[논문]바이오폴리머 혼합토와 결합된 식생매트의 한계 소류력 평가

이두한; 김명환

doi:10.3741/jkwra.2020.53.3.167

바이오폴리머 혼합토와 결합된 식생매트의 한계 소류력 평가
Evaluation of critical tractive forces of vegetation mats enhanced with biopolymer mixed soil 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.3, 2020년, pp.167 - 179

이두한 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 김명환 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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최근 바이오폴리머 소재를 이용하여 자연 흙의 강도와 식생의 생장을 증진하는 새로운 제방 소재가 개발되었다. 본 연구에서는 바이오폴리머 혼합토를 친환경 제방 재료로 활용하기 위해 혼합토로 조성된 식생 매트의 한계 소류력을 평가하였다. 혼합토는 베타글루칸을 주재료로 모래와 황토를 혼합하여 조성하였다. 실규모 시험체를 제작하여 혼합토를 3 cm 도포하였으며 식생과 매트를 이용하여 4개의 시험체를 제작하였다. 실규모 실험에 의해 손상과 토양유실을 관측하여 한계 소류력을 결정하였다. 식생 호안의 특성상 식생의 피복도에 따라 영향을 받기는 하지만 식생이 활착된 경우 개략적으로 한계소류력 42 N/㎡, 한계유속 4 m/sec을 실험을 통해 확인하였다. 또한 매트공법이 적용된 경우에는 뿌리와 매트의 결합으로 침식저항성이 강화됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, new levee material has been developed to enhance natural soil strength and vegetation growth using biopolymer. In the study, critical tractive force of vegetated mats mixed with biopolymer mixed soil has been evaluated to apply the mixed soil to levee construction material. The mixed soil has been produced by mixing beta-glucan, clay, and sand. Full scale test bodies have been constructed with 3 cm thick of the mixed soil. Total 4 test bodies have been constructed and experimented. Critical tractive forces have been evaluated by observation and measurement of failure conditions and soil loss. Although performance of the vegetated revetments are affected by vegetation coverage conditions, the critical tractive forces are shown about 40 N/㎡ and the critical velocities are shown about 4 m/sec by full scale experiment. Erosion resistance is also enhanced by combination of root and net with mat materials.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Microscopic structure of biopolymer soil mixtures (Chang et al., 2015)
그림 Fig. 2. KICT river experiment center and steep-sloped channel
그림 Fig. 3. The experimental reach in steep-sloped channel
그림 Fig. 4. Measurement points in the experiments
그림 Fig. 5. Procedure of the experiment
그림 Fig. 6. Applied vegetation mats
표 Table 1. Compositions of test bodies
그림 Fig. 7. Test body conditions after maximum discharge conditions
그림 Fig. 8. Changes of bed elevation (TB01, unit: m)
표 Table 2. Experimental result (TB01)
표 Table 3. Experimental result (TB02)
그림 Fig. 9. Changes of bed elevation (TB02, unit: m)
그림 Fig. 10. Changes of bed elevation (TB03, unit: m)
표 Table 4. Experimental result (TB03)
그림 Fig. 11. Changes of bed elevation (TB04, unit: m)
표 Table 5. Experimental result (TB04)
그림 Fig. 12. Linkage structure of root and PE net in TB04
그림 Fig. 13. Relations of tractive force and soil loss depth

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바이오폴리머 혼합토와 결합된 식생매트의 한계소류력을 실험을 통해 평가하여 적용기법에 따른 차이를 제시하였다. 바이오폴리머는 베타글루칸을 주재료로 모래와 황토를 혼합하여 3 cm 두께로 도포하였으며 수크령을 활착시키고 실규모 방류 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 친환경 신소재 제방재료인 바이오폴리머 혼합토의 침식저항성을 실규모 실험을 통해서 평가하여 제시하고 그 특성을 분석하고자 한다.
식생 호안의 적용에 대해서 특별한 기준이 없으나 국내에서는 저유속 구간에 주로 적용하고 있다. 본 연구에서는 환경적으로 안정적이고 식생 활착과 토양강도 증진에 효과가 있는 것으로 알려진 바이오폴리머 혼합토에 대한 침식저항성을 정량적으로 평가하였다. 식생 호안의 특성상 식생의 피복도에 따라 영향을 받기는 하지만 식생이 활착된 경우 개략적으로 한계소류력 42 N/㎡, 한계유속 4 m/sec을 실험을 통해 확인하였다.

