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문제 정의
- 최근에 건설중인 국내 댐의 경우 ELCM 공법으로 축조되는 사례가 많은 만큼 그 활용성이 기대된다. 더불어 우리 현장은 시공을 하면서 예상치 못했던 기후적인 문제와 장비 및 콘크리트 생산설비의 오작동 등을 충분히 발생할 수 있는 상황에 대해 신속히 대처할 수 있도록 대처방안을 매뉴얼로 작성해 현장 품질확보를 위해 노력하였다. 현재 RCD 공법의 품질관리는 일본 시공사례를 바탕으로 관리되고 있지만 한탄강댐만의 시공 및 품질의 기술개발과 피드백을 통해 기술력을 축적한다면 국내 여건에 맞는 RCD 공법 가이드라인을 새롭게 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.
- 임진강 유역은 수자원개발의 잠재력이 매우 큰 지역이나 수도권이 인접한 유역이면서 지리적, 군사적 특성으로 인해 유역현황 및 수자원에 대한 조사와 개발이 낙후되어 있으며, 유역내 홍수조절을 위한 댐이 전무하고 국지성 집중 호우에 의한 하천의 소통능력이 부족하여 임진강 중․하류지역에 홍수피해가 반복하여 발생하고 있는 실정이다. 이에 따라 임진강 유역의 수해방지 종합대책으로 한탄강 홍수조절댐을 건설하여 홍수에 대한 피해를 방지하고자 한다<;그림 1>.
제안 방법
- 배합적 특징을 살펴보면 RCD 콘크리트는 가능한 한 발열이 적은 중용열 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 그 일부를 플라이 애쉬로 치환하여 배합설계 한다. RCD 콘크리트의 경우 아주 된 반죽의 콘크리트 이므로 일반적인 슬럼프 시험이 불가하므로 별도 제작된 VC(vibrating compaction) 측정기를 통하여 반죽질기를 측정하여 콘크리트 품질을 확인한다.
- 일본 기술의 국내 최초로 도입하는 과정에서 가장 문제가 발생되는 부분은 장비 수급의 문제였다. 대규모 기계화 시공의 장점을 가진 RCD 공법에 적용되는 장비중 도저를 제외하면 전부가 외산 장비로 이루어져 있어 이번 공사 이전에 장비를 확보하는데 주안점을 두고 계획하였다. 따라서 진동백호(vibration back hoe) 및 진동 줄눈 절단기는 한국항공대학교와 산학협력으로 개발하여 국산화하는데 성공하였으나 진동롤러 및 대구경인력 다짐기는 일본으로부터 수입하여 사용하였다.
- 또한 경기도 연천 및 포천 지역은 한랭지역으로 연간 타설 기간이 짧다는 점과 댐 길이가 690 m로 콘크리트 타설을 위한 고정 설비가 증가 할 수 있다는 점을 고려하였다. 댐축조 기간내 홍수기 상류 가물막이의 월류에 대한 제체 안전성 확보 및 대규모 축조에 필요한 기계화 시공을 통하여 공사비를 절감하고, 신기술 도입을 통한 기술 축척을 도모하고자 일본에서 적용하고 있는 RCD(roller compacted dam concrete) 공법을 국내 최초로 채택하였다.
- 따라서 RCD용으로 개발된 진동대식 소형 VC시험기를 이용하여 트래커빌리티(trafficability)와 진동롤러 다짐에 적합 한 반죽질기를 만족시킬 수 있는 VC값인 20 ± 10초를 관리목표치로 적용하였다.
- 한탄강 홍수조절댐은 RCD 공법을 국내 최초로 적용하였으나 현재 국내 시공실적 및 관련 품질기준이 미흡한 상태이며, 해외 선진국가의 기술 자료를 기초로 하여 작성된 RCD의 시공 및 품질관리를 위한 가이드 수준의 관리지침을 근거로 시공을 수행하고 있다. 따라서 외국의 자료로 계획된 한탄강 홍수조절댐 RCD 공법을 현장 적용에 앞서 RCD용 콘크리트 배합의 확인 및 시공기술 습득을 위한 현장 시공 시험을 실시하여 설계의 적정성을 도출하고, 실시 설계 내용을 검토한 후 현장 여건에 적합하도록 시공계획을 수정하여 수립하였다.
