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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(6); 2017 > Article
실증실험기반 투수성 포장 치수효과의 정량적 분석

Abstract

This study would suggest design guideline on runoff reduction facilities through quantitative analysis on size effect of porous pavement. For this, we analyzed quantitative size effects of three kinds of rainfall intensity (50 mm/hr, 100 mm/hr, 150 mm/hr) by installing 4 types of porous pavement with different permeability coefficients on hydraulic experiment box (5 m × 5 m). Also, we analyzed them by occurring artificial rain to measure runoff in real time and by calculating infiltration by time. In addition, we tried to draw an guideline for application of porous pavement by conducting comparative analysis on total amount of inflow, start time of runoff, infiltration before outflow occur and etc. We found the result that the CN value was 63, 71, 60, and 50 when the AMC-I condition, and the CN value was 92, 90, 87 and 82 when the AMC-III condition. We concluded that CN values could be usable for developing a guideline on infiltration runoff reduction facilities.

요지

본 연구는 투수성 포장의 치수효과 분석을 통하여 우수유출저감시설의 설계기준안을 제시하고자 한다. 이를 위해 수리실험 박스(5 m × 5 m)시설에 투수계수가 각기 다른 4종류의 투수성 포장을 설치하여 50 mm/hr, 100 mm/hr, 150 mm/hr 세 가지 강우강도별로 정량적인 치수효과를 분석하였다. 인공강우를 발생시켜 유출량을 실시간으로 계측하고 시간별 침투량을 산정하였으며 선행강우를 고려하여 분석하였다. 총유입유량, 유출 시작시간, 유출 발생전 침투량 등에 대한 비교분석을 실시하여 투수성 포장의 적용방안을 도출하고자 하였다. 실험결과 AMC-I조건에서는 CN이 63, 71, 60, 50으로 분석되었으며 AMC-III조건에서는 CN이 92, 90, 87, 82로 분석되었다. 실험을 통해 산정된 CN값은 침투형 우수유출저감시설 설계기준에 사용가능할 것으로 판단된다.

1. 서론

2016년 10월 태풍 ‘차바’는 제주, 울산, 부산 등 도시지역에 시간당 강우를 200 mm 이상 뿌리면서 침수로 인한 재산 및 인명피해를 가중시켰다. 또한 2017년 7월 청주, 음성 등에서 시간당 강우 92 mm가 내려 211가구가 침수되는 피해가 발생하였다. 이처럼 도시지역에서 불투수성 면적의 증가와 하천단면의 점용은 풍수해 피해를 가중시키고 있으며 구도시 지역과 신시가지 사이의 불균형적인 치수대책으로 재난피해의 가중요인은 기하급수적으로 증가하고 있다(Jung et al., 2017). 최근 행정안전부는 이러한 문제를 해결하기 위하여 「자연재해대책법」 제19조에 ‘우수유출저감대책의 수립 및 우수유출저감시설기준의 제정·운영’을 개정하고 개발사업자 등에 우수유출저감시설의 세부수립기준을 고시하였다. 해당 부처의 노력으로 우수유출저감시설은 확대 시행되고 있고 있으나 관련된 설계기준이 모호하여 설계자들이 명확하게 사용하지 못하는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 설계에서 많이 쓰이는 CN 기준을 토대로 침투저류시설 중의 하나인 투수성 포장의 정량적 치수효과 분석을 실증실험 기반으로 산정하고, 우수유출저감시설 설치와 관련된 설계기준에 제시 가능하도록 하였다.
관련 연구로는 Lee et al. (2001)의 경우 도시유역에서 발생한 호우로 인한 유출을 저감시키는 방안 중 투수성 포장재를 사용하는 방안을 검토였으며, Jang and Yeo(2002)는 실제 도로에 설치한 침투통의 강우 및 수위자료를 이용하여 실제 강우사상에서 총유출량 저감효과를 산정하는 연구를 수행하였다. Jung et al. (2010)은 침투트렌치의 유입유량, 침투량, 유출량 등을 계측하여 CN값으로 제시하여 설계시 적용방안을 도출하는 연구를 수행하였다.

