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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(2); 2022 > Article
월류방지 구조물 설치에 따른 농업용 저수지의 침투특성

Abstract

In this study, a structure that can effectively prevent overtopping caused by abnormal rainfall was installed in a deteriorative agricultural reservoir, and seepage characteristics were compared and analyzed through model experiments and numerical analysis. The experimental conditions were observed by installing a stepped gabion, vertical gabion, and parapet in combination with a gabion retaining wall, geomembrane, and core on the dam crest. Small horizontal and vertical displacements without defects were found, such as overturning and failure, to effectively prevent overtopping. A comparison of seepage line and pore water pressure results indicates that the seepage water drained smoothly to the toe drain through the filter from the upstream slope. It was perceived that the concentration of seepage water on the upper part of the dam crest might cause leakage to the upper part of the downstream slope and affect the stability of the overtopping prevention structures. The distribution of the hydraulic gradient was found to be stable in all cases on the downstream slope. The upper part of the downstream slope could be vulnerable to leakage, so careful management is required when constructing the geomembrane. Overall, among the three overtopping prevention structures applied, a stepped gabion retaining wall did not cause such problems as overturning and leakage. Therefore, it is considered better than the other types of overtopping prevention structure.

요지

본 연구에서는 노후화된 농업용저수지에 이상강우에 의한 월류를 효과적으로 방지할 수 있는 월류방지 구조물을 설치하고, 침투특성을 모형실험과 수치해석을 통해 비교분석하여 현장실용화 방안을 마련하고자 하였다. 실험 조건은 댐마루에 Gabion 옹벽, Geomembrane, Core가 복합적으로 설계된 3가지 형식의 월류방지 구조물인 계단형 Gabion 옹벽, 수직형 Gabion 옹벽, Parapet을 설치하고 홍수위부터 월류수위까지 수위를 상승시키며 관측하였다. 실험결과, 변형 및 변위결과는 전도와 파괴 등의 결함문제가 발생하지 않았고 매우 미소한 수평변위와 수직변위를 나타내어 효과적으로 월류를 방지하는 것으로 나타났다. 침윤선과 공극수압 분포 결과로부터 침투수는 상류사면에서부터 필터를 통해 Toe-drain으로 원활하게 배수되는 것으로 나타났고, 댐마루 상부에 침투수가 집중되면 하류사면 상부로 누수를 발생시켜 월류방지 구조물 하부의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 것으로 평가되었다. 동수경사 분포는 하류사면선에서 모든 형식이 안정한 것으로 평가되었고, 잠재적인 취약부가 될 수 있는 하류사면 상부는 누수의 영향을 받을 수 있어 Geomembrane의 시공 시 섬세한 시공관리가 필요한 것으로 나타났다. 전체적으로, 적용된 3개의 월류방지 구조물 중 계단형 Gabion 옹벽은 전도 및 누수 등의 문제가 발생하지 않아 파이핑 안정성을 확보할 수 있기 때문에 다른 형식의 월류방지 구조물보다 우수한 방법으로 평가되었다.

