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문제 정의
- CONTROL' 에 있다. 정확한 주입량을 정확한 위치에 정확한 비율로 주입하는 것이다. 이를 위하여 현장에서는 모니터링 시스템을 구축하여 주입심도 주입압 펌핑 횟수와 주입량 간극수압계와 경사계의 측정치를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하여 댐의 안정성을 확보하였다.
가설 설정
- 댐 전체를 통한 침투유량은 댐체의 길이가 380m(여수로 제외)이고 단면감소계수를 0.9로 가정하여 이론적 1일 최대 침투수량 Q는 다음과 같이 계산되었다.
- 본 해석은 수위가 일정하지 않은 비정상류 해석으로서 댐 준공 후 지금까지의 수위변동을 그대로 구현하기에는 데이터 입력상 어려움도 있고, 해석결과가 크게 달라지지 않는다는 가정 하에 편의상 보강 전 수위변동은 담수 후로부터 그라우팅 보강이 착수되기 전까지의 수위를 입력해서 재현하였다. 그러나 담수 후 약 20개월까지는 수위변동이 거의 없는 관계로 EL.
제안 방법
- 1단계와 2단계의 63개 공에 대한 천공 및 주입을 완료한 후 주입압과 주입량에 대한 검토를 실시하여 느슨하다고 추정되는 지점에 대해 추가적으로 12개공을 주입하였다.
- CGS 보강공사시 주입재는 손상된 코어존을 가능한 한 원상태로 복구하기 위하여 당초 골재원 중의한 곳인 D-2에서 채취한 시료를 사용하였다. CGS 주입시 수압 할렬의 가능성을 줄이기 위해 Polymer 섬유를 그라우트에 첨가하여 시공하였다.
- 현장계측은 모니터링에 의한 주입압과 주입량의 변화, 누수량과 탁도, 현장 코어의 샘플링을 통한 역학시험 등의 결과를 통해 공법 적용 전·후의 변화를 검토하였다. FEM 해석은 우선 현장에서 계측된 누수량으로 해석을 수행하여 댐 코어부의 보강 전·후의 투수 계수를 각각 산정해서 이 투수계수로 다른 수위에서의 침투 유량을 구하여 실측치와의 비교를 통해 확인하였다. 그리고 이를 현장 실험실에서의 변수위 투수시험을 통해 얻은 투수계수와 비교·분석하였고 이를 통해 CGS 공법으로 인한 댐의 투수계수 감소와 이로 인한 누수량 저하효과를 확인하였다.
- 모든 공들은 Solid Stem Auger 와 Hollow Stem Auger를 이용해 수직으로 천공하였다. Hollow Stem Auger 공은 연속적으로 샘플링을 실시흐卜 였으며 4공에 대해서는 연속시료채취와 SPT를 실시하였다.
- 또한 댐 마루 Sta.O 지점 하류의 함몰원인으로는 댐 축조완료후 매설 계기 재설치를 위해 천공을 실시하고 되메우기 불량에 의한 것으로 추정하였다. 댐의 누수량에 대한 계측은 1998년 3월부터 댐 하류 끝 마루 차수벽을 통과하는 누수량을 부분적으로 계측하기 시작하였다.
- FEM 해석은 우선 현장에서 계측된 누수량으로 해석을 수행하여 댐 코어부의 보강 전·후의 투수 계수를 각각 산정해서 이 투수계수로 다른 수위에서의 침투 유량을 구하여 실측치와의 비교를 통해 확인하였다. 그리고 이를 현장 실험실에서의 변수위 투수시험을 통해 얻은 투수계수와 비교·분석하였고 이를 통해 CGS 공법으로 인한 댐의 투수계수 감소와 이로 인한 누수량 저하효과를 확인하였다.
- 또한 주입이 이루어지는 동안 댐의 상류 경사면과 하류 경사면에 각각 설치된 경사계와 2개소의 Piezometer 에 대한 측정을 실시간으로 하여 주입중 댐의 안정성을 확보하였다.
- 실시하였다. 모든 공들은 Solid Stem Auger 와 Hollow Stem Auger를 이용해 수직으로 천공하였다. Hollow Stem Auger 공은 연속적으로 샘플링을 실시흐卜 였으며 4공에 대해서는 연속시료채취와 SPT를 실시하였다.
