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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(5); 2017 > Article
투수블럭포장의 받침 안정층 세굴 특성에 관한 연구

Abstract

The risk of urban flooding increases because impervious pavements are continuously constructed due to urbanization but drainage systems are insufficient. LID (Low Impact Development) based permeable pavement is developed which is a substitutional method for increasing permeability to natural status. The permeable block pavement is one of the LID based pavement which is installed on sand stable layer which prevents permeable block from migrating. Scouring of sand stable layer due to repeated rainfalls can cause irregular settlement of permeable block which causes the breakage of permeable block. In this study, experimental tests were performed to evaluate the degree of scour of sand stable layer reinforced with the grid which mitigates scouring under repeated rainfall conditions.

요지

도시화에 다른 불투수 면적 증가와 도심지내 불충분한 우수배수 시설은 집중호우 시 도심지 내수침수 위험도를 증가시킨다. 이에 대한 대책으로 투수성 포장이 사용되고 있다. 투수성 포장은 LID(Low Impace Development) 기법 중 하나로 포장면의 투수성능을 자연상태와 유사한 수준으로 회복시켜 내수 침수 위험을 줄이는 성능을 가지고 있다. 투수블럭 포장은 LID 기반의 포장방법으로 투수블록의 움직임을 제한할 수 있는 받침안정층 위에 설치된다. 강우가 지속되면 이 받침 안정층이 세굴되어 상부 투수성 포장의 안정성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 강우 횟수에 따른 투수포장 하부의 받침 안정층의 세굴량을 실험을 통해 관찰하고 받침 안정층 세굴방지를 위한 그리드를 설치하여 세굴방지 효과를 확인하였다.

1. 서론

국내 도심지역의 불투수 면적의 비율은 도로 및 구조물 건설로 인한 포장 면적의 증가로 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 강우로 인한 지표수의 침투율이 감소하고 도시하천 및 저류시설의 홍수부담능력 이상의 지표수가 유발되어 대규모의 피해가 발생하고 있다. 우리나라의 재해발생 원인의 93%가 풍/수해에 의한 피해로 보고되고 있으며 지금까지 1조원 이상의 홍수피해도 8회 발생한 것으로 나타났다(Koo et al., 2013). 불투수면적율 증가에 따른 피해를 줄이기 위한 방안으로 LID (Low Impact Development) 개념을 접목한 빗물관리기술이 선진국을 중심으로 연구되어 왔으며 국내에서도 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 투수성 포장은 LID 기술의 하나로 가장 많이 활용되고 있는 기술로, 세부적으로 투수 및 배수성 아스팔트, 투수 및 배수성 콘크리트, 투수블록포장 등으로 구분할 수 있다.
일반적으로 투수포장은 크게 포장체의 공극률을 높여 우수가 포장체 공극 안을 통과 혹은 포장체사이의 간극을 통해 하부로 침투시키는 것을 말하며 배수포장은 포장으로 침투된 물을 기층부의 유공관을 통해 배출시키는 것을 의미한다. Seoul Metropolitan City(2013)에 따르면 보도 및 도로 모두 노상의 투수계수가 1.0×10-3 mm/sec 이상인 경우 투수포장을 하며, 그 이하인 경우 배수포장을 하도록 되어 있다. 투수포장 및 배수포장에 대한 연구는 개념이 도입된 이후 꾸준히 수행되고 있다. 특히, 도심지 불투수면 증가에 따른 물순환 왜곡으로 발생하는 도시홍수, 지하수 고갈 및 하천의 건천화 등에 대한 효과분석에 관한 연구가 최근 들어 활발하게 수행되고 있다.
Kim et al.(2002)은 투수성 포장 적용에 따른 수문학적 물순환 체계 변화에 관한 연구를 실험적으로 규명하고자 포장 두께에 따른 침투특성을 강우강도에 따라 규명하는 수리모형 실험을 실시하였다. 연구결과 도시지역에 투수성 포장 적용시 우수유출에 따른 첨두유량을 줄여 하류부의 홍수부담을 감소시키고 이에 대한 피해를 줄일 수 있을 것으로 보고하였다. Lee et al.(2001)도 실내실험을 통해 투수성 포장재의 우수유출 저감효과를 규명하고자 강우지속시간에 따른 지표 유출량 분석 및 시범 지역 적용을 통해 투수성 포장재의 유출저감효과를 확인하였다. Im et al. (2007)은 여러 가지 표면상태에 따른 강우강도별 침투량을 실험적으로 분석하여 투수성 포장재가 침투량 증가 측면에서 가장 유리하고 우수유출 저감시설로 활용 가능함을 시사하였다. Lee et al.(2007)은 투수성 보도블록의 침투특성을 수리모형실험을 통해 규명하였다. 투수성 보도블록과 일반 블록에 대해 인공강우장치를 이용하여 강우를 모사하고 우수유출량을 비교하여 우수저감 효과를 검증하였다. Yoo et al.(2009)는 투수성 보도블록의 침투량을 현장실험을 통해 구하고 이를 침투량 곡선식에 적용시켜 침투량의 변화를 분석하였다.
투수블럭을 이용한 투수성 포장의 경우 상부 투수블럭 아래에 받침 안정층이 설치된다. 이 받침 안정층은 투수블럭을 평탄하게 하여 상부의 교통하중으로 인하여 부등 침하가 발생하는 것을 막아주며 상부의 투수블럭과 함께 우수를 저장 및 주변의 가로녹지대로 우수가 침투될 수 있도록 한다(Han, 2013). 하지만 투수블럭을 이용하여 포장한 이후 반복 강우에 의하여 받침 안정층이 세굴되는 경우가 발생하고 있다. 이러한 받침 안정층의 세굴은 상부 투수블럭의 부등침하를 유발하고, 사고를 유발할 수 있다(Park et al., 2015). 본 연구에서는 투수블럭포장 시 받침 안정층의 세굴을 모사하고 이를 방비할 수 있도록 그리드를 설치하여 실험을 수행하였다.

