일본국립환경연구소(NIES, National Institute for
Environmental Studies)
주임연구원
1. 시작하며
수도권매립지 사용종료에 따른 대체후보지의 모색을 위한 4자협의체(환경부 및 인천·서울·경기도)의 연구용역이 착수되었지만, 후보지 선정에 따른 3개시도 관계자간 합의가 쉽지 않고, 해당 지역주민의 반발이 매우 우려된다. 산업화로 인하여 폐기물의 발생량은 증가하며, 이러한 폐기물을 안전하게 처리하는 문제는 매우 중요하며 심각한 사회적 이슈이다. 또한, 폐기물 처리와 관련하여 엄격한 환경적 기준을 요구하고 있는 것은 당연한 일이며, 이와 관련하여 국가적 차원에서 그 기준을 다루어야 한다. 특히, 우리나라와 같이 육상의 폐기물 처분장의 매립가능용량은 한정되어 있고, 신규 매립지의 건설은 NIMBY현상으로 인하여 입지선정조차 어려운 환경에서는 해상폐기물처분장을 건설하는 친환경적 기술을 적극적으로 검토할 필요가 있다. 이와 관련하여 주변국가의 사례를 살펴보면, 일본은 1960년대부터 도쿄, 오사카, 요코하마 등 대도시 인근 해역에 해상폐기물처분장을 건설하여, 육상에서 발생한 폐기물을 해상으로 운송하여 처리하는 시스템을 구축하여 성공적으로 운영하고 있다(채광석 등 2011; 오명학 등 2012).
일본 해상폐기물처분장의 성공적 사례는 국내의 해상폐기물처분장 건설의 검토에 도움이 될 것으로 판단된다. 본 고에서는 일본의 해상폐기물처분장 운영 현황을 살펴보고, 지반공학적 관점에서 차수 호안(연직차수공)의 설계, 시공 사례를 분석하여 소개토록 한다.
2. 해상폐기물처분장의 특징
해상폐기물처분장의 해양환경에 대한 안전성 확보를 위해서는 관리형 해상처분장 개념으로 조성돼야 한다. 폐기물 최종처분장은 안정형, 관리형, 차단형으로 구분되며, 관리형 해상처분장은 차수호안 (연직차수공 포함) 및 보유수(침출수) 처리시설을 갖춘 시설을 의미한다. 이를 위해서는 해상폐기물처분장은 파랑, 고조, 쓰나미 등 해양외력에 대한 구조적 안정성을 확보해야 하며, 처분장 내부의 침출수가 외해에 누출하지 않도록 차수성능 확보가 필요하다. 예를 들어 설명하면, 전형적인 호안구조물인 케이슨 방파제의 경우, 이를 거치하게 되는 사석 마운드의 통수성(通水性)을 높게 하여 내외 수위차 및 파력 완화에 의하여 호안의 구조적 안정성을 확보하지만, 해상폐기물처분장의 호안은 내부 침출수가 외해에 유출되지 않도록 차수성능이 필수적으로 확보되어야 하므로, 기존 호안구조물과의 차이점을 명확히 이해해야 한다(권오순 등 2012).
그림 1은 육상처분장과 해상처분장의 차이점을 비교한 단면이다. 일반적인 육상처분장의 처리시설은 폐기물 침출수를 처분장 저면(바닥면)에서 집수하고 표고차를 이용한 자연배수를 통하여 하류에서 정화 처리하는 집배수 시스템을 가지고 있으며, 우수가 침투하여 폐기물 매립층에서 융해하며 부유물질은 정기적 모니터링을 실시하도록 되어있다. 한편, 해상처분장은 수위차가 거의 없는 대규모 수조와 같은 것으로 이해하면 되는데, 매립장의 입지, 해양 외력, 차수구조 외에도 해상폐기물처분장의 중요한 요소는 처리장내 보유수(처분장 내부의 존재하는 물) 관리이다. 해상처분장에서는 보유수 정화 후에 외해로 배수하는 것에 의해 내부수위를 조정할 수 있는데, 폐기물 매립장의 동수구배를 이용하여 외부수위에 비해 내부수위를 낮게 관리하는 등의 능동적 수위관리 방법이 사용되고 있다.
다음으로 저면(바닥면) 차수공에 대해 간단히 살펴보면, 육상처분장은 저면의 점토라이너(Clay Liner) 시공이나 점토층 다짐공법 적용이 가능하지만, 해상처분장은 저면이 수중이므로 시공이 곤란하다.
