1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 실험 장치
2.2 침식성 토양 재료
2.3 실험 조건 및 시편 준비
2.4 실험 후 침식정도의 분석 방법
3. 결과 및 분석
3.1 유속 변화와 동수경사의 관계
3.2 구조물 유무에 따른 세립자 유실 특성
4. 토 의
5. 결 론
1. 서 론
최근 기후 변화로 인해 강우 패턴이 변화하고 극단적 기상 현상이 빈번해지면서 지반 내 수리학적 조건이 급격히 변동하고 있다. 2020년 집중호우로 한강과 낙동강 유역의 제방이 심각한 손상을 입었으며, 2022년 태풍 ‘힌남노’로 인해 영남 지역 하천 제방에서 대규모 내부 침식이 발생하였다. 이러한 현상은 하천 제방, 광미댐, 사면과 같은 토공 구조물의 안정성을 위협하며, 특히 내부 침식(internal erosion)을 가속화한다(Chen et al., 2024). 내부 침식은 토양 공극을 통한 세립자 유실(suffusion)로 인해 발생하며, 이는 투수성(permeability) 증가와 전단 강도(shear strength) 저하를 초래하여 구조물 붕괴 위험을 높인다(Cheng et al., 2024; Deng et al., 2023; Sun et al., 2023). 갭 등급 토양(gap-graded soil)에서 세립자 유실이 특히 두드러지며, 입도 분포와 세립자 함량이 침식 민감성에 중요한 영향을 미친다(Cao et al., 2022).
동수경사(hydraulic gradient)는 흐름 강도를 결정하는 핵심 인자로, 흐름 속도와 전단력을 증가시켜 세립자 이동을 촉진한다(Fell & Fry, 2007). 주기적 수리적 하중(cyclic hydraulic loading)은 토양의 응력-변형 거동(stress-strain behavior)을 악화시켜 제방과 같은 구조물의 장기적 안정성을 저하시킬 수 있다(Zhang et al., 2023). 또한, 지반 내 구조물(예: 콘크리트 벽, 말뚝)은 지하수 흐름 경로를 국지적으로 변화시켜 세립자 유실을 특정 영역에 집중시킬 수 있다(Powledge, 1982). 따라서 기후 변화에 대응하여 토공 구조물의 안정성을 확보하기 위해 동적 수리 조건에서의 내부 침식 메커니즘에 대한 심층적 이해가 필요하다.
하천 제방의 붕괴로 인한 인명 및 재산 피해 사례에서 배수통문 구간이 주요 취약 지점으로 반복적으로 지적되고 있다(KICT, 2002). 이에 따라 국내에서는 배수통문의 안정성 확보를 위해 다양한 제도적·기술적 개선 노력이 이루어져 왔으며, 그 일환으로 설계 기준의 정비, 표준 도면의 개정(안), 안정성 평가 기법 및 탐사 방법, 그리고 보수·보강 방안의 체계화 등이 추진되었다. 이러한 연구들은 주로 배수통문의 구조적 안전성 또는 유지관리 측면에 초점을 두었다.
세립자 유실과 내부 침식 연구는 주로 토양의 수리적 특성, 구조적 특성, 또는 입자 이동 메커니즘에 개별적으로 초점을 맞춰 진행되었으나, 몇 가지 한계점이 존재한다. 대부분의 실험은 정적 동수경사 조건(예: i = 1 ~ 2)에 한정되어 실제 하천 제방에서 발생하는 동적 수리 조건(예: i = 0.1 ~ 6.0)을 충분히 반영하지 못하였다(Johnston et al., 2023). 또한, 유체 흐름, 입자 이동, 토양 구조 간의 상호작용을 통합적으로 분석한 연구가 부족하다. 예를 들어, Krone(1999)은 층 구조가 침식률에 미치는 영향을 분석하였으나, 유체 흐름과 입자 이동의 상호작용을 고려하지 못했다. Wang et al.(2022)은 국소 동수경사가 세립자 이동에 미치는 영향을 다루었으나, 구조물 유무에 따른 영향을 체계적으로 분석하지 못했다. 마찬가지로, 토양 밀도와 구조물의 상호작용이 다양한 수리 조건에서 세립자 유실에 미치는 영향은 충분히 탐구되지 않았다(Oueidat et al., 2021; Zhou et al., 2022). 이러한 한계는 복합적 현장 조건에서의 내부 침식 메커니즘을 예측하고 대응하는 데 어려움을 초래한다.
