1. 서 론
근래 소규모 하천유역의 토지이용이 증대되고 도시화가 가속화됨에 따라 하천의 생태계가 현저히 교란되고 있다. 이와 같은 하천 생태계의 교란은 하천의 정비방법이 하천의 대소 등의 구분이 없이 치수･이수목적의 토목공사의 편이성 위주로 진행되었기 때문이다. 특히, 소규모 도시하천에서 관행적으로 이루어지고 있는 하천정비사업은 저수로의 직강하, 고수부지의 평탄화, 하도준설, 양안의 제방보강 등에 전통적 토목공법이 적용되면서 생태계에 많은 문제점을 발생시켰다. 이 경우 저수로 하안부에 적용되어온 콘크리트 호안공법은 치수기능은 양호하나 환경적으로는 매우 부적합하다. 또한 경작물의 취수를 우선으로 구축되어온 용･배수로(농수로)는 농업의 생산성 향상을 가져다 준 대신 기존 수로의 생태계에 많은 변화를 초래하였다. 치수의 편의를 위해 수로의 형태가 직선화되고, 호안은 대부분 콘크리트로 시공되었으며 수리시설물 등 인공적인 축조물은 자연정화능력의 저하와 주변 환경의 악화를 유발해온 것으로 판단되고 있다. 따라서 도시 소규모하천과 농수로 호안의 경우 경제성과 동시에 환경친화적 호안조성공법으로의 전환이 필요하다.
친환경 하천사업의 활성화로 식생이 가능한 호안 제방사면들의 법면을 수리적 안정성에 대한 평가가 미흡한 상태에서 공사가 시행되거나 추진되고 있다. 객관적인 제방사면의 수리안정성 평가하기 위해 실내시험이나 실규모 실험을 수행하여 수리량을 측정하고 분석하여 최대소류력을 계산할 필요가 있다. 흐르는 물의 유량과 속도에 대응하는 지반의 세굴과 침식작용에 저항하기 위한 콘크리트 블록을 대신할 수 있는 친환경적인 지반구조물을 사용하여, 경제적인 시공에 적용하기 위한 기초적인 연구들이 최근 많이 진행 중이다(Lee et al., 2012, 2013; Han and Choi, 2012).
하천･농수로 등의 호안에 관행적으로 적용되고 있는 콘크리트 블록 등의 호안공법은 치수공법으로는 양호하나 생태계 부양기능이 저조하여 환경적으로는 매우 건전하지 못한 공법으로 평가되고 있다. 따라서 콘크리트 호안공법이 지닌 단점을 보완하고 생태계의 재생을 촉진시킬 수 있는 친환경적 호안공법의 개발이 시급히 요구되고 있다. 그러나 하천･농수로 등의 호안공법은 유수의 특성을 반영하고, 침식과 세굴을 방지하여 장기적 안정성을 유지할 수 있어야 하므로 인접한 유수의 흐름, 유속, 수심, 하상재료에 따라 그 공법이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 소규모 하천호안, 농수로 등 수변지역의 식생이 가능한 친환경적이며 경제적인 호안조성 기술을 fly-ash계 지반개량재를 활용하여 기존 공법들의 안정성과 비교하고자 한다.
일반적으로 조립토의 침식저항능력은 중력과 마찰력이 지배하여 비교적 단순한 반면, 세립토의 침식저항능력은 중력과 마찰력 뿐만 아니라 흙입자의 물리･화학적 성질 및 전기적 성질에도 의존하여 매우 복잡한 양상을 보인다. 조립토에서는 호안에 작용하는 유체의 침식유발능력이 급격히 상승하는 경우, 단시간 내에 세굴이 발생하여 한계소류력에 도달하는 반면, 세립토는 침식저항능력이 조립토에 비해 크고 저항메커니즘이 달라 상대적으로 느리게 침식이 진행된다. 따라서, 세립토 지반의 세굴해석은 흐르는 물의 침식유발능력 뿐만 아니라 지반의 침식저항능력을 고려하여야 하며, 이는 세굴률 실험을 통해 정량화할 수 있다. 세굴률은 주어진 유속에 대해 지반이 침식되는 속도(mm/hr)로 정의된다. 이 침식특성은 한계소류력과 그 이후의 흐르는 물에 의해 야기되는 소류력과 지반의 세굴률과의 관계로 구성된다. 한계소류력은 세굴이 발생하기 시작할 때 지반에 적용되는 전단응력을 의미하며, 이때의 유속을 한계유속이라 한다. 실제 현장에서 제방 법면을 보호하기 위해서 하천유속을 관찰하여 그에 따른 소류력 시험을 검증해야하지만, 본 연구에서는 국제 표준시험기준에 의해 수행하였다.
