2.1 복합 PP 차수판

차수판은 재활용 복합 PP (Polypropepylene) 소재로 압출성형하여 제작되었다. 제작 차수판의 밀도는 0.9 g/cm³, 항복점응력은 280 kgf/cm³, 열변형온도는 105 ℃의 물성을 지니고 있다(Table 1). 차수판은 차수판 모듈(Fig. 1(a))과 연결부(Fig. 1(b))로 구성되어 있으며, 차수판 모듈은 가로, 세로 50 cm, 두께 0.5 cm이다. 표면에는 동전 모양의 요철이 규칙적으로 배열되어 있고, 여러 개를 조립하여 크게 설치될 수 있도록 네 변에 각 5 cm 폭의 접합부가 위치한다. 연결부는 차수판을 바닥이나 벽 또는 배수구조물 등에 고정할 수 있도록 ‘Π’ 형상의 단면을 가진 차수판과 동일한 소재이다. 연결부는 길이 1.0 m, 폭 8 cm이며, 차수판을 끼워 지지하는 수직판의 높이는 한쪽은 10 cm, 다른 한쪽은 8 cm이다. 수직판 사이의 폭은 0.5 cm이다.

Table 1

Property of Polypropylene Compound

Fig. 1

Barrier Plate

2.2 제방 제작과 실험 방법

2.2.1 실험 수로

본 실험은 한국건설기술연구원 하천실험센터 내에 있는 순환 수로에서 수행되었다. 이 수로는 길이 50 m, 폭 2.0 m, 수로 양쪽 벽의 높이는 1.25 m이다. 실험을 위해 제외지 쪽 및 제체 위치의 수로 벽에 0.55 m의 임시 가벽을 설치하여 1.8 m로 높였다. 유량이 공급되는 수로 제외지 쪽 수조는 폭 6 m, 길이 3 m, 깊이 3.0 m이며, 정류벽은 유량 공급부에서 0.5~0.8 m 떨어진 곳에 설치되어 있다(Fig. 2). 실험이 기온이 영하인 겨울철에 수행되는 관계로 제체와 물의 결빙을 방지하고 정상적인 침투가 이루어지도록 비닐하우스로 실험수로 전체를 덮었으며, 실험 중에 실내 기온이 영하로 내려가지 않도록 열풍기(파세코 P-M50000)를 가동하였으며, 실험 조건 참고를 위해 기온 및 수온을 측정하였다.

Fig. 2

Specification of the Levee and Placement of Measure Instruments (unit : mm)

2.2.2 실험 제방의 제작

제방에서의 침투 및 차수와 관련된 선행 연구 중에 Im et al. (2006)과 Choi et al. (2008)은 각각 높이 0.12 m, 둑마루폭 0.12 m 규모의 모형 제방을 이용하여 실험을 수행한 바 있다. 하지만 복합 PP 차수판은 중소하천에 적용을 염두에 두고 개발되었으므로 차수판의 크기를 고려하여 제방의 규모를 설계해야 한다. 이에 중소하천의 실제 제방에 비해서는 다소 작지만 차수판이 충분히 포함될 수 있는 규모의 제방을 실험 수로에 설치하였다. 실험 제방의 길이는 수로 폭과 같은 2.0 m이며, 높이는 1.4 m, 둑마루폭은 2.0 m이다. 사면의 경사는 1:2인데, 하천설계기준의 기준값인 1:3보다 약간 급한 것으로 실험 여건을 고려한 것이다. 전체 폭은 7.6 m이다(Fig. 2).

실험 제방 축조시 먼저 수위계를 바닥에 설치하였으며, 그 후에 실험 수로 바닥을 통한 직접 침투를 막기 위해서 먼저 0.3 m 두께로 기초지반을 쌓았다. 기초지반은 제방의 제외지, 제내지 쪽으로 각각 1.5 m 연장되어 있어 전체 폭은 11.5 m이다. 기초지반 성형 후 소형 컴팩터(신영기연, SYC-80)로 다졌으며, 실험 제방 본체는 0.5 m, 0.45 m, 0.45 m씩 순차적으로 쌓고 다지면서 성형하였다(Fig. 3).

Fig. 3

Preparation Process of Experiment

실험 제방의 재료로는 모래 및 일부 자갈을 포함한 하천실험센터 내의 현장토를 사용하였다. 재료의 입경은 D₅₀이 0.62 mm이며, D₁₀, D₉₀는 각각 0.25, 3.25 mm이다. 현장토는 굴삭기로 충분히 혼합하여 사용하였다. 제체 재료의 최대 치수는 100 mm 이내로 하는 것이 바람직하므로(Korea Water Resources Association, 2009) 현장토에 섞인 굵은 자갈은 성토시 육안으로 선별한 후 제거하였다.

