R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129729-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 노후 수변구조물의 누수 보강 및 내부침식 방지를 위한 지반 토착박테리아를 활용한 생물학적 지반보강 원천기술의 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 권태혁 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 180,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 180,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 300,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 300,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국과학기술원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
1. 연구개발의 배경 및 필요성 ○ 국내 소규모 저수지보와 제방의 경우, 노후화로 인한 균열/누수 사례가 빈번이 보고되는 등 노후된 수변구조물이 점차 증가하는 추세이다(그림1). 대개의 경우, 시멘트그라우팅의 보수보강공법을 적용하지만, 시추장비와 주입장비의 대여 등으로 상당한 비용이 소요되기도 한다. 또한 그라우트 약액 주입으로 인한 환경 저해에 대한 우려로 인한 사회적 비용 또한 추가로 발생한다. 이에 수변구조물을 위한 저비용/친환경적인 누수보강기법에 대한 기술적/사회적 수요가 높아지고 있는 추세이다. ○ 위에서 언급된 흙으로 축조된 제방, 필댐, 저수지보의 경우, 물의 침투와 흐름으로 인해 내부에서 세립분이 유출되며 침식이 서서히 진행되는 경우가 빈번하다. 이러한 내부침식으로 인해 구조체에 누수가 발생며, 이는 파괴로 이어질 수 있다. 따라서 침투수에 의한 내부침식을 방지하는 것이 매우 중요하다. 침투를 막기 위한 다양한 표면처리기법은 존재하지만, 기 축조된 구조물의 내부 보강공법으로는 약액주입 및 소일그라우팅과 같은 화학적 지반개량공법만 존재하기 때문에 그 적용이 매우 제한적이다. 따라서 수변구조물 내부의 내침식성 증대를 위한 저비용/친환경적인 생물학적 지반보강공법에 대한 기술적/사회적 수요가 높아지고 있는 추세이다. ○ 원지반에 생존하는 토착박테리아(in-situ indigenous bacteria)의 활동은 어디에서든 흔하게 발견되며, 이러한 미생물의 활동은 지반의 공학적 물성에 큰 영향을 준다는 사실이 알려지면서, 미생물, 특히 박테리아를 이용한 지반개량/보강기술을 개발하고자 하는 바이오-지반공학에 대한 관심이 전 세계적으로 높아지고 있다. 특히 1kg의 흙에는 약 109？1012의 다양한 개체가 존재하며, 각각의 미생물이 저마다 독특한 부산물을 생성한다는 점에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 아직 지반공학적 관점에서 원 지반에 생존하는 토착박테리아의 활동과 그 부산물(특히, 바이오필름과 바이오미네랄)이 흙 입자와 어떻게 상호작용하는지에 대한 근본적 이해는 여전히 초기단계에 있다. ○ 토양 토착박테리아는 흙미네랄 표면에서 군집(Colony)을 형성함으로써 세포를 결집시키고 외부 환경(pH,온도 등)으로부터 세포를 보호하기 위하여 바이오필름(생물막, Biofilm)을 형성한다. 이 때, 바이오필름(생물막, Biofilm)은 박테리아 균 자체와 그들이 생성하는 생체고분자(Extracellular polymeric substances, EPS 혹은 바이오폴리머, Biopolymer)로 이루어져있다. 이러한 바이오필름 생성은 (1)지반의 공극을 감소시키고 공극 막힘(바이오클로깅, Bioclogging)현상을 일으키며, (2)흙 입자표면을 바이오필름으로 코팅(Mineral coating)한다. ○ 하지만, 박테리아와 바이오필름에 의한 공극 막힘 (바이오클로깅, Bioclogging)과 바이오필름의 흙 입자 표면 코팅 (Mineral coating)이 흙의 공학적 물성에 미치는 영향에 대한 지식의 부족으로 인해 지반개량공법으로 응용하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 미생물의 효과를 대변하는 지반공학적 이론적/경험적 모델이 현재 거의 없다고 봐도 무방할 정도이다. 