2. 실험 셋업

2.1 받침 안정층 시료

Seoul Metropolitan City(2013)에 따르면 받침 안정층의 두께는 30 mm로 설치해야 하며 모래의 최대 입경은 5 mm 이하, 0.08 mm체 통과량 5% 미만, 조립율(FM) 1.5~5.5의 조건을 만족해야 한다. 이러한 조건을 만족할 수 있는 주문진 표준사를 실험에 사용하였다. 체분석 결과 주문진 표준사의 최대 입경은 0.85 mm, 0.075 mm 체 통과량은 0.15%이었고, Kim et al.(2012)에 따르면 주문진 표준사의 조립율은 1.99로 앞서 언급한 받침 안정층의 조건을 만족한다. 주문진 표준사의 입도분포는 Fig. 1과 같다.
Fig. 1
Particle Size Distribution of Jumunjin Sand
KOSHAM_17_05_023_fig_1.gif
실험에 사용된 받침 안정층 시료는 오븐건조한 후 사용하였고, 1회 실험에 사용한 질량은 2,500 g이었다. 그리드가 설치되었을 때에는 그리드 자체의 부피로 인하여 2,400 g의 시료를 사용하였다. 반복 강우를 모사할 때에는 시료를 추가하지 않고 실험을 진행하였다.

