[20년07월] 2. 자연친화적 여울설치

 

The eco-friendly riffle was developed to solve the problem of the existing stone mats installed by using the uniform-sized boulders. This technology forms sequence of riffles and pools that are very similar to a natural river by utilizing various sizes of boulders to imitate the shape of the natural riffles. As an artificial riffle created by combining stone nets and stone mats, it has several advantages such as excellent resistance to flow, less adverse impact on the environment by using eco-friendly materials, the same durability and flexibility as the existing stone mat revetment. In addition, the riffle was developed to contribute to purifying water quality and restoring the ecological system by utilizing natural stones. Considering both flood control and environmental preservation aspects, furthermore, a gilded iron wire was applied to improve its durability for protecting stones from being separated and to prevent environmental pollution caused by the corrosion of iron wires.

In particular, it was planned to enable aquatic creatures to travel up/down the river during the springtime(or the dry season), which has low flows, by forming the thalweg when the riffle was installed.

 

채병구 상무(수자원개발기술사), 수자원부(bkchae@samaneng.com)

이민호 차장, 수자원부(mhlee4@samaneng.com)

허준호 차장, 수자원부(jhheo1@samaneng.com)

 

 

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1. 기술 개요

 

 

하천의 기능은 치수만을 위한 공학적 효율 위주의 하천관리 정책에서 벗어나 하천의 환경적 기능 개선을 위한 생태하천으로의 복원사업이 이루어지고 있다. 치수적 안정성 확보를 위해 기 설치된 콘크리트 구조물을 철거하는 대신 복토 후 식생매트리스 공법을 통한 자연친화적인 하천공법이 널리 사용되고 있다. 홍수로부터 제방 및 하안을 보호하기 위하여 일반적으로 제방 사면에 호안을 설치하며, 하안에는 보호공을 설치한다. 설계 홍수량의 규모가 작거나, 상대적으로 규모가 작은 하천에는 호안 및 하안 보호 구조물이 설치되어 있지 않는 경우도 있지만, 국내는 하천계획 수립 시 호안 및 하안을 위한 구조물을 설치하는 것이 일반적이다. 그러나 우리나라의 기후 특성상 여름철 집중호우로 인한 빠른 유속 등 상류에서 유실되어 내려오는 토사, 유사(流沙)로 구조물이 유실 또는 파손되는 사례가 빈번하게 일어나고 있다.

치수만을 강조하는 하천관리 정책에서 벗어나 국민 삶의 질 향상, 다음 세대를 위한 깨끗한 환경을 조성하고 복원하는 사업을 시작으로 친자연적 하천 복원 사업은 호안 설치시에도 적용하여 자연적이고 환경적인 호안 계획이 필요하게 되었다. 본 기술은 하천의 세굴방지 및 환경성이 고려된 여울로 자연형 하천기술(CRT; Close-to-nature River Techniques), 생태기반 재해위험 저감(Eco-DRR; Disaster Risk Reeduction)을 적용하였다.

 

 

 

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2. 기준 및 이론

 

 

2.1 하천 여울과 소

 

1) 개념 및 정의

가.여울(Riffle) : 폭기(曝氣) 작용을 통하여 용존산소량을 증가시키고, 유속을 빠르게 하여 부착 조류 등으로 특정 수생식물의 먹이를 제공하며, 하상안정에도 기여하는 시설

나.소(Pool, 웅덩이) : 유속을 느리게 하여 부유물 및 오염물의 침전작용, 흡착작용 및 산화분해작용을 유도하고 어류 등 수생생물의 서식처를 제공하는 시설

다.자연형 여울 : 기본적으로 자연하천의 여울과 소의 구조를 흉내내는 것으로 여울의 형태, 재료, 기능 등을 자연하천에 근사하도록 설계

 

2) 자연친화적 여울공법

금회 여울공법은 자연석의 크기를 변화시킨(2목~6목) 자연석 노출 덮개철망과 하안의 고착된 시공으로 홍수시 파손 및 유실방지기능을 강화하여 치수적 안정성을 강화하였으며, 내구성과 결합력 증대로 구조적 안정성을 증대하였다. 자연재료를 사용하여 자연석과 수변식물이 어우러져 동식물의 서식처를 제공하며, 하천의 자정기능을 향상시키고 접촉산화법에 의한 수질자정 기능이 있다. 철망은 아연알루미늄합금 도금을 하여 내용연수가 40년 이상으로 반영구적이며, 장기적으로 자연석 쌓기보다 경제적인 공법이다.

