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문제 정의
- 본 연구는 필댐의 차수 기능을 담당하는 댐의 가장 중요한 부위인 코어죤의 물성과 거동에 대해 다음과 같은 관점에서 고찰하였다. 실제 필댐 코어죤의 해체 조사를 통하여 그간 불가능했던 시추 및 시료채취 등의 직접적인 방법으로 댐 건설 후 코어죤이 어떠한 상태로 존재하는지와 Aging에의한 시간적 변화를 규명하고자 하였고, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 금회 조사시 주상도를 김종태 등(2009)의 필댐 제체 재료의 현장 전단파 속도 주상도 D/B 및 하익수등(2008)의 타댐 사례와 비교하여, 현장 상태의 실제 코어죤의 전단파 속도 주상도 특성을 파악하고자 하였다. 그림 8과 같이 금회 조사결과는 D/B의 하한값에서 시작하여 심도가 깊어짐에 따라 D/B의 평균값에 접근하는 경향을 보인다.
- 본 연구에서는 부댐 해체 조사시 실시된 코어죤의 심도별 조사 및 실험 자료를 건설 당시 물성와 비교하여 코어 재료의 시간적 변화와 재료의 심도별 변화를 살펴보았다.
- 본 Aging 실험의 시료는 건설당시 조건으로 재성형되었기 때문에 실험초기에는 30년전 건설당시의 재료 상태를 나타낼 것이며, 시간에 따라 점차 증가하여 현재의 재료 상태인 불교란 시료에 대한 공진주 실험결과 및 현장 탄성파 탐사결과에 근접할 것으로 예상하였다. 본 절에서는 Aging 실험에서 나타난 시간에 따른 동적물성의 변화 특성을 분석하고, 현장 탄성파 탐사 및 불교란 시료에 대한 공진주 실험결과와 비교하여 댐 코어 재료의 동적물성 Aging 특성을 파악하였다.
- 본 연구는 필댐의 차수 기능을 담당하는 댐의 가장 중요한 부위인 코어죤의 물성과 거동에 대해 다음과 같은 관점에서 고찰하였다. 실제 필댐 코어죤의 해체 조사를 통하여 그간 불가능했던 시추 및 시료채취 등의 직접적인 방법으로 댐 건설 후 코어죤이 어떠한 상태로 존재하는지와 Aging에의한 시간적 변화를 규명하고자 하였고, 그 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- 이 중 재료원 조사 보고서에는 건설당시 축조 재료의 일반적인 토성시험 및 다짐시료에 대한 역학실험 자료를 포함하고 있었으며, 본 연구에서는 재료원 조사 보고서에 기술된 코어 재료의 물성을 건설 당시 재료의 물성으로 가정하였고, 조사 보고서의 시료별 물성값의 평균을 금회 조사결과와 비교하였다.
제안 방법
- Aging 실험시 동일 구속압에서 장기간 진행되므로 시료가 건조될 우려가 있기 때문에 시험 시편이 수조(Fluid bath)에담겨져, 물을 통하여 구속압이 전달되는 구조로 시험이 수행되었다. 실험 전후의 함수비를 측정한 결과 평균적으로 최초 22.
- 건설 당시 동적물성에 관한 실험을 수행하지 않았기 때문에 동적물성의 시간변화를 파악할 수는 없었으나, 동일한 시료에 대하여 장기간 구속압을 재하한 상태에서 시간에 따라 공진주실험을 수행하여 시간에 따른 코어 재료의 전단탄성계수 변화를 살펴보았다. 공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 별도의 실험을 실시하였다.
- 건설당시와 금회 조사시의 투수 시험결과는 표 3과 같으며, 시험방법은 두 경우 모두 투수성이 적은 흙에 적용되는 변수위 투수시험법을 사용하였다. 건설당시는 토취장 재료를 최적함수비로 다진 시료를 사용하였고, 금회 조사시에는 심도별로 채취한 불교란 시료를 사용하였다.
