水 工 學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集
第31卷 第4B 號·2011年 7月 pp. 323 ~ 332
현장 인발시험을 통한 수목의 한계 전도모멘트 검토
Investigation of Critical Breaking Moment through Field Tree-Pulling Test
임동균*·김 원**·최성욱***·김용전****
Im, Dongkyun
·Kim, Won
·Choi, Sung-Uk
·Kim, Yongjeon
···
Abstract
In order to properly manage trees in rivers, the impact of trees on flooding and their ecological characteristics need to be con- sidered and a plan needs to be established. The hydraulic impact by trees is reduction of conveyance and hydraulic structure's function due to overturn arising from flow force. A field pulling test was carried out to measure the critical resistance force for when trees break in order to discover the level of resistance that trees inside the river have to external force. The relevant fac- tors for discovering the critical breaking moment for trees include tree species, which determines the external characteristic of trees, tree diameter at breast height, and tree height. In this study, the correlation between critical breaking moment and diam- eter at breast height were used. The tree's limit or critical breaking moment was tested using 100 shrubs and tall trees with a breast height diameter of 4.9 to 32.8 cm. It was difficult to derive a correlation between diameter at breast height and critical breaking moment when shrubs and tall trees were being considered together, but when only tall trees were considered, a con- sistent correlation was found between them.
Keywords : tree, conveyance, overturn, critical breaking moment, pulling test
···
요 지
하천에서수목의관리를위해서는수목이홍수에미치는영향이나생태적특성을고려하여대책을수립하여야한다. 수목 에의한수리학적영향은 통수능감소와 유수력에의한전도로인한 하류하천시설물의기능 저해이다. 현장인발시험은
수목이전도될때의최대저항력을측정하여, 하천내의수목이외력에저항하는정도를파악하기위해시행하였다. 수목의 전도모멘트를파악하기위한인자는 수목의외형적특성인수종, 흉고직경, 수고등이며, 본연구에서는전도모멘트와흉고 직경의상관관계를이용하였다. 수목의한계전도모멘트는흉고직경 4.9-32.8 cm의관목과교목 100주를바탕으로검토되었 다. 교목과관목을함께고려할경우에는흉고직경과한계전도모멘트의상관관계를도출하기어려웠다. 그러나교목만을고
려할경우에는흉고직경과한계전도모멘트사이에일정한상관관계가있음을확인하였다.
핵심용어 : 수목, 통수능, 전도, 한계전도모멘트, 인발시험
···
1. 서 론
하천 고수부지
(
또는 홍수터)
의 이용측면에 있어서 과거에 는 시민의편의성만을고려하여주차장및 체육시설을도입 하였으나, 90
년대 후반부터국토해양부에서는 경관 또는 환 경측면을고려하여하천구역내 수목및 생태서식처도입을권장하고있다
. 1999
년 개정된 하천법에서는하천환경의정비와보전에 관한사항을 추가함으로써하천관리에있어 하 천구역 내 수목 식재 및 생태 서식환경의 중요성을 강조하 였다
.
현재,
하천에서 수목 식재 및 관리는 하천법(
개정2008.2.29,
법률 제8852
호)
제33
조제1
항제6
호 및 시행령(
전문개정
2008.4.3,
대통령령 제20763
호)
제35
조제1
항제2
호의규정에 따르며
,
하천점용허가세부기준(
국토해양부, 2010)
에 수목의 식재·벌채허가 및 관리에 관한 세부기준이 수립되 어 있다.
상기기준에 의해 하천구역내 수목식재 및 관리 가 진행되어 물과 녹음이 어우러지는 생태공간으로서의 하 천조성에기여하고있다.
이와같은 하천변 수목식재를 위해서국내에서는 하천변 수목에 대한 자료 구축과 수목 안정성 평가에 대한 연구
(
건설교통부, 1997;
이진원과유대영, 1997)
및 지침(
건설교통부
, 1998;
건설교통부, 2007)
이 발간되었다.
수문특성이유사한 일본에서도 하천에서 수목식재를 수행할 때 고려하 여야 하는 치수 및 환경사항에 대한 기준
(
建設省, 1998)
및 해설서
(
リバ一フロント整備センタ一, 1999)
를 마련하여*정회원·삼성물산(주) 건설부문과장 (E-mail : dongkyuns.im@samsung.com)
**정회원·한국건설기술연구원연구위원 (E-mail : wonkim@kict.re.kr)
***정회원·교신저자·연세대학교공과대학토목환경공학과교수 (E-mail : schoi@yonsei.ac.kr)
****한국건설기술연구원연구원 (E-mail : wasu3ri@kict.re.kr)
수목의 안정성을 평가하고 있다
.
유럽과 미국에서도 하천 내 수목에대한 기준을 제시하고있으나,
국내와 같이 수목 의 안정성에 대한 고려는 하지 않고 있다.
다만,
하천 내 수목 중 통수능에 지장을 초례하는 것만 제거하고 관리에 초점을맞추고 있으며,
제방을제외한 대부분의 하천구역에 수목식재를 허용하고 있다(NRA, 1994; Cappiella
등, 2005).
