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문제 정의
- 이에, 본 연구에서는 강정·고령보 상류 문산제의 배수통문 설치구간을 대상으로 합리적인 수위파형 결정방법 제시를 위하여 평수위 상승, 홍수위 지속, 수위강하, 강우빈도 등 수위파형 영향인자 변화에 따른 안정해석을 수행하여 파이핑 및 활동 등 제방 건전도를 평가하고 이를 이용하여 배수통문 설치 제방의 합리적인 수위파형 결정방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- al.(2014)에 의해 문산제 인근 성주수위관측소 관측결과로 부터 제안된 Fig. 3의 성주관측소 설계수위파형(평수위 상승시간 23시간(③), 홍수위지속시간 15시간(⑫), 수위강하시간 29시간(⑧))을 기본수위파형으로 하여 각 변화인자에 따른 영향을 검토하였다. 수위파형 변화인자 및 기호는 Table 2에서 보듯이 1) 평수위상승시간 6(①), 16(②), 23(③), 42(④), 57(⑤) 시간, 2) 수위급강하시간 11(⑥), 23(⑦), 29(⑧),58(⑨), 70(⑩) 시간, 3) 최대홍수위지속시간 8(⑪), 15(⑫), 27(⑬), 40(⑭), 53(⑮) 시간, 4) 홍수빈도 50년(⑫), 100년(⑯), 200년(⑰) 등으로 변화시켰으며, 수위급강하효과의 경우 투수성(k, cm/sec)과 t시간 동안 수위강하높이(h)를 고려한 수위강하속도(h/t, cm/sec)를 비교하여 발생잔류수 간극수압에 의한 활동영향을 고려하였다.
- 한편, 파이핑 및 활동해석은 안전율이 최소가 되는 1) 파이핑 및 제내지 활동안전율의 경우 홍수위지속시간의 최종시점(끝단), 2) 제외지 수위급강하에 의한 활동안전율의 경우 수위급강하시간의 최종시점(끝단)에서 수행하였다.
- 3의 성주관측소 설계수위파형(평수위 상승시간 23시간(③), 홍수위지속시간 15시간(⑫), 수위강하시간 29시간(⑧))을 기본수위파형으로 하여 각 변화인자에 따른 영향을 검토하였다. 수위파형 변화인자 및 기호는 Table 2에서 보듯이 1) 평수위상승시간 6(①), 16(②), 23(③), 42(④), 57(⑤) 시간, 2) 수위급강하시간 11(⑥), 23(⑦), 29(⑧),58(⑨), 70(⑩) 시간, 3) 최대홍수위지속시간 8(⑪), 15(⑫), 27(⑬), 40(⑭), 53(⑮) 시간, 4) 홍수빈도 50년(⑫), 100년(⑯), 200년(⑰) 등으로 변화시켰으며, 수위급강하효과의 경우 투수성(k, cm/sec)과 t시간 동안 수위강하높이(h)를 고려한 수위강하속도(h/t, cm/sec)를 비교하여 발생잔류수 간극수압에 의한 활동영향을 고려하였다.
- 3 참조)과 각 변화인자의 조합을 통하여 수행하였다. 각 변화인자의 조합은 평수위상승의 경우 기본 수위파형을 고려하여 최대홍수위지속시간을 15시간(⑫)으로, 수위강하시간을 29시간(⑧)으로 고정한 후 평수위상승시간 변화(①, ②, ③, ④,⑤)만을 고려한 5가지 수위파형조합(①+⑫+⑧, ②+⑫+⑧, ③+⑫+⑧ ④+⑫+⑧, ⑤+⑫+⑧)을 적용하였으며, 수위급강하･홍수지속시간･홍수빈도의 경우 기본수위파형에 각각의 변화인자의 변화를 적용하였다.
- 본 논문에서는 낙동강 문산제를 대상으로 배수통문 설치 시 평수위상승, 홍수위지속, 수위강하, 홍수빈도 등 수위파형 변화인자를 고려한 한계동수경사법, 한계유속법등에 의한 파이핑 안전성과 제내지 및 제외지 활동안전성에 대한 수치해석적 제방 건전도 평가를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이때, 각 변화인자 별 건전도평가는 각 변화인자의 영향만을 평가하기 위하여 기본 수위파형(Fig. 3 참조)과 각 변화인자의 조합을 통하여 수행하였다. 각 변화인자의 조합은 평수위상승의 경우 기본 수위파형을 고려하여 최대홍수위지속시간을 15시간(⑫)으로, 수위강하시간을 29시간(⑧)으로 고정한 후 평수위상승시간 변화(①, ②, ③, ④,⑤)만을 고려한 5가지 수위파형조합(①+⑫+⑧, ②+⑫+⑧, ③+⑫+⑧ ④+⑫+⑧, ⑤+⑫+⑧)을 적용하였으며, 수위급강하･홍수지속시간･홍수빈도의 경우 기본수위파형에 각각의 변화인자의 변화를 적용하였다.
