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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 농업용 저수지가 이상강우에 의해 여수 토가 기능을 발휘하지 못하고 월류되었을 경우를 고려한 대형실내모형실험을 실시하고, geotextile로 보강하였을 경우에 제체와 여수토 접속부에서의 공극수압, 토압, 침하 및 붕괴거동 등을 비교 ․ 분석하여 제체의 안정성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 실내대형모형 토조는 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 토조 내부에는 실리콘 및 방수페인트로 처리하여 누수를 방지하였다.
- 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 실시하고 밀도를 측정하여 확인하였다.
- 수리모형실험의 축척은 일반적으로 1/15에서 1/50 범위에서 결정되므로 본 연구에서는 상사법칙의 효율성과 실내모형실험규모의 여건 등을 감안하여 1/20으로 결정하였다 (Noh and Lee, 2014). 모형은 길이 (L) 126 cm×폭 (W) 540 cm×높이 (H) 95 cm로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 비탈면 경사는 1 : 2.
- 5 (상류사면)으로 모형을 제작하였다. 여수토는 콘크리트와 합판을 이용하여 현장저수지 표고를 기준으로 1/20로 축소하고, 방수로 폭은 10 cm, 마루표고는 55 cm, 월류언체표고는 65 cm가 되도록 하였고, 월류언체는 모형 실험의 여건상비조절형으로 제작하였다.
- 제체 덧쌓기 후 댐마루 중앙에 침하계 (Ⓢ)를 설치 (LVDT)하여 침하량을 측정하였고, 계측기는 모형 토조내 적용할 수 있는 초소형 크기의 공극수압계 (정격용량: 50 kPa)와 토압계 (정격용량: 200 kPa)를 사용하였다.
- 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였다. 공극수압은 상류 측에 담수한 물이 제대로 제체내로 충분히 침투하여 정상 침투가 이루어졌다고 판단할 때까지 측정하였다.
- 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였다. 공극수압은 상류 측에 담수한 물이 제대로 제체내로 충분히 침투하여 정상 침투가 이루어졌다고 판단할 때까지 측정하였다.
- 토목섬유는 시공현장에서 가장 광범위하게 사용하고, 월류 시 물의 흐름 속에서도 세굴의 영향을 최소한으로 막을 수 있으며, 사면의 붕괴 거동 및 확대과정을 파악할 수 있는 직포 (woven)형 geotextile을 선정하였다. 모형실험 제체에서의 시공방법은 상류부 만수위 지점부터 둑마루와 하류부 전체를 포설하였고 월류 시 물의 흐름에 의해 geotextile이 쓸려 내려가는 것을 방지하기 위하여 핀으로 고정하였다.
- 저수지 제방의 월류실험은 상류측에 만수위로 일정시간 유지시켜 제체내로 정상 침투가 이루어졌다고 판단되었을 때 실행하였다. 홍수량 조절은 현장 저수지의 저수량, 유역의 특성, 면적 등 홍수량 산정을 통하여 모형실험의 축소 축척에 비례하고, 모형에서의 저수량 등을 고려하여 적용가능한 홍수량을 계산하였다.
- 저수지 제방의 월류실험은 상류측에 만수위로 일정시간 유지시켜 제체내로 정상 침투가 이루어졌다고 판단되었을 때 실행하였다. 홍수량 조절은 현장 저수지의 저수량, 유역의 특성, 면적 등 홍수량 산정을 통하여 모형실험의 축소 축척에 비례하고, 모형에서의 저수량 등을 고려하여 적용가능한 홍수량을 계산하였다. 그 결과 홍수량은 1.
- 홍수량 조절은 현장 저수지의 저수량, 유역의 특성, 면적 등 홍수량 산정을 통하여 모형실험의 축소 축척에 비례하고, 모형에서의 저수량 등을 고려하여 적용가능한 홍수량을 계산하였다. 그 결과 홍수량은 1.8 L/s로 유량공급조절장치를 통하여 상류측에 일정하고 지속적으로 180분 동안 공급하였고, 여수토 방수로를 통하여 일정하게 0.5 L/s 방류되도록 하였다.