- 공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 각각 3개의 시편를 성형하여, 각 구속압 단계에 대하여 각 시료를 사용하여 실험을 실시하였다. 한 구속압을 적용시킨 상태에서 초기 2일 이내에서는 1~4시간 간격으로 공진주 시험을 수행하여 동적물성을 측정하였고, 변화율이 감소할 경우 측정 빈도를 줄였으며, 증가율이 수렴할 때 실험을 완료하였다.
- 건설 당시 동적물성에 관한 실험을 수행하지 않았기 때문에 동적물성의 시간변화를 파악할 수는 없었으나, 동일한 시료에 대하여 장기간 구속압을 재하한 상태에서 시간에 따라 공진주실험을 수행하여 시간에 따른 코어 재료의 전단탄성계수 변화를 살펴보았다. 공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 별도의 실험을 실시하였다. 시료는 부댐 조사시 불교란 시료가 채취된 동일한 위치에서 채취하여 표 8와 같이 건설 당시 시방조건과 같은 건조단위 중량과 함수비로 성형하였다.
- 댐 코어죤의 다짐 상태 및 현장 함수비를 측정하기 위해 댐 해체 과정에서 댐축을 따라 10개소, 4개의 심도(2m, 7m, 11m, 15m)에서 들밀도시험을 실시하였으며, 댐 중앙부의 시추공에서 밀도 검층을 수행하여 제체의 밀도를 파악하였다. 들밀도시험 결과 습윤단위중량은 1.
- 본 연구에서는 위의 조사 항목 중 정적 물성 특성과 관련하여 현장 실험인 들밀도 시험과 실내 실험인 토성 및 삼축시험, 투수 및 압밀시험 결과를 활용하였다. 동적 물성 분석을 위해 현장실험인 크로스홀 및 다운홀 등의 탄성파 탐사와 표준관입시험 결과를 활용하였고, 실내실험으로는 공진주 실험결과를 사용하였다.
- 본 연구에서는 우선, 부댐의 건설과정과 건설 당시의 설계및 시공 자료에 대해 기술함과 동시에 건설 당시의 정적 물성으로 볼 수 있는 자료를 확보하여, 이를 금회 댐 해체 조사에서 획득된 결과와 비교·분석하고, 현재 코어 재료의 건전도 평가를 실시하였다. 동적 물성의 경우, 크로스홀, 다운홀 등 탄성파 탐사결과 및 공진주 실험결과를 활용하여 댐코어의 심도별 전단파 속도 특성 및 동적 물성의 비선형 특성을 확인하였으며, 본 조사에서 나타난 코어의 동적 물성을 기존 연구결과와 비교하였다. 또한, 건설 당시 다짐조건으로 재성형된 시료에 대한 시간에 따른 공진주 실험을 반복 수행하여 동적물성치의 Aging 효과를 파악하였다.
- 동적 물성의 경우, 크로스홀, 다운홀 등 탄성파 탐사결과 및 공진주 실험결과를 활용하여 댐코어의 심도별 전단파 속도 특성 및 동적 물성의 비선형 특성을 확인하였으며, 본 조사에서 나타난 코어의 동적 물성을 기존 연구결과와 비교하였다. 또한, 건설 당시 다짐조건으로 재성형된 시료에 대한 시간에 따른 공진주 실험을 반복 수행하여 동적물성치의 Aging 효과를 파악하였다. 본 연구에서 확인된 코어 재료의 정적·동적물성 및 Aging 특성은 향후 댐 설계 및 안정성 분석에 활용될 경우 설계 및 분석의 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 크로스홀과 다운홀 실험을 실시한 댐 중앙부의 SPT-N치 평균값을 사용하여 전단파 속도를 추정하였으며, 여러가지 추정방법 중, 그림 7에 나타낸 3가지 추정식에 의한전단파 속도 주상도를 위의 탐사 기법별 주상도와 함께 나타내었다. 추정식에 의한 전단파 속도는 어느 정도 지층의 상태를 적절히 나타내고 있으나, 현장 실험결과에 비해 낮은 심도에서는 높은 값을 나타내고 깊은 심도에서는 낮은 값을 나타내는 경향이 있다.
