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문제 정의
- 이와 같은 A 댐 누수량계 특성을 고려하여 본 연구에서는 댐체의 형상 및 지형을 정확히 반영할 수 있는 3차원 유한 요소해석을 통해 강우량을 포함한 다른 기타요인은 배제하고, 댐체로만 통과되는 정확한 누수량을 평가하여 안전관리가 될 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 수치해석은 지반공학 범용 프로그램인 PLAXIS 3D를 이용해 A 댐 저수지 수위변화에 따른 침투수량에 대해 평가하였으며, 추가적으로 2차원(SEEP/W) 수치해석을 실시하여 결과값과 실 계측 데이터와 비교･분석하였다.
제안 방법
- (2) 수치해석 결과값과 계측 값의 비교를 위해 설계 누수량 290L/min 이상 발생되는 이상 계측치를 제외한 최근 3년간 자료를 이용해 저수위별 침투수량 계측결과를 분석하였다. 전체적으로 계측 값과 수치해석 값의 차이가 크게 나타났으며, 이는 침투수량을 지배하는 요인이 저수지 수위뿐만 아니라 강우 및 지하수 등 여러 변수의 영향을 받기 때문이라 판단된다.
- Fig. 2는 해석에 적용된 지층형상 및 Mesh의 형상을 나타내고 있으며, 수위별 침투수량 분석을 위해 상류 측 수위를 3단계 1) 상시만수위 163m, 2) 중수위 150m, 3) 저수위 137m를 적용하고, 하류 측 수위는 댐체 하단높이 105m를 적용한 후 van Genuchten Model을 이용하여 수두 차에 의한 침투해석을 수행하였다. 또한 침투수량에 가장 영향이 큰 코어존의 투수계수는 한국시설안전공단(2012)에서 작성한 A 댐 정밀안전진단 보고서를 참고하였으며, 설계치 및 품질시험결과를 적용하여 수위별 침투해석을 수행하였다.
- 3차원 FEM 수치해석을 위해 상부 댐체, 댐체 주변사면 및 하부지반 형상을 반영하였으며 해석을 위한 댐체 하부 지반을 EL 22m까지 고려하였다. Fig.
- A 댐 저수위별 적정 침투수량 평가를 위해 댐체, 지형조건, 댐 주변사면 등을 3차원으로 반영 가능한 PLAXIS 3D를 이용하여 침투해석을 실시하였다. 그리고 기존 댐 침투해석에 많이 이용되는 2차원 프로그램인 SEEP/W를 이용하여 동일한 조건에서 침투해석을 실시하였으며 결과값을 3차원해석 결과값과 비교하였으며, 2차원, 3차원 수치해석 결과값과 A 댐 실 계측치와 비교해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3과 같이 침투 면이 가장 큰 면을 댐 축 방향으로 나눌 수 있다. 그 후 이를 통과하는 침투수량을 측정하여 침투수량을 100% 반영하였다. 이와 다르게 X, Y 축만 존재하는 2차원 수치해석의 경우 주변사면의 형상을 반영하지 못해 침투수량 해석 결과값에 댐 Y축 방향 길이 515m를 곱하고 댐 주변 사면과 댐체의 지반 형상을 반영한 70%(한국시설안전공단, 2012) 침투수량을 반영한 결과값으로 나타냈다.
- A 댐 저수위별 적정 침투수량 평가를 위해 댐체, 지형조건, 댐 주변사면 등을 3차원으로 반영 가능한 PLAXIS 3D를 이용하여 침투해석을 실시하였다. 그리고 기존 댐 침투해석에 많이 이용되는 2차원 프로그램인 SEEP/W를 이용하여 동일한 조건에서 침투해석을 실시하였으며 결과값을 3차원해석 결과값과 비교하였으며, 2차원, 3차원 수치해석 결과값과 A 댐 실 계측치와 비교해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 2는 해석에 적용된 지층형상 및 Mesh의 형상을 나타내고 있으며, 수위별 침투수량 분석을 위해 상류 측 수위를 3단계 1) 상시만수위 163m, 2) 중수위 150m, 3) 저수위 137m를 적용하고, 하류 측 수위는 댐체 하단높이 105m를 적용한 후 van Genuchten Model을 이용하여 수두 차에 의한 침투해석을 수행하였다. 또한 침투수량에 가장 영향이 큰 코어존의 투수계수는 한국시설안전공단(2012)에서 작성한 A 댐 정밀안전진단 보고서를 참고하였으며, 설계치 및 품질시험결과를 적용하여 수위별 침투해석을 수행하였다. 수치해석 대상 범위는 X축으로 482.
