[논문]안전과 저수량 증대 측면의 샌드댐 설계 개선 방안

서동건; 서종원; 채정욱; 김성준; 윤태섭; 정일문

doi:10.9720/kseg.2020.3.279

안전과 저수량 증대 측면의 샌드댐 설계 개선 방안
Improvement of Sand Dam Design for Safety and Increased Water Storage 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.30 no.3, 2020년, pp.279 - 288

서동건 (연세대학교 건설환경공학과) , 서종원 (연세대학교 건설환경공학과) , 채정욱 (연세대학교 건설환경공학과) , 김성준 (연세대학교 건설환경공학과) , 윤태섭 (연세대학교 건설환경공학과) , 정일문 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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샌드댐이란 하천의 횡단에 보 등을 설치하고 확보된 공간에 모래와 같은 투수성 재료와 물을 함께 채운 후, 공극내의 물을 저장하여 사용하기 위한 구조물이다. 주로 아프리카 케냐를 중심으로 많은 사례가 보고되고 있는 샌드댐에 관해 본 연구에서는 샌드댐의 구조적 안전과 취수량 증대를 위한 설계 방안을 제시하였다. 첫째, 샌드댐의 콘크리트 벽체의 안정성을 확보하기 위해 철근을 가시철근으로 연결, 시공의 편리함을 제시했다. 둘째, 지오텍스타일을 이용하여 증발을 45%에서 8%로 감소시킬 수 있었고 수평방향 투수배출량도 크게 줄일 수 있어 취수량은 기존대비 약 2.4배 증가되는 것을 알 수 있었다. 이 밖에도 수질개선을 위한 침사지 설계로 여과효율을 높였고, 토양수분장력계를 통한 모니터링 방법도 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sand dams are formed by installing beams across rivers and filling the secured space with water and a permeable material, such as sand, which stores the water in available pore space. These structures have mainly been reported in Kenya, Africa. This study proposes a sand dam design that improves structural safety and water intake. First, to increase the stability of the concrete wall of the dam, steel barbed wire connections are proposed for construction. Second, by using geotextile fabrics, evaporation may be reduced from 45% to 8%, and horizontal permeable discharge could be reduced markedly, therefore improving water storage capabilities. In addition, the water intake increased by ~2.4 times that of the previous design. Third, filtration efficiency is improved by selecting a sedimentary site for improved water quality. Finally, the installation of a tensiometer is suggested for monitoring the sand dam.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Porosity and drainable porosity tests for different sediments
그림 Fig. 1. Concrete wall side view (modified from Maddrell, 2018).
그림 Fig. 2. Overhead view (modified from Maddrell, 2018).
표 Table 2. Hydraulic conductivity of soil types
그림 Fig. 3. Free body diagram for water particle.
표 Table 3. Final intake after improvement
표 Table 4. Sedimentation filtration rate
그림 Fig. 4. Installation location of tensiometer.