- 따라서 의 배합을 시방배합으로 결정하였으며, 시간의 경과에 따른 VC값의 측정 결과와 일본 유바리 슈바로댐 사례 및 문헌을 참고하여 콘크리트 펴고르기 이후 다짐 전까지 적정 VC값은 60초, 작업 한계시간은 230분으로 결정하였다.
- 골재는 굵은 골재와 잔골재 모두 한탄강댐 인근의 석산에서 채취하여 제조한 것으로 일본토목학회 콘크리트 표준시방서(댐편) 및 한국수자원공사 공사시방서(롤러다짐 콘크리트공)의 입도분포 규정을 적용하였으며, 굵은 골재는 3종류(20 mm, 40 mm, 80 mm)의 골재를 입도조건에 만족할 수 있도록 골재 크기별 혼합비율을 설정하여 사용하였다. 또한 수화열 저감, 장기강도 증가 및 워커빌리티 개선을 목적으로 시멘트량의 30%를 플라이 애쉬로 치환하여 사용하였으며, 댐 구조물의 동결융해 저항성 확보, 워커빌리티 개선 및 경시변화 저감을 위하여 폴리카르본산계의 공기연행 감수제를 사용하였다.
- 75 m 리프트 할 경우 1층의 두께를 250 mm로 박층포설하여 3층 포설 후 진동줄눈절단기로 소정의 위치에 횡줄눈을 설치하고, 진동롤러에 의해 다짐을 실시하는 공법이다. 배합적 특징을 살펴보면 RCD 콘크리트는 가능한 한 발열이 적은 중용열 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 그 일부를 플라이 애쉬로 치환하여 배합설계 한다. RCD 콘크리트의 경우 아주 된 반죽의 콘크리트 이므로 일반적인 슬럼프 시험이 불가하므로 별도 제작된 VC(vibrating compaction) 측정기를 통하여 반죽질기를 측정하여 콘크리트 품질을 확인한다.
- 댐축조에 사용 될 거푸집의 계획은 외부거푸집과 내부거푸집 (타설중지)으로 구분된다. 우선 외부 거푸집은 타설 횟수와 공사기간을 감안하여 거푸집의 변형이 생기지 않도록 내구성에 중점을 두어 강재를 사용하여 슬립 폼(slip form) 형태의 거푸집으로 제작하여 사용 중이며 본댐 적용 이전에 상류가 물막이댐에 우선적으로 적용하여 댐 거푸집의 문제점 및 운영 노하우를 습득 이후 본댐 거푸집으로 적용하였다. 또한 타설중지 거푸집은 당초 매립식 거푸집 형태로 설계되어 있었으나 이동식 거푸집을 개발하여 설치와 해체가 편리한 형태로 운영하고 있으며 매립식 타설중지 거푸집의 경우 일본에서 사용하는 거푸집보다 중량을 30% 이상 줄임으로써 작업능률이 확대되었으며 더불어 경제적 이득을 이룰 수 있었다.
- 따라서 일본의 문헌고찰 및 전문가 자문을 통하여 RCD 공법을 이해하고 참여 기술자로 하여금 일본댐 현장 방문을 통해 직․간접적으로 기술습득에 많은 노력을 기울였다. 이를 바탕으로 RCD 공법의 현장적용 이전 7차례의 시험시공을 통하여 중요 기술을 습득해 우리 공사에 적용하도록 하였다.
- 일본댐의 시공실적을 바탕으로 단위수량 5종류, 잔골재율 5종류를 조합해 총 10가지의 콘크리트 배합을 실시하여 물-시멘트비 75.6 ∼ 79.7%, 잔골재율 34%로 설정하였다.
