1. 서 론

우리나라의 폐기물 발생량은 해마다 늘고 있지만, 폐기물을 최종처분하기 위한 매립지는 포화상태에 이르고 있다. 이러한 현실로 인하여 해상에 폐기물매립지를 조성하는 방안이 대안의 하나로서 고려되고 있다. 해외의 경우, 일본에서는 전국적으로 40개소 이상의 해상 폐기물매립지를 조성하여 운영중에 있으며, 싱가포르에서도 세마카우 해상폐기물매립지를 건설하여 운영하고 있다.

폐기물매립지에서는 내부에서 발생되는 침출수가 외부로 유출되어 주변 환경에 영향을 주지 않도록 차수성을 확보하는 것이 중요하다. 우리나라에는 해상처분장 사례 및 관련 기준은 없으나, 육상 폐기물매립지의 차수시설 기준을 살펴보면 매립시설의 바닥 및 사면에 폐기물의 성상, 매립높이, 지형조건 등을 고려하여 점토류 또는 고밀도폴리에틸렌(High Density Polyethylene, 이하 HDPE) 등의 차수시트를 설치하여 침출수 유출을 차단하도록 되어 있다. 해상 폐기물매립지의 경우에는 기본적으로 연직차수공을 설치하여 내부 침출수의 외부 유출을 방지한다. 바닥차수의 경우에는 해저지반에 점토층 퇴적물이 두껍게 분포하고 있어 점토지반의 낮은 투수성을 별도의 추가시설 없이 매립장의 저면 차수층으로 이용하는 경우도 있으며, 해저지반 하부 투수성이 큰 지층이 분포되어 있으면 저투수성 지반으로 개량하거나 차수시트를 설치하여 침출수 유출을 차단하는 방법이 제시되어 있다(Kwon et al., 2012). 하부지반이 폐기물매립지의 바닥차수기준을 만족하는 저투수성 지반이 발달한 경우에도 호안구조물의 내측 사면부에는 차수시트를 설치하여 외부로의 침출수 유출을 방지하게 된다.

국내의 경우 육상 폐기물매립지에서 차수시트의 강도 및 시공관리에 대한 연구가 주로 이루어져 왔다. Shin and Park (2007)은 토목섬유를 보강하여 폐기물 매립지반의 지지력을 현장실험을 통하여 평가한 후, 수치해석 결과와 비교하여 토목섬유 지반보강효과를 분석하였다(Shin and Park (2008)). Lee and Oh (2010)은 사용종료매립장의 지오멤브레인 차수시스템에 대하여 추적자 조사 및 인장강도시험을 통하여 매립장 운영 및 사후관리 기간 동안 침출수와 하중조건에 따른 지오멤브레인의 안정성 및 손상도에 대하여 평가하였다. 또한, Yoo and Lee (2014)는 폐기물 매립장에 HDPE 차수시트 시공 및 손상에 따른 보수 등 관리에 대한 주의사항에 대하여 기술한 바 있다.

해상 폐기물매립지에서에 대한 연구는 아직까지 구체적으로 수행되지 않았지만 최근 Park et al. (2016)은 해상처분장에서 이중 연직차수벽체의 근입 심도에 따라 해저지반을 통한 침투 및 오염물질 이동특성에 대해 분석한 바 있다. 그러나, 차수시트가 설치된 해상처분장 호안에서 해저지반을 통한 침투 및 오염물질 이동특성에 대해서는 아직까지 구체적인 연구가 수행된 바 없다. 따라서, 해상처분장에서는 침출수 유출방지 기능을 충분히 발휘하면서도 경제적인 차수시트 설치범위를 도출할 필요가 있다. 이를 위해서는 사면부로부터 바닥면으로의 차수시트 연장길이에 따른 침투거동을 파악하여 침출수 유출방지 효과에 대한 분석이 필요하다.

본 연구에서는 해상 폐기물매립지에서 차수시트 설치영역에 따른 해저 지반을 통한 침출수 유출특성을 평가하기 위하여 SEEP/W를 이용한 침투해석을 수행하였다. 침투해석 결과에 기초하여 경사식 호안에서 매립지 내부 저면에서의 차수시트 연장설치범위에 따른 침출수 유출방지 효과를 비교‧분석하였다.

2. 침투해석 방법 및 조건

2.1 해석단면

국내에는 폐기물 해상처분장 사례가 없으므로 본 연구에서는 일본 다치바나만 해상 폐기물매립지에 적용된 경사식 호안 단면(Fig. 1)을 대상으로 선정하였다(Chae et al., 2011; Kwon et al., 2012). 다치바나만 해상매립장은 사석식 경사호안의 법면에 2중의 차수시트를 설치하고 중간 보호층을 두어 차수시트가 파손되지 않도록 적용된 사례이다.