일본 사례를 보면 도쿄만, 오사카만 등의 일본 대도시 연안의 해저에 점토층이 두껍게 퇴적하고 있어 투수성이 낮은 점토지반을 처분장의 저면 차수층으로 이용할 수 있다. 또한, 사질토 지반에서는 저면의 차수보강공법을 적용한 사례도 있는데, 이럴 경우에는 수중에서는 작업공간이 항상 젖어있어 다짐공법 및 차수시트(합성수지 차수막)의 접합작업 등이 어려우므로 품질관리에 세심한 주의가 필요하다.
시공상에서 특별히 주의할 점이 있는데, 차수시트를 시공할 경우에는 외해 수위가 높을수록 호안과 내부의 바닥면에 양압력이 작용하여 차수시트가 가라 앉지 않는 경우가 발생하거나, 조위변동에 의해 발생하는 양압력으로 인하여 차수시트가 저면에 고정되지 않기 때문에 충분한 상재압력을 확보해야 한다. 또한 해상처분장의 우각부 시공은 호안 및 해저 지반의 지형에 맞게 차수시트에 국소 변형이 일어나지 않도록 무리한 힘이 작용하지 않도록 시공해야 한다.
3. 일본 해상폐기물처분장의 현황
일본의 폐기물 최종처분장은 폐기물을 안전하게 매립하는 시설로서, 과거에는 산간 지역에 만들었으나 국토면적의 부족함과 에도시대()부터 계속되고 있는 매립사업의 일환으로 바다에 폐기물처분장을 건설하여 왔다.
그림 2에 나타낸 것과 같이, 일본 전국에 총 75개(면적 약 4,500 ha, 2018년 기준)로의 해상 폐기물처분장(일반폐기물 및 산업폐기물 매립)이 있으며, 이중 일반폐기물은 약 40 개소의 해상 최종처분장에서 매립하고 있다. 해상처분장은 육상처분장 비해 수적으로는 적지만, 전국적인 매립 면적과 용량은 15%와 28%을 차지하고 있다. 특히 대도시인 도쿄의 경우에는 63%와 79%에 이를 정도로 해상처분장에 대한 의존도가 매우 높다. 이것은 육상처분장의 평균 크기는 약 2만m3 로써 소규모인 것에 비해, 해상처분장은 약 20만m3의 대규모 처분장의 조성이 가능하며, 처분장 건설에 투여되는 공사비를 비교하면 폐기물 매립량 1m3을 기준으로 해상처분장은 6,000~15,000엔/m3, 육상처분장은 10,000~40,000엔/m3으로 해상처분장의 조성이 경제적이기 때문이다(Kazuto ENDO, 2017).
4. 일본 해상폐기물처분장 사례
4.1 도쿄 해상폐기물처분장
그림 4는 도쿄 해상폐기물처분장의 G-block 호안구조 및 연직차수공 시공을 나타냈다. 수심은 약 10m이며, 지반은 해수면(A.P.=datum level) -40m 부근까지 매우 연약한 점토실트와 준설토가 퇴적되어 있고 그 하부의 충적층의 깊이는 -40~-50m에 달한다. G-block 호안구조는 2열식 강관시트파일(SPSP, Steel Pipe Sheet Pile)을 항타하고 Tied-rod를 설치, 2열 SPSP사이에는 모래채움을 하였다. SPSP의 상부에 덮개 콘크리트를 파랑조건, 안전성 등을 고려하여 -0.5m ~+4.5m 높이로 타설하였다. 지반개량공법은 기초지반의 연약한 점성토를 제거하고 SCP(Sand Compaction Pile)을 시공하였으며, 내부 매립지의 일부 구간은 심층혼합처리공법(DCM, Deep Cement Method)을 적용하여 지반강도 및 차수성을 높였다.
4.2 오사카만 해상 폐기물처분장(Phoenix center)
오사카만 광역임해환경정비센터 “오사카만 Phoenix center”는 오사카만 권역의 대도시에서 발생하는 폐기물을 처리함과 동시에 새로운 매립지를 활용하여 지역발전에 기여하는 것을 목적으로 1982년 시작되었다.
표 1에 나타낸 것과 같이 Phoenix center는 총 4개의 처분장으로 구성되어 매립면적은 약 500 ha이며, 폐기물 처리가능 용량은 총 7,600만m3 이며, 매립위치 및 매립면적, 매립용량은 다음과 같다.
