J Korean Soc Hazard Mitig 2016; 16(6): 325-338  https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2016.16.6.325
Stabilization of Dam Embankment by Low Pressure Permeation Grouting
DongSoon Park*, and Heui-Dae Lim**
**Member, Professor, Department of Civil Engineering, Chungnam National University
Correspondence to: Member, Principal Researcher, K-water Institute, Korea Water Resources Corporation (Tel: +82-42-870-7611, Fax: +82-42-870-7619, E-mail: fulgent@kwater.or.kr)
Received: September 5, 2016; Revised: September 7, 2016; Accepted: October 18, 2016; Published online: December 31, 2016.
© The Korean Society of Hazard Mitigation. All rights reserved.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

For remediation grouting of embankment dam cores, a totally different design concept is required comparing to typical dam foundation or coffer dam grouting. Remediation grouting without reservoir water drawdown has been known as effective, however, no standardization is at present and publication of case histories are rare. In this paper, low pressure remediation grouting technique applied for DB dam core layer is analyzed in detail. The dam included randomly developed fludized cores of high water content as well as granular cores in the area adjacent dam crest. As a result of remeditation grouting of dam cores, it is proven that the low pressure permeation grouting is effective to the remediation of both fludized and granular core layers. Detail empirically proven technical specifications are addressed including limiting grout pressure, grout flow rate, injection duration, initial grout mix ratio, additive ratio, and grouting condition change. Besides permeation grouting for cores, bentonite grouting for upper part of the granular core layer near crest is contributable to the stability against seepage flow in case of dam operation near normal high water level. Empirical case study in this paper is believed to be an important reference of hazard mitigation technology in the field of aging dam rehabilitation project.

Keywords: Grouting, Dam Remediation, Fill Dam, Aging Dam, Core, Permeability, Dam Upgrading, Dam Rehabilitation
1. 서론

댐은 기본적으로 저수된 물을 안전하게 차수하기 위한 영역을 두게 되며, 차수층의 성능은 댐의 안전에 있어 가장 중요한 필요조건이라 할 수 있다. 노후화되어 가는 필댐에 있어 다양한 원인에 의해 차수능이 저하되는 것은 댐의 안전에 심각한 지장을 초래할 수 있다. 필댐에서 코어층의 기능은 댐의 침투수를 안전하게 차수시키고, 침윤선을 저하시켜 줌으로서 유효 저수용량을 확보하고, 댐체 내의 내적침식 또는 파이핑 등을 방지하는 역할을 수행한다 (KWRA, 2011).

노후 필댐의 차수층 열화 또는 잠재적 위해성을 개선하기 위해서는 다양한 방법들의 적용이 가능할 수 있으나, 저수위 강하를 동반하는 상류사면의 개선공법은 지속적인 용수 공급을 필요로 하는 국내 상황에서 대부분 현실성이 떨어진다. 따라서 코어형 필댐의 경우, 안전과 직결되는 차수능 개선의 가장 효과적인 방법은 댐마루에서의 코어재 개량이라 할 수 있다. 여기서 필댐의 코어층 열화로 인해 차수능에 문제가 발생한 경우, 가장 유력한 차수 성능개선 방법은 그라우팅(grouting) 공법이라 할 수 있다. 차수성 확보를 위한 ‘그라우팅’은 일반적으로 낮은 점도 또는 낮은 점성 유체나 재료를 주입하여 겔(gel)화시키거나 경화시키는 방법을 의미한다.

취약대가 존재하는 필댐 코어재의 그라우팅 기술은 필연적으로 통상적인 암반 그라우팅 또는 가물막이 그라우팅과는 매우 다른 기술적 이해를 필요로 한다. 일반적인 그라우팅이 상대적으로 높은 주입압을 요구한다면, 이미 연약해져 있는 코어재 그라우팅은 열화의 상태와 발달 정도에 따라 수압할렬의 가능성이 공존하기 때문에, 기본적으로 저압 그라우팅을 수행하여야 하며, 배합비와 주입 시간 등에 있어서도 차별화를 요한다. 그러나 이에 대한 학문적 기술정립은 거의 미진한 실정이다.

그간 국내에서 열화된 코어형 필댐의 그라우팅 기술은 2000년대 이후 댐의 노후화가 진전됨에 따라 시행착오를 겪으며 발전해 오고 있으나, 아직 체계적으로 정립되지 못하고 있다. 국내에서 현재까지 열화된 중심 코어층 보강 그라우팅 기술의 경험적 사례가 논문화된 경우는 운문댐 외엔 알려지지 않고 있다. 운문댐은 1993년 준공된 중심코어형 락필댐으로서 1998년 세 차례의 댐마루부 싱크홀 발생과 과도한 누수량으로 인해 2000년에 컴팩션(compaction) 그라우팅을 적용한 1차 보수보강을 시행하였으며, 그 후 누수량의 재차 증가로 2003년에 침투그라우팅을 적용한 2차 보강을 시행한 바 있다(Chun et al., 2006, Lee et al., 2005, Lim et al., 2004, Yea et al., 2012). 운문댐은 국내에서 침투그라우팅 공법을 높이 30m 이상의 코어형 필댐 제체에 적용한 최초의 사례라 보여진다. 그러나, 기존 문헌들에서는 침투그라우팅에 대한 상세한 분석과 기술적 기준에 대해서는 연구가 미진하였다.