- Geotextile로 보강된 제체의 월류 실험은 만수위 상태에서 약 23시간 정도 경과 후에 월류시켜 약 3시간 동안 붕괴 상태의 변화를 측정하였으며, 종료 후 약 50시간까지 공극수압을 측정하여 분석하였다.
- 7은 geotextile 보강 시 월류에 의한 붕괴형태를 0분, 50분, 100분, 150분 경과 후로 구분하여 나타낸 것이다. 모형축조 완료 후 월류 시험 전까지 홍수위 상태를 유지시켜 제체에 충분한 침투가 이루어지도록 하여 실제 저수지의 침투조건과 유사하도록 수위를 조정하였다. 유량공급조절장치를 통하여 댐마루 월류량을 일정하게 유지하고 나머지는 방수로로 방류되도록 하였다.
- 모형축조 완료 후 월류 시험 전까지 홍수위 상태를 유지시켜 제체에 충분한 침투가 이루어지도록 하여 실제 저수지의 침투조건과 유사하도록 수위를 조정하였다. 유량공급조절장치를 통하여 댐마루 월류량을 일정하게 유지하고 나머지는 방수로로 방류되도록 하였다.
- 하류사면 중앙부에서도 세굴로 인한 붕괴가 시작되어 폭 15∼18 cm, 깊이 2∼3 cm로 나타났다. 또한, 하류사면의 우측 하부에서도 세굴이 시작되어 상부쪽으로 확대되는 붕괴형태를 확인하였다.
- 150분 후에는 사면의 정확한 세굴과 붕괴형태 파악을 위해 geotextile을 제거 후에 측정하였다. 여수토 접속부에서는 붕괴폭 28∼44 cm, 깊이 7∼8 cm로 약간 증가하였고, 하류사면 중앙부에서는 붕괴폭 25∼34 cm, 깊이 5∼7 cm로 확장되었으며, 하류사면 우측에서도 붕괴폭 30∼35 cm, 깊이 3∼4 cm로 나타났다.
- 본 연구에서는 농업용 저수지가 이상강우에 의해 여수토가 기능을 발휘하지 못하고 월류되었을 경우를 고려한 대형실내모형 실험을 실시하고, geotextile로 보강하였을 경우의 제체와 여수토 접속부에서의 공극수압, 토압, 침하 및 붕괴거동 등을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 모형은 길이 (L) 126 cm×폭 (W) 540 cm×높이 (H) 95 cm로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 비탈면 경사는 1 : 2.0 (하류사면), 1 : 2.5 (상류사면)으로 모형을 제작하였다.
- 실험에 사용된 시료는 코어재와 성토재 총 2종의 시료를 사용하였고, 공주시 계룡 저수지 토취장에서 채취하였다. 사용된 시료의 물리적 성질, 역학적 성질 및 입도곡선은 Table 1 및 Fig.
- 2는 저수지 둑 높이기시에 경사형 제체 덧쌓기 모형으로, 현장 저수지의 1/20로 축소하고 코어는 하류 측 방향의 경사형태로 축조하였다. 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 실시하고 밀도를 측정하여 확인하였다.
- 제체를 구성하는 성토재와 점토재 내부에 작용하는 공극수압과토압을 측정하기 위해 Fig. 3과 같이 공극수압계 (Ⓟ) 7개와 토압계 (Ⓔ) 7개를 각각의 위치에 매설하였다. 매설간격은 P11, P12, P15, E2, E3, E4은 여수토와 제체의 접속부의 상부, 중앙, 하부에 매설했으며, 나머지 계측기들은 제체 중심으로부터 좌 ․ 우의 일정한 거리에 위치시켰다.
- 토목섬유는 시공현장에서 가장 광범위하게 사용하고, 월류 시 물의 흐름 속에서도 세굴의 영향을 최소한으로 막을 수 있으며, 사면의 붕괴 거동 및 확대과정을 파악할 수 있는 직포 (woven)형 geotextile을 선정하였다. 모형실험 제체에서의 시공방법은 상류부 만수위 지점부터 둑마루와 하류부 전체를 포설하였고 월류 시 물의 흐름에 의해 geotextile이 쓸려 내려가는 것을 방지하기 위하여 핀으로 고정하였다.
