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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 저수지 둑 높임시에 제체의 수위변화에 따른 붕괴원인을 분석하기 위하여 경사형과 수직형 제체 덧쌓기에 대한 대형실내모형 실험을 실시하고 홍수위시, 수위 급강하 시에 따른 침하 및 공극수압 등을 비교 분석하여 둑 높이기 전 ․ 후에 대한 제체의 안정성을 평가 하고자 한다.
- 본 연구에서는 저수지 둑 높임시에 제체의 수위변화에 따른 붕괴원인을 분석하기 위하여 제체 덧쌓기에 따른 대형실내모형 실험을 실시하고 홍수위시, 수위 급강하시에 따른 침하 ․ 공극 수압 등을 비교 ․ 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 제체 덧쌓기 전과 경사형 및 수직형 제체 덧쌓기의 모형은 1/20로 축소하여 제작하였다.
- 제체 덧쌓기 전 ․ 후의 모형 축조에 사용된 시료는 균질한 상태로 포설하기 위하여 12 mm 체를 통과한 시료만 사용하였다. 다짐은 최적 함수비로 조절하여 최대 건조밀도의 95 %로 층별 다짐을 실시하였다. 다짐시 밀도를 균일하게 하기 위하여 먼저 5 cm 가량 포설한 후 나무다짐봉으로 다짐을 한 후 밀도를 측정하여 확인하였다.
- 다짐은 최적 함수비로 조절하여 최대 건조밀도의 95 %로 층별 다짐을 실시하였다. 다짐시 밀도를 균일하게 하기 위하여 먼저 5 cm 가량 포설한 후 나무다짐봉으로 다짐을 한 후 밀도를 측정하여 확인하였다. 제체 덧쌓기시 성토의 건조밀도는 평균 1.
- 제체를 구성하는 성토재와 점토재 내부에 작용하는 공극수압을 측정하기 위해 각 지점에 따라 공극수압계 (Ⓟ)를 매설하였다. 공극수압계의 매설간격은 계측기를 중심으로 좌 ․ 우의 일정한 거리에 위치시켰고, 제체의 지점에 따른 매설깊이는 사면의 높이와 경사를 고려하여 공극수압 측정시 비교가 용이하도록 사면상단에서 10～30 cm 떨어진 지점 (P1: 10 cm, P2: 20 cm, P3: 30 cm, P4: 30 cm, P7: 20 cm) 에 매설하였다.
- 제체를 구성하는 성토재와 점토재 내부에 작용하는 공극수압을 측정하기 위해 각 지점에 따라 공극수압계 (Ⓟ)를 매설하였다. 공극수압계의 매설간격은 계측기를 중심으로 좌 ․ 우의 일정한 거리에 위치시켰고, 제체의 지점에 따른 매설깊이는 사면의 높이와 경사를 고려하여 공극수압 측정시 비교가 용이하도록 사면상단에서 10～30 cm 떨어진 지점 (P1: 10 cm, P2: 20 cm, P3: 30 cm, P4: 30 cm, P7: 20 cm) 에 매설하였다.
- 5 gf/cm2의 오차범위를 가졌다. 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였다. 공극수압은 상류측에 담수한 물이 제체내로 충분히 침투하여 정상 침투가 이루어졌다고 판단할 때까지 측정하였다.
- 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였다. 공극수압은 상류측에 담수한 물이 제체내로 충분히 침투하여 정상 침투가 이루어졌다고 판단할 때까지 측정하였다.
- 7은 수직형 제체 덧쌓기 후의 공극수압계 (Ⓟ)의 위치를 나타낸 것이다. 계측기별 매설간격 및 매설깊이는 제체 덧쌓기 전과 동일하며, 공극수압계는 수직형 코어의 중앙부에 (P5)를 매설하였고, 수직형 코어와 제체 덧쌓기 전의 접합부에 (P8)을 매설하여 수위변화에 따른 공극수압을 측정 하였다.
- 었다. 담수 후 상류의 침투수가 공극수압계의 매설위치까지 충분하게 도달하였다고 판단한 시간에서 공극수압을 측정하였다. 코어에서의 공극수압 (P4)은 대체로 0 gf/cm2 전후로 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하여 -1～-2 gf/cm2에서 안정화를 나타냈고, 코어에는 공극수가 침투되지 않는 것으로 판단된다.
