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문제 정의
- 본 연구에서는 농업용 저수지의 재해예방 및 안전관리를 위하여 계측시스템을 구축하고, 간극수압, 지하수위, 지중변위 및 전기비저항탐사 등의 계측자료와 수치해석 결과를 비교분석하여 저수지 제체의 안정성을 평가하고자 하였다.
- 따라서 축조후 장기적인 안정성을 관측하거나 이상강우 등에 의한 제체 위험가능성을 실시간으로 관측하기 위해서는 계측시스템 구축이 필요하다. 그러나 연구대상 저수지는 상당기간 경과 후 재해예방 차원에서 정밀진단 실시를 위해 계측시스템을 구축하는 것이 목적이다. 따라서 측정기간 동안 간극수압의 변화는 거의 나타나지 않으므로 추후 계측시스템 구축 시 간극수압계보다는 수평변위, 지하수위계 및 전기비저항탐사 등의 다른 방법으로 제체내의 안정성을 평가하는 것이 합리적이라고 판단된다.
제안 방법
- 농업기반시설 정밀안전진단시 제체의 안전성 평가는 자연재해대책법에서 규정한 총저수량 50만㎥이상, 높이 15m 이상의 저수지와 저수용량 2,000만㎥ 이상의 저수지, 국가관리 방조제 시설물에 대하여 내진 검토를 실시하고 있다. 또한 농업기반시설관리규정의 2종 시설 중 사면안정해석이 필요하다고 판단되는 저수지에 대하여 시굴 및 시추조사를 시행하여 토질시험성과를 이용한 사면안정해석을 실시한다.
- 계측시스템은 저수지 제체 전구간에 전기비저항 탐사선을 매설하고 간극수압계, 지하수위계 및 지중경사계를 각각 1조씩 설치 후 일정간격으로 연간 3～4회 측정하였다. 본 연구에서는 표 1 과 같이 2003년에 설치한 10개의 저수지 중 다수의 계측자료를 보유하고 있고 계측치의 변화가 발생하여 분석이 필요한 4개의 저수지를 대상으로 계측자료와 수치해석 결과를 비교 분석하였다.
- 계측시스템은 저수지 제체 전구간에 전기비저항 탐사선을 매설하고 간극수압계, 지하수위계 및 지중경사계를 각각 1조씩 설치 후 일정간격으로 연간 3～4회 측정하였다. 본 연구에서는 표 1 과 같이 2003년에 설치한 10개의 저수지 중 다수의 계측자료를 보유하고 있고 계측치의 변화가 발생하여 분석이 필요한 4개의 저수지를 대상으로 계측자료와 수치해석 결과를 비교 분석하였다.
- 따라서 거동을 장기적으로 관측하고 이상여부를 탐지하기 위해서는 미리 계측의 목적을 설정하고 이에 대한 계측계획을 수립하여 체계적이고 효율적인 계측이 되도록 하여야 한다. 현장에 사용된 계측기는 흙의 유효응력에 의한 설계 및 시공관리의 필요성에 따라 지반 내의 물의 흐름을 파악하고 수집된 자료를 이용하여 지반의 안정검토를 하고자 진동현식 간극수압계와 수압식 자동 지하수위계를 설치하였다. 또한 지반내의 수평변위의 발생방향, 크기, 속도 등을 측정하는데 이용되며, 장기계측을 통해 측정된 변위를 이용하여 저수지의 안정도를 검토하고 지반변형의 진행속도를 관측하여 갑작스런 변형을 측정하고자 지중경사계를 설치하였다.
- 현장에 사용된 계측기는 흙의 유효응력에 의한 설계 및 시공관리의 필요성에 따라 지반 내의 물의 흐름을 파악하고 수집된 자료를 이용하여 지반의 안정검토를 하고자 진동현식 간극수압계와 수압식 자동 지하수위계를 설치하였다. 또한 지반내의 수평변위의 발생방향, 크기, 속도 등을 측정하는데 이용되며, 장기계측을 통해 측정된 변위를 이용하여 저수지의 안정도를 검토하고 지반변형의 진행속도를 관측하여 갑작스런 변형을 측정하고자 지중경사계를 설치하였다. 쌍극자배열 전기비저항탐사는 제체의 수평, 수직적 전기전도도 변화를 비교적 간단하면서도 정확하게 탐사하는 방법으로 각종 지질구조 조사에 가장 널리 사용된다.