제안 방법

계절과 시험체에 따라 생육기간이 다소 차이가 나는데 대략 1-2 달 정도 생육하였다. 30 cm 이상 식생이 번무하면 식생 높이를 30 cm로 일정하게 벌초하고 실험수로에 설치하여 실험을 수행하였다. 유량은 저유량에서 고유량으로 증가시키면서 실험을 수행하였으며 각 유량 조건에 대한 실험 수행 후 손상 정도를 검사하고 토양손실심 산정을 위해서 측량을 수행하였다.
손상은 시험체 경계면을 따라 흐름방향으로 전체 식생의 30% 정도가 완전히 유실되는 형태로 발생하였다. 각 유량 별 실험 이후에는 하상고를 정밀하게 측량하여 실험 유량에 의한 하상의 변화를 평가하였다. 각 유량 조건에서의 하상고의 변하는 Fig.
본 실험에서는 베타글루칸을 주재료로 흙 강도 증진과 식생 생장을 목적으로 한국과학기술원 연구팀에서 개발한 V2 레시피를 적용하였다. 개별 재료는 별도의 대형 믹싱기를 이용하여 혼합하여 혼합토를 형성하였다.
바이오폴리머 혼합토는 모래, 점토, 물, 바이오폴리머 등을 일정 비율로 혼합하여 구성하였다. 본 실험에서는 베타글루칸을 주재료로 흙 강도 증진과 식생 생장을 목적으로 한국과학기술원 연구팀에서 개발한 V2 레시피를 적용하였다.
바이오폴리머 혼합토를 이용하여 제작된 4개 시험체에 대하여 유량을 증가시키며 한계소류력 평가실험을 수행하였다. 각 시험체의 최대 유량 방류 후의 시험체의 상태는 Fig.
본 연구에서는 바이오폴리머 혼합토와 결합된 식생매트의 한계소류력을 실험을 통해 평가하여 적용기법에 따른 차이를 제시하였다. 바이오폴리머는 베타글루칸을 주재료로 모래와 황토를 혼합하여 3 cm 두께로 도포하였으며 수크령을 활착시키고 실규모 방류 실험을 수행하였다.
바이오폴리머 혼합토는 모래, 점토, 물, 바이오폴리머 등을 일정 비율로 혼합하여 구성하였다. 본 실험에서는 베타글루칸을 주재료로 흙 강도 증진과 식생 생장을 목적으로 한국과학기술원 연구팀에서 개발한 V2 레시피를 적용하였다. 개별 재료는 별도의 대형 믹싱기를 이용하여 혼합하여 혼합토를 형성하였다.
는 마찰경사로 실험에서 측정된 수면경사를 적용한다. 본 연구에서는 S_f는 수면경사와 같다고 가정하고 상하류 및 중앙 지점에서 측정된 수위 자료에 대한 선형관계로 산정하였으며 R은 측정된 수위의 평균으로부터 산정하였다. 조도계수는 매닝식에 의해서 산정하였다.
유실체적 C_T은 시험후의 손실된 토양의 부피를 나타낸 것으로 시험전후 하상 측량결과를 비교하여 산정한다. 본 연구에서는 토양손실심을 계산하기 위하여 시험체 설치 직후와 각 유량 조건별 방류 후에 하상을 정밀하게 측량하였다.
34 m까지는 현장 모래로 기반을 구성하였고 상부 3 cm를 바이오폴리머 혼합토를 도포하였다. 식생은 비교를 위해서 수크령으로 통일하였으며 포트 삽입과 씨앗 살포의 두 가지 경우에 대해 시험체를 제작하였다. 포트 삽입은 바이오폴리머 혼합토 도포 후 수행하였으며 수크령 포트를 10 cm 간격으로 심었다.
TB01은 바이오폴리머 혼합토에 수크령 포트 삽입으로 식생을 활착시킨 상태로 매트 등의 재료는 적용되지 않았으며 실험결과는 Table 2와 같다. 실험은 3가지 유량조건에 대해서 시험을 수행하였으며 유량 4.21 ㎥/s에서 대규모 손상이 발생 하여 실험을 중단하였으며 이때의 작용소류력은 33.05 N/㎡ 이며 유속은 4.21 m/s이었다. 손상은 시험체 경계면을 따라 흐름방향으로 전체 식생의 30% 정도가 완전히 유실되는 형태로 발생하였다.
실험절차는 ① 시험체 제작 및 설치, ② 방류 및 수위/유속 측정, ③ 손상 검사 및 측량, ④ 수리량 및 안정성 평가 등으로 진행되었다.(Fig.
포트 삽입은 바이오폴리머 혼합토 도포 후 수행하였으며 수크령 포트를 10 cm 간격으로 심었다. 씨앗 살포는 혼합토 제작 과정에 씨앗을 혼입하여 도포 과정에서 함께 살포되도록 하였는데 1 ㎡ 당 18g의 수크령 씨앗을 도포하였다. 매트가 적용되는 시험체는 기반층에 매트를 설치하고 그 상부에 바이오폴리머 혼합토를 살포하였다.
유량은 저유량에서 고유량으로 증가시키면서 실험을 수행하였으며 각 유량 조건에 대한 실험 수행 후 손상 정도를 검사하고 토양손실심 산정을 위해서 측량을 수행하였다. 유량 유하 조건에서는 소류력 산정을 위하여 유속과 수위를 측정하였다.
4에 제시된 것과 같다. 유량별 통수시간이 1시간이라 통수시간 내에 측정이 가능한 상하류의 각각 3개 측점과 시험체 중앙 1개 측점에서 유속과 수위를 측정하였다. 유속계는 1차원 전자기 유속계인 Kenex사의 LPT-500-25F를 사용하였고 수위계는 자체 제작한 철재봉을 이용하였다.
30 cm 이상 식생이 번무하면 식생 높이를 30 cm로 일정하게 벌초하고 실험수로에 설치하여 실험을 수행하였다. 유량은 저유량에서 고유량으로 증가시키면서 실험을 수행하였으며 각 유량 조건에 대한 실험 수행 후 손상 정도를 검사하고 토양손실심 산정을 위해서 측량을 수행하였다. 유량 유하 조건에서는 소류력 산정을 위하여 유속과 수위를 측정하였다.

