[논문]비정상 상태의 방조제 침투해석

오남선; 이광수

문제 정의

따라서 본 연구에서는 유한요소 해석결과로 나온 침투 유속과 전술한 허용유속을 비교함으로써 본 방조제의 파이핑에 대한 안정성을 검토하였다.
그러나 기존의 경험식돌은 홁댐과 같이 정상흐름으로 가정할 수 있는 경우에 주로 실무에서 이용하는 것으로 그 제약점이 많다. 따라서 본연구에서는 기존의 파이핑 해석방법을 검토한 후, 본 방조제의 제반조건을 가장 적절히 고려할 수 있는 방법을 선택하고자 한다. 그리고 본 방조제에 대한 파이핑해석을 실시하고 그 결과를 분석하고자 한다.
이와 같이 대상 수역의 상태가 설계 당시에 비하여 변화하였으며 현재 매립공사가 진행중이므로 설계 당시 남측호안의 보강토 공사에 대한 전면적인 재검토가 필요하게 되었다. 따라서 본연구에서는 변화된 환경에 따른 파이핑 발생여부를 검토하고 보강토 공사의 필요여부 또는 다른 대안을 제시하고자 한다.
상태이다. 본 연구에서는 이 영역에 대하여 현재 상태에서 파이핑에 대한 안정성을 검토하였다. 방조제의 파이핑 해석에는 GEO-SLOPE사의 SEEP/W 프로그램을 이용하였다.
본연구에서는 투수계수의 산정을 위하여 제방 축조에 사용된 토사에 대하여 실험실에서 체분석을 실시하였다. 체분석 결과는 그림 2에 나타내었다.

가설 설정

당시 파이핑 검토시에는 내 .외 수위차 2.26 m 를 가정하여 단면을 설계하였다.

제안 방법

방조제 외측과 내측의 경계조건을 구하기 위하여 조위계를 이용하여 관측을 실시하였다. Aanderaa WLR-7을 이용하여 방조제 외측과 내측에서 동시에 관측하였으며, 관측지점의 위치를 그림 5에, 관측개요를 표 2에 나타내었다. 내 외측의 수위차는 정현곡선으로 나타나고 있으며, 특히 대조시에 조차가 가장 크게 나타나게 된다.
댐붕괴의 원인에 대하여 Heaving, Piping, Internal Erosion세 분야로 나누어 해석을 실시하였으며 계산결과에 따르면 Heaving에 대하여 취약한 것으로 결론지었다. Piping해석에 관해서는 그 정확한 해석의 어려움을 역설하고 동수경사를 계산한 후 허용동수경사와 비교하는 방법을 채택하였다.
파이핑의 발생여부를 검토하였다. 각 단면별, 시간별 유속 및 전수두, 압력수두의 변화를 고찰하였으며 해석의 결과로 나온 쵝대 침투유속을 한계유속과 비교함으로써 빙조제의 파이핑에 대한 안정성을 검토하였다.
각 단면별로 격자망을 구성한 후 조사된 입력자료를 바탕으로 파이핑의 발생여부를 검토하였다. 각 단면별, 시간별 유속 및 전수두, 압력수두의 변화를 고찰하였으며 해석의 결과로 나온 쵝대 침투유속을 한계유속과 비교함으로써 빙조제의 파이핑에 대한 안정성을 검토하였다.
각 단면별로 제체의 재료별 유속결과를 관찰하고 각재료별 최고 유속을 계산하여 파이핑 발생의 가능성 여부를 판단하였다. 세 단면중 DE단면에 대하여 제체별로 시간에 따른 유속 및 그 크기의 변화를 그림 11(a), (b), (c), (d)에 나타내었다.
따라서 본연구에서는 기존의 파이핑 해석방법을 검토한 후, 본 방조제의 제반조건을 가장 적절히 고려할 수 있는 방법을 선택하고자 한다. 그리고 본 방조제에 대한 파이핑해석을 실시하고 그 결과를 분석하고자 한다.
침투해석을 실시하였다. 모형의 결과는 4조석 주기 (수렴상태에 도달한 것으로 가정에 대해서 예비 모의를 수행한 후 5번째 조석주기에 해당하는 결과 중 낙조 및 창조 시의 결과를 도시하였다. 그림 8(a)는 단면 DE의 낙조시 유속벡터도를, 8(b)는 창조시의 유속벡터도를 도시한 결과이다.
방조제 외측과 내측의 경계조건을 구하기 위하여 조위계를 이용하여 관측을 실시하였다. Aanderaa WLR-7을 이용하여 방조제 외측과 내측에서 동시에 관측하였으며, 관측지점의 위치를 그림 5에, 관측개요를 표 2에 나타내었다.
전술한 입력자료들을 이용하여 유한요소망을 구성한 후 침투해석을 실시하였다. 모형의 결과는 4조석 주기 (수렴상태에 도달한 것으로 가정에 대해서 예비 모의를 수행한 후 5번째 조석주기에 해당하는 결과 중 낙조 및 창조 시의 결과를 도시하였다.
침투해석은 남측 방조제의 AB구간, C구간, DE 구간의 3개 단면에 대하여 실시하였다. 이들 방조제의 위치는 그림 5에 도시하였으며, 단면의 형태는 한국 토지개발공사(1993)의 자료를 이용하였다.
Ching(1987)은 흙댐내의 수위 저하 곡선에 대하여 BEM(Boundary Element Method)을 이용하여 수치해석을 실시한 바 있다. 해석의 간편성을 위하여 모세관 효과와 투수계수의 시간별 변동을 무시하였으며 BEM을 침투해석에 대한 효율적인 방법으로 제시하였다. William 등(1994)은 최근 1980년 붕괴된 Debris- Avalanche 댐에 대하여 3차원 해석을 실시한 바 있다.

