[논문]저수위-간극수압의 상관관계를 통한 필댐 안정성 평가

강기천; 김동환; 윤석민; 장봉석; 김지성

doi:10.7843/kgs.2020.36.6.5

저수위-간극수압의 상관관계를 통한 필댐 안정성 평가
Assessing the Stability of Fill Dams by Relationship between Water Level and Porewater Pressure 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.6, 2020년, pp.5 - 15

강기천 (경상대학교 토목공학과) , 김동환 (경상대학교 토목공학과) , 윤석민 (경상대학교 공학연구원) , 장봉석 , 김지성 (전주비전대학교 지적토목학과)

초록
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본 연구는 필댐에 설치된 간극수압과 댐의 저수위와의 상관관계를 통해 댐의 안정성 평가를 위한 간극수압계의 활용방안에 대해 다루고 있다. 이를 위해 필댐에 설치된 총 8개의 간극수압계에 대해서 주성분 분석을 수행한 결과, 3개의 군집으로 분류되었다. 이는 댐 제체 내에 형성되는 침윤선을 기준으로 내부, 외부, 상단으로 분류된 것으로 나타났다. 침윤선 내부에 위치한 A군집 내 간극수압계와 저수위와의 상관계수는 0.94~1.00로 강한 양의 선형관계를 나타냈다. 즉, 향후 A군집 내에 존재하는 간극수압계에 의해 해당 댐의 유지관리가 필요한 것을 의미한다. 또한, 저수위와 간극수압계에 대한 회귀분석을 수행한 결과, A군집의 결정계수가 0.89~0.99로 선형회귀 모형이 도출되었다. 따라서 저수위가 설명 변수로 고정될 때 간극수압의 예측이 가능하여 현재 계측된 값과의 비교를 통해 댐의 안전성 여부를 판단할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with the use of porewater pressure transducers to evaluate the stability of a fill dam through the correlation between the porewater pressure and water level. As a result of performing principal component analysis on a total of eight porewater pressure transducers installed in the fill dam, they were distributed into three groups. It was found to be distributed as internal, external, and top based on seepage line in the dam body. The correlation coefficient between porewater pressures and water level in group A located inside the seepage line indicated 0.94 to 1.00 and they are showing a strong positive linear relationships. It indicates that maintenance of the dam is required by the porewater pressure transducers of the group A. In addition, a linear regression analysis was performed with the determination coefficients of the group A of 0.89 to 0.99. It was found that the pore water pressure can be predicted and the stability of the dam can be evaluated by comparing it with the currently measured values when the water level is fixed as an explanatory variable.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. OO Dam
그림 Fig. 2. Cross-sectional plan for instruments
그림 Fig. 3. Water Level and Rainfall for OO Dam
그림 Fig. 4. Location of porewater pressure transducers
그림 Fig. 5 Pore water pressure measured in OO Dam
그림 Fig. 6. Linear Interpolation for porewater pressure
그림 Fig. 7. Results of PCA
그림 Fig. 8. Distributions of porewater pressure transducers by PCA
표 Table 1. Latent and Cumulative for PCA
표 Table 2. Coefficient matrix for component scores and group distributions for porewater pressures
표 Table 3. Relationships among water level and porewater pressures
그림 Fig. 9. Relationships between water level and porewater pressure
그림 Fig. 10. Regression Analysis between water level and porewater pressures of group A
표 Table 4. Regression analysis between water level and porewater pressures

AI 본문요약
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문제 정의

A군집 내 간극수압은 저수위와의 상관계수가 0.95 이상으로 높게 나타났기 때문에 저수위와 간극수압계에 대한 회귀분석을 수행하여 저수위 변화에 따른 간극 수압을 예측할 수 있는 모형을 제안하고자 한다. 회귀분석은 저수위를 설명 변수로 하고 각각의 간극수압을 반응변수로 설정한 경우에 대해 수행하였다.
OO댐의 계측기기는 건설에 따른 시공 중, 준공 후, 담수 시의 안정 및 거동분석을 위해 설치되었고 측정된 계측자료의 분석을 통해 댐의 안정성과 거동변화를 감지하며, 향후 장기간 사용에 있어 댐의 운영 및 유지관리에 활용함이 목적이다. Fig.
본 연구에서는 필댐에 설치된 간극수압과 댐의 저수위와의 상관관계를 분석하여 안정성 평가를 수행하여 향후 댐 안전을 위한 간극수압계의 활용을 위한 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 필댐의 누수 및 파이핑의 예측에 활용되는 간극수압계에 대해서 댐 저수위와의 상관관계를 분석하여 아래와 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

