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문제 정의
- 또한 식생호안의 안정성 판단을 위해 중요한 요소인 근모량의 채취방법과 산정에 대한 정확한 기준이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 식생호안의 안정성 판단을 위하여 사용되는 식생 근모량의 중요성 확인과 평균근모량 측정 방법을 제시하고, 식생호안에서의 근모량에 따른 전단강도와 침식특성의 상관성을 실험을 통하여 규명하고자 한다.
- 본 연구는 식생호안과 같은 식생을 가진 토양에서의 수리적 안정성 판단을 위한 근모량 값에 따른 토양의 전단강도와 침식특성의 분석이다. 실험에 사용한 식생은 국내 하천 호안의 최우점종인 달뿌리풀을 이용하였으며, 근모량 측정기기는 자체 제작하여 사용하였다.
- 실험결과 유속이 증가함에 따라 침식율은 커지는 것을 확인하였다. 이는 Froude 수에 따른 침식율의 상관을 확인하고자 함이다. 아울러 평균근모량이 증가함에 따라 침식율은 현저하게 감소하는 것을 확인하였다 (Fig.
제안 방법
- Cho and Ahn (1998)은 식생뿌리에 의한 비탈면의 안정성 보강을 위하여 비탈면에서 생육이 가능한 참싸리 (Lespedwza Cyrtobotrya)와 조릿대 (Sasamprpha Purpurascens), 참억새 (Miscanthus Sinensis)를 대상으로 뿌리의 인발실험을 실시하여 전단강도의 증가를 측정하였다. 뿌리의 직경이 커짐에 따라 인발강도가 커짐을 확인하였으며, 식생 종류에 따른 전단 저항력을 분석하였다. 또한 건설교통부 (MOCT, 2004)에서는 하천 호안관련 선진기술 개발을 위한 연구를 통하여 일본의 건설성에서 제시한 방법과 동일한 호안의 안정성 판단 방안을 제시하였다.
- 이는 정상류 상태를 유지하기 위하여 실험장치의 바닥을 시료통 높이와 일치시켜 수로 바닥에 시료를 넣을 수 있도록 제작한 것이다. 수심과 침식깊이의 측정은 개수로 레일 위의 이동장치에 부착된 포인트 게이지를 이용하여 측정하였으며, 유속의 측정은 마그네틱 유속계 (LP1100)로 측정하였다. 설계된 실험수로는 Fig.
- 본 연구에서는 하천의 식생호안에서 초본류 중 최우 점종인 달뿌리풀을 실험대상으로 선정하였다 (Photo 1). 식생 근모량의 채취 방법은 일본 건설성 (MOC, 2000)에서 제시한 근모량 채취방법으로 지름 3 cm, 깊이 5 cm의 채취기를 자체적으로 제작하여 사용하였고, 토양 및 근모만의 채취를 위하여 토양 표면의 식생 줄기는 채취 시 제외하여 평균근모량을 산정하였다. 근모량 측정기기와 채취 모습은 Photo 1과 같으며, 평균근모량의 산정방법은 다음과 같다.
- 952이다. 실험 시 유량은 일정하게 고정하였으며, 하류단의 수위조절용 위어를 이용하여 유속 및 수심의 변화를 주었다. 흐름지속시간은 침식의 상황이 시간에 따라 지수함수적으로 감소함을 보여 침식의 양상이 현저하게 줄어드는 시간인 15분으로 하였다.
- Easson and Yarbrough (2002)는 RAR (Root Area Ratio) 방법을 이용하여 격자망을 이용한 근모의 개수를 파악하여 일정 면적 내 근모량 값을 산정하였다. 아울러 근모에 의해 강화된 토양과 근모가 없는 토양의 전단강도 비교를 통해 근모량에 따른 토양 전단강도를 분석하였다. Micheli and Kirchner (2002)는 제외지 식생 구간의 침식에 대한 연구로 임의 영역안의 근모량의 개수와 전단강도와의 상관관계를 분석하였다.
- 침식율 산정을 위한 실험은 식생이 없는 시료와 식생이 있어 근모량이 있는 6가지에 대해서 실험을 수행하였다. 아울러 유속을 점차 증가시키면서 그에 따른 침식율을 산정하였다. 침식의 진행은 시간에 따라 커지나 침식율은 지수 함수적으로 침식진행속도가 감소하여 약 15분이 경과하면서 침식의 양상은 현저히 줄어들어 각 실험의 경우 15분 후에 실험을 종료하고 침식율을 산정하였다.