전술한바와같이
,
하천구역 내수목은생태계,
경관,
친수 등과같은 하천환경측면에서중요한요소로 간주되고있다(Helmio, 2005).
그러나 하천구역 내 수목은 흐름 저항의증가
(Kouwen
과Fathi-Morgan, 2000)
유발하여하천의 통수능력을 저하
(Darby
와Thorne, 1996)
시키는 직접적인 피해뿐만 아니라
,
흐름장의 변화로 인한 주 수로 유속의 증가(Huang
등, 2002; Yang
등, 2007)
와 지형 변화(Wyzga,
2001)
와 같은간접적인피해를 발생시킨다.
또한,
수목이 제방과인접하여식재되었을경우에 제방의국부세굴을 촉진 시킬수 있다
(
リバ一フロント整備センタ一, 1999).
이상과같이 수목과관련된대부분의 연구는수목의 의해 발생하는흐름저항과관련된연구이다
.
그러나하천내 수목은 흐름저항증가에 의한 통수능감소뿐만 아니라
,
흐름 및 바람에 의해 전도되어 하류의 유송잡물로 작용할 수 있다.
이러한유송잡물은교량에주변에걸려서하도를폐색
(
閉塞)
시 키거나교각주위 국부세굴을증가시킨다(Melville
과Dongol,
1992).
이와 같은 수목의 치수적 악영향배제시키기 위해서는 수목의안정성을 평가할수 있어야 한다
.
이진원과 유대영
(1997)
은78
주의 하천변 수목을 대상으로 현장 인발시험을시행하여흉고직경과 수목의인발에 대한저항력의관 계를 검토하였다
.
リバ一フロント整備センタ一(1999)
는84
주의현장 인발시험을 토대로흉고직경과 수목의한계 전도 모멘트의 관계를 제시하였다
.
하천구역 내 수목에 대한 평 가 이외에 유사한 연구로 산지에서 바람에 의한 수목 전도 안정성 연구가 진행되었다(Moore, 2000; Peltola
등,
2000; Achime
등, 2005).
하천에서의 수목전도와 산지에서의 바람에의한 수목전도의 메커니즘은유사하나
,
하천에서 는 수위에 따른 외력변화와 국부세굴 등과 같은 복잡한 인 자가추가적으로 고려되어야 하기때문에 바람에의한 수목 전도 연구결과를 직접적으로 도입하기에는 한계가 있다(Tanaka
등, 2006).
본 연구의 목적은 현장 인발시험을 토대로 국내 하천에 서식하는수목이유수력에저항하는한계내력
(
한계전도 모 멘트)
을 검토하는 것이다.
이를 위하여 기존에 국내에서 조 사된 현장 인발시험 결과(
건설교통부, 1997)
와 본 연구에서2
회에 걸쳐수행한 현장인발시험결과를 토대로최대 전도모멘트와흉고직경의 상관관계를분석하였다
.
본 연구의 결 과는 하천구역 내 수목의 안정성을 평가하는데 기여함으로 써하천환경을고려한 하천관리에유용하게사용될수 있을 것으로기대되어진다.
2. 수목 식재
2.1 하천 수목관리 절차
하천에서수목의관리는수목이치수기능에미치는영향이
나수목의 생태적특성을충분히 평가하여대책을강구하여 야 한다
.
수목은성장에 따라 수형이 변화하고,
수종에 따 라서는 계절적으로 번성형태가 크게 변화한다.
수형의 변 화는 홍수에 영향을 미치기도 하고 뿌리의 성장에 따라 하천시설물 등에 지장을 줄 수도 있다.
따라서 하천에서 수목은 번성 범위나 형태,
홍수 상황을 계속적으로 관측 및 조사하여야 한다.
또한 수목은 수종이나 수령에 따라 생육특성이 다르기 때문에 수목 식재 효과가 충분히 발휘 될 수 있도록 해당 하천에 적합한 수종을 선정하고,
수목 의 성장에 따라 하천관리상 지장이 발생하지 않도록 수목 을 관리해야 한다.
또한 하천에서수목 식재는하천경관향상
,
고수부지이용 증진 및 생태계 보전 등 지역사회의 공익을 목적으로 하는 경우에한하여가능하다.
그러나어떠한경우에도 치수상지 장이 없어야 한다.
수목 식재 대상 구역 중 치수 안전성에 영향을미친다고생각되는다음과같은 구역에서는수목식 재를허용할수 없다(
국토해양부, 2010).
① 제방에 위험을 미칠 우려가 있는 구역
:
수목을 식재 함으로써 수위가 상승하거나 유속이 변하여 제방의 안전성 을해칠 우려가있는 구역② 하천시설 등에 영향을 줄 우려가 있는 구역
:
수목의 뿌리가제체에침입하여누수를 초래하거나호안등의 시설 을손상할 우려가있는 구역③ 전도 및 세굴 등의우려가 있는 구역
:
활착한 수목이 홍수로인해쓰러지거나 세굴의우려가있는 구역④ 수목이 부러지거나쓰러져떠내려가 하류의하도가폐 색될우려가있는 구역
수목 식재의 절차는수리계산이필요한 경우와필요 없는 경우로나누어수행된다
.
