I.
서 론
최근 이상강우에 의해 자연재해가 증가하고 있고 농업용 저수지에서도 재해예방을 위한 구조적 대책과 비구조적 대책 으로 구분하여 많은 검토를 하고 있다.
필댐의 붕괴는 월류 (35.9 %)와 파이핑 (30.5 %)이 주된 원인으로 분석되고 있고, 월류는 집중호우 등의 기상조건에 의해 발생되고, 파이핑은 시간경과에 따라 제체의 내구성이 저하하는 현상으로 발생하기 때문에 노후화된 농업용저수지 제체는 이에 관한 문제를 중요하게 검토하여야 한다(Foster et al., 2000).
국내 농업용 저수지의 형식은 99 %가 필댐으로 구성되어 있고, 축조된 지 50년이 경과된 저수지가 70 % 에 이르고 있 기 때문에 월류, 파이핑 및 누수로 인한 재해위험도가 더욱 가중되고 있다(KRC, 2011; Lee and Lee, 2018).
농업용 저수지는 93 %가 유효저수량이 30만 m3 미만으로 안전한 용수공급이 어려울 뿐만 아니라 가뭄과 홍수의 양극 화 현상이 심화되고 최근의 강우 특성과 더불어 시설물의 사 용연한을 고려할 때 홍수 배제능력 부족, 누수 등 재해위험도 가 상대적으로 가중되고 있다. 또한 저수지 붕괴는 30만 m3 미만의 소규모 저수지가 붕괴의 대부분을 자치하고 있기 때 문에 이에 대한 대처계획을 수립하여야 한다(Lee and Lee, 2017).
월류에 의한 제방 붕괴 속도는 침투나 세굴에 의한 붕괴보 다 훨씬 빠르고 계획홍수량 이상의 홍수량이 발생하거나 제 체의 여유고가 작을 경우 발생한다.
저수지 제방의 월류로 인한 붕괴는 다짐도, 축조재료, 둑마 루 폭, 사면 경사 등에 따라 다르게 나타나지만(Coleman et al., 2002), 단기적 및 장기적으로 적합한 보강방법을 적용한다 면 붕괴되는 시간을 지연할 수 있어 제체 안정성을 높일 수 있다.
농업용 저수지 중에서 99 %를 차지하고 있는 측수로형 여 수로는 구조적으로 측수로의 옹벽높이가 댐마루보다 낮게 설 계시공 되고 있기 때문에 발생 가능한 최대홍수량(PMF) 유입 시 측수로내의 수위상승뿐만 아니라 측벽의 월류가 발생되어 옹벽배면부의 붕괴로 인한 세굴파괴에 취약하다(Noh and Lee, 2014).
특히, 여수토 접속부가 월류되는 경우, 저수지의 붕괴를 막 을 수 있는 보강방법을 검토하기 위해서는 월류 시 여수토 접속부의 거동 특성을 명확히 파악해야만 댐 하류부의 피해 를 저감시키고 저수지 붕괴에 대한 비상대처계획(EAP) 수립 시 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
현재 저수지 리모델링 사업으로 설계 시공되는 저수지는 기존 제체내의 코어, 필터가 정상적인 상태로 판단하고 보수 보강하고 있지만 대부분의 저수지가 노후화되어 차수 및 배 수 기능이 상실한 상태이므로 이에 대한 확인이 반드시 필요 하고 기능 복구를 위해서는 설치위치 및 방법을 변경한 후 안정성을 검토하여야 한다(Lee and Lee, 2017).
여수토 접속부 붕괴로 인한 피해는 붕괴단면의 크기 및 형 태에 따라 피해규모에 큰 영향을 미침에도 불구하고 이에 관 한 연구는 미미한 실정이다(Kim, 2001; Kumar and Sreeja, 2012; Sun et al., 2012; Wang et al., 2013; Paul et al., 2015).
향후 농업용 저수지 제체 보강방법을 제공하기 위해서는 이론적인 연구뿐만 아니라 모형실험 등을 통하여 수위변화에 따른 제체의 붕괴형상, 공극수압, 토압, 침하 변화 등을 파악 하고, 이상강우에 의한 붕괴실험을 바탕으로 보다 정교한 안 정성 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 농업용저수지가 이상 강우에 의해 여수토가 본래 기능을 발휘하지 못하고 여수토 접속부로 월 류되었을 경우의 붕괴거동을 파악하기 위하여 대형실내모형 실험 실시하고 붕괴형태, 공극수압, 토압, 침하 등을 3차원 수 치해석에 의한 침투특성과 비교분석한 후 현장 실용화 방안 을 마련하고자 한다.