- 본 연구에서는 손상된 댐 코어에 대하여 CGS 공법의 적용성을 천공과 주입과정에 대한 고찰과 현장에서의 계측치와 FEM 해석의 결과의 비교·검토를 통하여 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본연구에서는 실측된 누수량으로 코어부의 보강 전·후의 투수계수를 추정흐卜였다. Sand Filter와 Sand & Gravel 부분의 투수계수는 현재 상태의 토질시험 자료가 확보되어 있지 않은 상태이므로 건설당시의 건설지를 준용하였다.
- 사용된 수치프로그램의 특성상 불포화토의 투수계수 및 체적함수비를 정의하게 되어 있으나, 현재 상태에서 불포화 토의 투수계수 및 체적함수비를 산정할 수 없으므로 프로그램의 매뉴얼에 예시된 유사한 투수 계수를 가진 토질을 선택하여 기 정의된 특성곡선을 변형하여 사용하였으며, 사용된 투수계수 및 기타 특성은 표 3과 같다.
- 유한요소 해석을 위한 기본단면은 보수·보강 대상 구간의 단면이 댐의 표준 단면도와 유사하므로 댐의 표준 단면을 해석 단면으로 결정하였다. 실제 단면은 Core, Sand Filter, Sand & Gravel, Rip Rap으로 구성 되어 있다.
- 125m 정도였다. 이것은 측정된 누수의 대부분은 손상된 주댐의 코어를 통해 발생하며 코퍼댐이나 기초 기반암을 통한 누수량은 거의 없다는 것을 의미하므로 실제 해석에서는 코어에 비해 투수 계수가 상당히 커 서 자유 배수층으로 간주하여 Rip Rap과 상류 경사 측의 Sand Filter층과 Sand & Gravel층을 제외하였으며 기반암은 불투수층으로 보았다.
- 정확한 주입량을 정확한 위치에 정확한 비율로 주입하는 것이다. 이를 위하여 현장에서는 모니터링 시스템을 구축하여 주입심도 주입압 펌핑 횟수와 주입량 간극수압계와 경사계의 측정치를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하여 댐의 안정성을 확보하였다. 그림 3은 모니터링 시스템의 개략도이다.
- 공법이다. 이에 CGS 공법의 손상된 흙댐 코어부에 대한 적용성 여부를 현장의 계측결과와 FEM 해석을 통해 확인하였다. 현장계측은 모니터링에 의한 주입압과 주입량의 변화, 누수량과 탁도, 현장 코어의 샘플링을 통한 역학시험 등의 결과를 통해 공법 적용 전·후의 변화를 검토하였다.
- 이에 CGS 공법의 손상된 흙댐 코어부에 대한 적용성 여부를 현장의 계측결과와 FEM 해석을 통해 확인하였다. 현장계측은 모니터링에 의한 주입압과 주입량의 변화, 누수량과 탁도, 현장 코어의 샘플링을 통한 역학시험 등의 결과를 통해 공법 적용 전·후의 변화를 검토하였다. FEM 해석은 우선 현장에서 계측된 누수량으로 해석을 수행하여 댐 코어부의 보강 전·후의 투수 계수를 각각 산정해서 이 투수계수로 다른 수위에서의 침투 유량을 구하여 실측치와의 비교를 통해 확인하였다.
대상 데이터
- CGS 보강공사시 주입재는 손상된 코어존을 가능한 한 원상태로 복구하기 위하여 당초 골재원 중의한 곳인 D-2에서 채취한 시료를 사용하였다. CGS 주입시 수압 할렬의 가능성을 줄이기 위해 Polymer 섬유를 그라우트에 첨가하여 시공하였다.
- 본연구에서는 실측된 누수량으로 코어부의 보강 전·후의 투수계수를 추정흐卜였다. Sand Filter와 Sand & Gravel 부분의 투수계수는 현재 상태의 토질시험 자료가 확보되어 있지 않은 상태이므로 건설당시의 건설지를 준용하였다.
- 지표로 운반되어진 절삭물을 관찰함으로써 천공을 통하여 얻을 수 있는 재료의 일반적인 자료를 제공한다. 그러나 시료 채취시 함몰부위가 발생한다면 위와 같은 적당한 시료 채취를 할 수 없게 되는데, 이 경우 Hollow Stem Auger를 사용하여 가능한 불교란 시료를 채취하였다. 이 시스템은 외부에는 절삭날개가 장착되어 지반을 굴착하고 내부는 Sampler가 장착되어 가능한 불교란 시료를 채취하였다.
