선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 대하천 정비사업으로 달라질 수 있는 제방의 안정성을 평가하기 위하여 홍수파형과 제방형상에 따른 침투거동을 모의하고 그에 따른 제방의 안정성을 평가하였다. 예측모의의 결과는 다음과 같다.
- 978 cm/s로 산정하였고 모든 Case의 모의결과에서 침투유속이 한계유속의 1/100 이하로 나타났다. 따라서 본 논문에서는 동수경사에 의한 파이핑의 안정성만을 고려하고 한계유속에 의한 파이핑의 안정성 분석은 생략하기로 한다.
- 본 연구는 실제제방에서 관측한 자료와 침투모의결과를 분석하여 제방의 안정성을 평가하고자 하였다. 낙동강 율지제를 대상으로 2차원 침투유동을 분석 하였고 한국수자원공사에서 설치한 센서에서 관측한 데이터를 통해 침투모의의 타당성을 검증하였다.
- 따라서 이러한 변화요인들이 침투 거동과 안정성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석이 요구되고 있다. 본 연구에서는 2차원 비정상-불포화 침투모형인 SEEP/W를 사용하여 낙동강 유역의 실제 제방을 대상으로 침투모의를 수행하였고 제방에 설치된 센서를 통한 관측자료와 비교하여 모형의 적용성을 검토하였다. 또한 대하천 정비사업으로 달라질 수 있는 홍수 파형과 제방형상에 따른 지하수 침투거동을 Case별로 모의하여 제방의 안정성을 분석하고 평가하였다.
- 본 연구의 목적은 2차원 침투모형을 사용하여 제방의 안정성을 분석하는 것으로 낙동강본류의 영향을 고려하기 힘들다는 모형의 한계를 고려하면 이러한 지하수위 변동경향의 유사성은 모형의 기본적인 검증자료로 사용되어 질 수 있으며 구축된 모형을 통한 안정성 분석의 신뢰도를 높여줄 것으로 판단된다.
제안 방법
- 앞에서 서술한 바와 같이 하천수위는 SEEP/W에서 경계조건으로 처리되며 본 연구에서는 경계조건 수위를 산정하기 위해 HEC-RAS를 이용하여 회천수위를 산정하였다. Fig. 1에서와 같이 HEC-RAS의 상류단 경계조건은 회천상류에 위치한 개진2 및 낙동강 상류의 대암관측소의 수위를, 하류단은 회천과 낙동강의 합류 후에 위치한 이방관측소의 수위 및 유량자료를 입력하여 회천수위를 모의하였고 이를 SEEP/W의 경계조건에 입력하였다.
- SEEP/W의 실제 제방에의 적용성을 검증하기 위하여 율지제의 수위 계측 자료가 존재하는 기간(2012년 8월 21일∼2013년 2월 28일)을 대상으로 모의를 수행하여 계측지하수위와 비교하였다.
- 지하수위 관측에 사용된 간극수압 센서는 광섬유격자센서(Fiber Bragg Grating)로 기준파형에 대한 온도와 수압의 변화에 따른 변동파형의 위상차를 매개변수로 사용하며 각 센서의 위치마다 산정된 보정계수를 합산하여 최종적으로 간극수압이 계산된다. 가공되지 않은 데이터(Raw Data)로부터 간극수압을 계산하기 위하여 사용된 매개변수는 센서가 매설되기 전 실내실험과의 비교를 통하여 추정되었다. 하지만 실험모형과 실제 제방과의 스케일 차이 또는 매설 위치의 불확실성을 고려하면 데이터로부터 간극수압 산출 과정에서 오차가 발생할 가능성이 있으며, 결과를 고찰해 보면 긴 기간 동안의 제방에서의 높은 동수경사는 오차의 영향을 받은 것으로 판단된다.
- 지하수 침투유동은 하천수위(경계조건) 위치와 멀어질수록 하천수위 유동보다 훨씬 둔해지게 된다. 그러므로 본 연구에서는 제내지 기슭부근까지 지하수 침투유동이 잘 재현될 수 있도록 경계조건을 제외지 끝단 기슭에 배치하였다. 또한, Potential Seepage Face를 제내지 사면에 설정하였다.
