1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 실험 방법 및 실험 수로
2.2 바이오폴리머 시험체 제작 및 설치
2.3 소류력 및 토양손실심 분석
3. 결과 및 고찰
3.1 시험체 TB01(신소재 혼합토+수크령 포트 사업)
3.2 시험체 TB02(신소재 혼합토+수크령 씨앗 살포)
3.3 시험체 TB03(신소재 혼합토+코아네트+수크령 씨앗 살포)
3.4 시험체 TB04(신소재 혼합토+PE네트+수크령 씨앗 살포)
3.5 실험결과 비교
4. 결론 및 제언
1. 서 론
제방은 유수의 원활한 소통을 유지하고 제내지를 보호하기 위하여 하천을 따라 흙, 콘크리트, 옹벽, 널말뚝, 합성목재 등으로 축조한 공작물이다. 제체는 대부분 자연 흙과 식생으로 구성되며 침식에 대응하기 위하여 유수가 접촉하는 표면에 콘크리트, 매트, 석재 등을 이용하여 호안을 구성하기도 한다. 자연 흙과 식생으로 구성되는 식생호안은 물억새, 갈대, 돌피 등 다양한 식물종들이 군락을 이루며 서식하고 다양한 동물의 서식지로 생태적 중요성이 높으나(Shultz et al., 1997) 침식 저항성이 낮은 것으로 알려져 있다. 콘크리트와 같은 인공재료는 침식 저항성은 높으나 동식물의 생장과 서식 등 생태계에 악영향을 미친다.
최근 한국과학기술원과 한국건설기술연구원에서는 자연계에 미생물의 부산물로 존재하는 베타글루칸과 잔탄검 등의 바이오폴리머 소재를 이용하여 자연 흙의 강도를 증진시키는 새로운 소재를 개발하였다(Chang et al., 2006; 2015). 바이오폴리머는 미생물의 생체활동을 통해 생산되는 고분자 유기물을 통칭하는 것으로 기존에는 점성이 필요한 식품, 의약품, 화장품 등의 첨가제로 주로 사용되는 유기질 접착제이다. Chang et al. (2015)에 의하면 베타글루칸, 잔탄검 등의 바이오폴리머 소재를 물과 희석하여 흙과 섞으면 흙 입자 사이에 유기막이 형성되어 흙의 압축강도와 전단강도를 증가시키는 효과가 있다(Fig. 1). Chang et al. (2015)의 압축강도 시험결과에 의하면 일반적인 점토의 압축강도는 0.44 MPa이나 바이오폴리머와 혼합한 점토의 압축강도는 3.7 Mpa~4.9 Mpa의 높은 강도를 나타낸다.
또한 바이오폴리머가 혼합된 토양은 식물의 생육을 증가시키는 효과가 있다(Jeong et al., 2019). 바이오폴리머는 미생물 대사활동으로만 생산되므로 100% 순수 생체고분자이다. 또한 바이오폴리머 생산 미생물의 배합과 배양과정을 조정하면 다양한 특성을 가진 바이오폴리머를 생산할 수 있다. 즉, 강도 특성, 식생 생장 특성, 고결 특성 등을 조정할 수 있으므로 목적에 맞는 천연 소재의 획득이 가능하다(Chang et al., 2015).
호안재료의 침식저항성은 한계유속 또는 한계소류력으로 제시된다. 소류력(tractive force)은 실제로는 힘이 아니고 전단응력인데 하천공학에서 고체경계면에서 발생하는 바닥전단응력을 말한다. 특정 흐름조건에서 형성되는 소류력은 조도계수의 함수이다.
국내에서는 호안재료의 침식저항성을 평가하는 방법이 정립되어 있지 않지만 미국에서는 ASTM D 6040 (ASTM, 2007)에 의해서 호안재료의 침식정항성을 정량적으로 평가하고 있다. McCullah and Howard (2000)는 짚과 코코넛 등으로 만든 13종의 천연섬유 매트에 대한 사면 토양 유실 실험을 수행하여 식생매트가 없는 경우에 비해 81%의 토양 유실 감소 효과를 확인하였다. Casas et al. (2002)은 5종의 식생매트에 대하여 식생 활착율을 실험하였다. Bhatia et al. (2010)은 7종의 천연 및 합성 섬유 매트의 식생 생장율과 하도 보호 효과를 실험하였다. Smith et al. (2005)은 6종의 천연 및 합성 섬유 매트의 식생 생장과 침식방지효과에 대한 실험을 수행하였다.