2.2.3 차수벽 설치

차수벽은 제방 횡단상에서 제체 내 누수 및 기초지반을 통한 파이핑 방지가 가능하고 비탈면의 안정성을 향상시킬 수 있도록 둑마루 부근에 설치하기를 추천하고 있다(Woo et al., 2020). 이에 따라 본 실험에서는 둑마루 정중앙 위치에 차수벽을 설치하였다.

차수벽은 낱개로 차수판 모듈을 접합하여 수직으로 설치하였다. 차수벽의 상단 높이는 계획홍수위 이상으로 설치하게 되어 있으므로(Ministry of Land, Infrastructure and Transport and Gyonggi University, 2006), 본 실험에서는 최대 유지 수위보다 차수벽 상단이 높도록 수로 바닥으로부터 1.6 m까지 설치하였다.

본 실험에서 차수벽은 두 가지 방식으로 설치되었다. 하나는 부분 차수벽으로서 수로 양쪽 벽에서 10 cm 폭을 개방하고 연결부는 수로 바닥에만 부착하였다(Fig. 4(a)). 다른 하나는 완전 차수벽으로서 수로 전체를 차단하였으며, 수로 바닥과 양쪽 벽 모두에 연결부를 부착하였다(Fig. 4(b)). 차수판 모듈을 조립하여 차수벽을 제작할 때, 접합부는 조립 후 피스로 고정하였다. 연결부는 수로 바닥과 벽에 앵커볼트로 고정하였다. 차수벽의 수밀을 위해 모든 접합부에 실리콘을 주입하였다.

Fig. 4

Conditions of Wall Installation

2.2.5 유량 공급 및 실험 조건

유량은 제외지 쪽 수조에 일반 수중펌프 2대를 이용하여 공급하였다. 실험 수위에 도달한 이후에는 펌프 1대만으로 수위를 유지하였다. 다만 부분 차수벽 실험시에는 수로 벽의 누수로 인해 펌프 2대를 계속 가동하였다. 실험 수위(1.55 m)를 유지하기 위해 수로의 제외지 쪽 좌측 벽에 수로 바닥으로부터 1.5 m 높이에 직경 10 cm의 구멍을 4개 뚫어서 월류량을 배출하였다.

실험은 총 4회 실시하였다(Table 2). 일반 제방 실험 중 예비실험(Exp_0)에는 실험 수위 유지에 실패하여 수위계와 토양수분센서와의 비교만을 분석하였다. Exp_1부터 Exp_3은 각각 일반 제방, 부분 차수벽, 완전 차수벽 실험이며, 조건별로 6.5~11.0시간 동안 수위를 유지하면서 실험을 수행하였다. 원칙적으로 동일한 시간 동안 동일 조건으로 실험하는 것이 타당하나 제내지 측 누수 발생에 따른 유출량 과다와 제체 파손을 우려하여 실험시간이 조건별로 달랐다.

Table 2

Case of Experiment Conditions

3.1 시간에 따른 수위 변화

Fig. 5는 실험 케이스별로 측정된 시간에 따른 수위 변화를 나타내고 있는 것으로 1번 수위계(DP1C)의 수위 상승이 시작된 순간을 기준 시간(00:00)으로 환산하여 표시한 것이다. 최고 수위는 1번과 NB 수위계의 측정값으로 볼 때 실험 수위는 1.52~1.55 m에서 유지되고 있다. 실험 시간의 제한으로 모든 지점에서 수위 최대치에 도달하지는 않았지만 제외지부터 제내지까지 수위가 점차 낮아지는 일반적인 패턴을 반영하고 있다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2022).

Fig. 5

Variation of Water Level in Levee

3.2 침투에 대한 수위계와 토양수분센서의 반응

본 실험에서는 수위계를 침투 특성을 분석하기 위한 주된 계측기로 사용하였다. 하지만 간극수압계를 대신하여 개수로 수위 측정에 활용되는 수위계를 제방 침투를 파악하는데 사용할 때 그 특성과 한계를 살펴보고자 수위계와 토양수분센서를 함께 사용한 예비실험(Exp_0)과 부분 차수벽 실험(Exp_2)의 결과를 이용하여 서로 다른 센서가 제방의 침투에 어떻게 반응하는지를 살펴보았다(Fig. 6). 비교는 2L, 3C, 5C 수위계와 같은 위치에 있는 토양수분센서를 이용하였다(Fig. 2).

