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문제 정의
- 본 연구에서는 사면 보강재 형상에 따라 제체 월류 시 보강재 설치에 따른 붕괴형상 및 수위변화를 수리실험을 통한 분석으로 보강재의 붕괴지연효과를 정량적으로 검증하였다. 보강재 형상에 따른 붕괴시간 및 유출량 변화를 분석한 결과 L형이 붕괴 발달이 가장 완만한 경사로 진행되어 붕괴 이후에도 첨두유출량이 절반 수준으로 저감되었고 발생시간 또한 가장 늦게 나타나므로 가장 붕괴지연 효과가 큰 보강재 형상으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 흙댐 제체 붕괴지연 효과를 측정하기 위해 월류시 보강재 형상별 붕괴 실험을 수행하였다. 본 실험의 목적은 보강재설치에 따른 붕괴지연 효과를 알아보기 위한 것으로 보강재는 L형, T형, L*형 총 3가지 종류가 사용되었다.
- 하지만 월류 현상 발생시 제체의 침식과정에서 보강재의 붕괴지연 효과에 대한 연구는 크게 다뤄지지 않아 이에 대한 연구가 필요하다. 제체사면에 위치한 보강재는 주로 사면 토사의 급속한 침식현상을 완화하는 역할을 할 수 있으며, 본 연구에서는 수리실험을 통하여 이러한 보강재가 제체의 붕괴시 제체의 붕괴를 지연시키는 효과와 첨두홍수량의 감소에 대해 연구하였다. 저수지 설계빈도 초과 홍수량 발생에 따른 월류 발생상황에서 저수지 사면에 보강재 설치 시 이에 따른 붕괴지연효과를 보강재의 형상에 따라 분석한 결과 보강재는 형상과 배치방향에 따라 침식에 대한 효과가 크게 다르며 이러한 침식의 특성이 첨두유출량의 발생크기에 영향을 주는 것으로 분석되었다.
제안 방법
- 또한 초음파 수위계를 Fig. 1(c)와 같이 댐체 상류부, 마루부, 붕괴부에 총 3기를 설치하여 월류 발생시 시간변화에 따른 수위변화를 측정하였다. 이를 통하여 수위변화를 통한 유출량계산을 통하여 보강재별 붕괴지연 효과를 분석하였다.
- 2(a) 참조). L형과 L*형은 기존의 보강재가 핀형으로 지지하는 것이 월류 발생시 표면의 토사가 침식된 이후에는 보호효과가 없어, 사면에 관입된 보강재면이 토사의 침식을 지연시키는 효과를 고려하여 제작하였다. 보강재의 관입시 충격에 의하여 파손되는 현상을 방지하기 위하여 보강재 접합부에 삼각형 아크릴을 보강하여 보강재가 충분한 강도를 유지하도록 하였다.
- 24kg의 정사각형 다짐판을 이용하여 제체를 최적 함수비로 균일하게 다짐을 수행하였다. 다짐방법은 제체의 높이를 10cm가 되도록 토사를 성토한 후 다짐판을 30cm 높이에서 5회 낙하하여 균등한 다짐을 하였다. 다짐의 경우 실험자에 따라 오차가 발생할 수 있기 때문에 매회 동일인이 실시하였다.
- 제체의 보강재에 따른 단계별 붕괴 발달시간, 상류와 붕괴부, 그리고 하류의 수위변화, 붕괴폭과 유출량을 측정하여 기존 무보강 제체와 보강재별 붕괴 지연 효과를 비교하였다. 동일한 월류 현상을 위하여 제체 중앙부에 사다리꼴 형상으로 깊이 30mm, 너비 100mm로 유도 수로를 설치하였다. 실험의 시작은 월류수가 저수지 제체의 하류사면에 발생하는 시점을 시작 시간으로 설정하고 종료는 최종 붕괴폭이 발달하고 붕괴부의 흐름이 상류상태를 유지하는 상류부 수위 50mm에 도달할 때 실험을 종료하였다.
- 881kgf/cm2이다. 매 실험시 동일한 제체를 제작하기 위해 무게 16.24kg의 정사각형 다짐판을 이용하여 제체를 최적 함수비로 균일하게 다짐을 수행하였다. 다짐방법은 제체의 높이를 10cm가 되도록 토사를 성토한 후 다짐판을 30cm 높이에서 5회 낙하하여 균등한 다짐을 하였다.