대상 데이터

내 외측의 수위차는 정현곡선으로 나타나고 있으며, 특히 대조시에 조차가 가장 크게 나타나게 된다. 따라서 대조기인 2000년 7월 3일의 수위자료를 경계조건으로 활용하였다. 그림 6(a), (b)는 대조기의 수위변화를 그림으로 비교한 것으로 방조제 건설로 인한 방조제 내측과 외측의 수위차를 관찰할 수 있다.
본 연구에서는 군장국가공단(1990)에서 해당유역의 방조제 축조를 위하여 조사한 자료로무터 퇴적층의 평균 두께 14 m를 이용하기로 한다. 파이핑은 대부분 지표 및 성토 부와 접한 부분에서 발생하며, 퇴적증의 투수 계수가 작을 경우 그 두께가 흐름해석에 큰 영향음 미치지 않는 것으로 알려져 있다.
3개 단면에 대하여 실시하였다. 이들 방조제의 위치는 그림 5에 도시하였으며, 단면의 형태는 한국 토지개발공사(1993)의 자료를 이용하였다. 그림 7은 전술한 토질 특성 및 기초 지반의 깊이를 바탕으로 방조제 단면 DE를 단순화한 후, 단면의 제체별 투수계수, 함수량, 경계조건 등을 대입하여 직사각형 형태의 유한요소 격자망을 자동 생성한 그림이다.
이 영역은 방조제 외측과 내측이 모두 조석 운동을 하는 특이한 거동을 보이고 있으므로 정확한 해석을 위해서는 비포화흐름을 고려한 비정상해석이 반드시 필요하다. 이를 위하여 조석관측자뷰와 성토재의 입도 분포실험자료를 입력자료로 이용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 이 영역에 대하여 현재 상태에서 파이핑에 대한 안정성을 검토하였다. 방조제의 파이핑 해석에는 GEO-SLOPE사의 SEEP/W 프로그램을 이용하였다. 이 영역은 방조제 외측과 내측이 모두 조석 운동을 하는 특이한 거동을 보이고 있으므로 정확한 해석을 위해서는 비포화흐름을 고려한 비정상해석이 반드시 필요하다.