운문댐에서의 사례는 싱크홀과 과도한 누수량이라는 분명한 외적인 이상 징후가 발견된 댐의 보강이었다. 그러나, 외적인 징후가 발견되지 않은 코어형 필댐에서 내적인 침식 현상이 확인되어 제체를 그라우팅 보강한 사례는 알려진 바 없는 실정이다. 또한 세계적으로도 기존 필댐의 제체를 대상으로 하는 저압 그라우팅 공법은 적용된 사례가 거의 없다(Bruce, 2016). 국외에서 발표된 노후된 필댐의 제체 보강은 그라우팅보다는 다른 유형의 대책들이 주를 이룬다. 이는 주로 사면안정 공법이나 월류형 구조물 또는 수위강하 시설의 설치등이 있으며(Charles, 1986), 주입식 그라우팅보다는 대부분 기존댐에 다이어프램 월 형식의 차수벽이나 시컨트 파일, 또는 진동 치환식 공법등을 사용한 보강방법을 적용하였다(Bruce et al., 2006, Burce, 2012, Marcuson III, 1996).

본 논문에서는 외적인 이상 징후가 없었으나 건전성 확인을 위한 지반조사에서 국부적 코어재 침식 현상이 발견된 DB댐을 대상으로 침투그라우팅 보강사례를 분석하여 공법의 향후 적용을 위한 기술적 근간을 제공하고 실무적으로 노후 댐 및 저수지의 보강에 활용할 수 있도록 기술의 경험적 기준을 제시하고자 하였다. 우선적으로 그라우팅 보강 기술의 일반적인 유형을 분류하고, 공학적 특성과 차이점들을 요약 제시하였다. 그 후 DB댐에 적용하였던 침투그라우팅 기술을 주입재료의 선택, 주입량, 배합비, 주입압, 주입시간 등 중요항목에 대해 분석하였으며, 보강 효과의 검증에 대해서도 상세히 논의하였다. 특별히 DB댐은 댐 심벽재료의 노후화 및 입도불량 구간이 불균질하게 산재되어 있고 다량의 조립질층이 존재하는 점 등을 고려하여 경험적 성과를 하나의 기준안으로 제시하였다. 이러한 주입기준은 댐 성능개선을 위한 침투그라우팅의 기술적 상세가 현재 거의 없는 상태에서 향후 불규칙적인 고함수비 영역이 존재하는 코어층의 보강 그라우팅에 귀중한 기술적 근거 자료가 될 것으로 판단된다.

2. 그라우팅 공법 및 침투그라우팅

그라우팅(Grouting)이란 지반의 개량, 누수 등의 방지 등을 목적으로 토사 또는 암반의 간극과 틈새에 그라우트재를 주입하는 것을 의미한다. 지반에 대한 그라우팅 기술은 매우 다양하나, 보통은 컴팩션 그라우팅(compaction grouting), 침투그라우팅(permeation grouting), 할렬 그라우팅(fracture grouting), 제트 그라우팅(jet grouting), 교반공법(soil mixing) 등으로 대별될 수 있다 (Fig. 1).

Fig. 1.

Typical Grouting Methods (Hayward Baker, 2016).


이 중에서 코어형 필댐의 차수능 개선을 위해 적합한 공법으로는 침투 그라우팅이나 컴팩션 그라우팅을 들 수 있다.

컴팩션 그라우팅(Compaction grouting)은 저 유동성 그라우팅(low mobility grouting)으로서 느슨한 자갈질 지반을 치환하고 조밀하게 만들어 주며, 세립질 지반을 보강하고, 지하의 공극이나 싱크홀을 안정화시키는 그라우팅 공법이다(Brown and Warner, 1973, Warner, 1982). 컴팩션 그라우팅은 저 슬럼프, 저 유동성의 골재 그라우트재를 단계적으로 주입하게 된다. 저 유동성 그라우트재는 그라우트 구근을 중첩식으로 형성한다. 저 유동성의 그라우트 구근이 팽창하면서 주변 지반을 대체하게 된다.

컴팩션 그라우팅은 비유동성의 주입재가 지반에 덩어리채 들어가 상대밀도를 증가시키는 효과를 발휘하며 기존의 주입방식 즉, 시멘트계 맥상고결, 약액의 침투고결 및 제트 그라우팅의 배출치환 등과는 전혀 다른 비배출 치환이라는 독특한 기법의 주입공법이다. 주로 실트질 지반의 액상화 방지와 기초지반의 지지력 강화 및 기초를 들어올리는데 적용되어 왔다.

이에 반해 침투 그라우팅(Permeation grouting)은 그라우트재가 경화 또는 “응결(set)”되기 시작하기 전에 주변 지반의 간극을 스며들 수 있도록 그라우트재를 주입하는 공법이다. 경화된 그라우트재는 주로 토립자들을 함께 고결시킴으로서, 그리고 간극을 메워줌으로서 (따라서 반복적인 전단과정에서 수축 가능성을 줄여줌으로서) 지반을 개량시킨다 (Idriss and Boulanger, 2008). 침투그라우팅은 주 재료로 고 유동성의 시멘트를 사용한다는 점에서 시멘트 그라우팅(cement grouting) 또는 고 유동성 그라우팅(high mobility grouting)과 유사한 개념의 공법이다(Bruce, 2012). 여기서 시멘트 그라우팅은 그라우트의 주재료로 시멘트를 적절히 물과 혼합하여 사용하는 방법을 지칭하며, 고 유동성 그라우팅은 주된 원재료와 물의 배합비율을 대단히 묽게 하여 유동성이 좋은 액상의 그라우트 재료를 만드는 방법을 의미한다. 침투 그라우트는 흙이나 암석 매트릭스의 간극을 침투할 수 있을 정도로 상당히 낮은 점성력을 가지고 있으며, 매트릭스의 수압할렬과 지표면의 융기를 방지하려면 상대적으로 낮은 주입압이 요구된다.