- Gray and Ohashi (1983)는 식생근모에 따른 보강토에 대한 이론과 힘의 평형과의 비교를 통해 보강토는 최대 전단력의 증가를 가져오며, 전단저항은 감소함을 확인하였다. 아울러 토양내부 근모의 경사각, 면적비, 길이 등에 따른 전단강도의 변화를 제시하였다. Ikeda and Izumi (1990)는 식생밀도가 높아질수록 호안경사가 증가할 수 있음을 이론적으로 증명하였다.
- 또한 건설교통부 (MOCT, 2004)에서는 하천 호안관련 선진기술 개발을 위한 연구를 통하여 일본의 건설성에서 제시한 방법과 동일한 호안의 안정성 판단 방안을 제시하였다. 이를 토대로 Choi and Kim (2009) 우리나라의 대표적인 호안공법인 식생호안, 돌망태공, 호안블록공의 수리적 안정성 평가를 위한 Menudriven 방식의 안정성평가 프로그램을 개발하였다.
- 침식량의 계산은 시료 0.4 m × 0.4 m의 시료를 0.08 m 간격의 16 지점에서의 침식깊이를 측정한 후 그 량을 각주 계산법으로 산정하였다.
- 침식율 산정을 위한 실험은 식생이 없는 시료와 식생이 있어 근모량이 있는 6가지에 대해서 실험을 수행하였다. 아울러 유속을 점차 증가시키면서 그에 따른 침식율을 산정하였다.
- 아울러 유속을 점차 증가시키면서 그에 따른 침식율을 산정하였다. 침식의 진행은 시간에 따라 커지나 침식율은 지수 함수적으로 침식진행속도가 감소하여 약 15분이 경과하면서 침식의 양상은 현저히 줄어들어 각 실험의 경우 15분 후에 실험을 종료하고 침식율을 산정하였다. 침식량의 계산은 시료 0.
대상 데이터
- Fig 1과 같이 침식특성을 실험하기 위하여 0.4 m × 0.4 m의 침식시료 주변 8개 지점에서 근모량을 채취하여 평균근모량을 산정하였고, 전단강도 실험을 위한 시료는 4개 지점에서 지름 6 cm의 시료를 채취하였다.
- ① 현장시료 채취: 근모량 채취기를 이용하여 하천 호안 비탈면에 수직된 상태로 시료를 채취.
- 본 연구에서는 하천의 식생호안에서 초본류 중 최우 점종인 달뿌리풀을 실험대상으로 선정하였다 (Photo 1). 식생 근모량의 채취 방법은 일본 건설성 (MOC, 2000)에서 제시한 근모량 채취방법으로 지름 3 cm, 깊이 5 cm의 채취기를 자체적으로 제작하여 사용하였고, 토양 및 근모만의 채취를 위하여 토양 표면의 식생 줄기는 채취 시 제외하여 평균근모량을 산정하였다.
- 현장에서 채취된 시료들은 토양의 종류에 따른 침식과 전단강도의 차이를 가져올 수 있기에 체분석 시험을 실시하여 KS F2324 (흙의 공학적 분류방법)에 의해 분류하였다. 실험에 사용된 흙은 SW인 입도분포가 좋은 모래 또는 자갈질의 모래로 균등계수는 2.83이다 (Table 1).
- 본 연구는 식생호안과 같은 식생을 가진 토양에서의 수리적 안정성 판단을 위한 근모량 값에 따른 토양의 전단강도와 침식특성의 분석이다. 실험에 사용한 식생은 국내 하천 호안의 최우점종인 달뿌리풀을 이용하였으며, 근모량 측정기기는 자체 제작하여 사용하였다. 본 연구에서의 결론은 다음과 같다.
- 평균 근모량의 변화에 따른 침식특성 분석을 위한 실험은 가변식 경사 개수로 실험장치로 길이는 12 m, 폭과 높이는 각각 0.4 m의 직사각형이다. 채취한 식생을 포함한 시료는 수로의 4～5 m 지점에 0.
- 현장시료의 채취는 샘플이 교란되지 않도록 제작한 채취기를 사용하였다. Fig 1과 같이 침식특성을 실험하기 위하여 0.