AI 본문요약
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문제 정의

개선 전후의 샌드댐에서 지하수의 수위가 일정 높이를 유지함을 기반으로 취수용량을 계산했기 때문에 퇴적층이 일정 수준 이상 완전 포화임을 유지하는 것이 중요하다. 따라서 목표 지하수위 근처 퇴적층의 포화도를 측정하는 모니터링 시스템을 통해 취수량을 조절하고 퇴적층의 포화도를 유지하는 것을 검토한다. 포화도를 측정하기 위한 장비로 토양 수분장력계라고 하는 토양수분장력계를 선택했다.
그러나 시공 과정이나 운영 과정에서 오차가 발생할 확률이 존재한다. 따라서 지오텍스타일을 통해 개선된 저수 용량이 이론값과 근사한지 확인하기 위해 실시간으로 퇴적층의 포화도를 확인하는 시스템을 추가했다.
또한, 저장되어 있는 물이 폐쇄된 형태로 보관되어 어느 정도는 손실로부터 자유롭지만 건조지역이기 때문에 증발산이 활발히 이루어지고 횡방향으로 침투현상이 발생하여 물의 손실이 발생하게 된다. 본 연구에서는 기존 샌드댐의 설계방안을 검토하고 구조적 안전과 수리학적 효율을 높이는 설계 방안을 제시하였다.
때문에 샌드댐을 건설하는 시공업체들은 공사기간을 산정할 때 지리적 요건을 가장 중요하게 고려한다. 본 연구에서는 이러한 방해 요소를 최소화하고 공사기간의 변동성을 줄이기 위해 벽체 뒤로 흙더미를 인위적으로 채우는 아이디어를 제안하였다. 건설 후 추가답사를 통해 실제 저수량을 판단해야 하는 기존의 샌드댐과는 달리 흙의 종류를 선택하여 미리 채워 줌으로써 설계 전부터 대략적인 저수량의 예측이 가능해 진다.
하지만, 물리적 오염 부분에서는 흙입자를 포함한 비균질 혼합물의 여과를 통해 음용수로 사용한다는 결론 외에 특별한 여과장치를 제시하지는 않았다. 본 연구에서는 일단 샌드댐에서 여과된 물을 침사지를 통해 다시 정화시키는 방안을 검토하였다. 침사지란, 하천에서 토사함유량이 많은 용수를 취수하는 경우 토립자를 침전시켜 맑은 물을 얻어내기 위한 수처리 시설이다.
현재 아프리카에 지어지는 샌드댐들은 물 부족 문제에 기여하고 있지만 구조적 안전이나 물저장 효율 면에서는 다소 부족한 점들이 노출되었다. 이에 본 연구에서는 기존 설계자료를 바탕으로 구조적 안전을 위한 방안을 제시하고 홍수도달 이전에 퇴적층을 형성하는 방법도 제시하였다. 샌드댐의 가장 중요한 목표인 저수량 증대방안을 위해 GCL을 이용한 수평배수 억제방안을 검토하였고, 증발량을 저감하기 위한 지오텍스타일설치를 제안하였다.

가설 설정

1) 댐 바닥의 두께는 댐체 높이의 ⅔로 정한다.
3) 댐은 반드시 모든 밑면적이 기반암 위에 설치되어야 한다.
5) 기존 유수의 방향을 바꾸지 말아야 한다.
이를 계산하기 위해 Darcy의 법칙을 사용했다. 샌드댐을 건설하기 위해서는 반드시 접근 가능한 기반암이 존재해야 하므로 퇴적층 하부에 기반암이 존재하여 수직투수가 없다는 가정으로 설계하였다.
따라서 우기 때 주변지역에서 지하로 침투되는 물의 양을 가정하고 그 양이 최대한 함양될 수 있음을 감안하였다. 즉, 댐 주변 0.01 km²의 대수층에서 샌드댐으로 자연함양이 진행된다고 가정하고 케냐의 연강수량 900 mm 중에 25%의 함양률을 적용하여 연간 22,500 m³(일평균 60 m³)의 자연함양이 진행되는 것으로 계산하였다. 이 중에서 수평으로 유출되어 손실되는 양을 Darcy 공식에 의해 계산한 36.