- 본 연구에서는 우선, 부댐의 건설과정과 건설 당시의 설계및 시공 자료에 대해 기술함과 동시에 건설 당시의 정적 물성으로 볼 수 있는 자료를 확보하여, 이를 금회 댐 해체 조사에서 획득된 결과와 비교·분석하고, 현재 코어 재료의 건전도 평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 위의 조사 항목 중 정적 물성 특성과 관련하여 현장 실험인 들밀도 시험과 실내 실험인 토성 및 삼축시험, 투수 및 압밀시험 결과를 활용하였다. 동적 물성 분석을 위해 현장실험인 크로스홀 및 다운홀 등의 탄성파 탐사와 표준관입시험 결과를 활용하였고, 실내실험으로는 공진주 실험결과를 사용하였다.
- 기법별 전단파속도 측정 결과는 그림 7과 같고, 크로스홀과 다운홀은 거의 일치하는 경향을 보였으며, 지층의 변화 경향을 비교적 정확히 나타내고 있다. 본 연구에서는 크로스홀과 다운홀 실험 결과의 평균값을 코어죤의 대표 전단파 속도 주상도로 판단하여 이를 기존 연구결과와 비교하였다.
- 부댐 해체 전 현장 상태의 코어죤의 동적물성 파악을 위해 탄성파 탐사를 실시하였다. 탐사 방법으로 시추공을 통한 직접적인 방법인 다운홀 및 크로스홀 기법을 사용하였으며, 댐 정상 중앙부의 동일 위치에서 실시하였다.
- 제1부댐의 위치는 대청댐 좌안 3km 지점에 위치하며 그림 1과 같이 코어죤과 랜덤죤으로 구성된 균일형 흙댐이다. 부댐 해체 조사시 현장 및 실내실험은 댐축을 따라 심도별로 실시하였고, 실험항목 및 조사 위치는 표 1 및 그림 2와 같다.
- 5 토취장에서 채취된 16개의 시료에 대한 입도 분포 자료가 수록되어 있으며, 코어죤 재료는 통일분류법상 CL 또는 SC로 낮은 소성의 무기질 점토 또는 점토질 모래이다. 이 자료를 활용하여 건설 당시 재료의 입도분포 곡선 범위를 획득하였고, 이를 금회 부댐 해체 조사시 입도 분포 범위, USBR의 코어재료 입도분포 기준, 남강구 댐 자료와 비교하여 그림 3에 도시하였다. USBR(United States Bureau of Reclamation, 미개척국) 입도 분포 기준 및 남강 구 댐 자료는 ‘남강 구댐의 조사 및 활용 방안 연구(신동훈 등, 1998)’를 참조하였다.
- 부댐 해체 전 현장 상태의 코어죤의 동적물성 파악을 위해 탄성파 탐사를 실시하였다. 탐사 방법으로 시추공을 통한 직접적인 방법인 다운홀 및 크로스홀 기법을 사용하였으며, 댐 정상 중앙부의 동일 위치에서 실시하였다. 기법별 전단파속도 측정 결과는 그림 7과 같고, 크로스홀과 다운홀은 거의 일치하는 경향을 보였으며, 지층의 변화 경향을 비교적 정확히 나타내고 있다.
- 공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 각각 3개의 시편를 성형하여, 각 구속압 단계에 대하여 각 시료를 사용하여 실험을 실시하였다. 한 구속압을 적용시킨 상태에서 초기 2일 이내에서는 1~4시간 간격으로 공진주 시험을 수행하여 동적물성을 측정하였고, 변화율이 감소할 경우 측정 빈도를 줄였으며, 증가율이 수렴할 때 실험을 완료하였다. 다음 구속압을 위한시험은 시료교체 후 동일하게 진행하였다.
