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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 바텀 애쉬와 준설 혼합토의 일반적 제체 적용시 사면 안전율을 검토하였으며 각각의 토질정수에 대한 민감도를 분석하였다. 또한 다양한 제체 규모에 대한 검증을 위하여 제체 높이별로 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 제체 성토재로 바텀 애쉬와 준설토의 1:1 혼합토의 사용을 가정하였으며 중심 코어 재료로는 점토의 성질을 가진 준설토로 시공한다 가정하였다. 바텀 애쉬와 준설 혼합토와 준설토의 제체 적용성을 확인하기 위하여 제체 사면 안전율을 검토하였다. 사면 안전율을 분석하기 위한 바텀 애쉬와 준설 혼합토 및 저수지 준설토에 대한 기본 물성은 시험값을 사용하였다.
- 본 연구에서는 바텀 애쉬와 준설 혼합토의 저수지 제체 적용 가능성을 살펴보기 위하여 제체 규모에 따른 사면 안전율과 토질 정수의 민감도에 대하여 분석하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 본 연구에서는 제체 성토재로 바텀 애쉬와 준설토의 1:1 혼합토의 사용을 가정하였으며 중심 코어 재료로는 점토의 성질을 가진 준설토로 시공한다 가정하였다. 바텀 애쉬와 준설 혼합토와 준설토의 제체 적용성을 확인하기 위하여 제체 사면 안전율을 검토하였다.
제안 방법
- 1. 각 단면에 바텀 애쉬 준설 혼합토 및 준설토 물성치를 적용하여 각 사면의 활동 안전율을 분석하였으며 만수위시와 수위 급강하시에 대하여 상하류 사면 안전율을 계산하였다. 분석 결과, 60 m일 때 만수위시 하류사면 안전율을 제외하고 모든 경우 기준에 적합한 것으로 판단되며 일반적 농업용 저수지 제체 규모를 생각할 때 바텀 애쉬 준설 혼합토는 제체 성토재로 적합할 것이라 판단된다.
- 제체 높이 변화에 따른 안전율 및 토질 정수 민감도의 변화를 분석하기 위하여 단면 형상을 단순사면으로 설계하였으며 높이별 단면은 기본 단면에 높이에 따른 동등 비율을 반영하여 설계하였다. 댐마루 폭은 단면의 확대만을 고려하기 위하여 농림축산식품부에서 제공하는 설계 기준에 따라 제체 높이의 30 %로 설계하였으며 만수위 조건은 제체 높이의 80 %로 고정하였다. 극한 조건의 범위를 분석하기 위하여 상하류 사면의 경사도 n 값은 농업용 저수지 제체 일반적인 사면경사도인 2.
- 따라서 본 연구에서는 바텀 애쉬와 준설 혼합토의 일반적 제체 적용시 사면 안전율을 검토하였으며 각각의 토질정수에 대한 민감도를 분석하였다. 또한 다양한 제체 규모에 대한 검증을 위하여 제체 높이별로 분석을 실시하였다.
- 사면 안전율 해석시 수위는 만수위와 수위 급강하시를 고려하였으며 상하류 사면을 구분하여 해석을 실시하였다. 또한 모든 사면 안정 해석은 침투류 해석 후 작성된 침윤선을 적용하여 실시하였다. 각 경우에 대한 사면 안전율 해석 결과는 Table 5와 같다.
- 제체 높이에 따른 사면 안전율에 대한 토질 정수의 민감도 분석은 상류 및 하류사면을 구분하여 분석하였다. 또한 수위 조건은 만수위와 수위 급강하시를 고려하였다. 각 제체 높이별 만수위시 상류 사면 안전율에 대한 성토재와 중심 코어재의 토질 정수의 민감도 분석 결과는 Fig.
