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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 2차원 침투해석을 이용하여 하천제방 배수통문의 안정성 평가를 수행하였다. 이때 하천제방 배수통문의 안정성 평가는 배수통문 설치시의 영향 평가, 차수공 길이에 의한 영향 평가, 배수통문 하부지반 투수성 저하에 따른 영향 평가 등을 통하여 수행하였다.
제안 방법
- 5m를 기준으로 설정하였으며, 비정상 침투해석에 사용된 수위파형은 Fig. 1(a)에서 보듯이 저수위 지속시간 30U 평수위에서 1일에 걸쳐 최대수위에 도달한 후 2 일의 지체시간을 거쳐 3일 동안에 평수위로 돌아오는 비정상 수위조건을 설정하였다. 해석에 사용된 제체 및 기초 지반은 Drucker- Frager 모델을 이용하여 모델링하였으며, 해석에 사용된 각 지반의 지층구성 및 물성치를 보여주는 Fig.
- 2. 침투해석의 영향인자 분석은 메쉬의 크기, 고수위 지속시간, 시간 변화에 따른 수위 조건, 배수통문 설치 등에 따른 침투해석 결과의 변화를 분석하였으며, 분석결과는 다음과 같다.
- 배수통문 설치에 따른 영향 평가는 동일한 제방 단면에 대해 배수통문이 설치된 경우와 설치되지 않은 경우의 파이핑 및 사면 안정성을 비교하여 검토하였다.
- 본 논문에서 수행된 침투해석은 약 4,000 여개의 치밀한 4절점 평면요소로 이루어진 유한요소망을 이용하여, 스위스의 ZACE 사에서 개발된 지반해석 전용 프로그램인 Z-SOIL 프로그램 사용하여 수행하였다. 한편, 경계조건으로는 기초 지반의 하부의 경우 수직 방향, 양 측면의 경우 수평 방향 변위를 구속하였으며, 제외 지측의 최대수위는 최대홍수위(10m)로 간주하여 적용시켰다.
- 본 연구에서는 하천제방에 설치된 배수통문에 대한 2차원 침투해석을 통하여 배수통문 설치 유무에 따른 파이핑 및 사면안정성을 평가, 배수통문에 설치된 차수공에 의한 영향 평가, 배수통문 하부지반 투수성 저하에 따른 영향 평가 등을 수행하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 본 절에서는 이러한 배수통문 주변의 다짐 불량 및 공동에 대한 검토를 위하여 통문 상부와 하부 50cm 구간의 지반의 투수계수를 lxl0-1cm/s 작게 적용하여 침투에 대한 안정성 평가를 수행하였다. 이때, 기타 해석 조건은 이전의 해석과 동일하며, 해석단면은 통문이 설치되어 있는 경우와 2.
- 따라서 국내 하천제방의 안정성 평가는 일본과 강우 조건이 유사한 국내실정을 고려할 경우 침투류 계산시 비정상 포화.불포화 모델을 사용하여야 하나, 현재 국내의 기술수준 및 기타 여건을 고려해 볼 때 수위파형만을 고려한 비정상 포화해석을 채택하는 것이 바람직할 것으로 판단되며, 본 논문에서는 비정상 포화해석 모델을 이용하여 침투해석을 수행하였다. 한편, 일반적으로 포화해석 모델은 포화.
- 따라서, 본 논문에서는 2차원 침투해석을 이용하여 하천제방 배수통문의 안정성 평가를 수행하였다. 이때 하천제방 배수통문의 안정성 평가는 배수통문 설치시의 영향 평가, 차수공 길이에 의한 영향 평가, 배수통문 하부지반 투수성 저하에 따른 영향 평가 등을 통하여 수행하였다.
- cm/s 작게 적용하여 침투에 대한 안정성 평가를 수행하였다. 이때, 기타 해석 조건은 이전의 해석과 동일하며, 해석단면은 통문이 설치되어 있는 경우와 2.0m길이의 흉벽 및 선단 하부 차수공이 설치된 경우에 대해 해석을 수행하였다.
- 4에서 보듯이 설치된 배수통문의 중앙 상부 및 하부, 흉벽 설치 지점 하부, 통문 선단 하부에 설치 하였다. 이때, 중앙 차수공의 길이는 상부의 경우 1.(血 하부의 경우 3.0m, 4.0m, 5.0m, 5.5m, 6.0m로 변화하며 차수공 길이의 영향을 평가하였다.