II.
재료 및 분석방법
1.
대상저수지 선정 및 사용시료
실험대상저수지는 공주시 00저수지로 제체는 Zoned Fill-type 으로 축조 년수는 50년 이상 경과되었다(KRC, 2011). 이러한 형식의 노후화된 저수지는 전체저수지의 71 %(50년 이상)정도이고, 이와 같이 노후화된 저수지는 제체의 코어, 수직 및 수평필터가 정상적이라는 판단하에 설계 시공되고 있지만, 실제 제체의 코어와 필터는 너무 오랜 기간이 경과되 어 본래의 기능을 할 수 없는 상태일 가능성이 매우 크다.
따라서 균일형 형식으로 판단하고 월류가 발생하였을 경우 에 대한 붕괴거동을 파악하여 앞으로 노후화된 저수지의 효 율적인 리모델링 방법과 현장실용화 방안을 제시하는데 적합 하다고 판단하여 연구대상 저수지로 선정하였다.
실내축소모형은 제체재료의 입도분포와 다짐도 등에 많은 영향을 미치기 때문에 원형과 다른 거동을 나타나게 된다. 수 리모형실험의 축척은 원형에서 구하고자 하는 거동에 따라서 축척 범위도 다르게 결정되지만 본 연구에서는 상사법칙의 효율성과 실내모형실험규모의 여건 등을 감안하여 1/20으로 결정하였다(Noh and Lee, 2014).
모형은 길이(L) 126 cm × 폭(W) 540 cm × 높이(H) 95 cm로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 비탈면 경사는 1 : 2.0(하류사면), 1 : 2.5(상류사면)으로 모형을 제작하였다.
여수토는 모형의 뒤 쪽에 콘크리트를 이용하여 현장저수지 표고를 기준으로 1/20로 축소하고, 방수로 마루표고가 홍수위 에서 월류되도록 약 55 cm로 하였고, 비조절용 월류언체는 65 cm, 방수로 폭은 10 cm로 설치하였다. 실내모형 토조는 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작하였고, 토조 내부에는 실 리콘 및 방수페인트로 처리하여 누수를 방지하였다.
실험에 사용된 시료는 저수지 토취장에서 채취하였고, 사 용된 시료의 물리적 성질, 역학적 성질은 표 1과 같다.
2.
모형 실험 방법
측수로형 여수토 접속부는 시공 과정에서 다른 부분보다 다짐이 불균질하게 이루어져 경계부에 누수에 의한 침투현상 이 발생되어 신중한 시공관리가 이루어져야 하고, 수위급강 하시에도 계속된 누수로 인하여 공극수압의 소산속도가 늦어 침투압이 작용하므로 붕괴위험성을 높이게 된다.
실험은 이상강우에 의해 여수토가 홍수량을 정상적으로 처 리할 수 없어 월류조절장치를 통하여 여수토 방수로에서 접 속부로 1차적으로 월류되는 조건을 모사하였다. 2차적으로 상류유역에서 유입량이 증가한다고 가정하여 댐마루로 월류 하도록 조절하였다.
모형저수지의 유입량은 현장저수지를 1/20로 축소한 만수 위(55.7 cm)와 홍수위(63.8 cm)를 기준으로 결정하고, 이상강 우에 의해 댐마루(76 cm)로 월류되는 월류량은 유량공급조절 장치를 통하여 월류심을 조절하였다. 나머지 유입량은 여수 토 방수로를 통하여 하류부로 유출되도록 미리 토조에서의 유량검증을 통하여 조절하였다.
측정은 상류측에 담수를 시작하여 여수토 방수로 표고보다 낮은 수위에서 담수한 물이 제체내로 충분히 침투하여 정상 침투가 이루어졌다고 판단할 때까지 측정하였다.
