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문제 정의
- (2014)이 수위의 상승속도에 따른 저수지 제체의 거동특성에 관한 연구를 수행하였으나 현재까지 저수지 제체에 대해 속도변화를 고려하여 수위의 상승 및 하강을 지속적으로 모사한 연구는 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 속도변화를 고려한 지속적 수위승강을 모사하고, 이에 따른 제체의 간극수압 및 변위거동을 구체적으로 검토하고자 한다. 이와 함께 기후변화로 인한 기습적 폭우에 따른 월류 시 제체의 파괴거동을 모사하고 그 결과를 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 현장응력상태 및 수위변동을 재현한 원심 모형실험을 통하여 저수지 제체에 대해 속도변화를 고려한 지속적 수위승강을 모사하였으며, 이에 따른 제체의 간극수압 및 변위거동을 구체적으로 검토하였다. 또한 기후변화에 따른 기습적 폭우 상황을 상정한 월류 시 제체의 파괴거동을 모사하고 그 결과를 고찰하였다.
- 따라서 본 연구에서는 속도변화를 고려한 지속적 수위승강을 모사하고, 이에 따른 제체의 간극수압 및 변위거동을 구체적으로 검토하고자 한다. 이와 함께 기후변화로 인한 기습적 폭우에 따른 월류 시 제체의 파괴거동을 모사하고 그 결과를 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 2) 1축 Actuator에 연결한 직각삼각형 형태의 Steel box를 침수 및 인양하여 평수위(EL. 9.2 m)와 계획홍수위(EL. 12.7 m) 사이에서 고속, 중속 및 저속상태로 총 3회 수위를 승강시킨다. 여기서 수위상승과 하강간에는 83.
- 여기서 코어용 거푸집을 이용하여 중심 코어를 1층 축조 후 사력재료용 거푸집을 이용하여 하류측 및 상류측의 제체를 축조하였으며, 이를 7회 반복하였다. 다짐도 및 함수비를 동일하게 관리하기 위하여 각 층별로 요구되는 재료 및 물의 양을 계산하여 조속히 혼합 후 다짐을 실시하였다. 제체의 다짐도는 93 %로 관리하였으며(0.
- 본 연구에서는 현장응력상태 및 수위변동을 재현한 원심 모형실험을 통하여 저수지 제체에 대해 속도변화를 고려한 지속적 수위승강을 모사하였으며, 이에 따른 제체의 간극수압 및 변위거동을 구체적으로 검토하였다. 또한 기후변화에 따른 기습적 폭우 상황을 상정한 월류 시 제체의 파괴거동을 모사하고 그 결과를 고찰하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 93 kN/m3), 함수비는 실제의 제체 시공을 고려하여 최적함수비보다 습윤측인 15 %로 설정하였으며, 코어의 함수비는 20 %로 설정하였다. 또한 제체와 토조 벽면의 경계부로의 유로를 차단하기 위하여 토조 벽면에 Silicon grease를 도포하여 지수를 시행하였다. 이후 모형 제체의 원심장에서의 안정성 확보를 위해 50 g의 원심재하에 의한 안정화 작업을 30분간 수행한 뒤 거푸집을 모두 제거하여 모형 제체의 시공을 완료하였다.
- 모형 제체의 축조를 위해, 제체를 7층으로 분할하여 다짐에 의한 시공을 실시하였다. 여기서 코어용 거푸집을 이용하여 중심 코어를 1층 축조 후 사력재료용 거푸집을 이용하여 하류측 및 상류측의 제체를 축조하였으며, 이를 7회 반복하였다.
- 12는 연직변위의 경시변화를 나타낸다. 본 과정에서는 전술한 바와 같이 평수위(EL. 9.2 m)에서 계획홍수위(EL. 12.7 m)까지 50 g 원심장에서의 물 공급을 통해 수위를 상승시킨 후, 수위승강과정에서 설정된 고속상태로 Steel box를 수침시켜 월류 수위(EL. 15.0 m) 도달 및 월류를 발생시킨다. 여기서 물 공급에 의한 계획홍수위까지의 수위상승에 대하여 제체 상류부 표면에 가장 근접한 P1에서의 간극수압 계측결과를 통해 역산한 수위상승속도는 1.
- 7 m이다. 본 실험기는 계측용 컴퓨터를 원심모형실험기의 중앙부에 설치하여 장비와 함께 회전하도록 구성하였으며, Fiber Optic Rotary Joint(FORJ)를 이용한 컴퓨터 통신을 활용함으로써 효과적인 계측을 수행할 수 있고, 실험기 하단에 Fluid Rotary Joint가 설치되어 원심재하 중에 실험에 필요한 용수, 공압, 유압 등을 모형토조 내로 공급할 수 있다. 원심모형실험 장비의 자세한 제원은 Kim et al.