- 사면 안전율을 분석하기 위한 바텀 애쉬와 준설 혼합토 및 저수지 준설토에 대한 기본 물성은 시험값을 사용하였다. 또한 일반 토사 구성성분과의 비교를 위하여 X선을 이용해서 원소의 정성ㆍ정량 분석을 하는 XRF(X-ray fluorescence) 시험을 실시하였으며 건설재료로서의 활용 가능한지 여부를 판단하기 위하여 토양오염도 분석을 함께 실시하였다. 바텀 애쉬는 영흥도 화력 발전소 시료를 저수지 준설토는 물왕 저수지 준설토를 사용하였다.
- 마지막으로, 하류 급강하시 하류 사면 안전율에 대한 각 토질 정수의 민감도에 대하여 분석하였다. Fig.
- 바텀 애쉬와 준설 혼합토 및 준설토의 제체 성토재 및 코어 재료로의 활용 가능성을 분석하기 위하여 각 단면에 이를 적용하였을 때의 사면 안전율을 분석하였다. 사면 안전율 해석시 수위는 만수위와 수위 급강하시를 고려하였으며 상하류 사면을 구분하여 해석을 실시하였다.
- 바텀 애쉬와 준설 혼합토 및 준설토의 제체 성토재 및 코어 재료로의 활용 가능성을 분석하기 위하여 각 단면에 이를 적용하였을 때의 사면 안전율을 분석하였다. 사면 안전율 해석시 수위는 만수위와 수위 급강하시를 고려하였으며 상하류 사면을 구분하여 해석을 실시하였다. 또한 모든 사면 안정 해석은 침투류 해석 후 작성된 침윤선을 적용하여 실시하였다.
- 해석을 위한 제체는 중심 코어형 제체로 설계하였다. 제체 높이 변화에 따른 안전율 및 토질 정수 민감도의 변화를 분석하기 위하여 단면 형상을 단순사면으로 설계하였으며 높이별 단면은 기본 단면에 높이에 따른 동등 비율을 반영하여 설계하였다. 댐마루 폭은 단면의 확대만을 고려하기 위하여 농림축산식품부에서 제공하는 설계 기준에 따라 제체 높이의 30 %로 설계하였으며 만수위 조건은 제체 높이의 80 %로 고정하였다.
- 제체 높이에 따른 사면 안전율에 대한 토질 정수의 민감도 분석은 상류 및 하류사면을 구분하여 분석하였다. 또한 수위 조건은 만수위와 수위 급강하시를 고려하였다.
- 제체의 규모 변화에 따른 민감도 변화에 대한 정량적 분석을 위하여 제체 높이별로 토질 정수가 80 %에서 120 %로 증가할 때 변화하는 원상태 안전율 대비 비율의 차이를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 일반 토사 구성성분과의 비교를 위하여 X선을 이용해서 원소의 정성ㆍ정량 분석을 하는 XRF(X-ray fluorescence) 시험을 실시하였으며 건설재료로서의 활용 가능한지 여부를 판단하기 위하여 토양오염도 분석을 함께 실시하였다. 바텀 애쉬는 영흥도 화력 발전소 시료를 저수지 준설토는 물왕 저수지 준설토를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 시료에 대하여 기본 물성 시험과 강도시험, XRF 시험, 토양오염시험에 대한 결과는 각각 Table 1~3과 같다.
- 바텀 애쉬와 준설 혼합토와 준설토의 제체 적용성을 확인하기 위하여 제체 사면 안전율을 검토하였다. 사면 안전율을 분석하기 위한 바텀 애쉬와 준설 혼합토 및 저수지 준설토에 대한 기본 물성은 시험값을 사용하였다. 또한 일반 토사 구성성분과의 비교를 위하여 X선을 이용해서 원소의 정성ㆍ정량 분석을 하는 XRF(X-ray fluorescence) 시험을 실시하였으며 건설재료로서의 활용 가능한지 여부를 판단하기 위하여 토양오염도 분석을 함께 실시하였다.
- 해석을 위한 제체는 중심 코어형 제체로 설계하였다. 제체 높이 변화에 따른 안전율 및 토질 정수 민감도의 변화를 분석하기 위하여 단면 형상을 단순사면으로 설계하였으며 높이별 단면은 기본 단면에 높이에 따른 동등 비율을 반영하여 설계하였다.