- 한편, 효율적인 차수공 설치 위치 및 방법 분석을 위한 침투해석은 흉벽 하부와 중앙부에 차수공이 설치된 경우, 흉벽 하부와 선단부 하부에 차수공을 설치한 경 우에 대해 평가하였다. 이때, 흉벽 하부와 중앙부에 차수공이 설치된 경우 흉벽 하부 차수공 길이는 1.0m로 고정하고 중앙 하부 차수공의 길이를 변화하여 침투해석을 수행하였으며, 흉벽 하부와 선단부 하부에 차수공 이 설치된 경우 차수공의 길이를 각각 0.5m, 1.0m,1.5m, 2.0m, 2.5m, 3.0m, 3.5m, 4.0m로 변화하여 흉벽 및 선단부 차수공 길이에 대한 평가를 수행하였다.
- 본 논문에서 수행된 침투해석은 약 4,000 여개의 치밀한 4절점 평면요소로 이루어진 유한요소망을 이용하여, 스위스의 ZACE 사에서 개발된 지반해석 전용 프로그램인 Z-SOIL 프로그램 사용하여 수행하였다. 한편, 경계조건으로는 기초 지반의 하부의 경우 수직 방향, 양 측면의 경우 수평 방향 변위를 구속하였으며, 제외 지측의 최대수위는 최대홍수위(10m)로 간주하여 적용시켰다. 이때, 제체 및 기초 지반의 메쉬 크기는 한국건 설기술연구원(2004)에 의해 수행된 기존 연구를 통하여 최적의 침투해석 메쉬 크기로 제시된 가로 0.
- 한편, 효율적인 차수공 설치 위치 및 방법 분석을 위한 침투해석은 흉벽 하부와 중앙부에 차수공이 설치된 경우, 흉벽 하부와 선단부 하부에 차수공을 설치한 경 우에 대해 평가하였다. 이때, 흉벽 하부와 중앙부에 차수공이 설치된 경우 흉벽 하부 차수공 길이는 1.
- 흉벽 및 흉벽 하부 차수공에 의한 영향은 흉벽이 설치되지 않은 경우와 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우를 중앙 하부 차수공 길이 변화에 따른 파이핑에 대한 안전율을 비교하여 검토하였다. 이때, 흉벽의 경우 1.
이론/모형
- 42로 불안정한 것으로 평가되었다 (Table 2참조). 이때, 파이핑에 대한 안정성 평가는 한계동수경 사법에 의해 수행하였다.
성능/효과
- (i) 기초지반의 파이핑에 대한 안정성은 배수통문이 없는 경우 2.23으로 안정하나, 배수통문이 있는 경우 1.42로 불안정한 것으로 평가됨.
- (i) 중앙 하부 차수공 길이 변화에 따른 제체선단 부하부의 파이핑에 대한 안전율은 하부 차수공 이 상대적으로 투수계수가 작아 침투에 대해 안정한 지층인 풍화토층에 도달하는 길이 6.0m에 서 안정한 것으로 평가되었으며, 6.0m 이하인 경우 불안정한 것으로 평가되었다.
- (ii) 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우와 설치되지 않은 경우의 중앙 하부 차수공 길이 변화에 따른 제체 선단부 하부의 파이핑에 대한 안전율은 중앙 차수공만 설치된 경우에 비해 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우 안정성이 약 0.02정도로 다소 증가하였으나, 전체적으로 제체선단 하부의 파이핑에 안정성은 중앙 하부 차수공이 상대적으로 투수계수가 작아 침투에 대해 안정한 지층인 풍화토층에 도달하는 길이 6.0m에서 안정한 것으로 평가되었으며,6.0m 이하인 경우 불안정한 것으로 평가되었다. 따라서, 흉벽 및 흉벽 하부 차수공의 설치는 전체적인 파이핑의 안정성에 영향을 미치지 못하 는 것으로 평가되었다.
- (iii) 흉벽 및 선단 하부 차수공 길이 변화에 따른 파이핑은 기준안전율 2.0을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 해석결과 차수공 길이가 1.5m 이상 되었을 때 선단부로부터 1.5m 지점까지의 파이핑에 대한 안전율이 통문이 설치된 경우의 안전율에 근접하는 것으로 평가되어, 선단 하부에 설치되는 차수공의 경우 국부적인 파이핑 및 양압력에 대한 안정성 확보 차원에서 일본의 경우와 마찬가지로 2.0m 이상이 타당할 것으로 판단 된다.
- 3. 한편, 본 연구를 통하여 얻어진 해석 결과는 주변 지반으로의 침투를 고려하지 않은 2차원 침투해석에 의한 결과로, 주변 지반으로의 침투에 의한 포화영역의 소산을 고려한다면 제방의 전체적인 안정성에 미치는 영향은 본 해석결과에 비해 작을 것으로 판단된다. 따라서, 배수통문 등 하천 구조 물이 설치된 제방의 안정성 평가는 주변 지반으로의 침투를 평가할 수 있는 3차원 침투해석에 의해 평가되어야 할 것으로 판단된다.