- 본 실험에서는 제체의 변위 및 간극수압의 측정을 위하여 제정부 및 제체의 하류측에 각 1개의 변위계(L1, L2)를, 제체 저부에 5개의 간극수압계(P1∼P5)를 설치하였다.
- 본 원심모형실험에서는 조성된 모형 제체에 대하여 속도를 3가지로 변화시켜 평수위(EL. 9.2 m)와 계획홍수위(EL. 12.7 m)간의 수위승강을 실시한 뒤, 계획홍수위(EL. 12.7 m) 도달 후 월류수위(EL. 15.0 m)까지의 수위상승을 통해 월류를 발생시켰다. 여기서 평수위 및 계획홍수위는 실제 설계 단면에 근거하여 설정하였음을 밝혀둔다.
-
1) 간극 수압
수위승강 과정에서는 평수위(EL. 9.2 m)에서 수위상승을 개시하는 시점(62.5시간 이후)부터 계측을 수행하였으며, 1,440시간 동안의 수위승강을 실시하였다. Fig.
- Steel box에 의해 제어된 수위승강속도를 Table 3에 나타내었다. 여기서 model scale 및 50 g 원심장에서의 prototype 환산 scale로 표시된 수위승강속도를 각각 Vmod 및 Vpro로 표시하였다. 중속 및 저속상태의 수위승강속도는 고속상태의 약 50%, 25%에 해당한다.
- 모형 제체의 축조를 위해, 제체를 7층으로 분할하여 다짐에 의한 시공을 실시하였다. 여기서 코어용 거푸집을 이용하여 중심 코어를 1층 축조 후 사력재료용 거푸집을 이용하여 하류측 및 상류측의 제체를 축조하였으며, 이를 7회 반복하였다. 다짐도 및 함수비를 동일하게 관리하기 위하여 각 층별로 요구되는 재료 및 물의 양을 계산하여 조속히 혼합 후 다짐을 실시하였다.
- 제체의 다짐도는 93 %로 관리하였으며(0.93 γdmax=17.93 kN/m3), 함수비는 실제의 제체 시공을 고려하여 최적함수비보다 습윤측인 15 %로 설정하였으며, 코어의 함수비는 20 %로 설정하였다.
대상 데이터
- 그러나 본 원심모형실험에서는 동적 조건을 고려하지 않으므로 간극유체로서 물을 사용하였으며, 이때의 실규모(Prototype)에서의 시간은 Table 1에서 정리한 바와 같이 N2배가 된다. 또한 수위를 가시화하기 위하여 수돗물 150 L에 수공학 분야에서 추적자 조사 등에 사용되는 색소인 우라닌(Uranine : Fluorescein sodium, Yellow No. 202) 12 g을 희석한 우라닌 수용액을 제조하여 실험에 사용하였으며, 우라닌의 희석이 간극유체의 점성에 미치는 영향은 미소할 것으로 사료되었다(Lee, 2012). 여기서부터 특별한 언급이 없는 한, 모든 물리량은 Prototype으로 기술한다.
- 원심모형실험을 위한 저수지 제체의 단면은 한반도 동북부에 위치한 실제 저수지 제체의 설계 단면과 국내 저수지의 현황 및 제원 등을 종합적으로 고려하여 결정하였으며, 제방고 15 m와 사면구배 1:2의 제원을 가진다. 본 실험에서 사용된 제체는 사력재료(shell)와 코어(core)로 구성된다. 제체의 모형은 50 g의 원심가속도를 상정하여 1/50의 축척으로 설정하였으며, 코어 재료는 실제 제체의 투수성을 모사하기 위해 점토 90 %와 Bentonite 10 %를 혼합하여 사용하였다.
- 5 m의 제원을 가진다. 본 실험장비는 kreonet을 이용하는 KOCED 시설 중 Geocentrifuge 센터에 설치되어 있으며, 최대 2,400 kg의 모형하중에 대해 100 g까지의 원심재하가 가능하고 실험 최대용량은 240 g-ton이다.
- 본 연구에서는 중형의 Beam형 원심모형실험기(한국과학기술원 소재, Fig. 1 참조)를 이용하였으며, 회전반경 5.0 m, 유효반경 4.5 m의 제원을 가진다. 본 실험장비는 kreonet을 이용하는 KOCED 시설 중 Geocentrifuge 센터에 설치되어 있으며, 최대 2,400 kg의 모형하중에 대해 100 g까지의 원심재하가 가능하고 실험 최대용량은 240 g-ton이다.
