 측정하였다.
시험 유량은 펌프를 통해서 유입수로로 공급되는데 유입수조의 수위변화를 측정하여 공급유량을 산정하였다. 실험 조건 및 분석된 소류력은 Table 2와 같다.
실험체를 실험수로 내에 10m 구간에 각각 설치하였으며 기반층은 모래로 구성하였고 매트 제조사에서 제시된 표준 시공법에 따라 고정핀 등을 설치하였다. 설치 후의 상황은 Fig.
실험 조건 및 분석된 소류력은 Table 2와 같다. 자세한 실험결과는 이두한[13]에 제시되었으며 본 논문에서는 토양 손실 평가에 의한 한계 소류력 분석을 수행하였다.
하상고 변화에 대한 정량적 분석을 위해 Table 3 및 Table 4와 같이 작용 소류력에 따른 최대 퇴적고, 최대 세굴심, 유실 체적, 퇴적 체적, 유실부 면적, 퇴적부 면적, 토양손실지수(CSLI) 등을 산정하였다. Table 3 및 Table 4에서 작용 소류력의 증가와 비례하는 항목은 유실 체적, 퇴적 체적, 퇴적 면적, 토양손실지수 등이며 최대 퇴적고, 최대 세굴심, 유실 면적 등은 일정한 관계를 나타내지 않았다.
5). 하상의 변화를 관측하기 위해서 지상라이다를 이용하여 시험 전후의 하상을 측량하였다.

대상 데이터

4와 같다. A형은 B형 상층에 코팅 철망이 보강되어 토양 유실에 대한 저항성이 높을 것으로 예상되는데, 유사한 소류력 상황에서 토양 손실량이 큰 경우와 작은 경우의 하상변동 거동의 비교를 위해서 두 제품을 선정하였다.
본 연구에서 각 실험당 실험 구간에서 2만개 이상 지점에서 하상고 자료를 획득하였다. Fig.
식생매트 실험체는 국내 기성제품으로 표면이 코이어 네트층(B형)으로 구성된 제품과 코이어네트층 위에 코팅 철망이 보강된 제품(A형)의 2종으로 하였으며 상세 사양은 Table 1 및 Fig. 4와 같다. A형은 B형 상층에 코팅 철망이 보강되어 토양 유실에 대한 저항성이 높을 것으로 예상되는데, 유사한 소류력 상황에서 토양 손실량이 큰 경우와 작은 경우의 하상변동 거동의 비교를 위해서 두 제품을 선정하였다.
본 연구는 실규모 식생매트 실험체 2종에 대해서 수행 하였고 식생이 없는 상태의 수리특성을 검토하였다. 실규모 실험은 경상북도 안동에 위치한 한국건설기술연구원 하천실험센터의 실규모 수로 중 고속수로의 호안시험구간에서 수행하였다(Fig. 1 및 Fig 2). 실험수로의 총연장은 594 m인데 본 연구에서는 상류 급경사부(1/80) 100m 구간에서 10m 단위로 두 개의 규준틀을 설치하여 시험을 수행하였다(Fig.
1 및 Fig 2). 실험수로의 총연장은 594 m인데 본 연구에서는 상류 급경사부(1/80) 100m 구간에서 10m 단위로 두 개의 규준틀을 설치하여 시험을 수행하였다(Fig. 3).

이론/모형

시험 유량은 ASTM 기준에 따라 30분간 유하하였으며 유하시간 동안 하도 중앙부에서 1m 간격으로 수위 및 유속을 측정하였다(Fig. 5). 하상의 변화를 관측하기 위해서 지상라이다를 이용하여 시험 전후의 하상을 측량하였다.