- 댐의 누수량에 대한 계측은 1998년 3월부터 시작하였으며 그림 8은 2000년 1월 1일부터 8월 8일 까지의일별 수위 - 누수량 - 강우량의 계측 자료이다.
- O +。과 Sta. 。의 싱크홀이 발달된 주변에 각각 19공과 22공의 조사 /보강공을 실시하였다. 공의 2열(B열과 C열)은 코어 부분을 보수·보강 효과를 높이기 위해 수직으로 약 10° 의 각도를 주었으며 모든 그라우트 공은 기반암이나 천공 가능한 심도까지 주입하였다.
- 그러나 시료 채취시 함몰부위가 발생한다면 위와 같은 적당한 시료 채취를 할 수 없게 되는데, 이 경우 Hollow Stem Auger를 사용하여 가능한 불교란 시료를 채취하였다. 이 시스템은 외부에는 절삭날개가 장착되어 지반을 굴착하고 내부는 Sampler가 장착되어 가능한 불교란 시료를 채취하였다. 진동과 Sonic 천공방법은 Vibratory Pile Driving과 비슷한 방법으로 진동을 이용하여 지반을 천공한다.
- 주입재의 배합비는 내부마찰력이 큰 저유동성 재료이어야 한다. 이 현장에서 사용된 재료의 배합비는 잔자갈 20%, 모래 30%, 점토 50%로 구성되었다. 이 재료는 수용액 형태로 주입재가 댐의 필터층과 같이 다른 층으로 유입되는 것과 댐의 경사부에서 발생할 수 있는 융기현상을 최소화 한다.
- 해석에 이용되는 지반 물성치는 투수계수, 불포화 토의 투수계수 특성, 불포화토의 함수비 특성 등이다. 본연구에서는 실측된 누수량으로 코어부의 보강 전·후의 투수계수를 추정흐卜였다.
성능/효과
- (3) 실측된 침투유량으로 수치해석을 수행하여 보강 전과 후의 투수계수를 산정한 결과 각각 4.52xlO"nVsec와 7.38xl0-%i/sec로 산정되었다. 현장 실측치와 수치해석에 의한 CGS 보강 전·후의 결과는, 댐 축조시 투수 계수는 1.
- (1) 주입시기가 다른 인접한 지점에서 주입압과 주입량에 대한 현장계측을 분석한 결과 선단압력이 증가하고 주입량이 감소하여 CGS 공법에 의해 느슨한 흙댐 코어의 공극이 채워져 지반이 개량되었음을 알 수 있었다.
- (2) 점토층용 재료의 소성지수 값은 균열이나 파이핑 현상 등을 최대한 억제할 수 있도록 시방기준에 15% 이상으로 시공하도록 정해져 있으나 실제로는 8% 이상의 낮은 값으로 시공되었다. 사력댐의 침하는 초기 단계 동안은 부득이하게 발생하게 된다.
- (2) 현장에서 실측된 일별 누수량과 탁도를 통해 CGS 공법의 적용으로 인해 누수량이 약 70% 감소하여 누수허용범위(350m3/day) 이내이며 탁도 또한 상당히 감소되었다. 이를 통하여 CGS 공법의 적용으로 흙댐 코어의 차수성이 개량되어 흙댐 코어의 기능이 회복되었음을 확인할 수 있었다.
- (3) 시추조사시 채취된 시료의 실내토질시험 결과 코어 재의 대부분이 SC(Clayey Sand with Gravel)와 CL (Sandy Lean Clay with Gravel)로 나타났으며, 함수비가 16~30%로서 최적함수비 20.9% 보다 높으므로 재료의 팽창으로 인한 간극의 증가가 발생한 것으로 판단된다.
- (4) 수압파쇄에 의해 물이 미소균열을 통과하면서 넓은 입도 분포를 갖는 재료의 세립분이 분리되었으며, 분리된 세립자들은 집중된 유로를 통하여 코어와 필터의 접합부, 필터 내부지역으로 이동하였을 것이다.
- (4) 현장실측 및 수치해석 결과 손상된 흙댐 코어에 대한 CGS 공법의 적용으로 댐의 투수계수가 감소하여 누수량 및 탁도가 감소하였다. 이것은 CGS 공법이 손상된 흙댐 코어에 대해 적용성이 양호함을 의미한다.