수리계산이필요 없는수목식재의 경우1)
위치도(
축척1/25,000), 2)
지적이 표시된 평면도, 3)
수목의식재계획도이며,
수리계산이필요한수목 식재의경우에는 위에 제시되어 있는 자료 이외에
4)
수목의 전도계산서
, 5)
수목의식재 전·후수리계산서를구비하여 하천관리청이인허가를받도록되어 있다
.
2.2 과거 시행된 하천구역 내 수목 식재 사업 검토
1998
년‘
하천구역내 나무심기및 관리에 관한 기준’
이 제 정된 이후 각 지방자치단체 별로2000
년부터2009
년까지 총37
건의 식재 사업에 대해 수목 안정성 검토를 한국건설 기술연구원에서 수행하였다.
연도에 따른 수목 식재 사업 검토의수행건수와 개략적인 수종은Table 1
에 제시하였다.
연도별 수목 식재 사업의 검토에 의하면 연평균
3-4
회 정 도 수행되고 있는 것으로 파악되고 있으나,
실제 하천에서 진행되고 있는 수목 식재 사업은 이보다 많을 것으로 예상 된다.
즉,
다수의 수목 식재 사업이 하천법에서 규정한 기 준을준용하지않고 불법적으로 시행되고있는것으로 판단 된다.
이에 대한 원인은 각 지방자치단체에서 하천에서 수 목 식재 사업의 검토에 관한 기준을 모르는 경우가 많은 것으로 판단된다.
따라서 하천에서 건전한 수목 식재를 활 성화하기 위해서는 하천 또는 홍수터에서의 수목관리 기술 의 정량화와 함께 수목 식재 절차에 관한 강력한 홍보가 필요할 것으로 판단된다.
3. 수목의 전도 3.1 수목의 파괴 양상
하천 내 수목은 흐름에 의한 동수압 및 정수압
,
그리고 바람에의한동수압을 받는다.
이러한각각의외력조건은하나의휨모멘트의형태로 합성되어수목의전도 또는파괴를
야기한다
. Fig. 1
은 현장에서 촬영한 수목 파괴형태를 보여준다
.
수목 파괴형태는줄기파괴(stem failure)
와 뿌리 파괴(root failure)
또는 전도(uprooting)
의 유형으로 구분된다(Moore, 2000).
줄기 파괴는 줄기가 휘어지거나 끊어지는현상으로 줄기부에 작용하는 휨모멘트
(bending moment)
에의한 전단응력이 수목이 가지는 한계 전단응력을 초과하였
을 때 발생한다
(Fig. 1(a)).
즉,
수목이 가지는 탄성한계 범위를초과하는전단응력이작용하면소성변형을시작하고더 큰 전단응력이 작용하게되면 파괴가 발생한다
.
일반적으로 줄기 파괴에 의해서는소성변형까지 진행되며,
줄기 절단에 의해 발생하는 유송잡물로진행되지는 않는다.
그러나 소성 변형이 진행된 수목에 대해서는 유지관리를 시행할 필요가 있다.
뿌리 파괴 또는 전도의파괴양상은줄기 파괴에 비해 복잡하다.
홍수 초기에 발생하는 흐름에 의해 수목 주변의 국부세굴이발생하며,
이러한국부세굴에 의해 뿌리가 노출 된다.
노출된뿌리는줄기에비해적은 전단응력에도소성변 형을 거쳐 뿌리 절단이 진행되며,
이러한 상황이 지속되면 최종적으로수목인발이 발생한다(Fig. 1(b)).
위와 같은 수목의 전도조건은 수목의 종류
,
흉고직경,
수 고 등 수목의특성과 지반조건에따라 다르게 나타난다.
リ バ一フロント整備センタ一(1999)
에 의하면,
하천 내수목의 전도는 유속에 의해 발생하며 수고가 높을 수록 수목 전도 의가능성이 낮아지는것으로제시하였다.
이러한원인은수 고가 높을 수록 수령이 오래되어뿌리의 근입(
根入)
이 강해 지는 현상이외에 수관부에 쓰레기와 같은 유송잡물이 부착 할 가능성이 낮아지기때문이다.
그러나국내 수목유지관리 에따르면 수목의전도가발생하더라도하류 구조물에걸리 는 상황이 발생하지 않도록 하기 위하여 수고는7 m
로 제 한하고있다(
건설교통부, 2007).
또한 일본의 조사에의하면하천 내 유속이
1 m/sec
이하 또는 수목의 흉고직경이30
cm
이상일 경우에는 수목의 전도가 발생하지 않는 것으로나타났다
.
