STEAM R&E 연구결과보고서
(서울도심의 허브인 양재천의 지속적인 보전을 위한 연구)
2017. 11. 30.
경기고등학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 서울도심의 허브인 양재천의 지속적인 보전을 위한 연구 연구목표
양재천은 서울시민의 휴식공간이며 도심의 허브로서 소중한 자연생태공원이지만, 작은 문제 점들이 눈에 띄었다. 우리들은 현장조사와 선행연구들을 근거로 이들 문제들에 대한 원인과 대책을 찾아 자원을 재활용함으로써 경제적인 효과와 지역발전에 기여하는 것이다.
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 도시하천 복원 해외사례(한국건설기술연구원)
❶ 독일 이자르강(저수로 확폭, 보 철거 등) : 생태성 회복, 도시홍수 방어, 친수성 증진
❷ 영국 템즈강(습지 연못조성, 은신처, 갈대군란 웅덩이 등 ) : 하안 침식방지, 수질개선
❸ 일본 아라강(중간녹지, 습지 등을 통한 네트워크) : 종의 증식을 위한 넓은 서식지
○ 하안의 인공구조물에 대한 연구
❶ 전국의 대표적인 호안블록 시공 현장답사 : 교수님과 지도 교사님의 도움을 받아 화성 동탄 신리천(바이오 호안블록)과 전남장흥 한승원길(트리온 호안블록)답사
❷ 생태하천 조성을 위한 콘크리트 인공호안을 대체하는 쏘일블록 공법
❸ 훼손 자연환경의 체계적 복원을 위한 연구(환경부, 2011) 외 다수.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 연구주제의 선정
❶ 6회에 걸친 양재천 조사와 2회에 걸친 호안블록 시공현장 답사를 통해서 정리한 자료를 바탕으로 선행연구, 하천 복원사례 등과 비교·분석.
❷ 연구주제를 크게 4가지 문제점(산책로와 가장자리 침하, 제방사면의 수목으로 인한 호안블 록의 파손과 미끄러짐, 소로의 경사와 파손, 목재계단 수명과 교체 시 자원 및 비용낭비)으로 구분, 팀원 1인이 하나의 주제를 자세하게 조사하고 연구.
○ 연구 목적(생태하천으로서의 양재천 기능회복)
양재천 복원사업의 기본원칙은 생태하천과 수질개선 범주 내에서 하천의 생태적 건강성 회복이 최우선이었으므로 드러나고 있는 문제점들의 개선이 시급하고 중요함.
○ 연구의 필요성
생태적 건강성이란 하천을 이루는 모든 생태 공간 즉, 산책로, 수로, 둔치, 제방, 도로, 동식물, 등 모든 요소의 건강성을 의미한다. 따라서 이러한 건강성 회복되어야 인간의 건강에도 도움을 줄 수 있으므로 양재천의 생태공간의 건강성 회복은 반드시 필요한 것이다.
□ 연구방법
생태공간의 건강성 회복에 중점을 두고, 연구주제에 맞춰 4가지 문제점에 대한 원인과 해결 방안을 찾기 위한 양재천 현장조사, 실험, 전문가 조언을 바탕으로 연구진행.
○ 양재천 현장조사를 근거로 정리한 4가지 문제점과 이를 확인하기 위한 조사 및 실험
❶ 산책로의 갈라짐과 가장자리부분의 지반침하 그리고 빗물받이와의 상관관계
▷ 노면의 갈라짐 현상은 산책로 전 구간에 걸쳐 일어나는 현상으로 육안으로 확인 가능.
▷ 산책로 가장자리 부분의 지반침하와 빗물받이와의 상관관계를 알기 위한 실험 : 지반침하 는 대치교에서 영동2교 사이 제방의 6곳을 지정. 6곳의 제방 상부(산책로 가장자리)와 하부(소로 의 제방 쪽)에서 채취한 12개의 샘플(흙)을 이용하여 실험한 후 비교·분석한다.
❷ 제방의 수목뿌리로 인한 호안블록의 파손과 미끄러져 내림에 대한 조사
▷ 수목들의 뿌리들로 인해 블록이 파손되거나 자리를 이탈하는 경우가 많음.
▷ 블록의 미끄러져 내림의 정도는 영동 5교에서 6교 사이의 특정 블록들을 대상으로 조사하 고 기록. 제방 하단에 비탈 멈춤 콘크리트 존재유무도 확인한다.
❸ 소로의 경사(제방 쪽으로 기울어짐)와 파손
소로의 경사가 심한 곳은 8~10정도이며 갈라진 곳도 많으며 특히, 영동4교와 5교 사이가 심함. 경사진 부분에는 틈새가 많으므로 그 틈새로 빗물이 흘러 내려감을 확인한다.
❹ 목재계단 수명과 교체 시 자원 및 비용낭비
목재계단의 경우 교체 시에는 처음부터 모든 작업을 다시 하다 보니 자원낭비가 심하다. 그러므로 버려지는 자원을 재활용하면서 목재계단의 수명을 늘리는 방안을 연구.
○ 자문 및 조언 : 연구방안에 대해 전문위원님의 자문과 선생님께 조언을 구하면서 연구.
□ 연구 활동 및 과정
○ 가설 설정 : 앞의 4가지 문제점들에 대한 가설설정.
❶ 산책로에 대한 연구(가설 1) : 산책로에서 떨어진 빗물이 웃 제방 상단의 흙을 씻겨 내리는 작용을 했다는 것은 대치교에서 영동2교 사이 제방의 12곳에서 채취한 흙의 입자량과 성분함량 을 비교·분석하면 알게 될 것이다.
❷ 제방에 대한 연구(가설 2) : 제방에서 호안블록의 미끄러져 내림이나 파손은 자연발생적으 로 자라는 수목뿌리 때문일 것이며, 제방하단에 쌓인 흙무더기의 흙들은 제방상단부에서 빗물에 쓸려내려 왔을 것이다.
❸ 소로에 대한 연구(가설 3) : 노면이 낮음에도 불구하고 빗물이 고이지 않는다면 갈라진 틈새로 흘러간 빗물의 씻김작용으로 지반이 침하했을 것이다. 배수로를 설치하여 소로에 빗물이 고이지 않도록 한다면 지반의 침하를 방지할 수 있을 것이다.
❹ 목재계단에 대한 연구(가설 4) : 목재계단의 목재를 오래 사용가능하며 교체 시에 모든 시설물을 뜯어내지 않거나 재활용할 수 있는 방법이 있을 것이다.
○ 실험 설계 및 과정(가설설정에 맞게 실험을 설계하고 진행한다)
❶ 가설 1 : 대치교에서 영동2교 사이 제방 중에서 6곳을 지정하여 웃 제방의 산책로 가장자리 와 소로와 제방이 접하는 경계면부분에서 각각 1개씩의 샘플(흙) 채취하여 실험.
❷ 가설 2 : 호안블록의 미끄러져 내림은 그 정도가 심한 영동 5교에서 6교 사이 특정한 블록을 대상으로 관찰하고 그 결과를 분석하며 아래 제방하단에 쌓인 흙무더기도 연구.
❸ 가설 3 : 지반 침하로 노면이 경사져 있지만, 비가 올 경우 빗물이 고이는 경우와 고이지 않는 경우를 비교하면 노면의 갈라진 정도를 알 수 있으며 배수로에 대해서도 연구.
❹ 가설 4 : 기존의 목재 계단에서 뜯어낸 목재들 중에서 손상된 부분을 잘라낸 길이가 짧아진 목재들을 재활용이 가능한 방법뿐만 아니라 목재의 휨과 파손에 대해서도 연구.
○ 시행착오 극복 등
❶ 화성 동탄 신리천과 전남 장흥 한승원길을 답사하기 전까지는 호안블록의 중요성을 제대로 인식하지 못하고 연구도 원활하지 못했지만, 답사를 계기로 호안블록의 중요성을 인식.
❷ 답사 후 자원을 절약하고 친환경적인 양재천을 만들어보자는 취지에서 자문 교수님과 지도 교사님의 조언에 용기를 내어 현재의 블록을 재활용하는 방안을 구상하게 됨.
□ 연구 결과
○ 실험 결과(가설과 실험 설계 및 과정의 4개 항목별로 정리)
❶ 산책로 가장자리(제방 상단)부분의 흙 입자량과 성분함량이 하단보다 적음을 확인: 크기가 연구성과 3~25μm인 흙의 입자량은 하단이 평균 28%더 많고, 5가지 성분 함량은 21.6% 더 많음.
[그림1]양제천 제방 6곳 위아래에서 채취한 흙 속의 입자량과 성분량 비교그래프(왼쪽), 오른쪽 그림에서 아래 제방하단에 쌓인 흙무더기와 노면이 낮지만 빗물이 고여 있지 않음.