- 그림에서 나타나듯이 실제 침투 수량의 경우 댐체 수위뿐만 아니라 강우의 영향도 크게받고 있는 것으로 나타났다. 설계 누수량 290L/min 이상 발생되는 이상 계측치를 제외하고 저수위별 침투수량 계측결과를 분석하였다. Fig.
- 22m)에서 172m를 적용하였으며, X축 방향의 물의 흐름만 허용하였다. 수치해석에 적용한 프로그램은 지반공학 전용 FEM 해석프로그램으로 3차원 침투해석이 가능한 네덜란드 Plaxis 社에서 개발한 Plaxis 3D를 이용하여 2차원 해석과 같이 수두 차를 이용한물의 흐름을 유도하여 X축 방향의 침투수량만을 평가하였다.
- 제체를 통해 침투되는 누수량을 측정하기 위한 목적으로댐 제체 하류 Filter zone에 2개소, 상류 Random zone 1개소, 총 3부분에서 유입되는 수량을 측정한다. 수치해석 결과의 정확도 분석을 위해 2011년 11월∼2014년 10월 최근 3년간 A 댐에서 계측된 자료와 실제 강우량을 날짜별로 나타내었으며 Fig.
- 침투수량 평가의 경우 저수지 수위, 강우량, 댐체 주변사면에서 흘러들어오는 유입수, 지하수 등 여러 가지 환경적 요인에 의해 침투수량이 결정되지만 본 논문에서는 다른기타 요인은 제외하고 댐체로만 통과되는 침투수량을 반영하였다. 3차원 수치해석의 가장 큰 장점으로는 댐 형상과 최대한 유사하게 지반, 주변사면, 댐체를 모델링 할 수 있으며, Fig.
대상 데이터
- 1은 5개의 Zone으로 구성된 댐체의 단면 형상을 나타내고 있으며, Table 1은 3차원 침투해석에 필요한 Zone별 투수계수를 나타낸다. 3차원 해석에 적용된 Mesh의 경우 29,173개의 Element와 42,656개의 Node로 구성되었다. Fig.
- 수치해석 결과의 정확도 분석을 위해 2011년 11월∼2014년 10월 최근 3년간 A 댐에서 계측된 자료와 실제 강우량을 날짜별로 나타내었으며 Fig. 4와 같이 나타났다.
- 또한 침투수량에 가장 영향이 큰 코어존의 투수계수는 한국시설안전공단(2012)에서 작성한 A 댐 정밀안전진단 보고서를 참고하였으며, 설계치 및 품질시험결과를 적용하여 수위별 침투해석을 수행하였다. 수치해석 대상 범위는 X축으로 482.6m, Y축으로 730m, Z축으로는 댐 사면 높이를 고려한 바닥면(EL.22m)에서 172m를 적용하였으며, X축 방향의 물의 흐름만 허용하였다. 수치해석에 적용한 프로그램은 지반공학 전용 FEM 해석프로그램으로 3차원 침투해석이 가능한 네덜란드 Plaxis 社에서 개발한 Plaxis 3D를 이용하여 2차원 해석과 같이 수두 차를 이용한물의 흐름을 유도하여 X축 방향의 침투수량만을 평가하였다.
- 수치해석 대상구조물인 A 댐은 높이 73m, 길이 515m, 총 저수량 5억 9,500만m3의 제원을 가진 안동에 위치한 다목적 사력댐이며, 1984년 12월에 착공하여 1993년 12월 31일 준공되었다.
데이터처리
- 이와 같은 A 댐 누수량계 특성을 고려하여 본 연구에서는 댐체의 형상 및 지형을 정확히 반영할 수 있는 3차원 유한 요소해석을 통해 강우량을 포함한 다른 기타요인은 배제하고, 댐체로만 통과되는 정확한 누수량을 평가하여 안전관리가 될 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 수치해석은 지반공학 범용 프로그램인 PLAXIS 3D를 이용해 A 댐 저수지 수위변화에 따른 침투수량에 대해 평가하였으며, 추가적으로 2차원(SEEP/W) 수치해석을 실시하여 결과값과 실 계측 데이터와 비교･분석하였다.
