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초기 변동수위를 고려한 제방 월류에 따른 안정성 분석
Stability Analysis of Embankment Overtopping by Initial Fluctuating Water Level 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.31 no.8, 2015년, pp.51 - 62  

김진영 (전북대학교 토목공학과) ,  김태헌 (전북대학교 토목공학과) ,  김유성 (전북대학교 토목공학과) ,  김재홍 (동신대학교 토목공학과)

초록
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지반공학적으로 제방(또는 댐) 월류에 대한 근거를 제시하기 어렵다. 수문학적인 안정성 평가에서 댐의 초기수위(만수위)를 고정시키고 강우량을 계산하기 때문에 월류 가능성은 매우 희박하다. 그러나 Copula 함수를 사용하여 초기수위가 고정된 댐의 만수위가 아닌 변동성 있는 확률수위를 적용해서 국내 40년간의 빈도를 고려할 때, 월류 가능성을 확인할 수 있었다. 수문학적 댐의 위험성 분석은 다양한 불확실성 인자 중 댐 초기수위에 대한 모의기법 개발이 필요한 복잡한 수문학적 해석을 요구한다. 본 연구에서는 기존 댐 위험도 분석 시 초기수위는 상시만수위 또는 홍수기 제한수위로 가정하지만, 이러한 보수적인 가정에 의한 연구는 기상변동성 및 기후변화의 영향을 고려하지 못하며, 댐의 월류확률 및 이에 따른 붕괴확률을 추정하는데 있어서 지반공학적인 접근이 필요하다. Copula 함수를 이용하여 댐 특성에 맞는 초기수위를 결정하였으며, HEC-5 모형을 활용하여 강우-유출 모형 매개변수의 사후분포를 정량적으로 추정하여 댐 월류확률을 산정하였다. 지반공학적인 측면에서 댐 안정성 해석은 상류사면(upstream)의 수위급강하(drawdown)에 대한 안전율과 하류사면(downstream) 월류상태에서의 불안정성을 비교하여 지반공학적 위험도를 비교 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is not possible to provide resonable evidence for embankment (or dam) overtopping in geotechnical engineering, and conventional analysis by hydrologic design has not provided the evidence for the overflow. However, hydrologic design analysis using Copula function demonstrates the possibility that...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 현상은 사전강수특성에 의한 수위는 고려하지 않으므로 댐 운영 모의 분석시 실제상황을 효과적으로 반영하지 못하는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 앞서 언급하였듯이 Copula 함수를 활용한 댐 위험도 해석 기법을 개발하였으며, 특정댐을 대상으로 적용해 보았다
  • 연구내용의 시작은 월류에 대한 가능성을 수문학적으로 확인하고 이러한 배경으로 발생되는 비탈면의 불안정성을 지반공학적으로 연계하여 불포화 침투해석과 강우를 발생시켜 월류의 위험성을 모사하고자 한다. 보편적으로 제방 비탈면의 안정성에서 가장 위험한 상황은 수위급강하시 발생되지만 월류에 대한 해석과 비교하여 집중호우나 극우강우 시에 발생할 수 있는 확률적인 가능성을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 최근에 파괴가 빈번한 제방을 대상으로 지반공학적인 해석을 하였으나, 수문학적 홍수위 안전율 해석은 주로 댐을 대상으로 해석하기 때문에 수문학적인 검토와 지반공학적인 검토의 지반구조물 댐과 제방의 용어가 혼재되어 있음을 양해를 구합니다.
  • 첫 번째 단계로써 월류에 대한 확률적인 가능성을 확인하고자 수문학적인 근거로 제방 또는 댐 비탈면의 안전성을 확인하고자 수행하였다. 사전강수특성과 과거댐 수위의 통계학적 관계를 기반으로 Copula 함수를 적용하여 댐 위험도 분석 시 주요 불확실성 변량으로 작용하는 댐 초기수위를 산정하고자 한다. 두 개 이상의 변량간의 관계성을 파악하는데 있어 일반적으로는 상관계수를 활용하지만 변량간의 분포를 다루는 경우에는 Copula 함수를 사용하여 그 의존성 구조를 파악하는 것이 타당하다고 알려진 바 있다.
  • 수문학적 댐 위험도 분석시 사전강수특성에 따른 댐 초기수위를 산정하기 위해 Copula 함수를 이용한 댐 초기수위 모의기법을 수행하여 수문학적인 제방 비탈면의 불안정성을 제안해 왔다. 연구내용의 시작은 월류에 대한 가능성을 수문학적으로 확인하고 이러한 배경으로 발생되는 비탈면의 불안정성을 지반공학적으로 연계하여 불포화 침투해석과 강우를 발생시켜 월류의 위험성을 모사하고자 한다. 보편적으로 제방 비탈면의 안정성에서 가장 위험한 상황은 수위급강하시 발생되지만 월류에 대한 해석과 비교하여 집중호우나 극우강우 시에 발생할 수 있는 확률적인 가능성을 제시하고자 한다.
  • 분석 대상 유역 내 강우관측소를 대상으로 확률강우량 추정하고 프로그램을 통해 댐 제방고를 월류하는 사상을 계산하면 확률적으로 구조물의 높은 위험성을 확인할 수 있다. 이에 대한 안정성을 수위급강하(drawdown)시와 비교하여 분석하고자 한다.
  • 첫 번째 단계로써 월류에 대한 확률적인 가능성을 확인하고자 수문학적인 근거로 제방 또는 댐 비탈면의 안전성을 확인하고자 수행하였다. 사전강수특성과 과거댐 수위의 통계학적 관계를 기반으로 Copula 함수를 적용하여 댐 위험도 분석 시 주요 불확실성 변량으로 작용하는 댐 초기수위를 산정하고자 한다.