지반조건은 저투수성의 점토층으로 이루어진 단층지반 조건(Fig. 1(a))과 경기만 지역의 해저지층분포인 모래, 점토, 모래, 풍화토, 풍화암으로 구성된 다층지반 조건(Fig. 1(b))을 가정한 두가지 지반조건에 대하여 침투거동을 수행하였다. 침투해석에 적용된 투수계수는 HDPE sheet와 단층지반의 경우 문헌에 제시된 단면조건과 입력정수를 참고하였으며(Kwon et al., 2012), 다층지반의 투수계수는 단층지반조건을 기초로 하여 임의로 가정하였고 Table 1과 같다. 횡방향과 수직방향의 투수계수비(kv/kh)는 층서퇴적층의 층서발달이 중간정도일 경우로 가정하여 0.1로 적용하였다(Han (1998)).

2.2 침투해석 조건 및 방법

본 연구에서는 차수시트의 설치범위에 따른 침투거동을 파악하기 위하여 2차원 유한요소해석프로그램인 SEEP/W를 사용하였다. SEEP/W는 Darcy의 법칙과 질량보존의 법칙을 따르는 포화-비포화 흐름에 근거하여 2차원의 이방성 지반의 포화 및 비포화 흐름을 해석할 수 있다.

침투해석을 위한 유한요소망은 Fig. 2와 같이 경사식 사석 마운드, 뒤채움부, 폐기물매립층과 같이 사면으로 형성된 구역은 삼각형 격자망으로 구성하였고, 해저지반은 사각형으로 구성하였고, 각 격자망의 크기는 1m로 구성하였다. 침투해석시 해석영역에 의한 침투거동이 영향을 받지 않도록 단층지반(Fig. 2(a))에서의 모델링 범위는 200m(폭)×60m(높이)이며 다층지반(Fig. 2(b))의 모델영역은 500m(폭)×60m(높이)로 설정하였다. 호안 및 뒤채움 사면부까지 차수시트가 2중으로 포설되어 있는 것으로 가정하였으며 차수시트는 일본의 해상폐기물매립지 설치기준으로 제시된 3mm 두께로 설정하였다. 호안 내외부의 수위조건은 외부수위를 평균해수면으로 설정하였으며, 내부수위는 외부수위 대비 –2m, 0m, 2m 조건으로 각각 설정하고 초기수위가 일정하게 유지되는 것으로 가정하고, 정상류 침투해석을 실시하여 침투거동을 평가하였다.

침투해석을 수행한 조건은 해저지반 표층에 점성토가 분포되어 있는 단층지반에서 호안 내부수위 조건, 호안 저면 차수층의 투수성 변화에 따른 침투거동을 평가하였으며, 이에 기초하여 단층 및 다층지반에서 차수시트를 해저지반으로 연장길이, 투수성이 큰 표층(사질토)의 저투수성 치환범위에 따른 침투 차단효과를 분석하였다. 침투해석이 수행된 조건을 Table 2에 정리하였다.

3. 해석결과

3.1 호안 내부수위 조건에 따른 침투거동

해상처분장에서 호안의 내외부 수위차에 따른 침투거동은 단층지반을 대상으로 하여 외부 평균해수면을 기준으로 –2m, 0m, +2m인 조건에서의 침투해석을 실시하였다. 기본적으로 호안 외수위와 내수위가 동일하면 흐름은 발생되지 않는다. 호안 내외부의 수위차가 각각 ±2m인 경우의 침투해석에 의한 수두분포와 유향유속벡터를 Fig. 3에 도시하였다. Fig. 3에 의하면 차수시트가 설치된 사면부를 통해서는 침투가 발생하지 않지만, 해저 지반을 통해 침투가 발생되는 것을 알 수 있다. 외부 해수면보다 호안 내부수위가 낮은 경우에는(Fig. 3(a)) 경사식 호안 및 해저지반으로 유입된 해수가 하부 점토지반을 통해 내부로 이동하는 것으로 나타났다. 호안 내수위가 외수위보다 높은 경우에는 내부 폐기물매립층에서 점토층을 통해 지반 및 경사식 호안 제체로의 흐름이 형성되는 것으로 나타났다. 따라서, 호안 내부수위를 외부수위보다 낮게 관리하기만 한다면, 이론적으로는 해상 폐기물매립지 내부의 침출수가 외부로 유출되는 것은 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.