- 위해 다시 이 투수계수로 EL. 134m 일 때의 침투 유량을 구하여 실측치와 비교하였으며 그 결과 실측 침투 유량과 근사함을 알 수 있었다. 산정된 투수계수에 의한 수위에 따른 보강전의 침투유량, 등수두선 및 침투 수벡터는 그림 13, 그림 14와 같다.
- 이에 투수계수를 변화시키면서 기준이 된 EL. 137m에서의 실측 침투 유량과 유사한 투수계수를 추정하였으며 그 결과는 투수 계수는 4.51xI0’m/sec로 나타났다.
- CGS 공법 적용으로 댐 보강 후의 실내 변수위 투수시험 결과에 의한 투수계수는 대략 3.0x10』~ 1.0x10-9 m/sec로 측정되었고, 수치해석 결과는 7.38 xi 0'9m/sec로댐 축조시 투수계수보다 작게 산정되었다. 이것은 수치해석 결과는 댐 전체의 평균 투수계수이고 실측 투수 계수는 CGS 보강 단면에서 국부적으로 측정되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 이것은 담수 후 댐 코어의 손상으로 인한 침투 유로의 형성 및 토사의 유실에 의해 댐 코어의 공극이 확대되어 댐의 차수성이 저하되었음을 의미한다. 보강 후 댐 코어에 대한 변수위 투수시험 결과 투수계수는 대략 3.0x1 萨~i.oxio'm/sec로 측정되었고, 수치해석 결과 댐 코어의 투수계수가 7.38xl(y%ysec로 산정되었는 데 이는 CGS 보강으로 느슨했던 댐 코어의 공극이 메워져 댐의 차수성이 증대되었음을 알 수 있다.
- 보수·보강 후 댐에 대한 해석결과에 의하면 댐 전체 단면에 대한 평균 투수계수는 7.38xl(y9m/sec로 보강 전 해석 단면에 대한 투수계수 4.52xl0'7m/sec 보다 현저한 감소를 보여 공법 에 의해 댐 코어의 기능이 향상된 것으로 나타났다.
- 선단 주입압을 추정하기 위한 압력손실 시험은 시공 1단계에서 실시되었으며 이 시험을 통해 주입관을 통해 압송되는 주입재가 주입재와 주입관의 마찰력으로 인해 높은 압력손실이 발생되어지는 것을 알았다. 수차례의 시험결과 압력손실 계수( a : Line Loss Rate)는 주입재의 슬럼프치에 매우 민감하다는 것을 알았다.
- 수차례의 시험결과 압력손실 계수( a : Line Loss Rate)는 주입재의 슬럼프치에 매우 민감하다는 것을 알았다. 수평 압력손실은슬럼프치 0.
- 아래 표에 의하면 보강후의 누수량은 24.8 ~54.2% 정도 수준으로 감소하였으며 탁도 또한 50% 정도 감소한 것으로 나타났는데 이는 손상된 댐 코어에 대하여 CGS 공법이 적절하여 댐의 저수성능이 개선되었다는 것이 확인되었다.
- 감소되었다. 이를 통하여 CGS 공법의 적용으로 흙댐 코어의 차수성이 개량되어 흙댐 코어의 기능이 회복되었음을 확인할 수 있었다.
- 해석결과에 의하면 자유수면은 코어 내에서 코어의 경사와 동일하게 감소하고 있으며 전수두는 상류 사면에서는 물로 포화되어 있어 고수위(EL. 150m)와 같은 수두를 유지하고 있으며 하류로 갈수록 급격히 감소한다. 침투수 벡터를 보면 침투류는 하류부 필터를 따라 기반암층의 저부로 주로 흘러 나가며, 제체를 통과하는 침투 수량은 2.
- 38xl0-%i/sec로 산정되었다. 현장 실측치와 수치해석에 의한 CGS 보강 전·후의 결과는, 댐 축조시 투수 계수는 1.0xl0'8m/sec 이었으나 수치해석 결과 CGS 보강후 투수계수는 4.52xlO'7m/secS 산정되었다. 이것은 담수 후 댐 코어의 손상으로 인한 침투 유로의 형성 및 토사의 유실에 의해 댐 코어의 공극이 확대되어 댐의 차수성이 저하되었음을 의미한다.
- 현장실측 및 수치해석 결과로부터 손상된 흙댐 코어에 대한 보수·보강 공법으로서 적용된 CGS 공법에 의해 흙댐 코어의 기능이 회복되었음을 확인하였다.
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