 

 

2.2 사석의 안정성

 

2.1.1 사석재 이동

하상 위로 물이 흐르면 소류력은 입자를 움직이게 하려하고 토사입자의 무게는 소류력에 저항하게 된다. 여기서 유수 중 사석이 움직이기 시작하는 상태를 한계 운동(incipient motion)이라 하며, 이때의 흐름 조건을 한계조건(threshold / critical condition)이라 한다. 비점착성 유사의 경우 개별 입자가 흐름에 의해 움직이기 시작하나, 점착성 유사의 경우 개별 입자의 움직임이 아니라 입자간의 점착력으로 하상이나 제방에서 덩어리로 떨어져 나간다.

비점착성 유사의 경우로 입자가 받는 항력(drag force) 및 양력(lifting force), 또는 이러한 힘에 저항하는 입자의 수중중량 등이다. 따라서 입자가 움직이기 시작하는 한계조건은 Fig. 4에서와 같이 하상을 형성하는 한 개의 입자가 유수중에서 받는 힘을 표시하고 있으며 사면경사를 α , 석재입자의 수중안식각을 Φ로 표시하여 비점착성의 입자들이 움직이기 시작하는 한계조건은 식 (1)에서와 같이 입자에 작용하는 연직 및 접선 방향의 힘의 항으로 나타낼 수 있다.

석재의 안식각(angle of repose)은 자연 상태에서 사립자나 인위적으로 깬 돌들이 안정적으로 만들 수 있는 원추형의 밑면과 측면과의 각이다. 안식각은 안정 하도나 제방의 설계에 기본적으로 필요한 자료로서, 공기 중과 물 속에서 서로 다르다. Table 1에서는 자연 사립자와 깬 돌(쇄석) 등 여러 가지 재료에 대해 입경별 안식각을 다음과 같이 제시하였다.

 

 

 

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3. 여울공법의 수리실험 및 평가

 

하천 내 인공 구조물은 인간의 편리한 생활을 위해 반드시 필요하지만 구조물의 안정성뿐만 아니라 하류의 세굴 문제도 해결되어야 한다. 특히, 인공 구조물의 설치는 구조물 상‧하류의 낙차로 인한 압력을 발생시켜 바닥 침식이 빠르게 진행된다. 이런 이유로 수리모형실험, 수치해석 등을 통해 세굴에 대한 원인 및 대책을 찾는 연구가 활발하게 이루어지고 있으나 하상보호공법의 한계능력 및 평가에 대한 연구는 부족하다. 최근 특수철망상자에 잡석이나 접촉재 등을 채우고 윗부분을 스톤네트로 붙여 일체화시킨 공법이 다양하게 제시되고 있다. 이 공법은 자연석과 철망, 채움재가 일체화되어 치수 안정성이 우수하며 내용연수가 40년 이상인 아연알미늄합금도금 철망을 사용하여 반영구적 유지가 가능하다. 또한 1회 시공면적이 4m2이므로 시공성이 우수하다. 그러나 국내의 경우 표준화된 한계능력 및 평가방법이 아직 수립되지 못하였기 때문에 안정성 평가가 반드시 필요하다.

따라서 본 실험은 자연석과 철망, 채움재가 고착화된 여울공법에 대해 한계유속 측정 실험을 실시하여 안정성을 평가하였다. 실험용 여울의 경우 실규모 1/1 모형이며 유량범위는 0.5~3.6 m3/s 에서 실험을 실시하여 유속을 측정하였다.

 

 

 

3.1 실험조건

 

본 실험수로는 특수철망상자를 제작하고 채움재를 채우고 덮개철망을 붙이는 방법인 자연친화적 여울을 제작하였으며 하상 폭 3m, 제방 폭 11m의 실규모 수로에서 실시하였다. 실규모 실험은 경북 안동에 위치한 한국건설기술연구원 하천실험센터의 급경사수로 구간에서 수행하였다. 실험의 유량범위는 0.5~3.6m3/s에서 실험을 실시하였다. Fig. 5는 자연석과 철망, 채움재를 이용한 여울공법이 설치된 실험수로를 나타낸 것이다.