대상 데이터

시험체는 길이 10.0 m, 폭 1.35 m, 높이 0.37 m의 철제프레임에 조성하였다. 프레임 높이 약 0.
6). 시험체는 총 4개를 제작하였으며 시험체의 구성은 Table 1과 같다.
2). 실험센터의 3개 수로 중 A1 수로의 상류 고유속 구간(Fig. 3)에서 실험을 수행하였는데 이 구간은 하상 경사가 1/70이며 최대 공급유량은 낙동강 수위 조건에 따라 상이하지만 8 ㎥/s 내외이다. 시험체는 Fig.
실험수로는 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터의 실규모 수로에서 수행하였다(Fig. 2). 실험센터의 3개 수로 중 A1 수로의 상류 고유속 구간(Fig.
유량별 통수시간이 1시간이라 통수시간 내에 측정이 가능한 상하류의 각각 3개 측점과 시험체 중앙 1개 측점에서 유속과 수위를 측정하였다. 유속계는 1차원 전자기 유속계인 Kenex사의 LPT-500-25F를 사용하였고 수위계는 자체 제작한 철재봉을 이용하였다.
37 m의 철제프레임에 조성하였다. 프레임 높이 약 0.34 m까지는 현장 모래로 기반을 구성하였고 상부 3 cm를 바이오폴리머 혼합토를 도포하였다. 식생은 비교를 위해서 수크령으로 통일하였으며 포트 삽입과 씨앗 살포의 두 가지 경우에 대해 시험체를 제작하였다.

데이터처리

조도계수는 매닝식에 의해서 산정하였다. 매닝식 적용을 위한 S_f는 앞에서 계산된 값을 적용하였고 평균유속은 측정된 유속에서 계산된 평균유량과 평균수위에 의해 계산하였다.

이론/모형

바이오폴리머 혼합토 시험체의 한계소류력 평가실험은 ASTM D6040에 의하여 수행하였다. 이 기준은 두루마리형 침식방지 제품에 대한 실규모 실험에 의한 한계소류력 결정방법을 기술하고 있다.
본 연구에서는 S_f는 수면경사와 같다고 가정하고 상하류 및 중앙 지점에서 측정된 수위 자료에 대한 선형관계로 산정하였으며 R은 측정된 수위의 평균으로부터 산정하였다. 조도계수는 매닝식에 의해서 산정하였다. 매닝식 적용을 위한 S_f는 앞에서 계산된 값을 적용하였고 평균유속은 측정된 유속에서 계산된 평균유량과 평균수위에 의해 계산하였다.