- 한편, Table 3은 중앙 하부 차수공 길이 변화에 따른 제체 선단부 하부의 파이핑에 대한 안전율을 보여 준다. Table 3에서 보듯이 제체 선단부 하부의 파이핑에 안정성은 하부 차수공이 상대적으로 투수계수가 작아 침투에 대해 안정한 지층인 풍화토층에 도달하는 길이 6.0m에서 안정한 것으로 평가되었으며, 6.0m 이하인 경우 불안정한 것으로 평가되었다. 따라서, 차수공을 설치할 경우에는 상대적으로 침투에 대한 안정성이 확보되는 지층에까지 설치되어야 할 것으로 평가되었다.
- 한편, Table 4는 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우와 설치되지 않은 경우의 중앙 하부 차수공 길이변화에 따른 제체선단 하부의 파이핑에 대한 안전율 변화를 보여준다. Table 4에서 보듯이 파이핑에 대한 안전율은 중앙 차수공만 설치된 경우에 비해 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우 안정성이 약 0.02정도 로 다소 증가하였으나, 전체적으로 제체선단 하부의 파이핑에 안정성은 중앙 하부 차수공이 상대적으로 투수계수가 작아 침투에 대해 안정한 지층인 풍화토층에 도달하는 길이 6.0m에서 안정한 것으로 평가되었으며, 6.0m 이하인 경우 불안정한 것으로 평가되었다.
- 한편, Table 5는 흉벽 및 선단 하부 차수공 길이 변화에 따른 파이핑에 대한 안전율을 보여준다. Table 5에서 보듯이 전체적인 파이핑에 대한 안전율은 기준안 전율인 2.0을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 차수공 길이에 비례하여 안정성이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 전체적으로 파이핑에 대한 안정성은 중앙 차수공을 설치한 경우에 비해 크게 평가되었다.
- 결과 통문이 설치되지 않은 경우 1.27로 나타났으며, 통문이 설치된 경우 1.04로 통문이 설치되 지 않은 경우에 비해 약 0.2정도 작게 평가됨.
- 따라서, 흉벽 및 흉벽 하부 차수공의 설치는 전체적인 파이핑의 안정성에 영향을 미치지 못하는 것으로 평 가되었다.
- 따라서, 흉벽 및 흉벽 하부 차수공의 설치는 전체적인 파이핑의 안정성에 영향을 미치지 못하는 것으로 평 가되었다.
- 0을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 차수공 길이에 비례하여 안정성이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 전체적으로 파이핑에 대한 안정성은 중앙 차수공을 설치한 경우에 비해 크게 평가되었다.
- 또한, 배수통문 설치에 따른 포화영역의 변화는 수위 상승 시 통문의 설치 유무에 큰 영향을 받지 않는 것으로 평가되었으나, 수위 하강시 통문 설치에 따른 제체 하부 불투수층의 존재로 포화영역의 소산정도가 통문이 없는 경우에 비해 떨어지는 것으로 평가되어, 수위 급강하시 제방 제외지 사면안정성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단 되며, 침투해석결과를 바탕으로 사면안정해석 전용 프로그램인 STABL5M을 이용하여 수행한 사면안정해석 결과, 통문이 설치되지 않은 경우 L27로 나타났으며, 통문이 설치된 경우 1.04로 통문이 설치되지 않은 경우에 비해 약 0.23정도 작게 나타났다(Fig. 3및 Table 2참조).
- 또한, 차수공이 설치된 경우 선단 주변 지반의 파이핑에 대한 안정성은 통문이 설치된 경우에 비해 오히려 감소하는 것으로 평가되었다. 이러한 경향이 발생되는 원인은 선단 하부에 차수공을 설치하지 않았을 경우 선단 하부에서 침투수가 제일 크게 발생하지만, 차수공 설치에 따라 선단 하부에서의 침투가 억제되고 주변 지반으로 침투가 발생하기 때문인 것으로 판단된다.
- 0m로 제안하고 있으며, 차 수공의 길이는 차수공 사이의 거리의 절반을 넘지 않도록 하고 있다(國土開發 技術硏究 Center, 1998). 본 해석결과에서도 차수공의 길이가 L5m 이상 되었을 때 선단부로부터 1.5m 지점까지의 파이핑에 대한 안전율이 통문이 설치된 경우의 안전율에 근접하는 것으로 평가 되었다. 따라서, 선단 하부에 설치되는 차수공의 경우 국부적인 파이핑 및 양압력에 대한 안정성 확보 차원에 서 일본의 경우와 마찬가지로 2.
- 여기서, 흉벽 및 선단 하부 차수공 설치 시 차수공 길이에 무관하게 선단 직하부의 파이핑에 대한 안정성 은 충분히 확보되지만, 안전율은 차수공 길이에 반비례 하는 것으로 나타났다. 그 원인은 차수공 길이가 짧을 경우 차수공을 넘어가는 월류수량이 많고, 차수공 길이 가 길 경우 차수공 배면에 저류현상이 발생하여 파이핑에 대한 안전율을 감소시키기 때문으로, 전체적인 안정성에 있어서는 무시할 수 있을 것으로 판단되나, 차수 공 길이가 길어질 경우 저류현상에 의한 양압력에 대한검토가 추가적으로 필요할 것으로 평가되었다.
