1. 배경

국토기술정책종합연구소에서는 국토교통성 수자원관리·국토보전국해안실 및 도호쿠지방 정비국과 연대하여 구조상 및 시공상 유의점을 검토하기 위해 모형실험 및 해석 등을 실시하였다. 그리고 그 성과를 국토기술종책종합연구소 기술속보 No.1 “강한 부착효과를 발휘하는 해안제방의 구조검토(제1보)”로서 2012년 5월 14일에 제시하였다. 본 기술속보는 그 후에 수행된 실험 및 해석과 결과의 정리·분석에 기초하여 정리하였다.

2. 본 보고서의 기본적 성격

본 보고서는 성토에 의해 축조된 사다리꼴 단면을 기본으로, 그 표면(앞비탈면, 둑마루, 뒷비탈면)을 피복시킨 구조를 가졌다. 또한, 패러핏(parapet)구조로 이루어진 것을 전제로 한 기본구조 등 다른 제방에 관해서는 별도의 검토가 필요하다.

본 보고서에서는 통상적인 해안제방의 구조에 (1) 뒷비탈밑의 보호공 설치에 의한 세굴 저항성 향상, (2) 뒷비탈면 피복공 등의 부재 두께를 확보함으로써 세굴의 저항성 향상을 실시한 것을 입각점(立脚点)으로 하여 기술적 검토를 통해 추가적인 개선방향 및 기술적 유의점을 도출하려는 접근법을 기본으로 하고 있다.

3. 본 보고서의 대상

본 보고서의 대상이 되는 사항은 다음과 같다.

- 뒷비탈면 및 뒷비탈밑에서의 높은 유속

- 뒷비탈면에서의 세굴과 대책

- 흐름 중에 위치한 구조물의 불안정화와 대책

- 양압력(揚壓力)의 대응

- 침투수에 대한 제방 뒷비탈밑에서의 대응

- 부압(負壓)에 대한 대응

4. 둑마루, 뒷비탈면, 제방과 성토의 접합부분에서의 압력, 수위 및 단면평균 유속

(1) 압력 및 수위

비고(比高) 6m(현지 환산치)의 해안제방을 대상으로 한 축적 1/25의 고정상 실험에서, 제방 둑마루, 뒷비탈면, 뒷비탈밑 및 그 하류 평탄부의 바닥면에서 피에조미터 수두(piezometric head)와 수위를 각각 마노미터(manometer) 및 포인트 게이지(point gauge)로 측정하였다. 피에조미터 수두는 대기압 기준의 압력수두와 표고 0m를 기준으로 한 위치수두의 합으로 피에조미터 수두가 수위보다 높은 경우에는 압력상승을 의미하고, 반대로 낮은 경우에는 압력저하를 의미하고 있어 피에조미터 수두가 밑바닥보다 내려가면 압력수두가 마이너스의 상태 즉, 빈압(負？)이 발생하고 있는 상태를 나타낸다. 또한, 통수는 정상류로서 월류 수심 1m, 2m, 3m, 6m 및 10m(모두 현지 환산값) 등 5개 케이스를 실시하였다.

피에조미터 수두와 비교하여 비탈어께(法肩)에서 국소적으로 저하되고, 비탈끝에서 국소적으로 상승하고 있다. 이러한 점으로부터 압력이 비탈어께에서 저하되고, 비탈끝에서 상승된다는 것을 알았다. 또한, 월류 수심이 크게 되면 피에조미터 수두가 국소적으로 저하 또는 상승하는 범위와 크기가 증가한다.

(2) 단면 평균 유속

수위 측정결과를 기초로 수심과 단위폭 유량에서 단면 평균 유속을 산출하였다. 그 결과, 각 월류 수심에서의 단면 평균 유속은 뒷비탈면에서 뒷비탈끝 하류 평탄부까지의 사이에서 8~14m/s 정도 되었으며, 고속류가 발생하고 있다는 것을 알았다.

5. 제방과 성토의 접합부분에서의 세굴 대책 효과

뒷비탈끝에 대한 구조를 검토한 결과, 기초공에 의한 월류수의 흐름방향을 수평으로 변화시키는 것이 중요하다고 하였다.