실험과정은 홍수위시, 수위급강하시, 월류시로 구분하여 공극수압, 토압, 침하량을 측정하였고, 월류시 저수지 붕괴형 태는 초기 월류단계, 월류량 급증단계, 첨두 월류단계 등으로 구분하고, 동일한 월류 단계에서 3차원 침투해석 프로그램으 로 분석하였다(PLAXIS 3D). 실험과정의 붕괴형상을 비디오 카메라를 설치하여 전체 과정을 기록하였다.
3.
계측기 매설
제체 내부에 작용하는 공극수압과 토압을 측정하기 위해 Fig. 1과 같이 공극수압계 (Ⓟ) 7개와 토압계(Ⓔ) 7개를 각각의 위치에 매설하였다. 공극수압계의 매설위치는 제체의 상류사 면 P1, 댐마루 P2, 하류사면 중앙 P3, 하류사면 하부 P4, 여수 토 접속부의 댐마루 P5, 중앙 P6, 하부 P7에 매설하였으며, 토압계도 공극수압계와 같은 위치에 매설했다. 매설깊이는 사면의 침윤선 위치를 고려하고 월류 시 공극수압과 토압 측 정 시 비교가 용이하도록 제체 하부로부터 15~50 cm 떨어진 지점에 매설하였다.
제체 댐마루 중앙에 침하계 (Ⓢ)를 설치(LVDT)하여 침하 량을 측정하였고, 계측기는 모형 토조내 적용할 수 있는 초소 형 크기의 공극수압계(정격용량: 50 kPa)와 토압계(정격용량: 200 kPa)를 사용하였다. 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였다.
저수지는 균일형 형식으로 제체 모형 축조에 사용된 시료 는 균질한 상태로 포설하기 위하여 12 mm 체를 통과한 시료 만 사용하였다. 다짐은 최적 함수비(14 %) 부근으로 조절하였 고(13.95 %) 다짐 시 밀도를 균일하게 하기 위하여 먼저 1 층을 약 5 cm 가량 포설한 후 나무다짐봉으로 다짐을 하였고 밀도는 16.1 kPa 로 나타났다.
III.
결과 및 고찰
1.
제체의 붕괴형태
농업용 저수지중에서 측수로형 여수로는 수리학적으로 효 율적이나 설계홍수량을 초과하는 경우 측수로의 수위가 상승 하여 월류량이 잠류영향을 많이 받는 구조적 문제점을 가지 고 있다(MAFRA, 2002).
측수로 내에 잠류가 발생하면 월류 유속이 감소하면서 급 격한 수위 상승이 발생되고, 월류한 흐름이 수면위로 흐르게 되어 측벽에서 쳐올림 현상이 발생하게 되고 접속부가 세굴 에 의해 붕괴되기 시작한다. 이상 홍수 발생시 여수토 콘크리 트와 원지반 사이에 가장 취약한 양안 옹벽 배면부가 월류에 의한 세굴파괴가 진행되고 급류부의 완전유실이 발생된 후에 점차적으로 여수로가 완전히 붕괴되는 과정을 거치게 된다.
모형축조 완료 후 월류 시험 전까지 만수위 상태에서 제체 에 충분한 침투가 이루어지도록 하였고, 이상강우시 홍수량 이 점차적으로 증가하는 쳐올림 현상을 모사하여 방수로에서 월류조절장치를 통하여 초기에 여수토 접속부로 월류하도록 유도하였다. 계속해서 월류량을 증가시키면서 댐마루에서도 월류되는 조건을 모사하여 약 4시간 동안 붕괴형상을 측정하 였다.
Fig. 2는 (a)실험전(t=0) (b)월류 초기단계(t=1h 50m) (c)월 류량 증가(t=2h 30m) (d)월류 급증단계(t=2h 55m) (e)월류량 증가(t=3h 05m) (f)첨두 월류단계(t=3h 35m)에서의 붕괴 형태 를 나타낸 것이다.
월류 초기단계(b)에서는 유량공급장치를 통하여 홍수위까 지 일정하게 유지시키고 나머지는 여수토(0.25 L/s)로 방류되 도록 한 후 월류 조절장치를 통하여 접속부로 월류 하도록 유도하였다. 월류는 여수토 접속부의 댐마루 아래부터 시작 되면서 하부쪽으로 세굴이 진행되었고 세굴폭 20~21 cm, 깊 이는 3.8~5.4 cm로 나타났다.
