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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 농업용 저수지가 월류되었을 경우를 고려한 대형실내모형실험을 실시하고, riprap으로 보강하였을 경우를 기준으로 지오텍스타일과 무보강시에 제체와 여수토 접속부에서의 공극수압, 토압, 침하 및 붕괴거동을 비교 분석하고자 한다.
제안 방법
- 실내대형모형 토조는 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 토조 내부에는 실리콘 및 방수페인트로 처리하여 누수를 방지하였다.
- 수리모형실험의 축척은 일반적으로 1/15에서 1/50 범위에서 결정되므로 본 연구에서는 상사법칙의 효율성과 실내모형 실험규모의 여건 등을 감안하여 1/20으로 결정하였다(Noh and Lee, 2014).
- 5 (상류사면)으로 모형을 제작하였다. 여수토는 콘크리트와 합판을 이용하여 현장저수지 표고를 기준으로 1/20로 축소하고, 방수로 폭은 10 cm, 마루표고는 55 cm, 월류언체 표고는 65 cm가 되도록 하였고, 월류언체는 모형 실험의 여건상 비조절형으로 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.
- 따라서 본 논문에서는 제체모형 축소 축척에 비례 적용하고, 모형 실험의 용이성 등을 고려하여 최대입경이 40 mm인 쇄석을 사용하였으며, 빈 공간에 쇄석 25 mm를 추가적으로 설치하였다. 사용된 쇄석은 통일분류법상 GW, GP에 해당하고, riprap의 설치는 상류부 만수위 지점과 하류부 사면에 유격을 최대한 배제하여 설치하고, 충분한 다짐을 실시하였다.
- 따라서 본 논문에서는 제체모형 축소 축척에 비례 적용하고, 모형 실험의 용이성 등을 고려하여 최대입경이 40 mm인 쇄석을 사용하였으며, 빈 공간에 쇄석 25 mm를 추가적으로 설치하였다. 사용된 쇄석은 통일분류법상 GW, GP에 해당하고, riprap의 설치는 상류부 만수위 지점과 하류부 사면에 유격을 최대한 배제하여 설치하고, 충분한 다짐을 실시하였다.
- 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 적용 가능한 홍수량을 계산하였다.
- 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 적용 가능한 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 적용 가능한 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.
- 4는 riprap 보강 시 월류에 의한 붕괴형태를 0분, 50분, 100분, 150분 경과 후로 구분한 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.
- 본 연구에서는 농업용 저수지가 월류되었을 경우를 고려한 대형실내모형실험을 실시하고, riprap으로 보강하였을 경우를 기준으로 지오텍스타일과 무보강시에 제체와 여수토 접속부에서의 공극수압, 토압, 침하 및 붕괴거동을 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 모형은 길이(L)126 cm × 폭(W)540 cm × 높이(H) 95 cm 로 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(Lee and Noh, 2014).
- 제체를 구성하는 성토재와 점토재 내부에 작용하는 공극 수압과 토압을 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.
이론/모형
- , 2012). 제체의 보강방법에 관한 연구는 원심모형시험기를 이용한 저수지 월류시 제체보호공법, 보강재 형태에 따른 붕괴 양상 변화 등이 실험을 통해 분석하였다 (Chang et al., 2013; Joo et al., 2013).
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/sec 로 확인하였다. 실험과정의 붕괴양상은 비디오 카메라를 설치하여 전체 붕괴과정을 기록하였다.
- 150분 경과 후에는 여수토 접속부의 붕괴폭 38∼60cm, 깊이 2∼10cm로 약간 증가하였고, 접속부 상부에서 하부로 붕괴가 확장되는 형태를 나타냈다. 월류량 급증단계에서 접속부 상부 사석의 일부 붕괴로 인해 지오택스타일 및 무보강 시보다 붕괴 폭은 다소 크게 나타났으나, 시간이 진행됨에 따라 붕괴폭이 점점 더 감소됨을 알 수 있었고, 붕괴깊이도 최대 8cm 정도 작게 나타나 riprap 보강방법은 세굴과 붕괴 억제에 우수한 것으로 판단된다. 또한, 다른 방법으로 보강 시에는 제체 중앙부로 세굴이 확장되었으나 riprap 보강 시에는 중앙부로의 세굴을 차단하는 것으로 나타났다.
- 무보강시의 붕괴거동은 여수토 접속부에서 붕괴폭과 깊이가 증가하였고, 댐마루 상부가 붕괴되면서 하류사면에서도 붕괴범위가 확대되는 것으로 나타났다. 시간이 경과함에 따라 2-3개의 세굴방향을 통해 월류량이 증가하는 형태를 나타냈다.