Fig. 6

Water Level Sensor and Arduino Soil Moisture Sensor Installed Same Location

2번 수위계 지점(WL_2L/SM_2L)의 경우 수위계가 측정이 시작되기 약 5분 전에 토양수분이 급증함으로써 침윤이 발생한 것을 알 수 있다. 토양수분센서가 설치된 수직 위치(수로 바닥에서 0.3 m, 탐침 끝은 0.25 m 높이)까지 수위가 도달한 시각을 고려하면 10분 정도 선행하여 토양수분증가가 발생하였다(Fig. 6(a)). 2L보다 일찍 상승한 1C의 수위값을 고려하면 2L 지점의 경우 유량 공급으로 인해 제외지 수위가 급격하게 증가하면서 수압에 의해 수평, 수직 방향으로 침윤이 발생함에 따라 수위계보다 토양수분센서의 반응이 선행하는 것으로 볼 수 있다.

3번 수위계(WL_3L/SM_3C) 지점의 경우에는 반대로 수위계가 토양수분센서보다 10분 정도 먼저 반응하였다. 하지만 침윤이 일반적으로 제체와 수로 바닥 경계를 따라 먼저 시작되는 점과 토양수분센서의 수직 위치(탐침 기준 1.2 m)를 고려하면 수위계가 1.2 m에 도달한 시간보다 토양수분센서가 55분 일찍 반응한 것으로 볼 수 있다. 이러한 결과 역시 앞절과 마찬가지로 제외지의 수압에 의해 수평, 수직 방향으로 진행되는 침윤으로 인해 수분에 의해 포화된 상태로 수위계가 반응하기 전에 토양수분센서에서 감지된 것으로 볼 수 있다. 다만, 토양수분센서가 초기에는 0.6 내외의 값을 보이다가 45분 이상이 지나서 0.8 이상의 높은 값을 보인 점은 센서의 위치가 바닥에 비해 상당히 높아 수분으로 충분히 포화되지 않은 상태로 장시간 유지된 것이 기인하는 것으로 판단된다. 5번 수위계(WL_5C/SM_5C) 지점의 경우에도 수위계가 토양수분센서보다 먼저 반응하였으며, 선행시간은 18분 정도이다. 하지만 토양수분센서의 위치를 고려하면 토양수분센서의 반응이 수위계에 비해 7분 정도 빠른 것으로 나타났다.

수위계와 토양수분센서를 동시에 사용한 실험 결과를 통해 수위계와 토양수분센서는 제체 내의 수직적인 위치와 관련하여 침윤 시점을 다르게 측정함을 알 수 있었다. 그 시차는 0.2 m 높이에서는 8~18분에 불과하나 3번 지점처럼 수위계와 토양수분센서의 수직 위치가 크게 다른 경우 약 1시간의 시차가 있었다. 이를 고려하면 제방 상부 지점일수록 수위계로 측정된 침윤 시간이 실제에 비해 지연된다고 볼 수 있다.

Fig. 7은 부분 차수벽 실험시 촬영한 제내지 쪽 사면(우측)에서 촬영한 제체 내부로서 침윤선이 뚜렷이 나타나 있다. 흰색 테이프 표시 지점은 5C 수위계 위치이다. 위 그림은 02:45분(수위 0.176 m), 아래 그림은 04:49분(수위 0.495 m)에 촬영되었다. 아래 사진을 통해 수로 바닥으로부터 침윤선의 높이를 추정하면 0.594 m인데, 이는 수위계의 고도 기준점과 기하보정 미실시로 인한 오차를 감안하더라도 0.09 m 더 높은 것이다.

Fig. 7

Line of Saturation in Protected Lowland (Exp_2)

이러한 관찰은 수위계가 토양수분센서에 비해 늦게 침윤에 반응한다는 앞절에서 분석한 결과를 확인해 주고 있다. 따라서 실제 침윤선의 높이는 수위계로 측정된 값보다 높은 위치에 형성된다고 볼 수 있다.