1. 서 론

국내 농업용 저수지의 형식은 99%가 필댐으로 구성되어 있고, 1970년 이전에 설치된 노후 저수지가 81%에 이르고 있다. 이 중 1969년 이전에 설치된 중소규모 저수지의 설계강우량의 빈도기준은 100년 확률강우량의 1.2배로 현재의 계획설계기준인 200년 확률 강우량의 1.2배보다 상대적으로 낮은 설계기준이 적용된 것으로 조사된 바 있다. 특히 노후화된 제체는 침투안정성에 취약할 수 있고, 낮은 설계기준은 최근 500년 빈도의 강우량이 발생하는 등 이상기후에 따른 집중호우와 홍수에 의한 자연재해가 과거보다 증가되고 있기 때문에 월류에 의한 피해를 더욱 가중시킬 것으로 전망되고 있다(MAFRA, 2019; Lee et al., 2019; Lee et al., 2020).
이러한 피해를 예방하고자 국내의 경우 여방수로와 취수시설의 단면보수 및 재설치, 저수지 제체 둑높이기 사업 등의 방안으로 제체의 보강이 실시되어 왔으며, 추가적으로 이상기후로 인해 설계홍수량에 미달하는 저수지는 순차적으로 개선할 계획이다(MAFRA, 2020).
필댐의 붕괴는 월류와 파이핑이 주된 원인으로 조사된 바 있고(Foster et al., 1988; Foster et al., 2000), 월류는 계획홍수량 이상의 홍수량의 발생, 여수로 방류량의 부족, 제체의 여유고가 작을 때 발생하며, 이 때 하류사면에 유속과 소류력이 작용하여 댐마루와 사면을 침식 및 세굴시킴으로써 제체의 급진적인 붕괴를 유발한다.
월류로 인한 제방의 붕괴는 제체의 다짐도, 제체의 구성재료, 댐마루 폭, 사면 경사도 등 다양한 요인에 따라 복잡한 붕괴메커니즘을 나타내지만, 단기적 및 장기적으로 적합한 보강방법을 적용해 붕괴 시간을 지연시킴으로써 제체의 안정성을 높이는 것이 합리적이다(Lee and Noh, 2014; Lee et al., 2019).
월류로 인한 재해 위험성을 줄이는 방법으로는 하류사면에 Riprap, Gabion, 식생피복공법, 롤러다짐 콘크리트, 고성능 잔디매트(High performance turf reinforcement mat), 바이머폴리머(Bio polymer) 등을 사면보호공법으로 적용하여 월류로 인한 사면의 침식과 세굴을 방지하는 방법 등이 적용되었다(Helper et al., 2012; Liet al., 2014; FEMA, 2014; Ko and Kang, 2019).
또한 제방에 둑 높이기 방법의 대안으로써 댐마루에 콘크리트 구조물인 Parapet 및 보강토 옹벽(Mechanically Stabilized Earth), 설계수위 이내에서 제체 보호를 위한 홍수 방지벽(Floodwall) 등 월류방지 구조물을 설치하는 방법이 있다(Duncan et al., 2008; USBR, 2011; USBR and USACE, 2019).
국내의 경우, 저수지 제체의 월류를 방지하기 위해 둑 높이기 공법을 주로 사용하였는데, 이는 월류방지 측면에서 효과적이지만 노후화된 많은 저수지를 빠른 시일 내에 설계⋅시공하는 것은 경제적 및 제도적인 측면에서 매우 어려운 실정이다. 따라서 기후 변화에 따른 재해가 지속적으로 예상되는 현실을 감안하면, 월류피해를 저감시킬 수 있는 월류방지 구조물을 설치하는 것이 저수지의 안정성을 증대시킬 수 있는 우수한 대안이 될 수 있다. 또한 월류방지 구조물은 단기간에 시공할 수 있고, 둑 높임으로 인한 저수량 증대에 따른 수몰지역의 토지보상 문제를 해결 할 수 있기 때문에 경제성이 우수할 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 노후화된 농업용저수지의 월류방지 구조물 설치에 따른 침투특성을 파악하기 위하여, 실내모형실험과 수치해석(FEM)을 실시하고, 수위변화에 따른 변형 및 변위거동, 공극수압 분포, 동수경사 분포 등을 비교분석한 후 현장실용화 방안을 마련하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 대상저수지 선정 및 사용시료

연구대상 저수지는 공주시 소재의 계룡저수지로 Zoned Fill-Type이며, 2011년 덧쌓기가 진행 된 바 있다. 또한 50년 이상(축조년도: 1964년, 높이: 15.2 m) 경과된 저수지로 제체 내부의 코어와 필터가 본래의 기능을 상실한 것으로 평가된다(Lee and Noh, 2014). 따라서 본 실험에서는 노후화 조건에 가까운 덧쌓기 전의 단면을 표준단면으로 설정하였다.
사용된 시료의 입도곡선과 물리적 특성은 Fig. 1Table 1과 같다. Gabion의 채움재는 철망의 간격보다 크고 최대입경 250 mm를 초과하지 않는 조건을 만족해야 한다(KDS 11 80 15). 따라서 본 실험에선 축소비를 고려하여 2 mm~4 mm체 사이에 있는 쇄석시료를 채움재로 사용하였다.
Fig. 1
Grain Size Distribution
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Table 1
Material Properties
Sample Gs kv (m/s) Wopt (%) γmax (kN/m3) c(kPa) ϕ(°) USCS
Embankment 2.65 3.19E-06 7.2 19.3 15.3 34.9 SC
Core 2.69 3.11E-08 23.0 15.8 34.3 9.0 CL
Filter 2.62 7.82E-05 - 19.6 - 40.0 SP
Crushed stone 2.65 2.55E-04 - 22.8 - - SP