❷ 제방 : 호안블록을 덮은 흙이 빗물 등에 의해서 쓸려내려와 제방하단에 쌓인 흙무더기와 호안블록의 미끄러져 내림(5개월 동안 0.98cm) 확인([그림1] 참조)을 확인. 비탈 멈춤의 개선
❸ 소로 : [그림2]에서 경사진 곳에 빗물이 고여 있지 않는 것은 흘러내려갔음을 입증. 제방사면 의 배수로 34개, 소로 배수로 35개. 현재의 배수로로는 빗물을 제대로 처리할 수 없음.
❹ 목재계단 : 목재의 손상 연구결과, 손상이 심한 부위는 쇠못부분이고, 목재의 앞뒤 습도차로 인해 가장자리부분이 많이 휘는데, 햇빛을 많이 받는 목재에서 두드러짐.
[그림2] 왼쪽부터 경사진 소로, 목재계단, 산책로와 소로 시공용 블록, 재활용호안블록.
○ 연구 결론
❶ 빗물에 의해서 제방 흙의 씻김현상을 [그림1]로 확인했으므로 [그림2]처럼 산책로와 소로 를 탈부착이 가능한 블록으로 시공할 경우, 지반상태를 살피기가 용이할 뿐만 아니라, 지반이 침하된 곳의 흙 보충이나 흙다짐을 용이하게 한다. 산책로의 물을 모으는 빗물받이 설치.
❷ 수목뿌리로 손상된 호안블록을 재활용블록으로 대체. 제방하단에 비탈 멈춤 설치. 제방 사면에 20m간격으로 배수로 설치.
❸ 소로에 물고임이나 흙의 씻김으로 인한 지반침하를 막기 위한 배수로 설치.
❹ 목재계단도 탈부착이 가능한 형태로 시공하여 주기적으로 목재를 뒤집어 주고, 계단 폭에 차등을 두어 큰 계단의 목재를 작은 계단에 사용할 수 있도록 한다.
▶ 이상의 연구내용에 의한 개선효과
산책로 제방 소로 목재 계단
제방의 지반 침하를 방지하고, 친환경적 인 관리와 보전이 가능하다.
수목 뿌리에 의한 호안 블록 파손 및 미끄러져 내림과 제 방의 침하를 방지.
소로 경사 및 파손 방지하고 지반 침하 도 방지할 수 있다.
계단설치비용을 획 기적으로 절감. 크 게는 75%이상 절약 가능하다.
□ 시사점
본 연구를 통해 자연보호에 대한 소명의식과 환경의 중요성을 인식하게 되었다.
□ 향후 계획
내용을 좀 더 연구하고 보완해서 관할구청인 강남구에 본 연구를 제안할 예정
주요어 생태공간 건강성, 산책로 연절블록, 재활용 호안블록, 소로, 배수로, 재활용 목재계단
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적(양재천의 생태하천으로서 기능회복) ○ 연구동기
양재천은 도심의 휴식공간이며 공기를 정화시켜주는 허브 기능을 하는 소중한 자 연생태공원이다. 그런데 지금 이 생태공원의 산책로 가장자리에 구멍과 틈새 작은 문 제점들이 하나 둘씩 눈에 띤다.
그래서 우리는 대치 교에서 영동2교 사이 양재천 전반에 대한 조사와 선행연구들 을 근거로 드러난 문제점들에 대한 원인과 대책을 찾고, 낭비되는 자원을 재활용함으 로써 자원절약과 경제적인 효과를 극대화함으로써 지역발전에도 보탬이 되고자 했다.
○ 연구의 필요성
생태적 건강성이란 하천을 이루는 모든 생태 공간 즉, 산책로, 수로, 둔치, 제방, 도로, 동식물, 인간 등 모든 요소의 건강성을 의미한다. 그런데 현재 강남구청의 양재 천을 관리하는 방법이 충분히 체계적이라고 판단하기 어려운 부분이 존재한다.
이러한 관리방법을 개선하기 위한 체계를 정립하는데 도움이 될 수 있는 기초자료 를 제공할 필요성이 있다고 생각하여 다양한 현장조사와 선행연구 등을 참고하고, 지 도교사 선생님과 외부 전문가의 도움을 받아 실용 가능한 연구가 될 수 있도록 한다.
(1) 현재 강남구의 양재천 관리부서
[표1] 양재천 관리부서
[표1]에서 보는 것처럼 양재천 관리부서는 3곳이다. 그러다 보니 서로 다른 부서와 관련되어 처리할 문제는 적극적이지 못한 것 같다.
예를 들면, 제방에서 자연발생적으로 자라고 있는 수목들은 공원녹지 과에서 관리 하지만, 나무와 관련하여 작업을 하려면 제방의 호안블록을 뜯어내고 작업을 수행해야 하므로 이 경우에는 치수 과의 동의를 얻어야 가능한 일이다. 따라서 아주 긴급한 일 이 아니면 소홀히 하게 되는 측면도 있다.
이와 같은 이유로 제방에 자라고 있는 수목들에 대한 관리 및 조처가 가장 미흡하 다. 그래서 수목의 뿌리에 의해서 제방의 블록이 손상되더라도 바로 처리하기 쉽지 않 을 뿐만 아니라 이와 관련한 작업에 관한 체계적인 매뉴얼이 미흡한 상황이다.
제방 관련 (산책로, 호안 블록, 소로, 목재 계단 등) 관리부서
수목 등 관리부서
개천 수로 등 관리부서
치수과 공원녹지과 하수과
○ 연구의 목적
‘훼손 자연환경의 체계적 복원을 위한 연구’(환경부 2011)에 따르면 양재천 복원 사업의 기본원칙은 생태하천과 수질개선 범주 내에서 하천의 생태적 건강성 회복이다.
그러므로 드러나고 있는 문제점들을 개선하여 양재천이 건강한 생태 공원으로서의 모습을 되찾는 것은 시급하고 중요한 일이다.
□ 연구범위
○ 양재천 제방관리 상황을 고려한 연구
본 연구는 주로 제방과 관련되어 발생한 문제점들을 개선하기 위하여 시작하게 되 었으므로 연구범위는 제방과 관련한 4부분에 한정한다.
① 산책로
[그림1]처럼 노면 공사를 거듭하면서 아무런 보완 없이 보도를 더 넓히면서 콘크리 트로 덧씌우기만 한다. 제방의 지반 침하로 인한 노면 파손을 방지할 수 있는 올바른 방법이 아니다. 왜냐 하면, 그 전에 공사한 보도를 완전히 제거하고 침하된 부분에는 흙을 보완한 후에 노면 공사를 해야 지반 침하로 인한 파손되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 현재의 방법대로라면 시간이 흐른 후에 제방의 지반 침하로 인한 노면의 파 손이 심각해진 후에 라야 전반적인 제방보수공사를 하게 될 것이다.
[그림1] 산책로 노면보완공사 진행 순서. 1(최초의 산책로), 2(1의 공사 후 갈라지고 손상되어 두 번째로 공사), 3(2년 전에 다시 공사). 계속해서 도로를 넓히면서 공사를 해오고 있음. [그림10]으로 연결됨.
② 제방의 호안블록 및 수목 뿌리
제방 사면을 덮고 있는 호안블록 위로 혹은 블록과 블록 사이로 대단히 많은 수목 뿌리들이 침범하여 블록을 파손시키기고 있다. 그런데 이러한 현상은 제방의 지반 침 하를 가속시킨다. 왜냐 하면 수목들이 땅 속을 파고들 때 블록을 파손시키고, 밀어내면 서 블록 사이의 틈을 크게 만들고, 그 사이로 빗 물이 스며들어 흙을 씻겨 내리는 것 이 지반을 침하시키는 원인이 되기 때문이다. 또한 수목과 제방의 관리부서가 서로 다 르다 보니 관리가 소홀해진 측면도 많다.
③ 소로
소로의 경우도 산책로와 비슷한 방법으로 관리되고 있다. 그리고 소로의 경우 소 로의 가장자리를 따라서 자라고 있는 수목에 의해 발생하는 지반 침하 문제도 있음.
④ 목재 계단
목재 계단의 경우는 계단 교체 시에 기존의 시설물을 자원을 재활용하기보다는 완전히 제거하고 다시 시공하므로 자원 낭비가 심한 것 같다.
○ 양재천 제방에 대한 문제점을 개선하기 위한 연구
앞의 4가지가 현재 양재천의 주요 문제점이다. 그런데 관리부서에서는 지금 나타나 고 있는 문제들을 크게 생각하지 않고 있고, 앞으로도 현재의 관리방법대로 진행해나 갈 것으로 예상할 수 있다.
따라서 현재 드러나고 있는 문제점들에 대한 심각성을 인식시키고, 전반적인 관리 체계를 올바르게 세워서 친환경적으로 개선해 나가는 것이 바람직할 것으로 생각했다.
