[논문]저수지 제체월류 및 내부침식 보호기술 모형실험 연구

김기환; 이태호; 유전용; 임은상; 이승주; 김용성

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.181

저수지 제체월류 및 내부침식 보호기술 모형실험 연구
An Experimental Study on Overflow and Internal Erosion Protection Technology of a Reservoir 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.181 - 191

김기환 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이태호 (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation) , 유전용 (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation) , 임은상 (KIWE, K-water) , 이승주 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 김용성 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University)

초록
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국내 저수지는 대부분 필댐으로 구성되고 있고, 필댐의 붕괴는 월류와 파이핑이 주된 원인으로 분석되고 있다. 본 연구에서는 원심모형실험기를 이용하여 실제 운영 중인 공주시 ◯◯ 저수지 축조 모형에 대하여 수위승강 시 및 월류 시 저수지의 거동 특성을 고찰하였다. 실제 저수지의 침투 및 월류 모사를 위해서 1/50로 축소한 모형에 파손 및 보강된 복통을 설치하고 제정 보강 및 미보강의 조건을 부여한 후 LVDT, 간극수압계를 설치하고 수위승강시험 및 월류시험을 수행하여 보강방법에 따른 제체의 거동 특성을 검토하였다. 원심모형실험 결과, 수위승강 시험에서 파손된 복통이 제체의 안정에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났고 반전공법과 보강공법을 병행한 경우 제체의 침투 안정성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 월류시험에서 월류유도 수로 설치 시 제체의 세굴과 토사의 유출을 방지할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 저수지 월류유도 수로 및 복통 보강공법 적용에 필요한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of the reservoirs in South Korea are fill dam, and overflow and piping phenomena have been detected as the main causes of failure of fill dam. In this study, an operating ◯◯ reservoir located in Gongju-si is modeled in centrifuge model test to study the behavior of reservoir during water level rise and overflow conditions. In order to simulate seepage and overflow in the real reservoir, the model was constructed in 1/50 scale, and deteriorated and reinforced conduits were installed. After modeling the reinforced and deteriorated conditions of the conduits, LVDTs, pore pressure gauges were installed and centrifuge model tests were carried out with water level rise and overflow conditions in order to analyze the reservoir behavior according to the reinforcement methods. The results of centrifuge model test in water level rise condition show that deteriorated conduit has adverse effects in the stability of the reservoir body, and the conduit which is reinforced by the inverse lining method has enhanced stability of the reservoir body. Moreover, installation of water spillway is seen to prevent the scour and erosion of the reservoir body. The study provides a basic data required for the reinforcement of conduit and water spillway in the reservoir.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Principle of modeling in centrifuge model test
그림 Fig. 2. Centrifuge model test apparatus
그림 Fig. 3. Cross section of reservoir
그림 Fig. 4. Wooden formwork
그림 Fig. 5. Conduits used in experiment
표 Table 1. Material properties of soil used in shell and core
그림 Fig. 6. Construction of core portion
그림 Fig. 7. Construction of shell portion
표 Table 2. Test Conditions of Centrifuge Model Test
그림 Fig. 8. Variation of pore water at the base of conduit A and trend of seepage line (0.10mm/sec)
그림 Fig. 9. Variation of pore water at the base of conduit B and trend of seepage lines (0.10mm/sec)
그림 Fig. 10. Variation of pore water at the base of conduit C and trend of seepage lines (0.10mm/sec)
그림 Fig. 11. Variation of pore water at the base of conduit A and trend of seepage lines (0.63mm/sec)
그림 Fig. 12. Variation of pore water at the base of conduit B and trend of seepage lines (0.63mm/sec)
그림 Fig. 13. Variation of pore water at the base of conduit C and trend of seepage lines (0.63mm/sec)
그림 Fig. 14. Variation of pore water pressure measured in each pore pressure gauge in Case 1 (0.10mm/sec)
그림 Fig. 15. Variation of pore water pressure measured in each pore pressure gauge in Case 1 (0.63mm/sec)
표 Table 3. Peak pore water pressure measured in each position (Unit: kPa)
표 Table 4. Peak pore water pressure measured in each position (Unit: kPa)
그림 Fig. 16. Comparison of peak water pore pressure values according to conditions of conduit (deteriorated, repaired, reinforced)
그림 Fig. 17. Variation of pore water pressure values with time at central position during overflow
그림 Fig. 18. Variation of settlement with time (0.10mm/sec)
그림 Fig. 19. Variation of settlement with time (0.63mm/sec)
표 Table 5. Peak displacement values measured at each position (Unit: mm)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 저수지의 주요 붕괴 원인인 월류 및 복통 손상에 의한 내부침식을 예방하기 위한 제체보호공법 개발을 목적으로 원심모형실험을 실시하고 공법적용에 따른 효과를 비교･분석 한 후 현장 실용화 방안을 마련하고자 한다. 본 연구를 통해 저수지 월류 유도 수로 및 복통 보강공법 적용에 필요한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 원심모형실험기를 이용하여 공주시 OO저수지의 축소 모형에 대하여 수위상승 및 하강속도에 따른 저수지 제체 내 간극수압의 변화 및 침하 거동을 파악하고, 월류 시 제체의 붕괴 거동특성을 고찰하고자 하였으며, 각 계측기별 설치위치는 Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 저수지의 주요 붕괴 원인인 월류 및 내부침식을 예방하기 위한 제체보호공법 개발을 목적으로 원심모형실험을 실시하고 공법적용에 따른 효과를 모니터링을 통해 비교･분석･평가한 후 현장 실용화 방안을 마련하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