3.2 수목의 한계 전도모멘트
하천구역 내에 식재한 수목은 수위를 상승시키거나
,
전도 로 인해 하천 내 구조물 붕괴 또는 하도 폐색을 야기할 가 능성을 가지고 있다.
수목에 의한 수위 상승문제는 정밀한 수리해석기법을 적용함으로써일정부분해결할수 있으므로(Kang
와Choi, 2004; Helmio, 2005;
김지성 등, 2009a,
김지성등
2009b)
본 연구에서는언급하지않도록 한다.
수목이 전도되어 유송잡물로 작용할 경우에는 하류의 통수능 감소및 뿌리가뽑힌공동의 확대에의한제방 등수리구조 물로의악영향을미칠 위험성이존재한다
.
따라서,
하천구역 내에 식재한수목이 전도 및 유출되지않도록,
식재는 흐름 에 의한 외력이 작은 장소에 한정하거나 내력이 큰 수목으 로 선정할필요가 있다.
이러한 수목의 전도는수목이 지지 하는내력과 외력을비교함으로써평가할수 있다.
수목의 내력은 수목에 작용하는 흐름 및 바람 등에 저항 하는 힘으로 정의되어진다
.
일반적으로수목은0.5-2.0 cm
정도의지지근
(
뿌리)
에의해지지된다(Achime
등, 2005).
뿌 리에의한 지지력이외력보다작을 때에는나무가쓰러지게되는데
,
그 때 뿌리가 지지하는 토질부를 뿌리받침(root
anchorage)
이라고정의한다.
수목의내력은 뿌리받침의전단저항과 지지근의 인장에 대한 마찰저항에 의한 것이다
.
즉 뿌리받침의표면적이 클수록 지지력인 내력도크다.
그러나Table 1. List of overturning assessment for trees in the river
시기 기관 하천 수량
09.12 강릉시 강릉남대천 교목 1,150주
09.10 문경시 영강 교목 277주
09.07 울산시 태화강 교목 704주, 관목 9,820주
09.04 전주시 삼천 교목 411주
08.11 장흥군 탐진강 교목 407주, 관목 286주
08.05 대전시 대전천 교목 129주, 관목 7,600주 08.05 대전시 유등천 교목 407주, 관목 69,400주
07.11 부산시 낙동강 교목 729주, 관목 12.176주
07.06 합천군 황강 해바라기군락
07.03 성남시 탄천 느티나무 130주
06.12 구리시 한강 교목 675주, 관목 74,930주
06.11 대구시 금호강 교목 110주<※불가>
06.08 진주시 남강 교목 439주
05.11 구리시 왕숙천 느티나무 77주, 식재군락 54 m2 05.10 서울시 한강 느릅나무등 6,298주, 관목 126,800주
05.11 김천시 감천 소나무등 149주
04.09 거창군 위천천 교목 622주, 관목 3,650주
04.04 군산시 금강 교목 234주
04.03 ㈜동심원 중랑천 교목 142주, 관목 123,000주
03.09 부산시 낙동강 교목 3,977주, 관목 206,330주 03.09 부산시 낙동강 교목 6,628주, 관목 106,002주
03.08 합천군 황강 교목 474주, 관목 8,000주
03.06 서울시 한강 식재 0.52 km2
03.03 부산시 낙동강 왕벚나무 2,203주
03.02 양산시 양상천 소나무및무궁화 5 km2
02.09 경기도 양수리 교목 630주, 관목 39,317주
02.07 우대기술 양산천 조팝나무 2,740주
02.07 임실군 오수천 산벚나무 100주
02.06 서울시 한강 식재 0.52 km2
02.03 나주시 영산강 식재 2,000주
01.08 유신 고덕 관목 4,680주
01.05 구리시 한강 느티나무 140주
01.04 전라북도 만경강 버드나무 375주
01.02 서울시 한강 교목 1,748주, 관목 31,350주 00.09 서울시 난지지구 교목 796주, 관목 30,157주
00.08 서울시 뚝섬등 교목 1,959주, 관목 182,345주 00.03 서울시 한강 교목 456주, 관목 1,900주
총 37회검토
뿌리받침의 표면적을 직접적으로 측정하는 것은 어려우며
,
산림에서 성장 환경과 토양 조건이 유사한 조건일 경우에 뿌리받침의크기는흉고직경으로부터 개략적으로추정할 수 있다
(
リバ一フロント整備センタ一, 1999).
그러나하천에서는 제내지와토양조건이 다르고,
지하수위 등의 조건도 다르기 때문에뿌리의발달 형태를수종별로 특화시키기어렵고,
수 종별로내력을파악하기도 어렵다.
따라서하천의나무는그 곳에 성장하는 수목을 대상으로 인장전도시험을 하여 내력 을 추정하는 것이 바람직하다.
현재 국내에서 내력 산정을 위해적용하는수목의 한계전도모멘트는 다음식을 사용하 고있다(
건설교통부, 2007).
