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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 수평필터 간격이 제체의 침투특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 수평필터 간격을 변화시키면서 공극수압 변화, 침투수량과 누수량에 대한 안정성 평가, 침윤선의 높이 변화 및 한계동수경사방법에 의한 안정성평가 등을 2차원 및 3차원 침투해석에 의해 비교 분석한 후 현장 적용성을 평가하고자 한다.
가설 설정
- 8은 현장저수지를 리모델링할 경우에 검토조건을 3가지로 구분하고 3차원 해석에 의해 안정성을 평가한 것이다. 수위조건은 만수위 상태 (13.7 m)이고 수직 및 수평필터가 설치되지 않아 하류사면을 덧쌓기전에 일부를 절취하고 경사형 필터를 포설한 후 성토한 것으로 가정하였다. 파이핑에 안정 (Fs≥2.
제안 방법
- Case 1은 제체 전체에 필터가 포설한 경우 (0 m) 이고, Case 2는 필터간격이 10 m로 제체내에 포설되는 필터는 총 27개로 제체 종단 중심축 (150 m 지점)을 기준으로 각 좌･우측 방향으로 10 m 간격으로 설정하였다. Case 3~5는 필터 간격이 20 m~40 m이고 필터 수량은 Case별로 15~7공으로 배치하였다.
- Fig. 2는 제체내에 적용된 각 필터 간격과 두께를 나타내 것으로 3차원 단면 구성에 적용된 수평 및 수직필터는 설계기준 (제체 높이<30 m)에 의해 두께 (Tx, Ty, Tz)를 1 m로 설정하였으며, 수평필터의 간격은 10~40 m의 범위로 제체내의 필터공의 수를 기준으로 5종류로 구분하였다.
- 따라서 수위변화는 계룡저수지의 7년간 (2009~2015) 수위자료를 분석하여 최고수위 (12.07 m)와 최저수위 (5.04 m)를 결정하였다 (KRC, 2011). 침출면은 하류사면 전체 범위에 대해 설정하였고 침투해석시 물의 흐름은 투수계수, 수위조건과 침출면의 위치에 따라 다르게 나타나기 때문에 정상류 조건으로 적용하였다.
- 본 연구에서는 수평필터 간격이 제체의 침투특성에 미치는 영향을 규명하고자 수평필터 간격을 변화시키면서 공극수압 변화, 침투수량과 누수량에 의한 안정성 평가, 침윤선의 높이 변화, 한계동수경사방법에 의한 안정성 평가 등을 2차원 및 3차원 침투해석에 의해 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수위변동에 따른 침투해석을 수행하기 위해서는 체적함수비 곡선과 투수계수곡선이 필요하지만 이러한 값을 얻기 위한 실내시험은 많은 시간이 소요되므로 제체 각 죤의 투수계수에 근접한 값을 기준으로 프로그램에 포함된 투수계수비-압력수두, 체적함수비–투수계수비의 DB자료 (MIDAS, 2015)를 이용하였다. 불포화 함수특성에서 투수계수가 너무 크거나 작은 경우에는 해석결과의 신뢰성이 떨어질 수 있으므로 각 토질 특성이 가지는 투수계수의 고유치를 기준으로 해석파라미터와 유사성을 모사할 수 있는 함수특성 자료를 선정하였고 수위변동에 따라 제체내의 침투특성에 직접적인 영향을 미치는 코어, 성토, 필터 등에 적용하였다.
- 04 m)를 결정하였다 (KRC, 2011). 침출면은 하류사면 전체 범위에 대해 설정하였고 침투해석시 물의 흐름은 투수계수, 수위조건과 침출면의 위치에 따라 다르게 나타나기 때문에 정상류 조건으로 적용하였다.
- 침투해석시에 공극수압은 코어의 최하부면과 중앙부를 검토 위치로 선정하였고, 수평필터가 제체 전단면에 포설된 경우 (Case 1)와 필터간격이 각각 10 m, 20 m, 30 m, 40 m 로 포설된 경우 (Case 2~5)로 구분하여 공극수압 거동을 분석하였다.
