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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 흙댐에 대한 침투해석을 수행하여 누수가 발생되었던 원인을 규명하고, 대책방안을 제시하고자 하였다. 하천제방은 홍수상태에 따라서 수위의 변동이심하고, 홍수지체 시간과 제체의 축조 재료에 따라서 정상 류상태(steady-states)와 일시적 흐름상태(transient conditions) 의침투해석 조건이 될 수 있다.
- 본 연구에서는 댐 체의 누수현상에 대한 원인을 규명하기 위하여 투수계수 비(k-ratio = ky/kx)와 침투유속이 침투수에 의하여 발생될 수 있는 파이핑 현상에 미치는 영향에 대하여 검토하였다 . 침투해 석을 수행하여 유출동수경사와 침투 유속을 파악하고, 이론식에 의한 한계동수경사와 경험식에 의한 한계 유속을 산정하여 비교검토 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 하천제방은 홍수상태에 따라서 수위의 변동이심하고, 홍수지체 시간과 제체의 축조 재료에 따라서 정상 류상태(steady-states)와 일시적 흐름상태(transient conditions) 의침투해석 조건이 될 수 있다. 그림 1의 경우 수돗물 공급을 위한 상수원 확보용 댐으로서 수위변동의 차이가 심하지 않은 상태이므로 정상류 상태의 조건으로 가정하여 침투해석을 수행하였다.
제안 방법
- 616으로 가장 크게 산정되었다. 따라서 "경우Ⅱ" 대응하는 투수계수를 적용하고, 댐체에 대해서는 층 다짐을 수행하면서 댐체를 축조하므로 투수성은 이방성이 될 수 있다는 가능성을 고려하여 k-ratio를 표 4와 같이 일곱 단계로 구분하여 침투해석을 수행하였다.
- 이는 댐체 내에 침투수 발생 시 한계동수경사에 의한 댐체의 안정성 검토 시에는 k-ratio가 매우 중요한 요소 중의 하나가 될 수 있을 것이나, 한계유속에 의한 안정성 검토 시에는 상대적으로 k-ratio의 중요도가 매우 낮은 요소라는 것을 의미한다. 그러므로 한계유속의 경우에는 k-ratio에 따른 해석결과(표 6) 보다는 투수계수의 조합에 따른 해석결과(표 3)를 기준으로 침투 유속이 가장 작은 경우와 가장 큰 경우에 대하여 비교 평가하였다.
- 기존 댐체 및 기초지반의 지반 공학적 특성을 파악하기 위하여 시추조사, 시험 굴 조사, 표준관입 시험, 현장투수 및 수압시험과 실내 투수시험을 수행하였다.
- 유한요소 해석을 위한 기본 단면은 그림 2와 같다. 댐은 계곡 부에 시공되어 있으므로 길이가 길고 단면이 일정하지 않은 3차원 형태의 단면으로 구성되어 있으나 누수의 흔적이 댐 축의 중간 정도에 있었음을 고려하고, 경계조건을 단순화하기 위하여 댐 축의 중간 부 최대 횡단면에 대하여 2차원 해석을 수행하였다. 또한, 침투해석을 위한 수위는 상류부는 EL.
- 투수계수(k)는 5x10-^1x10ecm/sec 정도이다. 따라서 각각의 투수계수를 표 2와 같이 조합하고, k-ratio = 1.0인 경우에 대한 침투해석을 수행한 다음 유줄 동수경사가 가장 크게 산정되는 경우에 대하여 ^-ratio 를 변화시켜 가면서 침투 해석을 수행하였다.
- 시간에 따라 수위변동이 심하다면 시간의존성 문제로 인식하여 일시적 흐름상태(transient conditions)에 대한 해석을 수행하여야 하나, 본 연구에서는 수위변동이 시간에 따라 심하지 않으므로 시간에 대한 비 의존성 문제로 인식하고 정 상류 상태 (steady-states)의 침투해석을 수행하였다. 댐의 침투해석에 사용된 전산프로그램은 GEO-SLOPE International Ltd.
- 암반 상에 흙으로 축조된 본 댐은 특별한 침하현상이나 사면의 활동파괴 현상은 나타나지 않았으며, 댐 종축 상 중앙부 댐체의 하류쪽 사면 중상부인 14~ 16 m 높이에서 누수흔적이 관찰되었다. 이에 따라댐의 안정성을 고려하여 만수위 상태로 담수하지 못하고 있었으며, 물 수요 충족을 위한 상수원 확보를 위해 댐을 숭상 (嵩上)하는 방안으로 저수용량 확대를 계획하였다.
- . 침투해 석을 수행하여 유출동수경사와 침투 유속을 파악하고, 이론식에 의한 한계동수경사와 경험식에 의한 한계 유속을 산정하여 비교검토 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 침투해석을 위하여 시험 굴 조사 시 채취한 불교란 시료 (block sample)에 대하여 변수위투수시험을 수행하였으며, 교란 시료에 대해서는 실내 다짐시험 (D 다짐)을 실시하고, 90% 와 95% 다짐에 대응하는 투수시험 시료를 성형하여 실내 투수시험을 실시한 결과는 표 1과 같다. 또한, 시추조사 시 수행한 현장 투수시험 결과 투수계수(k)는 #로 측정되었다.