간극수압계에 대한 상관분석은 군집 내 계측기별 상관분석 그리고 분류된 군집-저수위 상관분석을 수행하였다. A군집(PP01, PP02, PP03, PP05) 내 상관분석을 수행한 결과 Table 3에 나타낸 바와 같이 상관계수는 0.
결측지점은 계측치가 “0”로 기록되어 그림과 같이 0의 값으로 하향곡선을 나타낸다. 그림에서 나타낸 것과 같이 간극수압계의 시계열 분포를 살펴보면 국부적으로 발생되는 극심한 상하 진동 또는 다량의 이상치 발생 등의 특이한 거동이 시계열 분포상에 관측되지 않은 것으로 판단되어 Spline을 활용한 선형보간을 수행하였다. 즉, 변곡점 분석으로부터 추출된 국소 최고점들을 연결하는 Spline 생성하고 추출된 원시 자료와 생성된 Spline을 합성하여 결측 구간에 대해 선형 보간을 수행하였다.
본 연구에서는 OO댐 제체 내에 설치된 간극수압계들의 통계적 유사성을 기반으로 적정 군집을 결정하기 위해 주성분 분석을 수행하였다. 주성분을 몇 개 까지 채택할 것인가에 대한 기준에 대해서 이론적으로 밝혀진 바가 없으나, 일반적으로 적용되는 분류기준(Lee, 2012)인 ⓛ 상관 행렬 고유치(Latent)가 1 이상일 것과 ② 누적 기여율(Cumulative)이 70∼80% 이상일 것을 적용하여(Table 1), 간극수압계를 3개의 주성분으로 요약하였고 Fig.
주성분을 몇 개 까지 채택할 것인가에 대한 기준에 대해서 이론적으로 밝혀진 바가 없으나, 일반적으로 적용되는 분류기준(Lee, 2012)인 ⓛ 상관 행렬 고유치(Latent)가 1 이상일 것과 ② 누적 기여율(Cumulative)이 70∼80% 이상일 것을 적용하여(Table 1), 간극수압계를 3개의 주성분으로 요약하였고 Fig. 8은 선택된 3개의 주성분에 따른 성분도표를 나타낸 것이다.
그림에서 나타낸 것과 같이 간극수압계의 시계열 분포를 살펴보면 국부적으로 발생되는 극심한 상하 진동 또는 다량의 이상치 발생 등의 특이한 거동이 시계열 분포상에 관측되지 않은 것으로 판단되어 Spline을 활용한 선형보간을 수행하였다. 즉, 변곡점 분석으로부터 추출된 국소 최고점들을 연결하는 Spline 생성하고 추출된 원시 자료와 생성된 Spline을 합성하여 결측 구간에 대해 선형 보간을 수행하였다. Fig.
95 이상으로 높게 나타났기 때문에 저수위와 간극수압계에 대한 회귀분석을 수행하여 저수위 변화에 따른 간극 수압을 예측할 수 있는 모형을 제안하고자 한다. 회귀분석은 저수위를 설명 변수로 하고 각각의 간극수압을 반응변수로 설정한 경우에 대해 수행하였다. Fig.

대상 데이터

Fig. 4에 나타난 바와 같이 간극수압계는 총 8개소(PP01∼PP08)가 댐 코어부에 설치되었고, 2009년 6월 1일부터 2019년 6월 10까지의 계측 결과에 대해서 분석하였다.
본 연구의 대상인 간극수압계의 경우는 댐 제체 내에 총 8개소가 설치되어 담수 후 수압의 증감을 통해 침투 유출량의 적절성 여부를 판단한다. 계측자료는 담수 이후 2009년 6월 1일부터 자동계측을 수행하였고 본 연구에서는 2019년 6월 10일까지의 약 10년간의 계측자료를 분석하였다.
2는 OO댐의 계측기기 설치 단면도를 나타낸 것이고 그림에 나타낸 바와 같이 일반적으로 간극수압계(PP), 토압계(EP), 정상침하계(CS)등이 설치된다. 본 연구의 대상인 간극수압계의 경우는 댐 제체 내에 총 8개소가 설치되어 담수 후 수압의 증감을 통해 침투 유출량의 적절성 여부를 판단한다. 계측자료는 담수 이후 2009년 6월 1일부터 자동계측을 수행하였고 본 연구에서는 2019년 6월 10일까지의 약 10년간의 계측자료를 분석하였다.
연구대상 댐인 OO댐은 총 저수용량 239만m3, 높이 35m, 댐연장 108m, 댐 체적은 190천m3의 중심 코어형사력댐이다. 사업 기간은 2002년∼2007년이고 담수 이후 약 10년이 경과한 댐이다(Fig.