- 제체 덧쌓기 전 ․ 후 제체의 상부에 침하계 (Ⓢ)를 매설 (LVDT)하여 침하량을 측정, 비교 분석 하였고 계측기는 모형 토조내 적용할 수 있는 초소형 크기의 공극수압계 (KYOWA 및 SSK社)를 사용하였다. 정격용량은 50 kPa로서 이력현상을 적용시킨 결과 0.
대상 데이터
- 실내대형모형 토조는 길이 (L) 126 cm,×폭 (W) 540 cm×높이 (H) 95 cm 로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였다.
- 제체 덧쌓기 전 ․ 후의 모형 축조에 사용된 시료는 균질한 상태로 포설하기 위하여 12 mm 체를 통과한 시료만 사용하였다. 다짐은 최적 함수비로 조절하여 최대 건조밀도의 95 %로 층별 다짐을 실시하였다.
- 제체 덧쌓기에 사용된 시료는 성토재와 코어재료로 공주시 〇〇저수지 토취장에서 채취하였다. 사용된 시료의 물리적 성질과 입도곡선은 Table 1 및 Fig.
성능/효과
- 실내대형모형 토조는 길이 (L) 126 cm,×폭 (W) 540 cm×높이 (H) 95 cm 로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였다. 토조 내부에는 실리콘 및 방수페인트로 처리하여 누수를 방지하였으며, 예비실험결과 물 공급 후 누수량이 거의 발생하지 않아 실험수행에 크게 영향이 없는 것으로 확인되었다.
- 다짐시 밀도를 균일하게 하기 위하여 먼저 5 cm 가량 포설한 후 나무다짐봉으로 다짐을 한 후 밀도를 측정하여 확인하였다. 제체 덧쌓기시 성토의 건조밀도는 평균 1.655 g/cm3로 나타났고, 코어의 건조밀도는 평균 1.585 g/cm3로 나타냈다.
- 코어에서의 공극수압 (P4)은 대체로 0 gf/cm2 전후로 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하여 -1～-2 gf/cm2에서 안정화를 나타냈고, 코어에는 공극수가 침투되지 않는 것으로 판단된다. 하류사면의 공극수압은 대체적으로 0 gf/cm2으로 일정하게 유지함에 따라 침투에 의한 누수의 영향은 없는 것으로 나타났다.
- 덧쌓기 전 코어에서의 공극수압 (P4)은 초기에 큰 변화를 나타내지 않았으나, 시간이 경과함에 따라 공극수압이 서서히 증가하였다. 덧쌓기 후의 코어에서의 공극수압 (P8)은 초기에 급격하게 증가하였고, 상류 수위가 일정하게 유지됨에 따라 점차적으로 일정하게 유지되었으나 높은 공극수압을 나타내었다. 이는 덧쌓기 전 (P4)과 덧쌓기 후의 공극수압 (P8)이 증가함에 따라 공극수가 코어내로 침투 된 것으로 판단된다.
- 전체적으로, 저수지 둑 높이기 설계시에 코어를 경사형으로 시공하였을 경우, 코어에서는 공극수가 침투되어 증가하였으나, 하류사면에서는 누수에 의한 침투현상이 나타나지 않아 안정한 것으로 판단된다.
- 담수 후 상류의 침투수가 공극수압계의 매설위치까지 충분하게 도달하였다고 판단한 시간에서 하류 중앙의 공극수압 (P2)은 초기에 부(－)의 공극수압을 나타내었으나 시간이 경과함에 따라 급격히 증가하여 2～3 gf/cm2의 범위로 일정하게 유지되었다. 하류 상부의 공극수압 (P3)은 부(－)의 공극수압을 나타내었으며 -2 gf/cm2에서 유지하였다.
- 전체적으로, 저수지 둑 높이기 설계시 코어를 수직형으로 시공하였을 경우 상류의 공극수가 코어에 빠르게 침투되어 경사형보다 수직형이 침투에 대하여 취약하다고 판단된다. 또한 하류사면에서도 침투에 의한 공극수압이 상승하는 것으로 보아 장기간의 거동시에는 누수량이 점차로 증가하여 하류사면의 파이핑을 유발할 가능성이 높은 것으로 판단된다.