- 전기비저항 측정(Resistivity monitoring)은 매설 파이프라인 또는 전선 등과 같이 측정에 영향을 주는 잡음(noise) 요인을 최소화하고 전극 접촉은 양호해야 하며 저항은 낮고 일정하게 유지되어야 한다. 전극은 내구성이 강한 스테인레스 전극봉을 사용하였으며 5m 간격으로 매설하였고, 측선은 지형효과 및 지질조건 등을 고려하여 댐마루 하류사면 측으로 전구간에 매설하여 측정하였다.
- 간극수압계로부터 얻은 계측결과를 이용하여 간극수압/저수위-시간곡선을 나타내고 이로부터 계측 시기별 간극수압의 변화 및 저수위의 변화에 따른 간극수압의 경향을 분석하였다. 지하수위계는 시기별로 저수위가 변화를 통하여 제체 내부의 공극 및 침투유로의 유무에 대하여 분석하였다.
- 간극수압계로부터 얻은 계측결과를 이용하여 간극수압/저수위-시간곡선을 나타내고 이로부터 계측 시기별 간극수압의 변화 및 저수위의 변화에 따른 간극수압의 경향을 분석하였다. 지하수위계는 시기별로 저수위가 변화를 통하여 제체 내부의 공극 및 침투유로의 유무에 대하여 분석하였다.
- 저수지의 단면, 투수계수, 저수위 등을 이용한 수치해석을 통하여 침투류 수두, 침투유량, 파이핑, 동수 경사 등을 예측할 수 있으며 이를 통하여 누수량 및 댐의 안전성을 분석하였다. 수치해석방법은 Darcy의 법칙 및 Laplace 방정식을 이용하여 포화 및 비포화 흐름을 유한요소로 해석하는 프로그램의 하나인 Seep/W를 이용하여 분석하고 계측시스템을 통한 계측자료와 비교하였다.
- 경사계 자료로부터 심도에 따른 수평변위량을 도시하여 제체 내부의 심도에 따른 변위량의 크기와, 시간 경과에 따라 제체 변위에 따른 안정성을 분석하였다.
- 전기비저항탐사 결과를 이용하여 다음과 같이 안전도 지수를 산출하고 그 안정성을 판단하였다. 전기전도도(σ)와 공극율(n)의 관계는 Archie(1942)의 경험식으로부터 다음과 같이 나타낸다.
- 저수지에서는 침투류에 의한 세굴로 파이핑을 유발할 수 있으며, 이와 같은 현상을 분석하기 위한 침투류 해석은 제체내의 수두, 침투유량, 침투수압 등을 구하기 위하여 수행되며 산정된 값들은 실제 계측된 결과와 비교하였다.
- 그림 5는 경사계의 변위측정축 위치를 나타낸 것이다. 저수지의 경우 제체의 길이방향에 해당하는 B축보다는 이에 수직인 A축에서 주로 변위발생이 예상되므로 이에 맞추어 축을 설정하였다. 즉, 상류방향을 바라보며 상류사면측이 A0, 하류사면측이 A180, 오른쪽이 B0, 왼쪽이 B180이 된다.
- 일반적으로 변위는 저수에 따른 압력으로 하류사면 쪽으로 이동이 예상됨에 따라 A180방향으로 변위가 발생하고 이는 음의 부호로 나타난다. 본 연구에서 심도에 따른 수평변위는 A축방향에 대해서만 수록하였고, 시간에 따른 최대 수평변위는 A, B축 모두에 대해 분석하였다.
- 본 연구는 농업용 저수지의 재해예방을 위한 계측시스템을 구축하고 저수지 제체의 간극수압, 지하수위, 지중변위 및 전기 비저항 탐사 등의 계측자료와 수치해석 결과를 비교 분석하여 안정성을 평가한 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 재해예방을 위한 계측시스템은 저수량 50만톤 이상의 1종 시설물 중에서 제고 15m이상이며 저수량 100만톤 이상의 시설물 중 재해발생시 대량의 인명 및 재산피해가 예상되거나 정밀안전진단 실시 후 기간이 오래 경과된 지구 중에서 우선순위로 선정하였고, 현재 1종 저수지 804개소 중 2003년～2007년까지 54개소의 저수지에 대하여 계측시스템을 설치하였다.
- 그림 1은 4개의 저수지 중 경기도 안성시 금광면에 위치한 금광저수지로 1961년에 준공되어 농업기반 1종 시설물로서 주수원공으로 40년 이상 경과한 중심코어형 필댐이다. 제고는 19.5m이고, 제장은 249.0m, 유역면적은 4,830ha, 수혜면적은 2,134ha, 총 저수량 1,059만 톤, 유효저수량은 1,055만 톤이다. 상류사면의 기울기는 2.
