본 논문에서는 이미 사용 중인 콘크리트표면차수벽형석괴댐(이하 CFRD)에 대하여 저수용량 확대 또는 수리 수문학적 안정성을 증대할 목적 등으로 하류측에 추가 축조하여 댐의 높이를 높이는 경우에 대하여 추가 축조과정에 기존 댐체 및 추가 축조 부분의 변형거동을 유한요소해석법으로 검토하였다. 해석결과 기존 댐체의 하류측에 덧붙여 추가 축조할 경우 기존 댐체 전반에 걸쳐 추가 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 특히, 상류사면은 침하(댐마루측)와 융기(댐체 하부측)가 동시에 발생하며, 이 경우CFRD의 특성상 상류사면에 시공되어 있는 콘크리트 차수벽에는 휨모멘트에 의한 인장균열이 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 기존 CFRD에 증고를 하는 경우에는 시공전에 반드시 기존 차수벽의 변형량과 휨모멘트 발생량 등을 검토하고 경우에 따라서는 적절한 보완대책의 수립이 필요한 것으로 나타났다.
본 논문에서는 이미 사용 중인 콘크리트표면차수벽형석괴댐(이하 CFRD)에 대하여 저수용량 확대 또는 수리 수문학적 안정성을 증대할 목적 등으로 하류측에 추가 축조하여 댐의 높이를 높이는 경우에 대하여 추가 축조과정에 기존 댐체 및 추가 축조 부분의 변형거동을 유한요소해석법으로 검토하였다. 해석결과 기존 댐체의 하류측에 덧붙여 추가 축조할 경우 기존 댐체 전반에 걸쳐 추가 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 특히, 상류사면은 침하(댐마루측)와 융기(댐체 하부측)가 동시에 발생하며, 이 경우CFRD의 특성상 상류사면에 시공되어 있는 콘크리트 차수벽에는 휨모멘트에 의한 인장균열이 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 기존 CFRD에 증고를 하는 경우에는 시공전에 반드시 기존 차수벽의 변형량과 휨모멘트 발생량 등을 검토하고 경우에 따라서는 적절한 보완대책의 수립이 필요한 것으로 나타났다.
In this study, deformation behavior of existing concrete face rockfill dam, which is raised to a certain height to enhance storage capacity or to improve hydraulic and hydrologic stability, is examined using numerical analysis method. The results obtained from FEM analysis show a possibility that ad...
In this study, deformation behavior of existing concrete face rockfill dam, which is raised to a certain height to enhance storage capacity or to improve hydraulic and hydrologic stability, is examined using numerical analysis method. The results obtained from FEM analysis show a possibility that additional fill at downstram slope of existing CFRD dam body may lead undesirable deformations and stresses in existing dam body, especially in face concrete, such as settlements in upper part and bulging in lower part, excessive bending moments, and eventualy tensile cracks. Therefore, in designing multi-staged raising construction of CFRD, it is essential to consider deformations and stresses to be developed within and between exisiting dam body and added parts due to additional fill, and to prepare a proper measure to prevent abnormal deformations and stresses in the dam body including added parts.
In this study, deformation behavior of existing concrete face rockfill dam, which is raised to a certain height to enhance storage capacity or to improve hydraulic and hydrologic stability, is examined using numerical analysis method. The results obtained from FEM analysis show a possibility that additional fill at downstram slope of existing CFRD dam body may lead undesirable deformations and stresses in existing dam body, especially in face concrete, such as settlements in upper part and bulging in lower part, excessive bending moments, and eventualy tensile cracks. Therefore, in designing multi-staged raising construction of CFRD, it is essential to consider deformations and stresses to be developed within and between exisiting dam body and added parts due to additional fill, and to prepare a proper measure to prevent abnormal deformations and stresses in the dam body including added parts.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 기존 콘크리트표면차수벽형석괴댐(이하 CFRD)의 하류측에 추가 축조하여 댐의 높이를 높이는 경우에 대하여 추가 축조하중에 의한 기존 댐체의 내·외부, 기존 댐체와 추가 축조부의 경계면 등에서의 변형 거동을 유한요소해석을 통하여 검토하고자 한다.