- 시간이 경과함에 따라 2-3개의 세굴방향을 통해 월류량이 증가하는 형태를 나타냈다. 또한, 둑마루에서는 성토체만 붕괴가 발생되고 코어부는 거의 붕괴되지 않은 것으로 나타났는데, 둑 높임시 설치되었던 경사형 코어가 세굴을 최소화시켜 제체의 붕괴 가능성을 줄여주는 매우 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.
- 전체적으로 제방의 붕괴형태는 삼각형, 직사각형, 사다리꼴 등이 있는데 보강방법에 따라 매우 불규칙한 형태로 나타났다.
- 전반적으로 월류시 공극수압이 급격하게 상승된 것은 수위를 제방마루보다 높게 상승시키고 제체사면에 세굴과 붕괴가 발생되면서 변동폭이 크게 나타난 것으로 판단된다. riprap 및 지오텍스타일 보강 시 공극수압 변화는 만수위부터 월류 전까지는 점차적으로 상승하고, 월류 시작부터는 약간 상승하였으나 변화폭은 작게 나타났다. riprap 및 지오텍스타일 보강 방법은 월류 시 여수토 접속부와 경사형 코어 증고부에서 공극수압 변화폭이 작게 나타나 제체보강에 효과가 있는 것으로 판단된다.
- riprap 및 지오텍스타일 보강 방법은 월류 시 여수토 접속부와 경사형 코어 증고부에서 공극수압 변화폭이 작게 나타나 제체보강에 효과가 있는 것으로 판단된다. 무보강시 여수토 접속부의 공극수압은 급격하게 상승하는 것으로 나타났고, 붕괴폭이 커질수록 그 영향은 더 크게 나타났다.
- 무보강시의 토압은 둑마루 부분과 여수토 접속부에서 세 굴이 확대 되면서 급격하게 상승하였고, 경사형으로 신설된 코어에서는 세굴 영향을 최소화 시켜 토압 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 공극수압과 토압변화는 월류시 제체의 붕괴 가능성을 미리 판단하는데 유용한 자료로 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 여수토 접속부 중앙(P12)의 공극수압은 월류 전까지는 모두 변화를 나타내지 않았다. 무보강 시 공극수압은 세굴과 붕괴로 인해 매우 큰 변화양상이 나타났고, riprap 보강 시에는 월류량 급증단계에서의 붕괴로 인해 서서히 상승한 후 서서히 감소하였으며, 지오텍스타일 보강 시에는 큰 변화를 나타내지 않았다.
- 1. 월류에 의한 제체와 여수토 접속부에서의 붕괴 거동은 월 류량 급증단계에서는 접속부 상부의 riprap에서 슬라이딩 현상이 발생되어 다른 방법보다 붕괴폭이 약간 더 크게 나타났으나, 100분 경과 후에는 지오텍스타일 및 무보강시보다 세굴깊이와 세굴폭이 더 작아 riprap이 세굴을 감소 시키고 붕괴를 지연시켜 우수한 보강효과를 나타냈다. 또한, 다른 방법으로 보강 시에는 제체 중앙부로 세굴이 확장되었으나 riprap 보강 시에는 중앙부로의 세굴을 차단하는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 월류에 의한 제체와 여수토 접속부에서의 붕괴 거동은 월 류량 급증단계에서는 접속부 상부의 riprap에서 슬라이딩 현상이 발생되어 다른 방법보다 붕괴폭이 약간 더 크게 나타났으나, 100분 경과 후에는 지오텍스타일 및 무보강시보다 세굴깊이와 세굴폭이 더 작아 riprap이 세굴을 감소 시키고 붕괴를 지연시켜 우수한 보강효과를 나타냈다. 또한, 다른 방법으로 보강 시에는 제체 중앙부로 세굴이 확장되었으나 riprap 보강 시에는 중앙부로의 세굴을 차단하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 향후, 농업용저수지의 하류 사면을 보강하는 방법 중 riprap은 영구적인 방법으로 지오텍스타일 보강방법은 비상상황 대처방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2. Riprap 보강 시 월류에 의한 제체의 공극수압은 지오텍스타일을 보강 시와 유사하게 담수의 영향으로 증가하고 월류시 약간 상승하였으나 변화폭이 작게 나타나 제체보강에 효과가 있는 것으로 나타났고, 무보강 시에는 모든 위치에서 공극수압이 급격하게 상승하였으며 붕괴폭이 커질수록 그 영향은 더 크게 나타났다.