- 콘크리트의 배합강도는 수치해석을 통해 안정성이 확보된 본 댐부에 대한 FEM 응력해석을 실시한 후 제체 내에서 발생하는 응력이 허용응력내에 있는가를 확인하여 12 MPa을 적용하였으며, 굵은 골재 최대치수는 재료분리 발생 및 시공성을 감안하여 일반적으로 사용되는 80 mm를 적용하였다. RCD용 콘크리트는 슬럼프가 0인 빈배합 콘크리트이므로 일반적인 슬럼프 테스트가 아닌 진동대 다짐(VC)시험에 의하여 반죽질기를 측정하여 적용한다.
- 한탄강 홍수조절댐은 축조되는 지형 및 지질 조건, 재료원, 안정성, 여수로 설치 조건, 친환경 조건, 경제성을 고려하여 중력식 콘크리트 댐으로 결정 하였으며, 타설 공법으로 레이어(layer) 공법을 채택하였다<;그림 2>. 또한 경기도 연천 및 포천 지역은 한랭지역으로 연간 타설 기간이 짧다는 점과 댐 길이가 690 m로 콘크리트 타설을 위한 고정 설비가 증가 할 수 있다는 점을 고려하였다.
대상 데이터
- 시멘트는 RCD용 콘크리트에서 가장 많이 사용되는 국내산 2종(중용열) 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 골재는 굵은 골재와 잔골재 모두 한탄강댐 인근의 석산에서 채취하여 제조한 것으로 일본토목학회 콘크리트 표준시방서(댐편) 및 한국수자원공사 공사시방서(롤러다짐 콘크리트공)의 입도분포 규정을 적용하였으며, 굵은 골재는 3종류(20 mm, 40 mm, 80 mm)의 골재를 입도조건에 만족할 수 있도록 골재 크기별 혼합비율을 설정하여 사용하였다. 또한 수화열 저감, 장기강도 증가 및 워커빌리티 개선을 목적으로 시멘트량의 30%를 플라이 애쉬로 치환하여 사용하였으며, 댐 구조물의 동결융해 저항성 확보, 워커빌리티 개선 및 경시변화 저감을 위하여 폴리카르본산계의 공기연행 감수제를 사용하였다.
- 당 현장에서 채집된 원석을 골재로 생산하여 2009년 7월부터 12월까지 건국대학교와 산학협력으로 RCD용 내․외부 콘크리트의 배합설계를 실시하였다. 배합설계를 거쳐 선정된 시방배합은 시공성에 영향이 가장 큰 단위수량과 잔골재율을 변화시켜 최적의 배합을 확인하였으며, 선정된 배합을 시험시공을 통하여 6차례 현장 시험 시공한 결과를 바탕으로 RCD 공법의 주요 기술을 습득할 수 있었다.
- 시멘트는 RCD용 콘크리트에서 가장 많이 사용되는 국내산 2종(중용열) 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 골재는 굵은 골재와 잔골재 모두 한탄강댐 인근의 석산에서 채취하여 제조한 것으로 일본토목학회 콘크리트 표준시방서(댐편) 및 한국수자원공사 공사시방서(롤러다짐 콘크리트공)의 입도분포 규정을 적용하였으며, 굵은 골재는 3종류(20 mm, 40 mm, 80 mm)의 골재를 입도조건에 만족할 수 있도록 골재 크기별 혼합비율을 설정하여 사용하였다.
- 우리 현장에서 실시하였던 시험 시공은 일본 수자원기구의 댐 기술감(명장, 야마구치)을 초청하여 현장에서 자문을 받으면서 진행하였다<;사진 1>. 이러한 노력의 결과로 2011년 4월 27일본댐 우안에서 RCD의 첫 타설을 시작하여 현재 11.
- 한탄강 홍수조절댐은 중력식 콘크리트 댐의 형식으로 최대 저수용량 2.7억m3 규모이며, 댐의 축조 높이는 83.5 m, 길이 690 m, 전체 축조량 70만m3으로 공사기간은 2007년 2월부터 2014년 10월까지 총 81개월간에 걸쳐 건설되도록 계획하였다<;표 1>.