성능/효과
- 월류시 모형저수지의 상류부로 유입되는 유입량과 여수토 방수로를 통하여 하류부로 유출되는 유출량은 미리 측정된 토조에서의 유량검증을 통하여 유입량 1.8 L/sec, 방수로 유출량 0.5 L/sec로 확인하였다. 실험과정의 붕괴양상은 비디오 카메라를 설치하여 전체 붕괴과정을 기록하였다.
- 사용된 geotextile의 물리적 성질은 무게 150 g/m2 이상, 비중 1.36, 인장강도 1,245 N 이상, 인장신율 10～30 %, 투수계수 1×10－4 cm/s 이상으로 나타났다.
- 상류사면 (P10)의 공극수압은 담수 시 급격하게 증가하였고 일정하게 유지되다가 제체의 월류를 위한 수위상승 시점부터 급격하게 상승하는 것으로 나타났다.
- 여수토 접속부 하부 (P15)에서의 공극수압은 월류 시 상부와 중앙보다는 약간 더 큰 상승폭을 나타냈고, 종료 후에는 서서히 감소하다 일정하게 유지되었다. 전반적으로 geotextile 보강 시 공극수압 변화는 만수위부터 월류 전까지는 일정하게 유지되었고, 월류 시작 이후에는 변화폭이 작게 나타났다. 잦은 수위변동은 제체의 균열을 유발시키게 되는데, geotextile로 보강한 제체는 월류 시 여수토 접속부와 코어에서 공극수압의 변화폭이 작게 나타나 제체보강에 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 100분 경과 후 여수토 접속부에서는 붕괴폭 24∼33 cm, 깊이 4∼6 cm로 증가하였다. 상류사면과 둑마루를 거쳐 하류사면 전역에 설치한 geotextile의 영향으로 세굴폭과 깊이는 매우 작게 나타났다. 하류사면 중앙부에서도 세굴로 인한 붕괴가 시작되어 폭 15∼18 cm, 깊이 2∼3 cm로 나타났다.
- 월류가 진행됨에 따라 하류사면 표면으로 흐르던 물이 사면내부로 침투하여 세굴로 인해 붕괴를 발생시키는데, geotextile로 보강한 사면은 월류 시 붕괴폭과 깊이가 매우 작게 나타나 붕괴가능성을 감소시키는 보강효과가 검증되었다. 이는 사면의 붕괴를 지연시킬 수 있어 월류 시 비상 상황에 대처할 수 있는 매우 효과적인 보강방법이라고 판단된다.
- 1. Geotextile 보강 시 월류에 의한 제체와 여수토 접속부 및 코어에서의 공극수압은 담수의 영향으로 증가하고 월류시 약간 상승하였으나 변화폭이 상대적으로 작게 나타나 제체보강에 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 2. 제체와 여수토 접속부 및 코어에서의 토압변화는 상류사면과 코어하부에서만 급격하게 상승하였고 여수토 접속부에서는 뚜렷한 변화를 나타내지 않았으며, 경사형 코어 일부에서만 공극수의 침투를 저하시켜 국부적인 안정성을 확보하는 것으로 판단된다.
- 3. 일반적으로 침하량은 점차적으로 증가하는 경향을 나타냈지만 geotextile 보강 시에는 큰 변화 없이 일정하다가 월류에 의해 둑마루가 붕괴되면서 급격하게 증가하는 경향을 나타냈다.
- 4. 월류에 의한 제체와 여수토 접속부에서의 붕괴 거동은 하류 사면의 토립자가 세굴되면서 점차 하부부터 붕괴가 시작되면서 점차로 상부쪽으로 확대되는 점진적 붕괴 형태를 나타냈다. 월류 중기 이후(100분)부터는 geotextile의 영향으로 세굴폭과 깊이가 매우 작게 나타나 붕괴를 지연시킬 수 있어 월류 시 비상상황에 대처할 수 있는 매우 효과적인 방법이라고 판단된다.
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