대상 데이터
- 건설당시와 금회 조사시의 투수 시험결과는 표 3과 같으며, 시험방법은 두 경우 모두 투수성이 적은 흙에 적용되는 변수위 투수시험법을 사용하였다. 건설당시는 토취장 재료를 최적함수비로 다진 시료를 사용하였고, 금회 조사시에는 심도별로 채취한 불교란 시료를 사용하였다. 건설당시에 비해 투수계수가 평균적으로 19배 증가하였으며, 깊이에 따른 투수계수 변화는 깊이에 따라 구속압이 증가하여 감소하는 경향을 보인다.
- 대청댐 건설당시의 설계 및 시공 자료 조사결과, 설계자료로는 ‘대청댐공사 재료원 조사 보고서(산업기지개발공사등, 1974)’와 ‘대청다목적댐 실시설계 보고서(산업기지개발공사 등, 1974)’를 참조하였고, 시공자료로는 건설 완료시 발간되는 공사 기록의 성격을 갖는 ‘대청다목적댐 공사지(산업기지개발공사, 1981)’를 참조하였다.
- 이러한 인자들은 동적해석에 있어서 중요한 요소이며 공진주 실험(Resonant Column Test)을 통해서 파악할 수 있다. 댐축 좌안, 중앙, 우안부에서 심도별로 불교란 시료를 채취하여 공진주 실험을 수행하였으며, 전단탄성계수감소 곡선과 감쇠비 곡선 등을 획득하였다.
- 공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 별도의 실험을 실시하였다. 시료는 부댐 조사시 불교란 시료가 채취된 동일한 위치에서 채취하여 표 8와 같이 건설 당시 시방조건과 같은 건조단위 중량과 함수비로 성형하였다. 본 Aging 실험의 시료는 건설당시 조건으로 재성형되었기 때문에 실험초기에는 30년전 건설당시의 재료 상태를 나타낼 것이며, 시간에 따라 점차 증가하여 현재의 재료 상태인 불교란 시료에 대한 공진주 실험결과 및 현장 탄성파 탐사결과에 근접할 것으로 예상하였다.
- 다음 구속압을 위한시험은 시료교체 후 동일하게 진행하였다. 시료는 부댐 조사시 불교란 시료가 채취된 동일한 위치에서 채취하여, 표8의 조건으로 건설당시 시방조건과 같은 건조단위 중량과 함수비로 성형하였다.
- 1 Saddle Dam)은 대청댐 비상여수로 건설공사 시행으로 비상여수로 시설부지와 중복되어 불가피하게 철거하게 되었고, 대청 제1부댐이 해체되기 전, 제체 재료 및 구조에 대한 물리역학적 특성을 조사하여 필댐의 거동과 관련된 자료를 확보함으로써, 향후 신규 댐 등의 설계시공 및 유지관리에 활용하고자 부댐의 해체 조사가 실시되었다. 제1부댐의 위치는 대청댐 좌안 3km 지점에 위치하며 그림 1과 같이 코어죤과 랜덤죤으로 구성된 균일형 흙댐이다. 부댐 해체 조사시 현장 및 실내실험은 댐축을 따라 심도별로 실시하였고, 실험항목 및 조사 위치는 표 1 및 그림 2와 같다.
이론/모형
- USBR(United States Bureau of Reclamation, 미개척국) 입도 분포 기준 및 남강 구 댐 자료는 ‘남강 구댐의 조사 및 활용 방안 연구(신동훈 등, 1998)’를 참조하였다.
성능/효과
- 1. 코어 재료의 입도분포, 액소성 한계 등의 토성은 건설당시재료원 조사 결과에 비해 큰 변화가 없으며, 설계 기준 및 타댐 사례와도 비교적 일치하였다. 이는 본 댐 코어재료의 물성이 실제 운영 중인 타 댐의 물성과 유사하다는 것을 의미하며 국내 댐 코어 재료의 특성을 대표한다고 볼 수 있다.