제안 방법

Fig. 3에서 700kPa용량의 간극수압계를 상류측에서 하류측으로 각 복통(A: 파손, B: 보강부재(ECS패널 등) 보수, C: 보강부재(ECS패널 등) 보수 + 반전공법)을 설치한 하부에 4개씩 총 12개를 매설하였고. P3, P7과 P11은 코어부에 매설하였다.
함수비 및 다짐도를 동일하게 하기 위하여 각 층별로 요구되는 흙 및 물의 양을 계산하여 혼합 후 다짐을 실시하였다. 거푸집을 모두 제거하고 모형 제체 형상을 만들기 위하여 여분의 흙을 제거하고 마지막으로 제체의 변위를 측정하기 위하여 레이져 LVDT를 제정 정상부와 하류측사면에 설치하고 모형제체의 축조를 완료하였다.
모델제작 편리를 위해 토조박스의 투명유리벽에 저수지 모형을 실테이프로 표시하고, 토조 벽면에 Silicone grease를 도포하여 제체와 토조 벽면 경계부 사이의 누수와 유수의 차단 등 지수성을 높였다. 모형제체 축조 시에는 목형을 제작･활용하였으며(Fig.
제체 모형은 직사각형 토조박스의 크기, 저수지 단면 등을 고려하여 50g의 원심가속도, 1/50 축척으로 선정하였고, 코어존은 10%의 벤토나이트와 90%의 점토를 혼합하여 높은 차수성을 갖도록 제작하였다. 모형 체체의 제작을 위해 먼저 사력재료를 24시간 동안 건조시키고, 제체 내의 간극수압 측정을 위한 간극수압계는 24시간 이상 포화시켰다.
모델제작 편리를 위해 토조박스의 투명유리벽에 저수지 모형을 실테이프로 표시하고, 토조 벽면에 Silicone grease를 도포하여 제체와 토조 벽면 경계부 사이의 누수와 유수의 차단 등 지수성을 높였다. 모형제체 축조 시에는 목형을 제작･활용하였으며(Fig. 4), 사력 및 코어재료의 양은 각 층별 CAD 도면상의 면적을 활용하여 산정하였다.
본 실험에서는 수위승강을 수행하였는데 Case 1은 실 규모(Prototype, 0.72cm/hr)를 고려한 0.10mm/sec 속도로, Case 2는 실규모(Prototype, 4.54cm/hr)에 대응하는 0.63mm/sec 속도로 수위상승 및 하강을 3번 반복 시행하였다.
실제의 제체는 시공 후 오랜 시간이 경과되어 상류측제체부가 포화되어 있는 것을 고려하여 50g의 원심재하에 의한 안정화 작업을 수행하였으며, 상류측 제체 저면에 설치된 간극수압계로 제체의 상태를 확인하였다.
여기서 중심 코어용 거푸집을 이용하여 코어를 1층 축조하고 사력 재료용 거푸집을 이용하여 상･하류측 제체를 축조하였으며, 각 층별로 반복하는 과정으로 제체의 축조를 완료하였다(Fig. 6∼Fig. 7).
원심모형실험은 ① 원심모형실험을 위한 제방 및 기초지반 모델링, ② 50g에서 압밀 및 안정화, ③ 제체용 측벽거푸집 제거 후 사면 조성, ④ 극한상태(저수지 월류)에서 무보강 및 제정 일부 보강에 따른 저수지의 거동 특성 고찰 등과 같이 총 4단계로 수행하였다.
63mm/sec)로 제어하였다. 월류 시험은 수위상승 및 하강 모사와 동일하게 원심 가속 중 솔레노이드 밸브를 제어하여 상류측에 홍수위까지 물을 공급한 후 스페이서를 이용하여 수위 상승속도를 2 Case(0.10mm/sec, 0.63mm/sec)로 월류 모사하였다. 본 연구의 원심모형 실험 조건은 Table 2와 같다.
월류시험은 월류조건을 만족하도록 하는 수위 공급 장치가 없기 때문에 스페이서를 이용하여 월류심 2cm를 유지하도록 하는 방법을 적용하였다.
