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수위 상승에 따른 CFRD(콘크리트 표면차수벽형 석괴댐)의 거동 모사 원심모형시험
Centrifuge tests for simulating the behavior of CFRD with increasing water level 원문보기

한국지반공학회 2006년도 춘계 학술발표회 논문집, 2006 Mar. 24, 2006년, pp.784 - 793  

서민우 (한국수자원공사 수자원연구원) ,  임은상 (한국수자원공사 수자원연구원) ,  김용성 (소방방재청 재해경감대책팀) ,  하익수 (한국수자원공사 수자원연구원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As the number of CFRD constructions increases, the necessity of an accurate assessment on its behavior also has been increasing accordingly. The performance of concrete faced rockfill dam (CFRD) under different water levels is greatly concerned by dam engineers and designers in the world. However, d...

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제안 방법

  • 3개 모형 시험에서 측정된 자료를 바탕으로 수위 상승에 따른 fiberglass face slab의 변형을 분석하였다. 대부분 수위가 상승함에 따라 face slab의 변형량은 증가하였으나, Model 1은 Model 2 및 Model 3와는 다소 상이한 경향을 보였다.
  • CFRD 모사 시험시 slab에 접촉하여 직접 물을 공급하는 것은 용기 벽면과 fiberglass 사이 및 모형 slab 인결부위를 통해 댐체 내부로 누수 가능성이 높기 때문에, 본 시험에서는 고무 멤브레인으로 제즈R 된 water bag 내부에 물을 채워 누수를 방지하면서 모형 slab에 수위로 인한 하중이 가해지도록 하였다 또한 water bag 하부에는 배출구를 만들어, 수위 저하가 가능하도록 하였다. 사용된 멤브레인의 두께는 1.
  • 정상부 침하와 상류 사면 상단부의 침하를 측정하기 위하여 레이저 센서를 추가하였으며, 고수위 아래 두 곳에 사면에 수직이 되도록 LVDT(LVDT 1, LVDT 2)를 설치하여 slab 변형을 측정하였다. LVDT 끝 부분이 고무 membrane을 관통하지 못하도록 플라스틱 판 위에 위치시켰으며, 또한 추가로 하류 사면에도 LVDT를 설치하여 하류측 사면 변형을 측정하였다.
  • 그리고, 5mm 이하 비율은 재료의 투수 특성이 변하지 않도록 원재료와 동일하도록 유지시켰다. Rockfill 재료와 transition존에 사용된 재료의 강도 특성은 삼축시험을 통해 산정하였다. 또한 강성이 다른 3가지 concrete face slab는 상사비를 적용하여 각기 다른 두께를 가지는 fiberglass plate로 모사하였다.
  • 정확한 모형축조를 위하여 4층의 다짐용 frame을 제작하였다. 각 층을 frame을 고정시킨 후, 축조 재료를 그 내부에 채워 소요 밀도(2.15kg/an‘)까지 다지는 식으로 댐 모형을 제작하였다. Main rockfill과 sub-rockfill 구역은 얇은 fiber이ass 판으로 구분을 한 후, 재료를 채워 넣어 다짐을 실시하였고, 다짐시에는 약 10kg의 hammer를 이용하였다.
  • 상사비®) 70을 적용하여 CFRD 모형의 높이는 370mm로 결정되었으며, 따라서 가해진 가속도는 70G였다. 댐 모형에서 상류측 구배는 실제 댐과 동일하게 1 : 1.4, 하류측 경사 구배는 1 : 1.8로 설계하였으며, 모형 시험시 상승되는 최대 수위는 계획 홍수위인 350mm(원형 : 24.5m)로 설정하였다. 원심모형시험기가 회전(spinning)하면서 이루어지는 수위 상승은 5단계, 즉 90inm(Stage 1), 155mm(Stage 2), 220mm(Stage 3), 285mm(Stage 4), 350mm(Stage 5) 로 나누어 이루어졌디-.