- 여기서 변위의 측정에는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)가 사용되었으며, LVDT와의 접촉부에 1 cm×1 cm 크기의 얇은 철판을 제체 표면에 설치하였다.
- 원심모형실험을 위한 저수지 제체의 단면은 한반도 동북부에 위치한 실제 저수지 제체의 설계 단면과 국내 저수지의 현황 및 제원 등을 종합적으로 고려하여 결정하였으며, 제방고 15 m와 사면구배 1:2의 제원을 가진다. 본 실험에서 사용된 제체는 사력재료(shell)와 코어(core)로 구성된다.
- 본 실험에서 사용된 제체는 사력재료(shell)와 코어(core)로 구성된다. 제체의 모형은 50 g의 원심가속도를 상정하여 1/50의 축척으로 설정하였으며, 코어 재료는 실제 제체의 투수성을 모사하기 위해 점토 90 %와 Bentonite 10 %를 혼합하여 사용하였다. 사력재료 및 코어의 입도분포곡선, 사력재료의 다짐 곡선 및 물성치를 각각 Fig.
성능/효과
- (1) 제체 내의 간극수압 및 변위는 수위상승 및 하강속도에 비례하여 증감하였다. 여기서 제체의 수위상승 시 침하 경향은 제체 상류측의 수압하중 증가 및 침윤에 따른 제체의 체적수축에 기인하며, 수위하강 시 변위회복 경향은 제체 내 유효응력증가에 의한 영향보다 수압하중 감소에 의한 영향이 우세하였기 때문으로 판단된다.
- (2) 수위상승 및 하강 시 제정부가 제체 하류측 사면부보다 침하량 및 변위 회복량의 증분이 크게 나타났다. 그러나 제정부 및 제체 하류측 사면부의 변위증분은 수위승강 속도에 대하여 독립적인 것으로 판단된다.
- (3) 월류 시에는 제정 및 이에 근접한 제체 상류부 일부와 제체 하류측 사면에 세굴에 의한 파괴가 발생하였으며, 이로 인해 제정부 및 제체 하류측 사면부에 큰 침하량이 발생하였다.
- (4) 반복적이고 지속적인 수위변동은 변위의 누적을 통해 제체의 변형을 진행시키는 요인이 되며, 월류에 의해 저수지 제체의 안정성이 급격히 저하됨을 확인하였다. 따라서 호우 등으로 수위가 급상승하는 경우 간극수압, 변위 등을 실시간으로 감시하고, 이상 발생 시 수문개방 등을 통해 저수지의 수위급증을 방지하는 조치를 강구할 필요가 있다.
- B-C 구간의 경우 계획홍수위로부터 수위가 상승하여 월류수위에 도달한다. P1 및 P2에서의 간극수압은 수위상승을 빠르게 추종하며, 제체 상류측 최심부의 P3도 P1 및 P2와 유사한 기울기로 상승함이 확인되었다. 이는 본 구간에서의 수위상승속도가 O-A 구간의 약 25 % 수준으로, O-A 구간에 비해 간극수압 상승의 지연 시차가 적기 때문으로 판단된다.
- 13). 그 결과 제정부의 침하량이 급격히 증가하며 제체 하류측 사면부의 침하량도 지속적으로 증가하는 양상을 보이고 있다. 본 구간에서는 월류수위 이후 수위의 추가적 상승이 불가능 하므로 P1과 P2는 동일하게 유지되나 제체 상류측 최심부인 P3는 지속적으로 증가하고 있음이 확인된다.
- 여기서 수위상승 시의 침하경향은 제체 상류측의 수압하중 증가 및 침윤에 따른 제체의 체적수축에 기인한 것으로 사료되며, 수위하강 시의 변위회복 경향은 제체 내 유효응력증가에 의한 영향에 비해 수압하중의 감소에 의한 영향이 우세하였기 때문으로 판단된다. 또한 L1, L2 모두 수위상승 및 하강이 빠르게 진행되는 경우 변위속도가 큰, 즉 변위가 급격히 증가 및 감소하는 경향을 확인할 수 있으며, 연직변위는 제체의 하류측 사면보다 제정부에서 더 크게 발생함이 확인되었다.