이에 우리 5인의‘자연의 연주자들’이 힘을 모아 이러한 문제점들을 개선하는데 보탬이 되기를 바라는 마음에서 연구를 시작한 것이다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 도시하천 복원 해외사례 (출처 : 한국건설기술연구원 자료) (1) 독일 이자르강(저수로 폭 확장, 보 철거 등)
이자르강 복원 사업은 하천의 적극적 사용을 위해 개발된 하천의 복원 사업이라고 할 수 있다. 과거에 홍수 방어와 운하를 위해 하천을 직강화하고, 수력발전을 위한 인 공수로를 조성함으로 인해 하천에는 물 부족, 수질 악화, 생태계 훼손이 발생하였고, 유사 공급 부족, 하상 침식, 지하수위 감소 등이 연쇄적으로 일어나게 되었다. 도시하 천으로 오랜 시간 동안 개발되고 이용되면서 발생한 문제의 전형이라고 할 수 있다.
훼손된 이자르강을 복원하기 위해 2000년부터 단계적으로 사업이 시작되었는데 목 적은 생태성 회복, 도시 홍수 방어, 친수성 증진 등이었다. 2000년부터 시작된 사업은 단계별로 진행되어 2003년에 4단계가 완료되었고, 마지막 단계인 5단계는 2007년에 완 료되어 전체 7.3km에 대한 사업이 모두 완성되었다.
주요사업 내용은 제방 강화 및 증고, 콘크리트 호안 제거, 하폭 확장, 통수량 증대, 보 철거 등을 통한 자연 하상 복원, 하천 연속성 회복, 고유 생물 종 회복 등 광범위하 게 진행되었다.
[그림2] 독일 이자르강
(2) 영국 템즈강(습지 연못 조성, 은신처, 갈대 군란 웅덩이 등 )
[그림3] 영국 템즈강
영국의 템즈강은 영국을 대표하는 강이지만 19세기에는 산업혁명 후 산업발달과 인구증가로 인한 수질 악화로 죽음의 강이 되었다.
템즈강 복원은 1963년 수자원 법이 제정되면서 시작되었다. 이후 1970년대에 환경 부가 설치되면서 본격화되었고 1980년에는 이동 산소 주입선까지 도입하는 상황이 되 었다. 이 당시의 가장 큰 문제는 수질이었으며 수질 개선을 위해 국가적으로 얼마나
많은 투자가 이루어졌는지를 알 수 있다. 수질개선 사업이 효과가 나타나기 시작하면 서 최근에 이루어지는 하천 복원 사업은 하안 침식 방지나 습지 조성과 같은 사업이 다. 하안 침식 방지를 위해서는 기존 콘크리트 공법을 탈피하여 야자 섬유롤과 같은 자연재료 공법을 개발하였다. 1990년대 초에는 하천변 습지를 조성하여 연못, 은신처, 갈대 군란, 웅덩이 등을 조성.
(3) 일본 아라강(중간 녹지, 습지 등을 통한 네트워크 형성
[그림4] 일본 아라강
일본의 대표적인 도시 하천인 아라강의 복원을 위해서 사용된 개념은 생태 네트워 크 형성이다. 생태 네트워크는 하천의 주요 지점에 핵을 조성하고 중간 녹지, 습지 등 을 통해 연속적인 네트워크를 형성하는 개념이다.
네트워크화는 생물의 이동 통로를 연결하여 종 감소를 방지하고, 넓은 서식지를 필 요로 하는 종의 생육 가능성을 확대하여 종 다양성을 확보하며, 생육지가 넓어짐에 따 라 종의 유전적 다양성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
○ 하안의 인공구조물에 대한 연구
(1) 호안블록 : 절개 지나 호수, 강, 개천 혹은 바닷가 등 제방의 비탈면을 보호하 기 위해서 사용하는 다양한 형태의 콘크리트 구조물을 말한다.
① 전국의 대표적인 호안블록을 설치한 현장답사
자문 교수님과 지도 교사님의 도움을 받아 화성 동탄 신리 천(바이오 호안블록) 과 전남 벌교 천, 장흥 한승원 길(트리온 호안블록)답사.
② 생태하천 조성을 위한 콘크리트 인공 호안을 대체하는 섬유혼합 다공성 쏘일 블록.
기존의 호안블록에서 발생되고 있는 블록 내에서의 식생고사, 홍수 시 블록 뒤틀림 및 이탈 그리고 겨울철과 봄철에 블록 내의 동결 및 융해로 인한 내구성 저하 등 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 골재, 황토, 천연섬유 및 고로슬래그를 혼합하여 만든 블록을 쏘일 블록이라 한다.
(2) 비탈 멈춤 콘크리트 : 비탈 멈춤이란, 제방 사면(비탈면)에 있는 블록들이 미끄러져 내리는 것을 막아주는(멈추게 하는) 콘크리트 구조물.
① 하천의 구조·시설기준 및 하천시설물표준도 개선방안 연구(하천과 문화 Vol 22, 2015)
이 자료에는 각종 하천설계기준, 공사시방서와 지침들의 기본방향 및 원칙의 정립이 잘 되어있다.
② 제방의 호안블록이 실제로 지반을 누르는 힘인 무게를 알아보기 위해서
‘블록호안의 안정성 평가방법에 관한 연구(호남대학교 대학원 토목환경공학과 이정우)’를 참조.
(3) 훼손 자연환경의 체계적 복원을 위한 연구(환경부, 2011) : 환경부에서 발간한 생태환경 복원과 관련한 일종의 지침서. 이외에도 많은 다양한 자료를 조사하고 연구 했다.
[그림5] 위, 비탈 멈춤, 화성 동탄 신리천 바이오 호안블록. 아래, 장흥 한승원길과 벌 교천 트리온 호안블록.
□ 연구주제의 선정
○ 연구주제 선정과정
(1) 본 연구는 양재천(연구 구간 : 대치교에서 영동 2교 사이)에 나타난 문제들에 대한 해결방안을 찾는 것이다. 따라서 양재천 현장조사를 통해 발견한 문제점과 그에 대한 해결방 안을 자세하게 정리한 후 매번 자문 교수님과 지도 교사 선생님의 도움을 받았다.
(2) 6회에 걸친 양재천 조사와 2회의 호안블록 시공 현장 답사(자문 교수님의 도움을 받음)를 통해서 정리한 자료를 바탕으로 다양한 선행연구 자료와 하천 복원 사례 등과 비교하고 분석한 다음 주제를 선정했다.
(3) 1인 1문제 연구
앞에서 말한 양재천 제방의 문제를 4부분으로 나누어 팀장을 제외한 4명이 1인 1문 제를 연구하는 것으로 하였다.
팀장은 팀원들과 상의하여 팀원들이 원활하게 연구를 진행할 수 있도록 돕고, 의문 이 생긴 부분이나 난관에 부딪혔을 때, 자문 교수님이나 지도 교사 선생님의 도움을 받아 문제를 해결하였다.
○ 자문 교수님의 자문 및 지도 교사님과의 협의를 바탕으로 수행한 연구
(1) 산책로의 노면의 갈라짐이나 가장자리 틈새 등의 원인을 밝히기 위한 연구방법 과 이러한 문제를 해결하기 위한 방법을 연구한 후 자문 교수님께 자문을 구했다.
(2) 자원의 재활용 차원에서 현재 제방의 호안블록을 완전히 다 교체하기 보다는 다시 사용하여 호안블록을 설치하는 방법을 연구하면서 자문 교수님께 자문을 구해 가 장 경제적이고 실용 가능한 방안을 찾는데 노력했다.
(3) 지반 침하의 원인을 찾기 위한 실험방법을 정립한 후 실험의 타당성에 대해서 자문 교수님께 자문한 후 지도 교사 선생님과 상의하여 진행했다.
(4) 현장 답사 후 정리한 내용과 실험 결과에 대한 자문 교수님의 의견을 구한 후, 지도 교사 선생님과 팀원들 간의 미팅을 통해서 최종적으로 결정하고 그 결과를 정리 하고 토론했다.
[그림6] 위의 파란색 화살표는 산책로(제방 상부에 위치), 아래 노란색 화살표는 소로
(중간 산책로). 보이는 계단이 목재 계단, 목재 계단 양 옆으로 보이는 것이 제방. 소로 위는 ‘웃 제방’, 소로 아래는 ‘아래 제방’. 맨 아래 붉은색 화살표는 자전거도로.
□ 연구 방법
생태 공간의 건강성 회복을 위해서는 본 연구가 반드시 필요하며, 본 연구를 기 반으로 양재천 관리방법을 새롭게 설계하고 체계화하는데 도움이 되기를 바라는 마 음으로 연구를 시작했다. 이러한 의미에서 예비조사를 통해 드러난 문제점들을 4가지 로 분류하고 정리하여 다음의 방법으로 연구를 진행했다.
○ 연구내용(문제점)
먼저 양재천 현장을 조사한 후 발견한 문제점들에 대해 4부분으로 나눴다. 그리고 각각에 대한 문제를 제기한 다음 1인이 1개의 문제를 연구하는 것을 원칙으로 했다.
① 산책로와 관련된 부분
② 제방과 관련된 부분(제방은 아래 [그림6]에서 보는 것처럼 소로를 기준으로 위를
‘웃 제방’ 아래를 ‘아래 제방’으로 하며, 이하 이렇게 칭한다) ③ 소로(중간 산책로)와 관련된 것
④ 목재 계단과 관련된 것
○ 원인분석 : 제기한 문제점들에 대한 원인을 분석한다.