따라서, 바이오클로깅(Bioclogging)과 흙입자 표면 코팅(Mineral coating)에 대한 근본적인 연구와, 이로 인한 수변구조물의 누수 보강 효과와 침식저항성 증진 효과에 대한 연구가 필요하다. ○ 대부분의 선행연구들은 모델박테리아를 이용하여 탄산염의 침전과 지반고결화를 중심으로 이루어졌다. 하지만, 외래종인 모델박테리아를 지반에 주입할 경우, 기존 토양에 존재하는 토착박테리아 군집과의 경쟁적 생장으로 인해, 원하는 효과가 발현되지 않을 경우가 많다. 따라서, 원지반에 존재하는 토착박테리아를 파악하고 이들에 영양분을 공급하여 생장을 촉진하고 원하는 부산물을 생성하도록 자극하는 생자극기법(Biostimulation)에 대한 연구와 개발이 매우 절실한 상황이다. ○ 따라서 본 제안된 연구에서는 원지반에 서식하는 토착박테리아를 자극(생자극기법, Biostimulation)하여 생성된 바이오필름과 바이오미네랄과 같은 부산물이 공극 내부에 축적됨을 이용하여, 지반의 투수성 감소하여 누수를 보강하고, 또한 부산물을 이용하여 세립분을 코팅하거나 고결화함으로써 침투수의 흐름과 함께 유출되지 않도록 침식과 세굴을 방지하는 지반보강기술의 개발하고자 한다. [최종목표] ○ 본 연구의 최종 목표 및 최종성과물은 “필댐, 보 등 노후 수변구조물의 누수 보강 및 내부침식 방지를 위한 지반 토착박테리아를 활용한 생물학적 지반보강 원천기술의 개발”이다. 연차별 세부연구복표 및 수행과제는 다음과 같다. 세부목표 1. 지반 토착 박테리아의 부산물(바이오필름 및 바이오미네랄) 생산 특성 규명 수행과제 1-1. 지반 토착박테리아의 군집 특성 파악 수행과제 1-2. 토착박테리아의 바이오필름, 바이오미네랄 등 부산물 생산 특성 규명 세부목표 2. 투수율 저감 및 내부침식 방지를 위한 토착미생물 생자극 기법 개발 수행과제 1-3. 부산물로 인한 공극막힘 및 흙입자 표면코팅 메커니즘 연구 수행과제 1-4. 부산물 생산을 위한 배양액 조성 결정 및 생자극 기법 개발 세부목표 3. 실내실험 및 중규모 실내실험을 통한 기법의 효과 및 성능 규명 수행과제 2-1. 생자극기법의 투수성저감 및 내침식성 증대 성능의 실험적 확인 수행과제 2-2. 중규모 모형실험(미터급)을 통한 생자극기법의 누수 보강 및 내부침식 방지 성능 규명 세부목표4. 투수성 저감 및 내부침식 모사를 위한 CFD-DEM 연동수치해석모델 개발 수행과제 1-5. 투수성 저감 및 침식 모사용 CFD-DEM 연동수치해석 플랫폼 개발 수행과제 2-5. 중규모 모형실험결과 비교를 통한 CFD-DEM 연동수치모델링 기법 검증 및 보정 세부목표5. 생물학적 지반보강기법의 적용성 규명 및 현장 적용 가이드라인 개발 수행과제 2-3. CFD-DEM 연동수치모델링을 이용한 수변구조물에서의 누수보강 및 내부침식방지 등의 생물학적 지반보강기술 성능 규명 수행과제 2-4. 현장 적용을 위한 생물학적 지반보강기법 적용가이드라인 개발(배양액 조성 및 주입 전략 결정) [연구내용 및 범위] 가. 1차년도 - 주관연구기관(KAIST): (수행과제1-1) 지반 토착박테리아의 군집 특성 파악: (수행과제1-1)에서는 국내 수변구조물 주변의 토양 샘플을 채취하여 토착박테리아의 군집을 다양한 방법으로 분석할 계획이다. 이 때 수자원공사 연구원(K-water연구원)과의 협력을 통하여 국내의 필댐과 저수지보 현장의 토양 샘플 채취을 협조받을 예정이다. (수행과제 1-2) 토착박테리아의 바이오필름, 바이오미네랄 등 부산물 생산 특성 규명: 박테리아의 성장이 많은 요소들의 영향을 받는다. 