본 연구에서 세굴률에 대응하기 위해 사용하는 지반개량재는 하천의 하상토 또는 농수로주변에서 쉽게 취득할 수 있는 원지반토와 결합하여 식생이 가능한 고강도의 자연친화적 토질재료로의 개량이 가능하므로 이와 같은 장점을 호안조성에 충분히 활용 가능할 것으로 판단되고 있다. 따라서 이와 같은 개량토의 장점을 소규모 하천 또는 농수로 호안에 적용이 가능할 경우, 콘크리트와 같은 인공구조물이 아닌 원지반토를 이용한 자연 상태의 영구적 안정호안사면의 형성이 가능할 것이다. 또한, 원지반의 흙을 개량하여 토종자생 식물의 자연적 발아가 가능하며, 기존 공법의 목적과 같은 호안 비탈면의 침식, 세굴의 억제뿐만 아니라, 호안 비탈면 자체의 활동억제와 생태하천을 유지하는 호안보강 공법으로 대안적인 시공방법으로 판단된다. 그러므로 본 연구의 목적은 일축압축강도시험을 통한 지반개량재의 혼합비와 양생일에 따른 강도증대효과를 분석하였고, 세굴률시험을 통해 한계소류력을 측정하여, 하천호안의 세굴 및 침식에 대한 저항 및 적용효과를 검증하였다.
2. 시료의 물리적 특징
Table 1. Physical properties of native soil | ||||||||||||||
Type |
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| LL (%) | PL (%) | PI (%) |
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| A-type | D-type | USCS | ||||
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Property | 17.5 | 2.651 | 29.2 | 24.0 | 5.2 | 7.55 | 0.75 | 16.8 | 17.3 | 17.6 | 15.1 | SC | ||
(%)
(kN/m3)
(kN/m3)
하천에서 발생하는 소류력에 대하여 호안 비탈면의 활동 저항성의 효과 등을 검증하고자 일반 하천호안의 흙(원지반토)을 채취하여, 지반개량재 혼합토의 강도특성을 분석하였다. 지반개량재 혼합토의 세굴 및 침식에 대한 저항성을 관찰하기 위해 실제 하천호안인 전북 전주시 전미동 만경강 일원을 원지반토로 선정하고 시료를 채취하였다. 원지반토의 실내 물성시험결과를 Table 1에 나타내었고, 입도분포곡선과 다짐곡선을 Fig. 1과 2에 각각 나타내었다. 시험결과 곡률계수는 7.55이며, 균등계수는 0.75로 나타나 입도분포가 불량하며, 통일분류법(USCS)상 SC(점토질 모래)로 분류되었다.
지반개량재 공법은 원지반토에 교반하여 사용하는 분말제로, 대상지반의 이용효율을 극대화하기 위해 일반토, 연약토 및 고함수비 유기질토 등 모든 종류의 토질을 효과적으로 개량하여 재이용이 가능하도록 한 재료이다. 주된 재료는 fly-ash를 사용하여 포졸란 반응이 일어나도록 약간의 화학재료들을 첨가하여 만들어진 지반개량재를 사용하여 본 연구를 수행하였다.