국내에서는 Seo et al. (2006)이 실내실험을 통해서 식생매트에 의한 작용 소류력의 저감효과를 평가하였다. Rhee et al. (2007)은 2종의 식생매트에 대하여 현장실험 및 실험실 실험을 통해서 안정성을 평가하였다. Han et al. (2010)은 수리실험 및 수치모의를 통해 식생매트 공법의 유실율과 수리적 안정성을 평가하였다. Jang et al. (2011)은 실내실험을 통해서 식생매트의 부직포가 내침식성에 미치는 영향을 평가하였다. Lee et al. (2012)은 실규모 실험장인 안동하천실험센터에서 식생이 없는 상태에서 2종의 식생매트에 대한 수리특성시험을 수행하여 파괴 조건을 정성적으로 제시하였으며 Lee et al. (2013)은 실험에서 측정된 하상고 변화를 분석하여 소류력에 따른 식생매트의 손실을 평가하고 허용 소류력을 결정하였다.
본 연구에서는 친환경 신소재 제방재료인 바이오폴리머 혼합토의 침식저항성을 실규모 실험을 통해서 평가하여 제시하고 그 특성을 분석하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 실험 방법 및 실험 수로
실험수로는 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터의 실규모 수로에서 수행하였다(Fig. 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. 4와 같이 하상과 같은 높이로 하상에 배치하였으며 측점은 Fig. 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.
바이오폴리머 혼합토 시험체의 한계소류력 평가실험은 ASTM D6040에 의하여 수행하였다. 이 기준은 두루마리형 침식방지 제품에 대한 실규모 실험에 의한 한계소류력 결정방법을 기술하고 있다. 시험방법을 요약하면 다음과 같다.
① 2.8 ㎥/s 이상의 유량공급이 가능한 사다리꼴 또는 직사각형 시험수로에서 수행함
② 기반층의 두께는 30.5 cm 이상으로 구성하고 모래 및 실트질 재료를 이용하여 90±3%로 다짐
③ 식생이 없는 조건에서 시험 유량 유하시간은 30분이며 식생이 있는 조건에서 1시간 동안 유량을 유지함
④ 시험 종료후 식생의 밀도, 식생매트의 상태, 하상토양의 상태 등을 검사함
⑤ 식생이 없는 경우에는 평균 토양손실심이 12.7 mm를 초과하는 상황을 발생시켜 안정성을 평가
⑥ 공급유량, 유속, 수심 등을 이용하여 평균유속 및 소류력을 계산
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. 5). 저유량 조건에서 파괴가 발생하지 않으면 순차적으로 고유량 조건에 대한 실험을 수행하며 정량적 평가를 위해서는 최소 3회 이상의 유량 조건에 대한 실험이 권장된다. 호안의 명시적인 파괴가 발생하거나 평균 토양 손실심이 12.7 mm 이상인 경우에는 파괴나 손상으로 판정한다.
2.2 바이오폴리머 시험체 제작 및 설치
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.
시험체는 길이 10.0 m, 폭 1.35 m, 높이 0.37 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. 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. 매트는 코아네트와 PE 네트를 적용하였다(Fig. 6). 시험체는 총 4개를 제작하였으며 시험체의 구성은 Table 1과 같다.
Table 1. Compositions of test bodies
시험체 제작 후 균일한 환경 조성을 위해 온실로 옮겨서 식생이 30 cm 이상 자랄 때까지 관리하였다. 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. 유량 유하 조건에서는 소류력 산정을 위하여 유속과 수위를 측정하였다.
2.3 소류력 및 토양손실심 분석
실규모 실험에 의해 계산되는 소류력()은 단면평균 소류력으로 Eq. (1)과 같다.
| $$\tau_0=\gamma RS_f$$ | (1) |
여기서 는 물의 단위중량, R은 동수반경을 나타내며 Sf는 마찰경사로 실험에서 측정된 수면경사를 적용한다. 본 연구에서는 Sf는 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 Sf는 앞에서 계산된 값을 적용하였고 평균유속은 측정된 유속에서 계산된 평균유량과 평균수위에 의해 계산하였다.
안정성 평가의 기준이 되는 토양손실심(Soil loss depth, SL)는 시험체 면적에서 발생하는 토양손실양을 깊이 단위(cm)로 환산한 것으로 측량에 의해 계산된 토양손실체적을 시험체의 면적으로 나눈 값으로 Eq. (2)와 같다.
| $$SL=\frac{C_T}{A_T}\times100$$ | (2) |
여기서 토양손실심의 단위는 cm이며 CT는 유실체적으로 단위는 ㎥, AT는 시험체의 면적으로 단위는 ㎡이다. 유실체적 CT은 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.