(1)
여기서 Mc는 한계 전도모멘트
(kgf
·m),
D는 지반에서1.2
m
높이 줄기의 직경(cm)
으로 정의되는 나무의흉고직경,
α는 계수로써 인발시험에 의한 값 또는 기존 결과에 의한
2.5
를 적용하고 있다.
그러나 식(1)
은 일본의 연구결과를 반영한것으로국내적용성에한계를가질것으로판단된다.
따라서국내에자생하는하천 수목을대상으로수목의 한계 전도모멘트를산정할필요가있다
.
4. 현장 인발시험 4.1 목적
하천 내 수목은 흐름에 의한 외력으로 인하여 홍수시 유 실되어 하류 하천시설물에 피해를 야기할 수 있다
.
그러나지금까지대부분의수목에대한 연구는하천의물리적 작용 에대한 수목의안정성평가보다는수목의 성장특성이나종
의분포 확인에국한되어 있었다
(
환경부, 2010).
건설교통부(1997)
에서 하천 내 수목의 내력시험을 수행하였으나,
수목의내력과 나무의특성간의 상관관계를명확히제시하지는 못하였다
.
따라서 수목 내력 또는 한계 전도모멘트 산정을 위한자료를구축하기 위하여현장인발시험을시행할 필요 가있다.
4.2 예비조사
현장 인발시험을 위한 대상수목 설정을 위해 예비조사를 시행하였다
.
예비조사는본 시험에 착수하기 이전에 장비의 접근성,
수목의종류 및규모 등을판단하기위해 시행한다.
예비조사를수행한하천은탄천
,
반변천,
금호강이다.
조사된 하천은도시 및 농촌하천이며,
인공식재와 자연식재가 공존 하는하천이다.
탄천은도시구간으로 고수부지에는인공및 자연수목이공 존하고있다
.
저수호안 측을따라 자연 수목10
여주가5 m
간격으로 자생하고 있다
.
또한2007
년 하천에서 나무심기및 관리에 관한 기준에 따라 검토를 받은 수목이 고수부지 에식재되어 있다
.
탄천의인공식재 수목은고수부지중앙부 에위치하고 있어,
저수호안및고수호안으로부터20 m
정도 이격되어 있어 호안피해의 우려가 거의 없다.
또한 식재된 수목의 흉고직경은15 cm
내외인 것으로 파악되며,
흐름에의한유실방지대책이수립되어있다
(Fig. 2).
그러나대상구간에서 현장인발 시험을 시행하기 위해서는 중장비의 출입 Mc=αD2.0
Fig. 1 Overturning pattern of trees in rivers
Fig. 2 Planting feature in Tan Cheon
이용이하여야 하나
,
현재대상구간은 공원화가진행되어 있 어 성남시 탄천관리과의협의가 불가능할 것으로 판단된다.
또한예산을 투입하여식재를수행한수목에 대해인발시험 을 시행하는것이어려울 것으로판단된다
.
금호강은도시구간으로하도 및고수부지에자연수목이자 생하고있다
.
금호강에는 개별적인수목이자생하는 것이아 니라,
교목 또는 관목 군락이존재하고 있어홍수기에 유송 잡물의 발생과 걸림 현상이 빈번히 발생하고 있는 것으로파악된다
(Fig. 3(a)).
또한대상구간에존재하는 나무가자생수목이긴 하지만
,
하천에서 나무심기 및 관리에 관한 기준(
건설교통부, 2007)
에 제시된수목유지관리사항에대한 수용여부를 확인할 필요가 있다
.
대부분 수목의 수고는7 m
이내인것으로파악되어수형에대한기준은만족하나
,
일부 수목이 고수제방과 인접하여 있어 홍수기에 국부세굴에 의 한 고수제방의피해를야기할우려가있는 것으로판단된다(Fig. 3(b)).
대상구간에서인발시험을수행하기위해서는 대구시와의 협의가 필요하며
,
대구시와의 의뢰결과 환경단체 등과의 협조 등 다양한 현실적 문제로 인하여 대상구간의 현장인발시험은불가한 것으로협의되었다.
반변천은농촌구간으로홍수터에 자연수목이자생하고 있 다
.
대상지는반변천 불거리구간으로 홍수터가 넓은 특징이 있다.
불거리하류측은 좌안침식이최근2-3
년에걸쳐크게 발생하고있으며,
이러한원인은상류측의 방수림벌채에기인하는것으로 판단된다
(Fig. 4(a)).
불거리 상류측은사주가넓게 발달되어 있으며
,
다양한 교목이 존재하고 있다(Fig.
4(b)).
교목의 종류는 버드나무,
왕버드나무,
아카시나무,
가중나무
,
시무나무,
이태리포플러등이다.
또한 대상구간은접근성이 양호한 지역으로판단된다
.
현장 인발시험을 위해서 는안동시와의 협의가필요하며,
안동시와의 협의결과현장 인발시험이가능하다는회신을받았다.
이에 따라현장인발시험을위한 구간은반변천 불거리구간으로확정하였다
.