해상처분장 하부 차수층의 투수성에 의한 침투거동을 비교하기 위하여 점토층의 수평 투수계수가 각각 1×10^-4, 1×10^-5, 1×10^-6cm/s인 경우(투수계수비 kv/kh=0.1)에 대하여 수치해석을 실시하였다. 대표적으로 하부지반 투수계수가 1×10^-5cm/s인 경우의 유속분포를 Fig. 4에 나타내었으며, A-A’구간에서의 침투유속 분포를 Fig. 5에 도시하였다. 점토층의 투수성과는 무관하게 점토층 하단에서의 침투유속은 0.1cm/sec 이하로 나타났다. 그러나 점토층의 투수계수가 1×10^-5cm/s(Case Ad_0)에서 1×10^-4cm/s(Case Ac)으로 높아지면 점토층 상단에서의 유속이 큰 것으로 나타났다. 이때 점토층의 투수계수는 10배 증가하였지만 투수성이 상대적으로 높은 상부의 중간보호층과 하부 사력층으로 침투 및 흐름이 발생되었으므로 유속은 8배 정도 증가되는 것으로 나타났다. 따라서 하부지반의 차수성 평가 시 해저지반 하부보다는 상부의 침투거동을 확인하여야 할 것으로 판단된다.

3.2 차수시트 설치영역에 따른 침투거동

해상처분장에서는 침출수 유출을 방지하기 위하여 내부수위를 외부 수위보다 낮게 유지하는 것이 일반적이지만 해상처분장 내부에서 매립의 진행이나 집중호우 등으로 내부수위의 급격한 상승이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 외부 수위보다 내부 수위가 높아지는 경우가 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 내부 수위의 상승으로 인하여 해양으로 침투가 발생하는 조건이 되더라도 내부 침출수의 외부 유출을 방지할 수 있어야 하므로 본 연구에서는 내부수위가 외부 해수면보다 2m 높은 경우를 설정하여 차수시트 설치조건에 따른 침투해석을 실시하였다.

Fig. 6은 하부 지반이 저투수성 점토층인 경우 호안 사면으로부터 점토층 상단으로 차수시트의 연장길이에 따른 수두분포 및 흐름벡터를 나타내었다. 연장길이에 따른 수두분포 및 흐름벡터는 연장길이에 관계없이 유사하게 나타났기 때문에 1m 연장한 경우에 대한 결과를 대표적으로 Fig. 6(b)에 제시하였다. 차수시트가 호안 사면까지만 설치된 경우 경사식 호안 내측 사면과 점성토 상부를 통하여 외부 방향으로 침투가 발생된 것으로 나타났다. 반면, 차수시트를 호안 사면 끝단으로부터 점토층 상부면으로 일부만 연장하여 설치하더라도 해저지반을 통한 호안 외부로 침투되는 흐름이 차단되는 효과가 큰 것으로 나타났다.

해상처분장 하부 표층에 투수성이 큰 사질토가 분포되어 있는 다층지반조건에서 차수시트의 설치범위에 따른 수두분포와 유향을 Fig. 7에 도시하였다. Fig. 7(a)의 차수시트를 해저지반으로 연장하여 설치하지 않은 경우이며, Fig. 7(b)는 차수시트가 호안 사면 끝단으로부터 해저지반 표층으로 6m 연장설치된 경우를 대표적으로 나타낸 것이다. 하부지층이 저투수성의 점토지반인 경우와 달리 점토층 상부에 투수성이 큰 모래층이 존재하는 경우에는 차수시트를 사면부 끝단으로부터 6m까지 연장하여 설치하더라도 차수시트가 설치되지 않은 영역에서 모래층으로 침투가 발생하여 흐름이 발생하기 때문에 침투차단효과가 크지 않은 것으로 나타났다.

호안 사면의 차수시트를 해저지반으로 연장하여 설치범위에 따른 침투유량을 비교하기 위해 B-B’와 C-C’구간의 단위면적당 유량을 산정하여 Fig. 8에 나타내었다. 하부 저투수성 지층이 분포되어 있는 단층지반에서의 침투유량은 해저지반으로 차수시트를 연장하여 설치되지 않은 경우 유량이 약 0.66m³/year/m²으로 나타났다. 차수시트를 해저지반표면에 1m 연장하여 설치된 경우의 침투유량은 약 0.22m³/year/m²으로 차수시트가 표면에 설치되지 않은 경우에 비해 33%수준의 침투유량을 나타내어 침투유량 감소효과가 큰 것으로 나타났다. 반면에, Case Ad_2~Ad_6와 같이 차수시트를 해저지반 표면에 2m 이상 연장하여 설치하여도 차수시트를 1m 연장하여 설치한 경우와 비교하여 침투유량 감소율이 약 4~8%로 나타나 침투유량이 감소되었지만 감소효과는 크지 않은 것으로 나타났다.