이후 코어는 7층으로, 상･하류 제체는 8층으로 각각 분할하여 저수지 모형을 다짐 축조하였다. 여기서 중심 코어용 거푸집을 이용하여 코어를 1층 축조하고 사력 재료용 거푸집을 이용하여 상･하류측 제체를 축조하였으며, 각 층별로 반복하는 과정으로 제체의 축조를 완료하였다(Fig.
여기서, 각 Case의 제체에는 파손된 복통과 반전공법을 이용한 복통이 설치되어 있으며, 월류시험에서는 비닐을 제체의 내측 만수위 지점부터 하류사면 선단까지 설치하였다. 저수지는 사력존(Shell)과 코어존(Core)으로 구분하여 축조하였으며, 각 재료별 물리･역학적 특성값은 Table 1에 나타내었다. 사력존 재료는 모래를 사용하였으며, 코어존 재료는 투수성이 낮은 점성토를 사용하였다.
제체 모형은 직사각형 토조박스의 크기, 저수지 단면 등을 고려하여 50g의 원심가속도, 1/50 축척으로 선정하였고, 코어존은 10%의 벤토나이트와 90%의 점토를 혼합하여 높은 차수성을 갖도록 제작하였다. 모형 체체의 제작을 위해 먼저 사력재료를 24시간 동안 건조시키고, 제체 내의 간극수압 측정을 위한 간극수압계는 24시간 이상 포화시켰다.
제체용 측벽 거푸집을 제거하지 않은 상태에서 30분간 50g 조건에서 가속시켜 제체의 침하를 유도 안정화 시킨 다음 제체용 측벽 거푸집을 제거한 후 사면을 조성하였다. 수위상승 및 하강 모사는 원심 가속 중에 솔레노이드 밸브를 제어하여 상류측에 홍수위까지 물을 공급한 후 스페이서(spacer)의 상승 및 하강속도를 2 Case(0.
함수비 및 다짐도를 동일하게 하기 위하여 각 층별로 요구되는 흙 및 물의 양을 계산하여 혼합 후 다짐을 실시하였다. 거푸집을 모두 제거하고 모형 제체 형상을 만들기 위하여 여분의 흙을 제거하고 마지막으로 제체의 변위를 측정하기 위하여 레이져 LVDT를 제정 정상부와 하류측사면에 설치하고 모형제체의 축조를 완료하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 복통은 실제 저수지의 복통사이즈에서 50배를 축소하여 스틸재질로 된 파이프를 Case A(파손), Case B(보강부재로 보수), Case C(보강부재 보수 + 반전공법)등으로 구분하여 제작하였다(Fig. 5).
본 연구에서는 상승 및 하강속도의 영향을 검토하기 위하여 두 Case의 실험을 수행하였으며, 각 Case의 제체로는 상류부 1 : 2.5, 하류부 1 : 2.0의 경사를 갖는 제방고 11.2m의 저수지 단면을 선정하였다(Fig. 3).
저수지는 사력존(Shell)과 코어존(Core)으로 구분하여 축조하였으며, 각 재료별 물리･역학적 특성값은 Table 1에 나타내었다. 사력존 재료는 모래를 사용하였으며, 코어존 재료는 투수성이 낮은 점성토를 사용하였다.
수직변위의 측정을 위해서 ±25.4mm까지 측정이 가능한 LVDT를 사용하였으며, 코어 및 1/2 하류 사면측에 각 두 개씩 총 4개를 설치하였다.
또한, 지반모형의 실험 시 물과 유압, 공기압 등을 제공하기 위한 fluid rotary joint와 장비 내부의 컴퓨터에 처리･저장된 정보를 1Gbps급의 통신으로 전송하기 위한 fiber optic rotary joint(FORJ) 등이 설치되어 있다. 실험에서 계측된 신호를 획득하기 위한 신호계측시스템(Data Acquisition System)은 회전팔의 중앙 상부에 장착되어 있으며, National Instruments(NI)의 PXI시스템으로 구성되어 있다. 기본적으로 가속도계, LVDT, 스트레인게이지와 같은 계측기 유형별로 동시에 총 196개 채널을 계측 가능하도록 구성되어 있으며, 사용자 필요에 의해 변경 및 확장이 용이하다.