4.3 본 조사
현장인발시험은국내 하천에자생하는 수목의흐름에 대 한내력을추정하는 것이목적이다
.
시험대상구간은시험장 비의접근성,
수종의다양성,
하천관리기관의 인발시험에대 한 협조 여부 등을 종합적으로 고려하여 안동시 임하댐 하 류의반변천으로 선정하였다.
반변천은전형적인모래하천이 며,
홍수터를1 m
정도 굴착하면자갈층이나타나는지반 특 성을 가지고있다.
또한인발시험 위치의표고에 따라 일부 상이하나,
개략적으로2 m
정도를굴착하면지하수위가나타난다
. Fig. 5
는현장 인발시험의 대상구간을도시한 것이며,
대상구간에는갯버들과같은관목이외에버드나무
,
왕버드나 무,
아카시나무,
가중나무,
시무나무,
이태리포플러 등과 같 은교목이자생하고 있다.
본 연구에서는교목만을 대상으로 인발시험을시행하였으며,
현장 인발시험방법및 절차는건설교통부
(1997)
및リバ一フロント整備センタ一(1999)
에서제시한 것과 동일하다
. Fig. 6
은 현장 인발시험의시행과정을보여준다
.
4.4 수목의 한계 전도모멘트 분석
현장인발시험은
5
종20
주에대해2
회에 걸쳐수행하였다.
Table 2
는 본 연구에서 시행한 현장 인발시험 결과이다.
인발시험에사용한 수목의흉고직경범위는
6-23 cm
정도 이Fig. 3 Planting feature in Geumho River
Fig. 4 Planting feature in Banbyeon Cheon
고
,
수고는3-18 m,
그리고 수관폭은2-6 m
정도 이다.
또 한모든 수목에대해서 재하위치는1 m
로 설정하였기때문 에 최대인장력과 재하위치의 곱으로 표현되는 한계 전도모 멘트의 범위는500-5,400 kgf
·m
정도 이다.
단, Table 2
의자료중 마지막에 기재되어있는 흉고직경
21.0 cm
의 이태리포플러의경우
Fig. 7
에 나타난 것과같이 비탈사면에 식 재되어있었으며,
대상수목은식재위치 상의 특이성으로 인 하여 최대인장력이다른 시험수목과 차이가크게 나타났다.
따라서 본 연구의 한계 전도모멘트 산정을 위한 자료로는 사용하지않았으나
,
식재위치의 차이에 따른 수목의 안정성 분석에관한 연구가추가적으로필요한것으로 판단된다.
Moore(2000)
에 따르면 수목의 한계 전도모멘트는 흉고직경
(
D),
수고(
H),
수령(
Year),
부피계수(
H×D2)
등 다양한 수목의 다양한 인자와 연관되어 있다고 제시되어 있다
. Fig.
8-10
은한계 전도모멘트와수목인자의관계를보여준다.
한 계전도모멘트와상관계수(R
2)
가가장 높은것은흉고직경이며
,
그 다음으로 부피계수이다. Moore(2000)
의 연구에서는 부피계수를고려할 경우에상관성이가장 좋았으며그 다음 이 흉고직경 이었으나,
상관계수의 차이는 크지 않았다.
본 연구에서도유사한결과를도출하였으나,
흉고직경과수고의상관관계는발산함수이고수목부피의상관관계는수렴함수의 형태를나타내고 있다
.
일반적으로하천내 식재되는수목은흉고직경기준으로
30 cm
이하이므로어떠한관계곡선을사용하여도무방할 것으로 판단된다
.
그러나 대부분의 연구에 서한계 전도모멘트를추정하기위한대표 인자로흉고직경을사용하고있고
(
이진원과유대영, 1997;
リバ一フロント整備センタ一
, 1999; Peltola
등, 2000; Achime
등, 2005),
본연구에서도흉고직경에대한 상관성이가장높으므로
,
이 하에서는 흉고직경과 수목의 한계 전도모멘트의 관계를 주 로분석하고자한다.
본 연구에서인발시험에사용한수목의수는
20
주로서,
흉 고직경과 한계 전도모멘트의 통계적 분석을 시행하기 위한Fig. 5 Location of the study site for field tree-Pulling test (Banbyeon Cheon)
Fig. 6 Procedure of field tree-pulling test: (a) connection with tree and pulling equipment, (b) identification of the tree,
(c) loading of pulling force and measuring of loading force, (d) tree overturning, (e) survey of tree characteristics,
(f) root shape
자료로는부족한것으로판단된다
.
따라서본 연구의선행연구인 건설교통부
(1997)
의 자료를 활용하여 분석을시행하고 자 한다.