2.2 실험장비, 실험변수 그리고 실험과정

본 실험에서는 받침 안정층 하부에 불투수층이 존재하여 수평방향의 물 흐름이 존재한다고 가정하였다. 또한 서울시 도로설계 기준에 따라 받침 안정층의 높이는 3 cm로 설치할 수 있도록 장비를 제작하였다. 실제 시공되는 투수성 포장 중 일부는 유공관이 존재하며 토사유출 방지를 위해 모래시료가 빠져나가지 않고 우수만 통과할 수 있는 출구 공간을 확보하고 필터를 설치하여 토사의 유출을 방비하게 된다. 하지만 이 공간이 시간이 지남에 따라 필터가 손상 및 확장되어 받침 안정층 시료의 유출을 유발할 수 있다. 이를 모사하기 위하여 이 공간의 폭(w)을 10~100 mm, 높이(h)를 1~1.8 mm로 변화시킬 수 있도록 설계하였다. 또한 받침 안정층의 토사 유출을 방지하기 위하여 그리드를 설치하여 그 영향을 살펴보았다. 실험에 사용한 그리드는 폴리카보네이트 재질로 그 크기는 가로, 세로가 각각 25 cm이었다. 이 그리드는 받침 안정층 시료 조성 시 시료층의 중앙에 오도록 설치되었다. 장비의 폭과 너비는 현장시공용으로 제작되어 있는 그리드의 폭을 고려하여 26.5 cm로 결정하였다. 장비는 Fig. 2와 같으며 실험 변수는 Table 1에 표기하였다.
Fig. 2
Test Equipment
KOSHAM_17_05_023_fig_2.gif
Table 1
Test Parameters
Opening Width, w [mm] Opening Height, h [mm] Number of rainfall, n [-] Existence of Grid
10
20
50
100
1
1.4
1.8
1
2
3
4
Yes
No
실험은 1회 강우 모사에 23 cm 높이의 증류수를 사용하였으며 총 부피는 2,990 cm3이다. 실제로 통과하는 증류수는 20 cm 높이에 해당한다. 국내의 호우 경보 발효 기준은 6시간 당 11 cm 혹은 12시간 당 18 cm이다. 호우경보 수준의 강우보다 많은 강우를 모사하기 위하여 20 cm의 수두를 설정하였다. 시료는 장마철 지속적인 강우 환경을 고려하여 완전 포화 시료를 사용하였다. Fig. 2(a)의 opening 부분을 테이프를 이용하여 막아 시료를 포화시키는 동안 토사유실이 되지 않도록 하였고, 수두가 23 cm까지 도달하였을 때 테이프를 제거하여 토사 및 모사 강우가 나올 수 있도록 하였다.
세굴을 유도하기 위한 홀은 그리드 설치 위치와 같은 높이에 오도록 제작하였으며 홀의 높이는 받침 안정층 시료의 최대입경의 약 1.2~2배의 크기를 만들기 위해 1 mm, 1.4 mm, 1.8 mm로 선정하였다. 최대 입경의 1.2~2배의 크기를 선정한 이유는 모든 입자들이 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이었다. 실험장치의 가로-세로 비율을 고려하여 홀의 폭은 10 mm에서 100 mm의 크기로 설정하였다.
모래의 세굴량은 증류수가 모두 받침 안정층을 통과한 후 수위가 안정된 후 opening을 테이프로 막고 opening부근에 쌓여있는 토사를 시료접시에 부어 오븐 건조하여 계산하였다.