- 한편, 침투 및 활동해석은 국내 하천제방 설계에 널리 이용되고 있는 캐나다 GEO-SLOPE 사의 SEEP/W 및 SLOPE/W 프로그램을 사용하였다. 이때, 제방 침투해석은 유한요소망의 경우 Fig. 2 (a)에서 보듯이 해석의 정밀도를 위하여 약 9,783개의 치밀한 3절점 및 4절점 평면요소로 구성하였으며, 요소망 크기의 경우 구조물 기초 설계기준･해설(KGS, 2009)에서 최적 침투해석 요소망 크기로 제안하고 있는 제방 높이의 1/10 또는 0.5m 이하 기준을 적용하였다.
대상 데이터
- al.(2014)에 의해 수행된 연구와 동일하게 홍수빈도 200년으로 설계된 낙동강의 문산제(제방고 7.39m, 여유고 2.0m 이상)를 대상으로 수행하였다. 이때, 배수통문 설치 제방의 건전도 평가를 위한 홍수빈도 변화에 따른 홍수위는 MLTM(2009)에 따라 200년 빈도 4.
- 또한, 각 지반의 지층구성 및 물성치는 Fig. 2 (b) 및 Table 1에서 보듯이 낙동강 본류 문산제(낙동강수계 하천 기본계획(변경) 보고서(MLTM, 2009)를 대상으로 대표적인 값을 선정하였으며, 배수통문의 경우 콘크리트로 적용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 0m 이상)를 대상으로 수행하였다. 이때, 배수통문 설치 제방의 건전도 평가를 위한 홍수빈도 변화에 따른 홍수위는 MLTM(2009)에 따라 200년 빈도 4.93m, 100년 빈도 4.28m, 50년 빈도 3.56m 등으로 고려하여 적용하였다(Kim et. al., 2014).
- 한편, 침투 및 활동해석은 국내 하천제방 설계에 널리 이용되고 있는 캐나다 GEO-SLOPE 사의 SEEP/W 및 SLOPE/W 프로그램을 사용하였다. 이때, 제방 침투해석은 유한요소망의 경우 Fig.
성능/효과
- (1) 평수위상승시간 변화에 따른 배수통문 설치 제방의 건전도는 평수위상승시간 변화(6시간～57시간)에 따라 파이핑 안전율의 경우 한계동수경사법의 경우 4.20～ 40.48, 한계유속법의 경우 4.97E+06～8.26E+07의 범위로 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 활동 안전율의 경우 제내지의 경우 2.72, 제외지의 경우 2.45로 배수통문 상부 활동사면 포화영역의 변화특성에 의해 변화가 거의 없는 것으로 평가되었다.
- (2) 수위급강하 시 배수통문 설치 제방의 건전도는 수위급강하시간 변화(70시간～11시간)에 따라 파이핑 안전율의 경우 한계동수경사법 5.15∼8.72, 한계유속법6.22E+06∼1.60E+07으로 각각 41% 및 61% 정도로 평수위상승 및 홍수위지속 효과에 비해 작게 나타났으며, 제외지 활동 안전율의 경우 2.44～2.45로 0.01% 정도 감소하여 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- (3) 홍수위지속시간 변화에 따른 배수통문 설치 제방의 건전도는 홍수위지속시간 변화(8시간～53시간)에 따라 파이핑 안전율의 경우 한계동수경사법 4.46～20.63, 한계유속법 6.29E+06～4.07E+07로서 두 평가법 모두 약 80% 정도로 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 활동 안전율의 경우 제내지 2.72, 제외지 2.45로서 홍수위 지속시간에 따라 약 10%의 변화가 발생하는 것으로 평가되었다.
- (4) 홍수빈도별 배수통문 설치 제방의 건전도는 50년, 100년, 200년 홍수빈도 적용 시 제방여유고 대비 최대 1.37m 정도의 작은 수위 차에 기인하여 파이핑의 경우 한계동수경사법 14.13～16.42, 한계유속법 2.74E+07～3.21E+07로서 각각 24% 및 34% 정도 변화하나, 제내지 활동의 경우 안전율 2.72로 변화가 없는 것으로 평가 되었다.
- (2014)의 연구결과와 동일하게 1) 문산제의 제방여유고 2.46m(200년 빈도 기준)와 2) 홍수빈도변화에 의한 작은 수위 차 (1.37m)의 영향으로 판단된다.