제안 방법

Table 1은 퇴적된 흙의 종류에 따른 공극률과 배수공극률을 나타낸 자료이다. 본 연구에서 목표로 하는 샌드댐의 위치는 특정 지역에 국한되지 않으나, 기존 설계된 샌드댐과의 비교과정을 위해 아프리카 케냐 지역의 토질 특성을 참고하였다. 쌓인 퇴적물의 중량이 커질수록 저수용량은 커질 수 있으나 벽체에 가하는 하중이 커져 콘크리트 보강이 추가적으로 이뤄져야 한다는 점을 고려하여 중간단계의 거친 모래를 채움재 종류로 택하였다(Table 1).
샌드댐의 가장 중요한 목표인 저수량 증대방안을 위해 GCL을 이용한 수평배수 억제방안을 검토하였고, 증발량을 저감하기 위한 지오텍스타일설치를 제안하였다. 샌드댐 자체의 여과를 통해 기본적인 수질 개선이 이루어지지만, 추가적으로 배출된 물을 재 침강시키는 방안도 제시하였고 토양수분장력계를 이용한 상시 모니터링 방안도 제시하였다. 적용결과 증발량 저감은 기존 45%에서 8%로 줄일 수 있었고, 취수량 증대효과는 약 240%, 수질개선 여과율은 53%로 높게 나타났다.
이에 본 연구에서는 기존 설계자료를 바탕으로 구조적 안전을 위한 방안을 제시하고 홍수도달 이전에 퇴적층을 형성하는 방법도 제시하였다. 샌드댐의 가장 중요한 목표인 저수량 증대방안을 위해 GCL을 이용한 수평배수 억제방안을 검토하였고, 증발량을 저감하기 위한 지오텍스타일설치를 제안하였다. 샌드댐 자체의 여과를 통해 기본적인 수질 개선이 이루어지지만, 추가적으로 배출된 물을 재 침강시키는 방안도 제시하였고 토양수분장력계를 이용한 상시 모니터링 방안도 제시하였다.
, 2019)에 따라 45%가 증발로 손실되는 샌드댐에서 대략 8% 만이 증발되는 성능을 기대할 수 있다. 실험실 데이터임을 고려하여 보수적으로 책정하여 대략 10%에 해당하는 물의 양이 증발된다고 설계하였다.
본 연구에서 목표로 하는 샌드댐의 위치는 특정 지역에 국한되지 않으나, 기존 설계된 샌드댐과의 비교과정을 위해 아프리카 케냐 지역의 토질 특성을 참고하였다. 쌓인 퇴적물의 중량이 커질수록 저수용량은 커질 수 있으나 벽체에 가하는 하중이 커져 콘크리트 보강이 추가적으로 이뤄져야 한다는 점을 고려하여 중간단계의 거친 모래를 채움재 종류로 택하였다(Table 1).
이 값을 실험으로 확인하기 위해 모래와 물을 섞은 후 섞은 직후와 30초 후의 침전된 물을 채집하여 오븐에 건조 시킨 뒤 잔류한 흙의 무게를 측정하였다. 실험의 신뢰도를 높이기 위해 각각에 대해 3회 씩 진행하였고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다(Table 4).
2)와 같이 철근을 배치한다. 철근의 평행 간격은 3:4:5의 거리 비를 맞춰야 하므로 0.9 m, 1.2 m, 1.5 m 간격을 두었다.
따라서 목표 지하수위 근처 퇴적층의 포화도를 측정하는 모니터링 시스템을 통해 취수량을 조절하고 퇴적층의 포화도를 유지하는 것을 검토한다. 포화도를 측정하기 위한 장비로 토양 수분장력계라고 하는 토양수분장력계를 선택했다. 두 개의 진공부 중, 토양 내부에 있는 진공부는 세라믹으로 이루어져 토양수분장력계 내부에 존재하는 물이 자유롭게 이동할 수 있다.
이것은 수분을 흡수한 후 팽창하여 외부의 돌출물질에 의하여 손상을 받았을 때 손상부위가 치유될 수 있는 장점을 가지고 있다. 횡방향의 배수를 억제하기 위하여 지오멤브레인과 GCL을 후보군으로 선정하고 비교하였다. 비교 결과 각각의 투수계수는 비슷하지만 내구성 부분에서 GCL이 우수한 것으로 나타났다.

대상 데이터

5 m이다. 기반암에 박히는 깊이(10 cm)를 고려하였을 때 2.6 m 길이의 Y10/16철근을 사용하였다. 사용하는 철근은 Y10/16철근이다.
지오텍스타일(geotextile)이란 여과, 보강, 보호 또는 배수기능을 가진 투과성 직물로 흡수성이 매우 좋아 수분제거 또는 사면안정 등 토목응용 분야에 활용된다(Jeon and Hong, 2004). 본 연구에서는 내구성이 강하고 물분자가 더욱 효과적으로 흡입되는 wicking 지오텍스타일을 선정하여 설계에 반영하였다(Guo et al., 2016). 콘크리트 내벽 뒤로 쌓은 토체상층부에 wicking 지오텍스타일을 설치하면, wicking 지오텍스타일 보다 위에 존재하는 수분은 대부분이 응집되거나 증발로 사라진다.
샌드댐의 콘크리트 벽체는 저수용량을 결정하는 역할의 여수로(spillway), 측면에서 벽체의 안정성을 부여하는 날개부(wing)로 이루어진다. 본 연구에서는 저수용량을 판단하기 위한 목적으로 여수로의 높이만을 고려하였고 10 m 하폭을 가지는 하천 또는 소하천을 대상으로 하였다. 통상 중앙 여수로의 높이는 지역별 강우량에 따라 결정하지만 정확한 연평균 강수량 정보를 얻기 어려운 아프리카 실정을 고려하여 여수로의 높이를 보통 2.
샌드댐 내 수평 유출량 저감을 위해 토목섬유 중 하나인 지오멤브레인을 활용하여 검토하였다. 토목합성수지 점토라이너(Geosynthetic Clay Liner, GCL)는 규격이 작고 소규모의 방수 목적으로 활용되어 왔다.
설계한 퇴적층은 거친 모래로 채워져 있으며 평균 입경은 0.5 mm에서 1.0 mm까지의 범위이다. 투수계수는 1.