이론/모형
- 식생 및 근모에 의한 침식과 전단특성에 대한 연구로는 Wu et al. (1979)이 실험에 의한 민감도 해석으로 뿌리의 전단강도와 내부마찰각에 대한 연구를 통하여 뿌리에 의한 전단강도식을 제시하였다. Gray and Ohashi (1983)는 식생근모에 따른 보강토에 대한 이론과 힘의 평형과의 비교를 통해 보강토는 최대 전단력의 증가를 가져오며, 전단저항은 감소함을 확인하였다.
- 현장에서 채취된 시료들은 토양의 종류에 따른 침식과 전단강도의 차이를 가져올 수 있기에 체분석 시험을 실시하여 KS F2324 (흙의 공학적 분류방법)에 의해 분류하였다. 실험에 사용된 흙은 SW인 입도분포가 좋은 모래 또는 자갈질의 모래로 균등계수는 2.
- 현장에서 채취한 근모량에 따른 식생토양의 전단 강도를 측정하기 위하여 직접전단시험을 KS F2343 시험규정에 따라 실시하였다. Photo 2 (a)는 사용된 직접전단기기이다.
성능/효과
- 1) 근모량 채취 및 근모량 산정 방법의 제시와 그에 따른 전단강도 시험결과 평균근모량 값이 증가함에 따라 토양의 전단강도가 증가함을 알 수 있었으며, 그에 따라 식생호안에서 흐름에 대한 안정성 평가에 있어 식생의 근모량 측정이 매우 중요함을 확인하였다.
- 2) Froude수 별 평균근모량에 따른 침식특성 분석결과 평균근모량이 증가함에 따라 토양의 침식율은 지수함수적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 호안에서의 평균근모량은 토양의 침식저항 능력을 증가시킴을 알 수 있었다.
- 3) 전단강도와 침식율의 상관성 분석 결과 토양의 전단강도가 증가함에 따라 유수에 의한 침식율은 지수함수적으로 감소하며, 전단강도의 증가는 침식 저항 능력과 관계가 있음을 알 수 있었다. 아울러 평균근모량과 전단응력, 평균근모량과 침식특성, 전단강도와 침식율의 관계곡선식을 제시하였으며, 관계곡선식의 결정계수는 모두 매우 높게 나타났다.
- 4) 아울러 평균근모량과 Froude수, 전단강도와 Froude수에 의한 침식율의 산정을 위한 다중 회귀식을 제시하였으며, 결정계수는 0.918, 0.921로 매우 높게 나타났다. 따라서 식생의 근모량의 측정과 이에 관계되는 전단강도와 유수의 특성인 Froude수는 식생호안의 안정성 평가에 중요한 인자이고 개발한 식은 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
- Micheli and Kirchner (2002)는 제외지 식생 구간의 침식에 대한 연구로 임의 영역안의 근모량의 개수와 전단강도와의 상관관계를 분석하였다. 근모량 (g)/토양 (g)의 무차원 값과 전단강도의 상관관계를 분석하여 근모량의 증가가 전단강도의 증가함을 실험을 통하여 규명하였다. Pollen (2007)은 현장 실험을 통하여 토양의 뿌리보강 측면에서 수분조건과 전단응력과의 관계를 규명하였고, 식생 사면과 무식생 사면의 안정성을 비교하여 뿌리보강에 의한 안정성은 토양의 전단강도에 의해 결정되며, 식생이 있는 경우가 식생이 없는 경우보다 안전율이 더 크게 나타남을 확인하였다.
- 아울러 평균근모량과 전단응력, 평균근모량과 침식특성, 전단강도와 침식율의 관계곡선식을 제시하였으며, 관계곡선식의 결정계수는 모두 매우 높게 나타났다. 따라서 근모량의 증가에 의한 전단강도의 증가는 침식저항을 가져옴을 확인하였으며, 식생 호안에서의 유수에 따른 침식에 대한 안정성 평가에 있어 근모량 측정은 매우 중요한 요소임을 확인하였다.
- 4%로 현저하게 감소함을 볼 수 있다. 따라서 식생에 의한 근모량은 식생이 있는 토양에서의 침식방지에 큰 효과를 가질 수 있음을 확인할 수 있다. Table 5에 의한 결과 실험범위에서 약 8배까지로 나타났다.
- 2) Froude수 별 평균근모량에 따른 침식특성 분석결과 평균근모량이 증가함에 따라 토양의 침식율은 지수함수적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 호안에서의 평균근모량은 토양의 침식저항 능력을 증가시킴을 알 수 있었다.