이론/모형

따라서 위에서 언급한 파이핑 해석방법 가운데 비정상상태의 모의가 가능한 수치해석방법을 이용하는 것이 적절할 것으로 판단되며, 그 결과를 기존의 연구에서 제안된 한계 유속과 비교함으로써 파이핑 발생여부를 판단할 수 있을 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 허재근(1996), 오남선(1997) 등이 국내에 적용한 바 있는 GEO-SLOPE 사의 SEEP/W(version 3)을 이용하여 방조제내의 흐름을 분석하기로 한다.
파이핑에 관한 최초의 이론식은 Terzaghi(1943)에 의한 것으로 한계수두를 도입하여 해석하였다. 그러나 이이론 식은 흙이 완전히 포화된 상태나 포화에 가까운 정상 침투의 경우에만 성립되며, 방조제와 같이 조위 또는 홍수에 의하여 수위의 변화가 반복될 경우 적용이 곤란하다.
구한다. 해석방법으로는 유한요소법, 유한차분법, 경계요소법 등 여러 종류가 있으나, 본 연구에서는 유한요소법을 이용한 SEEP/W를 이용하여 해석하였다. 유한요소법은 자료의 입력이 간단하고, 사전 처라(preprocessing) 및 사후 처리(post-processing)가 손쉬울 뿐아니라, 경계면 처리가 용이한 장점이 있다.

성능/효과

그림 11 (a)는 방조제 외해쪽의 사석부를 나타내며 그림 |](b)는 제방 성토제의 외해쪽 사석부와 만나는 부분, 그림 11(c)는 제방 성토제의 내측 수위와 만나는 부분, 그림 11(d)는 기초지반이 제방과 만나는 경계의 내측과 외측 부분이다. 각 ZI림에서 일반적으로 해당 단면의 수위가 낮고 제방 반대쪽의 수위가 높을 경우에 파이핑과 관련된 큰 유속올 가지는 것으로 나타났으며, 해당 단면의 수위가 상승하고 있는 경우에는 수위 상승에 따른 침투수의 제방내 상승으로 인하여 유속이 높게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
오남선(1997) 은 조석의 영향을 받는 방조제에 대하여 정상(steady) 상태로 가정한 경우와 비정상(unsteady) 상태를 모의한 경우에 대한 제체내 흐름음 비교한 바 있다. 그 결과에 따 르면 조석현상의 영향을 받는 방조제에 대하여 비정상흐름으로 모의를 한 경우 제체내 호름이 정상상태를 가정한 경우보다 최대유속이 10배 가까이 빠르게 나타날 수 있음을 밝히고, 조석현상의 영향을 받는 경우 반드시 비정상흐름을 반영할 수 있는 파이핑 해석이 필요한 것으로 결론지었다. 그러나 기존의 경험식돌은 홁댐과 같이 정상흐름으로 가정할 수 있는 경우에 주로 실무에서 이용하는 것으로 그 제약점이 많다.
William 등(1994)은 최근 1980년 붕괴된 Debris- Avalanche 댐에 대하여 3차원 해석을 실시한 바 있다. 댐붕괴의 원인에 대하여 Heaving, Piping, Internal Erosion세 분야로 나누어 해석을 실시하였으며 계산결과에 따르면 Heaving에 대하여 취약한 것으로 결론지었다. Piping해석에 관해서는 그 정확한 해석의 어려움을 역설하고 동수경사를 계산한 후 허용동수경사와 비교하는 방법을 채택하였다.
단면별로 계산결과를 살펴보면 일반적으로 예측할 수 있듯이 단면의 폭이 가장 좁은 단면 DE에서 침투유속이 한계속도에 가장 접근하는 것으로 나타났다. 또 모든 단면에서 볼 때 기초지반의 경우 방조제의 외측에서 방조제의 외해가 간조상태일 때 높은 침투유속이 나타나 파이핑이 발생할 가능성은 내해보다는 외해쪽이 높은 것으로 나타났다. 또한 성토부의 경우도 방조제의 내해보다는 외해쪽에서 더 높은 침투유속올 가지는 것으로 나타났다.
또 모든 단면에서 볼 때 기초지반의 경우 방조제의 외측에서 방조제의 외해가 간조상태일 때 높은 침투유속이 나타나 파이핑이 발생할 가능성은 내해보다는 외해쪽이 높은 것으로 나타났다. 또한 성토부의 경우도 방조제의 내해보다는 외해쪽에서 더 높은 침투유속올 가지는 것으로 나타났다.
그러나 일부 지점의 최대 침투유속이 한계유속에 가까운 값을 보여 지속적인 감시가 필요한 것으로 나타났다. 방조제의 단면별 침투유속을 고찰한 결과 모든 단면에서 제방내측에 비하여 외해쪽 단면의 유속이 높은 것으로 나타나 파이핑이 발생한다면 방조제의 외해쪽 부분에서 발생할 것으로 판단되었다. 따라서 홍수시 금강방류로 인하여 내해 쪽 수위가 상승할 경우 파이핑에 위험한 요소로 작용할 수 있으므로 이에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
표 3에서 보면 계산결과 모든 경우에 대하여 침투속도가 한계유속을 초과하지 않는 것으로 나타나 본 제방은 파이핑에 대하여 안전한 것으로 나타났다. 단면별로 계산결과를 살펴보면 일반적으로 예측할 수 있듯이 단면의 폭이 가장 좁은 단면 DE에서 침투유속이 한계속도에 가장 접근하는 것으로 나타났다.
현 상태에서는 보강토를 축조하지 않더라도 방조제는 파이핑에 대하여 안전한 것으로 나타났다. 그러나 일부 지점의 최대 침투유속이 한계유속에 가까운 값을 보여 지속적인 감시가 필요한 것으로 나타났다.