○ 실험(관찰) : 분석한 원인이 정확한지를 입증하기 위한 실험 및 관찰(조사)을 진행한다.
○ 결론도출 : 실험 및 관찰(조사)를 근거로 문제점에 대한 만족한 결론의 도출이 가능한지를 판단한다. 만일 만족한 결론을 얻지 못하면 다시 원인 분석한 후 연구를 진행한다.
이상의 과정에 원활하게 진행될 수 있도록 자문 교수님과 지도 선생님께 조언을 구하면서 실용 가능한 연구가 될 수 있도록 최선을 다한다.
[그림7] 왼쪽은 양재천 조사 때 자문 교수님과 함께. 오른 쪽은 지도 교사님과 함께.
□ 연구 활동 및 과정
연구 활동과 그에 따른 연구 결과는 다음과 같다.
먼저 연구 활동은 앞에서 이미 언급했듯이 4부분(산책로, 제방, 소로, 목재 계단)으 로 나누어 진행하며, 각각의 활동에 대해서는 문제제기 후 문제에 대한 원인분석 그 리고 가설 설정 마지막으로 가설을 증명하기 위한 실험 순으로 연구를 진행한다.
○ 산책로
문제점 원인 가설설정 실험(관찰)
[그림10]처럼 산책 로 노면의 갈라짐 과 가장자리 바로 아래 큰 구멍(지름 30cm정도)과 틈 ( 세 로 방 향 으 로 20~30 cm, 가로방 향으로 100
~150cm)들이 많다.
갈라짐, 구멍, 틈새 들은 노면 아랫부 분의 지반 침하 때 문인데, 이러한 지 반 침하의 주원인 은 산책로로부터 흘러내리는 물이 흙을 씻어 내려갔 기 때문이라고 본 다.
산책로에서 떨어진 빗 물이 웃 제방 상단의 흙을 씻겨 내리는 작용 을 했다는 것은 두 곳 (동일한 지점의 제방의 상단과 하단)에서 채취 한 흙의 무게와 거기에 들어있는 성분 함량을 비교하면 알게 될 것이 다
대치교에서 영동2 교 사이 제방 중 에서 6곳을 지정 하여 웃 제방의 산책로 가장자리 와 소로와 제방이 접하는 경계면부 분에서 각각 1개 씩의 샘플(흙) 채 취한다.
추가 세부사항
① 채취한 전체 12개의 샘플을 대상으로 흙 속에 들어있는 일정한 크기(3~25㎛)의 입자 무게와 5가지(이산화질소(NO2), 질소(NO3), 암모니아(NH3), 알칼리도(Total Alkalinity=Al), 전기전도도(EC)) 성분의 함량을 측정한 후 웃 제방 상단 흙에 대한 결 과와 하단 흙에 대한 결과를 서로 비교하면 된다.
▶자세한 내용은 <제방 흙 속에 들어있는 흙 입자 크기와 성분 함량에 대한 실험>
참조
② 산책로는 콘크리트로 되어있으며, 현재 산책로의 두께는 [그림7]에서 보는 것처 럼 25~30cm정도 된다. 이 정도 두께라면 단위면적(가로x세로=100cmX100cm)을 기준 으로 할 때 무게는 대략 400~600kg정도이다. 그러므로 손상된 노면 위에 콘크리트로 5~10cm정도 두께로 다시 시공하더라도 지반(땅)이 아래에서 이 무게를 받쳐주지 못 하면 노면은 갈라지고 다시 파손될 것이다. 근본적인 대책이 필요하다.
▶자세한 내용은 [그림7]과 [그림12] 내용 참조.
[그림8] 산책로의 지반 침하로 가장자리 갈라진 틈과 바로 아래에 생긴 틈(위의 노란색 화살표)과 구멍(파란색 화살표). 갈라진 틈은 1~2cm, 가장자리 아래 틈은 세로방향으로 20~30cm, 가로방향으로 100~150cm, 맨 아래 그림의 구멍은 신발 크기로 대략 30cm정 도이며, 발견 후 바로 관할 구청관리사무소에 신고함.
■ 제방 흙 속에 들어있는 흙 입자 크기와 성분 함량에 대한 실험 및 연구 <아래 실험들은 연구 지원비로 구입한 기기들을 이용하여 수행하였다>
(1)제방의 흙에 대한 크기가 다른 흙 입자의 무게 측정방법 및 과정([그림11] 참조) 채취한 흙에는 불순물도 들어있고, 입자 크기도 다르므로 먼저 구멍 크기가 0.5mm정도인 체로 거른다.
① 각 시료(체로 거른 흙(6~7g)과 정제수(60~70ml)를 1:10의 비율로 섞은 것)는 충 분히 젖는다. 젖는 시간은 60초로 모두 같은 시간 동안 한 사람이 똑같은 힘으로 젖는 다.
② 5분이 지나면 각 시료의 표면에서 1cm되는 위치에 스포이드 끝을 넣고 10ml 만큼 분주한다.
③ 분주한 용액을 먼저 구멍 크기가 25㎛(Whatman)인 거름종이로 거른다.
④ 거르기 전 거름종이의 무게를 먼저 측정해 둔다.
⑤ 다 걸러지면 그 다음에는 구멍 크기가 11㎛, 8㎛, 3㎛인 거름종이로 차례대로 거른다.
⑥ 완전히 걸러지면 거름종이를 실온에서 48시간동안 완전히 건조시킨다.
⑦ 48시간 후 거름종이의 무게를 측정한다.
⑧ ⑦-④=각각의 크기에 해당하는 흙 입자의 무게
⑨ ⑧의 값이 각 시료에서 크기가 다른 흙 입자의 함량을 나타낸다.
▲ 여기에서 구멍 크기가 25㎛인 거름종이로 거른 값은 제외한다. 왜냐하면 스포 이드로 시료를 분주할 때 크기가 다른 다양한 입자(흙 알맹이)들이 스포이드 내로 빨려 들어 올 수 있어서 시료에 크기가 25㎛이상인 입자들이 포함될 수 있기 때문이다.
(2) 제방의 흙 속에 포함된 여러 가지 성분의 함량 측정방법 및 과정 ([그림11] 참 조)
① 10ml분주 후 20분 정도 지나면 대부분의 흙 입자들은 가라앉고, 아주 맑은 용 액만 위로 뜬다.
② 위로 뜬 맑은 용액 약 40ml를 다시 스포이드로 분주한다.
③ 분주한 용액을 이용하여 다음 5가지 사항을 측정한다.
④ NO2(이산화질소), NO3(질소), NH3(암모니아), Al(Total Alkalinity=CaCO2등)는 eXact ECO-CHECK를 이용하여 측정하고, 전기 전도도(EC)는 Multi Sensor Meter SX723을 이용해 측정.
▲ 위의 실험은 2회에 걸쳐서 반복실험하고 그 결과를 정리한다.
▲ EC는 전기전도도(Electrical Conductivity)를 뜻한다. 순수한 물은 전기가 통하 지 않지만, 물에 염(鹽)이 녹으면 전기가 잘 통하게 되므로 물속에 많을수록 전기전도 도가 높다. 염류 농도를 EC라 하며 단위는 ㎲/cm(㎲=마이크로 지멘스).
[네이버 지식백과] CEC, EC, Eh는 무슨 뜻인가? (흙을 알아야 농사가 산다, 2011., 도서 출판 들녘)
[그림9] 흙 속에 포함된 일정한 크기의 입자와 성분을 측정하기 위한 실험 과정의 일부 를 나타내는 그림.
■ 산책로에서 균열이 생기는 원인에 대한 과학적 견지에서의 해석
현재 양재천 산책로의 경우 콘크리트 포장을 세 차례 정도 한 것으로 알고 있다.
일반적으로 콘크리트포장공사는 노면에 금이 많이 가거나 훼손이 심한 경우에 다시 콘 크리트로 포장 공사를 하게 된다. 그럴 경우 맨 위층의 콘크리트가 견뎌야 할 힘은 자
신의 무게와 그 아래에 있는 콘크리트 무게까지 합한 무게를 견뎌야 한다. 이를 과학 적 원리를 적용하여 알아보자.
[그림10] 콘크리트로 만든 산책로의 각 층(m1, m2,m3)이 받는 무게(하중)
[그림1]처럼 산책로는 1차, 2차, 3차에 걸쳐 포장하였고, 그 중 일부가 금이 가면서 [그림10]처럼 조각난 무게를 각각 m1, m2,m3라고 하면 각각의 무게는 m1g, m2g, m3g가 된다. 그리고 아래층의 콘크리트가 끌어당기는 힘만큼 위층의 콘크리트가 견뎌야 하는 데 그 힘을 각각 T1, T2, T3라 하고, 이들이 아랫방향으로 받게 되는 힘을 m1a, m2a, m3a라고 하자. 이 경우 다음의 관계식이 성립한다.
m1a=T1–m1g,m2a=T2–(T 1+ m2g),m3a=T3–(T2+ m3g) 가 성립하며 각각을 더하고 정리하면 T3=(m1+m2+m3)(a+g)가 된다.