데이터처리
- 저수지의 단면, 투수계수, 저수위 등을 이용한 수치해석을 통하여 침투류 수두, 침투유량, 파이핑, 동수 경사 등을 예측할 수 있으며 이를 통하여 누수량 및 댐의 안전성을 분석하였다. 수치해석방법은 Darcy의 법칙 및 Laplace 방정식을 이용하여 포화 및 비포화 흐름을 유한요소로 해석하는 프로그램의 하나인 Seep/W를 이용하여 분석하고 계측시스템을 통한 계측자료와 비교하였다.
성능/효과
- L)를 나타낸 것이다. 측정시기별로 저수위는 변화 폭이 크지만 제체 내부의 간극수압은 변화가 없이 거의 일정하게 나타났다.
- 측정한 간극수압은 금광 0.035～0.083kg/㎠, 경포 0.161～0.217kg/㎠, 화산 0.153～0.335kg/㎠, 진례 0.959～1.116kg/㎠의 범위로 시간의 변화에 따른 간극수압의 변화량은 매우 작게 나타났지만, 진례저수지의 경우는 단면형상이 불규칙하고, 제체 높이가 다른 저수지에 비해 높고 간극수압이 크기 때문에 제체 내부의 공극 및 침투유로 등이 의심되었다. 그러나 현재 저수위의 변화량이 크지 않아 불안정성의 판단은 어려우므로 추후 측정횟수를 늘려 저수위와 지하수위를 정확하게 분석하고, 전기비저항탐사 방법 등과 비교하여 평가하여야 할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 각 저수지에서의 간극수압이 큰 변화량이 없는 원인은 연구대상인 저수지들은 준공된 지 20～40년이 경과되어 제체 내부의 간극수압의 소산이 완료되어 변화가 경미하고 안정된 상태인 것으로 분석되었다. 기타 저수지에서도 간극수압 변화량과 저수위는 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 침투류 해석 결과 한계동수경사는 1.055, 안전율은 3.517로 파이핑에 대한 안전관리기준인 2.0 이상으로 안전한 것으로 판단된다. 또한 1일당 침투로 인한 침투수량은 28.
- 0 이상으로 안전한 것으로 판단된다. 또한 1일당 침투로 인한 침투수량은 28.25㎥/d 으로 총저수량에 대한 허용누수량 안전관리기준(총저수량의 0.05%)인 5,295㎥/d 이내이며, 제체 100m당 누수량은 0.131ℓ/s 로 안전관리기준(100m당 1ℓ/s) 이내로 만족하여 안전한 것으로 판단되었다.
- 침투류 해석 결과, 파이핑과(기준:2.0이상), 1일당 침투수량(기준: 총저수량의 0.05%), 제체 100m당 누수량(기준:1ℓ/s)은 안전관리기준 이내에 포함되어 안전한 것으로 판단되었다.
- 121㎏/㎠ 범위로 나타나 계측치와 유사한 경향을 나타냈다. 침투류 해석 결과 파이핑과, 1일당 침투수량, 제체 100m당 누수량은 안전관리기준 이내에 포함되어 안전한 것으로 판단되었다.
- 0m로 다른 저수지에 비해 제체고가 높으며 단면이 불규칙한 형상이고 간극수압을 매설한 위치와 수치해석을 위한 시료를 채취한 위치가 다르고 제체내의 토질분포가 매우 상이하기 때문으로 판단된다. 침투류 해석 결과, 파이핑, 1일당 침투수량 및 제체 100m당 누수량은 안전관리기준 이내에 포함되어 안전한 것으로 판단되었다.
- 전체적으로 4개 저수지에서 파이핑에 대한 안전율은 2.87～6.42범위로 기준 안전율인 2.0 이상으로 나타나 안전한 것으로 판단되었다. 또한 1일당 침투로 인한 침투수량은 총저수량에 대한 허용누수량 안전관리기준인 총저수량의 0.
- 0 이상으로 나타나 안전한 것으로 판단되었다. 또한 1일당 침투로 인한 침투수량은 총저수량에 대한 허용누수량 안전관리기준인 총저수량의 0.05%이내이고, 제체길이 100m당 침투수량은 허용누수량 안전관리기준인 1ℓ/s 이내로 만족하여 안전한 것으로 나타났다.