- 침투해석은 정상 및 비정상상태의 적용이 가능한 3차원 FEM 해석 프로그램 GTS NX (MIDAS, 2015)를 사용하여 필터의 배치간격에 따른 제체의 침투특성을 분석하였다.
- 7은 침투류 해석에서 필터간격에 따른 동수경사의 선정위치를 나타낸 것으로 Toe-drain에 인접한 성토부와 수평 필터 사이를 기준으로 선정하였다. 현장에 적용된 필터간격은 파이핑에 대하여 소요의 안정성을 가질 수 있도록 3차원 침투해석으로부터 산출된 동수경사와 현장저수지의 한계동수경사 (Icr) 를 구하여 안전율 (Fs) 2.0 이상인 간격을 선정하였다 (MLTM, 2011).
대상 데이터
- 1은 해석단면을 나타낸 것이고, Table 1은 저수지의 규모 및 제원을 나타낸 것이다. 대상저수지는 둑 높이기 사업 중 가장 많이 시공된 제체 덧쌓기 방법이기 때문에 대표성을 가지고 있어 선정하였고, 덧쌓기 높이는 기존제체의 상부에 2.8 m로 하였고 기존의 수직형 코어의 상부에 경사형 코어를 포설한 후 하류사면을 성토하였으며 저수용량은 기존보다 약 40 % 증가하였다 (KRC, 2011).
- 분석대상저수지는 제체 덧쌓기로 둑 높이기 사업이 완료된 충남 계룡저수지 (Zoned fill-type)를 선정하였으며, Fig. 1은 해석단면을 나타낸 것이고, Table 1은 저수지의 규모 및 제원을 나타낸 것이다. 대상저수지는 둑 높이기 사업 중 가장 많이 시공된 제체 덧쌓기 방법이기 때문에 대표성을 가지고 있어 선정하였고, 덧쌓기 높이는 기존제체의 상부에 2.
- 수위변동에 따른 침투해석을 수행하기 위해서는 체적함수비 곡선과 투수계수곡선이 필요하지만 이러한 값을 얻기 위한 실내시험은 많은 시간이 소요되므로 제체 각 죤의 투수계수에 근접한 값을 기준으로 프로그램에 포함된 투수계수비-압력수두, 체적함수비–투수계수비의 DB자료 (MIDAS, 2015)를 이용하였다.
이론/모형
- 필터 간격에 대한 설계기준 (MAFRA, 2002; JICE, 2012; USACE, 2004)을 참조하여 각 필터에서의 배치 간격을 Table 2와 같이 결정하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 수평필터 간격이 넓어질수록 공극수압은 증가하는 것으로 나타났고, 코어중앙부에서의 공극수압비는 코어하부 보다 포화 및 불포화죤이 존재하기 때문에 필터간격에 따라 더 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 필터간격을 고려하지 않고 전단면에 포설한 것으로 가정한 2차원 해석 (Case 1)은 공극수압이 작게 나타나 제체가 안정된 것으로 오판할 수 있기 때문에 설계시에는 필터간격을 고려한 3차원 해석이 수행되어야 할 것으로 판단되고, 본 현장저수지의 수평필터 간격은 약 30 m 범위이내에서 결정하는 것이 합리적이라고 판단된다.
- 2. 침투수량과 누수량은 필터가 제체 전단면에 포설된 2차원 해석조건 (Case 1)에서는 크게 나타났고, 수평필터간격이 넓어질수록 점차적으로 감소하였다. 최고수위에서 침투수량은 Case 1을 기준으로 1.
- 3. 침윤선의 높이는 수평필터 간격이 넓어질수록 급격히 증가하여 Case 1을 기준으로 1.67배 (Case 2)~3.89배 (Case 5) 크게 나타났고, 수평간격이 20 m 까지는 급격하게 증가하다고 그 이후에는 약간씩 증가하였다.
- 4. 필터설치에 따른 파이핑에 관한 안정성은 한계동사경사 방법에 의한 간단한 방법으로 평가할 수 있었고, 필터기능이 없거나 저하된 노후화된 저수지는 하류사면에 필터를 설치하는 것만으로도 침윤선을 저하시켜 파이핑 가능성을 크게 줄일 수 있었다.