이론/모형

대기 중으로 증발하는 유량 이외에, 퇴적층 내에서 지하수의 침윤을 통해 유출되는 양도 존재한다. 이를 계산하기 위해 Darcy의 법칙을 사용했다. 샌드댐을 건설하기 위해서는 반드시 접근 가능한 기반암이 존재해야 하므로 퇴적층 하부에 기반암이 존재하여 수직투수가 없다는 가정으로 설계하였다.
환경부 설계기준(Ministry of Environment, 2017)에 따른 체류시간은 30~60초 사이 이므로 30초를 적용하였다. 추가적으로 침사지의 유입부, 유출부 길이와 침사지내부 일시적인 누적으로 인한 수심증가를 고려한 여유 높이를 추가한 결과 침사지의 규모는 길이 11.

성능/효과

2) 댐은 사다리꼴 모양으로 1미터 연직 위 방향으로 올라갈 때마다 0.3 m의 두께 감소를 허용한다. 단, 바닥면의 최소 두께는 1.
4) 댐의 날개부분은 중앙여수로부터 1 m 멀어질 때마다 0.2 m의 두께 감소가 가능하다.
이는 Golden rule에서 제시한 최소두께를 만족한다. 결론적으로, 콘크리트 벽체의 상단 두께는 1.05 m, 하단 두께는 1.7 m이며 높이는 2.5 m이다. 기반암에 박히는 깊이(10 cm)를 고려하였을 때 2.
기존의 샌드댐에서 저류 용량을 개선한 이론값은 약 2.39배 증가한 55.62 m³/day로 나타났다. 그러나 시공 과정이나 운영 과정에서 오차가 발생할 확률이 존재한다.
두 번째, 인장철근, 압축철근은 서로 3:4:5의 직각 삼각형 모양으로 배치되어야 한다.
그 이유는 댐 내부에서 물이 빠져나가더라고 주변에 지하수량에서 물이 댐 내부로 수압에 의해 이동되어 다시 채워지기 때문이다. 따라서 우기 때 주변지역에서 지하로 침투되는 물의 양을 가정하고 그 양이 최대한 함양될 수 있음을 감안하였다. 즉, 댐 주변 0.
사용하는 철근은 Y10/16철근이다. 마지막으로, 기존 매뉴얼에서 제시한 바와 같이 철근과 철근 사이 간격을 가시철근(barbed wire)으로 엮어 시공의 편리함을 제공함과 동시에 철근 간 상호 안정성 보완을 유도한다.
횡방향의 배수를 억제하기 위하여 지오멤브레인과 GCL을 후보군으로 선정하고 비교하였다. 비교 결과 각각의 투수계수는 비슷하지만 내구성 부분에서 GCL이 우수한 것으로 나타났다.
세번째, 철근은 기반암(bedrock)의 7~10 cm를 파낸 후 순수한 모르타르와 함께 심어야 한다. 즉, 다음의 측면도(Fig.
샌드댐 자체의 여과를 통해 기본적인 수질 개선이 이루어지지만, 추가적으로 배출된 물을 재 침강시키는 방안도 제시하였고 토양수분장력계를 이용한 상시 모니터링 방안도 제시하였다. 적용결과 증발량 저감은 기존 45%에서 8%로 줄일 수 있었고, 취수량 증대효과는 약 240%, 수질개선 여과율은 53%로 높게 나타났다. 기후변화로 인해 지구촌 곳곳에서 물 부족 문제는 더욱 심해질 것으로 예상되며 향후 아프리카가 아닌 우리나라를 포함한 여러 국가에서 샌드댐의 응용된 기술이 활용될 것이 예상되므로 본 연구의 성과는 추후 다각적인 측면에서 이용될 것으로 기대한다.
환경부 설계기준(Ministry of Environment, 2017)에 따른 체류시간은 30~60초 사이 이므로 30초를 적용하였다. 추가적으로 침사지의 유입부, 유출부 길이와 침사지내부 일시적인 누적으로 인한 수심증가를 고려한 여유 높이를 추가한 결과 침사지의 규모는 길이 11.3 m, 높이 0.22 m, 너비 0.5 m로 산정되었다.
표면부하율을 침사지의 대표값인 1,800 m3/m2 × day로 하여 나머지 물성값을 대입한 뒤 계산한 결과 침전율은 50.8%로 나타났다.