2. 수리실험 개요

투수성 포장 실험시설의 본체는 Figs. 1 and 2와 같이 총 17.1m(날개벽 포함), 세로 5.0 m, 높이 1.2 m의 철근콘크리트 구조물로 시공하였다. 또한 좌, 우 5 m × 5 m의 박스 형태로 내부는 투수성 보도블록, 모래층, 하부지반으로 충진 되어있다. 중앙수로 말단부에는 가로 5 m, 세로 1 m, 깊이 1.5 m로 저수조를 설치하였다.
Fig. 1
Experimental Facility Floor Plan
KOSHAM_17_06_145_fig_1.gif
Fig. 2
Experimental Facility Sectional Plan
KOSHAM_17_06_145_fig_2.gif
수리실험 상부에는 인공강우를 발생시킬 수 있는 인공강우장치가 설치되어 있으며, 실제 홍수시 발생강우와 이상기후에 의해 발생되는 집중강우의 영향을 반영하고자 50 mm/hr, 100 mm/hr, 150 mm/hr 총 3가지 강우 사상으로 선정하였다. 좌측, 우측 박스에 투수성 포장 A, B를 실험한 후 실험체를 수거하고 재정비 후 투수성 포장 C, D 실험체를 설치 후 실험을 진행하였다. 침투량 계측은 투수성 포장과 하부토양 침투 후 유출되는 물을 중앙 수로를 거쳐 안정화 시킨 후 위어를 통해 계측한 값을 추적하는 방식을 채택하였다.
Table 1은 시공된 투수성 포장의 물리적 성질과 투수성 포장 하부에 충진된 모래 및 토양(마사토)의 강도와 투수계수를 전문시험기관에 의뢰한 결과이며, 포장A와 포장B의 투수계수는 각각 0.054 cm/sec 및 0.036 cm/sec로 산정되었고, 포장C와 포장D의 투수계수는 0.095 cm/sec 및 0.084 cm/sec로 산정되었다. Table 2는 포장 하부의 물리적 특성을 정리한 것이며, 실험공간의 제약으로 부득이하게 A, B와 C, D로 구분하여 실험을 진행하여 하부 모래와 토양 특성의 미세한 변경이 있었다.
Table 1
Physical Characteristics of Permeability
Permeable pavement Bending Strength (N/mm2) Permeability Coefficient (cm/sec)
A 4.6 0.054
B 5.2 0.036
C 2.2 0.095
D 3.1 0.084
Table 2
Physical Characteristics of Normal, Permeable Pavement, and Soil Stratum
Permeable pavement Component Permeability Coefficient (cm/sec) Absolute dry density (g/cm3) Maximum dry density (g/cm3) Optimum moisture content (%)
A, B Sand 0.0481 2.55 - -
Soil 5.17×10-5 - 1.947 10.9
C, D Sand 0.0527 2.56 - -
Soil 6.64×10-5 - 1.942 11.2

3. 투수성 포장 수리실험

최근 기후변화에 따른 초단기⋅국지성 호우양상을 반영 할 수 있도록 세 가지 강우강도 50 mm/hr, 100 mm/hr, 150 mm/hr에 대하여 실험을 수행하였다. 각 강우강도별로 유출량이 안정되는 시간까지 발생시켜 실시하였고 유출수로 위어의 수위가 일정하게 유지되는 평형유출량에 도달한 후 10~15분 후에 종료하였으며 AMC-I과 AMC-III 조건으로 결과를 구분하여 제시하고자 하였다. 특히 AMC-I조건은 선행강우를 고려하기 위하여 2주 동안 실험을 정지한 후 첫 번째 실험케이스로 반영하였다.

3.1 AMC-I조건

3.1.1 강우강도 50 mm/hr 인 경우

Fig. 3과 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 275.0분이다. 포장A는 실험시작 235.5분 후에 유출이 발생했으며 포장B는 유량공급 시간 총 275분 동안 유출이 발생하지 않았고 전량 지반으로 침투되었다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 16.1 mm/hr, 포장B의 경우 50.0 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 3
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-I, 50 mm/hr)
KOSHAM_17_06_145_fig_3.gif
포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 200.0분이다. 포장C는 실험시작 82.0분 후, 포장D는 실험시작 144.5분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우 4.7 mm/hr, 포장D의 경우 5.6 mm/hr로 계측되었다.

