†Corresponding author: 종신회원, 1. 서 론
1.1 연구 배경
전 세계적으로 지구온난화에 따른 기후변화와 해수면 상승 으로 인한 영향에 대비하기 위해 많은 노력을 기하고 있다. UN의 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)은 21세기 최대 2.4～6.4℃로 지구 온도가 상승하고, 해수면은 최대 98cm 정도 상승(IPCC, 2001)하는 것으로 보고하였다. 특히 해수면의 상 승은 해안에 가해지는 파랑에너지의 상승을 가져와 과거 발생 하지 않았던 해안지역의 침식 유발 및 해안선의 후퇴와 기존 해빈에서의 모래유실을 초래한다. Fig. 1은 기후변화가 해안 침식과 퇴적에 영향을 미치는 기작을 요약한 것이다. 해양수 산부가 2017년에 시행한 전국 주요 연안 250개소에서 진행한 연안침식모니터링의 결과, B등급 이상이 112개소이고 C-D등 급에 해당하는 138개소의 침식우심률(=침식우려·심각지역 개 소수/전체모니터링개소수×100)은 55.2%로 전년 58.0%에 비해 둔화되는 양상을 보이며, 강원도가 가장 심한 92.7%, 경상북 도가 73.2%로 나타났다. 또한, 제2차연안정비기본계획 (2010-2019)에 따라 연안정비사업 370개소, 연안보전사업 296 개소를 통해 침식억제 정책을 지속적으로 추진해오고 있다 (MOF, 2018a).
해안침식은 지역적 특성을 갖기 때문에 해안 침식 대책 공 사를 진행할 경우 해안의 연혁, 외력조건, 표사의 특성, 경제 적 평가 등의 사전조사가 필연적이다. 해안침식에 대한 대응 책으로는 해안에 인위적으로 모래를 공급해 자연상태와 유사 한 해변을 조성하는 양빈공, 에너지를 미리 소산시키는 방파 제·방사제·도류제와 파의 파형경사를 완만하게 하여 해안의 방어를 용이하게 하는 잠제, 해안선으로부터 외해 측에 해안 선과 평행하게 설치하는 이안제 등이 있지만, 일반적으로 Fig. 2와 같이 자연적 또는 인공적 호안을 쌓아 연안을 보호하는 경성공법을 적용하게 되며 이는 외력의 변화에 따라 현장여건 에 알맞은 호안의 경사, 단면형상 및 재료를 선택하게 된다. IPCC에서는 연안역의 피해에 대해 강조하고 해안을 끼고 있 는 각 국가에서 적용할 수 있는 적응계획 및 대책수립을 가이 드하고 있다.
그러나, 현상에 대한 불충분한 이해에 근거한 일시적이고 무분별한 공법의 적용으로 대상해역의 경관을 해침은 물론 추 가적인 침식과 매몰이 다른 해역에 발생하게 되고, 각국에서 다양한 피해가 발생하고 있어서 공법신뢰도 향상을 위한 기술 개발이 필요하며 전통적인 토목기술에서 벗어난 융합기술의 도입이 절실한 실정이다(Lee and Park., 2007).
1.2 연구 목적
UN 기후협약에서 해안침식 저감 솔루션으로 등재되어 인 증 받게 된 해안침식 방지 공법으로, 골재와 친환경 바이오 접 착성 소재를 결합하여 해안사면의 파랑 에너지을 분산시키거 나 재료의 공극을 통해 파랑을 투과시키는 기술이 독일, 네덜 란드, 영국, 프랑스 등 북해에 인접한 국가를 중심으로 침식해 안에 적용되어 그 효과가 소개되고 있으며, 본 연구에서는 에 스비비(주)의 친환경 투수 골재인 바이오코스트(Lee et al., 2018)를 활용하여 전술해온 기존의 호안재의 한계점인 해안침 식 문제해결, 바다 사막화 현상으로 인해 가속화되고 있는 해 양 생태계 파괴 및 호안에서의 경관 개선, 현장시공 시 골재생 산, 운반 및 시공에 필요한 장비의 이동과 가동의 편리성 확 보, 나아가 시공의 정밀성 향상을 위한 새로운 형태의 호안재 를 개발하고자 한다.