침투그라우팅 공법은 다양한 일반적인 지반개량 영역에서 적용사례들이 보고되어 오고 있다. Littlejohn (2003)Welsh (1998)는 암반과 토사 지반 개량을 위한 침투그라우팅의 광범위한 적용사례와 역사적 발전과정을 정리하여 발표하였다. 일본이나 미국등에서는 지진에 대한 안전성 확보를 목적으로 지반 액상화 경감을 위해 침투그라우팅 공법을 적용하기도 하였다(Idriss and Boulanger, 2008, Mitchell, 2008, Tsukamoto et al., 2006, Thevanayagam and Martin, 2002). Butron et al. (2009)은 경암 지반 터널의 누수문제를 해결하기 위해 침투그라우팅을 적용한 사례를 발표하였다. Lirer et al. (2006)은 침투그라우팅 공법을 저투수성의 토사와 암반 지반에 적용하기 위한 연구를 진행하였다. 그러나 댐체의 차수능을 개선하기 위한 연구는 전술한 바와 같이 거의 발표된 사례가 없는 실정이다.

차수능에 악영향을 끼치는 댐 제체 코어층이 열화된 경우 컴팩션 그라우팅 및 침투그라우팅 공법 모두 적용이 가능하나, 만약 댐체 코어층에 연약대 또는 누수경로가 불균질하고 임의적으로 발달되어 있다면, 구근을 형성하는 컴팩션 그라우팅보다는 저압으로 유로를 충진하고 간극을 메울 수 있는 침투그라우팅이 보다 유효한 선택이 될 수 있다.

3. 댐 현황 및 열화 개요

3.1 댐 개요 및 지반조사

DB댐은 1986년 11월부터 1990년 5월까지 건설된 중심코어형 락필댐으로서 높이 53.5m, 길이 326m, 총 저수용량 7,717,500 m3의 제원을 갖는 용수전용댐이다. 댐마루 표고는 EL. 117.0m, 계획홍수위(FWL; Flood Water Level)는 EL. 114.25m, 상시만수위(HWL; High Water Level)는 EL. 112.0m이며 저수위(LWL; Low Water Level)는 EL. 80.0m 이다 (K-water, 2014).

DB댐에 대한 지반조사는 2013년 국내 용수전용 필댐들에 대한 댐체 건전성 진단을 위해 무수보링 시추조사를 수행함으로서 이루어졌다. 지반조사 프로그램에는 3공의 시추 샘플링과 2차원 및 3차원 전기비저항탐사, 그리고 다수의 토질시험이 포함되어 있었다 (Lee et al., 2015, Park and Oh, 2016a).

Fig. 2는 DB댐에 대한 지반조사 평면도와 종단도이다. Fig. 2에서 DB2-1은 29m 굴진 중 사석과 조우함으로써 더 이상 굴진이 불가능하여 근접한 위치에서 재천공을 수행하였다(DB-2로 표기).

Fig. 2.

Geotechnical Investigation and Geophysical Survey Scheme of DB Dam.


3.2 고 함수비 포화대 현황

Fig. 3은 DB댐 시추조사 중 발견된 코어층 취약부를 도시한 그림이다. 발견된 취약부의 현황으로 우선 DB-1 시추조사에서는 심도 27.0 ~ 27.5m의 SPT 타격 구간에 조립질 재료가 다량 함유되어 있었으며, 심도 27.5 ~ 28.3m 에서 황동관으로 회수된 불교란 시료 중 약 27.6 ~ 28.0m 층후에서 사실상 액상 상태의 포화대 코어재가 발견되었다. 또한 심도 28.0 ~ 30.0m 구간에서 회수된 교란 시료는 고 함수비의 연약한 코어재로 판명되었다. 여기서 액화 포화대는 코어재료의 구근이 확인되지 않을 정도로 회수된 코어 시료가 액체 상태로 존재하는 경우를 지칭하며, 고 함수비 포화대는 코어재료가 완전히 액화되지는 않았으나, 최소한의 코어재 구근만 존재하거나 자체 코어재의 자립이 불가능한 정도의 고 함수비 상태 코어로 정의하였다. DB-1에서 액화 포화대 발견 층후는 약 0.7m 정도였으나, 전반적인 포화대 코어구간은 결과적으로 심도 27.0 ~ 30.0m 구간(EL. 87 ~ 90m)으로 관찰되었다. 또한 DB댐 DB-2 시추공 심벽재 굴진(무수보링) 및 시료 회수 중, 심도 약 40.3 ~ 41m에서 국부적으로 물과 코어재가 뒤섞인 액상의 포화대(EL. 76.0 ~ 76.7m)가 발견되었다. DB-3 시추조사시에는 명백한 액화 포화대는 발견되지 않았으나, 심도가 깊은 곳에서 급속히 공내에 침투수가 유입되는 양상을 보였다.

Fig. 3.

Deteriorated Clay Cores with High Water Content.


포화된 시료는 실내 토질실험용으로 채취가 불가능하였기 때문에 회수된 건전한 코어 시료를 사용하여 지반공학적 물성을 파악하였다. 그 결과, DB댐 코어재는 통일분류법으로 대부분의 시료가 CL (Lean Clay)에 속하였으며, 입도분포상으로 200번체 통과량이 70-91%로 비교적 세립분이 높은 편이었고, 자연함수비는 19-48% (평균 31%), 비중 2.61-2.71 (평균 2.68), 소성지수 9-33% (평균 20%)를 나타냈다. 전반적으로 코어재료의 함수비가 통상적인 댐 코어재의 최적함수비(10~20%)보다 높은 편이다.