- 보강재의 관입시 충격에 의하여 파손되는 현상을 방지하기 위하여 보강재 접합부에 삼각형 아크릴을 보강하여 보강재가 충분한 강도를 유지하도록 하였다. 보강재 배치는 붕괴흐름 발달에 큰 영향을 주는 요소이나, 본 연구에서는 보강재 형상에 따른 영향만을 분석하기 위하여, 각 실험 시 동일한 배치로 월류 시 붕괴흐름이 최대한 분산되어 붕괴가 지연되도록 지그재그 형태로 가로간격 30mm, 세로간격 50mm로 배치하였다(Fig. 2(b) 참조).
- 보강재별 붕괴폭 변화의 비교를 위하여 제체의 마루부 붕괴폭과 붕괴발달시간을 무보강 제체의 최종붕괴폭(b*)와 최종발달시간(t*)으로 무차원화한 Fig. 7에 비교하여 분석하였다.
- L형과 L*형은 기존의 보강재가 핀형으로 지지하는 것이 월류 발생시 표면의 토사가 침식된 이후에는 보호효과가 없어, 사면에 관입된 보강재면이 토사의 침식을 지연시키는 효과를 고려하여 제작하였다. 보강재의 관입시 충격에 의하여 파손되는 현상을 방지하기 위하여 보강재 접합부에 삼각형 아크릴을 보강하여 보강재가 충분한 강도를 유지하도록 하였다. 보강재 배치는 붕괴흐름 발달에 큰 영향을 주는 요소이나, 본 연구에서는 보강재 형상에 따른 영향만을 분석하기 위하여, 각 실험 시 동일한 배치로 월류 시 붕괴흐름이 최대한 분산되어 붕괴가 지연되도록 지그재그 형태로 가로간격 30mm, 세로간격 50mm로 배치하였다(Fig.
- 본 실험의 목적은 보강재설치에 따른 붕괴지연 효과를 알아보기 위한 것으로 보강재는 L형, T형, L*형 총 3가지 종류가 사용되었다. 보강재의 형상은 월류시 효과적인 제체 보호를 위해 토사보호체적이 각기 다르게 디자인한 보강재로 가장 효과적인 형태를 알아보기 위해 구분하여 실험하였다. 수리실험 조건은 유입유량 2×10-3m3/s로 보강재가 없는 경우와 L형, T형, L*형 보강재를 비교하여 실험하였다.
- 기존 연구를 분석한 결과 Hahn 등(2000)은 사면의 월류 흐름과 붕괴양상의 변화에 따라 5단계의 붕괴상태로 분류하였다. 본 연구에서는 기존의 붕괴단계 분류를 무보강 제체와 보강재 제체에 적용하여 월류 흐름의 변화와 제체의 붕괴양상 변화를 중심으로 5단계로 구분하였고, 각 단계별 붕괴특성을 Table 2와 같이 구분하여 정리하였다.
- 수리실험 조건은 유입유량 2×10-3m3/s로 보강재가 없는 경우와 L형, T형, L*형 보강재를 비교하여 실험하였다.
- 수위계로 계측된 수위데이터는 수위가 보강재 형상에 따라 붕괴지연에 따른 수위저감속도가 다른 관계로 상대적 비교를 위하여 저수지 제체의 상류, 붕괴부, 하류에서 보강재별 최대 수위(hmax)와 총 붕괴시간(tmax)으로 무차원화하여 비교하였다.
- 실험결과는 3개 지점에 설치된 초음파 수위계중 수면 상태가 안정적인 상류부의 수위측정 로그데이터를 분석하여 수위유량곡선에 대입하여 실제 붕괴 시 유출량을 도출하였으며, 또한 붕괴폭 및 붕괴시간을 줄자와 캠코더를 활용하여 결과를 도출하였다. 일부 실험의 경우 토양의 다짐도가 균일하지 못하여 토사의 붕괴부가 과장되게 발생하는 경우도 있어 이러한 결과는 제외하여 같은 조건의 실험을 3회에서 5회 실시하여 안정된 결과 3회를 산술평균하여 결과를 도출하였다.