- 저수지 수위 이외에 가장 크게 영향받는 것으로 나타나는 수위 조건을 제외하고 침투수량 수치해석 결과값과 비교하기 위해 Fig. 6과 같이 국내 건기에 해당하는 11월∼2월까지 4개월의 계측 값만 수위별로 정리하여 수치해석 결과값과 비교하였다.
성능/효과
- (1) 코어의 투수계수 및 저수위 조건을 달리하여 van Genuchten Model을 적용해 수치해석을 수행하였으며 해석 결과 3차원 결과값보다 2차원 수치해석 결과값이 대부분 크게 나타났다. 이는 해석모델은 동일하지만 프로그램 특성이 달라 결과값의 차이를 보일 수도 있으며 2차원에서 적용한 하부지형 형상 70%가 과도하게 책정된 결과라고도 볼 수도 있다.
- (3) 국내 건기에 해당하는 11월∼2월까지 4개월 기간의 계측값만 수위별 데이터를 정리하여 수치해석 결과값과 비교한 결과 3차원 결과값이 계측 값과 상당히 근접한 수치를 나타냄을 알 수 있었다.
- 그 결과 2차원 수치해석 결과를 나타내는 실선 안에 대부분의 계측 값이 포함되는 것으로 나타나고 있으나 4개월간 자료에도 강우량이 포함되어 있으며 지하수의 영향 등 기타 요인 또한 포함되어 있는 점을 감안하면 3차원 해석 결과값이 계측 값과 상당히 근접한 결과를 제시함을 알 수 있다.
- 댐 설계 시 주변사면에서의 유입수 차단을 위해 그라우팅을 실시하지만 100% 유입을 막을 수는 없으므로 주변사면을 고려하지 못하는 2차원 해석보다 3차원 수치해석 값이 대부분 크게 나타날 것이다. 또한 투수계수가 상대적으로 높은 설계투수계수를 반영한 코어를 통과하는 주변사면의 영향보다 투수계수가 더 낮은 나머지 경우에 주변사면의 영향이 더 크게 나타났다고 판단된다. 결과값은 Table 2와 같이 나타났으며, Fig.
- 수치해석 결과 설계투수계수를 적용한 경우에서만 수위별 2차원 수치해석 결과값이 3차원 해석 값보다 크게 나타났으며, 나머지 경우에서는 3차원 수치해석 결과값이 더 크게 나타남을 알 수 있었다. 댐 설계 시 주변사면에서의 유입수 차단을 위해 그라우팅을 실시하지만 100% 유입을 막을 수는 없으므로 주변사면을 고려하지 못하는 2차원 해석보다 3차원 수치해석 값이 대부분 크게 나타날 것이다.
- (2) 수치해석 결과값과 계측 값의 비교를 위해 설계 누수량 290L/min 이상 발생되는 이상 계측치를 제외한 최근 3년간 자료를 이용해 저수위별 침투수량 계측결과를 분석하였다. 전체적으로 계측 값과 수치해석 값의 차이가 크게 나타났으며, 이는 침투수량을 지배하는 요인이 저수지 수위뿐만 아니라 강우 및 지하수 등 여러 변수의 영향을 받기 때문이라 판단된다.
후속연구
- 하지만 2차원 수치해석의 경우 댐체 내･외부조건 및 하부 지반의 계곡형상 등을 정확히 반영하는 데 한계가 있어 정확한 침투수량 평가를 어렵게 한다. 이와 같은 상황을 반영하여 정확한 댐 침투수량평가를 위해서는 댐체 형상, 주변지형 및 지반조건 등을 보다 현실적으로 반영할 수 있는 3차원 수치해석 방법을 이용하는 것이 바람직할 것이다.
- (3) 국내 건기에 해당하는 11월∼2월까지 4개월 기간의 계측값만 수위별 데이터를 정리하여 수치해석 결과값과 비교한 결과 3차원 결과값이 계측 값과 상당히 근접한 수치를 나타냄을 알 수 있었다. 저수위, 강우량만을 변수로 A 댐 적정 누수량을 평가하기는 어렵지만, 수치해석 결과를 바탕으로 최소한 건기에 해당하는 시기에는 3차원 해석 값보다 큰 침투수량 계측이 지속적으로 이어진다면 댐체에 이상을 의심해 보아야 될 것이라 판단된다.
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