코어재 보강공사의 개략적인 범위 설정을 위해 3차원 전기비저항탐사를 수행하였다. Fig. 4는 40.5m 심도에서의 전기비저항 영상이다. 시추조사 시 DB-2 공의 40.3~41.0m 심도에서 물과 코어재가 뒤섞인 액화 시료가 나타났는데 전기비저항 영상에서는 DB-1에서 DB-2로 저비저항 이상대가 확장하는 형태의 영상을 나타내고 있다.

Fig. 4.

Electrical Resistivity Planview Image on GL. -40.5m.


Fig. 5는 50 ohm-m 이하의 저비저항 이상대를 등전기비저항 값으로 도시한 결과이다. 전기비저항 탐사 결과, 저비저항대는 누수 취약대인 경우가 지배적이므로 3차원적인 포화대의 영역 파악 및 보강영역 설계에 효과적이다. Fig. 4Fig. 5의 DB-3 시추공 위치에서 저비저항 이상대가 6시 방향으로 발달하는 특성을 보이고 있으나 하류비탈면까지 발달하지 않고 있으며 좌안측 DB-1의 저비저항 이상대는 8시 방향으로 크게 발달한 것으로 판단되었다.

Fig. 5.

3D Electrical Resistivity Result Showing the Low Resistivity Area Less Than 50 ohm-m.


4. DB댐 제체 보강 그라우팅

4.1 시공순서

DB댐의 침투그라우팅 시공 흐름도는 Table 1과 같다. 시험공과 일반공, 검사공의 순서로 그라우팅 보강공법을 적용하되, 조립질 재료가 제체 상부에 광범위하게 분포함에 따라 고수위 운영 시 차수능 개선을 위해 댐마루 인근 상부층은 벤토나이트 보강을 추가 시공하였다.

Table 1

Permeation Grouting Procedure for DB Dam Remediation.

SequenceProcedure
Pilot hole drillingNX-sized no-water boring, accompanying with core sampling, SPT (standard penetration test), and in-situ permeability test
Pilot hole groutingUpward grouting (1 stage : 5 m) Grout mix ratio and grout materials follow injection pattern of specification
General hole drilling and groutingBX-sized rotary washed boring), Grouting work based on pilot hole testing result including the conditions of maximum amount of grouting, injection duration, grout mix ratio
Determination of additional remediation areaFinding additional remediation area by added borehole drilling and grouting with the same procedure as pilot holes
Bentonite remediation on the crest areaUpon observation of highly permeable granular materials around 3 to 5 m below the dam crest, bentonite injection (with the mix ratio of 3% to the water) was performed down to the depth of 5 m.
Determination of check holesLocating equally spaced check holes adjacent pilot holes and additional investigation holes.
Check hole drilling and groutingNX-sized no-water boring, accompanying with core sampling, chemical reaction test, and in-situ permeability tests. After check hole investigation, final injection of grouts is made with C:W=1:1.
Electrical resistivity surveyVerification of remediation grouting
Writing a reportFacts and verification of remediation grouting results

그라우팅 주입공의 위치와 시공순서는 Fig. 6과 같다. 하류열을 D (Downstream) 열, 상류열을 U (Upstream) 열이라 할 때, 하류열을 먼저 시공하고 상류열을 나중에 시공하였다. 시험공(Pilot hole)은 하류열 시공 시 최우선하여 시공하는 공이다. 검사공(Check hole)은 상·하류열 시공 완료 후 시공하였다. 공별 시공순서는 내삽법을 적용하여 우선 시험공에 대하여 천공 및 주입하며 일반공의 공별 시공차수(1차~4차)에 따라 하류열을 우선 시공한 후 상류열을 시공하였다. 같은 차수공이라도 먼저 시공한 공에서 가장 멀리 위치한 공을 다음 순서로 시공하고 주입 후 24시간이 경과하지 않은 공의 8 m 이내에 위치한 공은 천공하지 않는 것을 원칙으로 하였다. 공 간격은 2 m, 열 간격은 1 m로 상호중첩 시공함으로써 차수효과를 극대화되도록 하였다.

Fig. 6.

Grouting Sequence Applied.


4.2 시험공

DB댐 그라우팅 보강 본 공사 시행 전 현장특성에 적합한 일반공 시공방법과 품질관리방안을 수립하기 위하여 6공을 선택하여 시험시공을 실시하였다. 시험공 천공 및 그라우팅 시험 주입을 통해 심벽부 코어확인, 현장투수시험, 표준관입시험과 주입 기준 검토 등을 실시하였다.

6공에 대한 시험주입 결과, 주입량은 최소 8.8 kg/m로부터 최대 86.8 kg/m로 나타났으며, 평균 주입량은 49.0 kg/m로 당초 설계량인 40.0 kg/m 보다 약간 상회하여 주입되었으며, 일부구간에서는 각 공별 평균 주입량보다 크게 상회하여 주입이 되었는데 이는 지반의 불균질 특성에 기인한 것으로 판단된다. 시험시공 결과를 토대로 DB댐 일반공 그라우팅 시공기준을 정하여 시공하였다. 심벽재료가 대단히 불규칙적으로 노후화 양상을 보이는 DB댐의 그라우팅 주입기준은 획일적으로 적용할 수 없었으며, 학문적인 근거보다는 현장 상황에 따른 경험적이면서 공학적인 판단에 근거함이 불가피하였다.

4.3 일반공

4.3.1 주입기준

DB댐의 침투그라우팅 배합비, 주입압 및 주입시간 결정은 시험시공 결과를 토대로 과거 경험적 사례 등을 함께 고려하여 Table 2와 같이 결정하였다. 이러한 침투그라우팅 주입기준은 지반의 불확실성, 불균질성, 이방성 등의 원인으로 경험적으로 결정되었으며, 경험적 기준의 근거는 수압할렬 가능성을 최소화하면서 코어층 간극이나 취약대의 주입율을 극대화하는 상반된 요구조건을 만족하는 데에 있다.