- 이번 실험의 수행과정을 통해 발생되는 실험의 한계사항은 다음과 같다. 우선 동일한 조건으로 동일인이 수행하였지만 토사의 비균질(Heterogeneous) 특성상 실험의 재현성이 매우 낮기 때문에 동일한 실험을 3회 반복하여 평균적인 값을 사용하여 실험값의 타당성을 검토하여 활용하였다. 또한 댐체의 제작 과정시 토사의 습윤상태를 동일하게 유지하기 위해 토사를 대형 비닐포대로 덮고 수분의 증발을 최대한 억제하였다.
- 유량은 90° 삼각위어를 사용하여 수위유량곡선을 산출하여 유입유량 2×10-3m3/s으로 공급하였으며, 유량공급시 위어하부에 정류기능을 할 수 있는 공간과 충분한 수로길이를 통해 상류사면이 월류 전까지 파동에 의한 침식이 발생하지 않도록 고려하였다.
- 수리실험 조건은 유입유량 2×10-3m3/s로 보강재가 없는 경우와 L형, T형, L*형 보강재를 비교하여 실험하였다. 유입유량은 실제 저수지 설계 홍수량 초과시 발생하는 월류 상황을 재현하기 위한 조건으로 실험장 규모와 초기 실험을 통한 붕괴발달시간을 검토하여 선정하였다. 유량은 90° 삼각위어를 사용하여 수위유량곡선을 산출하여 유입유량 2×10-3m3/s으로 공급하였으며, 유량공급시 위어하부에 정류기능을 할 수 있는 공간과 충분한 수로길이를 통해 상류사면이 월류 전까지 파동에 의한 침식이 발생하지 않도록 고려하였다.
- 1(c)와 같이 댐체 상류부, 마루부, 붕괴부에 총 3기를 설치하여 월류 발생시 시간변화에 따른 수위변화를 측정하였다. 이를 통하여 수위변화를 통한 유출량계산을 통하여 보강재별 붕괴지연 효과를 분석하였다.
- 이는 댐 붕괴실험의 개수로 축소모형붕괴실험을 수행하는 것을 분석하여, 하지만 상사법칙을 적용할 수 없는 제체 재료를 사용하여 실험하였기 때문에 왜곡된 상사를 적용하거나 결과값을 무차원화하여 분석하여야 실험결과를 활용할 수 있다. 이에 따라 연구결과를 무차원화하여 분석하였으며 충분히 분석이 가능한 결과를 도출하였다.
- 저수지 붕괴 메커니즘에 따른 분석을 하기 위하여 시간변화에 따른 단계별 붕괴양상 변화를 분석하였다. 기존 연구를 분석한 결과 Hahn 등(2000)은 사면의 월류 흐름과 붕괴양상의 변화에 따라 5단계의 붕괴상태로 분류하였다.
- 유량은 90° 삼각위어를 사용하여 수위유량곡선을 산출하여 유입유량 2×10-3m3/s으로 공급하였으며, 유량공급시 위어하부에 정류기능을 할 수 있는 공간과 충분한 수로길이를 통해 상류사면이 월류 전까지 파동에 의한 침식이 발생하지 않도록 고려하였다. 제체의 보강재에 따른 단계별 붕괴 발달시간, 상류와 붕괴부, 그리고 하류의 수위변화, 붕괴폭과 유출량을 측정하여 기존 무보강 제체와 보강재별 붕괴 지연 효과를 비교하였다. 동일한 월류 현상을 위하여 제체 중앙부에 사다리꼴 형상으로 깊이 30mm, 너비 100mm로 유도 수로를 설치하였다.
- 1(b)에 나타나 있다. 제체의 붕괴 형상의 변화는 디지털 캠코더 2대를 제체 붕괴부 정면과 상부에 설치하여 시간에 따른 붕괴폭, 붕괴심 및 붕괴형상을 측정하여 분석하였다. 또한 초음파 수위계를 Fig.
- 또한 댐체의 제작 과정시 토사의 습윤상태를 동일하게 유지하기 위해 토사를 대형 비닐포대로 덮고 수분의 증발을 최대한 억제하였다. 하지만 댐체의 균일한 다짐도와 월류 조건도 미세하게 오차가 발생할 수밖에 없어 실험적 한계조건으로 설정하여 실험하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 보강재는 3가지 형상으로 구분하여 제작하였다. L형, T형, L*형 보강재로서 두께 5mm의 유백색 아크릴로 제작하여 설치하였다. 보강재의 규격은 가로 50mm, 세로 55mm, 폭 100mm로 균일하게 제작하였다(Fig.