본 논문에서는 이미 사용 중인 콘크리트표면차수벽형석괴댐(이하 CFRD)에 대하여 저수용량 확대 또는 수리･수문학적 안정성을 증대할 목적 등으로 하류측에 추가 축조하여 댐의 높이를 높이는 경우에 대하여 추가 축조하중에 의한 기존 댐체의 내･외부, 기존 댐체와 추가 축조부의 경계면 등에서의 변형거동을 유한요소해석법으로 검토하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이밖에 추가축조에 따른 기존댐체 및 추가 축조 부분의 응력 및 변위분포 양상을 검토하였다. 본 해석의 목적은 제체의 거동을 분석하는 것이 주 목적이며 해석의 편의를 위해 차수벽은 차수벽지지층과 동일한 요소로 모델링하였다.
제안 방법
8mm(공시체 직경의 약 1/6)로 하여 그림 2의 원래의 입도분포를 작은입경으로 평행이동한 상사입도로 조제된 시료에 대하여 공시체를 제작하였다. 각 ZONE별 재료에 대하여 제작된 공시체는 2, 4 및 6kgf/cm2의 구속압 하에서 압밀배수(CD) 삼축시험을 실시한 후 Mohr-Coulomb의 파괴규준에 따른 강도정수(내부마찰각과 점착력)를 산정하였다. 시험재료의 강도정수는 표 2와 같으며 내부마찰각은 38.
경계조건 설정시 일반적으로 댐체는 단단한 기초암반 위에 놓이게 된다. 따라서 단면 최하단부는 기초암반으로서 변위를 허용하지 않으므로 x-y방향을 구속하였고, 양단은 x방향만 구속하였다. 해석은 시공단계를 고려하기 위하여증분해석방법(Incremental Analysis Method)을 사용하였으며, 기존 댐체의 경우에도 증분방법으로 축조과정을 재현하였다.
그림 3은 시험에 사용한 대형삼축시험기로서 직경 30cm, 높이 62cm의 원주형 공시체를 사용하였다. 이때 각 ZONE별 시험재료의 최대입경은 50.8mm(공시체 직경의 약 1/6)로 하여 그림 2의 원래의 입도분포를 작은입경으로 평행이동한 상사입도로 조제된 시료에 대하여 공시체를 제작하였다. 각 ZONE별 재료에 대하여 제작된 공시체는 2, 4 및 6kgf/cm2의 구속압 하에서 압밀배수(CD) 삼축시험을 실시한 후 Mohr-Coulomb의 파괴규준에 따른 강도정수(내부마찰각과 점착력)를 산정하였다.
주요 검토 항목으로는 3단계의 추가 축조시 기존댐체의 상류사면의 연직변위(침하량) 및 수평변위량, 댐체 중앙부분에서의 연직변위 및 수평변위량을 검토하였다. 이밖에 추가축조에 따른 기존댐체 및 추가 축조 부분의 응력 및 변위분포 양상을 검토하였다. 본 해석의 목적은 제체의 거동을 분석하는 것이 주 목적이며 해석의 편의를 위해 차수벽은 차수벽지지층과 동일한 요소로 모델링하였다.
주요 검토 항목으로는 3단계의 추가 축조시 기존댐체의 상류사면의 연직변위(침하량) 및 수평변위량, 댐체 중앙부분에서의 연직변위 및 수평변위량을 검토하였다. 이밖에 추가축조에 따른 기존댐체 및 추가 축조 부분의 응력 및 변위분포 양상을 검토하였다.