3.1.2 강우강도 100 mm/hr 인 경우

Fig. 4와 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 140.5분이다. 포장A는 실험시작 67.0분 후, 포장B는 실험시작 69.5분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 4.6 mm/hr, 포장B의 경우 8.4 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 4
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-I, 100 mm/hr)
KOSHAM_17_06_145_fig_4.gif
포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 130.0분으로 측정되었다. 포장C는 실험시작 48.0분 후, 포장D는 실험시작 76.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우 3.1 mm/hr, 포장D의 경우 7.7 mm/hr로 계측되었다.

3.1.3 강우강도 150mm/hr 인 경우

Fig. 5와 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 70.0분이다. 포장A는 실험시작 21.5분 후, 포장B는 26.5분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 2.0 mm/hr, 포장B의 경우 8.4 mm/hr로 계측되었다. 포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 67.0분이다. 포장C는 실험시작 27.5분 후, 포장D는 36.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우 2.2 mm/hr, 포장D의 경우 10.8 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 5
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-I, 150 mm/hr)
KOSHAM_17_06_145_fig_5.gif

3.2 AMC-III 조건

3.2.1 강우강도 50mm/hr 인 경우

Fig. 6과 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 70.0분이다. 포장A는 실험시작 13.0분 후, 포장B는 실험시작 15.5분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 2.5 mm/hr, 포장B의 경우 2.6 mm/hr로 계측되었다. 포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 130.0분이다. 포장C는 실험시작 17.5분 후, 포장D는 실험시작 21.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우 4.0 mm/hr, 포장D의 경우 2.5 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 6
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-III, 50 mm/r)
KOSHAM_17_06_145_fig_6.gif

3.2.2 강우강도 100 mm/hr 인 경우

Fig. 7과 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 70.0분이다. 포장A는 실험시작 6.5분 후, 포장B는 실험시작 7.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 1.6 mm/hr, 포장B의 경우 2.4 mm/hr로 계측되었다.
포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 70.0분이다. 포장C는 실험시작 8.5분 후, 포장D는 실험시작 17.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우1.5 mm/hr, 포장D의 경우 7.0 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 7
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-III, 100 mm/hr)
KOSHAM_17_06_145_fig_7.gif

3.2.3 강우강도 150 mm/hr 인 경우

Fig. 8과 같이 포장A와 포장B의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 90.0분이다. 포장A는 실험시작 5.0분 후, 포장B는 실험시작 5.0분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장A의 경우 1.8 mm/hr, 포장B의 경우 7.1 mm/hr로 계측되었다.
Fig. 8
Infiltration Capacity of Pavement (AMC-III, 150 mm/hr)
KOSHAM_17_06_145_fig_8.gif
포장C와 포장D의 수리실험을 위한 인공강우 발생시간은 70.0분이다. 포장C는 실험시작 7.0분 후, 포장D는 실험시작 11.5분 후에 유출이 발생하였다. 실험 종료 시 침투능 결과는 포장C의 경우1.8 mm/hr, 포장D의 경우 9.6 mm/hr로 계측되었다.

3.3 수리실험 결과

3.3.1 AMC-I 조건

강우강도 50, 100, 150 mm/hr의 강우강도별로 포장A의 경우 시작시간은 235.5분, 67.0분, 21.5분으로 감소하였다. 포장B의 경우 275.0분 동안 유출이 발생하지 않았고 100 mm/hr의 경우 69.5분, 150 mm/hr의 경우 26.5분으로 감소하였다. 강우강도 50, 100, 150 mm/hr의 강우강도별로 포장C의 경우 유출 시작시간은 82.0분, 48.0분, 27.5분으로 감소하였고, 포장D의 경우 각각 144.5분, 76.0분, 36.0분으로 감소하였다.