월류량 증가단계(c)에서는 월류량을 0.48 L/s(월류수심:1.5 cm)로 유지한 상태에서 댐마루에서 월류가 시작되었고 세굴 폭 10~26 cm, 깊이 5.6~13.1 cm로 점차적으로 증가하였다. 월류량이 점차로 증가하면서 여수토 접속부의 세굴깊이만 증 가하였고 중앙부로 이동되지 않았다.
월류 급증단계(d)에서 월류량을 1.48 L/s(월류수심:2.0 cm) 로 증가시켰을 경우, 여수토 접속부의 댐마루가 붕괴하면서 세굴깊이 8.5-22.4 cm로 증가하였고 하류사면 중앙부에서도 폭 8~9 cm, 깊이 5 cm로 붕괴되면서 붕괴영역이 이동하였다.
월류량 증가단계(e)에서는 월류량을 2.99 L/s(월류수심:2.2 cm)로 유지한 상태에서 댐마루에서 월류가 시작되었고 하류 사면 우측에서도 폭 8~10 cm, 깊이 6.5~6.9 cm로 세굴범위 가 점차적으로 확대되었다.
첨두 월류단계(f)에서 월류량을 4.85 L/s(월류수심:2.5 cm) 로 증가시킨 결과, 여수토 접속부 댐마루가 완전붕괴 되었고 (폭 36~55 cm, 깊이 24~27 cm) 사면 중앙부에서도 폭 9~16 cm, 깊이 7~17 cm로 붕괴영역이 확대되었다.
제체와 여수토 접속부 사이에는 불균질한 다짐과 누수로 인해 세굴현상이 증가되어 붕괴를 일으키는 요인으로 작용한 다. 특히, 접속부에서의 월류는 하류사면 토립자의 세굴이 가 속되면서 댐마루쪽으로 붕괴영역이 이동되고 점차적으로 중 앙부로 붕괴영역이 확대되었다. 이후 여러 개의 세굴방향이 나타나고 폭과 깊이를 증가시키는 점진적 붕괴 형태를 나타 냈고 최종적으로 저수지 전체가 붕괴되는 형상을 나타냈다.
제방의 붕괴형태는 매우 불규칙한 형태로 나타났고 붕괴단 면은 B=0.7H (H: 댐 높이, B: 붕괴부의 최대 폭)으로 나타났다 (Fread, 1977). 붕괴 지속시간(T)은 재료와 침식에 따라 크게 좌우되지만 초기단계에서는 지속시간이 오래 걸리고 월류량 이 급증하면서 첨두 월류단계에서는 급격히 붕괴되면서 지속 시간이 짧아져 약 T=4.0 hr 범위로 나타났다.
앞으로 붕괴모형실험 거동을 바탕으로 노후화된 균일형 저 수지의 여수토 접속부의 보강공법으로는 지오멤브레인, 쇄석, 지오텍스타일 등을 적용할 수 있을 것으로 판단되며 현장 적 용성 평가를 위해 실내모형실험을 통한 검증과정이 필요하다.
댐마루 보강에 의해 침투를 억제하는 공법으로 아스팔트, 콘크리트, 보도블록, 쇄석 등으로 보강할 수 있고, 하류사면침 식을 억제하는 방법으로 Geotextile, riprap, 식생피복공 등이 있다(Lee and Lee, 2014).
하류사면 선단의 침식방지와 침윤선을 저하시킬 수 있는 공법으로 Gabion 공법, 블록공법 등을 사용하면 Toe drain 역 할을 병행할 수 있어 안정성을 보다 더 향상시킬 수 있을 것으 로 판단된다.
2.
공극수압과 토압의 변화
여수토 접속부는 시공 과정에서 다른 부분보다 다짐이 불 균질하게 이루어져 경계부에 누수에 의한 침투현상이 발생할 가능성이 높으므로 신중한 시공관리가 이루어져야 한다.
이상강우에 의한 여수토 접속부로 월류되었을 경우에는 매 우 위험한 상태로 나타나기 때문에 계측을 통한 공극수압 및 토압변화를 파악하여야 한다.