Table 2

Grouting Specification Applied to DB Dam Remediation Grouting.

StageDepth (m)Initial mix ratio (C:W)Max pressure (kgf/cm2)Pressure change conditionInjection duration (min/m)
Downstream hole injection
95~101:311 kgf/cm210
810~15
715~20
620~251:21~2hold pressure as 1 kgf/cm2 for ≥ 10 L/min Increase pressure to 2 kgf/cm2 for ≤ 10 L/min15
525~30
430~35
335~401:22~3hold pressure as 2 kgf/cm2 for ≥ 10 L/min Increase pressure to 3 kgf/cm2 for ≤ 10 L/min20
240~45
145~50
Upstream hole injection
95~101:311 kgf/cm25
810~15
715~20
620~251:31~2hold pressure as 1 kgf/cm2 for ≥ 10 L/min Increase pressure to 2 kgf/cm2 for ≤ 10 L/min10
525~30
430~35
335~401:32~3hold pressure as 2 kgf/cm2 for ≥ 10 L/min Increase pressure to 3 kgf/cm2 for ≤ 10 L/min10
240~45
145~50

DB댐의 코어재는 상단에 일부 조립질 재료가 산재해 있고, 국부적 포화대가 불규칙적으로 발달해 있는 상태이므로, 과도한 주입압에 의한 할렬 가능성을 방지해야 했다. 따라서 암반그라우팅과는 달리 가능한 저압에서 주입하였다. 경험적으로 침투그라우팅에 대한 최고 주입압은 코어층에서 0.1 kgf/cm2 이상으로 하되 수압할렬 추정압력의 75%를 주입압력의 상한치로 하여 시행하는 것을 기본으로 하고, 현장 상황에 따라 탄력적으로 조정하였다. 즉 기본 최대 주입압 = (2 × 0.1 kgf/cm2 × h) × 0.75로 주어지며, 여기서 h는 공심도(m)이다. 시험시공 결과를 기반으로 DB댐 침투그라우팅에 적용한 주입압력은 국부적인 유로 형성이 의심되었기 때문에 할렬파괴 및 필터존으로의 영향을 최소화하기 위해 심벽에서 1~3 kgf/cm2을 기준으로 하되 시험시공 결과와 주입 도중 현장여건 등을 고려하여 댐체에 손상을 주지 않는 범위로 탄력적으로 시행하였다.

그라우팅공 천공을 위해서는 공벽붕괴 방지를 위해 BX 케이싱과 AX 로드를 이용하여 소정의 심도까지 천공하였다. 천공에 의한 코어층의 할렬을 방지하기 위해 BX 케이싱 내에 AX 로드를 삽입하여 천공을 수행하였다. 천공시 천공수는 청수를 써야 하므로 댐 저수지 내의 물을 사용하였다. 천공수로 인한 심벽의 수압할렬을 방지하기 위하여 천공수에 정수압보다 큰 압력을 가해서는 안 되며 슬라임(slime)을 제거할 수 있는 최소의 압력만을 사용하였다.

계획심도까지 천공이 끝나면 비트를 공저로부터 약간 들어 올린 후 펌프로부터 물(깨끗한 청수) 공급량을 증가시켜 공벽에 부착되어 있는 슬라임(slime) 등 파쇄물을 배제시켰다. 이때 롯드를 30 ~ 60cm 정도 오르내려 파쇄물이 뜨도록 하여 가능한 대부분의 파쇄물이 제거되도록 하였으며 압축공기는 공내 붕락방지를 위하여 사용하지 않았다. 시추공의 수직편차는 공 깊이의 3%를 초과하지 않았다. 시추기 롯드나 그라우팅공 안에 그리스 또는 비용해성 윤활유를 사용하지 않았다.

천공 후 심도 검측이 완료되면 케이싱 내측에 패커를 우선 고정하고, 주입 stage 길이를 5.0 m로 하여 상향식(upstage) 방식으로 주입하였다. 주입 stage는 다시 주입관을 한 단계(step)씩 인발하면서 주입하는 방식을 취하였으며, 이 때 단계 별 상승간격은 50 cm를 기준으로 하였다.

주입속도는 현장의 여건에 따라 변경될 수 있으나, 5~20 l / min을 통상적인 기준으로 하였다. 한 stage 주입 종료 조건은 각 stage (5.0 m)를 기준으로 800 l ~ 최대 1,500 l 까지 주입이 완료된 경우로 정하였다. 각 단계별 주입속도가 3 l / min 이하이면 5분간 주입 후 1 step 인발하였다. 주입과정에서 주입압력 상승 시 3분정도는 유지하고 저압에서도 20 l / min 이상 들어갈 때는 저압으로 계속 유지하였으며 최종 유량의 저하가 없을 때 주입을 중단하였다.

주입 기록을 위해 자동 유량측정장치를 주입펌프와 주입기 사이에 설치하여 주입량과 주입압을 측정 관리하였다. 주입공 입구에 압력게이지와 제어밸브를 설치하여 시공하였다. 주입재가 케이싱 외벽을 타고 상부로 유출될 경우 주입중단(2~4시간) 후 부배합으로 변경하여 주입하였으며, 작업종료 후 다음날 주입할 경우 초기 배합비에서 재주입하였다. 주입중단 후 계속 유출될 경우 케이싱을 1~2 m 인발 후 재주입하였다. 주입량에 비하여 유출량이 과다 할 경우 압력을 감소해서 유출량을 최소화 하여 주입하였다. 주입종류 후 5분 이상 주입밸브를 잠근 압력상태에서 역출을 방지하고자 하였다.