3. 실험결과

3.1 출구 폭/높이 영향

같은 대기압 상태에서 높은 수두를 가지는 유체가 흐르게 되면 그 유체의 속도는 증가하게 된다(Darcy 법칙). 따라서 본 실험의 셋업에 있어서 실험을 시작한 직후부터 수두가 떨어지고 시료로 증류수가 유입되는 지점의 유속은 서서히 감소하게 된다. 수위를 유지시키지 않은 이유는 강우가 시작되고 침투가 시작되면 초기에는 많은 양의 우수가 침투되다가 포화가 진행될수록 점차 그 양과 속도가 줄어들기 때문이다. 또한 Bernoulli 법칙에 따르면 같은 유량일 때 단면적에 따라 유체의 속도가 변화하게 된다. 따라서 받침 안정층과 집수관이 연결되는 출구부분의 폭과 높이에 따라 받침 안정층의 세굴량이 변화하게 된다.
Fig. 3과 같이 출구 폭이 증가함에 따라 세굴량은 선형적으로 증가하는 추세를 보인다(1회 강우 시). 즉, 10 mm의 폭을 가질 때에 비하여 100 mm의 폭을 가질 때 발생하는 세굴량은 약 10배가 된다. 마찬가지로 Fig. 4와 같이 출구 높이가 증가함에 따라 세굴량은 선형적으로 증가하는 경향을 보인다. 누적 세굴량은 높이 1.8 mm일 때가 높이 1.4 mm와 1 mm일 때보다 약 2배 및 4배 가량 많은 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 출구 높이와 세굴량의 관계가 선형이라고 가정하였을 때, 세굴이 발생하지 않는 출구 높이는 0.8-1 mm로 받침 안정층 시료로 사용한 주문진 표준사의 최대 입경인 0.85 mm와 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 3
Effect of Opening Width on Cumulative Scouring Mass (n=1)
KOSHAM_17_05_023_fig_3.gif
Fig. 4
Effect of Opening Height on Cumulative Scouring Mass (n=1)
KOSHAM_17_05_023_fig_4.gif
하천 및 하수도의 세굴량 산정 관련 선행 연구에 따르면 유체의 속도가 감소하면 세굴량도 감소하게 된다(Swamee et al., 1987). 본 실험에 선행 연구의 결과를 반영해보면 세굴되는 양은 초기가 가장 많고 점차 감소하는 경향을 가졌을 것으로 예측된다. 이에 대한 실험 및 검증은 추후 연구를 통해 수행할 예정이다.

3.2 강우횟수 영향

본 실험에서는 강우횟수에 따른 받침 안정층의 세굴을 모사하기 위하여 1회 실험 후 시료를 재조성하지 않고, 각 강우횟수 반복하여 실험을 진행하였다. 회당 2,990 cm3의 증류수를 흘려주었으며 강우횟수에 따른 세굴량은 강우 횟수가 반복됨에 따라 1회 세굴량은 강우횟수에 반비례하는 형태로 감소하는 경향을 보였으며 4회 강우가 진행되면 약 25% 수준의 세굴만 진행되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 따라서 누적 세굴량은 Fig. 5의 하부를 적분한다고 생각할 수 있으므로 로그함수의 형태를 띄게 된다(Fig. 6). Fig. 6에 따르면 누적 세굴량의 경우 4회 강우가 반복되면 약 2배의 누적 세굴량이 발생하는 것을 확인하였다. Fig. 6의 누적세굴량을 1회 강우 시 세굴량으로 정규화하여 나타내면 Fig. 7과 같고, 이를 이용하면 1회 강우 시 세굴량을 측정하여 어떠한 출구 폭에서도 추후 강우에 의해 발생할 누적 세굴량을 대략적으로 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 5
Effect of Number of Rainfall on Scouring Mass (h=1.8 mm)
KOSHAM_17_05_023_fig_5.gif
Fig. 6
Effect of Number of Rainfall on Cumulative Scouring Mass (h=1.8 mm)
KOSHAM_17_05_023_fig_6.gif
Fig. 7
Effect of Number of Rainfall on Normalized Cumulative Scouring Mass (h=1.8 mm)
KOSHAM_17_05_023_fig_7.gif