그런데 콘크리트들은 정지(a=0)해 있으므로 맨 위층의 콘크리트가 견뎌야 할 힘은 T3=(m1+m2+m3)∙g
따라서 맨 위층의 콘크리트는 그 아래에 있는 콘크리트의 무게를 감당해야 한다.
그런데 만일 맨 아래층의 콘크리트 바로 아래 흙이 존재하면 그 흙이 받쳐주는 힘 이 존재하므로 T3<(m1+m2+m3)g가 되겠지만, 흙이 없으면 산책하는 사람들의 체중까지 더하게 되므로 실제로 맨 위층의 콘크리트가 견뎌야 할 무게는 T3>(m1+m2+m3)g가 된 다.
▶결국 맨 나중의 콘크리트노면은 (m1+m2+m3)g보다 더 큰 힘으로 견뎌야 하지만, 시간이 지나면서 차츰 콘크리트의 힘이 약화될 수 밖 에 없다.
따라서 콘크리트 포장을 다시 하더라도 시간이 흐르면 다시 노면에 금이 가면서 조금씩 파손되어 간다.
○ 제방
문제점 원인 가설설정 실험(관찰)
[그림15]와 [그림16]
의 파란 화살표가 가리키는 것은 아래 제방 하단에 두껍게 쌓여있는 것이 흙무 더기인데, 특히 대 치교와 영동5교사이 가 심한 편이다.
흙무더기의 흙들은 제방상단부에서 빗 물에 쓸려 내려왔을 것이다. 왜냐하면 처음 공사할 때는 [그림14]처럼 블록 위로 20cm정도 흙 을 덮기 때문이다.
제방 하단에 쌓인 흙무더기의 흙들은 제방상단부에서 빗 물 등과 함께 쓸려 내려 왔을 것이다.
연구 구간의 전체에 걸쳐 아래 제방 하 단에 흙무더기가 쌓 여있는 경우를 조사 하고, 실제 양재천 의 조사를 통해서 제방의 호안블록 위 에 흙을 덮는지를 확인한다.
[그림12], [그림13]처 럼 수목 뿌리로 인 해 호안블록이 파손 되고, 미끄러져 내 리며, [그림13] 마지 막 그림처럼 블록 사이에 틈이 없는 데, 블록 사이로 뿌 리를 내리는 경우가 아주 많다
자연발생적으로 자 라는 대부분의 나무 들은 아무렇게나 뿌 리를 내리면서 땅 속으로 파고든다.
이렇게 파고든 뿌리 들이 밀어내기도하 고 밀어올리기도 하 므로 블록을 파손시 키는 원인이 된다.
호안블록의 미끄러 져 내림이나 파손의 가장 큰 원인은 제 방에서 자연발생적 으로 자라는 나무 뿌리 때문일 것이다 (블록의 미끄러져 내림은 블록과 지반 의 마찰력감소가 가 장 큰 원인이다).
호안블록의 미끄러 져 내림은 그 정도 가 심한 영동 5교에 서 6교 사이 특정한 블록([그림15] 붉은 색 화살표)을 대상 으로 긴 시간에 걸 쳐서 관찰하고 그 결과를 기록하여 분 석한다.
추가 세부사항
① 아래 제방 하단의 흙무더기의 발생과 나무뿌리들이 블록들 사이의 틈새로 파고 들어 블록의 파손이나 미끄러져 내림을 유발시키는데 있어서 가장 큰 영향을 미치 는 것이 호안블록의 구조다. 따라서 위의 문제에 대한 해결방법을 찾는데 있어서 호 안블록의 구조에 대한 연구가 반드시 병행되어야 한다.
② 물체가 비탈면에 있을 경우, [그림17]처럼 물체에 작용하는 모든 힘을 분석할 필 요가 있다. 이러한 모든 힘을 고려해야만 제방의 블록이 지반을 누르는 힘을 알 수 있고, 이 힘을 알아야 이 힘을 견딜 수 있는 적당한 비탈 멈춤도 설치할 수 있을 것 이다.
[그림11] 제방의 호안블록 미끄러져 내린(붉은색 화살표) 모습.
[그림12] 나무뿌리가 블록들사이로 파고들어가 블록이 깨지고 위로 솟은 모습.
[그림13] 나무뿌리가 블록들 사이로 파고들어간 여러 가지 모습들을 보여주고 있다.
[그림14] 제방의 호안블록 위로 20cm이상으로 두껍게 쌓여있는 흙.
[그림15] 아래 제방 하단의 배수로 옆으로 쌓여있는 흙무더기.
[그림16] 아래 제방 하단의 배수로 옆으로 쌓여있는 흙 무더기.
■ [그림21]처럼 비탈면에 나타난 각각의 힘에 대해서 정리해 보자.
[그림17] 비탈면에 있는 물체가 받는 여러 가지 힘
① 먼저 질량이 m인 물체에 작용하는 중력은 물체의 무게로서 mg이다.
② 수평중력인 물체를 아래로 끄는 힘은 mg∙sinθ(θ는 비탈면이 기울어진 정도를 나타낸다)
③ 수직중력은 물체가 받는 중력(무게)의 수직성분으로 접촉면을 누르는 힘인 mgcosθ.
④ 수직항력은 물체가 접촉면을 누르는 힘인 수직중력과 크기가 같고 방향이 반대 인 힘으로 N으로 나타낸다.
⑤ 마찰력은 물체가 미끄러지지 않도록 잡아주는 힘으로 수직항력에 마찰계수를 곱 한 값으로 μ∙N = μ∙mg∙cosθ로 나타낸다.
이상의 내용에서 다음을 알 수 있다.
물체가 비탈면 아래로 미끄러지는 것을 방지하는 힘은 마찰력(μN = μ∙mg∙cosθ) 이고, 그 힘은 마찰계수(μ)에 달려있음을 알 수 있다. 즉 마찰계수가 클수록 잘 미끄 러지지 않는다. 그러므로 마찰계수를 크게 하여 지면이 물체가 미끄러지지 않도록 강 하게 잡아줘야 한다.
결국 현재 상태에서 제방의 블록이 미끄러져 내리지 않게 하려면 지면(비탈면)이 블록을 강하게 잡아주는 마찰력을 크게 해야 하므로 접촉면에는 작은 크기의 흙 입자 (알갱이)들이 많이 존재해야 한다. 그런데 현재는 작은 흙 입자들이 빗물과 함께 아래 로 흘러내려 갔으므로 비교적 큰 흙 입자들과 블록이 접촉하고 있어서 그만큼 마찰력 이 많이 감소한 상태다.
따라서 ‘제방의 블록들이 아래로 조금씩 미끄러져 내려가고’ 있으며 이러한 미 끄러짐을 막아주는 비탈 멈춤도 제 역할을 다하지 못하고 있는 것 같다.
○ 소로
문제점 원인 가설설정 실험(관찰)
[그림18]의 파란 선 처럼 소로의 제방 쪽 지반 침하로 많 이 경사져(심한 곳 은 8도 정도) 있어 서 비가 오면 빗물 이 많이 고이는 부
콘크리트로 된 소로 의 노면은 많이 갈 라져 틈이 많다. 이 틈으로 빗물이 흘러 내려가면서 흙을 씻 어 내려갔기 때문에 지반이 많이 침하했
소로의 경우 노면이 낮음에도 불구하고 빗물이 고이지 않는 다면 노면의 갈라진 틈새로 흘러간 빗물 의 씻김 작용으로 지반이 침하했을 것
지반 침하로 노면이 경사져 있지만, 비 가 올 경우 빗물이 고이는 경우와 고이 지 않는 경우를 비 교하면 노면의 갈라 진 정도를 알 수 있
분도 있지만 고이지 않는 부분도 있으 며, 노면이 갈라지 거나 가장자리부분 이 파손된 곳도 많 다. 특히, 영동4교와 5교 사이가 심한 편 이다.
을 것이다. 이다. 다.
[그림18]의 붉은색 화살표처럼 제방의 배수로가 소로 쪽이 막혀 있어서 물이 제대로 빠져나갈 수 가 없고, 소로의 배 수로도 너무 작고 막혀있어 배수로가 제 역할을 못한다.
제방의 배수로와 소 로의 배수로가 제대 로 설치되어 소로의 빗물을 잘 배수 시 켜준다면 빗물에 의 한 흙의 씻김 작용 을 감소시켜 지반 침하를 방지할 수 있을 것이다.
배수로가 있는 경우 와 배수로가 없는 경우에 소로의 노면 에 빗물이 고이는 정도를 관찰해보면 배수로의 중요성에 대해 좀 더 알 수 있을 것이다.
추가 세부사항
① 소로와 제방의 경계 면을 따라서 지반이 많이 침하 되어있으므로 소로의 노면은 제방 쪽으로 많이 경사져 있다. 이러한 소로의 경사를 유발하는 요인 중 다른 한 가 지는 제방 사면에 설치한 호안블록들이 아래로 누르는 힘 즉, 블록들의 무게 때문일 것이다.