성능/효과

(1) 복통에 파손부위가 존재하는 경우에는 상류사면측에 위치한 복통의 손상부에서 유입된 유입수가 코아의손상부위를 통해 댐체로 유출되면서 코어의 간극수압이 증가하는 현상을 확인할 수 있었으며 복통의 파손 부위를 방치할 경우에는 댐체의 안전성에 악영향을 미칠 수 있다. 특히 수위 상승 및 하강 속도가 0.
(2) 복통에서 파손부위를 보강부재(ECS패널 등)로 보수+ 반전공법을 적용한 경우에는 상류사면측 및 하류사면측의 간극수압은 큰 변화가 발생하지 않아 보수 및 보강 효과를 확인할 수 있었다. 따라서 복통 균열부를 그라우팅과 ECS패널로 보수 후 반전공법을 적용한다면 기존의 소규모 복통 보수 적용 시 제기된 반전공법의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 저수위 승강시험 결과, 빠른 승강속도 시 간극수압이 전체적으로 크게 나타나 저수위 승강속도가 빠를수록 제체의 안정성에 미치는 영향이 큰 것으로 판단된다.
모든 경우에서 저수위가 상승에 따라 간극수압이 증가하고 수위가 일정하게 유지되면 간극수압도 일정하게 유지되며 저수위가 하강하면 간극수압도 감소하는 것으로 나타났다. 실험 전후 간극수압의 수위차가 나타났으며, 코어와 하류측의 간극수압은 실제보다 크게 나타났다.
상류사면측의 간극수압(P5, P6)은 저수위와 연동하여 간극수압이 변화하고 있으나 코어부(P7)의 간극수압은 보수효과로 인하여 큰 변화가 없었으며, 하류사면측의 간극수압(P8) 역시 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 복통 파손부위를 보강부재로 보수할 경우 그 효과를 나타내는 것으로 볼 수 있다.
상류사면측의 간극수압(P9, P10)은 저수위와 연동하나 다소의 지연 현상이 나타나며 코어부(P11) 및 하류사면측의 간극수압은 보수 및 보강 효과로 인하여 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
상류사면측의 간극수압(P9, P10)은 저수위와 연동하여 간극수압이 변화하고 있으나 코어부(P11)의 간극수압은 보수 및 보강 효과로 인하여 큰 변화가 없었으며, 하류사면측의 간극수압(P12) 역시 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 복통 파손 부위를 보강부재(ECS패널등)로 보수 후 반전공법을 적용할 경우, 보수공법을 적용한 경우와 마찬가지로 확실한 보강 효과를 담보할 수 있을 것으로 사료된다.
상류측의 간극수압이 코어와 하류측에 비해 크게 나타났는데 투수성이 높은 사질토의 간극수압이 투수성이 낮은 코어의 간극수압보다 수위변화에 더 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.
모든 경우에서 저수위가 상승에 따라 간극수압이 증가하고 수위가 일정하게 유지되면 간극수압도 일정하게 유지되며 저수위가 하강하면 간극수압도 감소하는 것으로 나타났다. 실험 전후 간극수압의 수위차가 나타났으며, 코어와 하류측의 간극수압은 실제보다 크게 나타났다. 이는 실험에서 저수위가 빠른 속도로 급상승 및 급하강 때문에 상류측의 빠른 수압 변화에 의해 파손된 복통에서 물이 하류측으로 유출해서 간극수압이 증가한 것으로 판단된다.
월류가 진행됨에 따라 제체의 유실이 진행되고 약 15초에서 DT-1지점에서의 급격한 제체의 붕괴가 발생됨을 확인하였고, 약 150초 후에는 DT-2지점의 사면에서 급격한 침하가 발생하였음을 볼 수 있었다.
63mm/sec 일 때 제체 및 하류사면 변형의 계측 기록으로서 DT-1은 무보강 시 제체 정상부, DT-2는 무보강 시 하류사면 1/2지점, DT-3은 보강 시제체 정상부, DT-4는 보강 시 하류사면 1/2지점에 설치한 변위계의 계측 기록을 나타낸다. 월류가 진행됨에 따라 제체의 유실이 진행되고 약 5초부터 DT-1 및 DT-2에서 지반 침하가 증가하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