성능/효과

12). 본 실험에서는 최대 유량에 서도 TB04의 한계토양손실이 발생하지 않아 한계소류력을 결정할 수는 없었으나 한계소류력은 최소 44.05 N/㎡ 이상임을 확인하였다.
실험 완료 후 뿌리부의 관찰에 의하면 코아네트와 뿌리가 일체형으로 결합한 상태를 확인할 수 있었다. 본 실험에서는 최대 유량에서도 TB03의 한계토양손실이 발생하지 않아 한계소류력을 결정할 수는 없었으며 한계소류력은 최소 42.21 N/㎡ 이상임을 확인하였다.
MOLIT (2016)에 의하면 본 연구에와 유사한 식생매트에 대해 식생활착 상태에서의 한계소류력을 실험하였으며 그 결과 한계소류력은 36 N/㎡으로 제시하고 있다. 본 연구와 동일한 식생매트를 적용한 것은 아니나 본 연구에서 바이오폴리머 혼합토와 결합된 식생매트의 한계소류력은 42 N/㎡ 이상이므로 바이오폴리머 혼합토가 침식저항에 일정 정도 기여하는 것으로 판단된다.
토양손실은 특정 부분에 집중되지 않고 시험체 전 구역에 비교적 균일하게 나타나고 있다. 시험체 TB01은 최소 유량 1.44 ㎥/s에서도 토양손실이 0.47 cm가 발생하였으나 시험체 TB02는 최소 유량 1.40 ㎥/s에서는 토양손실이 0.05 cm에 불과하여 피복상태가 매우 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있다. 세 번째 유량 조건부터는 비교적 큰 폭의 토양손실이 발생하는데 최대 유량 7.
본 연구에서는 환경적으로 안정적이고 식생 활착과 토양강도 증진에 효과가 있는 것으로 알려진 바이오폴리머 혼합토에 대한 침식저항성을 정량적으로 평가하였다. 식생 호안의 특성상 식생의 피복도에 따라 영향을 받기는 하지만 식생이 활착된 경우 개략적으로 한계소류력 42 N/㎡, 한계유속 4 m/sec을 실험을 통해 확인하였다. 또한 매트공법이 적용된 경우에는 뿌리와 매트의 결합으로 침식저항성이 강화됨을 확인하였다.
54 cm로 한계토양손실에 미치지 못하였다. 실험 완료 후 뿌리부의 관찰에 의하면 PE네트와 뿌리가 결합한 상태를 확인할 수 있었다(Fig. 12). 본 실험에서는 최대 유량에 서도 TB04의 한계토양손실이 발생하지 않아 한계소류력을 결정할 수는 없었으나 한계소류력은 최소 44.
090 cm에 불과하였다. 실험 완료 후 뿌리부의 관찰에 의하면 코아네트와 뿌리가 일체형으로 결합한 상태를 확인할 수 있었다. 본 실험에서는 최대 유량에서도 TB03의 한계토양손실이 발생하지 않아 한계소류력을 결정할 수는 없었으며 한계소류력은 최소 42.

후속연구

코아네트는 유연성이 강한 분해성 재료이며 PE네트는 유연성이 약한 비분해성 재료로 장기적인 성능은 비분해성 재료인 PE네트가 좋을 것으로 예상되나 단기적인 성능은 네트의 구조가 뿌리 및 피복 형성에 미치는 영향에 의해 결정될 것으로 판단된다. 그러나 본 실험에서는 네트의 어떤 구조가 침식저항성에 기여하는지는 확인하지 못하였다.
본 연구결과에 의해 저유속 구간뿐만 아니라 중고속 제방 구간에도 바이오폴리머 혼합토가 적용된 식생 호안의 적용을 기대하며 후속 연구를 통해 침식저항성이 높은 친환경 제방조성기술의 지속적 개발을 기대한다. 친환경적인 식생 호안의 적용성을 높이기 위해서는 매트 구조에 의한 식생 뿌리와 피복층 강화에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구결과에 의해 저유속 구간뿐만 아니라 중고속 제방 구간에도 바이오폴리머 혼합토가 적용된 식생 호안의 적용을 기대하며 후속 연구를 통해 침식저항성이 높은 친환경 제방조성기술의 지속적 개발을 기대한다. 친환경적인 식생 호안의 적용성을 높이기 위해서는 매트 구조에 의한 식생 뿌리와 피복층 강화에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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