그림 5와 같이, 오사카만 주변의 총 168 지자체에서 발생하는 폐기물 매립을 위해서, 제 1기 사업으로 尼崎沖(Amagasaki oki), 泉大津沖(Izumiotsu oki)를 건설하고, 제 2기 사업으로 (Kobe oki), 大阪沖(Osaka oki)을 정비하여 총 4곳의 해상폐기물처분장을 건설하였으며, 각 지자체에서 육상으로 운반된 폐기물을 해상처분장으로 운송을 위해 운반거리 등을 고려하여 폐기물 운반기지 9곳을 지정하여 운영하고 있다.
오사카만 Phoenix center의 4개 해상처분장 중에서 가장 최근에 시공된 大阪沖(Osaka oki)은 2001년에 호안공사를 개시하여 2009년에 완공하여 현재 폐기물 매립이 진행되고 있다. 해상처분장은 내부의 폐기물 침출수가 외부로 누출되는 것을 막는 차수성을 확보하는 것이 중요하므로, 저면은 두꺼운 점토층의 불투수 차수층을 이용하고 측면의 호안구조는 매립후의 사용목적에 따라 경사호안과 직립호안의 서로 다른 종류를 채택하였다.
그림 7은 향후의 폐기물 매립수요를 고려하여 제 3기의 (Kobe oki) 건설 계획이다. 2017년 2월부터 계획단계에서 필요한 환경영향평가를 실시하고 있으며, 매립폐기물의 종류는 일반폐기물과 산업폐기물을 매립할 수 있는 관리형 최종처분장이며, 예정 위치는 기존 (Kobe oki)에 인접 구역으로 대상면적 70 ha, 매립용량 1,200만m3이며, 예상 공사기간은 약 8년으로 향후 매립 예상 기간은 20년이다.
5. 지반특성을 고려한 차수호안 (연직차수공 포함) 분석
앞서 설명한 것과 같이, 일본은 다양한 종류의 매립호안을 이용해서 해상처분장을 조성하고 있는데, 주로 다음 대표적인 4가지 차수호안 구조형식으로 구분하여 정리할 수 있다. 실제로 일본에서 시공된 사례를 지반특성을 통하여 차수호안(연직차수공 포함)을 분석, 검토하도록 한다.
(가) 경사식 호안은 사석을 사용하여 비교적 경제적으로 시공이 가능하지만, 사석 마운드의 투수성을 낮추기 위하여 2중 차수시트를 측면차수에 적용하는 것이 필수적이다.
(나) 중력식 케이슨 호안은 케이슨 이음부(줄눈부)에서 차수성을 확보해야 하고, 사석 마운드의 투수성이 매우 크기 때문에 이에 대한 차수공이 마련되어야 한다.
(다) 강관시트파일(SPSP, Steel Pipe Sheet Pile) 호안은 강관말뚝의 이음부에서 차수성을 확보해야 하며, 해수 및 폐기물의 침출수에 의한 강재의 부식을 고려해야 한다.
(라) 셀(Cell) 호안은 강판 셀을 이용한 방법으로 SPSP 호안과 동일한 특징을 가지며, 셀(Cell)과 아크(Arc)의 이음부에 대한 차수처리가 필수적이며, 지반조건으로 불투수성지반(연약지반)의 층 두께가 얇은 경우에 적용한다.
5.1 경사식 호안
그림 9에 경사식 호안의 적용사례를 나타냈다. 조립분이 많이 포함된 해저지반은 저면차수층으로서는 충분한 차수성을 기대할 수 없으므로, 저면에 차수시트를 사용하는 것으로 판단된다. 차수시트에 의한 저면차수공을 시공할 경우에는 호안(케이슨, 시트파일)과 저면의 차수공의 접속이 매우 어려운 작업이다. 또한 지진과 태풍에 의한 호안 형상이 변형되는 경우에는 차수시트가 접속부에서 손상될 우려가 있다. 이러한 문제를 피하기 위해서 경사식 호안의 경우에는 호안의 경사면에서 저면까지 차수공을 일체화 시공할 수 있는 차수시트를 사용한다. 본 현장은 조립분이 다량 포함되어 지반의 투수성이 좋은 경우이므로 호안의 안정성을 해저지반의 배수강도로 검토할 수 있으며, 사석식 경사호안을 채용하면 지반개량이 불필요하므로 경제적이라 할 수 있다. 차수시트에 의한 경사면의 차수성은 표면차수공에 해당하므로, 일본 환경법령 기준에 따라 2중 차수시트를 설치하였다.