- 2. 본 연구의 댐 코어 재료의 전단파 속도는 일반적으로 많이 사용되는 Sawada 추정식의 하한치 부근에 분포하며, 타 댐의 코어죤 조사에 의한 D/B도 이와 유사한 경향을 나타낸다. 따라서 Sawada 추정식을 국내 댐에 적용할 경우 이러한 경향을 고려할 필요가 있다.
- 3. 비선형 동적 변형특성의 경우 D/B와 비교시 평균값을 상회하는 경향을 보였으며, 이는NP(non-plastic) 시료가 많은 D/B에 비해 부댐 코어의 소성지수가 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 4. 실내실험을 통하여 동적물성(전단파 속도, 최대전단탄성계수)의 Aging 특성을 확인해 본 결과, Aging 초기(52시간~146시간)에 대부분의 Aging이 발생하였고, 이후 증가율이 수렴하였다. 로그스케일에서 선형적 증가패턴을 보이며 물성의 최종 수렴값은 현장실험값에 점차 접근하였으며, 추세분석에 의한 예측값의 경우 현장실험값과 4%~15%의 오차를 보였다.
- 심도 10m 이상의 댐 하부는 지하수위의 영향으로 함수비가 소성한계(PL)보다 높은 소성상태로 존재하나, 심도 10m 이하의 댐 상부의 경우 함수비가 소성한계(PL)보다 낮은 반고체 상태를 나타내고 있다. 건설당시 시방 기준인 최적함수비(22.8%)와 비교시 심도 13m 이상 댐 하부의 함수비는 댐 수위의 영향으로 크게 증가하였고, 심도 13m 이하 상부의 경우 오히려 약간 감소하였다. 표면부인 심도 4m 이하의 경우 강우 등 외부영향으로 함수비가 오히려 높게 나타나는 것으로 판단된다.
- 건설당시는 토취장 재료를 최적함수비로 다진 시료를 사용하였고, 금회 조사시에는 심도별로 채취한 불교란 시료를 사용하였다. 건설당시에 비해 투수계수가 평균적으로 19배 증가하였으며, 깊이에 따른 투수계수 변화는 깊이에 따라 구속압이 증가하여 감소하는 경향을 보인다.
- 공진주 실험결과는 현장 탄성파 탐사 결과와 비교할 때 상부에서는 현장값과 가까우나 깊을수록 차이가 커진다는 것을 알 수 있다. 이는 본 실험에서 사용된 부댐 시료의 구속압 영향계수가 낮고, 시료 채취과정의 교란 때문인 것으로 판단된다.
- 대청댐 비상여수로 건설 사업 시행으로 실제 운영되어온 대청 제1부댐을 해체함에 따라 댐의 가장 중요한 축조 죤인 코어죤에 대한 직접적인 조사 및 실험이 가능하여 30년간 운영되어온 ‘실제 살아있는 댐체’의 현재 상태를 분명하게 파악할 수 있었다.
- 댐설계기준(2005)과 비교하면 표 6과 같고, 금회 조사 시코어 재료의 토질분류는 CL, SC로 코어 재료로 적당하며, 세립분 함유량은 기준에 비해 많고, 입도분포는 기준을 다소 벗어나나 상당히 근접하고, PI값도 착암부 재료 기준에 근접하는 수치를 보인다. 댐 코어 재료에 대한 USBR의 기준은 표 7과 같으며, 본 연구의 부댐 코어는 기준보다 점토분이 많은 편이며, 투수계수는 기준 대비 적합하였다.
- 댐 코어죤의 다짐 상태 및 현장 함수비를 측정하기 위해 댐 해체 과정에서 댐축을 따라 10개소, 4개의 심도(2m, 7m, 11m, 15m)에서 들밀도시험을 실시하였으며, 댐 중앙부의 시추공에서 밀도 검층을 수행하여 제체의 밀도를 파악하였다. 들밀도시험 결과 습윤단위중량은 1.9t/m3 내외이며, 밀도검층 결과와 들밀도시험 결과는 코어층에서 그림 5에서와같이 1.9t/m3으로 거의 일정한 값으로 일치하였다. 또한, 심도 21m 이상에서 풍화암층으로 인해 밀도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다.