데이터처리
- 침투류 해석과 사면 안정 해석에는 GEOSLOPE사의 지반공학 해석 프로그램 팩키지 GeoStudio 2007을 사용하였다. 각 토질정수의 변화 폭은 각각의 값 변화에 따른 안 전율 변화의 경향을 정확히 평가하기 위하여 프로그램에서 제공하는 최대한의 폭을 분석하여 80~120 % 값을 활용하였다. 본 연구에서 적용된 대표 단면은 Fig.
이론/모형
- 0을 적용하였다. 침투류 해석과 사면 안정 해석에는 GEOSLOPE사의 지반공학 해석 프로그램 팩키지 GeoStudio 2007을 사용하였다. 각 토질정수의 변화 폭은 각각의 값 변화에 따른 안 전율 변화의 경향을 정확히 평가하기 위하여 프로그램에서 제공하는 최대한의 폭을 분석하여 80~120 % 값을 활용하였다.
성능/효과
- 2. 민감도 분석 결과, 모든 수위 조건과 상하류 사면 모두 사면 안전율은 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각에 가장 민감하게 반응하였고 성토부 제체의 규모가 커짐에 따라 단위 중량에 대한 민감도는 줄어들었다. 또한 단위 중량은 증가로 인한 안전율 감소보다 단위 중량이 작아짐으로 인한 안전율 증가의 폭이 더 크게 나타났다.
- 3. 높이 변화에 따른 민감도의 변화는 각 수위 조건과 상하류 사면에 따라 다소 다르게 나타났으며 수위 급강하시 상류 사면의 경우 제체 높이가 증가함에 따라 성토재 단위 중량의 민감도가 매우 낮아져 60 m에서는 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 바텀 애쉬와 준설 혼합토를 제체에 적용시 기준하는 상황에 따라 적합한 토질 정수 관리가 필요하다.
- 4. 제체의 규모 변화에 따른 민감도 변화에 대한 정량적 분석 결과, 모든 수위 조건과 상하류 사면 모두에서 제체의 높이가 증가함에 따라 제체 단위 중량 증가에 따른 안전율 감소 효과가 낮아 졌고 내부마찰각 증가에 따른 안전율 상승효과가 커지는 것으로 나타났으며 점착력 증가에 따른 안전율 상승효과는 다소 낮아졌다.
- 5. 본 연구결과를 종합적으로 분석하여 볼 때, 전체 안전율은 단위중량이 감소할 경우에는 단위중량의 영향으로 안전율이 크게 증가하나 단위중량이 증가할 경우, 그로 인한 안전율 감소보다 점착력과 마찰각의 증가로 인한 안전율 상승 효과가 더 높게 나타났다. 다짐을 많이 하면 단위중량 높아지고 강도정수인 점착력과 마찰각이 변화하기 때문에 바텀 애쉬와 준설 혼합토의 제체 활용을 위해서는 단위 중량을 결정하는 다짐관리가 중요할 것이라 판단된다.
- 하지만 낮은 변동 범위 안에서는 낮은 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 강도 정수인 점착력과 마찰각의 경우 제체의 규모가 커짐에 따라 점착력의 민감도는 상대적으로 다소 증가하였으나 마찰각의 민감도는 다소 감소하는 것으로 나타났다.
- 제체 높이 변화가 강도 정수의 민감도에 미치는 영향은 상류 사면에서의 경우보다 더 변화가 크게 나타났다. 높이가 높아짐에 따라 성토재의 점착력에 대한 민감도는 점차 낮아지고 마찰각에 대한 민감도는 점차 증가하여 30 m에서는 거의 유사하게 나타났다가 50 m 이상의 높이에서 마찰각의 민감도가 더 크게 나타났다.