- 또한 도출된 실험결과를 통해 평균근모량과 Froude number에 따른 침식율 및 전단강도와 Froude number에 따른 침식율을 모든 cases에 대하여 다중 회귀분석을 한 결과 Table 8과 같고, 결정계수는 0.918, 0.921로 매우 높게 나타났다. 아울러 본 회귀식의 분석결과에 따라 토양의 침식은 유속과 전단강도와의 상관에 매우 영향이 있음을 확인할 수 있었으며, 전단강도 및 침식량의 측정은 유수에 따른 호안의 안정성에 있어 매우 중요함을 확인하였다.
- 4 kg이다. 식생이 없는 시료를 포함한 9가지 cases에 대한 직접전단시험의 전단파괴 발생 시 하중의 평균 지속시간은 209초에서 305초로 나타났고, 그에 상응하는 평균 횡하중은 26.4 kg에서 39.5 kg로 나타났다. 일반적으로 근모량이 증가함에 따라 전단파괴 평균 지속시간의 중가와 평균 횡하중의 증가로 평균 전단강도가 증가하였다.
- 여기서 τ는 전단강도 (kg/cm2)이고, σ0는 평균 근모량 (g/cm3)이다. 실험 범위에서 근모량의 증가는 0.13 g/cm3으로 나타났고 그에 따른 전단강도의 증가는 0.45 kg/cm2으로 나타났다.
- 평균 근모량에 따른 침식특성 분석을 위한 실험결과는 Table 5와 같고, 침식율 산정을 위한 계산식은 식 (1)과 같다. 실험결과 유속이 증가함에 따라 침식율은 커지는 것을 확인하였다. 이는 Froude 수에 따른 침식율의 상관을 확인하고자 함이다.
- 따라서 식생호안과 같은 식생을 가진 토양의 경우 안정에 영향을 미치는 침식율을 저하시키기 위해서는 식생의 활착을 통한 근모량의 증가가 필요하다. 실험범위에서의 고찰로는 식생호안의 안정성에 영향을 미치는 침식율은 근모량 증가에 의한 전단강도 그리고 유수의 크기인 Froude수에 의해 지배적임을 확인하였다.
- 921로 매우 높게 나타났다. 아울러 본 회귀식의 분석결과에 따라 토양의 침식은 유속과 전단강도와의 상관에 매우 영향이 있음을 확인할 수 있었으며, 전단강도 및 침식량의 측정은 유수에 따른 호안의 안정성에 있어 매우 중요함을 확인하였다.
- 3) 전단강도와 침식율의 상관성 분석 결과 토양의 전단강도가 증가함에 따라 유수에 의한 침식율은 지수함수적으로 감소하며, 전단강도의 증가는 침식 저항 능력과 관계가 있음을 알 수 있었다. 아울러 평균근모량과 전단응력, 평균근모량과 침식특성, 전단강도와 침식율의 관계곡선식을 제시하였으며, 관계곡선식의 결정계수는 모두 매우 높게 나타났다. 따라서 근모량의 증가에 의한 전단강도의 증가는 침식저항을 가져옴을 확인하였으며, 식생 호안에서의 유수에 따른 침식에 대한 안정성 평가에 있어 근모량 측정은 매우 중요한 요소임을 확인하였다.
- 이는 Froude 수에 따른 침식율의 상관을 확인하고자 함이다. 아울러 평균근모량이 증가함에 따라 침식율은 현저하게 감소하는 것을 확인하였다 (Fig. 4). 식생이 없는 경우의 Froude수가 0.
- 5는 Froude수 별 평균근모량에 따른 전단강도와 침식율의 상관이다. 전단강도의 증가에 따른 침식율은 지수함수적으로 감소하며 토양의 전단강도가 증가하면 유수에 의한 침식율이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 전단강도에 따른 침식율에 대한 관계곡선식은 Table 7과 같으며, 결정계수는 0.
- 3은 평균근모량에 따른 평균 전단강도를 나타낸 곡선으로 멱함수의 형태로 나타났으나 실험의 범위에서는 거의 선형적으로 변하며, 평균근모량의 증가에 따라 식생을 포함한 시료의 평균 전단강도는 증가함을 보여준다. 평균근모량과 평균 전단강도의 관계곡선식은 #이고 결정계수는 0.980으로 매우 높게 나타나 근모량과 전단강도는 매우 상관성이 높은 것을 알 수 있었다. 여기서 τ는 전단강도 (kg/cm2)이고, σ0는 평균 근모량 (g/cm3)이다.
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