조위변동은 약 4.0 m인 해역으로서 차수호안의 최종물막이 공사 후에는 조수간만에 따라 차수시트가 휘어지는 경우가 발생한다. 따라서 2중 강관시트파일을 사용하는 경우에는 중간 채움재를 통하여 차수호안의 강성을 높이는 것에 의해 최종물막이 공사를 수행할 필요가 있다. 또한, 차수시트를 적용하는 경우에는 처분장의 외부 수위가 내부 수위보다 높아지면 양압력이 작용하여 차수시트를 떠오르게 할 우려가 있으므로, 이를 방지하기 위해서 조기에 복토를 두껍게 시공해야 하며, 본 현장에서는 이를 위해 단위중량이 큰 제강 슬래그를 사용하였다.
5.2 중력식 케이슨 호안
그림 10 중력식 케이슨 호안에 대해 나타내었다. 그림 10 (다) 지반조사 데이터베이스에서 지점 a는 매립지에 접하고 있어 표층에 복토 작업을 하였으며, 그 아래의 원지반은 실트지반으로 두께가 8m 이상으로 분포하고 있다. 또한 바다 측에 위치하는 지점 b는 실트층이 15m 이상 두껍게 퇴적하고 충분한 차수 지층으로 판단된다. 한편, 호안을 구축하기 위해서는 실트층을 지반개량 할 필요가 있는데, 본 현장은 차수성을 유지하기 위해 심층혼합처리공법 (DCM)을 적용하였는데, 경제성을 고려하여 DCM은 호안구조물 하단의 표층 부근 및 구조물의 전면 부분에 DCM의 개량율 100 %의 차수 라인을 구축하고, 그 아래의 지반은 DCM의 개량율 50 %로 낮추어 시공하여 시공비용 절감한 것으로 판단된다.
조수간만이 약 4.0 m의 해역이며, 차수호안의 최종 물막음 후에는 큰 수평력이 호안에 작용하기 때문에 연약지층의 지반개량에 따른 호안의 변형발생을 방지가 필요하다. 또한, 케이슨 배면에 차수시트를 설치하고 있기 때문에 외해 수위가 호안의 내부 수위보다 높아지면 호안에 침투하여 차수시트의 뒷면에서 양압력이 작용하여 시트를 부상시키므로 시트를 충분히 눌러 줄 수 있는 복토를 조기에 설치하는 것이 요구된다. 차수시트는 뒤채움을 대상으로 한 표면차수공으로 이용되고 있기 때문에 2중 차수시트로 설치하는 것이 일본 환경법령에 의해 의무화되어 있다.
5.3 강관시트파일(Steel Pipe Sheet Pile) 호안
그림 11 강관시트파일 호안의 적용사례를 나타낸 것으로, 해저지반은 매우 두꺼운 실트층 (점토층)이 퇴적되어 있으며, 저면 차수층으로 충분한 차수성을 확보 할 수 있다. 그러나 연약한 지반이 두껍게 쌓여있는 것은 차수성의 관점에서 양호한 지반이라 할 수 있지만, 호안 안정성의 관점에서 양호하다고는 말할 수 없고, 지반 개량이 필요하다.
차수성 확보를 위한 지반개량 방법으로 연약점토지반을 고화 처리하는 심층혼합처리공법(DCM)의 적용은 연약지층이 매우 두꺼운 경우에는 전체 영역에 적용하면 매우 높은 비용이 필요하므로, 호안 전체의 지반 개량은 상대적으로 저렴한 SCP를 적용하기로 한 것으로 추정된다. 그러나 SCP 자체는 투수성이 높기 때문에 내부 침출수가 SCP를 통해서 누출되는 것을 방지하기 위해서 DCM에 의해 지반 내 차수벽을 시공한 것으로 추정된다. 조수간만은 2m 정도로서 비교적 조위변동이 적은 해상처분장이지만, 연약지반이 두껍고 강성이 비교적 작은 2중 강관시트파일을 사용되고 있기 때문에 호안의 변형이 일어나지 않도록 충분한 지반개량을 실시하여야 한다.
5.4 셀(Cell) 호안
그림 12 (마) 주상도 및 입도분포는 주변의 방파제 건설을 목적으로 한 지반조사로서, 지반 지지층까지의 정보가 나타나 있지 않지만, 실트층이 두껍게 퇴적된 해저지반으로 저면은 차수층으로 충분한 차수성을 기대할 수 있는 것으로 판단된다. 차수층이 두껍게 분포하기 때문에 큰 규모의 차수호안을 구축하기 위해 높은 차수성을 갖는 DCM을 적용하였다. 강판의 셀(Cell)식 (또는 대형 케이슨)의 단면은 변형추수성*(소정의 차수성능을 유지하면서 외력과 변위에 대응하며 복원될 수 있는 성능)이 요구되므로 차수공의 이음부에 아스팔트매스틱(Asphalt mastic)을 사용한 사례가 많다.