본 연구는 다양한 동수경사(i = 0.1 ~ 6.0)와 구조물 유무가 갭 등급 토양의 세립자 유실 및 투수 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 구체적인 목적은 다음과 같다: (1) 다양한 동수경사 조건에서의 유속 변화의 관찰 후 세립자 유실 특성을 정량화하고, (2) 구조물 유무에 따른 흐름 경로 변화와 세립자 유실 패턴의 차이를 분석하며, (3) 토양 상대밀도(Dr = 60%, Dr = 90%)가 구조물 주변 세립자 유실 민감성에 미치는 영향을 평가하고, (4) 입자 크기별(0.425 ~ 0.106mm, < 0.106mm) 유실 특성을 분석하여 침식 메커니즘을 심층적으로 이해하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 실험 장치
토양-구조물 경계가 토양의 투수성 및 내부 침식에 미치는 영향을 평가하기 위해 실험 장치를 설계 및 제작하였다(Fig. 1). 장치는 토양 챔버, 진공 시스템, 변수두 물탱크, 그리고 유출량을 측정하는 전자저울(RJ-3200)을 포함한 유출 시스템으로 구성되었다.
토양 챔버 하부를 S1부터 S5까지 5개 구역으로 구분하였고, 구역별 유출 시스템을 각각 설치하였다. 물의 흐름은 토양 시료를 통과하여 5개 구역에서 배출되었으며, 유출량은 전자저울(정확도 ± 0.01g)을 사용하여 2초 간격으로 측정되었다. 이를 통해 각 구역의 유속을 평가하였다.
진공 시스템의 경우 토양 챔버를 밀폐한 후 물탱크와 진공 펌프에 연결하여 잔류 공기를 제거하고, 포화도를 0.95 이상으로 유지하는 진공법을 사용하여 포화시켰다. 물은 위쪽에서 공급되어 시편을 지나 전자저울로 이동하였다. 동수경사의 단계별 증가 조건은 Fig. 2와 같이 시험은 총 약 180분간 진행되었으며, 초기 구간(i = 0.1 ~ 1.0)은 2분 간격으로 i = 0.1씩 동수경사를 증가시켜, 세립자 유실이 민감하게 발생하는 초기 흐름 조건을 정밀하게 관측하고자 하였다. 이후 i = 1.0부터는 10분 간격으로 i = 0.5씩 경사를 증가시켜 i = 6.0까지 도달하도록 하였으며, 이를 통해 높은 유압 조건에서의 세립자 유실 거동을 단계적으로 분석할 수 있도록 구성하였다.
2.2 침식성 토양 재료
내부 불안정성(세립자가 조립자 공극을 통해 유실되는 특성)을 평가하기 위해 Ke & Takahashi(2012)의 연구를 참고하여 침식성 토양 재료를 사용하였다. 토양 시료는 Fig. 3과 같이 침식이 가능한 특성을 갖도록 Silica sand No. 3(조립자)과 No. 8(세립자)을 4:1 중량비로 혼합하여 준비하였다(Table 1).
Table 1.
Physical property testing of the soil material
내부 불안정성은 Kenney & Lau(1985)의 H/F 비율(H: 입경 D ~ 4D의 질량 분율, F: 입경 D의 질량 분율)을 기준으로 평가하였으며, H/F < 1.3인 입경 0.425mm에서 침식성이 확인되었다.
2.3 실험 조건 및 시편 준비
토양-구조물 경계와 구조물 표면 거칠기의 영향을 분석하기 위해, 직경은 270mm의 원통형 콘크리트 구조물을 토양 내에 시편을 준비하였다(Fig. 4).
실험 사례는 토양 재료의 두 가지 상대밀도(Dr = 60%, Dr = 90%)와 구조물 유무(토양 시편, 토양시편 + 콘크리트)에 따라 구성되었다(Table 2). 특히 상대밀도의 경우는 느슨한 흙(Dr = 60%)과 치밀한 흙(Dr = 90%)을 표현하고자 2가지로 나누어 진행하였다.
Table 2.
Test specimens
| The presence of concrete structure | Relative density, Dr (%) | Cases |
| Soil only | 90 | Soil-90 |
| 60 | Soil-60 | |
| With concrete structure | 90 | Con-90 |
| 60 | Con-60 |
모든 사례에서 초기 함수비는 3%로 설정되어 혼합 및 압밀 과정의 균일성을 보장하였다. 각 사례는 3회 반복 수행되어 결과의 재현성을 확보하였다.