3. 결과 및 고찰
바이오폴리머 혼합토를 이용하여 제작된 4개 시험체에 대하여 유량을 증가시키며 한계소류력 평가실험을 수행하였다. 각 시험체의 최대 유량 방류 후의 시험체의 상태는 Fig. 7과 같다. 최종유량 유하 후 시험체 TB01은 명시적인 파괴가 발생하였으며 나머지 시험체에서는 명시적인 파괴가 관찰되지 않았으며 육안으로 유사한 형태를 유지하고 있다.
3.1 시험체 TB01(신소재 혼합토+수크령 포트 사업)
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 발생하여 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. 각 유량 별 실험 이후에는 하상고를 정밀하게 측량하여 실험 유량에 의한 하상의 변화를 평가하였다. 각 유량 조건에서의 하상고의 변하는 Fig. 8과 같다.
Table 2. Experimental result (TB01)
최종 손상상태와 유사한 침식 경향은 최소 유량 조건에서부터 관측되었다. Fig. 7(a)는 유량 조건 1.44 ㎥/s 이후의 하상상태로 하류 좌안에서 최종 손상상태와 유사한 대규모 하상 침식이 관측된다. 이 유량 조건에서는 식생 유실이 발생하지는 않았지만 식생 하부의 하상은 상당한 침식이 진행된 것을 확인할 수 있다. 즉, 하상이 식생 피복에 의해 충분히 보호받지 못하고 바로 노출되어 침식이 발생한 것이다. USDA (2007)에 의하면 모래의 한계 소류력은 0.96 N/㎡이며 점토는 2.4 N/㎡이다. TB01-1 조건의 작용소류력은 19.16 N/㎡으로 일반적인 점토의 한계소류력의 약 8배 이상이므로 혼합토가 바로 노출된 경우라면 침식 발생이 불가피했던 것으로 보인다. TB01은 식생활착률을 높이기 위해 수크령 포트를 10 cm 간격으로 지그재그로 삽입하였는데 충분한 피복층이 형성되지 못했던 것으로 보인다. 본 실험에 의해 시험체 TB01의 한계소류력은 약 27.93 N/㎡로 평가할 수 있다.
3.2 시험체 TB02(신소재 혼합토+수크령 씨앗 살포)
TB02는 바이오폴리머 혼합토에 수크령 씨앗을 살포하여 수크령을 활착시킨 시험체이다. 유량 조건은 1.40-7.39 ㎥/s까지 총 5가지로 실험하였으며 이때 형성된 유속은 최대 4.30 m/s이며 소류력은 44.59 N/㎡이다. 각 유량 조건에 따른 토양손실심은 Table 3과 같으며 하상고의 변화는 Fig. 9와 같다.
Table 3. Experimental result (TB02)
최대 유량에서도 명시적인 파괴나 손상은 나타나지 않았으며 유량 증가에 따른 소류력과 토양손실의 증가 양상이 비교적 명확하게 나타나고 있다. 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 7.39 ㎥/s에서는 1.22 cm의 토양손실이 발생하여 한계토양손실심에 근접한다. 본 실험에 의해 시험체 TB02의 한계소류력은 44.59 N/㎡으로 평가할 수 있다.
3.3 시험체 TB03(신소재 혼합토+코아네트+수크령 씨앗 살포)
TB03는 기반층에 분해성 코아네트를 설치하고 그 위에 바이오폴리머 혼합토와 수크령 씨앗을 살포하여 수크령을 활착시킨 시험체이다. 유량 조건은 3.30-6.79 ㎥/s까지 총 3가지로 실험하였으며 이때 형성된 유속은 최대 4.29 m/s이며 소류력은 42.21 N/㎡이다. 각 유량 조건에 따른 토양손실심은 Table 4와 같으며 하상고의 변화는 Fig. 10과 같다. 최대 유량에서도 명시적인 파괴나 손상은 나타나지 않았으며 토양손실은 특정 부분에 집중되지 않고 시험체 전 구역에 비교적 균일하게 나타나고 있다. 전체적인 토양손실은 상당히 작게 발생하였다. 최소 유량 3.30 ㎥/s에서도 토양손실이 0.01 cm로 거의 손실이 발생하지 않았으며 최대 유량인 6.76 ㎥/s에서의 토양손실도 0.090 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 42.21 N/㎡ 이상임을 확인하였다.