해석은 시공단계를 고려하기 위하여증분해석방법(Incremental Analysis Method)을 사용하였으며, 기존 댐체의 경우에도 증분방법으로 축조과정을 재현하였다. 추가축조(증고)에 따른 영향을 검토하기 위해서는 기존 댐에 기 발생한 침하량 및 수평변위량 등을 0으로 초기화하여 추가 축조하중에 따른 증분을 검토하는 것으로 하였다. 이 과정에서 댐체의 변형량은 축조과정에서의 각 요소에서의 응력수준의 변화량이 반영되며, SIGMA/W에 서는 식 (2)와 (3)을 사용하여 계산되어진다.
축조재료의 전단강도특성은 대형삼축시험을 수행하여 구하였다. 그림 3은 시험에 사용한 대형삼축시험기로서 직경 30cm, 높이 62cm의 원주형 공시체를 사용하였다.
대상 데이터
축조재료의 전단강도특성은 대형삼축시험을 수행하여 구하였다. 그림 3은 시험에 사용한 대형삼축시험기로서 직경 30cm, 높이 62cm의 원주형 공시체를 사용하였다. 이때 각 ZONE별 시험재료의 최대입경은 50.
해석대상 댐은 그림 1과 같이 콘크리트 차수벽(Face Concrete)을 지지하는 층은 Bedding ZONE 외에 Transition ZONE, Graded Rockfill ZONE 및 Rockfill ZONE으로 구성된다. 시공은 기존댐체(#)에 3단계로 나뉘어 순차적(#⇒#⇒#)으로 추가 축조하는 순서로 이루어졌다.
데이터처리
단계별 분할 추가축조에 따른 기존 댐체의 변형거동을 검토하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 SIGMA/W ver. 5.0(Geoslope, 2003)를 사용하였으며, 해석단면은 그림 5와 같고, 요소의 수는 1893개, 절점의 수는 1867개이다. 경계조건 설정시 일반적으로 댐체는 단단한 기초암반 위에 놓이게 된다.
이론/모형
따라서 단면 최하단부는 기초암반으로서 변위를 허용하지 않으므로 x-y방향을 구속하였고, 양단은 x방향만 구속하였다. 해석은 시공단계를 고려하기 위하여증분해석방법(Incremental Analysis Method)을 사용하였으며, 기존 댐체의 경우에도 증분방법으로 축조과정을 재현하였다. 추가축조(증고)에 따른 영향을 검토하기 위해서는 기존 댐에 기 발생한 침하량 및 수평변위량 등을 0으로 초기화하여 추가 축조하중에 따른 증분을 검토하는 것으로 하였다.
성능/효과
(2) 기존 댐체의 하류측에 덧붙여 추가 축조할 경우 기존 댐체의 상류사면은 침하(댐마루측)와 융기(댐체 하부측)가 동시에 발생하며, CFRD의 특성상 상류사면에 시공되어 있는 콘크리트 차수벽에는 휨모멘트에 의한 인장균열이 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
(3) CFRD의 특성상 차수벽에 균열이 발생할 경우에는 저수지 물이 차수벽을 통과하여 댐체의 내부로 침투되어 댐체의 안정성을 위협할 수 있음을 고려할 때 하류측에 덧대어 증고할 때는 기존 차수벽의 변형량과 휨모멘트 발생량 등을 검토하고 필요에 따라서는 적절한 보완대책을 수립하여야 하는 것으로 나타났다.
결과그림에서 보는 바와 같이 추가 축조에 의하여 주로 기존댐체 하류측의 침하량이 증가는 것을 확인할 수 있으며, 수평방향으로는 상류측으로 변형량이 증가하여 기존댐체 상류사면의 아래부분에 배부름 현상이 발생함을 알 수 있다. 3단계 추가 축조시에는 수평변위 증분량 등변위도(그림 8의 b)에 나타낸 바와 같이 2단계와 3단계 경계면에서 침하와 수평변위가 불연속적으로 발생하거나 억제되는 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
그림 11은 추가축조에 의하여 기존댐체 중앙 부근에서의 침하량과 수평변위량 분포를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 추가축조에 의하여 침하량이 크게 증가하고, 상류측으로 수평변위량도 크게 증가하는 것으로 나타았으며, 특히 주목할 것은 상류측으로의 수평방향 최대변위 발생 높이가 크게 위쪽으로 상승하는 것으로 나타났다는 것이다. 이러한 거동은 그림 10에서 확인한 2, 3단계 추가 축조에 의해 기존댐체의 상류사면이 저수지 측으로 볼록해지는 현상과 일치하는 것으로 볼 수 있다.