- 이상과 같이 필터기능이 없거나 저하된 노후화된 저수지를 리모델링 할 경우에는 하류사면에 필터를 설치하는 것만으로도 침윤선을 저하시켜 파이핑 가능성을 크게 줄일 수 있고, 한계동사경사방법에 의한 간단한 방법으로 파이핑에 대한 안정성을 평가할 수 있었다. 합리적인 필터간격 결정은 3차원 침투해석에 의해 기준안전율에 만족하는 적정한 간격을 구하여 현장에 적용하여야 할 것으로 판단된다.
- 전체적으로 계룡저수지의 침투수량은 안전관리기준 (허용침투수량: 2,355 m3/d)이내이고 허용누수량도 100 m당 1L/sec 이내로 만족하여 안전한 것으로 평가되었다. 그러나 2차원 해석방법 (Case 1)은 수평필터 간격을 고려한 3차원 해석 방법 (Case 2-5)은 보다 침투수량과 누수량이 크게 나타나서 설계시 이의 영향을 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 6은 수평필터 간격에 따른 침윤선의 높이를 나타낸 것이다. 제체 전단면에 포설된 조건 (Case 1)에서의 침윤선은 코어를 통과한 직후 바닥면의 높이를 기준으로 1.8 m로나타났고, 수평필터 간격이 넓어질수록 침윤선의 높이는 급격히 증가하였다. 침윤선의 높이는 Case 1을 기준으로 1.
- 파이핑에 안정 (Fs≥2.0)한 필터 간격을 현장 저수지의 한계동수경사(Icr=1.18)를 이용하여 분석한 결과, 최대 필터간격은 25.13 m로 나타났다.
- 필터가 하류사면 전체에 설치된 조건 (Case 2)은 2차원 해석조건으로 제체내의 침윤선은 Toe-drain 내측에 설치된 수평 필터를 통해서 신속하게 배수되는 것으로 나타났고, 침윤 선의 높이는 7.7 m로 필터가 설치되지 않는 조건 (Case 1)보다 크게 감소하였다. 해석에 의해 산출된 동수경사는 0.
- 7 m로 필터가 설치되지 않는 조건 (Case 1)보다 크게 감소하였다. 해석에 의해 산출된 동수경사는 0.11이고 안전율은 10.73으로 기준안전율보다 매우 크게 나타나서 파이핑에 안정한 것으로 평가되었다.
- 13 m로 설치한 조건 (Case 3)에서 제체내의 침윤선은 Toe-drain 내측에 있기 때문에 하류사면에서 파이핑 가능성은 낮은 것으로 평가되었다. 해석에 의해 산출된 동수경사는 0.50이고 파이핑에 관한 안전율은 2.36으로 기준안전율에 만족하는 것으로 평가되었다.
- 5 m 로 매우 높고 침출면이 하류사면상에 분포하기 때문에 파이핑 가능성이 높은 것으로 나타났다. 해석에 의해 산출된 동수경사는 0.86이고 한계동수경사 방법에 의한 안전율은 1.37로 기준안전율에 만족하지 못하는 것으로 나타나 불안정한 상태로 평가되었다.
후속연구
- 5. 향후 노후화된 저수지 제체는 코어 기능과 필터기능이 상실하였거나 현저히 저하되어 있기 때문에 저수지 리모델링시 이를 확인하여야 하고, 새롭게 설치할 경우에는 코어와 필터변화에 따른 침투거동을 3차원 침투해석에 의해기준안전율을 만족하는 합리적인 수평필터간격을 구하여 현장에 적용하여야 할 것으로 판단된다.
- 또한, 침윤선의 높이나 형상은 필터의 설치간격에 따라 상당한 차이가 발생하기 때문에 노후화된 저수지 리모델링시 3차원 침투해석이 필요하고 이를 바탕으로 침투특성을 분석한 후 설계에 반영하여야 신뢰성이 높을 것으로 판단된다.
- 향후 노후화된 저수지 제체는 코어 기능과 필터기능이 상실하였거나 현저히 저하되어 있기 때문에 저수지 리모델링시이를 확인하여야 하고 새롭게 설치할 경우에는 코어와 필터 변화에 따른 공극수압 거동을 비교분석한 후 적용하여야 할 것으로 판단된다.
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