불포화 흐름을 고려하지 않는 도해법 (Casagrande, 1961; Cedergren, 1997)과 근사식(Sakamoto, 1998)에 의한 중심코어형 사력댐 코어죤의 침투량은 실제 침투거동과는 차이가 있고, 저수위 변화에 대한 침투량 변화경향의 파악도 곤란하다. 본 연구에서는 소양강댐에 대한 2차원 정상상태 및 비정상상태 침투류해석으로 저수위, 포화투수계수, 불포화수리특성 변화에 대한 정상상태 침투량과 정상상태 도달시간에 미치는 영향요인을 분석하였다. 분석결과 침투량은 정규화된 선형 관계식으로 예측이 가능하고, 불포화 예측변수 n이 정상상태 침투량과 정상상태 도달시간에 가장 큰 영향을 주었다. 본 연구에서 제시한 예측기법은 복잡한 3차원 해석 및 여러 단면에 대한 2차원 해석을 수행하지 않고도 댐 설계자 및 안전관리 실무자가 중심코어형 사력댐의 침투량을 산정하여 실측치와의 정량적 분석에 손쉽게 이용할 수 있을 것으로 생각된다.
불포화 흐름을 고려하지 않는 도해법 (Casagrande, 1961; Cedergren, 1997)과 근사식(Sakamoto, 1998)에 의한 중심코어형 사력댐 코어죤의 침투량은 실제 침투거동과는 차이가 있고, 저수위 변화에 대한 침투량 변화경향의 파악도 곤란하다. 본 연구에서는 소양강댐에 대한 2차원 정상상태 및 비정상상태 침투류해석으로 저수위, 포화투수계수, 불포화수리특성 변화에 대한 정상상태 침투량과 정상상태 도달시간에 미치는 영향요인을 분석하였다. 분석결과 침투량은 정규화된 선형 관계식으로 예측이 가능하고, 불포화 예측변수 n이 정상상태 침투량과 정상상태 도달시간에 가장 큰 영향을 주었다. 본 연구에서 제시한 예측기법은 복잡한 3차원 해석 및 여러 단면에 대한 2차원 해석을 수행하지 않고도 댐 설계자 및 안전관리 실무자가 중심코어형 사력댐의 침투량을 산정하여 실측치와의 정량적 분석에 손쉽게 이용할 수 있을 것으로 생각된다.
Seepage rate through the core zone of rockfill dam, estimated from graphical technique and the equation by Sakamoto (1998), is different from the real condition because of neglecting unsaturated flow. With existing method to estimate total seepage rate, it is difficult to understand the tendency of ...
Seepage rate through the core zone of rockfill dam, estimated from graphical technique and the equation by Sakamoto (1998), is different from the real condition because of neglecting unsaturated flow. With existing method to estimate total seepage rate, it is difficult to understand the tendency of total seepage rate changes by reservoir water level change. Steady state seepage rate and the factors affecting the time needed to attain to changes of reservoir water level and saturated hydraulic conductivity and unsaturated hydraulic properties of core material are analysed thorough the 2-D steady and unsteady state seepage analyses of Soyanggang dam. Numerical results revealed that the seepage rate can be expressed by the linear equation form and the value of unsaturated soil parameter n is the most important factor affecting the seepage rate and the time needed to attain steady state. The estimation method presented in this study can be used by the designer and the personnel of dam safety for convenient estimation of seepage rate and quantitative analysis of measured seepage rate without 2-D and 3-D numerical analyses.
Seepage rate through the core zone of rockfill dam, estimated from graphical technique and the equation by Sakamoto (1998), is different from the real condition because of neglecting unsaturated flow. With existing method to estimate total seepage rate, it is difficult to understand the tendency of total seepage rate changes by reservoir water level change. Steady state seepage rate and the factors affecting the time needed to attain to changes of reservoir water level and saturated hydraulic conductivity and unsaturated hydraulic properties of core material are analysed thorough the 2-D steady and unsteady state seepage analyses of Soyanggang dam. Numerical results revealed that the seepage rate can be expressed by the linear equation form and the value of unsaturated soil parameter n is the most important factor affecting the seepage rate and the time needed to attain steady state. The estimation method presented in this study can be used by the designer and the personnel of dam safety for convenient estimation of seepage rate and quantitative analysis of measured seepage rate without 2-D and 3-D numerical analyses.