가설 설정

  • Fig. 6과 같이 댐에 대한 지형구조와 재료에 대한 물리적・역학적 특성을 같다고 가정하고 월류에 대한 댐의 안정성을 수치해석을 통하여 예측하였다. 댐의 비탈면은 수위에 대한 수압이 제거되었을 때 가장 불안정한 조건으로 분석되고 있지만, 월류에 대한 가정은 지반구조물에 강우가 지속적으로 이루어지기 때문에 하류사면 안정성에 초점을 맞춰야 한다.
  • Fig. 6에서와 같이 댐을 가정하여 제내지와 제외지 성토부와 댐의 중심에는 점토로 구성된 코어 그리고 배수부분(Drain)으로 일반적인 댐 구조 형태로 가정하였으며, 댐 바닥 경계조건으로 bedrock은 불투수층이다. 댐 사면의 가장 불안정한 조건은 수위급강하(drawdown)이기 때문에, 사면 안정성 검토는 5시간 수위급강하 할 때, 상류사면에서 지반 내에 간극수압의 분포로 인한 사면안전율을 검토하였다.
  • 수문학적으로 변동성 있는 초기수위(만수위)에서 월류가 되기까지에는 집중호우나 극우강우가 발생한 경우에 확률적으로 가능한 월류조건이다. 따라서 월류에 따른 시간경과는 하류사면이 충분히 포화되기 위한 시간과 강우강도를 갖기 때문에 하류사면의 초기조건으로 포화된 지반으로 가정하였다. 비탈면의 경사는 상류사면과 마찬가지로 1:2(V:H) 기울기를 갖으며, 지속적인 극우강우보다는 일반적인 강우강도인 20mm/hr(≈5.
  • 비탈면의 경사는 일반적인 댐의 기울기 1:2(V:H)를 상류사면과 하류사면 모두 동일하게 형성되었고, 초기 댐의 상류사면 수위는 90%까지 저류된 상태(Fig. 6)에서 5시간동안 10% 수위(Fig. 9)까지 떨어지는 수위급강하를 가정하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제방 활동에 대한 안전 기준을 제시하고 있는 것은 무엇인가? 일반적인 댐의 실제 규모로 해석하는 경우와 거의 유사한 사면의 안전율을 얻기 때문에 안정성에 대한 경향을 유추할 수 있다. 제방 활동에 대한 안전 기준은 하천설계기준(River Design Standard, 2009)에서 제시하고 있다. 안정해석을 위해 침윤면과 활동파괴면을 고려하여 경사면 파괴에 대한 최소안전율을 계획홍수위 및 수위급강하를 고려한 침투해석으로부터 얻어진다.
일반적으로 어떤 방법을 통해 수문학적 댐 위험도 분석을 수행하는가? 수문학적 댐 위험도 분석의 경우 일반적으로 확률강우량모의, 강우-유출 분석(확률홍수량), 댐 운영모의로 이루어진다. 분석 대상 유역 내 강우관측소를 대상으로 확률강우량 추정하고 프로그램을 통해 댐 제방고를 월류하는 사상을 계산하면 확률적으로 구조물의 높은 위험성을 확인할 수 있다.
우리나라의 전통적인 수문학적 댐 안정성 평가는 어떤 절차를 통해 이루어지는가? 전통적으로 국내 수문학적 댐 안정성 평가는 3단계로 이루어진다. 첫째, 유역내 강우관측소를 대상으로 확률강우량 추정 후 면적강우량으로 환산, 둘째, 추정된 면적강우량과 유역특성인자를 고려하여 강우-유출 분석을 수행한다. 마지막으로 강우-유출 분석에서 도출된 유출량을 댐의 유입량으로 간주하고, 댐 운영모의를 수행한 결과를 이용하여 최종적으로 댐 안전여부를 판단한다. 즉, 이러한 절차는 국내에서 일반적으로 이루어지고 있는 절차이며, 자세한 내용은 Na et al.
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