해상처분장 호안 하부지반의 차수성이 확보되지 않은 다층지반에서의 침투유량은 차수시트를 연장하여 설치하지 않은 경우 약 33m³/year/m²으로 나타났으며, 차수시트를 6m 연장하여 설치하더라도 침투유량은 약 25m³/year/m²으로 나타나 차수시트의 연장설치만으로는 침투유량 저감효과가 크지 않은 것으로 나타났다.

SEEP/W에 의한 침투유량 분석결과 저투수성 점토층 지반에서는 차수시트를 호안 사면 끝단으로부터 점토층 상부면으로 1m 이상만 연장하여 설치하더라도 지반으로의 침투유량을 상당히 저감하는 효과가 있다. 반면, 해저지반 상부에 투수성이 큰 지층이 분포되어 있는 경우에는 차수시트의 일부 연장에 의해서는 침투유량 저감 효과가 미미하기 때문에 투수성 지반의 저투수성 개량 등이 추가적으로 적용되어야 할 것으로 판단된다.

3.3 지반 개량범위 및 차수시트 설치영역에 따른 침투거동

하부지반의 표층에 투수성이 큰 지층이 존재하는 경우 호안 내부에서 외부로 침투되는 흐름을 차단하기 위해서는 차수시트를 호안내부의 해저지반 상부면 전체를 포설하는 방법과 사질토 지반을 저투수성 지층으로 개량하는 방법이 적용될 수 있다.

해저지반의 상부에 존재하는 투수성이 큰 사질토층을 저투수성 지층으로 개량한 조건에 대한 침투해석 결과를 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 7(a)와 비교하여 Fig. 9(a)와 같이 호안 내측 사면하단을 경계로 하여 호안 내부 전체에 대해 사질토층을 저투수성으로 개량함에 따라 지반으로의 침투가 저하되는 것으로 나타났다. 그러나 개량된 저투수성 지층 상부의 지반으로 흐름이 집중되는 것으로 나타났다. 반면에 Fig. 9(b)에 제시된 바와 같이 호안 사면으로부터 저투수성 지층 상부면으로 차수시트를 1m 연장하여 설치함으로써 매립지 하부 지반 표층에서의 침투를 크게 감소시키는 효과를 볼 수 있는 것으로 나타났다. Fig. 10은 차수시트를 사면부 끝단으로부터 연장설치한 범위에 따른 D-D’ 구간에서의 단위면적당 유량을 도시한 것이다. 경사식 호안 사면부만 차수시트를 설치한 경우 침투유량은 약 8m³/year/m²였으나, 사면부 끝단으로부터 차수시트를 연장하여 설치하는 경우 1m만 연장하더라도 유량은 약 0.05m³/year/m²으로 나타나 침투저감효과가 큰 것을 알 수 있다.

해상 폐기물매립지에서의 차수는 궁극적으로 호안 외부로의 침출수 유출 방지가 목적이므로 본 연구에서는 사면부 끝단의 일부 영역을 저투수성 지반으로 개량하는 방법을 적용하는 경우의 유출방지효과를 평가하여 효과적인 지반개량 및 차수시트 설치영역을 도출하고자 하였다. 투수성이 큰 사질토층에서 저투수성으로의 지반개량범위에 따른 침투거동을 평가하기 위해 Fig. 11과 같이 경사식 호안 사면으로부터 호안 내측으로 0~6m까지 지반개량 구역을 설정하여 1m 단위 개량영역을 변경시키면서 침투해석을 실시하였다.

차수시트를 호안 사면부에만 설치한 경우에 대해서 수치해석을 실시하였고, 해석결과 중에서 대표적으로 0m, 1m, 5m, 6m 개량된 경우의 수두분포와 흐름벡터를 Fig. 12에 도시하였다. 사질토층이 저투수성으로 개량되지 않은 경우(Fig. 12(a))에 비해 저수투성으로 1m 개량하면(Fig. 12(b)) 해저지반으로 침투를 차단하는 효과를 보이고 있지만, 호안 내측 사면과 사질토층 경계부위에서 흐름이 집중되는 것으로 나타났다. 개량폭이 1~5m까지는(Case B0_1~Case B0_5) 개량폭과 관계없이 Fig. 12(c)에 제시된 것과 유사한 경향을 나타내었으며 Fig.12(b)와 큰 차이없이 침투 차단효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 호안 내측 사면 끝단으로부터 6m 개량하였을 경우(Fig. 12(d))에는 침투 차단효과가 큰 것으로 나타났는데 이는 호안 내측과 중간보호층에 설치된 2중의 차수시트에 의해 차폐되는 효과 때문인 것으로 판단된다.