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문제 정의
본 연구에서는 국내의 대표적인 중심코어형 사력댐인 소양강댐을 대상으로 저수위, 코어죤의 포화 투수 계수 및 불포화 수리특성의 변화에 따른 정상상태 침투류 해석을 실시하여 중심코어형 사력댐 코어죤의 침투량 예측기법을 제시하였다. 그리고 비정상 침투류 해석으로 저수위와 코어죤의 포화투수계수 및 불포화 수리 특성이 정상상태 침투수량에 도달하는 시간에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 중심코어형 사력댐의 침투량 예측기법을 제시하기 위해 국내의 대표적인 중심코어형 사력댐인 소양강댐을 대상으로 2차원 정상상태 및 비정상상태 침투류해석을 실시하여 저수위, 포화투수계수, 불포화 수리 특성 변화에 대한 정상상태 침투량과 정상 상태 도달 시간에 미치는 영향요인을 분석하였다. 기초부를 통한 침투량은 본 연구에서 고려하지 않았다.
가설 설정
25일 간격으로 해석을 수행하였다. 또한, 전체 해석조건에서 저수위는 담수에 의해 목표수위에 도달한 후일 정하게 유지되는 것으로 가정하여 해석하였다.
제안 방법
0m, EL. 150.0m (저수위), T-3에서는 예측변수 a를 25, 83, 100, T-4에서는 예측변수 n을 0.4, 0.768, 2.4, T-5에서는 예측변수 m 을 1.0, 1.7, 3.0로 변화시켜 해석하였고, 해석에 적용한 시간 간격(Time step)은 목표 저수위에 도달한 후부터 91.25일 간격으로 해석을 수행하였다. 또한, 전체 해석조건에서 저수위는 담수에 의해 목표수위에 도달한 후일 정하게 유지되는 것으로 가정하여 해석하였다.
제시하였다. 그리고 비정상 침투류 해석으로 저수위와 코어죤의 포화투수계수 및 불포화 수리 특성이 정상상태 침투수량에 도달하는 시간에 미치는 영향을 분석하였다. 연구결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
코어죤의 형상 포화투수계수 및 불포화 수리 특성이 정상상태 도달에 필요한 시간에 미치는 영향을 분석하기 위해 그림 11, 그림 13, 그림 15, 그림 17, 그림 19와 같이 비정상상태 침투량(g)을 정상상태 침투량(%) 으로 정규화하고, 식 (6)~(8)과 같이 시간(T)는 침투수가 코어죤의 저면폭을 따라서 완전 포화상태로 상류측에서 하류측까지 도달호}는데 필요한 시간(7;”)으로 정규화한 정규화 흐름시간(4)으로 나타내었다. 모든 해석에서 정규화 정상상태 침투수량(g/公)이 L0이 되는 시간을 정규화된 정상상태 도달시간(4, 으로 분석하였다.
소양강댐 코어죤에 대한 불포화 수리특성 실험은 수행되지 않았으므로 표 1과 같이 조성은(2005)이 소양강댐 코어죤에 대해 추정한 함수특성곡선 예측변수를 적용하였다. 그림 5는 예측된 함수특성곡선을 기준으로 Fredlund 등(1994)의 모델의 변수들을 각각 변화시켰을 때의 함수특성곡선의 모양과 이로부터 식 (4)를 이용하여 예측한 투수계수 곡선을 나타낸다.