2. 친환경 바이오 투수 블록
2.1 친환경 바이오 바인더
바이오코스트는 40% 이상의 공극률을 갖는 다공성 구조물 로 파랑의 충격을 최대 50%까지 저감함으로써 제방의 파손을 방지하고 반사파를 억제하여 해안의 침식되고, 도로가 유실되 는 문제에 대책 가능한 구조물이다. 구성성분의 약 60%는 식 물성 지방산인 피마자 추출 천연물질을 주원료로 활용한 폴리 우레탄(PU)이며, 2가지 성분의 폴리우레탄과 골재를 교반시켜 폴리우레탄 성분이 경화과정을 거치게 되면 완성된다.
Fig. 3은 콘크리트 블록과 바이오코스트를 골재와 결합한 경우의 파력에 대한 반응특성을 나타낸 것으로 기존의 호안제 는 파랑의 충격을 받을 시 골재끼리의 반발을 일으켜 골재 탈 락의 위험 및 구조물 파괴의 위험이 존재하지만 바이오코스트 의 경우 골재사이의 공극으로 파랑 에너지를 분산 및 흡수하 기 때문에 연안침식방지 효과와 더불어 뛰어난 투수성을 갖고 있다.
2.2 바이오 블록 디자인
바이오코스트의 현장시공 시 골재와 바인더(binder)의 교 반, 바이오코스트의 포설 및 평탄화 작업 시 재료와 특수 장비 의 이동 및 열처리, 작업공간의 점유 등과 같은 애로사항을 지 니고 있다. 이를 개선하기 위해 구조물의 규격화 및 소형화, 체결이 양호한 블록 형태의 호안제를 고려하였다.
블록의 디자인은 Fig. 4와 같이 자연에서 찾을 수 있는 주 상절리와 벌집 형상에서 고안한 육각형을 바탕으로 구조물의 내구성 확보 및 파랑 에너지의 충분한 소산을 달성하기 위해 블록에 요철을 부여하여 교호로 바이오코스트의 투수성 골재 를 결합하였고, 사면에 유연하게 피복할 수 있도록 구조물의 높이에 차이를 부여하였다. 또한 타 호안블록과 비교하여 구 조물의 안정성을 비약적으로 향상시키기 위해 기본단위블록 을 기준으로 블록군을 형성하여 각 블록 간의 자중 및 마찰력 을 통해 구조물의 안정성을 확보하였다 (Fig. 5 참조).
블록의 디자인은 거푸집의 제작의 편리성과 현장거치의 용 이함을 고려하여 육각 구조의 콘크리트 프레임 속에 바이오코 스트를 채워 넣는 형태인 BH-block(Bee-Hive block)와 육각 구조의 콘크리트 프레임 속에 요철을 부여하여 교호로 바이오 코스트를 삽입하는 형태인 HC-block(Hive-Clover block)로 Fig 6과 같이 디자인을 변형하였다.
BH-block의 경우 내구성이 강하고 안정된 구조인 벌집과 주상절리로부터 육각 구조의 디자인을 도출하였으며, 기본단 위블록의 높낮이를 달리하여 파랑의 내습 시 파랑 에너지가 충분히 소산될 수 있는 디자인을 채택하였다. HC-block의 경 우도 마찬가지로 자연에서 내구성이 강하고 안정된 구조인 벌 집과 클로버 문양에서 정육각형과 삼각형 구조의 복합체로 디 자인을 도출하였으며, 파랑의 월파방지와 처오름 현상 감소를 위해 바이오코스트를 클로버 형상으로 요철이 적용되었다.
이 외에도 기본단위블록을 통해 블록군을 형성 시 육각 구 조의 특성으로 인해 블록군의 외곽선을 따라 블록과 블록 사 이에 공백이 발생하게 되고, 이는 파랑이 내습하게 될 경우 파 랑 에너지에 대해 취약부분으로 작용할 수 있다고 판단하여 이를 방지할 수 있는 끼움블록(fit-block)을 고안하였다 (Fig. 7 참조).
파랑이 블록에 내습하게 될 경우, 블록의 콘크리트 프레임 으로 인해 원활한 투수가 진행되지 못할 것을 고려하여 외곽 프레임에 원형의 슬릿(slit)을 세로로 삽입하여 블록 간 해수 의 유통을 충분히 확보하고자 하였다.