- 동일한 조건의 제체를 실험수로에 제작하기 위하여 실험 제체에 사용된 재료는 입도가 좋은 사질토(SW)를 사용하였으며, 균등계수는 6.0이고, 곡률계수는 1.127이었다. 또한 제체 재질의 중앙입경(D50)은 0.
- 모형은 소축척으로 크게 제작하는 것이 바람직하지만 모형의 축척은 측정정도와 실험설비의 규모와 현상의 상사성 등을 고려하여 결정하여야 한다. 본 실험의 경우 1/20규모로 축소한 제체를 기준으로 설계하였다. 이는 댐 붕괴실험의 개수로 축소모형붕괴실험을 수행하는 것을 분석하여, 하지만 상사법칙을 적용할 수 없는 제체 재료를 사용하여 실험하였기 때문에 왜곡된 상사를 적용하거나 결과값을 무차원화하여 분석하여야 실험결과를 활용할 수 있다.
- 본 연구에서는 흙댐 제체 붕괴지연 효과를 측정하기 위해 월류시 보강재 형상별 붕괴 실험을 수행하였다. 본 실험의 목적은 보강재설치에 따른 붕괴지연 효과를 알아보기 위한 것으로 보강재는 L형, T형, L*형 총 3가지 종류가 사용되었다. 보강재의 형상은 월류시 효과적인 제체 보호를 위해 토사보호체적이 각기 다르게 디자인한 보강재로 가장 효과적인 형태를 알아보기 위해 구분하여 실험하였다.
- 실험에 사용된 보강재는 3가지 형상으로 구분하여 제작하였다. L형, T형, L*형 보강재로서 두께 5mm의 유백색 아크릴로 제작하여 설치하였다.
데이터처리
- 실험결과는 3개 지점에 설치된 초음파 수위계중 수면 상태가 안정적인 상류부의 수위측정 로그데이터를 분석하여 수위유량곡선에 대입하여 실제 붕괴 시 유출량을 도출하였으며, 또한 붕괴폭 및 붕괴시간을 줄자와 캠코더를 활용하여 결과를 도출하였다. 일부 실험의 경우 토양의 다짐도가 균일하지 못하여 토사의 붕괴부가 과장되게 발생하는 경우도 있어 이러한 결과는 제외하여 같은 조건의 실험을 3회에서 5회 실시하여 안정된 결과 3회를 산술평균하여 결과를 도출하였다.
이론/모형
- 본 연구는 기존의 여러 댐 붕괴 매개변수의 산정공식 중에서 비교적 신뢰성을 갖고 있는 McDonald와 Langridge-Monopolis (1984), Froehlich (1995), Von Thun과 Gillette (1990)가 제시한 공식을 적용하였다.
성능/효과
- Fig. 4에 나타난 결과를 분석하면 상류 무차원수위(h/hmax)가 1.0에서 하강하는 부분이 붕괴부 상류에서 L형의 경우 초기 월류발생후 수위저감곡선의 경사도가 가장 완만한 것으로 나타나 붕괴시 붕괴부의 발달이 가장 느려서 보강재의 붕괴지연효과가 큰 것으로 나타났으며, T형의 경우 L형에 비하여 수위저감곡선이 가파른 경사를 나타내어 보강효과가 작게 나타났다. L*형의 경우 무차원시간(t/tmax) 0.
- 또한 전체 저수지의 97%이상이 유효저수량 100만m3 이하인 소규모 저수지이다. 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 국내에 건설되어있는 저수지의 사면 보강공법을 조사한 결과 약 57%에 해당하는 저수지의 사면이 인공적인 보강재가 없이 건설되어 있어 월류 붕괴에 매우 취약한 것으로 나타났다. 국내에 설치된 대부분 저수지의 주요 목적은 농업용수 공급이기 때문에 저수지에 치수 관련시설인 수문이 없거나 자연월류식 여수로가 주로 사용되고 있어, 설계빈도를 초과한 홍수발생시 저수지를 월류하거나 침투현상이 발생하여 파괴될 수 있다.