Fig. 3은 홍수위까지 일정하게 유지한 후 수위를 댐마루 월 류전까지 상승시킨 후 여수토 방수로에서 쳐올림 현상을 모 사하여 접속부로 월류시키고, 이상강우에 의해 홍수량이 증 가하면서 방수로뿐만 아니라 댐마루로 월류되는 조건을 모사 하여 약 4시간 동안 공극수압과 토압의 변화를 나타낸 것이다.
홍수량 조절은 유량공급장치를 통하여 댐마루전까지 수위 를 유지(75 cm)하면서 여수토로 0.25 L/s로 방류되도록 하고 방류된 유량은 월류조절장치를 통하여 접속부로 월류되도록 유도하였다.
여수토 접속부 댐마루에서의 공극수압(P5)은 초기에는 영 향을 미치지 않기 때문에 일정하다가 댐마루 월류가 시작되 면서 급격하게 증가하였고 첨두 월류단계(약 3.6시간)후에는 변동폭이 크게 나타났다.
접속부 중앙에서의 공극수압(P6)은 접속부 월류시에는 일 정하다가 댐마루 월류가 시작되는 시점부터(2.3 시간) 급격하 게 증가하였고 유입량에 따라 증가하다가 첨두 월류단계에서 다시 급격하게 증가한 후에 감소하였다.
접속부 하부의 공극수압(P7)은 월류가 시작되면서 초기에 세굴이 진행되었고 그 영향으로 점차적으로 증가하다가 첨두 월류단계에서 가장 큰 값을 나타낸 후 감소하였다.
상류사면에서의 공극수압 (P1)은 홍수위에서 댐마루 월류 전까지는 점차적으로 증가하고 일정하게 유지하다가 첨두 월 류 단계에서(3.6 시간) 급격하게 증가한 후 감소하였다.
댐마루 중앙(P2), 하류사면 중앙(P3)은 댐마루 월류전부터 침투수의 영향으로 약간씩 증가하였고 일정하게 유지하다가 첨두 월류단계에서 변화폭이 크게 나타났다.
하류사면 하부(P4)에서는 월류시에 큰 변화가 없이 일정하 게 유지하다가 첨두 월류단계에서 월류량의 영향으로 급격하 게 증가하였다.
여수토 접속부의 공극수압(P5, P6, P7)은 초기단계에서 월 류되도록 유도하였기 때문에 공극수압의 변화폭이 크게 나타 났고 첨두 월류단계에서는 침투수의 영향으로 모든 위치에서 공극수압이 크게 증가한 후 붕괴후에 감소하였다.
전체적으로 유입량 증가에 따라 세굴과 붕괴가 발달되면서 여수토 접속부의 공극수압은 침투수의 영향으로 급격하게 상 승하는 것으로 나타났고, 붕괴폭과 깊이가 커질수록 그 영향 은 더 크게 나타났다.
Fig. 3 (b)는 월류시 토압 변화를 나타낸 것으로 여수토 접 속부의 토압(E6, E7)은 초기단계에서는 큰 변화를 나타내지 않다가 월류가 시작되면서 붕괴토의 영향으로 급격하게 증가 하였고 첨두 월류단계에서는 가장 큰 증가폭을 나타냈다.
댐마루에서의 토압(E5)은 접속부 월류후와 댐마루 월류후 에 침투가 발생되어 급격하게 증가하였고 변동폭이 크게 나 타나다가 첨두 월류단계에서는 붕괴로 인하여 감소하였다.
상류사면은(E1) 유입량 증가의 영향으로 초기에 급격하게 상승하고 일정하게 유지하다가 붕괴후에 감소하였다. 댐마루 (E2), 하류사면 중앙(E3) 및 하부(E4)에서의 토압은 월류량이 증가함에 따라 큰 변화를 나타내지 않았고 첨두 월류단계에 서만 변화폭이 크게 나타났다.
전반적으로 토압은 여수토 접속부에서 월류로 세굴이 확대 되면서 급격하게 증가하였고 붕괴시에는 급격한 변동폭을 나 타냈고, 공극수압과 동일하게 월류시 제체내에서의 거동을 정확하게 파악할 수 있기 때문에 붕괴 가능성을 미리 판단하 는데 유용한 자료로 이용할 수 있다.