조수간만이 약 4.0 m로서 조위변동이 비교적 크지 않은 해역으로, 차수호안의 최종 물막음 공사 시에는 조석 변동이 작은 소조(小朝)에 실시하는 등의 고려가 필요하다.
5.5 일본 사례를 국내 해상처분장 조성시 유의사항
향후에 남해안지역의 부산 등에서 해상처분장을 건설한다면 일본과 비슷한 지반조건이 될 것으로 생각되지만, 인천 등 서해안은 조수간만이 약 10m 인 점과 점토층에 의한 차수지층이 얇은 특성은 일본의 해상처분장 입지조건과 매우 다른 것에 유의할 필요가 있다. 따라서 일본에서 사용되는 차수호안의 단면이 일본에서는 실적이 충분히 있다고 해도 한국에서 그것을 적용하는 경우에는 다양한 어려움이 예상되며, 다음 사항을 한국에 있어서의 유의점이 될 것으로 생각된다.
1) 차수시트(합성수지 차수막)의 시공이 용이하지 않다. 조석의 영향에 의해, 특히 만조시에는 차수시트가 양압력을 받아 부상할 우려가 있다. 따라서 조위변동이 매우 큰 한국에서는 차수시트의 포설이 곤란할 것으로 어려움이 있을 것으로 판단된다. 최대한 조위변동의 영향이 적은 시기에 시공해야 하며 차수시트의 시공 후에 바로 복토 시공을 하여 양압력에 저항할 수 있는 조치를 취해야 한다.
2) 시트파일의 변형 방지대책이 필요하다. 차수공의 물막음 완료 후에 조위변동에 의한 시트파일의 변형(휨)이 우려된다. 강관시트파일과 Box형 시트파일을 사용하여 강성이 높은 차수공을 구축하는 방법이나, 시트파일의 타설위치를 사전에 육상화하는 방법이 효과적이라 판단된다.
3) 차수에 의해 호안의 내외수위 차이가 커지는 해상폐기물 매립호안에서는 조위변동이 호안 안정성에 크게 영향을 미칠 수 있음에 유의해야 한다. 차수층이나 차수공에 일본의 2배 이상의 수위차에 의해 매우 큰 동수구배가 발생하기 때문에 일본의 기준을 그대로 한국에 적용하는 것이 타당한지에 대한 신중한 판단이 필요하다.
6. 결론
해상 폐기물처분장의 계획 및 시공기술과 관련하여 일본의 사례를 살펴보았다. 일본은 1960년대부터 환경적, 사회적 요구에 의해 대도시를 중심으로 해상 폐기물처분장이 시공, 운영되어 왔으며, 매립된 해양공간에 대해서는 새로운 해양공간으로 적극적 활용되고 있다. 또한, 완벽한 차수시설을 구축하여 해양 환경에 충분한 대책을 수립함과 동시에 대도시 인근에 위치하여 폐기물 이동거리를 최소화함에 따라 친환경 개발의 기조에 이바지 할 수 있음을 알 수 있었다.
[참고문헌]
1. 권오순, 오명학, 채광석(2012), 관리형 폐기물 매립호안 설계·시공·관리 매뉴얼, 도서출판 씨아이알
2. 오명학 권오순 김건호 채광석(2012). 해상 폐기물처분장 도입을 위한 수요 및 건설입지 분석, 대한토목학회지, 제60권 제11호, 40-48.
3. 채광석, 이상필, 오명학(2011), 해상 폐기물매립장의 설계 및 시공 기술, 한국토목섬유학회지, Vol. 10, No. 4, pp. 16-24
4. Kazuto ENDO(2017), 2017 해상처분장 해외전문가초청 특별세미나
5. Yoichi WATABE(2017), Study on the technical requirements for impervious seawall of confined disposal facilities -applicability of Japanese technologies to Korea, 지에스건설 연구보고서
6. 오사카만 Phoenix center 홈페이지: http://www.osakawan-center.or.jp/
7. 동경도 항만국 홈페이지: http://www.kouwan.metro.tokyo.jp/pamphlet/post.html