(4) 월류 시험 결과, 제체를 보강하지 않을 경우 제체의 하류사면이 거의 붕괴되나 보강한 경우 침식이 크게 발생하지 않았으며, 제체표면보강은 저수지 월류 시제체 보호에 탁월한 것으로 나타나 월류 붕괴방지를 위한 유도 수로를 개발하여 현업에 적용한다면 그 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 복통에서 파손부위를 보강부재(ECS패널 등)로 보수+ 반전공법을 적용한 경우에는 상류사면측 및 하류사면측의 간극수압은 큰 변화가 발생하지 않아 보수 및 보강 효과를 확인할 수 있었다. 따라서 복통 균열부를 그라우팅과 ECS패널로 보수 후 반전공법을 적용한다면 기존의 소규모 복통 보수 적용 시 제기된 반전공법의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 저수지의 주요 붕괴 원인인 월류 및 복통 손상에 의한 내부침식을 예방하기 위한 제체보호공법 개발을 목적으로 원심모형실험을 실시하고 공법적용에 따른 효과를 비교･분석 한 후 현장 실용화 방안을 마련하고자 한다. 본 연구를 통해 저수지 월류 유도 수로 및 복통 보강공법 적용에 필요한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
월류 및 복통손상에 의한 파이핑에 대한 위험성을 객관적으로 평가하기 위해서는 원심모형실험을 이용하여 월류 및 복통손상에 의한 내부침식과 그 보호공법에 대한 침투특성을 비교･분석하여 정교한 안정성 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원심모형실험의 특징은 무엇인가?	원심모형실험은 축소된 모형을 고속으로 회전시켜 실제중력보다 매우 큰 가속도를 인위적으로 적용함으로써 현장의 실 응력상태를 구현할 수 있고, 설계와 시공 사이에 발생할 수 있는 지반거동의 차이를 극복함과 동시에 여러가지 변수를 고려하여 신뢰성 있는 현장의 응력상태를 재현할 수 있는 장점이 있다(Fig. 1).
	원심모형실험이 지반구조물의 복합한 거동 메커니즘을 직접적으로 구명하기에 적합한 수단인 이유는 무엇인가?	1). 특히 수치해석이나 실제 구조물의 거동에서는 구현이 불가능한 극한상태의 파괴 특성까지도 눈으로 직접 확인할 수 있으므로, 지반구조물의 복잡한 거동 메커니즘을 직접적으로 구명하기에 적합한 수단이다. 또한 진동대를 이용하여 원심모형실험을 수행할 경우 원심모형실험 중에 사용자가 원하는 크기와 형태의 지진을 자유로이 모사할 수 있으므로, 이는 불확실성이 많은 동적거동 특성을 합리적으로 파악할 수 있다(Park et al.
	필댐의 붕괴가 발생하는 원인은 무엇인가?	필댐의 붕괴는 월류(35.9%)와 파이핑(30.5%)이 주된 원인으로 분석되고 있고, 월류는 집중호우 등의 기상조건에 의해 발생되는 반면, 파이핑은 시간경과에 따라 제체의 내구성이 저하하는 현상으로 발생하기 때문에 국내의 저수지 제체 노후화 대책 수립 시 월류와 파이핑에 관한 문제를 중요하게 고려하여야 한다. 국내 저수지의 형식은 99%가 필댐으로 구성되어 있고, 축조된 지 50년이 경과된저수지가 82%에 이르고 있기 때문에 월류 및 파이핑으로인한 재해위험도가 더욱 가중되고 있다.

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Yoon, Y. S. (2014), Stability evaluation of a tide embankment using centrifugal model tests. Ph.D. dissertation, Kangwon National University. (In Korean)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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