<BFC0C8C4312D323828C0E5B1A4C1F8292E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "<BFC0C8C4312D323828C0E5B1A4C1F8292E687770>"

소영 양
8 years ago
Views:

1 화산석을 이용한 절 성토사면의 배수압 소산기법 Back Pressure Dissipation Techniques of Land Slope Using Volcanic Rocks 장광진 *, **, ***, 이승윤 ****, 지홍기 ***** 최은혁 ** 고진석 이승윤 지홍기 Kwang Jin Jang, Eun Hyuk Choi, Jin Seok Ko, Seung Yun Lee, Hong Kee Jee... 요 절 성토사면에 구조물을 설치할 경우 가장 중요하게 고려되어야 하는 점은 사면의 안정성 여부이다. 특 히, 절 성토사면에 설치된 구조물이 붕괴되는 가장 큰 원인은 뒷채움재 내에 존재하는 수압의 영향이라는 것을 우리는 이미 많은 연구와 경험을 통해 알고 있다. 만일 지하수위가 존재하는 상태에서 단시간에 발생되 는 집중호우로 인해 수위가 갑자기 상승하였을 경우, 구조물을 통해 전혀 배수되지 않는다면 절 성토사면의 안정성은 급격히 저하될 것이다. 이러한 사면의 배수압을 소산시킬 수 있는 공법은 여러 가지가 있으나, 본 연구에서는 특히 제주도의 지역적 특성을 고려하여 화산석을 채움재로 사용한 지 면에 설치함으로써 배수압을 소산시킬 수 있는 방법을 연구하였다. 를 절 성토사 는 제방 또는 절 성토사면의 파괴와 침식을 방지하기 위해 사면에 설치하는 육각형의 철망구조로서 유연성, 다공성, 배수성 및 식생성과 같은 특징이 있으며, 콘크리트 구조물과 달리 별도 의 배수시설을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 또한 본 연구에 사용된 의 채움재인 화산석 은 현재 제주도 지역에 방대하게 분포되어 있다. 특히 현무암은 제주도 암석 전체의 90% 이상을 차지하고 있 으며, 투수성이 매우 큰 암석이다. 현무암의 공극률은 그 종류에 따라 0.02~0.36 의 범위로 나타난다. 특히, 표선리현무암의 경우 평균 공극률이 0.23으로 나타나 모래의 공극률인 0.3~0.8 에 비교하여 볼 때, 연구에 사 용된 재료는 아주 우수한 투수성을 가진 것으로 판명된다. 또한 현무암의 경우 암석의 겉 표면이 미세한 다 공질 조직으로 이루어져 있다. 따라서 암석자체에 물이 정체될 수 있어 구조물을 통해 배수될 때 암석이 머 금고 있는 물로 인해 추가적으로 발생하는 중력은 다른 재료가 가지지 못한 화산석의 또 다른 장점이라 할 수 있다. 핵심용어 : 현무암,, 배수압 소산기법 서 론 최근 자연환경에 대한 관심이 고조되면서 하천의 치수기능 뿐만 아니라 환경기능을 향상시키기 위한 사 업이 활발히 이루어지고 있다. 이에 따라 구조물 건설시 자연의 재료를 사용함으로써 친환경, 친생태적인 공 간을 확보할 수 있는 구조물의 개발이 많이 이루어지고 있다. 최근에는 지홍기, 배상수 등(2000, 2001) 에 의 해서 돌망태를 이용한 제방법면의 보호공법, 돌망태를 이용한 호안구조물의 수리학적 특성, 돌망태를 이용한 방재 및 친환경구조물 개발 등의 연구가 활발히 진행되었다. 절 성토사면에 를 설치할 경우 * 정회원 영남대학교 대학원 석사과정 kwang-jin7948@hanmail.net ** 정회원 영남대학교 대학원 박사과정 imchoi77@hanmail.net *** 정회원 영남대학교 대학원 박사과정 springtime@yumail.ac.kr **** 정회원 규슈대학 연구원 seungyon@civil.kyushu-u.ac.jp ***** 정회원 영남대학교 건설환경공학부 교수 hkjee@yu.ac.kr

만일 지하수위가 존재하는 상태에서 단시간에 발생되 는 집중호우로 인해 수위가 갑자기 상승하였을 경우, 구조물을 통해 전혀 배수되지 않는다면 절 성토사면의 안정성은 급격히 저하될 것이다.