데이터처리

본 연구를 통해 개발된 저수위-간극수압 1차 선형회귀 모형에 대한 통계적 적합도 검정을 위해 결정계수 (R2) 및 F-test를 수행하였으며, 그 결과는 Table 4에 제시하였다. Table 4에 나타낸 것과 같이 PP01, PP02, PP03 그리고 PP05에 대한 1차 선형회귀 모형들의 결정계수의 범위는 0.

성능/효과

(1) 간극수압의 결측은 선형 보간을 수행하고 주성분 분석을 수행한 결과 댐 상류부-중/하단부(A군집), 댐하류부-중부(B군집), 그리고 댐 상류부-상단부(C군집)로 3개의 군집으로 분류되었고 군집 내 존재하는 간극수압계간 유사한 형상을 나타냈다.
(2) 침윤선 내부에 존재하는 것으로 예측되는 A군집인 PP01, PP02, PP03, PP05 사이의 상관분석을 수행한 결과 0.95 이상의 상관관계를 보였고 이는 서로 상호보완적인 관계가 될 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 저수위-간극수압의 유의미한 상관관계를 만족하는 A군집(PP01, PP02, PP03, PP05)에 대한 1차 선형회귀분석을 수행한 결과 결정계수(R2)는 0.89∼0.99의 범위로써 높은 설명력을 만족하였으며 통계적인 적합도 또한 유의수준 5% 하에서 유의미한 것으로 분석되었다.
(4) 따라서 일정한 댐 저수위에서 간극수압의 변화가 있을 때 제체 내부의 누수 또는 파이핑 등에 따른 댐 안전의 위협 요소의 사전 감지 및 설명 변수로 저수위가 고정되어 있을 때 간극수압의 예측이 가능하므로 현재 계측된 계측 값과의 비교를 통해 댐의 안전성 여부를 판단할 수 있다.
이러한 결과로부터 A군집 내 개별 계측기가 결측 또는 기계적 이상거동을 나타낼 때 서로 상호보완적 관계가 될 수 있을 것으로 판단된다. B군집(PP04, PP06), C군집(PP07, PP08)의 경우는 군집 내 계측기 사이의 상관계수가 각각 0.84와 0.90으로 상대적으로 높은 양의 상관관계를 나타내지만 다른 군집과의 상관관계는 없는 것으로 나타났다. 또한, 간극수압계와 저수위와의 관계는 Table 3에 나타낸 바와 같이 A군집의 경우는 상관계수가 0.
99로서 높은 통계적 설명력을 만적하는 것으로 나타났다. 그리고 각 회귀모형에 대한 적합도 검정을 위해 유의수준 5%하에서 F-test를 수행한 결과 모든 회귀모형들이 적합도를 만족하는 것으로 나타났으며 A군집에서는 저수위의 변화에 따라 간극수압의 예측이 가능할 것으로 판단된다. 즉 설명 변수로 저수위가 고정되어 있을 때 간극수압의 예측이 가능하며 현재 계측된 계측값과의 비교를 통해 댐의 안전성 여부를 판단할 수 있다.
22로 낮은 상관관계를 나타내어 저수위와의 상관성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 댐 저수위의 변화가 없고 간극수압의 큰 변화를 나타낼 A군집 내 간극수압계로부터 댐 제체 내부의 유로 생성에 따른 파이핑 등에 따른 침투압 증가 등 댐 안전의 위헙 요소를 사전에 감지할 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
4에 나타난 바와 같이 간극수압계는 총 8개소(PP01∼PP08)가 댐 코어부에 설치되었고, 2009년 6월 1일부터 2019년 6월 10까지의 계측 결과에 대해서 분석하였다. 자료 수집 기간의 간극수압계의 평균 결측률은 7.5%였고 지점별 결측 빈도는 유사하게 나타났다. Fig.

후속연구

본 연구의 결과로부터 향후 A군집 내 존재하는 간극수압계에 의한 유지관리가 필요하며 댐 안전의 실시간안전감시를 위해 상기에 도출된 모형식을 활용하여 조기경보시스템의 운영이 가능할 것으로 기대된다.
0의 값으로 강한 양의 상관관계를 나타내고 있다. 이러한 결과로부터 A군집 내 개별 계측기가 결측 또는 기계적 이상거동을 나타낼 때 서로 상호보완적 관계가 될 수 있을 것으로 판단된다. B군집(PP04, PP06), C군집(PP07, PP08)의 경우는 군집 내 계측기 사이의 상관계수가 각각 0.

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USCOLD (1975). Lessons of Dam Incidents, USA.

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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