따라서 붕괴모형실험을 바탕으로 공극수압이 증가하고 토압변화가 크게 변화하는 위치에서는 보강공법을 적용하여 야 하고, 노후화된 균일형 저수지의 보강공법으로는 붕괴를 일시적으로 지연시키는 임시적인 보강방법과 붕괴를 억제하 는 영구적인 보강방법으로 구분하여 적용해야 할 것으로 판단 된다.
3.
침하량 변화
Fig. 4는 여수토 접속부 월류시, 댐마루 월류시, 붕괴시의 침하량 변화를 나타낸 것이다. 여수토 접속부 월류시와 댐마 루 월류시에는 큰 변화 없이 일정하게 유지되었다. 월류량이 급증하면서 첨두 월류단계부터 침하량이 증가하였고 3.6시간 후에는 댐마루 붕괴와 동시에 급격하게 증가하였다.
4.
수치해석에 의한 제체의 침투특성
가.
공극수압 및 침윤선의 분포
Fig. 5는 3차원 침투해석 프로그램인 Plaxis 3D에 의해 구성 된 해석모형을 나타낸 것이다(PLAXIS 3D, 2018).
침투류 및 변형 해석에 적용한 요소의 형상으로 삼각형으 로 구성하였으며 반복해석을 수행하여 해석결과에 영향을 미 치지 않는 최대크기를 적용하였다.
수치해석은 실제 현장에서 발생된 제체 붕괴과정을 시간적 으로 모사하는데 자료 취득의 한계가 있기 때문에 월류수심 에 따른 침투특성을 정량적으로 비교하기 위해서는 모형실험 과 같은 동일한 조건에서 비교하는 것이 합리적이고 해석모 형 축소로 인한 영향은 미미할 것으로 판단하였다.
수치해석은 실내모형실험과 동일한 월류조건에서 침투특 성을 분석하기 위해 여수토 방수로에서 초기 월류가 시작되 고 홍수량의 증가로 인해 점차적으로 댐마루에서 월류수심이 상승되는 조건으로 모사하였다.
댐마루 월류현상은 실내모형실험의 붕괴형상을 기준으로 적용하였고, 홍수위 조건에서는 1차적으로 여수토 접속부로 만 월류하도록 하고 점차적으로 댐마루를 월류하여 하류사면 비탈표면이 침수되는 조건으로 적용하였다.
Table 2는 침투해석에 적용된 6개의 Case를 나타낸 것으로, 홍수위(63.8 cm), 초기 월류단계(H=76 cm), 월류량 증가, 월류 급증단계, 월류량 증가, 첨두 월류단계까지 실내모형실험과 동 일하게 월류수심이 점차적으로 증가하는 단계로 해석하였다.
Table 2.
Analysis condition
Fig. 6은 해석조건을 기준으로 월류단계별 침윤선과 공극 수압의 분포를 나타낸 것이다.
홍수위 상태에서의 침윤선은 상류사면부터 하류사면까지 불규칙한 형태로 나타났고, 수위가 상승함에 따라 하류사면 표면위에 나타났다. 월류후 댐마루 중앙에서 완전포화가 발 생되는 시점은 월류 초기단계(약 1h 50m~1h 55m)로 이 때부 터 하류사면 표면이 침수되기 시작하였다. 공극수압은 댐마 루부터 하류사면의 비탈면에서 작게 나타났지만 월류량이 증 가함에 따라 점차적으로 증가하였다.
Fig. 7은 모형실험과 동일한 위치에서 해석조건별로 공극 수압을 나타낸 것이다.
상류사면에서의 공극수압(P1)은 홍수위에서 수위를 증가 시킨 후부터 초기월류단계까지 급격하게 증가하였고 그 이후 부터는 약간씩 증가하였다.
댐마루(P2), 하류사면 중앙(P3), 하류사면 하부(P4)에서는 수위가 증가함에 따라 약간씩 증가하였고 댐마루에서 가장 크게 나타났다.
여수토 접속부 댐마루(P5), 중앙(P6), 하부(P7)에서의 공극 수압은 댐마루 월류가 시작되면서 점차적으로 증가하였고 낮 은 위치에서는 포화의 영향으로 중앙부가 댐마루보다 약간 더 크게 나타났다.