차수시트를 호안 내측 사면부로부터 해저지반에 1~6m까지 연장하여 설치하는 것과 사질토층을 1~6m 범위에서 개량하는 조건을 각각 조합하여 침투해석을 실시하였다. Fig.13은 사질토층을 폭 1m 개량한 후 차수시트 1m 연장하여 설치한 경우와 차수시트를 6m 연장하고 6m 폭으로 지반개량하였을 경우의 수두분포와 흐름벡터를 도시한 것이다. 차수시트를 1m 연장하여 설치하면(Fig. 13(a)) Fig. 12(b)와 비교하여 해저지층 상부의 지반으로 발생되는 흐름이 차단되는 효과를 볼 수 있다. Fig. 13(b)와 같이 추가적으로 차수시트를 연장하여 설치하고 지반개량 범위가 커지더라도 해저지반을 통한 흐름발생에는 Fig. 13(a)와 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

호안 내측 사면으로부터 사질토층의 개량범위와 차수시트의 설치범위에 따른 침투저감 효과를 비교하기 위하여 E-E’구간(Fig. 11)에서의 단위면적당 유량을 산정하여 Fig. 14에 도시하였다. 차수시트를 해저지반 상단으로 1m 연장하여 설치하고 지반개량 범위가 1m인 경우의 침투유량은 차수시트를 호안 내부사면에만 설치하고 지반개량을 하지 않은 경우(Fig. 7(a))와 비교하여 약 98% 감소되는 것으로 나타나 침투차단효과가 매우 큰 것을 알 수 있다. 반면, 차수시트의 연장길이가 2~6m이고 지반개량 범위가 2~5m인 경우에는 추가적인 침투유량 감소가 미미한 것으로 나타났다. 다만, 2중 차수시트 사이 구간(6m)을 모두 개량한 경우에는 2중 차수시트에 의한 차수효과로 해저지반으로의 연장설치 없이 차수효과를 볼 수 있는 것으로 나타났다.

따라서, 하부 저투수성 지층 상부에 투수성 지층이 존재하는 경우에는 2중 차수시트 사이 영역을 저투수성으로 개량하거나 사면부 끝단에서 해저지반으로 1m 이상 차수시트를 연장설치하고 하부 투수성 지반을 폭 1m 이상으로 저투수성으로 개량함으로써 외부로의 침투발생을 효과적으로 차단할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 해상 폐기물매립장의 경사식 호안의 사면부에서 차수시트 설치시 바닥면으로의 연장설치 범위에 따른 침투 및 흐름발생을 분석하여 효과적인 지반개량 및 차수시트 설치 조건을 평가하기 위하여 2차원 유한요소 프로그램인 SEEP/W를 이용한 침투해석을 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

하부지반에 점토층이 분포되어 있는 단층지반의 경우 해저지층 상부의 지반으로 흐름이 집중되므로 차수시트를 호안 사면부 끝단으로부터 지층 상부면으로 1m 이상 연장설치함으로써 호안 외부로의 침투유량를 상당히 저감하는 효과가 있는 것으로 나타났다.

하부지반의 표층에 투수성이 큰 사질토층이 분포되어 있는 경우에는 차수시트를 일부 연장하는 것만으로는 침투유량 저감 효과가 미미하기 때문에 투수성 지반의 저투수성 개량 등이 추가적으로 적용되어야 한다. 해상 폐기물매립지 하부 지반의 최상층이 투수성이 큰 사질토층이 존재하는 경우에는 저투수성으로 1m 이상 개량하고 차수시트를 해저지반으로 1m 이상 연장하여 설치함으로써 침출수의 횡방향 흐름으로 인한 외부 유출을 효과적으로 방지할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 2중 차수시트가 적용된 경우에는 2중 차수시트 사이 전구간을 저투수성 지반으로 개량함으로써 침투 및 흐름 발생을 효과적으로 차단할 수 있는 것으로 나타났다.

다만, 해상 폐기물매립지 설계에 반영되기 위해서는 다양한 해상처분장 호안 단면 및 지반조건을 대상으로 침투해석 뿐만 아니라 지중내 오염물질 이동특성을 고려한 추가적인 연구를 통해 침출수 유출방지를 위한 차수시트 설계 기준이 마련될 필요가 있을 것으로 생각된다.