2.4 실험 후 침식정도의 분석 방법
토양 시료는 내부 침식 특성의 공간적 변화를 평가하기 위해 Fig. 5와 같이 반경 방향 5개 구역(S1 ~S5)과 수직 방향 3개 층(L1: 상부 전이층, L2: 중앙 균질층, L3: 하부 전이층)으로 구분되었다. 좌측 상단의 개념도는 원통형 시료 내 샘플링 구역의 배치를 나타내며, 하단 사진은 실험 종료 후 시료 분해 및 체 분석 과정을 보여준다. Fig. 5의 우측 상단은 각 샘플링 구역에 대한 라벨링이 적용된 분리된 시료의 보관 트레이이며, 하단 표는 입자 유실(PL)을 구역별로 어떻게 나타냈는지를 설명한 것이다.
입자유실은 실험 전후의 입도곡선 차이를 기반으로 간접 산정하였으며, 이때 post-grading 결과 외부에 위치하는 극미세입자의 유실 가능성은 존재한다. 이를 보완하기 위해 각 실험별로 채집된 유실토를 건조 및 정량 계측한 후, 입도 분석 결과와 병행하여 신뢰성을 확보하였다. Fig. 6은 침투 실험 전(initial grading)과 실험 후(post test grading)의 입도분포곡선을 비교하여 세립자 유실량을 평가한 결과를 나타낸다(Ke & Takahashi, 2012). 실선은 초기 입도분포, 삼각형 기호는 시험 후 입도분포를 나타내며, 점선은 시험 후 곡선과 비교 가능한 형식으로 확장된 초기 입도곡선을 의미한다.
표시된 계산식에 따라 유실된 세립자량은 PL = 6.0%로 산정되었으며, 보정된 시험 후 입도곡선(post test grading)에 따라 계산한 유실량은 6.5%로 확인되었다. 또한, 세립자 유실 평가 기준에서 기준 입자의 최대 크기(0.425mm) 위치가 함께 표시되어 침식 평가 경계로 활용된다.
3. 결과 및 분석
3.1 유속 변화와 동수경사의 관계
3.1.1 Dr 90 시편의 유속 변화
Dr = 90% 조건의 시편에서, Fig. 7(a)의 경우 모든 구역(S1 ~ S5)에서 수두경사 증가에 따라 유속이 점진적으로 증가하였으며, i = 0.1 ∼ 6.0 구간에서는 유속이 평균 0.011cm3/s로 측정되었다.
이에 반해 동일한 Dr = 90% 조건에서 구조물이 설치된 시편에서 Fig. 7(b)에서는 유속이 전반적으로 더 높은 값을 보였으며, 특히 S1 시료는 i = 6.0에서 0.49cm3/s까지 상승하였다. 같은 조건의 S2 ~ S5는 0.26 ~ 0.27cm3/s의 유속을 보였고, 전체 평균은 S1에서 0.23cm3/s, S2 ~ S5에서 약 0.12cm3/s로 나타나 SOIL 조건보다 약 2.1배 높은 유속이 확인되었다.
3.1.2 Dr 60 시편의 유속 변화
Dr = 60% 조건의 시편은, 전체 유속은 Dr = 90% 보다 상대적으로 더 빠른 유속을 나타내었다. SOIL 조건에서 i = 0.6에서 이미 평균 유속이 0.06cm3/s에 도달하였으며(Fig. 8(a)), 전체 평균 유속은 0.15cm3/s 수준이었다. 구조물이 설치된 CON 조건에서(Fig. 8(b))는 유속이 더욱 급격하게 증가하여, S1은 i = 6.0에서 0.62cm3/s로 관측되었으며, S2-S5는 0.32 ~ 0.34cm3/s 범위에 분포하였다. 평균 유속은 S1에서 0.28cm3/s, S2-S5에서는 0.14 ~ 0.15cm3/s로, SOIL 조건 대비 약 1.9배 높은 수치를 기록하였다.
이러한 결과는 구조물 인접부에서 유속이 집중적으로 증대되는 현상이 내부침식 발생을 유도하는 주요 수리적 인자로 작용함을 정량적으로 입증하며, 이는 수리구조물과 토사 경계부에서 발생 가능한 국부 세립자 유실과 구조적 안정성 저하에 대한 기초적 평가 기준으로 기능할 수 있다.
3.2 구조물 유무에 따른 세립자 유실 특성
3.2.1 Dr = 90 시편의 입자유실
Dr = 90% 조건에서, 일반 토사와 구조물이 존재하는 조건에서의 입자 유실 특성을 비교한 결과, 구조물 유무에 따라 유실량의 공간적 분포와 크기별 비율에서 뚜렷한 차이가 관찰되었다. Fig. 9는 Dr = 90% 조건에서의 SOIL 실험 결과이며, 전체적인 입자 유실량은 하부층(L3)에서 가장 집중되었으며, 특히 S3, S4 구간에서 최대 6.3%에 달하는 유실이 발생하였다.