4.3.2 장비 및 재료

재료 혼합 및 주입장비로는 믹서기의 경우 용량이 200 l 이상인 4조식 교반기를 사용하였다. 교반기는 회전속도 800 RPM (주입재 배합상태)인 장비를 사용하였다. 주입재료는 초미립시멘트를 주재료로 사용하였다. 그라우팅 주재료인 초미립시멘트는 분말도 6,000 cm2/gr 이상인 MIS SP를 사용하였다. 부가적인 첨가제로 NA형-벤토나이트나 활성벤토나이트를 사용하였다. 벤토나이트 사용량은 시멘트 중량의 5% 이내에서 배합비, 시험공에 의한 지반의 상황, 주입압력 등에 따라 조정하였다.

주입재료의 품질관리를 위해 시멘트-물 배합비(C:W)를 1:1, 1:2, 1:3 등 다양하게 조성하고, 믹서 혼합시간을 각기 5분, 10분, 15분으로 교반하여 주입재의 블리딩율을 측정하고 그중 가장 작은 블리딩 값을 나타내는 방법으로 주입재료의 품질관리를 실시하였다. 블리딩 시험결과 시멘트-물 배합비가 1:1, 1:3 에서는 5분간 혼합 했을 시 블리딩율이 가장 낮고, 1:2에서는 10분, 1:4에서는 15분간 혼합 했을 시 블리딩율이 가장 낮게 나타났으며, 혼합시간은 별 차이가 크지 않아 일반공 주입 시에는 혼합시간을 5분으로 적용하였다.

4.4 검사공 (Check hole)

DB댐 침투그라우팅 보강효과의 확인을 위해 10개의 검사공 천공 및 주입을 시행하였다. DB댐 검사공의 위치는 20 m 간격을 원칙으로 하되 그라우팅 효과분석에 활용될 수 있도록 설계 전 시추조사공, 시험공 및 추가조사공 등에 인접한 지점으로 선정하였다.

검사공 천공은 중심코어의 중앙부에서 시험공과 같이 NX 구경으로 무수천공하였으며, 싱글코어바렐(single core barrel)과 케이싱을 사용하여 시료를 채취를 하고 토질주상도를 작성하였다. 채취한 시료에 페놀프탈레인시약을 분무하여 적색반응 상태를 육안으로 확인하였다. 천공 시 하향식으로 변수위 투수시험을 시행하고, 투수계수를 산출하였다. 투수계수 목표 개선치는 α × 10-5 cm/sec 이하였다. 그 후 검사공은 C:W = 1:1 배합비로 홀채움을 실시하였다.

4.5 보강 결과

DB댐은 당초에 댐 길이(L=320 m) 중 댐 중간부 100 m 연장만 심벽부를 보강하는 것으로 계획되었으나 양안부측 추가 조사공 주입 결과, 오히려 양안부 주입량이 더 큰 것으로 파악되어 댐 좌안 80 m, 댐 우안 70 m를 추가하여 총 길이 250 m를 침투그라우팅 공법으로 보강하였다.

Fig. 7은 DB댐 침투그라우팅 보강 구간 및 검사공의 위치, 그리고 위치별 주입량을 나타낸 그림이다. 지반고별 주입량에서 보듯이 댐 하단부에서 가장 많이 주입되었음을 알 수 있었다.

Fig. 7.

RemediatiOn Grouting Area, Injection Map, and Check Hole Location for DB Dam.


DB댐 보강공사를 위한 총 천공 길이는 11,537.8 m에 달하며, 주입량은 총 763.9 m3 였다. 총 주입공 251공에 대한 m당 주입량은 66.2 l / m 였으며, 주입된 총 시멘트량은 305,489 kg이고 m당 주입량은 26.5 kg / m로 집계되었다.

Table 3은 액상의 포화대 또는 고 함수비의 포화대가 발견된 DB-1, DB-2공이 위치한 곳에서 시행한 하류열 그라우팅 작업 결과이다. 5m 단위 심도별로 그라우팅 배합비, 주입압, 주입량, 주입시간을 비교하였다. DB-1과 인접한 D-44 공에 대한 주입 결과, 15m 이하에서 그라우트 주입량이 대단히 큰 편이며(55 ~ 1,345 l), 40m 이하의 하부층에서 1,000 l를 초과하는 것으로 나타났다. DB-2와 인접한 D-25 공에서는 상대적으로 보다 더 큰 주입량 분포를 보였다. 국부적 포화대 층후에서 특별히 더 큰 주입량 분포를 보이지는 않았는데, 이는 해당 구간 주입시 상부로 주입재가 유출되었던 사실로 볼 때, 상향식 주입과정에서 하부층 주입 시 이미 포화대 구간에 주입재가 충진되었기 때문인 것으로 판단된다.

Table 3

Grouting Result of Downstream Side Boreholes Near DB-1 and DB-2.