- 이러한 영향은 이전의 해석 결과와 마찬가지로 통문이 설치된 위치에서의 국부적인 것으로 제방의 전체적인 안정성에 큰 영향을 미치지 못할 것으로 판단되나, 흉벽의 설치는 국부적으로 흉벽 설치 전면 제체의 누수에 대한 안정성을 향상시킬 것으로 판단된다. 또한, 흉벽 배면의 저류현상은 본 침투해석 결과에 의하면 무시할 정도이나, 저류현상이 크게 발생할 경우 이에 대한 대책을 수립하여야 할 것으로 판단된다.
- 0에 크게 못 미치는 매우 불안정한 상태로 평가되었다. 한편, 흉벽 및 선단 하부에 2.0m 길이의 차수공을 설치한 경우 침투유속이 크게 감소하고, 파이핑에 대한 최소안전율도 3.42로 안정한 것으로 평가되었다.
- 해석결과 배수통문 설치 유무에 따른 기초지반의 파이핑에 대한 안정성은 배수통문이 없는 경우 2.23으로 댐설계기준(2001) 및 하천설계기준(2005)의 파이핑에 대한 기준 안전율 2.0에 대해 안정하나, 배수통문이 있는 경우 1.42로 불안정한 것으로 평가되었다 (Table 2참조). 이때, 파이핑에 대한 안정성 평가는 한계동수경 사법에 의해 수행하였다.
- 해석결과 흉벽 및 흉벽 하부 차수공 설치에 의한 영향에 따른 포화영역의 변화는 Fig. 6에서 보듯이 전체적인 포화영역은 거의 차이가 없으나, 흉벽 및 흉벽 하부 차수공이 설치된 경우 설치된 흉벽 배면에서 저류현상에 의해 포화영역이 다소 증가하고, 흉벽 전면의 경우 포화되지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 여기서, 흉벽 및 선단 하부 차수공 설치 시 차수공 길이에 무관하게 선단 직하부의 파이핑에 대한 안정성 은 충분히 확보되지만, 안전율은 차수공 길이에 반비례 하는 것으로 나타났다. 그 원인은 차수공 길이가 짧을 경우 차수공을 넘어가는 월류수량이 많고, 차수공 길이 가 길 경우 차수공 배면에 저류현상이 발생하여 파이핑에 대한 안전율을 감소시키기 때문으로, 전체적인 안정성에 있어서는 무시할 수 있을 것으로 판단되나, 차수 공 길이가 길어질 경우 저류현상에 의한 양압력에 대한검토가 추가적으로 필요할 것으로 평가되었다.
- 한편, 본 연구를 통하여 얻어진 해석 결과는 주변 지반으로의 침투를 고려하지 않은 2차원 침투해석에 의한 결과로, 주변 지반으로의 침투에 의한 포화영역의 소산을 고려한다면 제방의 전체적인 안정성에 미치는 영향은 본 해석결과에 비해 작을 것으로 판단된다. 따라서, 배수통문 등 하천 구조 물이 설치된 제방의 안정성 평가는 주변 지반으로의 침투를 평가할 수 있는 3차원 침투해석에 의해 평가되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서, 배수통문을 설치할 경우 반드시 파이핑에 대한 검토가 이루어져야 하며, 필요시 차수공의 설치 등 파이핑 방지 대책을 마련하여야 할 것으로 판단된다.
- 한편, 본 침투해석 결과에 따른 배수통문 설치에 따른 영향은 배수통문이 설치된 단면에 국한된 것으로 주변 지반으로의 침투에 의한 포화영역의 소산을 고려한다면 제방의 전체적인 안정성에 미치는 영향은 본 해석 결과에 비해 작을 것으로 판단된다. 따라서, 배수통문이 설치된 제방의 안정성 평가는 주변 지반으로의 침투를 평가할 수 있는 3차원 침투해석에 의해 평가되어야 할 것으로 판단된다.
- 이러한 영향은 이전의 해석 결과와 마찬가지로 통문이 설치된 위치에서의 국부적인 것으로 제방의 전체적인 안정성에 큰 영향을 미치지 못할 것으로 판단되나, 흉벽의 설치는 국부적으로 흉벽 설치 전면 제체의 누수에 대한 안정성을 향상시킬 것으로 판단된다. 또한, 흉벽 배면의 저류현상은 본 침투해석 결과에 의하면 무시할 정도이나, 저류현상이 크게 발생할 경우 이에 대한 대책을 수립하여야 할 것으로 판단된다.
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