- 하천변화에 따른 지하수 침투거동을 모의하고자 하였고, 이를 위해 우선 확률빈도별(20∼150년) 홍수위에 따른 지하수 침투거동을 모의 및 분석하였다. 그리고 그 중 파이핑 안정성이 가장 낮은 150년 빈도 홍수위를 기준으로 홍수파형을 변화시켜 이에 따른 지하수 침투거동을 모의하였다. 본 연구에서는 낙동강 수계 정곡제외 1개지구 하천개수공사 실시설계 보고서(MLTM, 2003)에 수록된 율지제의 홍수파형을 참고로 하여 홍수위 도달시간, 지속시간, 수위하강시간을 변화시킨 변형 홍수파형을 SPPE/W의 수위조건으로 입력하여 이에 따른 제방의 동수경사를 추정하였다.
- 본 연구는 실제제방에서 관측한 자료와 침투모의결과를 분석하여 제방의 안정성을 평가하고자 하였다. 낙동강 율지제를 대상으로 2차원 침투유동을 분석 하였고 한국수자원공사에서 설치한 센서에서 관측한 데이터를 통해 침투모의의 타당성을 검증하였다. 실제 제방에 센서를 설치하여 간극수압을 관측하고 이를 수위로 환산하여 침투유동모의와 비교하는 연구는 국내에서 처음 시도되는 것이다.
- 제방형상의 변화에 따른 제방 안정성의 변화를 검토하기 위하여 제방고와 제방폭을 변화시켜 이에 따른 침투거동을 모의하고 안정성을 평가하였다. 대하천 정비사업에서 보축재료의 성토를 통해 제방을 보강한 것을 참고로하여 본 연구에서는 Table 4, Fig. 8과 같이 제방의 폭과 높이를 변화시켜 침투유동을 모의하였다.
- 본 연구에서는 2차원 비정상-불포화 침투모형인 SEEP/W를 사용하여 낙동강 유역의 실제 제방을 대상으로 침투모의를 수행하였고 제방에 설치된 센서를 통한 관측자료와 비교하여 모형의 적용성을 검토하였다. 또한 대하천 정비사업으로 달라질 수 있는 홍수 파형과 제방형상에 따른 지하수 침투거동을 Case별로 모의하여 제방의 안정성을 분석하고 평가하였다.
- (1)은 압력수두 h에 관한 비선형 편미분 방정식이 되며 이 식의 해는 아주 제한적인 조건에서만 구할 수 있으므로 수치모형을 사용하여 불포화흐름을 계산하는 것이 일반적이다. 본 논문에서는 불포화침투를 해석하는 상용 소프트웨어인 SEEP/W를 사용하여 해석을 수행하였다. Lim et al.
- 본 연구에서는 Seepage Modeling with SEEP/W(Geo-Slope International Ltd., 2004)에 수록된 각종 토양 물성치 샘플 중에 본 연구대상의 토양과 가장 유사한 샘플을 비교하여 추정곡선의 매개변수(α = 100cm-1, n = 2.0)를 산정하였다.
- 그리고 그 중 파이핑 안정성이 가장 낮은 150년 빈도 홍수위를 기준으로 홍수파형을 변화시켜 이에 따른 지하수 침투거동을 모의하였다. 본 연구에서는 낙동강 수계 정곡제외 1개지구 하천개수공사 실시설계 보고서(MLTM, 2003)에 수록된 율지제의 홍수파형을 참고로 하여 홍수위 도달시간, 지속시간, 수위하강시간을 변화시킨 변형 홍수파형을 SPPE/W의 수위조건으로 입력하여 이에 따른 제방의 동수경사를 추정하였다. 율지제의 홍수파형은 Fig.