  • 댐체 내부 2곳(EP 7 : 댐체 내측 하부, EP 8 : 댐체 내측 중심)에서 토압을 측정하였다. 그러나 댐 체내 측 하부에 설치된 토압계(EP 7)의 경우, 댐체 축조 시 계측기 설치 후 상부에 계속적으로 재료가 누적되어 다져짐으로 정확한 값을 얻기가 어려웠으며, 그 외에 위치에서도 전반적으로 정확한 값을 얻는데 한계가 있었다.
  • 두 개의 간극수압계(PPT)를 모형조 바닥에 설치하여 내부의 수위 변화를 확인하였으며, 댐 내부에 높이를 달리하여 두 개의 토압계를 설치하였다. 두 개의 fiber이ass 모형 slab기- 상류측 사면에 설치되었으며, 토압계는 모형 slab 뒤편에 부착시켰、다.
  • Rockfill 재료와 transition존에 사용된 재료의 강도 특성은 삼축시험을 통해 산정하였다. 또한 강성이 다른 3가지 concrete face slab는 상사비를 적용하여 각기 다른 두께를 가지는 fiberglass plate로 모사하였다.
  • 두 개의 fiber이ass 모형 slab기- 상류측 사면에 설치되었으며, 토압계는 모형 slab 뒤편에 부착시켰、다. 또한 두 개의 모형 slab(plate 1, plate 2) 뒤편에는 줄을 맞추어 각각 5개의 변형율계를 부착시켜 모형 slab에 구현되는 응력을 측정하도록 하였다. Fiber이ass 판은 변형율계를 부착하기 이전에 부착이 용이하도록 에탄올 용액으로 깨끗하여 표면을 처리하였으며, 부착위치를 표시하였다.
  • 15g/前 재조정하였다. 본 시료에 대하여는 일반 삼축시험기를 이용하여 강도 특성을 평가하였다. 사용된 삼축시험기의 직경은 38mm이고, 높이는 80mm이다.
  • 시험에 앞서 수행된 solenoid 밸브 비교 시험을 통해 최종적으로 Yongchuang Solenoid ValveCType : YCDK11-ZW-160-15, Max, Pressure : lOkg/cm?)를 선정하였다. 본 시험 장치는 70g 상태에서 성공적으로 작동하였으며, 회전 (spinning) 시 용기 내 수위는 모형 내에 설치된 간극 수압 값을 확인하면서 조정하였다. 용기 안에 설치된 outlet mouth는 저수위와 동일한 높이에 설치되었、다(높이 90mm).
  • 70~L90g/orf, 인장강도는 245~343MPa, 탄성 modulus(E)는 17~21GPa이다. 본 시험에는 두개의 모형 slab를 연결하여 slab 거동을 모사하였으며, 각 fiberglass slab의 폭은 200mm였다. 이 폭은 실물에서 14m에 해당하는 넓이이다.
  • 본 시험은 국내 운영 중인 D 댐의 1/2 크기를 원형으로 하여 댐 단면 및 수위 조건을 설계하였으며, face slab 강성이 다른 3개 모형 댐에 대하여 단계적 수위 상승 및 하강이 CFRD의 거동에 미치는 영향을 관찰하였다. 본 연구에 사용된 중국 수리수전연구소(IWHR) 원심모형시험기 현황은 그림 1과 같다.
  • 대형 삼축 시험에서 적용되는 입자 축소 방법은 앞서 언급한 Equal Quantity Replacing Method(EQRM) 와 Similar Particle Distribution Method(SPDM)가 있으며, SPDM은 실제 입도 분포를 동일한 Cu와 Cc 를 갖도록 이농시키는 것으로 이 경우 세립가의 증가로 재료의 투수성이 바뀔 수 있다. 연구에서는 rockfill 재료의 최대 입자크기를 EQRM 방법을 따라 시험용기(container)의 폭 40cm의 약 1/7(통상적으로 6~10)인 60mm로 결정하여, 원입도분포의 최대 입자크기 600mm, 300mm을 모두 동일하게 60mm 로 축소시켰다. 그리고, 5mm 이하 비율은 재료의 투수 특성이 변하지 않도록 원재료와 동일하도록 유지시켰다(Hou 등, 2004).
  • 본 연구에서는 대형 원심모형시험기의 본격적인 설치 및 운영에 앞서 댐 관련 원심모형시험 수행 실적 이 많은 중국 수리수전연구소(IWHR) 대형 원심모형 시험기를 이용하여 CFRD 원심모형시험을 수행하였다. 본 시험은 국내 운영 중인 D 댐의 1/2 크기를 원형으로 하여 댐 단면 및 수위 조건을 설계하였으며, face slab 강성이 다른 3개 모형 댐에 대하여 단계적 수위 상승 및 하강이 CFRD의 거동에 미치는 영향을 관찰하였다.
  • . 시험이 진행되는 동안 수위는 5단계로 나누어 상승시켰으며, 수위 상승 및 저하는 본 시험을 위해 특별히 고안된 장치를 이용하여 이루어졌다. 채워진 물이 댐체 내부로 침투하는 것을 방지하기 위해서 reservoir 구역을 고무 membrane을 이용하여 분리시켜, 차수 상태는 유지하면서 수위 변화에 따른 하중이 face slab에 가해지도록 하였다.