비고(比高) 5m, 뒷비탈면 구배 1:2 제방의 뒷비탈끝에 기초공을 설치한 구조를 대상으로 소규모 실험과 대규모 실험을 실시하였다. 또한, 기초공 인접부근에서의 세굴 대책으로서 기초공의 육지측 및 하부에 지반개량을 실시한 사례도 설정하여 뒷비탈끝에 대한 기술의 적용 범위 차이에 의한 부착강도의 차이를 비교하였다.  

또한, 뒷비탈면 파괴공에는 수평이 아닌 상황이 발생할지라도 흐름을 제대로 받는 면이 발생하지 않도록 흐름의 상류측과 하류측에 노치(notch) 블록(현지 환산치: 두께 0.5m, 질량 2톤)을 맞물리게 함으로써 흐름의 하류측 노치 블록이 상류측 노치 블록보다 돌출되지 않는 구조를 채용하고 있다.

블록의 노치 폭은 실험에서 이용한 제원에 한정된 것은 아니다. 노치폭이 클수록 하류측 블록의 돌출이 발생하지 않기 때문에 블록 제작의 노력 및 시공성과의 균형도 고려하여 결정하는 것이 중요하다.

(1) 소규모 실험(축적 1/25)

지반을 개량하지 않은 경우, 월류 수심 2m(현지 환산치)에서의 제방 및 그 육지측의 이동상(입경 약 0.3mm)의 변화를 보면(월류시간은 2분간), 월류가 시작됨과 동시에 뒷비탈끝에서는 세굴이 진행된다. 세굴이 진행됨에 따라 도수(跳水)의 위치가 비탈끝에 접근하거나 멀어지는 현상이 나타났다. 도수의 위치가 비탈끝에서 멀어진 상태 또는 접근한 상태라도 지반이 개량된 사례와 비교하여 월류수가 약간 아래방향으로 지반에 유입되는 상황이 나타났다.

(그림) 월류시의 상황(월류 수심 2m, 지반개량 없음)

소규모 실험의 경우, 지반 개량의 모의가 어렵기 때문에 지반 개량 부분을 비중이 동일한 모르타르로 제작하여 수로 내에 설치하였으며, 기초공과 지반 개량 부분은 접착하지 않은 상태로 하였다.

다음에 동일한 월류시간에 월류 수심을 3m(현지 환산치)로 한 경우의 결과를 보면, 지반을 개량하지 않은 사례에서는 세굴의 진행에 대해 도수(跳水)의 위치가 비탈끝에 접근하거나 멀어지는 현상이 나타났다. 도수(跳水)의 위치가 비탈끝에서 멀어진 상태 또는 접근한 상태에서도 지반을 개량한 사례와 비교하여 월류수가 약간 아래 방향으로 지반을 향해 유입되는 현상이 나타났다. 세굴의 발달은 이전의 사례(위의 그림)보다 크며 뒷비탈끝의 지반에 유입된 월류수의 방향도 더욱 아래쪽을 향하는 경향이 나타났다. 세굴이 진행된 월류개시부터 60초 후에는 기초공과 뒷비탈 피복공이 서로 분리되어 떨어지듯이 붕괴되었다.

한편, 지반을 개량한 경우, 세굴이 진행됨에 따라 도수(跳水)의 위치가 지반 개량 하단부에 접근하거나 멀어지는 현상이 나타났지만, 두 경우 모두 하류의 지반을 향하는 월류수의 방향이 더욱 수평에 가까웠다.

이 결과에 의해 지반 개량 하단부의 세굴 깊이가 지반 개량 두께 이상으로 발달하지 않고, 그 결과로서 제방 모형은 피해를 받지 않았다. 지반을 개량한 경우, 비탈끝에서 흐름방향을 바꾼 월류수의 방향을 지반을 개량하지 않은 사례와 비교한 결과, 기초공과 지반 개량부분이 형성하는 뒷비탈끝의 평지가 수평에 더욱 가까워 지반 개량 하류부의 세굴 진행을 억제하여 뒷비탈끝의 지반 세굴에 다른 제방의 피해 가능성을 낮게 한 것으로 생각된다.  

(그림) 월류 시의 상황(월류 수심 3m, 지반 개량)

(2) 대규모 실험(축적 1/2)

소규모 실험에서는 입경 0.3mm의 모래를 이용해도 육지측의 이동상 등의 입경이 현지 규모로 7.5mm의 자갈에 해당하여 실제로 모래항구 및 해안제방의 기반을 구성하는 모래의 입경보다도 크게 되어 세굴이 발달하기 어려운 조건이 되었을 가능성이 있다. 따라서, 대규모 실험에서도 지반 개량의 유무에 따른 효과를 확인하였다. 월류 수심은 2m(현지 환산치)로 하였다.