- Table 1에서 SP는 입도분포 불량한 모래 또는 자갈섞인 모래, SM은 실트질 모래 또는 실트섞인 모래, CL은 모래 섞인 점토 또는 실트 섞인 점토 또는 점성이 낮은 점토이다. 부정류 모의시 모형의 안정화를 위해 하천수위 EL.10 m을 경계조건으로 적용하여 400시간동안 워밍업을 하고 그 후에는 율지제 홍수파형에 따른 수위변화를 적용하였다. Θ에 관한 비선형 함수는 Van Genuchten모형을 적용하였다.
- SEEP/W의 실제 제방에의 적용성을 검증하기 위하여 율지제의 수위 계측 자료가 존재하는 기간(2012년 8월 21일∼2013년 2월 28일)을 대상으로 모의를 수행하여 계측지하수위와 비교하였다. 앞에서 서술한 바와 같이 하천수위는 SEEP/W에서 경계조건으로 처리되며 본 연구에서는 경계조건 수위를 산정하기 위해 HEC-RAS를 이용하여 회천수위를 산정하였다. Fig.
- 실제로 제방으로부터 700 m 지점까지는 모두 경작지로 이용되고 있으며, 700 m 끝단에는 지방도 1034호선(오광대로)이 있다. 유한요소망의 요소수는 2,441개로 Fig. 3과 같이 경계조건으로부터 100 m 까지는 1m2에 1개의 격자로 구축하였으며 100 m 이후는 분석대상이 아니기 때문에 5m2에 1개의 유한요소망으로 구축하여 계산시간과 저장용량을 단축하였다.
- 최근 한국수자원공사에서는 제방누수감지기술 현장 적용 및 분석을 위해 율지제를 Testbed로 선정하여 계측센서(간극수압계, 수위계, 온도계)들을 설치한 바 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 율지제에 설치된 센서들의 계측자료를 이용하여 2차원 지하수모의를 통해 검증을 수행하였다.
- 제방형상의 변화에 따른 제방 안정성의 변화를 검토하기 위하여 제방고와 제방폭을 변화시켜 이에 따른 침투거동을 모의하고 안정성을 평가하였다. 대하천 정비사업에서 보축재료의 성토를 통해 제방을 보강한 것을 참고로하여 본 연구에서는 Table 4, Fig.
- 하천변화에 따른 지하수 침투거동을 모의하고자 하였고, 이를 위해 우선 확률빈도별(20∼150년) 홍수위에 따른 지하수 침투거동을 모의 및 분석하였다.
대상 데이터
- 경상남도 합천군 덕곡면 율지리에 위치한 본 연구대상 제방은 낙동강 연안 개발사업 하천개수공사로 1991년도에 축조되었으며, 회천(지방하천) 우안측 경상남도와 경상북도의 경계지점 야산에서 시작하여 낙동강 본류 우안측으로 연결되어 율지교를 지나 낙동강 본류 우안측으로 유입되는 덕곡천(지방하천)의 좌안측을 따라 덕곡천 상류측에 위치한 병배리에 위치한 지방도 1034호선에 접하게 된다(MLTM, 2003).
- 율지제는 지류가 본류에 합류되면서 퇴적된 지역으로 투수성이 높은 기초지반의 특성을 가지고 있다. 대상지역은 2003년 태풍 매미피해기록이 보고된바 있는 지역이다. 율지제의 위치는 Fig.
- 5m이고, 제내지와 제외지 끝단의 사이 폭은 37 m이며 제내지와 제외지 사면경사는 1 : 2이다. 모의영역의 전체 길이는 700 m로 하천수위의 경계조건이 영향을 미치지 않는 범위까지 적용하였다. 실제로 제방으로부터 700 m 지점까지는 모두 경작지로 이용되고 있으며, 700 m 끝단에는 지방도 1034호선(오광대로)이 있다.
- 본 연구에서 활용된 제방단면은 간극수압계가 설치된 Testbed Section-3의 횡단면이다. Section-3은 간극수압 센서가 설치된 Section-1보다 낙동강 본류에서 더 멀리 떨어진 구간이므로 본류로부터의 배수영향이 적으며 계측상태가 양호한 것으로 판단된다.