성능/효과
- 설정된 잔골재 율인 34%를 고정하고, 단위수량을 5 kg/m3씩 변화시켜 VC값의 관리목표치인 20초가 되는 단위수량을 찾은 결과 94 kg/m3임을 알 수 있었다. 다시 단위수량을 94 kg/m3으로 고정하고 잔골재율을 2%씩 변화시켜 가장 다짐하기 쉬운 상태가 되는 최적 잔골재율을 확인하기 위해 VC값이 최소가 되는 양을 찾은 결과 32%임을 알 수 있었다. 단위수량과 VC값의 관계 및 잔골재율과 VC값의 관계는 <그림 4, 5>와 같다.
- 우선 외부 거푸집은 타설 횟수와 공사기간을 감안하여 거푸집의 변형이 생기지 않도록 내구성에 중점을 두어 강재를 사용하여 슬립 폼(slip form) 형태의 거푸집으로 제작하여 사용 중이며 본댐 적용 이전에 상류가 물막이댐에 우선적으로 적용하여 댐 거푸집의 문제점 및 운영 노하우를 습득 이후 본댐 거푸집으로 적용하였다. 또한 타설중지 거푸집은 당초 매립식 거푸집 형태로 설계되어 있었으나 이동식 거푸집을 개발하여 설치와 해체가 편리한 형태로 운영하고 있으며 매립식 타설중지 거푸집의 경우 일본에서 사용하는 거푸집보다 중량을 30% 이상 줄임으로써 작업능률이 확대되었으며 더불어 경제적 이득을 이룰 수 있었다.
- 외부 콘크리트의 배합설계를 실시하였다. 배합설계를 거쳐 선정된 시방배합은 시공성에 영향이 가장 큰 단위수량과 잔골재율을 변화시켜 최적의 배합을 확인하였으며, 선정된 배합을 시험시공을 통하여 6차례 현장 시험 시공한 결과를 바탕으로 RCD 공법의 주요 기술을 습득할 수 있었다. 또한 국내 기술자들의 일본의 키도댐, 기리바루댐, 유니시가와댐, 유바리슈바루댐 등의 현장 방문을 통해 RCD 공법을 이해하는데 많은 노력을 기울였다<그림 3>.
- 배합시험 결과 단위수량 94 kg/m3, 잔골재율 32%일때 최적인 것으로 밝혀졌으며, 이를 시험한 결과 과 같이 시험항목의 목표치를 모두 만족했음을 알 수 있다.
- 7%, 잔골재율 34%로 설정하였다. 설정된 잔골재 율인 34%를 고정하고, 단위수량을 5 kg/m3씩 변화시켜 VC값의 관리목표치인 20초가 되는 단위수량을 찾은 결과 94 kg/m3임을 알 수 있었다. 다시 단위수량을 94 kg/m3으로 고정하고 잔골재율을 2%씩 변화시켜 가장 다짐하기 쉬운 상태가 되는 최적 잔골재율을 확인하기 위해 VC값이 최소가 되는 양을 찾은 결과 32%임을 알 수 있었다.
후속연구
- 우리 현장에서 실시하였던 시험 시공은 일본 수자원기구의 댐 기술감(명장, 야마구치)을 초청하여 현장에서 자문을 받으면서 진행하였다<사진 1>. 이러한 노력의 결과로 2011년 4월 27일본댐 우안에서 RCD의 첫 타설을 시작하여 현재 11.5천m3을 타설하였고 본댐 축조물량 742천m3 중 319천m3을 RCD 공법으로 시행할 계획에 있다. 평균적으로 축조물량 1,000 m3을 12시간에 걸쳐 작업을 실시하므로 시간당 80 ∼ 90 m3의 타설 속도로 원활히 추진하고 있다.
- 더불어 우리 현장은 시공을 하면서 예상치 못했던 기후적인 문제와 장비 및 콘크리트 생산설비의 오작동 등을 충분히 발생할 수 있는 상황에 대해 신속히 대처할 수 있도록 대처방안을 매뉴얼로 작성해 현장 품질확보를 위해 노력하였다. 현재 RCD 공법의 품질관리는 일본 시공사례를 바탕으로 관리되고 있지만 한탄강댐만의 시공 및 품질의 기술개발과 피드백을 통해 기술력을 축적한다면 국내 여건에 맞는 RCD 공법 가이드라인을 새롭게 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.
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