② 호안블록들의 아래로 누르는 힘에 의해서 블록들이 아래로 미끄러져 내림을 방 지하기 위한 비탈 멈춤이 설치되어 있다. 그러나 이들 비탈 멈춤이 블록들의 무게를 제대로 감당하지 못하기 때문에 비탈 멈춤이 조금씩 침하되면서 제방과 접하는 소 로 부분도 함께 침하 되었을 것이다.
이상의 이유로 소로에는 경사가 심한 부분이 발생했을 것으로 생각한다. 배수로 수와 배수로 상태도 파악해야 할 것이다.
[그림18] 위 그림은 소로의 경사진 정도(큰 경우 대략 8도)와 파손 상태를 잘 보여주는 그림이다. 아래로 세 번째 왼쪽은 제방에 설치된 배수로, 오른쪽은 제방 사면을 따라서 소로 쪽으로 설치된 배수로인데 끝부분이 붉은 화살표처럼 막혀있어서 흙이 쌓여서 풀 이 자라고 있다. 소로에 설치된 수로는 지름이 8cm인 PVC파이프로 너무 작은데다 막 혀있어서(흰색 화살표) 배수로의 기능을 제대로 하지 못하고 있다. 맨 아래는 소로에 빗물이 고여 있는 경우(파란 화살표)와 고여 있지 않는 경우(노란 화살표)이다.
○ 목재계단
문제점 원인 가설설정 실험(관찰)
목재 계단을 교체할 때는 [그림20]처럼 계단 시설물을 모두 뜯어내고 기초공사 부터 다시 한다. 뜯 어낸 자재들 중에 사용이 가능한 것들
뜯어낸 목재를 다시 사용하기 위해서는 손상된 부분은 잘라 내야 한다. 그런데 잘라내고 남는 부분 은 길이가 짧아서 현재 설치되어 있는
목재 계단 교체 시 에 완전히 뜯어내지 않고 기존의 시설물 을 다시 활용할 수 있을 것이며, 길이 가 짧아진 목재들에 대한 재활용이 가능
기존의 목재 계단에 서 뜯어낸 목재들 중에서 손상된 부분 을 잘라낸 길이가 짧아진 목재들을 재 활용이 가능한 방법 을 연구한다.
[그림19] 파란색 화살표가 가리키는 부분은 목재가 휘어서 고정시키는 작업을 한 것이 고, 붉은 색 화살표가 가리키는 것은 목재를 쇠못으로 고정한 가장자리 썩은 부분을 가리킨다.
도 있을 수 있지만, 모두 폐기한다.
계단에는 사용할 수 가 없다.
한 방법도 있을 것 이다.
목재 계단에 사용한 목재들은 [그림20]
에서 보는 것처럼 양쪽 끝부분이 휘거 나 파손된 경우가 대부분이다.
목재가 휘는 것은 한쪽은 부피가 늘어 났고 한쪽은 감소했 기 때문이며, 쇠못 으로 고정한 부분은 목재 속으로 물이 틈새로 깊이 스며들 기 때문에 물이 스 며든 부분은 썩어서 파손된다.
목재 계단의 목재들 이 휘거나 썩지 않 고 오래도록 사용이 가능한 방법이 있을 것이다.
목재에서 앞뒤의 부 피가 서로 다를 경 우에 휘게 된다. 즉, 목재가 물에 젖음과 건조를 반복하는 과 정에서 빨리 건조되 는 부분과 늦게 건 조되는 부분들 사이 에는 부피 차가 발 생하며 그러한 부피 차로 인해서 목재는 휘게 되는 것이다.
추가 세부사항
목재 계단을 교체하는 과정에서 낭비되는 자원이 많으므로 낭비되는 자원을 재 활용할 수 있는 방법을 찾는 것이 중요하다. 버려지는 목재를 재활용할 수 있는 방 법을 찾는다면 친환경적이면서도 경제적인 효과가 클 것이다.
[그림20]목재 계단공사과정을 나타낸다. 위쪽 왼쪽부터 시계방향순서이다.
○ 시행착오 극복 등
(1) 친환경 호안블록 시공현장 답사
화성 동탄 신리천과 전남 보성 벌교천, 전남 장흥 한승원길을 답사하기 전까지는 호안블록 의 중요성을 제대로 인식하지 못했으며 연구도 원활하지 못하였다. 그러나 이들 자문 교수님 의 소개로 다녀온 답사와 선행연구를 계속해 감에 따라 생태하천복원에서 호안블록이 대단히 중요한 역할을 한다는 것을 잘 알게 되었다
(2) 친환경적인 호안블록과 목재계단의 구상
답사 후 자원을 절약하고 친환경적인 양재천을 만들어보자는 취지에서 자문 교수님 과 지도 교사님과의 조언을 바탕으로 현재의 블록과 목재계단의 목재를 재활용하면서 자원절약의 효과도 있는 호안블록과 목재계단을 구상하게 되었다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 연구 과정 요약
(1) 양재천 현장조사 후 호안블록에 대한 연구를 위해서 자문 교수님과 상의하여 화성 동탄 신리천 ‘바이오 호안블록’, 전남 보성 벌교천과 전남 장흥 한승원길 ‘트리온 호안블 록’시공 현장 답사.
(2) 선행연구에 대한 다양한 자료조사
(3) 6회에 걸친 양재천 현장을 조사하고, 조사한 결과를 바탕으로 구체적인 연구계획수립.
그리고 이 때 관찰하거나 조사한 내용은 아래와 같으며, 순서에 준해 연구를 진행했다.
▶ 이 과정에서는 자문 교수님과 지도 교사 선생님과 많은 협의를 거쳐 진행.
① 빗물에 의한 흙의 씻김현상을 증명하기 위해서 제방의 6지점을 골라서 그 지점의 상단과 하단 전체 12곳의 흙(샘플)을 채취하여 흙 입자의 크기와 그 속에 포함된 5가지(이산화 질소(NO2), 질소(NO3), 암모니아(NH3), 알칼리도(Total Alkalinity=Al), 전기전도도(EC)) 성분의 함량을 각각 비교해 분석하였다.
② 흙의 입자크기는 거름종이를 이용했으며, 성분분석은 eXact ECO-CHECK를 이용하 여 NO2, NO3, NH3, Al을 측정하고, 전기 전도도(EC)는 Multi Sensor Meter SX723을 이용해 측정하였다.
③ 호안블록의 미끄러져 내림은 양재천의 영동5교와 6교 사이의 벤치 옆에 있는 몇
개의 블록에서 뚜렷하게 나타나고 있어서 이들 블록을 연구대상으로 지정하여 연구기간(약 5개월)동안 관찰한 결과를 정리해 비교분석하였다.
④ 수목뿌리에 의한 호안블록의 파손은 연구구간(대치교~영동 2교) 전체에서 나타나는 현상들이다.
⑤ 답사를 다녀온 신리천의 ‘바이오 호안블록’이나 ‘트리온 호안블록’이외에 선행 연구를 통해서 현재는 대부분의 호안블록들에 초목이 자랄 수 있는 공간을 둔다는데 힌트를 얻어서 기존의 블록을 이용하면서 블록들 사이에 공간을 두는 방법으로 ‘재활용 호안블록’
을 구상하게 되었다.
⑥ 2017년 10월 1일 양재천 조사과정에서 12:00에 비가 왔다. 그래서 영동 2교 피자 헛에서 피자를 먹고 휴식을 취한 후, 14:00쯤 비가 갤 때 산책로와 소로에 빗물이 고이는 정도를 파악하기 위해서 다시 양재천을 답사했다.
이 과정에서 소로의 경사진 부분 중에 많은 부분들이 빗물이 고여 있지 않다는 것을 확인하였다. 빗물이 콘크리트의 갈라진 틈새로 다 흘러내려 간 것이다. 생각보다도 심각했다.
⑦ 목재 계단의 경우도 새로 교체하는 현장을 직접 관찰하고 조사하였다. 계단의 목재를 뜯어낸 후 바닥의 콘크리트를 포크레인으로 완전히 제거하고 그 위에 다시 처음부터 작업하 는 현장을 볼 수 있었다.
이외에도 매우 많은 것을 조사했지만, 문제의 심각성과 중요도를 기준으로 순위를 매겨 위의 4가지에 대한 연구만을 진행했다.
○ 실험 결과 (1) 산책로
① 산책로 가장자리 흙 입자량의 비교
[그림21]는 거름종이로 측정한 크기가 3㎛~25㎛인 흙의 무게를 비교한 것으로 웃 제방 하단 흙 속에 들어있는 흙의 양이 상단보다 평균 28% 더 많음은 알 수 있다.
② 산책로 가장자리 흙 속에 들어있는 성분량의 비교
[그림22]는 웃 제방 하단의 흙 속에 들어있는 5가지 성분 함량이 상단보다 평균 21.6% 더 많이 포함되어 있다는 것을 잘 보여주고 있다.