Table 4. Experimental result (TB03)
3.4 시험체 TB04(신소재 혼합토+PE네트+수크령 씨앗 살포)
TB04는 기반층에 비분해성 PE네트를 설치하고 그 위에 바이오폴리머 혼합토와 수크령 씨앗을 살포하여 수크령을 활착시킨 시험체이다. 유량 조건은 2.76 - 6.92 ㎥/s까지 총 3가지로 실험하였으며 이때 형성된 유속은 최대 4.11 m/s이며 소류력은 44.05 N/㎡이다. 각 유량 조건에 따른 토양손실심은 Table 5와 같으며 하상고의 변화는 Fig. 11과 같다. 최대 유량에서도 명시적인 파괴나 손상은 나타나지 않았으며 토양손실은 특정 부분에 집중되지 않고 시험체 전 구역에 비교적 균일하게 나타나고 있다. 최소 유량 2.76 ㎥/s에서의 토양손실은 0.03 cm로 거의 손실이 발생하지 않았으며 최대 유량인 6.76 ㎥/s에서의 토양손실도 0.54 cm로 한계토양손실에 미치지 못하였다. 실험 완료 후 뿌리부의 관찰에 의하면 PE네트와 뿌리가 결합한 상태를 확인할 수 있었다(Fig. 12). 본 실험에서는 최대 유량에서도 TB04의 한계토양손실이 발생하지 않아 한계소류력을 결정할 수는 없었으나 한계소류력은 최소 44.05 N/㎡ 이상임을 확인하였다.
Table 5. Experimental result (TB04)
3.5 실험결과 비교
식생 활착 바이오폴리머 혼합토 시험체의 실험결과로 한계소류력을 평가하면 TB01은 27.93 N/㎡, TB02는 44.59 N/㎡, TB03은 42.21 N/㎡ 이상, TB04는 44.05 N/㎡ 이상으로 평가할 수 있다. 시험체의 작용 소류력 증가에 따른 토양손실심의 증가는 지수함수 형태로 나타날 것으로 예상되며 이는 이두한 등(2013)의 실험결과에서도 확인할 수 있다. 실험결과를 소류력과 토양손실심의 관계로 도시하고 지수함수에 대한 회귀곡선을 나타내면 Fig. 13과 같다. TB01의 경우에는 33.05 N/㎡에서 대규모 유실이 발생하여 회귀곡선을 도시하지 못하였다. TB02의 경우 전형적인 소류력과 토양손실심 관계를 나타내고 있으며 TB03과 TB04는 실험유량 조건에서 안정적인 상태를 보여주고 있다. TB03과 TB04는 작용 소류력이 40 N/㎡ 이하에서는 비슷한 토양손실을 나타내나 40 N/㎡ 이상에서는 다소 큰 차이를 보이며 TB03이 보다 더 안정적임을 나타내고 있다.
TB01이 낮은 소류력에서 유실된 것은 규칙적인 포트 배치로 식생에 의한 피복층이 충분히 형성되지 못한 결과로 판단되며 이는 식생 호안에서 피복의 중요성을 보여주는 것으로 판단된다. 씨앗을 포설한 나머지 3가지 시험체는 비교적 큰 한계소류력을 나타내고 있다.
TB02가 TB03과 TB04에 비해서 낮은 한계소류력이 나타나는 것은 식생매트 유무에 따른 것으로 매트와 결합된 뿌리구조가 침식에 대한 저항성을 높이는 것으로 보여준다. TB03과 TB04의 소류력에 대한 토양손실심 거동의 차이는 매트구조가 침식 저항성에 미치는 영향을 나타내는 것으로 판단된다. 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.
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.
4. 결론 및 제언
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.
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. 또한 매트공법이 적용된 경우에는 뿌리와 매트의 결합으로 침식저항성이 강화됨을 확인하였다.
본 연구결과에 의해 저유속 구간뿐만 아니라 중고속 제방 구간에도 바이오폴리머 혼합토가 적용된 식생 호안의 적용을 기대하며 후속 연구를 통해 침식저항성이 높은 친환경 제방 조성기술의 지속적 개발을 기대한다. 친환경적인 식생 호안의 적용성을 높이기 위해서는 매트 구조에 의한 식생 뿌리와 피복층 강화에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