여수토 접속부(P5, P6, P7)의 공극수압은 여수토 접속부 부 터 월류를 모사하였기 때문에 동일한 매설 위치인 중심축의 공극수압(P2), (P3), (P4)보다 약간 더 크게 나타났다.
전체적으로 해석치는 실험치보다 더 크게 나타났고 월류단 계별로 실험치는 변화폭이 큰 반면에 해석치는 뚜렷한 변화 폭을 나타나지 않고 일정하게 증가하는 경향만을 나타냈다.
나.
변위의 분포
월류단계별로 여수토와 제체에서의 변위분포는 침투-변형 연계해석(seepage- deformation coupled analysis)에서 산출된 수압분포를 이용하였다. 각 제체 단면위치에서 제체의 변형 이 나타나지 않을 한계점까지 강도를 감소시키는 강도감소법 을 이용하여 전체적인 변위분포를 나타냈다.
Fig. 8은 월류단계별 수평변위(x축)와 수직변위(z축)를 나 타낸 것이다.
수평변위(x축)는 홍수위부터 첨두 월류단계까지 수위가 증 가함에 따라 제체가 포화되고 수압이 하중으로 작용하기 때 문에 점차적으로 증가하는 것으로 나타났고, 하류사면 비탈 끝에서 가장 큰 값을 나타냈고 점차적으로 댐마루 상부로 확 대되는 현상을 나타냈다.
수직변위(z축)는 홍수위부터 첨두 월류단계까지 수위가 증 가함에 따라 댐마루에서 하류사면 중앙부쪽으로 점차적으로 확대되었고 댐마루에서 가장 큰 변위를 나타냈다.
Fig. 9는 월류단계별로 최대수평변위(x축)과 최대수직변위 (z축)를 나타낸 것이다.
Fig. 9.
Distribution of maximum horizontal(x-axis) and vertical(z-axis) displacement by overtopping stage
최대수평변위(a)는 홍수위까지 급격하게 증가하고 수위가 증가함에 따라 점차적으로 증가하였고, 최대수직변위(b)는 홍 수위에서 급격하게 증가하고 수위가 증가하여 댐마루 부근이 침식됨에 따라 감소한 후 일정한 경향을 나타냈다.
이와 같은 감소원인은 해석시에는 성토재료의 변형만을 고 려하기 때문에 홍수위에서 이미 상당히 큰 변위가 발생된 직 후에 추가적으로 큰 외부하중이 작용하지 않아 변위량이 작 아진 것으로 판단된다.
전체적으로 수위가 증가함에 따라 변위는 증가하였고 변위 가 가장 커서 붕괴가 시작되는 시점을 파악할 수 있었고, 수평 변위와 수직변위에서의 분포 결과를 바탕으로 하류사면과 댐 마루에서 우선적으로 보강이 필요한 부분이 어느 위치인지를 판단하는데 기준으로 적용할 수 있다.
다.
수치해석에 의한 붕괴 형상
Fig. 10은 월류단계별 붕괴형상을 나타낸 것이다.
붕괴형상은 홍수위단계를 변형이 발생하기 시작하는 초기 단계로 설정하였고, 첨두 월류단계에서 하류사면의 변형이 더 이상 나타나지 않는 상태로 분석하였다.
각 수위조건에서의 변형도는 시간에 따른 축척효과(scale effect)를 이용하여 추정하였기 때문에 제체 붕괴에 대해 정확 하게 제시하기 어려우나 월류시 전체적인 붕괴형상을 파악할 수 있다.
월류 초기단계에서는 댐마루에서 국부적인 침하가 발생하 고 하류사면에서는 수압의 증가로 인해 약간의 침하가 발생 되는 것으로 나타났다.
월류 급증단계에서는 댐마루 부근에서 침하가 커지면서 중 앙부로 확장하기 시작하고 하류사면 비탈끝에서의 변형이 증 가하였다. 첨두 월류단계에서는 댐마루 붕괴가 발생되어 침 하량도 커지고 하류사면으로 변형량도 커지는 완전붕괴 형상 을 나타냈다.
월류에 의한 저수지 붕괴 현상은 댐마루와 수위차가 작을 경우에 가장 취약한 댐마루 사면견 부분부터 침식으로 붕괴 가 시작되었다. 월류가 진행됨에 따라 하류사면 표면으로 흐 르던 물이 사면내부로 침투하여 사면의 침식을 확대시키고 하류사면의 토립자가 침식되면서 점차로 커지는 점진적 붕괴 형태를 나타냈다.