3. 소류력 실험기준과 방법
ASTM D6460에서 제시된 소류력에 관한 시험방법은 2.8m3/sec 이상의 유량공급이 가능한 사다리꼴 또는 직사각형 시험수로에서 기반층의 두께 30.5cm 이상으로 구성한 시료를 이용하여 90 ± 3%로 다짐하여 형성한다. 식생이 없는 조건에서 유량 유하시간은 30분이며 식생이 있는 조건에서는 1시간 동안 유량을 유지해야 한다. 본 연구와 같이 식생이 없는 경우에는 평균 토양 손실이 0.5 inch(12.7mm)를 초과하는 상황을 발생시켜 안정성을 평가하여 공급유량, 유속, 수심 등을 이용하여 평균유속 및 소류력을 계산하는게 일반적인 기준이다. 지반개량재를 이용한 호안사면의 한계소류력 측정을 위해 세굴률 시험장치의 모식도 및 전경을 Fig. 3에 나타내었으며, Fig. 4는 시료를 거치해 관수로 안으로 밀어 올려 세굴이 발생하도록 하는 부분이다. Table 2에 세굴률 시험장치의 세부적인 제원을 보여주고 있다.
세굴률 시험은 유속을 단계적으로 증가시켜 입자의 운동이 관측될 때까지 수행되었다. 과거 McNeil et al. (1996)등은 자연시료를 이용한 한계소류력 측정시 15분 동안 1mm의 시료가 침식될 때를 한계소류력으로 정의하였으며, Briaud et al.(2001)은 1시간 동안 1mm의 시료가 침식될 때를 한계소류력으로 정의하였는데, 본 연구에서는 한계소류력을 10분 동안 시료가 0.5mm 침식될 때로 정의하였다. 이러한 정의는 10-3～10-4cm/sec 사이의 침식을 야기하는 소류력으로 과거 McNeil et al.(1996)의 정의와 유사하다.
4. 실험 결과
4.1 지반개량재 혼합비에 따른 강도특성
원지반토를 대상으로 지반개량재 혼합하여 압축강도를 분석하기 위하여 A다짐시험 결과를 기준으로 시료를 제작하고 일축압축시험을 실시하였다. 양생 0, 1, 3, 7, 28일에 대하여 지반개량재 혼합비 0(원지반토), 3, 6, 9, 12%의 조건으로 시료를 1～3개씩 제작하여 평균값을 찾고자 하였다. Fig. 5는 대상토의 일축압축시험결과를, Fig. 6～16은 지반개량재 혼합토의 일축압축시험 결과를 나타내고 있으나, Fig. 16에서 재령 28일에 대한 일축강도시험은 다른 경우처럼 3-4개의 시료를 측정하지 못하고 보존과정에서 시료가 파손되어 1개만 측정한 결과이기 때문에 실험결과가 부족하였다.
모든 일축압축시험 결과들을 Fig. 17에 정리하여 비교하였다. Fig. 17은 양생일별 일축압축강도의 증가추세를, Fig. 18에서는 혼합비에 따른 일축압축강도의 증가추세를 나타내었다. 모든 지반개량재 혼합비에서 양생 1일까지 급격히 강도가 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있음을 실험결과를 통하여 알 수 있었다. 또한, Fig. 17에서 나타난 바와 같이, 혼합비 6% 이상일 때는 대상토의 다짐시료보다 3배 이상의 강도를 나타내고 있어, 강도개선의 효과가 양생즉시 발휘되고, 보강효과가 뚜렷이 나타나고 있음을 알 수 있다.
일축압축강도 시험결과들에서 알 수 있듯이 원지반토를 보강하기 위하여 지반개량재을 혼합하는 과정에서 양생일과 원지반토와의 혼합비율에 따른 강도가 현저히 증가하였다. 그러나 지반개량재를 사용한 하천호안 사면에서는 식생을 고려하기 때문에 적절한 혼합비율과 경제적인 양생일수를 고려하여 최적의 지반개량재 혼합률을 선택해야한다.