DB-1D-44 grout hole near DB-1DB-1D-25 grout hole near DB-2DB-2
Depth (m)C:WPressure (kgf/cm2)Grout quantity (L)Duration (min)C:WPressure (kgf/cm2)Grout quantity (L)Duration (min)
0-5--hole filling---hole filling-
5-10--hole filling-1:3146856
10-15--hole filling-1:3142554
15-201:42402551:3154154
20-251:3255131:2137376
25-301:322443227-30m, fludized zone1:2165275
30-351:32373471:2281278
35-401:32473501:23940104
40-451:33325251:2383710140.3-41m fludized zone
493555
45-501:341,345851:231,008109
Sum4,1523626,056707

4.6 상부층 벤토나이트 보강 추가공사

DB댐 제체 그라우팅 공사를 시행하는 과정에서 채취된 심벽재의 코어상태 및 천공 시 야장기록과 트렌치 굴착조사를 실시한 바 댐 정상부에서 최대 7 m (평균 3 m) 깊이까지 모래, 자갈, 사석층이 확인되었다 (Fig. 8). 특히 공사구간 내에서 폭 1.5 m, 길이 5 m, 깊이 1.8 m 공간에 굴착장비로 코어부를 굴착 하여 확인한 결과 직경 50~60 cm정도의 암석이 다량 매립되었음을 확인하였다.

Fig. 8.

Trench Excavation on Dam Crest Area.


Fig. 9는 DB댐 제체 침투그라우팅 보강구간에 대한 지층 구성 전개도 현황으로 댐마루 부근 상부토층에 상당한 조립질 재료들이 분포하고 있음을 볼 수 있다.

Fig. 9.

Unfold Description of Soil Strata for DB Dam Embankment.


실제 코어형 필댐의 여유고는 점토 코어재 상단을 기준으로 산정하여야 하며, DB댐의 차수능 검토시 상시만수위 부근 고수위 운영의 경우 침투류에 의한 안정성을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 제체 침투류에 대한 안정성 확보를 위해, 차수능이 부족한 댐 상부 코어층에 벤토나이트를 깊이 5 m, 길이 320 m 구간에 주입하여 보강하는 추가공사를 시행하였다. Fig. 10은 댐 상부층 벤토나이트 보강공사의 평면적 배치도이다.

Fig. 10.

Bentonite Grouting Scheme.


벤토나이트의 배합비율은 시험시공을 통하여 물에 대한 중량비로 3%를 적용하였으며, 최고 주입압은 1 kg/cm2 이내로 설정하였다. 상부층 벤토나이트 그라우팅 효과를 높이기 위해 심도 검측 후 케이싱을 1m 인발하여 주입 시행하였다.

Crest 보강공사의 주입량은 105.3 m3 이고, 이 중 벤토나이트량은 3,063.8 kg 주입되었다(Fig. 11). 벤토나이트는 미세 점토광물로써 물과 접촉 시 최대 1,300~1,600% 팽창을 하기 때문에 고수위 운영으로 인한 침투류 발생시 댐 상부에 분포되어 있는 모래·자갈층 부분의 간극이 벤토나이트로 충진됨으로써 제체의 안정성 확보에 기여할 것으로 판단된다.

Fig. 11.

Bentonite Grouting Result of Dam Crest Area.


벤토나이트를 단일 재료로 주입하는 방법은 그 동안 국내에서는 댐 제체에 적용된 시공사례가 거의 없어 배합비 결정과정에 많은 어려움이 있었으나 공사 착수 전에 시험시공을 실시 그 결과를 토대로 최종공법(주입심도, 주입공 배치)을 선정 적용하였으며 향후 유사한 사례가 발생 할 경우 좋은 시공사례로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다. 대표적인 배합비로는 본 공사와 유사한 사례의 경우, 시험시공을 거쳐 경험적으로 정한 물에 대한 중량비 3%를 추천할 수 있다.

5. 보강 효과 검증

5.1 검사공 시추조사 및 지시약 반응

각 심도별로 설계 전 지반조사공과 보강공사 후 검사공의 시추조사 자료를 비교 검토한 결과 설계 전 지반조사공 일부구간에서 국부적인 포화대가 발견되어 상대적으로 고함수비의 시료가 채취되었으나 보강공사 후 실시한 검사공에서는 고함수비의 시료가 발견되지 않았으며 이는 그라우팅에 의한 효과로 판단된다.

또한 검사공을 통한 시추코어에 페놀프탈레인 용액을 분무하여 지시약반응 구간을 확인하였다(Fig. 12). 페놀프탈레인은 산에서 색깔이 없지만 염기에서는 붉게 변한다. 페놀프탈레인은 강알칼리성인 시멘트와 반응하게 되면 붉은색으로 변하므로 페놀프탈레인 용액을 분무기로 코어시료에 살포하면 그라우트 충진 정도를 확인 할 수 있다.

Fig. 12.

Observation after Indicator Spray.


시약반응 확인결과 적색반응을 보이는 주입재가 맥상 또는 판상의 형태를 이루며 주변으로 침투하여 전체적으로 연약구간이 감소된 것으로 분석되었다.

5.2 투수계수

DB댐 시공 당시 코어재료의 토질시험결과 투수계수가 2.03×10-7 ~ 6.71×10-7 cm/sec 였으나, 그라우팅 전 실시한 조사공의 투수계수는 1.47×10-4 ~ 1.93×10-5 cm/sec 로 나타나 코어재료가 상당히 노후화된 것으로 판단된다. 그라우팅 후 시행한 검사공의 투수계수는 1.19×10-5 ~ 5.97×10-6 cm/sec 로 시공 당시의 투수계수보다 다소 크게 나타났지만 모든 검사공에서 목표 개선치인 α×10-5 cm/sec 이하 투수계수 값을 만족시켰다.

그라우팅 전 기존 조사공 및 일반공의 평균투수계수는 8.57×10-5 cm/sec 였고, 그라우팅 후 검사공의 평균투수계수는 8.94×10-6 cm/sec로써 투수계수가 많이 감소하였음을 확인하였다.