- 4 그래프와 동일한 시점인 2012년 8월 22일 00:00부터 수위변동이 가장 심했던 2012년 9월 5일 23:00을 분석기간으로 선정하였다. 분석대상은 wp-10계측 데이터이며 SEEP/W에서 가장 민감한 변수인 투수계수와 체적함수비를 각각 변화시켜가며 모의하였고 Fig. 5에 모의 결과를 도시하였으며 그 결과 매개변수의 변화에 따라 최대지하수위는 변할 수 있으나 평균적인 수위는 크게 차이가 없는 것으로 나타났다. Fig.
- 4와 같으며 모의결과와 계측치는 매우 비슷한 경향을 나타내지만 일정한 수위오차가 존재하는 것을 알 수 있다. 오차의 원인 분석하기 위해 민감도 분석을 실시하였으며 민감도 분석의 시간을 줄이기 위해 Fig. 4 그래프와 동일한 시점인 2012년 8월 22일 00:00부터 수위변동이 가장 심했던 2012년 9월 5일 23:00을 분석기간으로 선정하였다. 분석대상은 wp-10계측 데이터이며 SEEP/W에서 가장 민감한 변수인 투수계수와 체적함수비를 각각 변화시켜가며 모의하였고 Fig.
- 9 m로 설정하였다. 투수계수와 체적함수비는 모형실험을 활용한 제방의 누수 메커니즘 규명 연구 최종보고서(KWRC, 2012)와 낙동강 수계 정곡제외 1개지구 하천개수공사 실시설계 보고서(MLTM, 2003)에 수록된 투수계수와 체적함수비를 토대로 선정하였으며 대상현장의 지층 구성도는 Table 1과 같다. Table 1에서 SP는 입도분포 불량한 모래 또는 자갈섞인 모래, SM은 실트질 모래 또는 실트섞인 모래, CL은 모래 섞인 점토 또는 실트 섞인 점토 또는 점성이 낮은 점토이다.
이론/모형
- Θ에 관한 비선형 함수는 Van Genuchten모형을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 빈도별 홍수위를 통한 율지제의 침투안전성을 분석해본 결과 동수경사에 의한 안전율은 1.185∼1.406로 분석되었으며 국내에서 규정하고 있는 안전율 기준인 2.0보다 작으므로 파이핑 현상으로부터 안전하지 않은 것으로 나타났다.
- 2) 제방고에 따른 변화에서는 제방고가 상승할수록 최대동수경사는 상승하지만 홍수위 지속시간 초반부터는 전반적으로 동수경사가 감소하는 것을 알 수 있었다. 제방폭의 상승에 따른 결과와 제방폭과 제방고를 함께 변화시킨 모의결과도 제방고의 상승에 따른 모의 결과와 거의 동일한 경향을 나타내었다.
- 3) 실제제방에 센서를 설치하여 지하수위를 계측하고자 하는 시도는 국내에서는 처음 시도되는 만큼 아직 관측자료 자체에 대한 검증 및 보정이 부족한 점이 있다. 하지만 앞으로 이와 같은 관측 자료는 꾸준히 늘어날 것으로 보이며 많은 양의 자료를 바탕으로 관측자료가 충분히 검증이 된다면, 본 논문에서 제시한 홍수위 및 제방형상에 따른 제방안정성 분석 방법이 앞으로의 제방보강 및 연구에 큰 도움이 될 것으로 사료된다.