대상 데이터
- 본 연구대상의 그림 1은 경기도 oo지역의 상수원 확보를 위하여 1968년도에 완공된 댐으로서 확장계획 당시를 기준으로 26년이 경과된 오래된 흙댐이다. 암반 상에 흙으로 축조된 본 댐은 특별한 침하현상이나 사면의 활동파괴 현상은 나타나지 않았으며, 댐 종축 상 중앙부 댐체의 하류쪽 사면 중상부인 14~ 16 m 높이에서 누수흔적이 관찰되었다.
이론/모형
- 하야 시 마사오(1978)는 Justin의 기준은 과대평가되어 있어 적어도 한 자리 수는 작게 보아야 한다고 했으며, 우리나라 댐 설계기준(2003)에서는 실제의 침투유속이 한계유속의 1/100 이하가 되도록 제시하고 있다. 본 논문에서는 우리나라 댐 설계기준(2003)에 근거하여 한계유속을 1/100로 보정하여 표 9에 나타냈으며, 그림 10에 나타나 있다
성능/효과
- 침투해석 결과 유출동수경사(그림 5)는 댐체 하류 즉사면 선단부에서 가장 크게 산정되었으며, k-ratio가 작을수록 즉 수평 방향 투수 계수(kx)가 연직방향투수계수("보다 클수록 유출 동수 경사(표 5)는 크게 산정되었다. k-ratio = 4.
- (1) 침투해석결과 침윤선은 누수현상에 발생된 위치보다 하부에 형성된 것으로 나타났다. 따라서 댐체 하류부 사면의 중상부에서 발생된 누수현상은 침투수에 의한 파이핑 현상에 기인된 것은 아니라고 판단된다.
- (2) 최대유출동수경사는 댐 체 하류 쪽 사면선단부에서 발생되었으며, k-ratio가 작을수록 즉 수평방향 투수 계수(0가연직방향 투수계수(ky)보다 클수록 유출동수경사(ie)는 증가하며, 상대적으로 안전율은 감소하는 것으로 나타났다.
- (3) 침투해석결과 투수계수 비(k-ratio = ky/kx)가 16배정도 증가하면 최대 유출동수경사는 50%정도 감소하는 것으로 나타난 반면, 최대 침투유속은 15% 정도만이 감소되는것으로 나타났다.
- (4) 댐체 내에서 침투수가 발생할 때 한계 동수경사 개념으로 댐체의 파이핑 현상 발생에 대한 안정성을 검토할 경우에는 투수계수비가 매우 중요한 요소 중의 하나로 판단되지만 한계유속의 개념으로 댐 체의 파이핑 현상 발생에 대한 안정성을 검토할 경우에는 상대적으로 투수 계수 비의 중요도가 매우 낮은 요소인 것으로 확인되었다.
- (5) 침투수에 대하여 한계동수경사에 의한 안정성을 검토할 경우 허용안전율(Fsa)은 1.5 정도를 적용하는 것이 현실적이고, 합리적일 것이라 판단된다.
- (6) 차수가 요구되는 제체나 댐체를 축조할 경우 층 다짐을 수행하게 되는데 가능하면 수평방향 투수계수가 커지지 않도록 가로와 세로방향으로 번갈아가면서 전압을 수행하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 따라서 기존 흙댐은 하류 사면선단부에서 이론적으로는 침투수에 의한 파이핑 현상 발생가능성이 높은 상태인 것으로 나타났다. 그러나 침투해석 결과 댐 체내의 자유수면(phreatic surface line)을 형성하는 침윤선(seepage line)(그림 4)은 누수의 흔적이 있었던 지점보다는 약 8-9m 정도 아래인 댐 높이의 대략 1/3 지점인 하류 쪽 사면과 만나면서 형성되는 것으로 해석되었으며, 따라서 누수지점은 파이핑 현상발생 가능성이 있는 위치는 아닌 것으로 판단된다. 또한 댐 체의 하류 쪽 사면선단부에서도 파이핑 현상은 발생되지 않았다.
- 5배 정도 작게 산정되었다. 따라서 k- ratio에 따른 침투해석 결과(그림 9) k-ratio가 클수록 즉 kx가 ky보다 작을수록는 감소하며, 따라서 안전율은 상대적으로 증가하는 것으로 나타났다.
- 032까지 산정되었다. 따라서 기존 흙댐은 하류 사면선단부에서 이론적으로는 침투수에 의한 파이핑 현상 발생가능성이 높은 상태인 것으로 나타났다. 그러나 침투해석 결과 댐 체내의 자유수면(phreatic surface line)을 형성하는 침윤선(seepage line)(그림 4)은 누수의 흔적이 있었던 지점보다는 약 8-9m 정도 아래인 댐 높이의 대략 1/3 지점인 하류 쪽 사면과 만나면서 형성되는 것으로 해석되었으며, 따라서 누수지점은 파이핑 현상발생 가능성이 있는 위치는 아닌 것으로 판단된다.