5.3 주입량

설계 당시 지반조사공과 검사공에서 주입을 실시하지 않았으므로 일반공의 주입량과는 비교를 할 수 없었다. 다만 DB댐의 먼저 시공한 하류열과 나중에 시공한 상류열에서의 주입량 상관성을 비교한 결과, 상류열에서 하류열보다 주입량이 1/3수준으로 감소됨에 따라 주입효과가 있었음을 확인하였다(Fig. 13). Table 4와 같이 DB댐 하류열 평균주입량은 39.7 kg/m 였으나 상류열 평균주입량은 13.1 kg/m을 보였다. 이는 하류열 그라우팅 선 시공으로 느슨한 심벽부가 충진되어 후속 상류열 시공 시 주입량이 현저히 감소한 것으로 판단된다. 다만 투수계수와 주입량의 상관관계를 분석하였으나 일부구간에서는 상관성이 나타나고 대부분 구간에서는 상관성이 미약하게 나타났다. 그 이유는 유동학적으로 물과 주입재의 침투특성이 다르기 때문이다.

Fig. 13.

Grouting Injection Quantity (kg/m) for all Boreholes of DB Dam.


Table 4

Comparison of Grouting Quantity for Each Injection Area.

LocationLeft abutment side L=80mMiddle side L=100mRight abutment side L=70mAverage
Downstream holes37.039.143.439.7
Upstream holes12.014.412.313.1
Average24.527.027.826.5

6. 결론

코어형 댐에서 제체 코어재의 성능개선을 위한 보강 그라우팅 공법은 일반적인 댐 기초나 암반 그라우팅과는 상당히 다른 설계 개념이 필요하다.

만약 연약해져 있는 코어층을 그라우팅 주입기를 이용하여 압력 주입하게 되면, 본래 보강의 목적보다는 과도한 주입압으로 수압할렬을 댐체 내에 유발하여 이전보다 더 위험한 상태를 초래할 수도 있다. 또한 코어층 내에 산재한 누수 취약대 또는 잠재적 유로의 형성은 일반적으로 균질한 양상으로 발달하지 않고, 상당히 불규칙적이고 국부적인 경우가 보편적이다. 따라서 명확한 그라우팅 기술과 풍부한 현장 경험, 그리고 현장 기술 관리자의 역량 등이 종합적으로 뒷받침되지 않는다면, 노후 필댐의 코어재 그라우팅은 상당히 어려운 기술이 될 수 있다.

댐의 저수위를 인위적으로 강하시키지 않고 시행가능한 침투그라우팅 공법은 노후 댐 및 저수지의 차수능 개선에 적용성이 우수하나, 현재까지 기술의 정립이 미흡한 실정이고, 국내외적으로 발표된 논문도 극히 드문 편이다.

본 논문에서는 국부적으로 액상에 가까울 정도로 코어층의 내부침식이 불규칙적으로 발달하였고, 코어 상단부 차수층에 다량 조립질 재료들이 매립되어 있었던 DB댐에 대한 저압 침투그라우팅 보강 기술을 상세하게 분석하였다. 침투그라우팅 주입 기준은 수압할렬파괴와 주입재가 필터층으로 침투되는 것을 방지하기 위해 주입압력, 주입시간, 주입량 등에 제한을 두어 점토심벽 댐체에 적합한 주입기준을 정하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.

1) 저압 침투그라우팅은 DB댐과 같이 외적인 이상 징후 없이 대단히 불규칙적으로 발달한 코어층의 열화와 조립질 재료로 인한 상부층의 차수성 개선에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.

2) 댐체에 적용하는 침투그라우팅의 최고 주입압은 경험적으로 코어층에서 0.1 kgf/cm2/h 이상으로 하되 수압할렬 추정압력의 75%를 주입압력의 상한치로 하여 시행하는 것을 기본으로 접근할 수 있으며, 이는 DB댐에 할렬없는 안전한 개량을 통해 유효성을 확인할 수 있었다.

3) 댐체 코어층의 투수능 개선을 위한 침투그라우팅 주입율 기준, 5~20 l/min은 적정하였으며, 분당 주입시간은 대부분 40m 이내 보강공사에 대해 심도에 따라 대체로 8분에서 40분 정도 사이에서 결정되었다. 시멘트와 물의 중량비로 표현되는 초기 배합비는 코어층에 대해 대체로 1:3 또는 1:2를 주로 취하였으며, 현장 상황에 따라 점차적으로 1:1까지의 부배합으로 변경 적용하는 안은 DB댐에 유효하였다.

4) 연약해진 댐 코어층의 보강 시 블리딩 현상을 완화하고 주입공의 안정화를 위해 시멘트 중량비 기준으로 5% 이내에서 벤토나이트를 혼합하여 적용하는 것은 유효하였다.

5) 코어층 침투그라우팅 외에 DB댐에 적용하였던 제체 상부층 벤토나이트 주입을 통한 차수능 개선사례는 최근 PMF 적용에 따른 고수위 운영시 조립질 재료의 혼입이 예상되는 기존댐의 차수능력 제고 및 제체 안정성 제고에 크게 기여할 것으로 판단된다.

본 연구를 통한 필댐 침투그라우팅 기술의 구체적인 분석자료들은 향후 기존댐 성능개선 사업과 시설 안정화 사업, 노후 저수지 안정화 사업시장이 활성화되면서 중요한 방재기술로 기여할 수 있을 것이다.

감사의 글

본 연구는 국토교통과학기술진흥원 물관리연구사업, 「극한 수재해 대응 노후 필댐 스마트 그라우팅 보강 및 검증 시스템 기술 개발 (2015.09 – 2018.06)」의 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구에 사용된 조사 및 보강 기록은 K-water연구원의 댐 성능개선을 위한 aging 댐체 건전성 진단 연구 (2014.01 – 2016.12)를 통해 수집되었습니다.

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