- 또한 단위 중량은 성토부 제체의 규모가 커짐에 따라 단위 중량에 대한 민감도는 줄어들었으며 성토부의 점착력의 민감도는 상대적으로 다소 증가하였다. 단위 중량의 영향은 증가에 대한 영향 보다 감소로 인한 안전율 상승효과가 매우 높았으며 점착력의 영향은 현재 상태에서의 증감에 따른 영향이 선형적인 것으로 나타났다. 이는 제체의 규모가 작을 시 제체의 성토재가 견딜 수 있는 반력은 고정되어 있으나 단위중량의 증감으로 인하여 하중이 크게 변화하여 이에 대한 영향이 크게 나타나나 규모가 큰 제체에서는 이미 전체 하중이 높아 안전율이 낮게 산출되기 때문에 이에 대한 영향이 상대적으로 작은 것으로 판단된다.
- 바텀 애쉬는 사질토와 유사한 특성을 가지고 있으나 일반 적인 사질토에 비하여 점착력이 높으며 준설토는 실트질 흙과 유사한 특성을 가진다. 두 시료의 XRF시험 결과를 통하여 산출된 각 시료의 산화물 함유량은 흙의 주요 구성 물질인 SiO2와 Al2O3가 주를 이루었다. 본 연구에서 사용한 시료의 토양오염실험 결과 토양오염 우려기준에 비해 크게 낮은 것으로 나타나 준설토 및 바텀 애쉬 사용 시 중금속으로 인한 환경성 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 또한 제체의 높이가 높아지게 되면 제체 규모가 작을 때의 변동폭을 확대하는 효과가 나타나게 된다. 따라서 제체 규모가 클 때의 전체 변동폭은 제체가 낮을 때의 낮은 변동폭 내에서 변동하기 민감도가 작아지는 것으로 판단된다. 강도 정소의 경우, 낮은 높이에서는 성토재의 점착력에 민감하게 반응하지만 30 m 이상의 높이에서는 점착력과 마찰각에 대한 민감도가 유사하게 나타났다.
- 제체 성토부의 단위중량과 내부마찰각의 변화에 가장 민감하게 반응하였으며 제체의 규모가 커짐에 따라 그 민감도가 상대적으로 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 낮은 변돈 범위 안에서는 그 영향이 가장 낮은 것으로 분석되었으며 상류사면에 비하여 상대적으로 성토부의 단위중량에 더 적은 영향을 받는 것으로 해석되었다. 이는 상하류 사면의 경사도가 같을때, 만수위시 제체의 사면 안전율은 하류사면의 안전율이 상류사면의 안전율에 비해 낮기 때문에 그 변화의 폭이 더 낮은 것으로 판단된다.
- 만수위시 상류 사면의 안전율에 대한 각 토질정수의 민감도 분석 결과, 본 연구에서 고려한 제체의 모든 규모에서 사면 안전율은 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각에 가장 민감하게 반응하였다. 또한 단위 중량은 성토부 제체의 규모가 커짐에 따라 단위 중량에 대한 민감도는 줄어들었으며 성토부의 점착력의 민감도는 상대적으로 다소 증가하였다. 단위 중량의 영향은 증가에 대한 영향 보다 감소로 인한 안전율 상승효과가 매우 높았으며 점착력의 영향은 현재 상태에서의 증감에 따른 영향이 선형적인 것으로 나타났다.
- 민감도 분석 결과, 모든 수위 조건과 상하류 사면 모두 사면 안전율은 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각에 가장 민감하게 반응하였고 성토부 제체의 규모가 커짐에 따라 단위 중량에 대한 민감도는 줄어들었다. 또한 단위 중량은 증가로 인한 안전율 감소보다 단위 중량이 작아짐으로 인한 안전율 증가의 폭이 더 크게 나타났다. 하지만 낮은 변동 범위 안에서는 낮은 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 만수위시 상하류사면 안전율에 대한 단위 중량이 민감도가 제체의 높이가 높아짐에 따라 작아지지만 가장 높은 60 m일 때 또한 다른 정수에 비하여 상대적으로 높은 민감도를 보였으나 수위 급강하시 상류 사면의 안전율 분석에서는 민감도가 점차 줄어들어 60 m에서는 거의 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다. 또한 만수위시와 같아 높이가 높아짐에 따라 제체 성토재의 점착력 민감도가 증가하여 60 m에서는 전체 고려 요소 중에서 가장 높은 민감도를 나타냈다. 따라서 바텀 애쉬와 준설 혼합토의 제체 활용시 큰 규모에서는 점착력과 마찰각에 대한 관리가 필요하다.