- 우선 동일한 조건으로 동일인이 수행하였지만 토사의 비균질(Heterogeneous) 특성상 실험의 재현성이 매우 낮기 때문에 동일한 실험을 3회 반복하여 평균적인 값을 사용하여 실험값의 타당성을 검토하여 활용하였다. 또한 댐체의 제작 과정시 토사의 습윤상태를 동일하게 유지하기 위해 토사를 대형 비닐포대로 덮고 수분의 증발을 최대한 억제하였다. 하지만 댐체의 균일한 다짐도와 월류 조건도 미세하게 오차가 발생할 수밖에 없어 실험적 한계조건으로 설정하여 실험하였다.
- T형은 보강재가 보호하는 토사의 부피가 L형과 L*형에 비하여 작게 나타나 상대적으로 보강효과가 작게 나타난 것으로 분석되었다. 보강된 제체에서 나타난 붕괴의 주된 경향은 제체붕괴로 확대되는 붕괴 4단계와 최대 붕괴폭에서 수위가 점차 낮아지는 붕괴 5단계에서 무보강 제체에 비하여 장시간에 걸친 붕괴가 발생하여 붕괴에 따른 유출량이 상대적으로 작게 나타났다. 최대 붕괴폭이 발생하는 붕괴 4단계 발생시간은 무보강제체에 비하여 L형 3.
- 본 연구에서는 사면 보강재 형상에 따라 제체 월류 시 보강재 설치에 따른 붕괴형상 및 수위변화를 수리실험을 통한 분석으로 보강재의 붕괴지연효과를 정량적으로 검증하였다. 보강재 형상에 따른 붕괴시간 및 유출량 변화를 분석한 결과 L형이 붕괴 발달이 가장 완만한 경사로 진행되어 붕괴 이후에도 첨두유출량이 절반 수준으로 저감되었고 발생시간 또한 가장 늦게 나타나므로 가장 붕괴지연 효과가 큰 보강재 형상으로 분석되었다. 보강재의 제작형상은 월류수의 흐름에 좀 더 많은 토사용적을 보호할 수 있는 L형과 L*형이 붕괴지연에 효과적이었으며, L*형의 경우 초기 붕괴지연 효과가 매우 크게 나타났으나 이후 급격한 붕괴를 나타나 오히려 첨두유출량이 무보강 제체보다 크게 발생하여 하류부의 홍수피해를 가중시킬 수 있는 위험성이 발생하였다.
- 이러한 결과는 하류단으로 유출되는 홍수파 전달 속도 및 첨두 유출량의 감소 등으로 홍수 피해경감의 효과를 나타낼 수 있어 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획(EAP, Emergency Action Plan)을 수립하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있다. 보강재가 이탈하여 하류부에 영향을 미치는 부분은 실험결과 대부분의 보강재가 토사에 매몰되어 구조물과의 충돌과 같은 피해상황이 발생할 가능성은 매우 낮은 것으로 분석되었다. 하지만 이는 실험조건에서 발생한 결과이며 실제 붕괴 시 하류부에 보강재가 유입되어 인명이나 재산피해를 유발할 가능성을 염두에 두어야 한다.
- 5에 도시된 붕괴부의 수위변화는 월류되는 제체의 마루부와 제체 하류측 사면의 수직방향 침식으로 인한 수위변화와 수직침식 이후 발생되는 침식부 좌우 제체의 지지력 상실로 인한 추가붕괴에 영향을 받는 수위저감곡선을 나타낸다. 상류부의 붕괴곡선과 비교할 경우 L형의 수위저감곡선이 다른 보강재에 비해 매우 완만하게 저감하므로 붕괴에 대한 월류시간 지연 효과보다 붕괴강도를 감소시키는 효과가 있는 것으로 나타났다. T형은 수위저감곡선의 변화율이 가장 크게 나타나 0.
- 실험을 종합적으로 분석한 결과 L형이 붕괴시 초기 월류 붕괴의 지연과 첨두 유출량 감소효과로 인하여 우수한 붕괴지연효과를 나타내었으며, T형의 경우 보강재의 흐름 저항시 보강재 형상에 의한 모멘트 발생으로 저항효과가 감소하였다. L*형은 월류 초기에는 안정적인 상태를 유지하였으나 보강재 이탈 이후 급격한 유출발생에 의한 수위저하현상이 발생하였다.