2.3 바이오 블록 배치
강한 자연력에 의해 호안제의 기능을 상실하거나 호안제의 파괴 및 이탈을 방지하기 위해 기본단위블록으로 구성되어지 는 블록군 저면부근의 해수의 흐름과 내습하는 파랑으로부터 의 안정성을 고려한 배치를 적용하였다. BH-block은 기본단 위블록 7개S의 높낮이를 달리한 결합을 통해 블록군을 형성 하며, HC-block은 기본단위블록 6개의 결합을 통해 블록군을 형성하며 안정성을 확보하게 된다. 블록의 육각 구조로 인해 발생하는 각 블록의 외곽 접합부는 외력에 대하여 취약할 것 으로 판단되어 끼움블록을 활용한 배치를 고려하였으며, 각 블록 간의 결합은 친환경 소재인 피마자 오일을 활용, 이를 통 해 구조물 전체의 안정성 및 내구성을 확보하게 된다.
2.4 바이오투수 블록의 파랑반응 특성 검토
디자인한 블록을 호안에 적용시 기존 콘크리트와의 특성 비교를 위해 블록소재를 적용시 파랑에 의한 호안사면 처오름 과 반사특성 분석결과를 정리하였다. 바이오투수블록제작시 코어 검토결과 내부에 전체체적의 40%에 해당하는 공극이 나 타났으며, 이것을 통해 파력을 분산시켜서 수리실험과 이론식 에 의해 도출된 자료를 통해 처오름은 25∼50%, 파력은 40% 정도를 감소시키는 것으로 나타났다. Fig. 8은 디자인한 블록 을 호안에 거치시 계획단면사례를 나타낸 것으로 사면에 대해 낮은 블록과 높은 블록을 교호로 하여 요철을 두는 것으로 계 획한다. 한편, Fig. 9는 불투과성 매끄러운 사면의 콘크리트 호안에 대해 사면에 각각 필터층 10cm(모델B), 20cm(모델 C) 위에 바이오코스트를 15cm의 두께로 포설한 투수성 호안을 적용하여 계측 및 계산에 의한 비교에서 쇄파지수(surf similarity parameter, ξ = tan α / H / L 0
바이오투수골재를 국내 해변, 호안 및 하천에 적용하고 모니 터링한 사례를 Fig. 11와 같이 정리하였다. 공사 후 1년 또는 2년이 경과하여 침식방지, 자연식생복귀 및 생태하천의 복원 등 경관적으로 우수한 사례로 받아들여지고 있다. 그러나, 현 장장비를 투입하여 재료의 가열, 교반으로 바이오코스트를 생 산하고 현장에 거치하는 것은 시간, 안전, 경제적 관점에서 볼 때 본 연구에서와 같이 단위화한 블록으로 대량생산을 통해 현장거치가 용이하도록 하는 것이 필요한 것이다.
3. 블록의 중량산정 및 규격화
3.1 대상해역 조건
블록의 실형 제작을 위해 블록을 거치할 예정인 실해역의 조건을 파악하여 보다 안정적이고 경제적인 블록의 중량과 규 격을 산정하였다. 중량산정 시 안정계산에 사용하는 파고와 한계조건을 파악하기 위해 포항 도구해수욕장의 전면 해역에 서 5개의 해안선과 직교하는 단면(A∼E)에 대하여 Fig.12와 같이 25개 지점을 선정하였다. 최대파고와 유의파고는 심해파 제원으로 SWAN 모형(Ver.41.10)을 광역과 협역으로 수립한 후 계획 해안역에서의 산정한 결과를 25개 지점에서 추출하여 Table 1에 정리하였다(MOF, 2018b).
Table 1
Calculated H1/3 and Hmaxmax at the study area(m)
Fig. 13은 각 단면에서 유의파고를 비교한 것이다. 이 결과는 대상해역에서 바이오 블록의 중량산정에 반영하였다. 중량산정 의 경우, 대상해역의 설계파고가 블록의 규격이나 중량에 지 대한 영향을 미치며, 안정적인 면만 고려하였을 때 최대파고 를 기준으로 중량산정을 할 수 있지만 경제적인 관점에서 유 의파고를 적용 설계파고로 설정한다.
3.2 중량계산
블록의 크기를 결정하기 위해 파력을 받는 경사면의 표면에 피복하는 사석 또는 인공블록의 중량 산정식인 Hudson 공식 을 적용하였다(Hudson, 1959).
여기서, W는 사석 또는 블록의 안정에 필요한 최소중량(t), γr은 사석 또는 블록의 공중단위체적중량, Sr은 사석 또는 블 록의 해수에 대한 비중, H는 블록의 설치위치에서의 내습파랑 의 파고(m), Ns는 피복재의 형상, 경사 또는 피해율 등에 의해 결정되는 계수이다.