성능/효과

2) 유실부 및 퇴적부의 면적 및 체적 분석 결과, 작용 소류력에 대해서 유실부 및 퇴적부의 체적은 비레하는 것으로 나타나며 이로부터 산정된 토양손실지수가 작용소류력에 비례하여 식생매트 파괴의 정량적 기준이 될 수 있음을 확인하였다. 그러나, 토양 손실기준인 12.
3) 유실면적은 작용 소류력과 비례하지 않고, 유실부의 분포도 작용 소류력의 증가에 따라 다른 양상을 나타내므로, 토탈스테이션과 같은 지점 측량에 의해 토양 손실을 판정할 경우에는 국부적인 세굴과 퇴적 양상이 토양손실지수 산정에 미치는 영향을 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해 하상고 측정 지점의 개수 및 위치에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.
지상라이다의 거리측정 방식은 레이저 펄스가 목표물까지 왕복하는 시간을 측정하는 pulse ranging 방식과 레이저 광선의 위상차를 측정하는 continuous wave ranging 방식으로 구분된다. 본 연구에서 이용한 지상라이다는 RIEGL 사의 LMS-Z390i로 pulse ranging 방식이며 정확도는 50 m 거리에서 6 mm 정도를 나타내는데 후처리 작업을 통해서 2 mm 정확도로 지형 모델링이 가능하다. 측정 속도는 최대 초당 11,000 지점 이며 측정 분해능은 수평 및 수직 방향에 대해 모두 0.
1) 식생 매트 하부 하상의 변동을 지상 LiDAR를 이용하여 정밀 측정하여, 토양 유실 정도에 따른 유실부와 퇴적부의 양상 변화를 제시하였다. 식생 매트가 안정한 조건에서는 퇴적부가 소규모로 형성되어 하상의 변형이 국부적으로만 발생되나, 유실량이 증가할수록 국부적인 유실부와 퇴적부의 규모가 커지며, 완전한 파괴가 진행된 경우에는 자연 하상과 유사한 소규모의 여울-소 구조가 형성됨을 확인하였다.
본 연구에서는 작용 소류력의 정확한 계산을 위해서 통제된 실규모 실험 수로에서 실험과 계측을 수행하였으며, 작용 소류력에 대한 토양손실을 정확하게 평가하기 위하여 지상 LIDAR에 의한 측량 및 분석을 수행하였다. 실험 전후의 하상고 변화를 평가하여 토양손실지수 (CSLI)를 산정하였으며, 작용 소류력과 함께 도시하여 허용 소류력을 정량적으로 평가할 수 있음을 보여주었다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
8의 (b) 및 (c)와 같이 토양 유실 정도가 심한 경우에는 유실부가 크게 형성되어 실험 구간 내에서 자연 상태 하상의 하상파와 유사한 유실 및 퇴적부가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 식생매트가 토양의 유실을 충분히 억제하지 못하고 유수에 의해 소규모의 여울과 소가 형성되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

2) 유실부 및 퇴적부의 면적 및 체적 분석 결과, 작용 소류력에 대해서 유실부 및 퇴적부의 체적은 비레하는 것으로 나타나며 이로부터 산정된 토양손실지수가 작용소류력에 비례하여 식생매트 파괴의 정량적 기준이 될 수 있음을 확인하였다. 그러나, 토양 손실기준인 12.7mm에 대해서는 보다 많은 자료 축적을 통해서 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	식생매트가 무엇인가?	식생매트는 천연재료 또는 합성 섬유를 이용하여 매트 구조를 형성하고 자연적 또는 인위적 식생 활착을 유도 하여 흙사면을 보호하는 재료로 성토 및 절토지의 사면 보호 뿐만 아니라 하천의 침식 및 세굴 방지용으로 국내 에서 널리 사용되고 있다. 과거에는 하천의 제방, 고수부지, 하안 등의 보호가 필요한 경우에는 콘크리트 블록이 주로 사용되었으나 1990년대 후반부터는 생태적으로 유리한 식생매트의 사용이 증가하고 있다.
	ASTM 기준 (ASTM D 6040)은 무엇을 위한 시험기준인가?	미국의 경우에는 국내의 식생매트에 해당하는 두루마리형 침식방지 제품(RECP, Rolled Erosion Control Product)에 대한 허용 소류력 및 허용유속 평가를 위한 시험기준으로 ASTM D 6040(ASTM)[1]이 제시되어 있다. 식생매트 제품에 대한 시험은 강제 사항은 아니나, 설계시방서 등에서 설계 소류력에 저항할 수 있는 제품을 사용하도록 규정하고 있는 경우가 대부분이다.
	과거에 식생매트 대신 사용하던 것은?	식생매트는 천연재료 또는 합성 섬유를 이용하여 매트 구조를 형성하고 자연적 또는 인위적 식생 활착을 유도 하여 흙사면을 보호하는 재료로 성토 및 절토지의 사면 보호 뿐만 아니라 하천의 침식 및 세굴 방지용으로 국내 에서 널리 사용되고 있다. 과거에는 하천의 제방, 고수부지, 하안 등의 보호가 필요한 경우에는 콘크리트 블록이 주로 사용되었으나 1990년대 후반부터는 생태적으로 유리한 식생매트의 사용이 증가하고 있다.