- 7(b), (c), (d)와 같다. Fig. 7(a)에서와 같이 공통적으로 동수경사가 홍수위 지속시간 초반까지 급격하게 증가하여 최대동수경사를 나타내다가 급격한 감소를 나타내었고 홍수위 지속시간 중반에 접어들면서 서서히 상승하는 경향을 보였으며 홍수위 하강시간에 이르러 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. Table 3과 같이 홍수위 도달시간이 증가하는 경우에는 최대동수경사가 미세하게 증가하였으나 홍수위 지속시간과 홍수위 하강시간은 최대동수경사에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- Table 3과 같이 홍수위 도달시간이 증가하는 경우에는 최대동수경사가 미세하게 증가하였으나 홍수위 지속시간과 홍수위 하강시간은 최대동수경사에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 결론적으로 율지제의 경우 홍수파형은 제방의 최대동수경사에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
- 모든 확률빈도에서 홍수 발생 20시간 부근에서 최대동수경사가 나타나고 그 후 동수경사는 감소하다가 확률 빈도에 따라 40∼80시간을 전후로 하여 두 번째 상승현상이 나타나며 100시간 부근에서 급격하게 감소한다. 두 번째 상승의 경우 동수경사의 상승폭은 확률빈도에 따라 큰 차이를 보이나 최대동수경사는 첫 번째 상승에서 보이며 두 번째 상승에 비해 확률빈도에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 이는 홍수초기 불포화투수계수가 시간에 따라 크게 변하는 것이 주요 원인이며 제방의 안정성이 제방의 형상과 홍수파형에 따라 복합적인 영향을 받는다는 것을 뜻한다. 따라서 단순히 제방고를 올리거나 제방의 폭을 늘리는 방법이 제방의 파이핑 안정성을 증가시킨다고 볼 수 없으며 오히려 율지제의 경우 안정성을 저하시킬 수도 있는 것으로 나타났다.
- 모든 확률빈도에서 홍수 발생 20시간 부근에서 최대동수경사가 나타나고 그 후 동수경사는 감소하다가 확률 빈도에 따라 40∼80시간을 전후로 하여 두 번째 상승현상이 나타나며 100시간 부근에서 급격하게 감소한다.
- 437로 나타났으며 홍수파형부분에서 기술한 바와 같이 파이핑 현상으로부터 위험 가능성이 있는 것으로 나타났다. 안전율을 기준으로 판단하면 율지제의 경우 150년 빈도 홍수위에 대하여 오히려 제방고와 폭을 1 m씩 줄이는 것이 늘리는 것보다 안전한 것으로 나타났다.
- 그리고 홍수위 지속시간 중에 지하수위가 제방의 보축부분 하부까지 상승하는 시점부터 동수경사는 다시 증가하기 시작하며, 홍수위 하강시간이 되면 급격하게 하강한다. 안정성에 대해 살펴보면 동수경사의 파이핑 안정성은 본 연구에서 수행한 모든 예측 모의에서 안전하지 않은 것으로 나타났다.
- 앞에서 모의된 결과를 종합해보면, 홍수파형과 제방형상에 따른 공통적인 동수경사 변는 홍수위 지속시간 초반에는 전체적으로 기초지반의 지하수위가 급격히 상승하게 되어 수류방향이 지표면과 수직에 가까워지기 때문에 최대가 된다. 또한 홍수위 지속시간에 접어들면 지하수위 상승율이 감소하므로 지표면을 향해 흐르던 수류방향은 지표면과 평행한 방향으로 변하게 되고 그때부터 동수경사는 하강하기 시작한다.
- 이를 통해 각 빈도별 Case를 SEEP/W로 해석하고 안전율을 산정한 결과 1.177∼1.406을 나타내었고 나머지 홍수파형 Case에 대해서도 산정한 결과 모든 Case의 안전율이 국내기준인 2.0에 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 9(a), Table 5와 같다. 전반적으로 제방고의 상승 시 최대동수경사가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 제방의 폭과 높이가 증가할수록 제내지 끝단의 지하수 지표누출이 지연되며 침투유량은 증가하여 그만큼 첫 번째 최대동수경사가 상승하지만, 지하수 지표누출이 시작되면서부터 동수경사가 하락하고 두 번째 최대동수경사도 감소하는 것으로 판단된다.
- 5 m 정도의 일정한 간격을 가지고 동조하고 있는 것을 알 수 있다. 즉 일정한 동수경사를 유지하며 지속적으로 낙동강 본류에서 제내지로 지하수가 유입되고 있는 상황으로 보이며, 유입된 지하수는 회천으로 유출되는 것으로 추정된다. 하지만 wp-06과 wp-10 사이의 거리는 약 40 m로 지하수의 유동이 지표수의 유동에 비해 느린 점을 감안하더라도 비교적 짧은 거리이며 1.