- 05% 으로 큰 변화량은 없는 것으로 나타났다. A, B축 방향에서 시간에 따른 최대 수평 변위량(그림c)은 약 10개월 후에 최대치에 도달한 후 일정하게 수렴하여 안정된 것으로 판단되었다.
- 07% 으로 큰 변화량은 없는 것으로 나타났다. 변위량의 방향은 A0(상류측), B180(좌측)방향으로 변위가 발생하였으며, 최대 수평 변위량은 약 15개월 후에 최대치에 도달한 후 일정하게 수렴하는 것으로 나타나 안정된 것으로 판단되었다.
- 11% 으로 다소 크게 나타나 향후 지속적인 관찰이 필요한 것으로 판단된다. 변위량의 방향은 A180(하류측), B0(우측)방향이고 최대 수평 변위량은 약 30개월 후에 최대치에 도달한 후 일정하게 수렴하여 안정된 것으로 판단되었다.
- 상부단면에서는 100～300 ohm-m 정도의 비저항대가 분포하고, 하부지반 일부는 원지반대로 500～690 ohm-m 정도의 고비저항대가 분포하고 있으며, 2차 측정에 비하여 3차 측정에서는 약간의 전기비저항이 감소하였지만 누수가능성은 없는 것으로 나타났다. 제체의 평균적인 전기비저항 값은 190～690 ohm-m 의 범위이고, 2차와 3차 측정 시기별 저항 값의 변화는 작게 나타났다.
- 상부단면에서 100 ohm-m 정도의 비저항대가 분포하고, 하부지반은 200～300 ohm-m 정도로 분포하고 있다. 제체의 평균적인 전기비저항 값은 100～300 ohm-m의 범위이고, 누수가능성은 없으며 측정 시기별 변화량은 작게 나타났다. Archie의 경험식으로부터 추정된 안전도 지수(그림 b)는 1.
- 상부단면에서 1000～2000 ohm-m 정도의 고비저항대가 분포하고, 하부지반은 200～1000 ohm-m 정도로 넓게 분포하고 있다. 화산저수지의 평균 전기비저항 값은 200～2,000 ohm-m의 범위로 전반적으로 안정적인 비저항 분포를 보이고 있고 제체의 누수가능성은 작으며 측정시기별 전기비저항 변화량은 작게 나타났다. Archie의 경험식으로부터 나타낸 안전도 지수는(그림 b) 0.
- 화산저수지의 평균 전기비저항 값은 200～2,000 ohm-m의 범위로 전반적으로 안정적인 비저항 분포를 보이고 있고 제체의 누수가능성은 작으며 측정시기별 전기비저항 변화량은 작게 나타났다. Archie의 경험식으로부터 나타낸 안전도 지수는(그림 b) 0.9～1.0 범위로 안전관리 기준에 근접하여 안전한 것으로 평가되었다.
- 그림 11(a)는 진례저수지의 전기비저항 분포를 측정시기별로 나타낸 것이다. 전기비저항 평균값은 200～2,000 ohm-m의 범위로 전반적으로 안정적인 비저항 분포를 나타내고 있지만, 2차 측정치에 비하여 3차 측정치는 전기비저항 변화량이 뚜렷하게 감소하고 있어 일부 구간에서 누수 위험 가능성 있고 안전도 지수가 낮게 해석되었다. 안전도 지수(그림 b)는 전체적으로 0.
- 1. 저수지 제체 내부의 공극수압은 0.035～1.116 ㎏/㎠범위로 계측 초기부터 큰 변화 없이 일정하게 나타나 안정된 것으로 판단되고, 파이핑과 누수량에 대한 침투류 해석 결과는 안전관리기준 내에 포함되어 안정한 것으로 평가되었다.
- 2. 저수지 제체내의 경사계 자료로부터 심도별 수평변위량과 방향성 및 시간에 따른 최대변위 분포형태가 일정하게 수렴하는지를 비교하여 안정성을 효과적으로 판단할 수 있었다. 시간에 따라 수평 변위량은 뚜렷한 방향성을 나타냈고 심도별 수평 변위량은 3개 저수지에서는 최대 20㎜정도로 나타났지만 시간이 경과함에 따라 일정한 상태를 유지하여 안정한 것으로 평가되었다.