  • 축조 재료의 강도 및 변형 특성을 파악하기 위하여, 두 종류의 삼축시험을 수행하였다. 우선 main rockfill 재료의 특성은 지름 300mm, 높이 700mm의 SJ-70 대형 삼축시험기(중국 수리 수전연구소 소재)를 이용하여 측정하였고, 시료 제작시 5층 다짐으로 소요 밀도를 맞추었다. 모든 시료는 압밀 후 바I수 상태에서 전단되었으며, 가해진 구속압은 0.
  • 따라서 모형댐의 안정을 위하여 본 시험에 앞서 10분 동안 70g 상태로 가속시킨 후, 압밀을 위해 약 4분 동안 70g 상태를 지속시켰다. 이 후 각 모형 시험에서 수위는 5단계로 나누어 증가시켰으며, 각 단계별로 5분 동안 유지시켰다. 물은 평균 4.
  • 최고 수위 도달 이후에는 일정 시간 동안 수위를 유지시킨 후 다시 수위를 저수위로 하강시켜, 종 시험 단계를 수위 상승, 수위 유지, 수위 하강으로 구분하여 시험을 수행하였다. 이러한 과정에 따라 시험을 수행하여 수위 변화에 따른 댐체 낓 face slab의 거동 양상을 관찰하였다.
  • . 전단 속도는 Imm/min였으며, 최대 변형율 15%까지 시험을 수행하였다. 마찰각은 구속압이 증가할수록 감소하는 모습을 보였으며, 따라서 각 구속압에서의 마찰각을 산정하기 위하여 다음의 식을 적용하였다.
  • 하지만 상세 실험 설계 시 변형 거동을 보다 정확하게 관측하기 위하여 몇몇 계측기기를 추가로 설치하였다. 정상부 침하와 상류 사면 상단부의 침하를 측정하기 위하여 레이저 센서를 추가하였으며, 고수위 아래 두 곳에 사면에 수직이 되도록 LVDT(LVDT 1, LVDT 2)를 설치하여 slab 변형을 측정하였다. LVDT 끝 부분이 고무 membrane을 관통하지 못하도록 플라스틱 판 위에 위치시켰으며, 또한 추가로 하류 사면에도 LVDT를 설치하여 하류측 사면 변형을 측정하였다.
  • 중국 수리수전연구소(IWHR)의 대형원심모형시험기를 이용하여 face slab 강성이 다른 3개의 CFRD 모형에 대하여 원심모형시험을 수행하였디..
  • 시험이 진행되는 동안 수위는 5단계로 나누어 상승시켰으며, 수위 상승 및 저하는 본 시험을 위해 특별히 고안된 장치를 이용하여 이루어졌다. 채워진 물이 댐체 내부로 침투하는 것을 방지하기 위해서 reservoir 구역을 고무 membrane을 이용하여 분리시켜, 차수 상태는 유지하면서 수위 변화에 따른 하중이 face slab에 가해지도록 하였다. 모형 댐 축조에 사용된 암석 재료는 중국에서 댐 축조시 널리 사용되는 재료로, 최대 입자 크기는 시험 용기의 폭을 고려하여 60mm 로 결정하였다.
  • 원심모형시험기가 회전(spinning)하면서 이루어지는 수위 상승은 5단계, 즉 90inm(Stage 1), 155mm(Stage 2), 220mm(Stage 3), 285mm(Stage 4), 350mm(Stage 5) 로 나누어 이루어졌디-. 최고 수위 도달 이후에는 일정 시간 동안 수위를 유지시킨 후 다시 수위를 저수위로 하강시켜, 종 시험 단계를 수위 상승, 수위 유지, 수위 하강으로 구분하여 시험을 수행하였다. 이러한 과정에 따라 시험을 수행하여 수위 변화에 따른 댐체 낓 face slab의 거동 양상을 관찰하였다.
  • 특별히 몇몇 계측기는 face slab 뒤쪽 표면에 부착되었다. 최초에는 7개의 토압계, 5개의 LVDT, 5 개의 변형율계(strain gage)를 설치하고, 수위는 90mm에서 350mm까지 상승시키는 것으로 계획하였다. 하지만 상세 실험 설계 시 변형 거동을 보다 정확하게 관측하기 위하여 몇몇 계측기기를 추가로 설치하였다.
  • 15g/cnf로 다졌으며, 모두 동일한 골재 원에서 재료를 취득하였다. 축조 재료의 강도 및 변형 특성을 파악하기 위하여, 두 종류의 삼축시험을 수행하였다. 우선 main rockfill 재료의 특성은 지름 300mm, 높이 700mm의 SJ-70 대형 삼축시험기(중국 수리 수전연구소 소재)를 이용하여 측정하였고, 시료 제작시 5층 다짐으로 소요 밀도를 맞추었다.
  • 변형율계 부착은 판 길이방향과 일치하도록 하였으며, 이 때 위치는 최대한 오차를 줄이도록 주의를 기울였다. 카메라는 시험 중 수위 변화를 관찰할 수 있도록 상류측 방향으로 설치하였으며, 모든 계측기는 시험 시작 전 보정을 실시하였다.