▲ 위의 두 가지 사실로부터 제방 상단의 산책로에 있어서 지반 침하가 있음을 알 수 있다.
[그림21] 제방의 12곳에서 채취한 흙의 일정한 크기(3~25㎛)의 입자량 비교.
[그림22] 제방의 12곳에서 채취한 흙 속에 들어있는 5가지 성분 함량의 비교.
(2) 제방
① 제방 사면을 덮은 흙이 빗물 등에 의해서 아래로 밀려 내려와 제방 하단에 쌓
인 흙무더기.
아래 [그림23]의 위의 그림은 제방공사를 보여주는 좋은 예다. 제방을 공사할 때, 먼저 호안블록으로 사면을 덮는 공사를 한 후에 왼쪽 그림처럼 블록 위를 흙으로 덮은 후 오른 쪽 그림처럼 흙 위에 잔디를 덮고 공사를 마무리한다는 것을 잘 보여주고 있 다. 이러한 사실로 미루어 볼 때, 제방의 공사는 먼저 제방 사면을 블록으로 덮고 그 위에 다시 흙을 덮은 다음 잔디나 수목을 심는 순서로 진행한다는 것을 알 수 있다.
따라서 [그림23]의 아래 그림에서 보는 것처럼 웃 제방에는 수목들 사이로 흙은 없 고 블록들만 보인다. 맨 처음 공사할 당시에는 블록 위에 흙이 있었지만, 시간이 지나 면서 흙이 빗물 등과 함께 아래로 쓸려 내려와 아래 제방 하단(파란색 화살표가 가리 키는 부분)에 쌓이게 되었음을 알 수 있다.
[그림23] 위쪽 그림은 공사 후 호안블록으로 시공한 후 흙을 덮고(노란 화살표) 며칠 후 잔디로 덮은 모습(파란 화살표). 아래 그림은 웃 제방(빨간 화살표가 가리키는 노란 선 위)에서 흙이 쓸려 내려와 아래 제방 하단의 배수로 양 옆으로 쌓여있는 모습들을 나타낸다(파란 화살표). 이외에도 다양한 모습으로 쌓여있다.
② 영동 5교와 6교 사이 특정 호안블록 미끄러져 내림 관찰 결과([그림24] 참조) ▶ 2017.5.12.~2017.10.1.까지 5개월 동안 약 0.98cm 미끄러져 내림.
제방 사면에 자연발생적으로 자라는 수목의 뿌리에 의한 호안블록의 파손이나 자리 이 탈과 지반 침하 등에 의한 마찰력 감소로 호안블록이 미끄러져 내리는 속도가 빠르고 아래로 누르는 힘을 견디지 못하다 보니 블록이 위로 솟아오른다는 것을 확인할 수 있 었다.
따라서 땅 속으로 파고든 다양한 수목 뿌리나 초목뿌리들에 의한 지반의 불균일함 으로 인해서 블록이 제방아래쪽으로 미끄러져 내릴 뿐만 아니라 위로 솟는 현상도 발 생할 수 있음을 알 수 있다.
[그림24] 2017.5.12. 17.3cm, 2017.8.25. 18.5cm, 2017.10.1. 현재 19.2cm로 1.9cm(파란 화 살표) 정도 더 위로 솟아 있고 아래로는 0.98cm(빨간 화살표) 더 미끄러져 내림.
▶ 호안블록이 비탈면을 미끄러져 내린 실제 거리 계산은 다음과 같다.
=36.07. 실제 미끄러져 내린 거리=40-36.07=3.93cm
=35.46. 실제 미끄러져 내린 거리=40-35.46=4.54cm
=35.09. 실제 미끄러져 내린 거리=40-35.09=4.91cm
약 5개월 동안 호안블록이 미끄러져 내린 거리는 0.98cm 이다.
③ 제방 하단에 설치된 비탈 멈춤도 개선하는 것이 반드시 필요([그림24] 참조).
웃 제방의 경우 제방 사면의 연직방향으로 배열한 호안블록(가로x세로x두께=40cm x40cmx10cm)의 개수는 대략 31개(실제 측정한 제방 사면 평균 폭이 약 1,250cm/40.2=31, 40.2로 하는 것은 블록을 제방에 설치할 경우 실제 차지하는 면적).
개당 무게는 약 32kg(선행 연구에 의하면 2,000kg/m3기준)이고 제방의 경사도를 45 도, 제방 마찰계수 0.65로 하면 블록 한 개가 미끄러져 내리는 힘은 약 18.2kg이다.
이제 웃 제방의 경우 폭 40cm의 제방 사면에 위로부터 호안블록 31개가 누르고 있 으므로 40cm의 지반에 작용하는 전체 무게(누르는 힘)는 약 564.2kg이다. 이 힘이 폭 100cm의 지반에 작용하는 힘으로 계산하면 1,411kg(564.2X2.5=1,411. 100/40=2.5)이다.
따라서 [그림25]에서 보는 바와 같이 호안블록이 1,411kg 의 무게로 100cm의 지반 을 누르고 있으므로 비탈 멈춤이 대단히 견고해야 함을 알 수 있다
[그림25] 웃 제방 하단의 비탈 멈춤. 그림처럼 비탈 멈춤이 제대로 설치가 된 곳이 있 는가 하면 설치 여부를 정확하게 알 수 없는 곳들도 많다.
(3) 소로
① 노면의 갈라진 틈새로 흘러내려가는 빗물
[그림26]에서 산책로와 소로에 빗물이 많이 고인 곳과 고이지 않은 곳을 뚜렷하게 구 분할 수 있다.
[그림26]의 노란색 화살표는 양재천 소로에서 노면이 가장 낮은 부분으로서 경사가 가장 심한 부분 중 한 곳이다. 빗물이 가장 많이 고여 있어야 하는데 고여 있지 않으 므로 빗물이 틈새로 흘러내려갔음을 알 수 있다.
[그림26] 맨 위만 산책로, 아래는 모두 소로. 소로(왼쪽으로 경사가 심한 곳, 노란 화살 표)에 빗물이 고이지 않음, 많이 고임(파란 화살표), 소로에 배수로가 없어서 그림처럼 낮은 부분에 물이 많이 고여 있다.
② 소로에서의 심각한 배수로 문제
소로에 있어서 또 다른 문제인 노면 물고임 현상은 [그림24]에서 보는 것처럼 배수 로가 막혀있고 제대로 설치되어 있지도 않다.
[표3] 양재천 제방의 대치동 쪽 배수로 현황
구분 영동2교
~영동3교
영동3교
~영동4교
영동4교
~영동5교
영동5교
~영동6교
영동6교
~대치교 합계
[그림27] 왼쪽은 배수로(붉은색 화살표) 끝이 막혀있어서 풀이 자라고 있고, 물도 고여 있다. 오른쪽은 제방 하단(파란 화살표)에 고여 있는 물을 나타낸다.
(4) 목재계단
▶목재계단 수(대치교~영동2교) : 17개(대치동 쪽 천변)+20개(개포동 쪽 천변)=37개,
[그림26]의 아래 오른쪽 그림에서 좌측 계단의 목재들은 젖어있고, 우측 바닥의 목 재는 빗물에 잠겨있다. 결국 목재 계단에 사용된 목재는 젖음과 마름을 반복하는 과정 에서 발생하는 목재의 앞∙뒤 부피 차이로 나무의 뒤틀림이나 휨이 발생한다.
또한 목재를 고정하는 쇠못이 있는 부분은 쇠못을 고정하는 과정에 목재가 손상되 고 그 부분으로 물이 스며들게 되므로 다른 부분보다도 빨리 파손되는 경우가 발생 한다.
○ 연구 결론
(1) 산책로와 소로는 지면 침하로 노면이 갈라지고 경사지는 것을 방지하기 위해 탈 배수로 수 15개 4개 7개 6개 2개 34개 소로 PVC
배수로 수 9개 6개 11개 9개 0개 35개
상태
소로 2년 전 공사
소로 2년 전 공사
이 구간의 소로 상태 및 배수로 상태 가장
나쁘다.
PVC관 모두 막혀
있음.
배수로가 전혀 없음.
소로 전체 에 걸쳐서
배수로가 많이 부족
한 상태.
∙부착과 보수작업이 쉽도록 연결고리가 있는 블록으로 시공한다.
① [그림1], [그림10]에서 노면에 작용하는 힘의 정리
산책로의 경우 노면이 견뎌야 하는 단위 면적당 힘은 노면의 무게 400~600kg에 지 나가는 사람의 몸무게(70kg 한 사람의 몸무게 기준)를 더하면 최소한 470~670kg을 견 뎌야 한다.
그런데 노면을 5~10cm 두께의 콘크리트로 시공할 경우 이미 아래쪽에 20cm 이상 두께의 콘크리트로 된 노면이 존재하므로 이보다 1/2정도 얇게 시공한 새로운 콘크리 트 노면이 자신의 두 배 이상 되는 무게를 감당할 수 없는 것은 당연하다.
그러므로 시간이 지나면 새로 시공한 콘크리트 부분도 갈라지고 또 파손될 수밖에 없는 것이다.