2 배면의 지하수가 공간채움재사이로 투과되어 자연적으로 배수를 촉진시키므로 배면의 수압을 감소시킨다. 특 히 설치시 환경친화적 성향으로 미관상 보기 좋을 뿐만 아니라 채움재의 공극 및 투수성에 의해 토양이 대기중의 공기와 접할 수 있어 미생물이 자랄 수 있는 환경을 조성할 수 있다. 이러한 최근의 연구를 통해 채움재로서 제강슬래그나 폐콘크리트를 사용함에 따른 구조물의 안정성 및 주변 환경에 미치는 영향을 분석한 결과 적합하다는 결론을 내린바 있다. 이번 연구에서는 의 채움재로서 지금까 지의 연구를 통해 이미 검증된 제강슬래그 또는 폐콘크리트 외에 화산석을 이용하여 채움재로서의 그 적합 성을 검증하고자 한다. 2. 채움재의 물리적 특성 2.1 화산석의 물리적 특성 제주도에 분포하는 각종 화산석에 따른 물성 측정의 범위와 평균값은 표 1 에 종합하였다. 체적밀도는 건 조상태인 시료의 경우는 1.69~2.84g/cm 3, 물로 포화된 상태인 시료의 경우 2.02~2.86g/cm 3 의 범위를 나타낸 다. 다공성인 표선리현무암의 경우 체적밀도는 건조시 1.7~2g/cm 3, 물포화시 2.2~2.5로 나타났고 치밀한 조 직을 나타내는 중문감람석현무암의 암석은 2.77~2.84g/cm 3 의 밀도를 가진다. 전체적으로 보면 제주도의 동 서부에 분포하는 표선리현무암은 낮은 밀도를 나타내고, 중부 북부 남부에 위치하는 암석들은 2.5g/cm 상의 밀도를 나타낸다. 공극률은 0.02~0.36 의 범위를 나타낸다. 큰 기공이 많이 존재하는 표선리현무암의 경우 평균 공극률은 0.23으로 나타나고 그 외의 암석들은 평균 0.1 이하의 공극률을 가진다. 3 이 표 1. 제주도에 분포한 화산석의 물리적 특성 Rock Type Dry Density(g/cm 3 ) Water-saturated Porosity Pyeosunri Alkali Basalt Jungmun Hawaiite Sumangri Hawaiite Hahyeori Hawaiite Sihungri Hawaiite Seongpanak Hawaiite Hallasan Hawaiite 채움재로서 화산석의 적합성 판정 의 채움재로 화산석을 사용할 경우 뛰어난 투수성으로 인해 구조물을 더욱 효과적으로 안 정시킬 수 있다. 설계시 의 뒷면에 작용하는 토압의 방향과 크기를 결정하여 이에 안정한 구조가 되도록 설계해야 한다

채움재의 물리적 특성 2.1 화산석의 물리적 특성 제주도에 분포하는 각종 화산석에 따른 물성 측정의 범위와 평균값은 표 1 에 종합하였다. 체적밀도는 건 조상태인 시료의 경우는 1.69~2.84g/cm 3, 물로 포화된 상태인 시료의 경우 2.02~2.86g/cm 3 의 범위를 나타낸 다. 다공성인 표선리현무암의 경우 체적밀도는 건조시 1.