따라서, 박테리아의 성장 속도가 곧 박테리아가 생성하는 부산물에도 직접적인 영향을 줄 것임으로 (수행과제 1-1)에서 선별된 토착박테리아를 여러 가지 조건에서 배양함으로써 미생물 활동에 의한 부산물 생성 기작 및 생산 특성을 규명할 계획이다. (수행과제1-3) 부산물로 인한 공극막힘 및 흙입자 표면코팅 메커니즘 연구: 본 연구에서는 현미경을 이용하여 토착 박테리아의 부산물이 어떤 양상으로 흙입자의 공극을 메우며 공극 막힘 현상을 유발하는지 관찰할 계획이다. (수행과제1-4) 부산물 생산을 위한 배양액 조성 결정 및 생자극 기법 개발: 본 과제에서는 탄소 공급원, 질소 및 기타 이온 공급원이 서로 다르게 조성된 배양액을 이용하여 (수행과제1-1)에서 선별된 박테리아군집의 바이오필름 및 바이오미네랄 형성의 효율을 살펴봄으로써, 부산물 생성 목적에 따른 최적의 배양액 조성을 결정할 것이다. - 국제공동연구기관1 (워싱턴주립대학교, Washington State University): (수행과제1-5) 투수성저감 및 침식 모사용 CFD-DEM 연동수치해석 플랫폼 개발: 본 과제에서는 워싱턴주립대학교의 연구진과의 공동연구를 통해 수리-입자 개별요소연계법 해석툴을 개발할 예정이다.특히 지하수의 흐름과 입자간의 상호작용을 고려할 수 있는 수리-입자 개별요소연계법를 이용하여 미생물의 작용과 수변구조물 침식을 모사하고자 한다. 1차년도에서는 CFD-DEM 연동 해석 플랫폼을 개발하고, 이를 2차년도 실험결과를 통해 보정할 예정이다. 나. 2차년도 ② 개발 내용 및 범위 - 주관연구기관(KAIST): (수행과제2-1) 생자극기법(biostimulation)의 투수성저감 및 내침식성 증대 성능의 실험적 확인: 본 과제에서는 센티미터 크기의 코어 규모에서 토착박테리아 군집과 배양액을 주입할 때 생자극기법(biostimulation)에 의해 투수율 감소의 정도와 내침식성 증대의 정도를 확인하고자 한다. (수행과제2-2) 중규모 모형실험(미터급)을 통한 생자극기법의 누수 보강 및 내부침식 방지 성능 규명: 본 연구과제에서는 실규모 현장실험에 앞서, 중규모의 모형실험을 수행하여, 개발하고자하는 기법의 성능을 파악하고자 한다. 소형 저수지보의 1/5-1/10스케일 축소모형을 모래와 점토를 이용하여 조성하고, 임의의 지점에 균열 및 공동을 만들어 누수를 유발할 것이다. 그 후, (수행과제1-4)에서 개발된 생자극기법의 배양액을 주입함에 따라 댐 하류의 유량 변화를 측정할 예정이다. (수행과제 2-3) CFD-DEM 연동수치모델링을 이용한 수변구조물에서의 누수보강 및 내부침식방지 등의 생물학적 지반보강기술 성능 규명: 중규모실험의 경우 높은 비용과 오랜 시간이 소요되므로 다양한 조건에서의 실험이 어렵다. 따라서 워싱턴주립대학교에서 개발할 예정인 CFD-DEM수치해석기법을 이용하여, 본 연구에서 개발하고자하는 생물학적 누수보강 및 내부침식방지 기법의 현장적용성을 연구할 예정이다. (수행과제2-4) 현장 적용을 위한 생물학적 지반보강기법 적용가이드라인 개발(배양액 조성 및 주입 전략 결정): 노후 수변구조물에 대한 경험과 자료를 다양하게 보유한 수자원공사 연구원(K-water연구원)와의 협조를 바탕으로 생물학적 누수보강/침식방지기법의 현장적용가이드라인을 개발하고자 한다. 현장 적용시 수변구조물의 특성에 따라 다른 생자극기법, 배양액 주입전략, 보수보강기법을 제시할 예정이다. - 국제공동연구기관 1(Washington State University): (수행과제2-5) 중규모 모형실험결과 비교를 통한 CFD-DEM 연동수치모델링 기법 검증 및 보정: 본 과제에서는 CFD-DEM 플랫폼(수행과제 1-5에서 개발) 위에 박테리아 활동에 의한 투수성 저감과 내침식성 증가를 모사할 수 있는 CFD-DEM 연동수치해석기법을 개발할 예정이다. 이때 박테리아에 의한 효과는 (수행과제 2-1)의 실내실험 결과를 이용하여 모델을 도출한 후 모사할 예정이다. 이후, 중규모 모형실험 결과를 똑같이 모사함으로써 실험결과와 비교를 통해 개발된 수치해석기법의 검증과 보정을 수행할 예정이다. 이렇게 개발된 수치해석기법은 위의 (수행과제 2-3)과 (수행과제2-4)에서 |
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| 색인어 | 한글 | 바이오필름 | 토착박테리아 | 수변구조물 | 내부침식 | 누수보강 |
| 영문 | Biofilm | Indigenous bacteria | Embankment | Erosion | Leakage sealing | |
| 최종보고서 | 최종보고서_보완본_KAIST권태혁.pdf | |||||