참고문헌 (14)

ASTM , "ASTM D6460-07 Standard Test Method for Determination of Rolled Erosion Control Product Performance in Protectiing Eathen Channels from Stormwater-Induced Erosion", 2007.
Moritime Hydrosed, GreenArmor 7020 Extend the Boundaries of Natural Vegetation, 2008.
Busan regional constrcution management administration, Design guideline for river works, 2009.
McCullah, J., and Howard, V., "Shasta College erosion control blanket study, research quantifies erosion from slopes", Land and Water, Sept/Oct, 2000, 44:5, 2000.
Casas, B., Montavez, I., Bertran, M., Sanchis, E., and Fos, M., "Evaluation of different erosion control covers in the revegetation of slope areas", Proceedings of 33rd Annual Conference, International Erosion Control, Association (IECA), Orlando, Florida, February 2002, 31-36, 2002.
Bhatia, S.K., Rao, G.V. and Smith, J.L., "International Practices and Guidance: Natural-Fiber Rolled Erosion Control Products, International Conference on Scour and Erosion 2010, ASCE, 2010.
Smith, J.L., Bryz-Gornia, C.J., Bhatia, S.K., and Walowsky, D., "A comparative study of RECPs: lab testing and field performance", GeoFrontiers 2005, TX, Jan., 2005.
Seo, Young-Min, Lee, Seung-Yun, Heo, Chang-Hwan, and Jee, Hong-Kee, "Reduction of Tractive Force by Revetment Mattress/Filter", Journal of the Environmental Sciences, Vol. 15, No. 1, pp. 33-43, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.5322/JES.2006.15.1.033

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Rhee, Dong Sop, Ahn, Hong Kyu, Woo, Hyoseop, Kwon, Bo Ae, "Application and Assessment of New Vegetation Revetment Techniques Considering Safety and against Flood and Environmental Performance", Journal fo Korea Water Resources Association, Vol. 40, No. 2, pp. 125-134, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.3741/JKWRA.2007.40.2.125

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Han, Eun Jin, Hwang, Soo Deok, Kim, Young Do, Park, Jae Hyun, Kim, Chul, "A Study on Hydraulic Stability of Vegetation Mat Method on High Water Revetment", Journal of Wetlands Research, Vol. 12, No. 2, pp. 75-89, 2010.
Kim, Hyun Woo, Kim, Yun Hwan, Kim, Chul, "Study on the Characteristics of Uplift Capacity of Anchor Pin for Fixing the Vegetation Mat", 2011 Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference, pp. 319-324, 2011.
Jang, Chang-Lae, Lee, Su Kyung, Kim, Ji Hak, "Experimental Study on the Resistance of Erosion of the River Banks Covered with Vegetation-Mat", 2011 Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference, pp. 346-350, 2011.
Lee, Du Han, Kim, Dong-Hee, Kim Myounghwan, and Rhee, Dong Sop, "A real scale experimental study for evaluation of permissible shear stresses on vegetation mats, Journal of the Korean academia-Industrial cooperation society, Vol. 13, No. 12, pp. 6151-6158, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.12.6151

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Sprague, C. J., Large scale channel erosion testing of ErosionControlBlanket.com's SC32BD, double net straw coconut blanket over loam, TRI/Environmental, Inc, 2013.

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