3.3.2 AMC-III 조건

강우강도 50, 100, 150 mm/hr의 강우강도별로 포장A의 경우 유출 시작시간은 13.0분, 6.5분, 5.0분으로 감소하였고 포장B의 경우 15.5분, 7.0분, 5.0분으로 감소하였다. 강우강도 50, 100, 150 mm/hr의 강우강도별로 포장C의 경우 17.5분, 8.5분, 7.0분으로 감소하였고 포장D의 경우 각각 21.0분, 17.0분, 11.5분으로 감소하였으며 Table 3에서 선행강우 AMC-I, AMC-III건의 포장 A~D의 수리실험 결과를 나타내었다. 또한 Table 4와 같이 투수성 포장의 투수계수에 따른 CN 값을 산정하여 NRCS 방법으로 설계 시 사용가능하도록 제시하였다.
Table 3
Hydraulic Experiment of Permeable Pavement A~D According to AMC-Ⅰand AMC-Ⅲ Results
Antecedent Precipitation Rainfall Intesity (mm/hr) Duration (min) pavement Total Inflow (m3) Runoff Initiation time (min) Infiltration before Runoff (m3) Total Runoff (m3) Total Infiltration (m3) Ultimate Infiltration Capacity (mm/hr)
AMC-I 50 275 A 5.8 235.5 5.0 0.4 5.5 16.1
B 5.8 - 5.8 0.0 5.8 50.0
200 C 4.2 82.0 1.7 2.1 2.1 4.7
D 4.2 144.5 3.0 0.8 3.4 5.6
100 140 A 5.7 67.0 2.7 2.6 3.1 4.6
B 5.7 69.5 2.8 2.5 3.2 6.4
130 C 5.5 48.0 2.0 3.0 2.5 3.1
D 5.5 76.0 3.1 1.8 3.7 7.7
150 70 A 4.4 21.5 1.3 2.7 1.8 2.0
B 4.4 26.5 1.6 2.3 2.1 8.4
67 C 4.0 27.5 1.6 2.0 2.0 2.2
D 4.0 36.0 2.1 1.4 2.6 10.8
AMC-III 50 70 A 1.5 13.0 0.3 1.0 0.5 2.5
B 1.5 15.5 0.3 0.9 0.6 2.6
130 C 2.7 17.5 0.4 2.0 0.7 4.0
D 2.7 21.0 0.4 1.9 0.8 2.5
100 70 A 2.9 6.5 0.2 2.3 0.6 1.6
B 2.9 7.0 0.3 2.3 0.6 2.4
70 C 3.0 8.5 0.3 2.3 0.7 1.5
D 3.0 17.0 0.7 1.9 1.1 7.0
150 90 A 5.8 5.0 0.3 5.0 0.7 1.8
B 5.7 5.0 0.3 4.7 1.0 7.1
70 C 4.4 7.0 0.4 3.6 0.8 1.8
D 4.3 11.5 0.7 3.1 1.2 9.6
Table 4
Results of CN Calculation by Experiment
Soil Permeability (cm/sec) Type (Permeability Coefficient) CN-I CN-II CN-III
5.17×10-5 Pavement A (0.054 cm/sec) 63 78 92
Pavement B (0.036 cm/sec) 71 81 90
6.64×10-5 Pavement C (0.095 cm/sec) 60 74 87
Pavement D (0.084 cm/sec) 50 66 82

4. 결론

실험결과 강우강도가 50 mm/hr, 100 mm/hr, 150 mm/hr일 때, AMC-I조건에서 종기 침투능은 포장A 16.1, 4.6, 2.0 mm/hr, 포장B 50.0, 6.4, 8.4 mm/hr, 포장C 4.7, 3.1, 2.2 mm/hr, 포장D 5.6, 7.7, 10.8 mm/hr로 분석되었다. AMC-III조건에서 종기 침투능은 포장A 2.5, 1.6, 1.8 mm/hr, 포장B 2.6, 2.4, 7.1 mm/hr, 포장C 4.0, 1.5, 1.8 mm/hr, 포장D 2.5, 7.0, 9.6 mm/hr으로 산정되었다.
실험결과를 이용하여 CN을 산정하였으며 AMC-I조건에서는 CN이 63, 71, 60, 50으로 분석되었으며 AMC-III조건에서는 CN이 92, 90, 87, 82로 분석되었다.
AMC-I, AMC-III 값을 토대로 AMC-II 조건은 78, 81, 74, 66으로 산정되었고, 이 결과로 투수성 포장의 적용에 있어 포장의 투수계수 조건뿐 아니라 하부 토양의 조건에 따라 저감효과가 차이날 수 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 투수성 포장을 적용할 경우 초기강우 외의 지속적인 강우에 대한 저감효과를 기대하기 위해서는 포장과 하부 토양의 조건에 따라 저감대책을 수립하는 것이 타당하다고 판단되며, 향후 연구에서는 수리실험결과를 토대로 수치모의와 비교 후 CN값을 세부적으로 제시하여 투수성 포장 설치 시 실무에서 활용이 용이하도록 기준을 제시하고자 한다.

References

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