- 7은 제정부(L1) 및 제체 하류측 사면부(L2)의 연직 변위 경시변화를 나타내고 있다. 본 결과로부터 제체는 수위상승 시 침하 및 수위하강 시 변위회복의 경향을 보임을 알 수 있다. 여기서 수위상승 시의 침하경향은 제체 상류측의 수압하중 증가 및 침윤에 따른 제체의 체적수축에 기인한 것으로 사료되며, 수위하강 시의 변위회복 경향은 제체 내 유효응력증가에 의한 영향에 비해 수압하중의 감소에 의한 영향이 우세하였기 때문으로 판단된다.
- 그 결과 제정부의 침하량이 급격히 증가하며 제체 하류측 사면부의 침하량도 지속적으로 증가하는 양상을 보이고 있다. 본 구간에서는 월류수위 이후 수위의 추가적 상승이 불가능 하므로 P1과 P2는 동일하게 유지되나 제체 상류측 최심부인 P3는 지속적으로 증가하고 있음이 확인된다. 제체 하류 측의 경우 P4는 계측 후 약 214시간에서 다소의 감소가 확인되며, 이는 월류에 의한 제체 하류측 사면부의 파괴에 따른 침투수의 이동에 기인한 것으로 사료된다.
- 분석 결과, 수위 상승 및 하강 시 제정부(L1)가 제체 하류측 사면부(L2)에 비해 침하량 및 변위 회복량의 증분이 크게 나타났다. 여기서 수위의 고속상승 시 제정부의 침하량 증분이 중속 및 저속상승 시에 비해 다소 크게 평가되었다.
- 6은 모형 제체의 상류측 및 하류측에 대한 수위승강 과정 중의 간극수압 경시변화를 나타낸다. 이로부터 간극수압은 수위상승 및 하강속도에 비례하여 증감함을 확인할 수 있으며, 투수성이 낮은 코어의 영향으로 하류측의 간극수압은 절대치가 작으며 상류측에 비해 둔감하게 반응함을 알 수 있다. 여기서 제체가 수위승강을 경험하기 전(t=0시간)의 간극수압이 수위승강 완료 시(t=1,440시간)의 간극수압보다 작게 나타나고 있음이 확인되며, 이는 불포화 조건인 제체가 수위 승강을 경험하기 전까지는 안정적 침윤선 형성을 위한 시간이 충분하지 않았기 때문인 것으로 사료된다.
- 이와 함께 모든 수위승강속도에 대하여 수위상승 후 대기(소요시간 : 83.3시간) 시에는 거의 모든 위치에서 제정부 및 제체 하류측 사면부의 연직변위 변화량이 미소하였으나, 수위하강 후 대기(소요시간 : 125.0시간) 시에는 침하가 발생하는 경향이 확인되었다. 이는 수위하강 후 대기 시에 제체 상류측 최심부의 지연된 간극수압 감소에 따른 유효응력의 증가에 기인하는 것으로 사료된다.
- 여기서 제체가 수위승강을 경험하기 전(t=0시간)의 간극수압이 수위승강 완료 시(t=1,440시간)의 간극수압보다 작게 나타나고 있음이 확인되며, 이는 불포화 조건인 제체가 수위 승강을 경험하기 전까지는 안정적 침윤선 형성을 위한 시간이 충분하지 않았기 때문인 것으로 사료된다. 이후 3회의 수위승강 중 평수위(EL. 9.2 m) 하부에서의 포화도가 지속적으로 증가하여, 수위승강 완료 후의 간극수압이 수위승강을 경험하기 전보다 크게 나타나는 것으로 판단된다.
- 5로부터 알 수 있듯이, 수위의 고속상승은 침윤선이 안정화되기 이전에 이루어져 제체의 포화도 변화가 중속 및 저속상승 시에 비해 컸으리라 사료된다. 제체 하류측 사면부는 모든 수위승강속도에서 수위상승에 따른 침하량 증분이 유사하게 나타났으며, 수위하강 시 변위 회복량 또한 수위승강속도에 따른 차이 없이 제정부 및 제체 하류측 사면부에서 유사한 양상을 보였다. 즉 수위승강속도에 관계없이 제정부 및 제체 하류측 사면부의 변위증분은 유사할 것으로 예상된다.
후속연구
- 원심모형실험은 1/N 크기의 축소모형에 대해 N g의 원심가속도를 적용하여 실규모(Prototype) 지반구조물의 응력 및 변형거동을 고찰하는 실험기법이다. 본 실험은 지반의 사면안정, 굴착 및 가시설, 지반환경, 연약지반에서의 지반개량 및 지반보강, 터널 및 지하구조물, 지진, 지반동역학, 기초 및 기타 토목구조물의 안정성 검토 등에 광범위하게 적용할 수 있다. 원심모형실험의 상사법칙을 Table 1에 나타내었다(Schofield, 1980).
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