후속연구

수 있는 방법을 적용하는 것이 타당하다. 따라서 위에서 언급한 파이핑 해석방법 가운데 비정상상태의 모의가 가능한 수치해석방법을 이용하는 것이 적절할 것으로 판단되며, 그 결과를 기존의 연구에서 제안된 한계 유속과 비교함으로써 파이핑 발생여부를 판단할 수 있을 것이다. 이를 위하여 본 연구에서는 허재근(1996), 오남선(1997) 등이 국내에 적용한 바 있는 GEO-SLOPE 사의 SEEP/W(version 3)을 이용하여 방조제내의 흐름을 분석하기로 한다.
방조제의 단면별 침투유속을 고찰한 결과 모든 단면에서 제방내측에 비하여 외해쪽 단면의 유속이 높은 것으로 나타나 파이핑이 발생한다면 방조제의 외해쪽 부분에서 발생할 것으로 판단되었다. 따라서 홍수시 금강방류로 인하여 내해 쪽 수위가 상승할 경우 파이핑에 위험한 요소로 작용할 수 있으므로 이에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
25X104m/sec로 결정하였다. 이 값은 대략적인 방법에 의해 구한 결과이긴 하나 기존의 연구들에서 사용된 축조부의 투수계수와 비교하여 안전측에 속하므로 무리 없이 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 내해 쪽보다는 외해 쪽에서 큰 값의 침투속도를 보이는 것으로 나타나 파이핑이 발생한다면 외해쪽에서 나타날 가능성이 크므로 내해의 수위상승에 대한 주의가 필요할 것으로 보인다. 특히 홍수시 금강 방류에 의한 방조제 내측 수위의 상승여부와 상승 수위 등을 조사, 관찰하고 이에 따른 파이핑 발생여부를 지속적으로 감시하는 것도 필요할 것으로 판단된다.

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