후속연구

본 연구에서는 이러한 방해 요소를 최소화하고 공사기간의 변동성을 줄이기 위해 벽체 뒤로 흙더미를 인위적으로 채우는 아이디어를 제안하였다. 건설 후 추가답사를 통해 실제 저수량을 판단해야 하는 기존의 샌드댐과는 달리 흙의 종류를 선택하여 미리 채워 줌으로써 설계 전부터 대략적인 저수량의 예측이 가능해 진다. Table 1은 퇴적된 흙의 종류에 따른 공극률과 배수공극률을 나타낸 자료이다.
적용결과 증발량 저감은 기존 45%에서 8%로 줄일 수 있었고, 취수량 증대효과는 약 240%, 수질개선 여과율은 53%로 높게 나타났다. 기후변화로 인해 지구촌 곳곳에서 물 부족 문제는 더욱 심해질 것으로 예상되며 향후 아프리카가 아닌 우리나라를 포함한 여러 국가에서 샌드댐의 응용된 기술이 활용될 것이 예상되므로 본 연구의 성과는 추후 다각적인 측면에서 이용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드댐이란?	샌드댐이란 하천의 횡단에 보 등을 설치하고 확보된 공간에 모래와 같은 투수성 재료와 물을 함께 채운 후, 공극 내의 물을 저장하여 사용하기 위한 구조물이다. 주로 아프리카 지역과 같은 건조 지역에서 연간 드물게 발생하는 홍수류를 저류시켜 토립자를 침전시킨 후, 그 속에 저장된 물을 건조 시에 활용하는 시설로 우리나라에는 아직 시공된 바 없다(Chung and Lee, 2019).
	샌드댐과 관련한 설계 매뉴얼(Maddrell, 2018)에서 제시된 설계 Golden Rule은?	1) 댐 바닥의 두께는 댐체 높이의 ⅔로 정한다. 2) 댐은 사다리꼴 모양으로 1미터 연직 위 방향으로 올라갈 때마다 0.3 m의 두께 감소를 허용한다. 단, 바닥면의 최소 두께는 1.5 m를 미달해선 안 된다. 3) 댐은 반드시 모든 밑면적이 기반암 위에 설치되어야 한다. 4) 댐의 날개부분은 중앙여수로부터 1 m 멀어질 때마다 0.2 m의 두께 감소가 가능하다. 5) 기존 유수의 방향을 바꾸지 말아야 한다.
	샌드댐의 실제 공사기간은?	샌드댐의 실제 공사기간은 약 두 달 내외로 짧게 걸리지만 제 역할을 하기 위해서는 벽체 뒤에 퇴적층이 형성되어야 하므로 수년의 기간이 추가로 소요된다. 또한, 저장되어 있는 물이 폐쇄된 형태로 보관되어 어느 정도는 손실로부터 자유롭지만 건조지역이기 때문에 증발산이 활발히 이루어지고 횡방향으로 침투현상이 발생하여 물의 손실이 발생하게 된다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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상세보기
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Villani, L., Castelli, G., Hagos, E.Y., Bresci, E., 2018, Water productivity analysis of sand dams irrigation farming in northern Ethiopia, Journal of Agriculture and Environment for International Development, 112(1), 139-160.
Yifru, B., Kim, M.G., Chang, S., Lee, J., Chung, I.M., 2018, Numerical modeling of the effect of sand dam on groundwater flow, The Journal of Engineering Geology, 28(4), 529-540.

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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