- 9t/m3으로 거의 일정한 값으로 일치하였다. 또한, 심도 21m 이상에서 풍화암층으로 인해 밀도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 심도별 다짐도의 경우 표 2와 같이 표층을 제외하면 98% 내외로 양호한 상태를 나타내어 OMC에서 OMC+1%일 경우 97%, OMC+1%에서 OMC+ 2%일 경우 95%로 규정된 건설당시 시방규정을 만족하고 있는 것으로 판단된다.
- 실내실험을 통하여 동적물성(전단파 속도, 최대전단탄성계수)의 Aging 특성을 확인해 본 결과, Aging 초기(52시간~146시간)에 대부분의 Aging이 발생하였고, 이후 증가율이 수렴하였다. 로그스케일에서 선형적 증가패턴을 보이며 물성의 최종 수렴값은 현장실험값에 점차 접근하였으며, 추세분석에 의한 예측값의 경우 현장실험값과 4%~15%의 오차를 보였다.
- 본 실험결과 NG 값은 6.5%~13.3%이며, 200kPa, 50kPa에서는 6%정도의 비슷한 양상을 나타내며, 100kPa의 경우13%로 다소 차이를 보인다. 따라서 Mesri(1990)의 연구와 같이 Aging 진행시, 구속압과 증가율은 특별한 관계가 없는 것으로 보이며, 대체로 Clay 범위(6%~19%)안에 속하고 토질 분류상 CL로 Clay 중 낮은 범주에 속한다.
- 본 절에서는 이세현 등(2009)에 의한 필댐 제체의 비선형동적변형 특성에 대한 D/B와 본 연구의 공진주 실험결과(정규화 전단탄성계수 감소 곡선)를 그림 11에 비교하였다. 본 연구 결과는 D/B의 구속압별 대표 곡선을 상회하는 경향을 보이는데, NP(Non-Plastic) 시료가 많은 D/B보다 금회 부댐시료의 PI(10.5%~22.1%)가 크기 때문인 것으로 판단되며PI가 큰 시료일수록 높은 값을 나타낸다. 감쇠비 곡선의 경우, 그림 12과 같고 D/B의 구속압별 대표곡선의 아래쪽에 분포하고, 이는 PI의 영향이 나타난 것으로 판단된다.
- Aging 실험시 동일 구속압에서 장기간 진행되므로 시료가 건조될 우려가 있기 때문에 시험 시편이 수조(Fluid bath)에담겨져, 물을 통하여 구속압이 전달되는 구조로 시험이 수행되었다. 실험 전후의 함수비를 측정한 결과 평균적으로 최초 22.6%~22.9%에서 종료시 21.1%~22.3%로 총 실험시간이 340시간임에도 함수비의 변화는 미미하였다.
- 실험결과를 통하여 전단탄성계수의 Aging 특성을 살펴보면 그림 13과 같이 실험 초기(52~146시간)에 15%~25%의Aging 효과가 나타나며, 이러한 초기 Aging은 구속압이 클수록 짧은 시간 내에 발생하였다. 초기 Aging 발생 후에는 증가율이 0.
- 또한, 추세분석에 의해 30년 후의 예측값을 산정하였으며, 실험 초기값은 건설당시 시방기준에 의해 성형된 시료의 실험값으로 건설당시의 값을 의미하고, 30년 후의 예측값은 부댐 건설후 30년이 경과된 현재 상태의 값이라고 볼 수 있다. 예측값과 금회 부댐 해체 조사 시의 현장 탄성파 탐사 결과 및 비교란 시료의 공진주 실험값을 비교하였고, 예측값은 현장 실험값과 비교시 4%~15% 정도의 오차를 나타내었다. 증가 기울기와 구속압과의 관계는 뚜렷하게 나타나지 않았다.
후속연구
- 본 연구에서 확인된 코어 재료의 정적·동적물성 및 Aging 특성은 향후 댐 설계 및 안정성 분석에 활용될 경우 설계 및 분석의 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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