크기별로 살펴보면, Fig. 9(a)의 0.425 ~ 0.106mm 구간에서는 L3–S3 및 L3–S4 구간에서 2.8 ~ 3.0% 수준의 유실이 집중되었으며, Fig. 9(b)의 0.106mm 미만의 세립자는 최대 3.5%까지 유출되었다. 이는 입도 분포상 중간 크기 입자들이 주요 유출 경로를 따라 이동한 후, 미세 입자들이 전 층에 걸쳐 분산 유출되었음을 의미한다. 반면 Fig. 10의 CON 조건에서는 구조물 주변부 유실량이 최대 5.2%까지 증가하였다.
Fig. 10(a)에서는 중간 입자 크기에서 최대 2.0% 내외로 관측되어, 구조물이 유동 경로를 제한하며, 세립자 중심의 국부 침식을 유도하는 경향이 확인되었다. Fig. 10(b)는 전체적으로 세립자 유실은 상부층(L1)부터 하부층(L3)까지 비교적 고르게 분포되었으나, S1 구간에서 가장 높은 유실량(최대 3.3%)이 관찰되었다. 이러한 유실 집중은 구조물 경계면에서 형성된 수리적 유로가 유속을 국지적으로 증대시키고, 이로 인해 세립자 이탈이 가속화되었음을 나타낸다. 또한, 같은 조건(상대밀도)의 SOIL 실험과 비교할 때, CON 조건에서는 유출 위치가 S1에 집중되고 유실량은 전체적으로 감소하였다.
3.2.2 Dr = 60 시편에서 입자유실
Dr = 60%조건에서 수행된 실험 결과, 일반 토사와 구조물이 설치된 조건 모두에서 전체 입자 유실량이 증가하였으며, 특히 공간적 집중성과 유실 입경별 분포 특성에서 뚜렷한 차이가 확인되었다. Fig. 11은 상대밀도 60% 일반 토사 조건에서 입자 유실 분포를 나타내며, 전체적으로 하부층(L3)에서의 유실량이 가장 높았다.
특히 하부층의 S2와 S3 구간에서 각각 7.8%, 7.9%로 최대값을 기록하였다. 반면 중간층(L2)은 3.1 ~ 4.3%, 상부층(L1)은 5.5 ~ 6.1% 범위로 비교적 고르게 분포하였다. 본 조건에서는 공극이 크고 입자 간 결속력이 낮아, 전체적으로 유실량이 Dr = 90% 대비 증가하였다. 특히 하부층(L3)에서 세립자 유실이 집중되었고, 구조물 유무에 따라 유실 위치와 크기에서 명확한 차이를 보였다.
Fig. 12는 Dr = 60% 조건에서 구조물이 설치된(CON) 실험의 입자 유실 분포를 나타낸다. 구조물이 설치된 조건에서는 입자 유실이 구조물과 인접한 S1에서 S4 구간으로 멀어질수록 유실률은 점진적으로 감소하는 경향을 보였으나, 전체적으로 하부층(L3)에서 6.1 ~ 8.8%의 높은 유실률이 유지되었다.
Fig. 12(a)는 2% 내외의 범위의 유실률을 보였으나, 하부층에서는 구조물 주변부에서 이동이 촉진되었음을 나타낸다. Fig. 12(b)는 0.106mm 미만의 세립자 유실 분포를 보여준다. 세립자 유실 역시 하부층(L3)에서 가장 두드러졌으며, S1 지점에서 4.6%의 최대 유실률을 기록하였다. 중간층(L2)에서는 구조물이 없을 때와 같이 중간층에서 상대적으로 낮은 입자유실을 보여주었다. 특히 S1 지점의 높은 유실률이 확인되었는데, 이는 구조물 인접부에서 상부 유입수의 유속 집중 현상이 발생하였음을 나타낸다.
상대밀도 60%의 느슨한 토양 조건에서는 전체 입자 유실량이 증가하고 세립자의 수직 이동성이 강화되었다. 구조물 유무에 따른 유실 패턴이 뚜렷하게 구분되었는데, 구조물이 없는 SOIL 조건에서는 하부층의 유실이 분포된 반면, 구조물이 설치된 CON 조건에서는 S1 구간에 집중되었다. 이러한 선택적 흐름 경로 형성은 구조물-토양 경계면에서 유속 구배가 증가하며, 세립자 이동을 촉진함을 볼 수 있다.