후속연구
이러한 거동은 기존댐체의 상류사면에 차수벽이 설치되어 있는 경우 차수벽의 상단부는 변위방향이 급격하게 변동(즉, (+)에서 (-)로, 또는 그 반대로)하여 차수벽의 표면에 휨모멘트에 의한 휨인장응력이 발생하여 차수벽에 인장균열이 발생할 수도 있음을 나타낸다. 이는 CFRD의 특성상 차수벽에 균열이 발생할 경우에는 저수지 물이 차수벽을 통과하여 댐체의 내부로 침투되어 댐체의 안정성을 위협할 수 있음을 고려할 때 하류측에 덧대어 증고하는 경우 차수벽의 변형량과 휨모멘트 발생량 등을 검토하여 필요한 대책을 수립하여야 함을 시사한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라에는 몇 개의 댐 또는 저수지가 있는가?
이러한 문제점을 극복하기 위한 대안으로서 기존 댐의 재개발 방안이 적극적으로 검토되고 있다. 한편, 우리나라에는 약 18,000개의 댐 또는 저수지가 있으며, 그 중 56%가 건설된지 60년이 경과한 노후된 댐들로서 국가적인 차원에서의 안전관리가 시급한 실정이다(국립방재교육연구원, 2006). 또한 최근에는 기상이변에 의하여 집중호우가 증가하는 추세에 있어 수리･수문학적인 안정성에 문제가 있는 것으로 나타나고 있어 기존 댐의 안정성을 확보하기 위한 대책이 필요하다.
기존 댐에 대하여 구조적･수리수문학적 안정성을 증대시키는 방안의 하나로 무엇이 있는가?
기존 댐에 대하여 구조적･수리수문학적 안정성을 증대시키는 방안의 하나로 기존 댐을 증고하는 방법이 국내외를 막론하고 널리 이용되고 있다(한국수자원공사, 2005; 장옥성 등, 2004; Engineering News-Record, 2006) 이러한 형태의 댐 재개발은 신규 댐 건설에 비하여 많은 비용을 절감할 수 있고, 공사기간 동안에도 안정적인 용수공급을 할 수 있는 장점이 있다. 실제로 재개발한 댐의 저수용량 1톤당 건설단가는 신규댐의 20~80% 수준으로 알려져 있다(김홍군, 2004), 한편, 기존 댐을 재개발 하기 위한 것은 아니나 경제적 또는 사회･정치적 이유로 수년간의 시차를 두고 기존 댐체에 덧붙여서 추가 축조하는 경우도 있다(한국수자원공사, 2005; Wu 등, 2000).
기존 댐을 증고하는 방법의 장점은?
기존 댐에 대하여 구조적･수리수문학적 안정성을 증대시키는 방안의 하나로 기존 댐을 증고하는 방법이 국내외를 막론하고 널리 이용되고 있다(한국수자원공사, 2005; 장옥성 등, 2004; Engineering News-Record, 2006) 이러한 형태의 댐 재개발은 신규 댐 건설에 비하여 많은 비용을 절감할 수 있고, 공사기간 동안에도 안정적인 용수공급을 할 수 있는 장점이 있다. 실제로 재개발한 댐의 저수용량 1톤당 건설단가는 신규댐의 20~80% 수준으로 알려져 있다(김홍군, 2004), 한편, 기존 댐을 재개발 하기 위한 것은 아니나 경제적 또는 사회･정치적 이유로 수년간의 시차를 두고 기존 댐체에 덧붙여서 추가 축조하는 경우도 있다(한국수자원공사, 2005; Wu 등, 2000).
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