6xl(y7m/s으로 변화시켜 해석하였다. 이때 불포화 수리 특성의 변화는 고려하지 않았다 해석조건 S-2에서는 불포화 수리특성의 변화가 침투수량의 변화에 미치는 영향을 검토하기 위해 코어죤의 포화투수계수를 4.6><10%伪 하고, 표 1의 불포화 수리특성을 기준으로 하여 각각의 예측변수의 변화에 따른 함수특성곡선과 투수 계수 곡선의 변화를 고려하여 해석하였다. 저수위는 해석조건 S-1 과 S-2에서 EL.
저수위와 불포화 수리특성의 변화에 따른 소양강댐 코어죤을 통한 정상상태 침투량을 산정하기 위해 그림 1의 해석단면에 대해 표 2와 같이 2가지 해석조건으로 정상상태 침투류 해석을 실시하였다. 정상 상태에서는 유입량과 유출량이 같기 때문에 함수특성곡선은 필요하지 않지만, 해석의 일관성을 위해 그림 5와 같이 Fredlund 등(1994)의 함수특성곡선으로부터 예측된 투수 계수 곡선을 적용하여 함수특성의 영향을 고려하였다.
저수위와 코어죤의 포화투수계수(/膈J 및 불포화 수리 특성(a, n, m)이 정상 침투조건에 도달하는데 걸리는 시간에 미치는 영향을 분석하기 위해 표 3과 같이 5가지 조건으로 비정상 침투류해석을 실시하였다. 비정상상태 해석에서는 유입량과 유출량의 차이만큼 물이 흙에 저장되므로 물이 흙을 통해 얼마나 빨리 흐를 수 있는 지를 나타내는 투수계수와 함께 얼마만큼의 물을 저장할 수 있는지를 나타내는 함수특성곡선이 입력자료로서 필요하다.
정상 상태에서는 유입량과 유출량이 같기 때문에 함수특성곡선은 필요하지 않지만, 해석의 일관성을 위해 그림 5와 같이 Fredlund 등(1994)의 함수특성곡선으로부터 예측된 투수 계수 곡선을 적용하여 함수특성의 영향을 고려하였다.
표 2의 해석조건으로 정상상태 침투류해석에 의해 저수위 변화와 불포화 수리특성 변화에 따른 단위폭당 침투량의 변화를 분석하였다. 그림 6은 해석조건 S-1의 정상 상태 침투량 해석결과이다.
그림 5는 예측된 함수특성곡선을 기준으로 Fredlund 등(1994)의 모델의 변수들을 각각 변화시켰을 때의 함수특성곡선의 모양과 이로부터 식 (4)를 이용하여 예측한 투수계수 곡선을 나타낸다. 함수특성과 투수 계수의 변화는 불포화 영역을 통한 수분의 이동에 중요한 영향을 미치므로 이들 특성의 변화에 따른 정상 상태 침투 수량과 정상상태 침투수량에 도달하는 시간에 대한 영향을 분석하였다.
대상 데이터
93m를 나타내었지만 이는 저수지가 만수되기 이전이고, 1981년만 수위에 도달한 이후의 최저수위는 2008년 6월 15일에 EL. 154.99m를 기록하였다.
본 연구의 해석대상으로 중심코어형 사력댐인 소양강댐의 최대횡단면을 선정하였다. 코어죤의 외측에 배치되는 필터죤과 록죤의 투수계수는 코아쵼보다 매우 크기 때문에 침투량의 해석에 대해서는 그 존재를 무시할 수 있고(Sakamoto, 1998), 불포화영역에서 흐름에도 기여하는 바가 거의 없어서(조성은, 2005) 필터죤과 록죤은 침투류해석에서 제외하였다.
이론/모형
Seep/W는 Wong & Dumcan(1984)이 개발하여 Krahn 등(1987)에 의해 계승 발전되었으며 유한요소법을 적용한 본 프로그램은 정상류 상태와 비정상류의 해석뿐만 아니라 포화토 및 불포화토의 침투류 해석, 2차원 및 축 대칭 문제, 피압 대수층에서의 흐름 문제, 그리고 비등방성 투수층에 대한 침투류 해석이 가능하다.