지반 개량을 하지 않은 경우, 기초공 주변의 상황을 보면, 월류 개시로부터 100초 후(현지 환산 약 141초 후)에 뒤비탈 피복공의 블록이 유실되고, 그 후 기초공과 모든 뒷비탈면 피복공이 유실되었다. 기초공의 육지측 하부에 매립된 가속도계가 월류 개시로부터 약 99초 후에 유실되어 세굴에 의해 기초공이 노출된 시점에 기초공 및 뒤비탈면 피복공이 약간 어긋났으며, 뒷비탈면 중앙부의 블록이 유실되었을 가능성이 있다.

그림) 월류 시의 상황(월류 수심 2m, 지반 개량 없음)

지반을 개량한 경우, 기초공 주변의 상황을 보면, 월류 개시부터 얼마 동안은 기초공과 지반 개량 부분에서 사류(射流)가 나타났으며, 그 후에 물이 하류부터 접근하더라도 기초공 및 뒷비탈면 피복공은 유실되지 않았다. 월류후에는 지반 개량부분의 표면에 깍여 나간 흔적이 있지만, 거의 원형을 유지하고 있으며, 전체적으로 지반을 개량하지 않은 사례와 대조적인 상황을 나타내었다. 또한, 월류 후의 단면형상을 보면, 지반 개발부분에서 육지측은 크게 세굴이 나타났지만, 지반 개량부분의 밑면까지는 세굴되지 않았다.

(그림) 월류 시의 상황(월류 수심 2m, 지반 개량)

현지 계산에서 동일한 월류 수심(2m) 및 월류시간(현지환산: 10분)에 대해 소규모 실험과 대규모 실험에서는 피해의 유무가 다른 결과를 나타내었다. 그 이유 중 하나는 대규모 실험에서는 소규모 실험과 비교하여 수위의 상승이 빠르기 때문이라고 생각된다. 또한, 다른 규모의 실험에서 동일한 입경(0.3mm)의 모래를 이동상으로 이동한 것도 세굴의 진행 및 발달 그리고 통수 후 세굴 단면형상에서 차이가 발생한 이유라고 생각된다.

이번 연구에서는 지반을 개량한 경우, 지반 개량부분 윗면은 표면이 약간 깎이는 정도로 나타났으며, 상류측 기초공 윗면의 콘크리트면과 평탄면을 유지하였다. 이것에 의해 기초공 윗면의 평탄면 1m에 지반 개량 부분의 윗면 2.25m를 합한 합계 2.35m가 흐름방향을 수평방향으로 바꾸는 보호공으로서 기능한 것으로 생각지만, 이것은 피에조미터 수두의 국소적인 상승범위 2m에 대해 충분한 길이다. 이것에 비해 지반을 개량하지 않은 경우, 기초공 윗면의 평탄면 1m만이 보호공으로서 기능한 것으로 생각된다. 이것은 월류 수심 2m에 대해 반 정도로 보호공의 크기로서 충분하지 않았을 가능성이 있다.  

또한, 지반개량 부분 하류 끝의 두께 2m는 하류 지반에서 발생하는 세굴형상에 대해 충분한 두께를 가지고 있는 것도 보호공의 기능을 발휘하는 데 효과적이라고 생각된다. 또한, 지반 개량부분이 보호공으로서 기능하기 위해서는 월류수의 흐름방향을 수평으로 변화시키기 위해 필요한 평탄면이 유지되는 것이 전제이기 때문에 월류수의 큰 유속에 대한 내력을 가지며 지진 및 세굴 등에 의해 일체성이 손상되지 않는 것이 중요하다고 생각된다.

소규모 실험 및 대규모 실험의 결과를 종합적으로 생각하면 기초공과 지반 개랑 부분이 일체적으로 보호공으로서 기능함으로써 흐름방향을 수평으로 변화시켜 세굴을 뒷비탈끝으로부터 멀리함으로써 뒷비탈끝에서의 파괴를 발생시키기 어렵게 하고 있는 것으로 평가할 수 있다.