여기서, KD는 사석 또는 블록의 형상 피해율에 의해 결정되 는 정수, α는 사면이 수평면과 이루는 각이다.
Hudson 식의 경우, 파주기, 파형경사, 파장과 파랑의 지속시 간에 대한 영향을 포함하고 있지 않기 때문에 콘크리트에 의 한 피복층이나 안정성이 서로 다른 개체의 경우 블록의 형상 피해율 값 KD를 수리모형 실험을 통해 산정하도록 권장하고 있다(Yu and Lim, 2013). 본 연구에서는 바이오코스트 투수 골 재의 투수성을 고려하여 기존의 ECO T.T.P.의 쇄파대 내에서 의 KD 값 11.8을 적용(Oh et al., 2002)하여 블록의 중량을 산 정하였다. 해안사면의 경사각 cotα는 보편적으로 1.50의 값을 적용하지만 본 연구에서는 3가지 경우의 해안사면에 대한 값 을 적용하여 N s 3 N s 3
Table 2
Shape coefficient N s 3
| Class. | cotα | ||
|---|---|---|---|
| 1.25 | 1.50 | 1.75 | |
|
inline |
14.75 | 17.70 | 20.65 |
Hudson공식은 파랑이 사면상의 부서질 쇄파대에 대한 안정 중량 계산값이다. 따라서 해안침식구간에서 수면부근과 해저면 을 구분하여 블록안전중량을 기존 Hudson공식의 H의 값을 H′ 으로 저면 수심을 고려한 Hudson식을 아래와 같이 수정하였다.
여기서, H ′은 설치위치에서의 수정파고, h는 설치위치에서 의 수심, k는 수심에 따른 분산관계식의 도출된 파수이며 입 사파랑의 유의파고에 대해 해저면에서의 수정파고 H ′의 값 을 재산정한 후 블록의 실거치 대상해역인 포항시 도구해수욕 장에 적용하여 산정한 수면과 해저면의 중량톤(W, W ′)을 각각 Table 3과 같이 정리하였다. 이 표는 사면의 경사로 1.50 을 적용한 것이다. Fig. 14 및 Fig. 15는 이들 중량을 비교한 것으로 대상해역에서는 해안의 동측에서 중량이 크게 나타났 으며, 이 해역은 소규모 포구가 가까이 위치하여 연안정비사 업을 통해 방파제를 보강 중이다.
Table 3
Block weight(W, W′) according to H1/3 and H′
파고가 가장 높은 P-11에서 1.59t의 중량이 산정되었고 저 면중량으로는 0.21t이 산정되었다. 파고가 가장 낮은 P-25에 서 0.001t, 저면중량 0.001t 이하의 중량이 산정되었다. 이는 유의파고를 설계적용 파고값으로 설정하여 도출한 값으로 안 정성 확보를 위해 가장 큰 중량의 P-11값을 사용하여 안정수 에 따른 중량을 Table 4와 같이 재산정하였다.
Table 4
Calculated block weight W according to N s 3
| Class. |
|
||
|---|---|---|---|
| 14.75 | 17.70 | 20.65 | |
| W (ton) | 1.91 | 1.59 | 1.36 |
블록의 중량은 해안사면의 경사에 따라 1.36∼1.91ton의 값 을 가지며, 실형제작에서는 해저경사를 1.5를 표준으로한 1.59ton을 선택하여 이 중량에 해당하는 거푸집을 제작하기로 하였다.
3.3 추가 고려사항
앞에서 계산한 블록의 중량을 고려하여 블록의 실형규격을 결정하는데 이 때 검토하여야 할 사항으로는 먼저 블록이 외 력으로부터 충분한 내구성을 가질 수 있도록 하는 콘크리트 프레임의 두께이다. 블록의 내구성 증가를 위해 구조물 내 콘 크리트의 비중을 높게 반영시 블록이 충분한 투수성일 지닐 수 없을 뿐만 아니라 친환경 투수 바이오 블록이라는 구조물 본연의 목적성을 상실하게 된다. 다음으로는 해수가 원활히 유통되어 블록이 충분한 투수성을 가질 수 있게 하는 슬릿의 형상과 직경이다. 슬릿의 형상과 직경은 슬릿 삽입의 용이성 및 시공 현장의 지반 조건에 대한 유연성을 고려하였다. 특히, HC-block의 경우 상단부에 돌출된 요철부분의 중심 접합부의 내구성을 확보하기 위해 추가적으로 골재를 투입하여 취약부 를 보강하였다.