3.3 제방 내의 침윤선 거동

제체를 통과하는 물의 시간에 따른 거동은 차수벽의 설치 유무에 따라 상이한 특성을 나타내고 있으며, 실험 조건에 따라 침윤선의 위치와 진행 속도가 다르게 나타나고 있다(Fig. 8). Exp_1~Exp_3 실험 모두에서 1.0시간 경과까지는 3번 수위계에서 수위가 측정되지 않았다. 하지만, 1.5시간 및 2.0시간 경과시 측정된 3번 위치의 수위값을 볼 때, 완전 차수벽 조건에서 차수벽 앞부분의 포화가 더 빠르게 일어나는 것으로 나타났다. 이는 차수벽에 의해 제내지 쪽으로의 침투가 저지됨에 따라 수직적인 포화가 더 일찍 발생하는 것으로 볼 수 있다. 3가지 실험 조건 모두에서 1.5시간 경과 때까지는 차수벽 위치를 넘어 투수가 이루어지지 않았으며, 2시간 경과 후 비로소 일반 제방 조건에서 차수벽 위치를 넘어 침투가 발생하였다. 3시간 경과 후에는 3개 케이스 모두에서 차수벽 뒤에 있는 4번 위치까지 침투가 이루어지고 있다. 이를 통해 차수벽에 의한 초기 침투 저지 시간은 1시간 이내임을 알 수 있다. 일반 제방 실험에서는 4시간이 경과한 시점 이후에서 침윤선을 보면 누수는 시작되지 않았지만 포물선에 가까운 형태를 보이고 있다. 하지만 촬영된 사진을 보면 3.9시간 경과시 누수가 시작되었다. 약 0.14 m 위에서 침윤선이 형성된 것이다. 6시간, 7.5시간 경과 그래프는 뚜렷한 누수를 보여준다. 이 두 시점에서 수위의 변화는 거의 발생하지 않았는데, 이는 제내지 누수에 따라 수위 상승이 멈추기 때문이다.

Fig. 8

Variation of Water Level in Experiment Time

비교를 위하여 4시간, 6시간, 7.5시간 그래프에서는 Casagrande (1932) 포물선을 함께 도시하였다. Casagrande (1932) 곡선은 제방의 높이, 사면경사 등의 기하학적 형상을 기준으로 침윤선을 계산하는 방법이다. 부분/완전 차수벽 조건에서는 6시간 경과 시점에서 수위계 측정값과 외관 관찰 모두에서 누수가 발생하지 않았다. 부분 차수벽에서는 6.67시간에서 누수가 발생하였고 완전 차수벽 실험에서는 7.5시간까지 누수가 없다가 8.65시간에 누수가 발생하였다. 두 차수벽 조건을 비교하면, 차수판 앞에서는 침투 시간이 동일하거나 완전 차수벽에서 빠른 반면, 차수판 뒤에서는 완전 차수판에서 더 늦게 침투가 발생하였다.

3.4 실험 조건별 침투 시간

각 수위계 위치에서 침투로 인해 수위가 상승하는 시점은 차수판 이전에서는 거의 동일한 반면 차수판 너머에서는 뚜렷한 차이가 발생하였다(Fig. 9). 4번 수위계 지점(X = 7.3 m)에서 일반 제방 실험과 차수벽(부분/완전) 실험과의 시차는 41~53분이었으며, 5번 수위계 지점(X = 8.7 m)에서는 92분(부분차수)~108분(완전차수)의 차이가 발생함으로써 차수벽에서 멀수록 침윤 시간이 더 많이 소요됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 차수벽에 의해 물의 흐름이 지체됨에 따라 차수벽 뒤편의 제체가 포화되는 시간이 길어지기 때문이다.

Fig. 9

The First Detection Time at Water Level Increase

3.5 제내지 사면의 외관상 변화

제내지 사면 이외의 외관은 세 가지 실험 모두에서 큰 차이가 없었던 반면 침투의 결과로 제내지 사면에서 뚜렷한 외관상 변화가 관찰되었다. 일반 제방의 경우 제체의 열화가 크게 진행된 반면에 차수벽을 적용한 제방에서 제체의 형태가 상대적으로 잘 보존되었다(Fig. 10).

Fig. 10

Change in Levee Shape according to The Elapsed Time

일반 제방에서는 실험 시작 후 3.9시간(실험 수위 도달 후 2.8시간)이 경과한 시점(5번 수위 0.6 m)에서 침윤이 제내지 사면에 도달하여 턱(제체와 기초지반 사이 연결부) 부분의 누수가 시작되었다. 4.45시간 경과 후에는 제체 표면의 열화가 시작되었고 7시간 경과 후에는 침윤선 하부 대부분의 비탈면 표토가 이탈하였다.

부분 차수벽에서는 실험 시작 후 6.67시간 경과하여 턱 부분 누수가 시작되었는데 이는 일반 제방 대비 2.77시간 늦은 것이다. 이후 제내지 사면에서 누수된 물의 흐름이 발생하였고 이로 인해 발생한 침식으로 인해 7.63시간 경과 후에는 기초지반의 침식이 진행되었다. 부분 차수벽 실험은 이후 종료됨에 따라 추가적인 제체 외관 변화는 관찰하지 못하였다.

완전 차수벽 조건에서는 시작 후 8.65시간 경과시부터 턱 부분의 누수가 시작되었다. 이는 일반 제방 대비 4.75시간, 부분 차수벽 대비 약 2시간이 지연된 것이다. 또한 11.13시간 경과 후 기초지반 침식이 관찰되어 일반 제방 대비 6.68시간, 부분 차수벽 대비 3.5시간이 지연되었다.