- 가공되지 않은 데이터(Raw Data)로부터 간극수압을 계산하기 위하여 사용된 매개변수는 센서가 매설되기 전 실내실험과의 비교를 통하여 추정되었다. 하지만 실험모형과 실제 제방과의 스케일 차이 또는 매설 위치의 불확실성을 고려하면 데이터로부터 간극수압 산출 과정에서 오차가 발생할 가능성이 있으며, 결과를 고찰해 보면 긴 기간 동안의 제방에서의 높은 동수경사는 오차의 영향을 받은 것으로 판단된다. 다수의 지점에 수위센서를 매설하여 제방의 지하수위를 관측하려는 시도는 국내에서 처음 진행되는 것으로 보다 정확한 관측값을 얻기 위해서는 추가적인 검증 및 보정 과정이 필요한 것으로 보인다.
- 실제 제방에 센서를 설치하여 간극수압을 관측하고 이를 수위로 환산하여 침투유동모의와 비교하는 연구는 국내에서 처음 시도되는 것이다. 현 시점에서 관측 데이터를 그대로 모형의 검증 및 매개변수의 동정에 사용하는 것은 어려운 것으로 보이며 센서의 Raw 데이터를 수위값으로 산정시 추가적인 검보정이 필요한 것을 본 논문에서의 고찰을 통해 알 수 있었다. 또한 연구대상지역이 낙동강 합류부에 위치한다는 3차원적인 특성을 2차원 모형에서 반영하기 어렵다는 한계도 확인할 수 있었다.
- 0보다 작으므로 파이핑 현상으로부터 안전하지 않은 것으로 나타났다. 홍수파형 예측 모의에서는 각 인자(홍수위도달시간, 홍수위지속시간, 홍수위하강시간)들의 변화에도 불구하고 유출부의 침투유동에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러므로 유출부의 침투유동에 가장 큰 영향을 미치는 하천인자는 수위인 것으로 판단되었다.
후속연구
- 하지만 실험모형과 실제 제방과의 스케일 차이 또는 매설 위치의 불확실성을 고려하면 데이터로부터 간극수압 산출 과정에서 오차가 발생할 가능성이 있으며, 결과를 고찰해 보면 긴 기간 동안의 제방에서의 높은 동수경사는 오차의 영향을 받은 것으로 판단된다. 다수의 지점에 수위센서를 매설하여 제방의 지하수위를 관측하려는 시도는 국내에서 처음 진행되는 것으로 보다 정확한 관측값을 얻기 위해서는 추가적인 검증 및 보정 과정이 필요한 것으로 보인다. 망실 및 설치점검기간(2012년 8월 22일∼9월 30일)을 기준으로 2012년 8월 22일 00:00부터 2013년 2월 28일 까지의 wp-10 (제내지측에 위치한 모형 보정에 이용한 센서)과 모형결과의 결정계수는 0.
- 현 시점에서 관측 데이터를 그대로 모형의 검증 및 매개변수의 동정에 사용하는 것은 어려운 것으로 보이며 센서의 Raw 데이터를 수위값으로 산정시 추가적인 검보정이 필요한 것을 본 논문에서의 고찰을 통해 알 수 있었다. 또한 연구대상지역이 낙동강 합류부에 위치한다는 3차원적인 특성을 2차원 모형에서 반영하기 어렵다는 한계도 확인할 수 있었다. 하지만 시간에 따른 상대적인 변동값은 하천수위의 변화 및 모의된 변동값과 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 3) 실제제방에 센서를 설치하여 지하수위를 계측하고자 하는 시도는 국내에서는 처음 시도되는 만큼 아직 관측자료 자체에 대한 검증 및 보정이 부족한 점이 있다. 하지만 앞으로 이와 같은 관측 자료는 꾸준히 늘어날 것으로 보이며 많은 양의 자료를 바탕으로 관측자료가 충분히 검증이 된다면, 본 논문에서 제시한 홍수위 및 제방형상에 따른 제방안정성 분석 방법이 앞으로의 제방보강 및 연구에 큰 도움이 될 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.