대상 데이터

  • 계측기에서 나온 선들을 자료 취득장치에 연결하였으며, 자료 취득을 위해 총 64개 channel이 제공되었다. 계측된 자료는 시험기 축 근처에 놓인 컴퓨터에 저장되었으며, 무선 인터넷을 통해 주조정실로 전송되었다.
  • 댐 모형의 main rockfill과 sub-rockfill의 건조밀도는 2.15g/cnf로 다졌으며, 모두 동일한 골재 원에서 재료를 취득하였다. 축조 재료의 강도 및 변형 특성을 파악하기 위하여, 두 종류의 삼축시험을 수행하였다.
  • 동일한 단면에 대하여 총 3개 모형(Model 1, Model 2, Model 3) 시험을 실시하였다. 정확한 모형축조를 위하여 4층의 다짐용 frame을 제작하였다.
  • 본 시험에 사용된 수위 조절장치는 두 개의 solenoid 밸브와 파이프, 두 개의 수조, flow meter, 조정 시스템으로 구성된다. 수위 조절 장치 개요는 그림 5와 같으며, 본.
  • 본 시험에 사용된 시험용기(container)의 크기(LxWXH)는 1335><74Ox685mm였으며, 시험용기의 일부분은 수위 저하를 위한 water tank 공간으로 사용되었다. 그리고, 나머지 폭 400mm 부분은 CFRD 모형축조를 위한 공간으로 이용하였다.
  • 여기에 모형 설 계시 적용된 상사비 N=70을 적용하면 모형 concrete face slab의 stiffness는 180 kgcnf/cm로 계산된다. 본시험에 사용된 모형 slab의 강성과 fiberglass의 두께 및 강성은 표 1과 같다.
  • 또한 water bag 하부에는 배출구를 만들어, 수위 저하가 가능하도록 하였다. 사용된 멤브레인의 두께는 1.5mm 였다.
  • 본 시료에 대하여는 일반 삼축시험기를 이용하여 강도 특성을 평가하였다. 사용된 삼축시험기의 직경은 38mm이고, 높이는 80mm이다. 전단에 앞서 시료는 포화되었으며, 압밀 비배수 상태에서 전단이 이루어졌디-.
  • 원심모형시험은 현재 국내에서 운영 중인 D댐(CFRD)을 대상으로 이루어졌으며, 실제 댐 높이 52m의 1/2인 26m를 원형 댐 높이로 하여 모형 단면을 설계하였다. 상사비®) 70을 적용하여 CFRD 모형의 높이는 370mm로 결정되었으며, 따라서 가해진 가속도는 70G였다.
  • 동일한 단면에 대하여 총 3개 모형(Model 1, Model 2, Model 3) 시험을 실시하였다. 정확한 모형축조를 위하여 4층의 다짐용 frame을 제작하였다. 각 층을 frame을 고정시킨 후, 축조 재료를 그 내부에 채워 소요 밀도(2.
  • 3 종류의 축조재료의 입도 분포는 그림 3과 같다. 축조 재료의 입도 분포는 실제 댐에 적용된 입도 분포를 기초로 하여 결정되었으며, 댐 모형 축조에는 실제 중국 내 댐 현장에서 사용되는 골재를 이용하였다.

이론/모형

  • 크기가 매우 커 원입도를 그대로 사용할 수 없었다. 따라서 모형시험시 적용되는 여러 가지 축소 방법 중, EQRMCEqual Quantity Replacing Method) 방법을 따라 모형 축조 재료의 입도를 결정하였다. 대형 삼축 시험에서 적용되는 입자 축소 방법은 앞서 언급한 Equal Quantity Replacing Method(EQRM) 와 Similar Particle Distribution Method(SPDM)가 있으며, SPDM은 실제 입도 분포를 동일한 Cu와 Cc 를 갖도록 이농시키는 것으로 이 경우 세립가의 증가로 재료의 투수성이 바뀔 수 있다.
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