- 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각이 가장 높은 민감도를 보였으며 제체 높이가 높아짐에 따라 민감도가 낮아졌다. 또한 상류 사면의 결과와 같이 제체 높이가 높아짐에 따라 성토재 점착력에 대한 민감도가 높아져 60 m에서는 단위중량과 유사한 민감도를 보였다.
- 제체의 높이가 증가함에 따라 제체 단위 중량 증가에 따른 안전율 감소 효과가 크게 낮아 졌으며 내부마찰각 증가에 따른 안전율 상승효과가 커지는 것으로 나타났다. 또한 점착력 증가에 따른 안전율 상승효과는 다소 낮아지는 것으로 분석되었다. 반면 중심 코어 재료의 단위중량, 내부 마찰각 및 점착력은 제체 높이가 증가하여도 민감도의 변화가 매우 낮은 것으로 나타났다.
- 만수위시 상류 사면의 안전율에 대한 각 토질정수의 민감도 분석 결과, 본 연구에서 고려한 제체의 모든 규모에서 사면 안전율은 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각에 가장 민감하게 반응하였다. 또한 단위 중량은 성토부 제체의 규모가 커짐에 따라 단위 중량에 대한 민감도는 줄어들었으며 성토부의 점착력의 민감도는 상대적으로 다소 증가하였다.
- 중심 코어 부분의 토질 정수는 전체 안전율에 큰 영향을 미치지 않으며 중심 코어는 차수가 목적으로 하류부의 포화대를 낮춤으로써 안전율을 높이기 때문에 다른 정수에 대한 영향이 작은 것으로 나타났다. 만수위시 상하류사면 안전율에 대한 단위 중량이 민감도가 제체의 높이가 높아짐에 따라 작아지지만 가장 높은 60 m일 때 또한 다른 정수에 비하여 상대적으로 높은 민감도를 보였으나 수위 급강하시 상류 사면의 안전율 분석에서는 민감도가 점차 줄어들어 60 m에서는 거의 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다. 또한 만수위시와 같아 높이가 높아짐에 따라 제체 성토재의 점착력 민감도가 증가하여 60 m에서는 전체 고려 요소 중에서 가장 높은 민감도를 나타냈다.
- 만수위시와 수위 급강하시 상하류 사면 안전율을 분석한결과, 본 연구에서 고려한 대부분의 경우에서 적합한 것으로 나타났으나 제체 높이가 60 m일 때 만수위시 하류사면 안전율이 1.187로 안전율 기준에 적합하지 못하였다. 따라서 준설토와 바텀 애쉬를 제체 재료로 활용할 경우, 일정 규모 이상의 제체에서는 재료에 대한 검토가 필요하며 보강에 대한 대안이 필요할 것이라 판단된다.
- 또한 점착력 증가에 따른 안전율 상승효과는 다소 낮아지는 것으로 분석되었다. 반면 중심 코어 재료의 단위중량, 내부 마찰각 및 점착력은 제체 높이가 증가하여도 민감도의 변화가 매우 낮은 것으로 나타났다. 이는 중심 코어 재료의 강도 정수가 전체 안전율에 미치는 영향이 낮기 때문인 것으로 판단된다.
- 강도 정소의 경우, 낮은 높이에서는 성토재의 점착력에 민감하게 반응하지만 30 m 이상의 높이에서는 점착력과 마찰각에 대한 민감도가 유사하게 나타났다. 반면 중심 코어재의 물성은 상대적으로 제체 전체의 안전율에는 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 제체의 중심 코어는 전체 제체 단면에서 차지하는 비율이 매우 작으며 강도정수가 보통 성토재의 강도정수보다 낮다.