3 1 Mattress 2 채움재( 감람석현무암) 3 고정핀 4 투수성 부직포 5 식생매트 그림 1. 사면 보호용 시스템의 구성 시스템은 의 자중과 식생에 의해서 유속에 저항하는 구조로서 시스템의 자중의 대부분을 차지하고 다공성 구조를 생성하여 식생의 서식공간을 확보할 수 있게 하는 채움재는 풍화된 암석이나 풍화를 받기 쉬운 암석, 동결 현상으로 부서질 우려가 있는 암석은 사 용하지 않아야 하며, 압축강도가 500Kg/cm 2 이상, 흡수율은 5% 이하, 비중은 약 2.4t/m 3 이상이어야 한다. 시스템에서 채움재의 크기는 망눈에서 빠져 나오지 않는 크기로 망눈 크기의 1.5배 이상 이라야 한다. 오각 Mattress는 직경 120mm 이상, 육각망, 사각망은 150mm 이상의 채움재를 사용한다. 의 채움재 크기가 너무 커서 채움재 사이의 공극이 크게 되면 구조물의 자중 이 적어지게 되고 의 두께보다 큰 채움재를 채우게 되면 Mattress 덮개가 설치되지 않거나 공 극이 커져 법면보호기능이 저감된다. 따라서 채움재 최대 크기는 상자형 개비온일 경우 300mm를 넘지 않는 것이 좋으며, 는 Mattress 두께의 0.5 배 이하라야 한다. 의 채움재 사이의 공극은 작을수록 좋기 때문에 이러한 작은 공간을 채우기 위해서는 망눈 크기보다 작은 돌을 사용할 수도 있다. 주의할 점은 작은 공극을 채우기 위한 돌은 전체 채움재 무게의 15% 를 넘어서는 안 된다. 즉, 에서 전체 채움재 무게의 85% 이상이 망눈 크기보다는 커야 한다. 또한 채움재 모양이 얇은 판 모양이나 긴 막대모양은 망에서 빠져나오기 쉽기 때문에 피해야 한다. 따라서 표 1 에 나타난 화산석의 물리적 특성을 볼 때, 표선리현무암은 채움재로 사용하기에 부적합하고 비중의 평균범위가 2.55~2.81이고 공극률이 4~11% 범위인 감람석현무암은 채움재로 사용하기에 적합하다고 할 수 있다. 3. Mattress / Filter의 배수압소산 효과분석 각 층의 높이가 1.0m인 3 단 화산석 옹벽( 옹벽배면의 토립자 유실을 방지하기 위해 화산석을 채운 필터매 트 사용) 과 일반 콘크리트 옹벽의 단위면적당 배수능력을 비교분석하면 다음과 같다. 먼저 필터조건을 결정하면, 투수계수가 필터매트 품질기준(k=1.0~ cm/sec) 의 중간크기인 k= cm/sec를 적용하였고 두께는 2m/m 이상의 두께가 유효하나 내구성 및 작업성을 고려하여 통상적으로 10m/m 를 적용하였다. 따라서, 배면 지하수위가 h=2.0m일 때 1m2당 필터의 배수능력은 Darcy 의 법칙을 적용하면, Q = k Δh l A = ( ) ( ) = ( m3 / sec )

비중은 약 2.4t/m 3 이상이어야 한다. 시스템에서 채움재의 크기는 망눈에서 빠져 나오지 않는 크기로 망눈 크기의 1.5배 이상 이라야 한다. 오각 Mattress는 직경 120mm 이상, 육각망, 사각망은 150mm 이상의 채움재를 사용한다.

4 우, 같은 조건일 때 콘크리트 옹벽의 배수능력은 1m2당 50m/m 배수공 1개소를 옹벽하단부에 설치하였을 경 Q = A 2 g Δ h = π = ( m3 / sec ) 따라서 배면 지하수위에 따른 화산석 옹벽의 배수압소산효과는 표 2와 같고 지하수위가 높을수록 화산석 을 채움재로 사용한 옹벽은 콘크리트 옹벽에 비해 배수압소산효과가 크다는 것을 알 수 있다. 표 2. 지하수위에 따른 화산석 옹벽과 콘크리트 옹벽의 배제량 비교 배면 지하수위 ( Δ h, m) 배제량(Q, 화산석 옹벽(A) m3 /sec) 콘크리트 옹벽(B) 배제량 비교 (A/B) 비 고 그림 2. 의 배수성 그림 3. 성토사면의 4. 결론 지금까지 본고에서는 절 성토 사면의 안정성을 위하여 화산석을 채움재로 한 압 소산효과에 대하여 연구하였으며, 그 결과를 요약하면 아래와 같다. 구조의 배수 1) 는 다공성이 뛰어나 자연배수가 가능한 구조물로서 구조물의 사면안정에 우수한 것으로 판 단된다. 2) 화산석은 제주지역에 다량 분포하는 암석으로 암석의 크기 및 공극률 등의 물리적 특성을 조사한 결과 비 중의 평균범위가 2.55~2.81이고 공극률이 4~11% 범위인 감람석현무암은 의 채움재로 적합 한 것으로 판단된다. 3) 절 성토사면 또는 구조물 배면에 지하수위가 있다면 안전율은 현저하게 떨어진다. 이와 같이 일시적으로 발생된 수압은 구조물 붕괴사고의 원인이 될 수 있다. 는 채움재인 화산석 사이에 공극이 있어 물이 자유롭게 왕래할 수 있으며, 콘크리트 구조물 옹벽과 비교해본 결과 구조물 배면에서 수압을 소산시키는 효과가 있음을 알 수 있었다