- 0 보다도 작게 산정되었다. 따라서 본 연구대상의 기존 흙댐은 파이핑 현상발생 가능성이 있는 것으로 나타났다. k-ratio에 따른 안전율은 표 8에 나타나 있으며, k-ratio와 최대 유출 동수경사 및 안전율과의 관계 그래프는 그림 9와 같다.
- 0보다도 작게 나타났으나, 해석상 유출 동수경사가 가장 크게 산정된 댐의 하류 쪽 사면선단부에서 파이핑 현상발생이나 누수현상 등이발생되지 않았다. 따라서 이와 같은 점 등을 종합 검토해 볼 때 침투수에 대하여 한계 동수경사에 의한 안정성을 검토할 경우 허용안전율(Fsa)은 1.5 정도를 적용하는 것이 현실적이고, 합리적일 것이라 판단된다.
- 시추조사 결과 댐의 기초지반은 경기편마암복합체 (Gyeonggi gneiss complex)에 해당하는 호상 편마암(banded gneiss)으로서 RQD는 70~100%의 범위로 양호한 상태이며, 현장 수압시험 결과 투수계수(k)는 5xl0-6elxl0-5cm/sece 측정 되었다
- 26년이 경과된 오래된 흙댐이다. 암반 상에 흙으로 축조된 본 댐은 특별한 침하현상이나 사면의 활동파괴 현상은 나타나지 않았으며, 댐 종축 상 중앙부 댐체의 하류쪽 사면 중상부인 14~ 16 m 높이에서 누수흔적이 관찰되었다. 이에 따라댐의 안정성을 고려하여 만수위 상태로 담수하지 못하고 있었으며, 물 수요 충족을 위한 상수원 확보를 위해 댐을 숭상 (嵩上)하는 방안으로 저수용량 확대를 계획하였다.
- 0)이다. 유한요소법을 적용한 본 프로그램의 특징은 정상 류상태와 일시적 흐름상태의 해석뿐만 아니라 포화토 및 불포회토의 침투해석, 2차원 문제 및 축대칭 문제, 피 압대수층에서의 흐름 문제, 그리고 비등방성 투수층에 대한 침투해석이 가능하다는 것이다.
- 침투해석 결과 표 8에 나타나 있는 바와 같이 파이핑 현상 발생에 대한 안전율(Fs)은 k-ratio가 L0일 때 L675로 산정 되어 표 7에 제시되어 있는 최소한의 허용 안전율(Fsa)인 2.0보다도 작게 나타났으나, 해석상 유출 동수경사가 가장 크게 산정된 댐의 하류 쪽 사면선단부에서 파이핑 현상 발생이나 누수현상 등이 발생되지 않았다. 또한 기존 흙댐의 하류 측 사면증상부에서 발생된 누수현상은 침투수 발생 시 댐 체내에서 형성되는 자유 수면인 침윤선의 상부에 해당하는 지점에서 발생된 것으로 이론상 침투수에 의한 파이핑 현상이라고 결론지을 수는 없다고 판단된다.
- )로 나눈 값을 말한다. 침투해석 결과 k-ratio = 4.0일 때 안전율(Fs)은 2.032로 나타났으며, 그 이외의 경우 안전율(Fs)은 1.123~1.876정도로서 ^-ratio = 4.0 일 경우를 제외하고서는 전반적으로 표 7에 제시되어 있는 최소한의 안전율(Fs)인 2.0 보다도 작게 산정되었다. 따라서 본 연구대상의 기존 흙댐은 파이핑 현상발생 가능성이 있는 것으로 나타났다.
- 이것은 Terzaghi의 한계동수경사 개념에서 고려되지 않은 토립자의 입경, 입도분포, 간극률과 입자 상호간의 마찰력 및 점착력 등의 요인에 기인된 것이라 판단된다. 침투해석결과 k-ratio 가 L0일 때 파이핑 발생에 대한 안전율(0>은 1.675(표 8) 로 산정되어 최소한의 허용안전율(Fsa)인 2.0보다도 작게 나타났으나, 해석상 유출 동수경사가 가장 크게 산정된 댐의 하류 쪽 사면선단부에서 파이핑 현상발생이나 누수현상 등이발생되지 않았다. 따라서 이와 같은 점 등을 종합 검토해 볼 때 침투수에 대하여 한계 동수경사에 의한 안정성을 검토할 경우 허용안전율(Fsa)은 1.
- 6x10-5m/sec정도로 산정되었다. 침투해석결과 산정된 침투수의 실제 최대 침투유속 (vsmax) 5.82xl(f6m/sec)로서 그림 11에서 가장 작은 한계유속(vc)인 6.6x10-5 m/sec보다도 훨씬 작은 것으로 나타났다. 따라서 투수계수의 함수로 표현된 한계유속에 의하면 댐체에대한 축조재료는 침투수의 흐름에 대하여 안전한 것으로 평가된다.
- 0이상을 제시하고 읏!다. 해석 결과 안전율(Fs)은 최소 L123에서 최대 2.032까지 산정되었다. 따라서 기존 흙댐은 하류 사면선단부에서 이론적으로는 침투수에 의한 파이핑 현상 발생가능성이 높은 상태인 것으로 나타났다.
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