- 두 시료의 XRF시험 결과를 통하여 산출된 각 시료의 산화물 함유량은 흙의 주요 구성 물질인 SiO2와 Al2O3가 주를 이루었다. 본 연구에서 사용한 시료의 토양오염실험 결과 토양오염 우려기준에 비해 크게 낮은 것으로 나타나 준설토 및 바텀 애쉬 사용 시 중금속으로 인한 환경성 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 각 단면에 바텀 애쉬 준설 혼합토 및 준설토 물성치를 적용하여 각 사면의 활동 안전율을 분석하였으며 만수위시와 수위 급강하시에 대하여 상하류 사면 안전율을 계산하였다. 분석 결과, 60 m일 때 만수위시 하류사면 안전율을 제외하고 모든 경우 기준에 적합한 것으로 판단되며 일반적 농업용 저수지 제체 규모를 생각할 때 바텀 애쉬 준설 혼합토는 제체 성토재로 적합할 것이라 판단된다.
- 이는 상하류 사면의 경사도가 같을때, 만수위시 제체의 사면 안전율은 하류사면의 안전율이 상류사면의 안전율에 비해 낮기 때문에 그 변화의 폭이 더 낮은 것으로 판단된다. 제체 높이 변화가 강도 정수의 민감도에 미치는 영향은 상류 사면에서의 경우보다 더 변화가 크게 나타났다. 높이가 높아짐에 따라 성토재의 점착력에 대한 민감도는 점차 낮아지고 마찰각에 대한 민감도는 점차 증가하여 30 m에서는 거의 유사하게 나타났다가 50 m 이상의 높이에서 마찰각의 민감도가 더 크게 나타났다.
- 수위 급강하시 하류 사면 안전율에 대한 토질정수의 민감도는 다른 결과와 유사한 경향을 나타냈다. 제체 성토부의 단위 중량과 내부마찰각이 가장 높은 민감도를 보였으며 제체 높이가 높아짐에 따라 민감도가 낮아졌다. 또한 상류 사면의 결과와 같이 제체 높이가 높아짐에 따라 성토재 점착력에 대한 민감도가 높아져 60 m에서는 단위중량과 유사한 민감도를 보였다.
- 제체 규모에 따라 각 부분의 토질정수의 변화가 만수위시 하류 사면의 안전율에 미치는 영향을 분석한 결과, 하류 사면의 안전율 또한 상류 사면의 경우와 유사한 경향을 나타냈다. 제체 성토부의 단위중량과 내부마찰각의 변화에 가장 민감하게 반응하였으며 제체의 규모가 커짐에 따라 그 민감도가 상대적으로 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 낮은 변돈 범위 안에서는 그 영향이 가장 낮은 것으로 분석되었으며 상류사면에 비하여 상대적으로 성토부의 단위중량에 더 적은 영향을 받는 것으로 해석되었다.
- 제체의 높이가 증가함에 따라 제체 단위 중량 증가에 따른 안전율 감소 효과가 크게 낮아 졌으며 내부마찰각 증가에 따른 안전율 상승효과가 커지는 것으로 나타났다. 또한 점착력 증가에 따른 안전율 상승효과는 다소 낮아지는 것으로 분석되었다.
- 높이별 수위 급강하시 상류 사면의 안전율에 대한 토질 정수의 민감도 분석 결과 만수위시와 유사한 결과를 나타냈다. 중심 코어 부분의 토질 정수는 전체 안전율에 큰 영향을 미치지 않으며 중심 코어는 차수가 목적으로 하류부의 포화대를 낮춤으로써 안전율을 높이기 때문에 다른 정수에 대한 영향이 작은 것으로 나타났다. 만수위시 상하류사면 안전율에 대한 단위 중량이 민감도가 제체의 높이가 높아짐에 따라 작아지지만 가장 높은 60 m일 때 또한 다른 정수에 비하여 상대적으로 높은 민감도를 보였으나 수위 급강하시 상류 사면의 안전율 분석에서는 민감도가 점차 줄어들어 60 m에서는 거의 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다.
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