0 0.0450 0.0087 5.1724 2.0 0.0900 0.0123 7.3171 3.0 0.135 0.0151 8.9404 그림 2. 의 배수성 그림 3. 성토사면의 4. 결론 지금까지 본고에서는 절 성토 사면의 안정성을 위하여 화산석을 채움재로 한 압 소산효과에 대하여 연구하였으며, 그 결과를 요약하면 아래와 같다.

5 참 고 문 헌 1. 권병두, 정호준, 이희순(1993). 제주도에 분포하는 화산암류의 물리적 특성, 한국지구과학회지, Vol. 14, No 3, 1993, pp 지홍기, 배상수, 임기석, 허수영(2001). 를 이용한 호안구조물의 수리학적 특성, 한국수자원 학회 학술발표회 논문집, 3. 지홍기(2001). Gabion 을 이용한 방재 및 친환경 구조물, 영남대학교부설 방재연구소, 시설물방재와 친환경 건설 학술심포지움 논문집. 4. 박재민, 박기범, 지홍기, 이순탁(2003). 용 Slag 의 수리학적 안정성, 한국수자원학회 학술대 회지, 한국수자원학회 03 학술발표회논문집(2), pp 박재민, 배상수, 이승윤, 지홍기, 이순탁(2004). 를 이용한 절개지사면의 배수압소산과 식생 복원효과, 한국수자원학회 학술대회지, 한국수자원학회 04 학술발표회 특별세션/ 국제세션/ 발표논문 초록 집, pp 김희수(2004). Gabion 옹벽의 배수압 소산효과에 관한 연구, 영남대학교 산업대학원 석사논문 7. 최형식(1998). 현무암 건설재료의 점붕( ) 특성과 현지측정, 대한토목학회 자연과 문명의 조화 8. Simons, D. B., Chen, Y. H. and Swenson, L. J.(1983). Design Guidelines & Criteria. Channels & Hydraulic Structures on Sandy Soils, Officine Maccaferri Technical Report, Fort Collins, Colorado. 9. Maynord, S. T.(1995). Gabion-mattress Channel Protection Design, J. Hydr. Engrg., ASCE, 121(7)

를 이용한 절개지사면의 배수압소산과 식생 복원효과, 한국수자원학회 학술대회지, 한국수자원학회 04 학술발표회 특별세션/ 국제세션/ 발표논문 초록 집, pp.271-271 6. 김희수(2004). Gabion 옹벽의 배수압 소산효과에 관한 연구, 영남대학교 산업대학원 석사논문 7. 최형식(1998).

발간등록번호 제정 2010 년 6 월 개정 2012 년 9 월 국립환경과학원 National Institute of Environmental Research

발간등록번호 제정 2010 년 6 월 개정 2012 년 9 월 국립환경과학원 National Institute of Environmental Research 발간등록번호 11-1480523-001074-01 국립환경과학원 National Institute of Environmental Research 발간등록번호 11-1480523-001074-01 제정 2010 년 6 월 개정 2012 년 9 월 국립환경과학원 National Institute of Environmental Research - i - - ii