- 이는 보강재실험의 경우 보강재로 인하여 붕괴조건이 달라지기 때문이다. 앞의 댐 붕괴 매개변수 이론식에서 정리한 Mcdonald와 Langridge-Monopolis의 이론식과 무보강 제체를 비교할 경우 붕괴시간은 0.1배로 줄어들고 붕괴폭은 10배의 차이를 보였으며, Von Thun과 Gillette의 경우 붕괴시간은 3.2배, 붕괴폭은 11배의 차이로 결과값에서 큰 편차를 보여 비교가 불가능하였다.
- 보강재의 제작형상은 월류수의 흐름에 좀 더 많은 토사용적을 보호할 수 있는 L형과 L*형이 붕괴지연에 효과적이었으며, L*형의 경우 초기 붕괴지연 효과가 매우 크게 나타났으나 이후 급격한 붕괴를 나타나 오히려 첨두유출량이 무보강 제체보다 크게 발생하여 하류부의 홍수피해를 가중시킬 수 있는 위험성이 발생하였다. 이러한 보강재 관입 제체의 붕괴실험을 통하여 붕괴실험을 실시한 결과 보강재 설치로 인하여 초기붕괴흐름의 발달이 원활하게 이뤄지지 않아 붕괴지연 효과가 발생하였고 월류 흐름에 의한 사면침식속도가 저감되어 급격한 제체붕괴를 예방할 수 있다. 이러한 결과는 하류단으로 유출되는 홍수파 전달 속도 및 첨두 유출량의 감소 등으로 홍수 피해경감의 효과를 나타낼 수 있어 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획(EAP, Emergency Action Plan)을 수립하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있다.
- 이렇게 기존의 댐 붕괴 이론식의 적용이 곤란하게 된 원인을 분석한 결과, 댐 붕괴 이론식이 기존 댐 붕괴 결과의 매개변수에 따라 다중회귀분석한 경험식을 산출하였고, 각 이론식마다 서로 다른 댐 붕괴 사례를 분석하여 차이가 발생한 것으로 분석되었다. 또한 붕괴시 제체의 함수비 및 재질과 다짐도에 따라 붕괴시간에 변화가 발생할 수 있고 본 실험과 실제 댐 붕괴에는 지형학적 차이가 존재한다.
- 제체사면에 위치한 보강재는 주로 사면 토사의 급속한 침식현상을 완화하는 역할을 할 수 있으며, 본 연구에서는 수리실험을 통하여 이러한 보강재가 제체의 붕괴시 제체의 붕괴를 지연시키는 효과와 첨두홍수량의 감소에 대해 연구하였다. 저수지 설계빈도 초과 홍수량 발생에 따른 월류 발생상황에서 저수지 사면에 보강재 설치 시 이에 따른 붕괴지연효과를 보강재의 형상에 따라 분석한 결과 보강재는 형상과 배치방향에 따라 침식에 대한 효과가 크게 다르며 이러한 침식의 특성이 첨두유출량의 발생크기에 영향을 주는 것으로 분석되었다. 본 연구는 홍수 시 저수지의 월류가 발생하여 제체의 붕괴가 진행되는 상황을 가정하여 수행하였기 때문에 월류에 의한 붕괴가 아닌 제체에 발생한 파이핑 현상이나 사면 침식 현상 등에 의한 다른 붕괴 요인에는 본 결과를 적용하기 어려우므로, 월류로 인한 붕괴 이외의 붕괴원인에 대한 보강재의 효과에 대해서는 추가적인 실험 연구가 필요하다.
- 33에서 발생하여 첨두유출 발생시간지연이 다른 보강재에 비하여 큰 것으로 나타났다. 첨두유출량의 크기를 비교한 결과 L형은 무보강에 비해 첨두유출량이 무차원유량(Q/Q*) 0.51로 감소한 것으로 나타났으며, T형은 0.67로 감소하였다. L*형 보강재의 경우 무보강에 비하여 오히려 1.