4.2 지반개량재의 소류력 시험 결과
세굴률 시험용 시료는 일축강도를 측정했던 혼합비와 양생일을 토대로 원지반토의 일축압축강도의 3배 이상을 나타내고 있는 혼합비 6%와 9%를 이용하였고, 0, 7, 28일을 양생한 혼합토를 사용하여 시험을 수행하였다.
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Fig. 17. Variation of unconfined compression tests by curing times (0, 1, 3, 7, 28-day) |
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Fig. 18. Variation of unconfined compression tests by mixture ratio (0, 3, 6, 9, 12%) |
세굴률 시험에서 한계유속을 측정하여, Fig. 19는 유속과 한계소류력과의 관계를 보여주며 자세한 실험결과 값들은 Table 3에 나타내었다. 모든 혼합토 시료의 한계소류력은 고수호안의 식색공에 해당하는 평떼, 초본류 파종의 허용소류력 0.02kPa, 식생매트의 0.08kPa (건설교통부 ｢하천공사설계실무 요령｣, MOCT, 2006)을 상회하고 있다. Table 4는 원지반토와 세굴률 시험결과의 비교를 위해 Shields (1936)의 무차원 소류력(
)를 아래의 식 (1)로 계산한 결과이다.
=
,
(1)
여기에서 
는 무차원소류력, 
는 한계소류력, 
는 입자의 단위중량, 
는 물의 단위중량, 
는 입자의 크기(
사용), 
는 흙의 비중, 
는 중력가속도, 
는 물의 동점성계수이다.
식 (1)에 대한 계산결과를 Shields diagram 상에 표시한 것이 Fig. 19이며, 지반개량재 6%와 9% 혼합 후 양생을 실시하지 않고 시험한 결과 
는 제일 작은 혼합비 6%를 가지고 양생일 1일이 경과하지 않은 2.63으로 원지반에 비해 약 60～70배의 값을 나타내고 있다. 그리고 이러한 시료들의 차이를 Fig. 20에서 알 수 있듯이, 양생 28일 후에는 100배에 도달하여 지반개량재를 사용하여 보강한 시료는 소류력에 대한 저항이 현저히 증가한다는 것을 관측할 수 있었다.
5. 결 론
기존 콘크리트 블록 및 식생매트 공법이 갖고 있는 소하천의 제방 및 농수로의 문제점들을 보완 대처하는 공법을 제시하고자 지반개량재를 사용하여 한계소류력에 대한 적합강도 발현을 확인하고자 물리적･역학적 특성을 조사하고 세굴률 시험을 통해 소류력에 대한 안정성을 확인하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
(1)원지반토와 지반개량재의 혼합토는 양생 1일까지 강도가 급격히 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있다. 혼합비 6% 이상일 때는 원지반토의 다짐시료보다 3배 이상의 강도를 나타내고 있어, 강도개선의 효과가 양생 후 즉시 발휘되기 때문에 호안 제방을 보호하기 위한 공법으로 적용이 가능할 것이라 판단된다.
(2)지반개량재 6%와 9%를 혼합한 시료가 양생 1일이 지나지 않더라도 한계소류력은 기존의 식생공법에 해당하는 평떼(Block-sod), 초본류 파종(Herbaceous plant seeding) 및 식생매트 공법(Vegetation-mat method)의 한계소류력의 크기보다 1.5배에서 크게는 6배까지 상회하고 있는 것을 알 수 있다.
(3)다짐을 실시하지 않은 원지반토의 한계소류력과 비교하면 지반개량재 6%와 9% 혼합토는 양생을 실시하지 않았을 때, 약 60～70배의 한계소류력 값을 나타내고 양생 28일이 지나면 그 이상의 한계소류력을 나타내고 있어 세굴 및 침식에 보강이 가능할 것으로 판단된다. 기존에 많이 시공되고 있는 콘크리트 블락 보호공이나 돌망태 공법 등 경제적인 비용을 절감하기 위한 대처공법이 가능하리라 판단된다.