 

 

모형의 축척은 실규모 1/1 모형이며 크기는 3m x 6m x 0.6m로 제작하였다. 여울공법의 시공은 하상정리한 후 부직포를 설치하였고, 스톤매트 철망상자를 조립한 후 채움재를 이용하여 속채움 작업을 실시하였다. 스톤네트를 덮고 연결고리로 고정하는 순으로 진행하였으며, 스톤네트의 자연석은 지름이 0.20~0.55 m의 큰 호박돌 및 중간 전석으로 구성하였다.

 

 

 

3.2 실험방법

 

실험은 여울이 있는 상태에서 구조물의 한계치를 파악할 수 있도록 상류의 유량조절을 통한 유속을 조절하는 방법과 유압식 가동보(Fig. 6)를 이용하여 순간적으로 유속을 증가시키는 방법 2가지를 이용하였다. 유량은 구조물이 파괴가 발생하지 않을 경우 단계적으로 유량을 증가시켜 실험을 진행하였다. 측정위치는 여울 설치지점 하류로 1m 측선에서 중앙부 1개의 측점으로 구성하였다. 사용된 유속계는 프라이스 유속계(Rickly Price Current Meter)이다. 유속측정은 1점법으로 유량별로 3회 반복하여 측정하였으며, 여울공법의 파괴 양상을 파악하기 위해 영상촬영을 실시하였다.

 

 

실험의 유량범위는 0.5~3.6m3/s이며 각 조건에 대해 유속을 이용한 실험을 실시하였다. 실험조건은 같은 조건에 유량을 변화하여 CASE별로 정리하였으며, 각 유속 조건에 대한 측정은 실험 후 하상의 변화와 실험 중 목측을 통해 하상재료의 거동을 파악하였다.

 

 

3.3 실험결과 및 평가

 

실험결과 유량을 증가시켰을 때 유속과 수심은 점차적으로 증가하지만 일정 유량에 도달할 경우 유속의 증가율은 감소한다. 본 실험의 경우 유량조건이 2.0m3/s 이후부터 유속의 증가는 미미하였다. 따라서, 유량조건이 2.0m3/s까지의 구조물 거동파악은 상류의 유량조절을 통한 유속을 조절하는 방법으로 유무를 파악하였다. 유량조건 2.6m3/s부터의 구조물의 거동은 유압식 가동보를 이용하여 순간적으로 유속을 증가시키는 방법으로 구조물의 한계치를 파악하였다. 본 실험에서 한계유속은 여울의 파괴가 발생하는 시점을 의미하여 측정된 유속에 대해 평균 유속값과 최대유속을 나타내어 설명하였다. 본 실험에 사용된 여울의 안정성을 확보할 수 있는 한계유속은 본 실험에서 발생한 5.08m3/s에서 구조물의 유동이 없었으며, 순간 최대 유속 5.83m/s에서도 안정된 상태를 유지하였다.

 

실험결과를 통해 본 여울은 약 6.0m/s에서도 견뎌냈음을 알 수 있었다. Fig. 8은 실험 전･후의 하상변동 상황을 나타낸 것으로 (a)의 실험 시작 사진과 (c)의 실험 마지막 사진을 비교했을 때 하상변동이 없는 것으로 확인하였다. 유량범위는 0.5~3.6m3/s에서 실험을 하였으며, 구조물의 최대 한계치를 파악할 수 있도록 상류의 유압식 가동보를 이용한 순간적으로 유속을 증가시키는 방법으로 유속을 측정하였다. 실험의 평균 유속범위는 1.09~5.08m/s으로 나타났으며 순간 최대 유속은 약 5.83m/s로 측정되었다. 본 실험에서 순간 최대유속 5.81m/s, 평균유속 5.08m/s에서 스톤매트의 거동이 없었으며, 그 이상의 유속은 본 실험에서 파악할 수 없어 정확한 한계유속을 파악할 수 는 없었다. 하지만 실험결과를 고려할 때 한계유속은 최대순간 유속을 고려할 때 5.81m/s 이상일 것으로 판단된다.

 

 

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4. 적용 및 고찰

 

4.1 과업 개요

 

대상과업은 구룡천 생태하천복원사업 기본 및 실시설계 용역으로 범위는 완주군 경천면 경천리 248-4지점에서 고산천 합류점까지 1.70km와 고산천 합류부 0.50km까지 총 2.20km의 구간이다. 사업을 추진하기 위하여 수립된 ｢구룡천 생태하천 복원계획 수립용역(완주군, 2016.)｣에 의거하여 사업내용과 타당성 여부 등을 검토하여 규모를 결정하였으며, 그 후 완주군 협의와 환경부 설계검토를 통해 사업규모를 확정하였다.