4. 토 의
본 연구에서 분석된 유속 특성은 수두경사 증가에 따라 비선형적 반응을 보였으며, 구조물이 존재할 경우 유속 집중이 구조물 인접부(S1)에서 뚜렷하게 나타났다. 이는 구조물이 유동 경로를 제한하여 국부적인 수리 경사를 증가시킨 결과로, 세립자에 대한 전단응력을 증대시켜 내부 침식과 파이핑 현상을 유도할 수 있다. 특히 Dr 60의 느슨한 조건에서는 공극이 크고 세립자 결속력이 낮아 유속 증가에 민감하게 반응하였으며, 유속은 평균 0.15 ~ 0.28cm3/s까지 상승하였다. 반면 Dr 90 조건에서는 아칭 효과로 인해 유속의 급격한 증가가 제한되었다.
입자 유실은 느슨한 조건에서 현저하게 증가하였고, 특히 구조물 인접부에서는 최대 8.8%의 국부 유실이 발생하였다. 이는 유속 집중에 따른 반복적 침식의 결과로, 세립자(< 0.106mm)는 초기 유속에 민감하게 반응하며, 빠르게 유실되었고, 이후 중간 입경(0.425 ~ 0.106mm)의 입자가 수리적 유로를 따라 이동하며, 공극 구조를 재구성하였다. 이러한 피드백은 투수성 증가와 지속적 침식을 동시에 유발하였다.
유속과 입자 유실의 비교를 통해 도출된 시사점은 다음과 같다. 첫째, 유속 증가는 단순한 유실 가속 요인이 아니라, 구조물 주변 국부 침식의 핵심 변수로 작용한다. 둘째, 유실은 유속 분포에 따라 공간적으로 집중되며, 특히 경계면에서 그 경향이 강화된다. 셋째, 조밀한 토양에서는 자가여과 기능이 작동하여 침식을 억제하는 효과가 있다. 마지막으로, 침식 안정성 평가는 유속, 입도, 구조 조건을 포함한 통합적 접근이 필요하다. 따라서 구조물 주변에는 다층 필터재 등 보강 대책을 적용하고, 비선형 유속 반응을 고려한 설계 안전계수 도입이 요구된다. 이는 기후변화에 따른 극한 수리조건에서도 구조물 붕괴 방지를 위한 실효적 설계 기반이 될 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 Dr = 90% 및 60%의 상대밀도 조건에서 구조물의 존재 유무에 따른 수두경사 변화가 gap-graded 토양 내 유속과 세립자 유실 특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 이는 기후변화에 대비한 집중호우 및 홍수 상황에서 구조물 주변부의 내부 침식 취약성을 정량적으로 규명하고자 한 시도이다.
첫째, 수두경사가 증가함에 따라 유속은 비선형적으로 증가하였고, 구조물이 존재하는 경우(CON)는 주변 경계면에서 국부 유속 집중과 세립자 유실이 현저하게 나타났다. 특히 CON 조건의 유속은 SOIL 조건보다 평균 1.8배 높게 측정되어, 구조물–지반 경계면이 침식에 매우 취약한 영역임을 입증하였다.
둘째, 조밀한 조건(Dr = 90%)에서는 아칭 효과 및 내부 여과 작용으로 인해 유실이 억제되었으나, 느슨한 조건(Dr = 60%)에서는 하부층 중심의 유실과 층간 세립자 축적(clogging) 현상이 병행되며, 침식이 가속화되었다. 구조물 유무에 따라 유실 위치와 형태가 달라졌으며, 구조물이 존재할 경우 국부 침식(localized piping)이 집중적으로 발생하였다.
이러한 결과는 하천 제방을 횡단하는 배수통문과 같은 구조물이 집중호우 시 내부 침식의 기점이 될 수 있음을 보여주며, 기후변화에 대비한 제방 및 수리구조물의 설계와 유지관리에 있어 구조물–지반 경계부에 대한 정밀한 안정성 평가가 필요함을 시사한다. 실제 사례에서도 배수통문 인접부의 유로 집중은 침하 및 구조적 손상을 유발하며, 본 연구는 해당 현상의 실험적 재현과 원인 규명에 기초자료를 제공한다.
다만, 본 실험은 단일 구조물 및 단층 필터 조건에서 수행되었으며, 실제 제방의 복합 형상, 장기 유실, 구조물 손상까지는 평가가 제한된다. 향후에는 다층 필터재의 차단 성능, 포화-불포화 조건, 기초 형상 및 깊이 변화를 고려한 실험 및 수치모델을 통해 구조물 경계부 침식에 대한 보다 정밀한 예측과 보강 설계 지침이 마련될 필요가 있다.