4. 실형 제작
앞에서 계산한 블록의 중량과 규격을 바탕으로 블록의 현 장 거치 및 모니터링을 위해 블록의 실형을 제작하였다. 먼저 적용하기 위한 블록중량을 선정하고, 블록만의 무게에 준하는 규격의 거푸집 제작 및 콘크리트 타설, 양생을 통해 블록의 콘 크리트 프레임을 제작하게 되며, 이후 거푸집의 해체와 바인 더와 충분히 교반시킨 바이오코스트 투수 골재의 채움과정을 거친다.
4.1 거푸집 제작
Fig. 16과 같이 블록의 거푸집은 슬릿의 삽입 및 블록의 높 낮이 조절, 거푸집 해체의 용이성을 고려하여 목재로 제작하 였다. HC-Block의 경우 콘크리트 프레임 내부의 요철부분 구 현에 어려움이 존재하여 일체형 거푸집이 아닌 요철부분의 거 푸집을 개별적으로 제작하고 BH-Block의 거푸집 프레임 내 부에 요철부분의 콘크리트 구조물을 삽입하는 형식의 제작과 정을 거쳤다.
4.2 콘크리트 타설 및 양생
블록의 콘크리트 프레임 제작을 위해 Fig. 17에서와 같이 제작한 거푸집에 콘크리트를 타설하고 양생을 진행하였다. 콘 크리트의 종류는 보통 콘크리트로서 콘크리트 규격은 25- 21-12 이다. 이는 굵은골재 최대치수(mm) - 재령 28일의 호 칭강도(Mpa) - Slump(cm)를 나타내는 규격이며 W/B는 57.5 S/a는 53.7%이다.
4.3 바이오코스트 투수 골재 채움
충분한 양생기간을 거친 콘크리트 프레임에 피마자에서 추 출한 친환경 바인더와 충분히 교반되어진 바이오코스트 투수 골재를 채운 후 24시간의 경화과정을 거쳐 친환경 투수 바이 오 블록의 제작을 완성하게 된다. Fig. 18은 최종 완성한 블록 의 샘플을 나타낸다. 기존의 바이오코스트를 활용한 포장형 호안제의 경우 현장시공 시 전문적인 인력을 필요로 하는 기 술 및 특수 장비에 대한 숙련도, 작업공간의 점유 등과 같은 애로사항을 지니고 있기 때문에 전술한 일련의 제작공정의 효 율화를 통해 기성제품으로서의 가치를 극대화함으로 우수한 시공성과 경제성을 얻고자 한다.
5. 결론 및 제언
전 세계적 기후변화 속에서 기존의 호안제가 갖고 있는 문 제점들을 해결하기 위해 친환경 재료인 바이오코스트 투수 골 재 활용하여 새로운 형태의 호안제인 친환경 투수 바이오 블 록을 개발하였다. 블록은 종래기술의 문제점에 대한 충분한 검토와 지속적인 블록의 디자인 수정을 거쳐 총 4가지 형태의 블록을 개발하였으며, 이를 통해 해안침식과 해안선 후퇴와 같은 해안 및 하천 보호 분야에 대한 대비책을 강구함과 아울 러 바이오코스트 투수 골재의 높은 투수성과 블록 자체의 식 생 활착을 꾀하여 생태계 보전에 기여할 수 있을 것으로 본다. 또한 블록의 제품화 및 현장 여건을 고려한 제작의 유연성을 통해 시공의 편리함과 경제성, 하천 및 공원, 산책로, 전원진 립로 등에 확장 적용하고자 한다.
본 연구에서 블록의 중량산정 시 적용한 형상계수 KD 값은 이미 상용화 되어진 값을 인용하였기 때문에 추후 블록의 수 리모형 실험을 통해 적정 형상계수 값의 도출이 필요하며, 블 록 적용시 구체적인 월파량 및 처오름의 계산을 위한 수리모 형 실험 역시 요구된다. 아울러 블록의 구조 안정성 확보를 위 한 구조계산 및 시험 평가를 수행하고, 후속으로 이어질 연안 침식방지 프로젝트 현장에 대한 실형 블록의 거치와 관계기관 의 협조를 통해 정기적 모니터링을 수행하여 경제적, 환경적 측면에서의 영향평가를 지속하고자 한다.
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