- 보강재의 붕괴지연효과는 초기 붕괴발달시 제체의 침식으로 발달하는 흐름이 보강재에 충돌하는 과정을 통하여 에너지 감세현상이 발생하고 보강재에 의하여 흐름이 좌우로 분산되어 초기 붕괴발달이 지연되는 효과를 나타내었다. 초기 붕괴지연 효과는 L*형이 붕괴 3단계까지 도달하는 무차원 시간(t/t*)이 가장 길게 나타나 효과가 가장 큰 것으로 분석되었으며 그 원인은 초기 월류발생시 보강재의 좌우 벽체가 지지부의 토사를 안정적으로 보호하는 효과로 분석되었다. T형은 보강재가 보호하는 토사의 부피가 L형과 L*형에 비하여 작게 나타나 상대적으로 보강효과가 작게 나타난 것으로 분석되었다.
- 보강된 제체에서 나타난 붕괴의 주된 경향은 제체붕괴로 확대되는 붕괴 4단계와 최대 붕괴폭에서 수위가 점차 낮아지는 붕괴 5단계에서 무보강 제체에 비하여 장시간에 걸친 붕괴가 발생하여 붕괴에 따른 유출량이 상대적으로 작게 나타났다. 최대 붕괴폭이 발생하는 붕괴 4단계 발생시간은 무보강제체에 비하여 L형 3.29배, T형 3.59배, L*형 1.64배 오래 발생하여 붕괴 지연효과가 높은 것으로 나타났으며, 최대 붕괴폭 도달이후 수위가 낮아지는 5단계까지는 0.98로 거의 같거나 3.84배까지 붕괴지연효과가 발생하는 것으로 나타났다. 총 붕괴시간은 1.
- 6에 나타난 하류부의 수위변화는 저수지 제체의 침식으로 발생하는 토사와 유수의 혼합형태로유출되는 수위에 대한 변화이므로 토사에 따른 수면의 심한 변동을 나타내었다. 하류부의 수위변화 역시 T형이 최대 무차원수위(h/hmax)에 가장 빠르게 도달하여 보강재중 가장 낮은 붕괴지연 효과를 보이며, L형의 경우 가장 늦게 최대무차원수위에 도달하여 보강재 중에서 가장 붕괴지연효과가 높은 것으로 나타났다. L*형의 경우 붕괴에 따른 수위변동이 다른 보강재 형상보다 작아 붕괴시 한꺼번에 많은 토사의 붕괴로 인한 첨두 유출량이 발생한 이후 붕괴현상이 작게 나타난 것으로 분석되었다.
후속연구
- 하지만 이는 실험조건에서 발생한 결과이며 실제 붕괴 시 하류부에 보강재가 유입되어 인명이나 재산피해를 유발할 가능성을 염두에 두어야 한다. 본 연구는 저수지의 월류에 의한 제체붕괴 상황을 모의한 실험이므로 다른 붕괴원인에 대하여는 본 연구 결과를 직접적으로 적용할 수 없으며, 종합적인 연구결과를 도출하기 위해 다양한 붕괴원인에 대한 제체 보강재의 붕괴지연효과를 위한 추가적인 실험 연구가 필요하다. 이러한 저수지제체 붕괴실험은 현재 저수지에 설치된 사면보강재의 다양한 형태와 붕괴지연효과에 대한 검증실험으로 연구영역을 확대할 수 있으며, 기존 저수지 제체에 대한 노후화 및 안전성과 관련한 문제점을 보완하는 대책으로 저수지 설계에 적용한다면 위험상황 발생시 시‧공간적으로 안전을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 저수지 설계빈도 초과 홍수량 발생에 따른 월류 발생상황에서 저수지 사면에 보강재 설치 시 이에 따른 붕괴지연효과를 보강재의 형상에 따라 분석한 결과 보강재는 형상과 배치방향에 따라 침식에 대한 효과가 크게 다르며 이러한 침식의 특성이 첨두유출량의 발생크기에 영향을 주는 것으로 분석되었다. 본 연구는 홍수 시 저수지의 월류가 발생하여 제체의 붕괴가 진행되는 상황을 가정하여 수행하였기 때문에 월류에 의한 붕괴가 아닌 제체에 발생한 파이핑 현상이나 사면 침식 현상 등에 의한 다른 붕괴 요인에는 본 결과를 적용하기 어려우므로, 월류로 인한 붕괴 이외의 붕괴원인에 대한 보강재의 효과에 대해서는 추가적인 실험 연구가 필요하다. 이러한 연구결과를 통해 저수지 월류시 사면 보강재의 붕괴지연효과는 하류부의 첨두유출량을 저감시키고 이에 따른 저수지 하류부의 구조물 파괴 및 세굴파괴의 감소, 저수지 붕괴지연 효과로 인하여 하류부 거주민의 비상대피시간 확보를 통하여 피해를 저감시킬 수 있을 것으로 예상된다.