- 전체적으로, 저수지 둑 높이기 설계시 코어를 수직형으로 시공하였을 경우 상류의 공극수가 코어에 빠르게 침투되어 경사형보다 수직형이 침투에 대하여 취약하다고 판단된다. 또한 하류사면에서도 침투에 의한 공극수압이 상승하는 것으로 보아 장기간의 거동시에는 누수량이 점차로 증가하여 하류사면의 파이핑을 유발할 가능성이 높은 것으로 판단된다.
- 13은 수직형에서 14 시간 경과 후에 15분 동안 수위 급강하시 공극수압 변화를 나타낸 것이다. 홍수위 (77 cm)에서 사수위로 수위 급강하 후 하부코어 (P4)와 상부코어 (P5) 및 접합부 코어 (P8)의 공극수압은 급격하게 감소하였고, 시간이 경과함에 따라 안정화되었다.
- 제체 덧쌓기 전에서 하류중앙 (P2)와 상부 (P3)는 대체적으로 0 gf/cm2 전후로 일정하게 나타났다. 하류사면에서 누수가 발생되지 않은 것으로 보아 수압의 영향이 없는 것으로 판단되며 기설 제체에 대하여 안전함을 나타내었다.
- 경사형 제체 덧쌓기 후에서 하류중앙의 공극수압 (P2)은 서서히 증가하여 2～3 gf/cm2에서 일정하게 유지되었고, 상부 (P3)의 공극수압은 0 gf/cm2에서 일정하게 유지하며 변화를 나타내지 않았다. 하류사면에서는 누수량이 측정되지 않았지만, 시간이 경과함에 따라 공극수압이 증가하는 것으로 나타났다.
- 1. 경사형 제체 덧쌓기 후의 공극수압 변화량은 상류측에서 초기에 급격하게 증가하였고, 점차적으로 일정하게 나타났다. 코어에서는 공극수가 침투되어 공극수압 변화량이 크게 증가하였고, 누수에 의한 침투현상은 나타나지 않아 안정한 것으로 판단된다.
- 2. 수직형 제체 덧쌓기 후 코어에서의 공극수압 변화량은 경사형보다 빠르게 공극수가 침투되어 큰 변화를 나타내었으며, 하류측에서는 침투에 의해 공극수압이 상승되어 불안정한 상태로 나타났다.
- 3. 수위 급강하 후 경사형은 코어내의 공극수압의 영향을 받지 않아 수위 급강하시에 일정하게 나타났다. 수직형은 코어내에 침투현상이 발생되어 공극수압의 변화가 있었고, 수위 급강하에 크게 감소되는 것으로 나타났다.
- 4. 제체 덧쌓기 전 ․ 후의 침하량은 시간이 경과함에 따라 점차적으로 감소하였고, 경사형 덧쌓기에서는 코어내로 공극수가 침투되어 포화되었기 때문에 덧쌓기 전보다 크게 나타났다.
- 5. 제체 덧쌓기 전, 경사형 및 수직형 제체 덧쌓기의 누수량 변화를 비교한 결과, 제체 덧쌓기 전과 경사형에서는 누수량이 발생하지 않았다. 수직형에서는 약 72시간 경과 후에 160 l의 누수량이 측정되어 경사형 덧쌓기 보다 침투에 취약함을 나타내었다.
후속연구
- 현재까지 저수지 둑 높이기 사업에 가장 많이 시공 되고 있는 제체 덧쌓기는 코어부분의 안정적인 연결을 위해 기설코어의 상부를 일부 굴착한 후 신설 코어를 축조하는 것으로 계획되어 있다. 이에 따라, 수위변화로 인한 침윤선의 변화와 신설되는 성토의 추가하중으로 인한 코어와 기존 성토재간의 부등 침하 발생 가능성, 코어에서의 침하량, 하류사면에서의 공극수압 변화 등을 고려하여 면밀히 검토해야 할 것으로 판단된다.
- 앞으로 농업용저수지 둑 높이기의 합리적인 유지관리 및 안정 관리를 위하여 공극수압 변화 등을 정확하게 측정할 수 있는 계측시스템을 구축하고, 모형실험 결과를 반영한 안정성 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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