- (5) 배수통문 설치 제방의 건전도는 설계빈도 200년, 평수위상승시간 57시간, 홍수위지속시간 53시간 및 문산제 홍수사상에 의해 결정된 수위급강하시간 70시간 적용 시 각 변화인자 별 안전율의 변화가 작게 발생하는 경향을 보이는 것으로 평가되어 설계수위파형 설정 시 1) 최대 57 시간 이상의 평수위상승시간, 2) 홍수사상으로 구해진 지역별 수위급강하시간, 3) 최대 53 시간 이상의 홍수위지속시간, 40 홍수빈도 200년 빈도 등을 반영할 것을 제안한다.
- 따라서, 평수위 지속시간 증가에 따른 영향은 파이핑의 경우 동수경사가 크게 증가하여 안전율에 영향을 미치나 기준안전율 이상으로 평가되었으며, 활동의 경우 배수통문 설치 제방의 활동 비탈면 포화영역 변화가 발생되지 않아 안전율의 변화가 없는 것으로 평가되었다.
- 또한 평수위 상승에 따른 활동안전율 변화특성은 평수위상승시간 증가에도 활동 비탈면 포화영역 변화가 발생되지 않아 안전율의 변화없이 제내지의 경우 2.72, 제외지의 경우 2.45로 하천설계기준의 활동 기준안전율 1.3 이상을 만족하는 것으로 평가되었다.
- 배수통문 설치 제방의 파이핑 및 활동 안전율은 수위급 강하 시간의 단계적 변화(70시간～11시간)에 따라 파이핑에 대한 안전율의 경우 한계동수경사법 5.15∼8.72, 한계유속법 6.22E+06∼1.60E+07으로 각각 41% 및 61% 정도의 차이를 나타내고 있으며, 제외지 제방의 활동 안전율의 경우 2.44～2.45로 0.01% 정도 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5 및 Table 4 참조).
- 수위파형 변화인자에 따른 건전도 평가결과, 배수통문 설치 제방의 건전도는 설계빈도 200년, 평수위상승시간 57시간, 홍수위지속시간 53시간 및 문산제 홍수사상에 의해 결정된 수위급강하시간 70시간 적용 시 각 변화인자별 안전율의 변화가 작게 발생하는 경향을 보이는 것으로 평가되었다.
- 이때, 제방 건전도 평가 시 수위급강하효과는 제외지 활동 안전율과 관계있는 것으로 알려져 있으나, 해석결과 수위급강하 시간 변화에 따라 큰 차이를 보이지 않는 것으로 평가되었다. 이러한, 평가결과는 최대홍수위와 평수위의 수위차 4.
- 이때, 제안 수위파형을 이용한 배수통문 설치 제방의 건전도는 파이핑의 경우 한계동수경사법 5.21, 한계유속법 3.69E+06, 제내지 활동에 대한 안전율의 경우 2.72 등으로 하천설계기준 이상의 안전율을 보이는 것으로 평가되었다.
- 한편, 평수위 상승에 따른 파이핑 안전율 변화특성은 Fig. 4 (c) 및 Table 3에서 보듯이 한계동수경사법의 경우 4.20～40.48, 한계유속법의 경우 4.97E+06～8.26E+07의 범위로서 평수위 상승에 따른 파이핑에 의한 배수통문 설치 제방 건전도의 경우 크게 감소하는 경향을 보이나 하천설계기준 파이핑 기준안전율 2.0 및 100 이상을 만족하는 것으로 평가되었다. 이때, 파이핑에 대한 안전율이 기준안전율에 비해 상대적으로 큰 이유는 해석단면이 비탈경사 1:3에 제내지에 소단까지 있는 단면으로 누수에 대한 안정성의 경우 충분히 확보되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 한편, 홍수위지속시간에 따른 파이핑 안전율 변화특성은 Fig. 6 (c) 및 Table 5에서 보듯이 파이핑의 경우 한계동수경사법 4.46～20.63, 한계유속법 6.29E+06～4.07E+07범위로서 두 평가법 모두 약 80 %의 안전율 감소가 발생하였으며, 활동에 대한 안전율의 경우 제내지 2.72, 제외지 2.45로서 변화가 없는 것으로 평가되었다.
- 홍수빈도에 따른 파이핑 및 활동에 대한 안전율 변화는 Fig. 7 및 Table 6에서 보듯이 파이핑의 경우 한계동수경사법 14.13～16.42, 한계유속법 2.74E+07～3.21E+07로서 각각 24 % 및 34 % 정도 감소하는 특성을 보여주고 있으며, 제내지 활동에 대한 안전율 변화의 경우 2.72로 변화가 없는 것으로 평가되었다. 이러한 파이핑 및 활동 안전율 변화특성은 기존 조립토 제방에 대한 Kim et.
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