- 이러한 보강재 관입 제체의 붕괴실험을 통하여 붕괴실험을 실시한 결과 보강재 설치로 인하여 초기붕괴흐름의 발달이 원활하게 이뤄지지 않아 붕괴지연 효과가 발생하였고 월류 흐름에 의한 사면침식속도가 저감되어 급격한 제체붕괴를 예방할 수 있다. 이러한 결과는 하류단으로 유출되는 홍수파 전달 속도 및 첨두 유출량의 감소 등으로 홍수 피해경감의 효과를 나타낼 수 있어 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획(EAP, Emergency Action Plan)을 수립하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있다. 보강재가 이탈하여 하류부에 영향을 미치는 부분은 실험결과 대부분의 보강재가 토사에 매몰되어 구조물과의 충돌과 같은 피해상황이 발생할 가능성은 매우 낮은 것으로 분석되었다.
- 또한 붕괴시 제체의 함수비 및 재질과 다짐도에 따라 붕괴시간에 변화가 발생할 수 있고 본 실험과 실제 댐 붕괴에는 지형학적 차이가 존재한다. 이러한 결과에 따라 댐 붕괴 이론식의 경우 현재 실험과 같은 보강된 제체와 같은 실험결과와 조건이 상이하기 때문에 직접적인 비교는 어려우며, 만약 실험결과에 댐 붕괴 이론식의 적용할 경우 실제 실험조건이 과거 댐 붕괴와 대략적으로 유사한 붕괴조건의 댐 붕괴에 대해 비교 검토를 해야 할 것이다.
- 본 연구는 홍수 시 저수지의 월류가 발생하여 제체의 붕괴가 진행되는 상황을 가정하여 수행하였기 때문에 월류에 의한 붕괴가 아닌 제체에 발생한 파이핑 현상이나 사면 침식 현상 등에 의한 다른 붕괴 요인에는 본 결과를 적용하기 어려우므로, 월류로 인한 붕괴 이외의 붕괴원인에 대한 보강재의 효과에 대해서는 추가적인 실험 연구가 필요하다. 이러한 연구결과를 통해 저수지 월류시 사면 보강재의 붕괴지연효과는 하류부의 첨두유출량을 저감시키고 이에 따른 저수지 하류부의 구조물 파괴 및 세굴파괴의 감소, 저수지 붕괴지연 효과로 인하여 하류부 거주민의 비상대피시간 확보를 통하여 피해를 저감시킬 수 있을 것으로 예상된다.
- 본 연구는 저수지의 월류에 의한 제체붕괴 상황을 모의한 실험이므로 다른 붕괴원인에 대하여는 본 연구 결과를 직접적으로 적용할 수 없으며, 종합적인 연구결과를 도출하기 위해 다양한 붕괴원인에 대한 제체 보강재의 붕괴지연효과를 위한 추가적인 실험 연구가 필요하다. 이러한 저수지제체 붕괴실험은 현재 저수지에 설치된 사면보강재의 다양한 형태와 붕괴지연효과에 대한 검증실험으로 연구영역을 확대할 수 있으며, 기존 저수지 제체에 대한 노후화 및 안전성과 관련한 문제점을 보완하는 대책으로 저수지 설계에 적용한다면 위험상황 발생시 시‧공간적으로 안전을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 최근에는 2011년 전북 정읍의 노은저수지가 월류에 의한 붕괴로 하류부에 큰 피해가 발생하였다(새전북신문). 이처럼 저수지 붕괴는 자주 발생하는 재난은 아니지만 그 피해 규모와 복구비가 크게 발생하기 때문에 현재 기후변화에 따른 강우량 증가와 기존 저수지의 노후현상에 비춰볼 때 반드시 붕괴에 대한 대책을 수립하여야 할 것이다.
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