선행연구에서는 사용한 수목은 버드나무,
갯버들,
이태리포플러
,
왕버들,
아카시,
능수버들,
용버들으로8
종80
그루이며
,
그 중78
주에 대한 자료가 존재한다. Fig. 11
은 건설교통부(1997)
에 수행된 인발시험 결과로흉고직경과 한계 전도모멘트의관계를 보여준다
. Fig. 11(a)
에서 흉고직경Table 2. Data of field tree-pulling test
수종 흉고직경
(cm) 수고(m) 수관폭(m) 최대인장력(kgf) 구덩이(m)직경 구덩이(m)깊이 하천내위치
시무나무 8.0 6.5 2.0 700 1.0 0.3 저수로 21 m
시무나무 9.0 7.0 2.2 700 1.5 0.3 저수로 22 m
시무나무 10.0 11.0 3.0 1300 0.7 0.3 저수로 30 m
시무나무 10.0 10.0 2.0 1600 1.3 0.5 저수로 27 m
시무나무 11.0 9.0 3.0 1400 0.7 0.4 저수로 28 m
시무나무 12.0 11.0 4.5 2400 0.8 0.3 저수로 35 m
시무나무 15.0 15.0 4.0 2600 1.6 0.5 저수로 35 m
시무나무 15.0 11.0 4.0 2600 1.5 0.6 저수로 30 m
시무나무 21.0 15.5 6.0 4200 1.5 0.8 저수로 28 m
시무나무 22.0 13.0 4.0 4100 1.6 0.6 저수로 32 m
시무나무 23.0 18.0 4.0 5400 2.7 1.0 저수로 35 m
아카시나무 6.0 3.0 2.0 500 0.4 0.2 저수로 20 m
아카시나무 8.0 5.5 2.0 530 1.0 0.5 저수로 26 m
아카시나무 9.0 6.5 2.2 2000 1.0 0.3 저수로 20 m
아카시나무 10.0 6.5 3.6 2500 0.6 0.3 저수로 20 m
아카시나무 15.0 9.0 4.0 3800 3.5 1.0 저수로 23 m
가중나무 8.0 5.0 1.5 800 1.0 0.4 저수로 26 m
가중나무 11.0 5.0 2.5 1800 0.9 0.5 저수로 31 m
이태리포플러 9.0 9.5 2.0 1000 1.2 0.3 저수로 24 m
이태리포플러 21.0 15.0 2.0 1800 1.6 0.9 비탈사면
Fig. 7 Pulling test of tree where is planted in side slop
Fig. 8 Relationship between critical breaking moment (
Mc) and diameter (
D) at breast height
Fig. 9 Relationship between critical breaking moment (
Mc)
and tree height (
H)
과전도모멘트의 상관성에대한 분산이커서 특정한상관관 계를 도출하기는어려운 것으로 판단된다
.
선행연구의 대상수목 자료를 분석한 결과 이러한 원인은 교목과 관목을 함 께 고려하여 상관성을 도시하였기 때문에 발생하는 것으로
판단된다
.
즉, Fig. 11(b)
와 같이 교목만을 고려하여 흉고직경과 한계 전도모멘트의 상관성을 분석하면 일정한 특성이
도출되나
, Fig. 11(a)
와같이관목과교목을통합하여상관성을 분석하면 일정한 특성이 도출되지 않는 것을 확인할 수 있다
.
교목의경우에는흉고직경을파악하는 위치에서
3
개 이상 의 줄기로 분기되어 있으며,
개개의 줄기 직경이 대략2
cm
이하인 경우이다.
관목의 경우에는홍수시 도복(
倒伏)
되며,
교목과같이수목에 영향을미치는흐름에 의한전도모멘트 에 의해 인발되기 보다는 항력에 의한 인장응력에 의해 인 발되는경향이있다
.
따라서관목의경우에는한계 전도모멘 트를 이용하여수목의 안정성을 평가하기 어려우며,
관목이 저항하는 인장력과 흐름의 외력을 고려하여 평가하여야 한 다.
따라서 현장 인발시험을 시행할 때에는 교목과 관목을 분리하여 인장력을 측정 및 분석하는 것이 바람직하며,
본 연구에서해석하는 방법론이 타당할 것으로판단된다.
또한 관목에대한최대 인발력분석을 위해서는추가적인인발시 험이필요함으로본 연구에서는언급하지않는다.
Fig. 12
는 선행연구의자료(
건설교통부, 1997)
중 교목39
주와 본 연구에서 시행한 자료 중 비탈사면에 식재되어 있 는 수목을 제외한
19
주에 대한 자료를 토대로 작성된 흉고직경과 최대 전도모멘트의 상관관계를 보여준다
.
국내에서 수목의한계 전도모멘트를결정하기 위해식(1)
이 사용되고 있으며,
전술한 바와 같이 계수 α는 일본의 인발시험 결과를 활용하여
2.5
를 사용하고있다.
일본의 인발시험 결과에 서 최적 회귀식에 대한 계수는7.8
이었으나,
안전치를 고려 한 하한값2.5
를 제시하였다(
リバ一フロント整備センタ一,
1999).
본 연구에서 구축한자료를 바탕으로 최적 회귀식에대한 계수 α는
10.5
로 일본의 시험결과보다35%
정도 크게추정되었다
.
이러한원인은수종과시험대상지의 차이에의 해발생하는것으로판단된다.