본 연구에서는 김윤기(2003)와 조성은(2005)에 의해 국내 화강풍화토 및 중심코어형 사력댐 코어죤의 불포화 투수계수의 변화를 가장 잘 표현하는 것으로 분석된 식 (4)와 같은 Fedlund 등(1994)의 불포화 투수계수 곡선식을 적용하여 코어죤의 불포화 투수계수 변화를 유추하였다.
비정상상태 해석에서는 유입량과 유출량의 차이만큼 물이 흙에 저장되므로 물이 흙을 통해 얼마나 빨리 흐를 수 있는 지를 나타내는 투수계수와 함께 얼마만큼의 물을 저장할 수 있는지를 나타내는 함수특성곡선이 입력자료로서 필요하다. 불포화 흐름을 고려하기 위해 정상상태 해석조건에서와 깉p] Fredlund 등(1994)의 함수 특성 곡선식으로부터 예측된 투수계수 곡선(그림 5)을 이용하여 함수 특성의 영향을 고려하였다.
성능/효과
(1) 정상상태 침투량을 저수위 및 코어죤의 기하 형상과 포화투수계수에 대해 정규화한 결과, 선형 관계식으로 표현 할 수 있었으며, 이 관계식의 변수는 Fredlund 등(1994)의 예측변수에 따라 변화하며, 불포화 예측변수 n이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
(2) 정규화 정상상태 도달시간은 포화투수계수와 저수위에 의한 변동폭은 상대적으로 작은 것으로 분석되었고, 불포화 예측변수 a와 n이 증가하면서 정상 상태 도달시간은 감소하고, 예측변수 m이 증가하면서 정규화 정상상태 도달시간도 같이 증가하는 경향을 나타내었다.
(3) 정상상태 침투수량 관계식과 마찬가지로 포화 투수 계수 저수위 및 불포화 예측변수 중에서 n값이 정규화 정상상태 도달시간에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 나타나 n 값에 대한 중요도가 높은 것을 알 수 있었다.
불포화 수리특성 예측변수 a와 n의 값이 증가하면서 정규화 정상상태 도달시간(4扌)은 그림 15와 그림 16, 그림 17과 그림 1&과 같이 각각 42.24 ~ 16.44, 103.24- 5.61 로 감소되었으며, 예측변수 me 값이 증가하면서 정상 상태 도달시간(7打)는 그림 19와 그림 20과 같이 5.61 ~ 32.96으로 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 예측변수 a는 값이 클수록 모관포화영 역이 증가하여 침투량이 많아지기 때문이며, 예측변수 ne 흙의 간극 크기분포와 관련이 있고 n의 값이 증가하면 a 값은 고정되어 곡선의 변곡점 위치는 변화지 않은 상태에서 모관흡수력에 따른 함수비의 변화율이 커지므로 일정한 높이까지는 함수비가 증가하지만 그 이상의 높이에서는 함수비가 오히려 감소하며 투수계수도 같은 경향을 나타내기 때문이다.
이상의 결과로부터 불포화 예측변수 a, n, 이중에서 n값이 침투량의 변화에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났지만, n=0.4인 경우를 제외하면 변동의 폭은 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
포화투수계수, 저수위 및 불포화 수리특성 예측변수 (a, n, m)중에서 정규화된 정상상태 도달시간(7»)에 미치는 영향이 가장 큰 것은 예측변수 n인 것으로 확인되었다.
후속연구
본 연구에서 제시한 침투수량 관계식은 복잡한 3차원 해석 및 여러 단면에 대한 2차원 해석을 수행하지 않고도 손쉽게 침투량을 산정할 수 있으므로 댐 설계 및 안전관리 실무자가 침투량의 예측 및 실측치와의 정량적 분석에 손쉽게 이용할 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 침투 수량 관계식의 변수들은 코어죤의 불포화 투수 계수 곡선과 함수비특성곡선에 영향을 받으므로 대상댐 코어죤의 불포화 수리특성에 대한 합리적 인 평가가 필요하다.
참고문헌 (22)
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