 

 

4.2 설계 내용

 

하천의 환경기능이 이수, 치수기능과 조화를 이루고, 유역 차원의 하천환경관리를 위해 유역종합치수계획, 하천기본계획, 생태하천조성계획 및 설계요령등을 참고하였으며, ｢생태하천복원사업 기술지침서(2014, 환경부)｣를 기본으로 하천복원을 위한 공간계획을 수립하였다.

수환경, 식생, 야생동물 서식과 하천의 생태계 수리특성 등 자연적인 특성과 토지이용현황, 인구밀도, 교통 등 사회적인 특성, 장래 개발계획 등을 고려하여 하천구간을 구분하였다. 이용형태, 생태계 보전정도의 분석을 통해 각 공간을 3개의 구간으로 구분하였으며 기본구상의 효율성을 증대시키고, 구간별 구분을 통해 성격을 부여하였고, 식생정비 공간에 경천보(자연형 여울) 설치계획을 수립하였다.

 

노후화된 경천보 종적 생태 연결성이 단절되어 있어 보 개량을 통한 종적 생태 연결성 확보 및 물리적 다양성을 증대하였으며, 어류의 진출입이 용이한 여울형 계획으로 수생물 서식처를 확보하였다. Fig. 11 및 Table 3는 경천보 설계현황 및 제원이다.

 

 

경천보(여울)의 수리적 안정성 검토 후 형태와 자연석의 크기 및 중량을 결정하였으며, 재료 선정시 하천을 구성하는 하상재료와 동일한 재료를 사용하였다. 여울은 설계기준에 따라 완만한 경사(1:20)가 되도록 설계하였고, 평상시 도수현상 등에 의해 수포가 발생하지 않도록 하였다. 여울 설치시 갈수기 하천 유수량(생태계 유지 용수) 산정후 흐름이 확보할 수 있도록 어류 이동통로를 설치하였다. 흐름이 빠른 곳과 느린 곳이 혼재하는 여울 형상이 되도록 계획하였으며, 하단부는 세굴이 되지 않도록 치수안전성을 고려하고, 사석 맞물림을 위한 시공으로 재료간의 공극을 확보하여 어류의 서식 및 피난처 역할을 할 수 있도록 하였다.

 

 

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5. 사업효과

 

 

본 여울은 스톤네트와 스톤매트를 결합한 친환경 여울로써 유속에 대한 저항력이 우수하고 하천의 하안 및 호안에 밀착되어 들뜨는 현상이 없으며, 집중호우시에도 여울이 말리거나 쓸려 내려가는 현상이 없다는 장점이 있다.

또한, 콘크리트를 사용하지 않는 친환경소재를 사용함으로써 시멘트독소에 의한 환경오염의 문제점이 없고 자연친화적 재료로서 수질정화 및 생태복원에 우수한 효과가 있으며, 하천의 여건에 따라 호안공, 수제공 등이 적용될 수 있을 뿐만 아니라 하천의 환경 및 치수적 안정성이 우수하며 사면과 하안을 보호하기 위해 설치되는 자연석 또는 인조석으로 이루어진 블록의 고정력을 확보하기 위해 지반에 압입 설치되는 지지부재와 블록을 일체로 연결함으로써 연약지반이나 급경사지, 유속이 빠른 호안 및 하안에서도 견고한 고정력을 발휘하여 하천을 보호할 수 있다.

본 기술은 하천의 제방, 저수호안, 고수호안, 하상(밑다짐) 등에 적용이 가능하며, 자연석 단독으로 유수력에 저항하는 것과는 달리 자연석 전체가 고착되어 유수력에 대응하여 치수적 안정성을 확보한다.

 

 

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Reference

1. 한국수자원학회(2019. 5), “하천설계기준”.

2. 우효섭(2001), “하천 수리학”, 청문각.

3. 환경부(2014), “생태하천복원사업 기술지침서”.

4.문수남(1995), “수리모형 실험에 의한 사행하도의 사석크기에 관한 연구”, 한국수자원학회 논문집, 제28권 제4호, pp. 205-213.

5.이동섭, 여홍구(2005), “사석 바닥보호공 재료입경 결정을 위한 실험적 연구”. 한국수자원학회 05년 학술발표회 논문집, pp. 1036-1039.

6. 최흥식, 이민호(2008), “사석의 수리적 안정식의 비교분석”, 한국방재학회 제8권 3호 논문집, pp. 149-155.