3.3 그리드 영향

다양한 토목분야에서 토사 및 암석의 유출을 방지 및 내지지력 상승효과를 위하여 그리드를 설치하고 있다. Yoo et al.(2013)은 보강토 옹벽의 보강을 위해 설치한 지오그리드와 사질토의 내진 특성 등을 파악하기 위해 반복하중에 의한 전단파괴 특성을 연구하였고 El Sawwaf(2007)은 점토사면의 상부에 지오그리드가 포함된 모래층을 설치하여 사면 보강을 하고, 그 상부에 기초를 설치하는 것을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서도 강우에 의한 받침 안정층의 유출을 방지하기 위하여 그리드를 설치하여 실험을 진행하였다. 그리드가 설치되면서 시료조성에 사용된 표준사의 양은 2,400 g이었다. 실험에 사용한 그리드는 Fig. 2(c)와 같으며 재질은 폴리 카보네이트 재질이었다. 그리드를 설치한 경우의 누적 세굴량은 출구 폭의 크기와 관계 없이 그리드를 설치하지 않은 경우의 누적 세굴량에 비해 30~40% 가량 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
그리드가 없는 경우 Fig. 9와 같이 실험장비의 위에서 보았을 때, 경계부 벽을 따라 세굴이 주로 진행되었고 중앙부에서는 원형에 가까운 형태로 토사가 남아있음을 확인하였다. 또한 측면에서 보았을 때, 입구부 중앙에서 가장 토사의 유출이 많았는데 이는 압력분포가 중앙에서 가장 높고 측면으로 갈수록 줄어들었기 때문으로 판단된다. 그리드가 존재하는 경우 출구부 opening쪽에서 주로 세굴이 발생하는 경향을 보였다.
Fig. 8
Effect of Grid on Cumulative Scouring Mass (h=1.8 mm)
KOSHAM_17_05_023_fig_8.gif
Fig. 9
Stable Layer After Test Without Grid (Top view)
KOSHAM_17_05_023_fig_9.gif
그리드가 존재하면 1회 강우 모사 시 전체 무게 대비 50% 이상의 세굴량 감소효과가 있었고, 4회 강우시에는 200% 이상의 세굴량 감소효과가 있었다.

4. 결론

본 연구는 투수블럭을 이용한 포장 시 투수블럭 하부에 설치되는 받침 안정층의 강우에 의한 세굴특성을 확인하기 위해 수행되었다. 출구부의 폭과 높이, 강우횟수 및 그리드 설치 유무에 따른 받침 안정층의 세굴량을 실내실험을 통해 측정하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
  • (1) 투수블럭을 이용한 포장 시에는 30 mm의 받침 안정층이 설치되는 것이 규정화되어 있다. 하지만 이 받침 안정층이 반복적인 강우 및 우수 출구부에 설치되는 필터에 크랙이 생기는 경우 받침 안정층이 유실된다. 이에 따라 상부 투수블럭이 부등침하하며 집중하중으로 파괴되어 상부 교통 및 도보 통행에 영향을 미치게 된다.

  • (2) 출구부 폭과 높이가 증가함에 따라 발생하는 세굴량 역시 선형적으로 증가하는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 10 mm의 출구폭을 가질 때에 비하여 100 mm의 출구폭을 가질 때 발생하는 누적세굴량은 약 10배가 된다. 또한 출구높이가 1.8 mm일 때의 누적세굴량이 높이 1.4 mm와 1 mm일 때 발생하는 누적세굴량보다 약 2배 및 4배 가량 많은 것을 확인하였다.

  • (3) 강우 발생 횟수가 증가하면 회당 세굴량은 감소하지만 누적 세굴량은 로그함수의 꼴로 증가하는 경향을 가졌다. 1회 강우 시 발생하는 세굴량은 강우 반복횟수가 1회 증가할 때마다 약 35%씩 감소하였다.

  • (4) 그리드를 설치한 받침 안정층의 누적세굴량은 설치하지 않았을 때와 비교하였을 때 30~40% 가량의 세굴 방지효과를 나타냈다. 그리고 그리드가 존재하지 않는 경우 중앙부를 제외한 실험장비의 측면에서 주로 세굴이 발생하였다. 그리드가 설치된 경우 opening 주변에서 주로 세굴이 발생하였다. 또한 그리드 설치로 인하여 받침 안정층 형성 시 사용되는 모래의 양이 감소하므로 받침 안정층에 그리드를 설치하면 세굴 발생을 억제하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었습니다(과제번호 1615007273).

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