- 저수지 제체내의 경사계 자료로부터 심도별 수평변위량과 방향성 및 시간에 따른 최대변위 분포형태가 일정하게 수렴하는지를 비교하여 안정성을 효과적으로 판단할 수 있었다. 시간에 따라 수평 변위량은 뚜렷한 방향성을 나타냈고 심도별 수평 변위량은 3개 저수지에서는 최대 20㎜정도로 나타났지만 시간이 경과함에 따라 일정한 상태를 유지하여 안정한 것으로 평가되었다. 그러나 진례 저수지에서는 변위량이 계속 증가하여 불안정한 상태로 판단되므로 향후 지속적인 계측과 분석이 요구되었다.
- 3. 저수지 제체 내부의 전기비저항 분포의 변화량을 이용하여 누수 위험 가능성이 있는 구간을 탐지할 수 있고, 전기비저항 자료로부터 산출된 안전도 지수는 저수지의 합리적인 안전진단 평가 방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 측정시기별 전기비저항 값의 변화는 큰 차이를 나타내지 않았고, 안전도 지수(SI)를 분석한 결과, 일부 저수지 구간에서 누수가능성이 있어 안전도 지수가 낮게 나타나 지속적인 계측이 요구되었지만 전체적으로 모든 저수지에서 1.0 에 근접하여 안전한 것으로 평가되었다.
후속연구
- 116kg/㎠의 범위로 시간의 변화에 따른 간극수압의 변화량은 매우 작게 나타났지만, 진례저수지의 경우는 단면형상이 불규칙하고, 제체 높이가 다른 저수지에 비해 높고 간극수압이 크기 때문에 제체 내부의 공극 및 침투유로 등이 의심되었다. 그러나 현재 저수위의 변화량이 크지 않아 불안정성의 판단은 어려우므로 추후 측정횟수를 늘려 저수위와 지하수위를 정확하게 분석하고, 전기비저항탐사 방법 등과 비교하여 평가하여야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 연구대상 저수지는 상당기간 경과 후 재해예방 차원에서 정밀진단 실시를 위해 계측시스템을 구축하는 것이 목적이다. 따라서 측정기간 동안 간극수압의 변화는 거의 나타나지 않으므로 추후 계측시스템 구축 시 간극수압계보다는 수평변위, 지하수위계 및 전기비저항탐사 등의 다른 방법으로 제체내의 안정성을 평가하는 것이 합리적이라고 판단된다.
- 10%로 다소 크게 나타났다. 또한 변위량의 방향은 A180(하류측), B180(좌측)방향으로 변위가 발생하였으며, 최대 수평 변위는 다른 3개의 저수지와 달리 시간이 갈수록 변위량이 일정하지 않고 35개월까지 계속 증가하는 것으로 나타나 불안정한 상태로 판단되므로 향후 지속적인 계측과 분석이 요구된다.
- 이와 같이 저수지 제체 내부의 전기비저항 분포의 변화량을 이용하여 누수 위험 가능성이 있는 구간을 탐지할 수 있고, 전기비저항 자료로부터 산출된 안전도 지수는 저수지의 합리적인 안전진단 평가 방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 전기비저항 탐사시 댐마루 상류 하나의 측선을 이용하여 누수 취약구간을 판단하였으나 추후 하류사면에 대한 탐사를 병행하여 제체내의 상․하류사면의 연결성에 대해서도 파악하여야 할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 저수지 제체 내부의 전기비저항 분포의 변화량을 이용하여 누수 위험 가능성이 있는 구간을 탐지할 수 있고, 전기비저항 자료로부터 산출된 안전도 지수는 저수지의 합리적인 안전진단 평가 방법으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 전기비저항 탐사시 댐마루 상류 하나의 측선을 이용하여 누수 취약구간을 판단하였으나 추후 하류사면에 대한 탐사를 병행하여 제체내의 상․하류사면의 연결성에 대해서도 파악하여야 할 것으로 판단된다.
- 시간에 따라 수평 변위량은 뚜렷한 방향성을 나타냈고 심도별 수평 변위량은 3개 저수지에서는 최대 20㎜정도로 나타났지만 시간이 경과함에 따라 일정한 상태를 유지하여 안정한 것으로 평가되었다. 그러나 진례 저수지에서는 변위량이 계속 증가하여 불안정한 상태로 판단되므로 향후 지속적인 계측과 분석이 요구되었다.
- 4. 앞으로 합리적이고 경제적인 시설물의 유지관리 및 안정관리를 위하여 정확한 계측 계획과 계측자료의 데이터베이스를 구축이 필요하고, 계측시스템 구축시 수치해석결과를 반영하여 안정성 평가가 이루어져야 시설물의 거동을 효과적으로 파악 할 수 있을 것으로 판단된다.
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