② 노면의 파손을 방지할 수 있는 근본적인 해결방법
노면 아랫부분뿐만 아니라 제방 전반에 대해서 침하된 부분은 흙으로 채우고 다져 주어서 침하된 만큼의 지반을 보강해주어야 한다.
지금처럼 계속해서 콘크리트로만 시공할 경우 새로 시공된 콘크리트부분이 오래 견뎌내지 못할 것이며, 빗물에 의한 제방 흙의 씻김 현상으로 제방의 지반 침하는 더 욱 가속화 될 것이 분명하다.
③ 산책로와 소로의 경사와 파손을 방지할 수 있는 해결 방법 : 탈∙부착이 가능한 블록으로 시공
산책로와 소로를 [그림28]처럼 탈∙부착이 가능한 블록 형태로 제작하여 설치한다.
그리고 주기적으로 블록을 걷어내고 지반 상태를 점검하고 흙을 보충해 주면 지반의 침하를 방지할 수 있으며, 노면의 갈라짐이나 파손도 방지할 수 있을 것이다.
단, 블록으로 노면을 시공할 경우 [그림29]의 파란 화살표처럼 반드시 지반 위에 받침 콘크리트를 설치하고 그 위에 블록을 올려서 고정한다.
[그림28] 산책로와 소로의 탈∙ 부착이 가능하고 연결고리가 있는 블록.
[그림29] 산책로 연결 블록(빨간 화살표)을 시공할 때 지반에 먼저 설치하는 받침 콘크 리트(파란 화살표) 빗물받이(노란 화살표).
(2) 물고임이나 흙 씻김으로 인한 지반 침하를 막기 위해 빗물받이와 배수로 설치.
① 산책로 가장자리에는 빗물받이를 설치
산책로 가장자리에는 빗물받이를 설치하여 빗물을 모으고 모인 빗물은 제방에 설치 한 배수로(제방 배수로)를 따라서 배수하도록 한다. 그리고 소로와 제방이 만나는 경계 면에도 배수로(경계면 배수로)를 설치하여 제방 배수로와 경계면 배수로는 다시 소로를 가로지르는 배수로(소로 배수로)를 통해서 제방 밖으로 배출하도록 해야 할 것이다.
즉, 빗물받이와 배수로를 하나로 연결하여 제방에 모이는 물을 모두 제방 밖으로 빼 주도록 한다.
② 배수로 설치
❶ 대치교에서 영동2교까지 3,950m 이므로 20m단위로 배수로를 설치할 경우 190 여개가 필요. 현재 제방 배수로 34개, 소로 배수로 35개로 필요 수량의 18%로 턱없이 부족한 상태로써 양재천 제방의 배수시설이 얼마나 부족한지를 잘 보여주고 있다.
▶ 여기서 배수로를 20m 간격으로 설치하는 것은 비나 눈이 많아 올 경우를 대비 하여 충분히 배수가 되도록 하기 위함이다.
❷ 노면에 고인 물은 시간이 지나면 없어지지만, 노면에는 우리가 보지 못하는 미 세한 갈라진 틈이 있으며 그 틈으로 물이 아래로 스며들어 흙을 씻어 내려가면 또 다 시 지반이 침하 될 것이므로 배수로를 설치하여 물이 고이지 않도록 하는 것이 대단히 중요하다.
(3) 정리하면
산책로에 설치할 빗물받이와 제방 배수로, 경계면 배수로 그리고 소로배수로를 하나
로 연결하여 제방에 모인 전체 물을 모두 제방 밖으로 배출시켜야 제방의 지반 침하를 예방할 수 있을 것이다. 이렇게 함으로써 노면 경사와 파손을 현저하게 감소시킬 수 있을 것이다.
3) 수목 뿌리로 손상된 호안블록을 재활용블록으로 대체하고 제방 하단에 비탈 멈춤 설치 및 정비.
(1) 제방 호안블록의 정비 필요성
① 제방 사면의 수목들은 자연발생적으로 자라고 있으므로 아무렇게나 아무 곳에서 나 뿌리를 내리고 있다. 그러다 보니 블록 사이의 아주 작은 틈으로 뿌리가 파고들면 서 블록을 밀어 올려 위로 솟은 부분도 있고, 옆으로 밀어 파손된 경우, 뿌리가 블록을 완전히 감싸고 있는 경우 등 아주 다양하다.
[그림30] 양재천 관리 사무소 옆 50m 지점에서 발생한 지름이 1.5m 정도 깊이 0.7m 정도 침하된 지반. 노란 원 안쪽.
② [그림30]에서 보는 현상들이 제방 전체에 걸쳐 나타나고 있다. 또한 계획서 제출 당시 [그림30]처럼 양재천 관리 사무소 옆 50m 지점에서 발생한 지름이 1.5m 정도 깊 이 0.7m 정도 침하된 지반은 아직 그대로 남아있는 상태이다.
이처럼 수목 뿌리가 어지럽게 뻗어있다 보니 블록이 제자리를 잡고 있는 경우가 많 지 않다. 소목을 위해서나 제방 보호를 위해서 블록이 제방을 보호하면서 수목들의 성 장에도 도움이 되는 방향으로 호안블록을 개선해 나갈 필요가 있다.
(2) 새로운 호안블록인 재활용호안블록의 필요성
① 기존의 블록을 활용하면서 새로운 구조의 호안블록을 만들어 수목과 제방을 동 시에 보호하는 것이다. 그래서 이름을 ‘재활용 호안블록’이라 하며 블록과 블록사이 에는 둥근 팽이 모양의 ‘팽이블록’으로 서로 연결하여 블록과 블록 사이에 공간을 둔다.
이 두 가지 블록을 연결하여 만든 완전한 재활용블록의 모양은 [그림31]의 아래 모양 이다.
② 재활용 블록은 블록과 블록 사이 공간으로 수목의 부리를 보호해줄 뿐만 아니라 초목들의 생육에도 도움을 준다. 뿐만 아니라 탈∙부착이 용이하므로 블록 아래 일부 지반이 침하할 경우 흙을 보충하고 다져줄 수 있으므로 제방 보호에도 큰 도움이 될 것이다.
③ 제방에 문제가 발생하여 블록을 뜯어내고 작업할 경우 배수로 설치 구간이 20m 이므로 이 구간의 블록만 뜯어내고 작업을 하므로 작업도 용이할 것이다.
[그림31] 호안블록을 재활용하여 팽이블록과 연결한 모형.
(3) 호안블록의 경우 수목이 자랄 수 있는 틈(공간)을 두어야 하는 이유
① [그림5], [그림32]의 바이오 블록이나 트리온 호안블록처럼 현재 많이 시공하는 호안블록들은 수목이 자랄 수 있도록 호안 블록에 공간(틈)을 둔다.
[그림32] 화성시 동탄면 신리천. 노란선 사이가 호안블록이고 우측 아래는 실제 신리천 에 설치되어 있는 바이오 호안블록의 모습(2017.7.22. 답사), 수목이 자랄 수 있도록 블 록 사이에 흙을 채운 공간이 있다.
② 이러한 공간을 둠으로써 수목들의 뿌리에 의한 블록의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 지반과 블록의 마찰력 감소로 인해 블록이 제방 사면을 타고 아래로 미끄
러지는 것을 블록의 공간에서 자라고 있는 수목들이 막아줄 수 있을 것이다.
③ 블록에 공간을 둠으로써 흙이 아래로 쓸려 내려간 경우 바로 확인이 가능할 뿐 만 아니라 흙을 보충하기도 편리하다.
4) 목재 계단
(1) 목재 계단 1개(가장 큰 계단 기준) 교체 비용
설치비용+폐기물 처리비용+각종 보험료+부가세 포함 약 5,000만원 소요된다고 한다.
양재천에 설치되어 있는 목재 계단 전체를 교체한다고 가정하면 5,000X37=18.5억원 필요
▶ 목재 계단 시공 시 필요한 자재비용은 1,000만원 ~1,500만원으로 양재천 전체 비 용으로 환산하면 3.7억 원~5.55억 원이다. 현재 비용의 75% 이상인 약 14억 원의 비용 절감이 가능하다.
(2) 탈∙ 부착이 가능한 목재 계단
① [그림33]처럼 목재 계단도 콘크리트로 제방에 고정된 틀을 만들고 그 위에 목재 를 고정하지만 탈∙부착이 가능하도록 하여 주기적으로 목재를 뒤집어준다. 이렇게 함 으로써 목재의 건조에 용이할 뿐만 아니라 목재의 휨을 예방할 수 있고, 목재의 수명 도 늘릴 수 있을 것이다.
② 계단 폭을 다르게 하여 큰 폭의 계단에 사용한 목재는 폭이 작은 계단을 수리할 때 재사용할 수 있도록 함으로써 자재의 낭비를 줄일 수 있으므로 경제적인 효과도 클 것으로 생각한다.
[그림33] 목재 계단. 왼쪽부터 계단의 단면, 윗면, 뒷면 순이다.