- 3. Riprap 보강 시 여수토 접속부의 상부, 중앙 및 하부에서의 토압은 지오텍스타일을 보강 시와 유사하게 월류 전․후에는 큰 변화를 나타내지 않았고, 상류사면, 코어하부에서 만월류가 시작되면서 급격하게 상승한 후 감소하였다. 무보강시에는 둑마루 부분과 여수토 접속부에서 세굴이 확대 되면서 급격하게 상승하였고, 경사형으로 신설된 코어에서는 세굴 영향을 최소화시켜 토압 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- Riprap 보강 시 여수토 접속부의 상부, 중앙 및 하부에서의 토압은 지오텍스타일을 보강 시와 유사하게 월류 전․후에는 큰 변화를 나타내지 않았고, 상류사면, 코어하부에서 만월류가 시작되면서 급격하게 상승한 후 감소하였다. 무보강시에는 둑마루 부분과 여수토 접속부에서 세굴이 확대 되면서 급격하게 상승하였고, 경사형으로 신설된 코어에서는 세굴 영향을 최소화시켜 토압 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 4. Riprap 보강 시의 침하량은 침하계 설치부근의 둑마루가 붕괴되지 않아 비교적 작은 침하를 나타냈고, 지오텍스타일 보강시에는 초기에 큰 변화 없이 일정하다가 월류에 의한 둑마루의 붕괴로 급격한 침하가 발생되었으며, 무보강 시에는 약간씩 증가하다가 월류시 침하량이 급격하게 증가하였다.
- 5. 월류에 의한 여수토 접속부 상부와 중앙에서의 공극수압은 무보강시에 급격하게 증가하였으나 riprap과 지오텍스타일로 보강하였을 경우에는 변화폭이 상대적으로 작게나타나 매우 효과적이고 우수한 보강방법이라고 판단된다. 또한, 여수토 접속부에서의 토압은 보강방법 별로 큰 차이가 나타나지 않아 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
후속연구
- 둑 높이기 사업으로 시공되는 많은 농업용 저수지도 적합한 설계에 따라 시공하였지만 단시일내에 완공된 상태에서 외적요인과 유지관리상태 등에 의해 위험요소가 잔존해 있다. 특히, 여수토 접속부가 월류되는 경우, 저수지의 붕괴를 막을 수 있는 보강방법을 검토하기 위해서는 월류 시 여수토 접속부의 거동 특성을 명확히 파악해야만 댐 하류부의 피해를 저감시키고 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획(EAP) 수립시 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 농업용 저수지에서의 계측기 매설은 거의 이루어지지 않기 때문에 여러 가지 이상요인에 대한 대처능력이 떨어질 수 밖에 없고, 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획을 수립하기 위한 자료 수집에 어려움이 있다. 따라서 극한상황 발생시 관련기관에서의 역할과 임무를 수행하는데 가장 정확한 계측 자료를 획득하므로서 비상상황 단계별로 대응절차를 마련할 수 있고, 안전하게 주민들을 대피시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 농업용저수지의 하류사면은 일부에만 toe drain을 설치하고 있고 하류사면 전체에 riprap으로 시공하는 저수지가 많지 않은 실정이지만, 여수토 접속부는 월류 시와 홍수위 시세굴로 인해 붕괴 가능성이 높다. 또한, 홍수위 시 측수로형 여수토의 흐름 특성상 수로에서 급격한 수위상승으로 인해 측벽에서 처오름 현상이 발생되어 세굴에 의한 여수토 파괴에 취약하며, riprap과 같은 보강방법이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 무보강시의 토압은 둑마루 부분과 여수토 접속부에서 세 굴이 확대 되면서 급격하게 상승하였고, 경사형으로 신설된 코어에서는 세굴 영향을 최소화 시켜 토압 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 공극수압과 토압변화는 월류시 제체의 붕괴 가능성을 미리 판단하는데 유용한 자료로 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 보강방법의 효과는 모두 확인하였지만, 향후 정확한 보강 효과의 차이는 시공성, 경제성 등을 포함하여 포괄적인 실험적 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한, 다른 방법으로 보강 시에는 제체 중앙부로 세굴이 확장되었으나 riprap 보강 시에는 중앙부로의 세굴을 차단하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 향후, 농업용저수지의 하류 사면을 보강하는 방법 중 riprap은 영구적인 방법으로 지오텍스타일 보강방법은 비상상황 대처방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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