즉,
인발시험에사용한 수목 의 수종에 따라 뿌리 형태가 크게 천근성 또는 심근성으로 분류되며,
본 연구에서 시행한인발대상수목의경우천근성 으로지지력이강한수종이다.
또한인발시험대상지의 토질 은 대부분사질토이며,
사질토의경우 수목의 뿌리가잘 발 달하여인발력이 크게나타나는 특징을가지고있다.
마지막 으로저수로수위 또는지하수위의영향을 직접적으로받는 수목의 경우 대부분 관목이기 때문에 인발시험을 시행하지 못하였으며,
상대적으로지하수위의 영향이 없는 양호한환경에서 자생하는 교목을 대상으로 시행하였기 때문에 발생 한것으로 판단된다
.
본 연구에서 검토한바와 같이흉고직경만을고려하여한 계 전단모멘트를산정하는것은 불확실성이클 수 있다
.
그 러나 수목 및 토질의 특성과 식재 위치 등과 같은 가능한 인자를 모두 고려하여 수목의 한계 전도모멘트를 산정하는 것도 불확실성을내포하고 있으며,
실질적으로 어려운 것이 현실이다.
따라서본 연구에서도기존연구에서 사용했을뿐Fig. 10 Relationship between critical breaking moment (
Mc)
and stem volume factor (
H×D2)
Fig. 11 Relationship between
Mcand
Din the previous study (MOCT, 1997)
Fig. 12 Relationship between
Mcand
Dfor trees
만아니라
,
상관성이가장좋은 인자인흉고직경을바탕으로 제시된 식(1)
과 동일한형태로 수목의 한계전도모멘트 관 계식을제시하고자 한다. Fig. 12
에서점선으로나타난관계식
(
α=2.5)
이 국내에서현재 사용되고있는 것이며,
국내 수목인발시험에의한최적관계식
(
α=10.5)
은 일점쇄선으로나 타냈다.
마지막으로 실선으로 나타난 관계식(
α=6.0)
은 국내 수목 인발시험자료 중 하한 값을고려하여 개발된 것이다.
국내하천에 자생하고있는수목을 대상으로인발시험을수
행한 결과기존의 관계식 계수보다
240%
크게 산정되었다.
따라서식
(1)
을 사용하여한계 전도모멘트를산정할 때 계 수 α는6.0
을 사용할것을 제안한다.
본 연구에서제안된한계 전도모멘트관계식의형태와 계 수는 장소 및 수목의 다양성
,
지하수위,
그리고 인발시험의 횟수 등 관계식에영향을 미치는 다양한 인자를 모두 고려 하지못하였다.
향후한계전도모멘트 산정관계식을개선하 기 위해서는추가적인인발시험자료의확보와 흉고직경이 외에인자를추가하여 분석하는연구가필요하다.
그러나국 내에서 거의 진행되지 않은 분야인 하천 내 수목의 안정성 평가를 위한 한계 전도모멘트와흉고직경의 관계를 실증적 으로검증하였으며,
수목천이(
遷移)
와 같은관련응용분야의 기초정보를제공함에있어본 연구는중요한의의를가진다.
5. 결 론하천 내 수목은 통수능의 감소와 흐름에 의한 외력으로 인하여 홍수시 유실되어 하류 하천시설물에 피해를 야기할 가능성이있다
.
최근하천환경 개선을위하여홍수터에수목을식재하는 사업이활발히진행되고있으나
,
홍수시수목의 안정성을평가할수 있는연구는상대적으로빈약하였다.
본 연구에서는 현장 인발시험을 토대로 유수력에 저항하는 수 목의 한계 전도 모멘트를검토하여 다음과 같은 결론을 도 출하였다.
1.
수목의 한계 전도모멘트와 다양한 인자(
흉고직경,
수고,
부피계수
)
의 상관관계를분석한결과,
수목의한계전도모 멘트는흉고직경과가장높은상관관계(
R2=0.83)
를 나타냈으며그 다음으로부피계수와상관성
(
R2=0.78)
이 높았다. 2.
수목의 흉고직경을 토대로 국내에서산정한 최적 회귀식에대한 계수는일본의시험결과보다
35%
정도크게산정 되었다.
특히,
본 연구에서는국내 하천에서 자생하고 있 는수목을대상으로인발시험을수행한결과,
수목의한계 전도모멘트를산정하기위한관계식의계수는6.0
으로 사 용할것을 제안한다.
3.
본연구에서 시행한현장수목인발시험은흐름에저항하 는수목의안정성평가를 위하여선행되어야하는기반자 료 구축을 위한 연구이며,
향후 수목 천이현상의 모의와 같은관련응용분야의 연구를진행할때 기초정보로활용 될수 있을 것으로기대된다.
감사의 글
본 논문은국토해양부및한국건설교통기술평가원건설핵 심기술연구개발사업의연구비지원
(06
건설핵심B01)
에 의해수행된것으로서
,
이연구를 지원하는기관에감사를드린다.
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