IV.
결 론
노후화된 균일형 저수지가 이상 강우에 의해 여수토가 제 기능을 발휘하지 못하고 월류되었을 경우의 붕괴거동을 규명 하기 위해 대형실내모형실험 실시하여 제체와 여수토 접속부 에서의 붕괴형태, 공극수압, 토압, 침하 등을 분석하고 3차원 수치해석에 의한 침투특성을 비교분석한 결과를 요약하면 다 음과 같다.
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저수지 붕괴 형상은 월류 초기단계에서는 여수토 접속부 부터 토립자의 세굴이 가속되면서 댐마루쪽으로 붕괴영역이 이동되었고 붕괴 지속시간은 길게 나타났다. 월류 급증단계 에서는 접속부의 붕괴폭과 깊이가 증가하면서 여러 개의 세 굴방향이 나타나고 사면중앙부근으로 붕괴범위가 확대되었 다. 첨두 월류단계에서는 사면전체로 확대되면서 붕괴영역도 커지고 폭과 깊이를 증가시키는 점진적 붕괴 형태를 나타냈 고, 최종적으로 붕괴 지속시간이 급격히 짧아지면서 댐마루 가 완전히 붕괴되는 불규칙한 붕괴형태를 나타냈다. 앞으로 붕괴모형실험을 바탕으로 노후화된 여수토 접속부의 안정성 을 향상시킬 수 있는 보강공법의 연구가 필요할 것으로 판단 된다.
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초기 월류단계에서 공극수압은 상류사면, 여수토 접속부 의 댐마루, 하류사면 선단부에서 점차적으로 증가하였다. 월 류 급증단계에서는 여수토 접속부에서만 약간씩 증가하고 나 머지 위치에서는 일정하게 나타났으며, 첨두월류단계에서는 모든 위치에서 급격하게 증가하였다. 특히, 여수토 접속부의 공극수압은 초기단계에서 공극수압의 변화폭이 크고 붕괴폭 이 커질수록 그 영향은 더 크게 나타났으며 첨두 월류단계에 서는 침투수 영향으로 모든 위치에서 공극수압이 크게 증가 한 후 붕괴 후에 감소하였다.
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월류시의 토압은 초기 월류단계에서 상류사면만 약간 증가하였고, 월류 급증단계에서는 여수토 접속부에서 세굴이 확대되면서 급격하게 증가하였으며, 첨두 월류단계에서는 모 든 위치에서 큰 증가량을 나타냈다. 침하량은 월류전까지는 비교적 작고 일정하게 유지되다가 월류시 댐마루 붕괴와 동 시에 급격하게 증가하였다.
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수치해석에 의한 여수토 접속부의 공극수압은 동일한 매설 위치인 중심축의 공극수압보다 약간 더 크게 나타났다. 월류단계별로 해석에 의한 공극수압은 실험치보다 더 크게 나타났고, 실험치는 변화폭이 큰 반면에 해석치는 뚜렷한 변 화폭을 나타나지 않고 일정하게 증가하는 경향만 나타냈다. 수평변위는 하류사면 비탈끝에서 가장 크고, 수직변위는 댐 마루에서 가장 큰 변위분포를 나타냈고, 최대수평 및 수직변 위분포를 바탕으로 가장 큰 변위위치에서 붕괴가 시작되는 시점을 파악할 수 있었다. 이러한 변위분포 결과는 하류사면 과 댐마루에서 우선적으로 보강이 필요한 부분이 어느 위치 인지를 판단하는데 기준으로 적용할 수 있다.
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3차원 수치해석에 의한 붕괴형상은 월류 초기단계에서 는 댐마루부터 국부적인 침하가 발생하였고, 월류 급증단계 에서는 댐마루 부근에서 수압의 증가로 침하가 커지면서 중 앙부로 확장하기 시작하고 하류사면 비탈끝에서의 변형량이 증가하였다. 첨두 월류단계에서는 댐마루 붕괴가 발생되어 침하량도 커지고 하류사면 내부로 침투된 물로 인하여 변형 량도 커져 제체가 완전히 붕괴되는 형상을 나타냈다.