2.2 월류방지 구조물

월류방지 구조물은 Fig. 2와 같이 설치재료와 형상에 따라 총 3가지 형식으로 구분하였다. 구조물은 Gabion, Geomembrane, Core로 구성되어 있으며, 모든 형식의 Core 폭은 동일하게 설치하였다. Gabion은 국내 돌망태옹벽의 기준(MOLIT, 2020a)에 따라 축소비를 고려하여 댐마루로부터 0.75 cm 근입 시켰고, Geomembrane은 Gabion 하부제체 및 Core로의 침투를 방지하기 위해 포설하였다.
Fig. 2
Types of Overtopping Prevention Structure
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Fig. 2(a)는 계단형 Gaboin 옹벽의 형식으로 설계기준에 따라 상부층의 전면은 하부층의 최소 폭 1/2 이상을 만족하게 설치하였고(MOLIT, 2020b), Geomembrane은 Core와 Gabion의 벽면 및 바닥부에 설치하였다.
Fig. 2(b)는 수직형 Gabion 옹벽의 형식으로 동일한 Gabion을 수직방향으로 연속해서 쌓은 형식으로, 계단형 Gabion 옹벽과 동일한 방식으로 Geomembrane을 설치하였다.
Fig. 2(c)는 강화재질의 Parapet 형식으로서 Parapet 전면 상류사면과 Core 하부까지 Geomembrane을 연속되게 설치하였다. 이 때, 상부구조물의 높이를 결정하기 위해 기존에 저수지 둑 높이기 사업이 진행된 자료를 분석하였다. 전체 63개의 덧쌓기 사례 중 평균 증고는 약 3 m로 나타나, 상부구조물의 높이는 축소비를 고려하여 댐마루 표고부터 3.75 cm로 설정했다.
Core의 경우, 수위상승에 따른 침투수가 이방성 구조물의 경계면을 따라 침투되어 하류사면 댐마루 부근을 누수시키거나 파이핑 가능성을 증가시키므로 이를 방지하기 위해 기존 Core 상단으로부터 수직방향으로 연장설치 하였다.

2.3 저수지 모형 축조 및 계측기 위치

Figs. 3, 4, 5는 표준단면 제체의 축소모형과 계측기 매설 위치를 나타낸 것이다. 모형토조는 철제 및 투명 특수강화 재질로 제작하였고, 저수지 기초지반은 불투수층으로 구성되어 있기 때문에 이를 모사하기 위하여 30 cm 두께의 기초지반을 축조한 후 누수로 인하여 제체 전체가 영향을 받지 않도록 차수매트를 포설하고 방수테이프로 마감하였다. 제체는 모형토조의 크기에서 구현 가능한 표준단면의 최대크기인 1/80으로 축조하였다.
Fig. 3
Stepped Gabion Retaining Wall
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Fig. 4
Vertical Gabion Retaining Wall
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Fig. 5
Parapet
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수직필터는 상부구조물의 하부까지 연장하고 수평필터는 Toe-drain까지 설치하였다.
공극수압계(정격용량: 50 kPa)는 상류사면 하부(P1), 댐마루 하부(P2), 하류사면 하부(P3), 댐마루 상부(P4), 하류사면 상부(P5)에 설치하였으며, 수직 및 수평 변위계(LVDT, 정격용량: 50 mm)는 6개로 월류방지 구조물의 상류사면측(H1, V1), 하류사면측(H2, V2), 제체 하류사면(H3, V3)에 각각 설치하여 Data logger를 통해 Computer에 기록되도록 하였다.
제체 모형 축조에 사용된 성토재료는 균질한 상태로 포설하기 위하여 2 mm체를 통과한 시료만 사용하였고, 모형축조는 최적함수비로 기초지반부터 약 5 cm 씩 포설한 후 다짐하였다. 또한, 기초지반의 누수를 방지하기 위하여 차수매트, 방수테이프를 적용하였고, 제체는 최대건조밀도를 기준으로 상대다짐도가 95% 이상이 되게 축조하였으며 측정된 상대다짐도는 상류사면, 댐마루, 하류사면 중심부에서 각각 100%, 97.7%, 99.5%로 측정되었다.

2.4 실험 및 해석방법

제체의 침투거동은 다짐, 단면 축조형식에 따른 배수방법, 구조물과 토질재료의 물리적 특성, 포화과정, 수위조건 등의 영향을 받는다.
따라서 불포화특성함수와 간극 내부의 물의 흐름을 반영하는 침투해석과, 하중으로 인한 지반의 변형이 동시에 고려되는 Finite element method (FEM) 해석프로그램인 GTS NX (MIDAS IT, 2021)을 사용하였고, 불포화특성함수는 프로그램에 제시된 Van Genuchten 모델을 사용하였으며 모형실험에서 사용된 토질특성을 고려하여 선정한 매개변수는 Table 2와 같다(Van Genuchten, 1980; Carsel and Parish, 1988).
Table 2
Parameters of the Used Soil-Water Characteristics Curve
Sample θs θr α n m(1−1/n)
Embankment 0.46 0.034 1.6 1.37 0.270
Core 0.38 0.007 0.8 1.09 0.083
Filter 0.43 0.045 14.5 2.68 0.627

* θr : Residual Water Content, θs : Saturated Water Content, α,n,m: Curve Fitting Parameters

저수지에 작용하는 수압은 수위 및 월류방지 구조물 설치로 인한 하중이 댐마루에 작용하기 때문에 홍수위부터 월류수위까지의 침투특성이 일반적인 저수지와 다르게 나타날 수 있다.
이에 따라 실험 및 해석에서 수위조건은 단계별로 제체 홍수위(S1), 댐마루 수위(S2), 월류수위(S3)로 구분하였고, 월류수위(S3)는 제체와 구조물을 합한 총 높이를 기준으로 한 홍수위 높이로 선정하였다.
수위상승은 각 단계에서 P1, P2, P3의 공극수압이 충분히 포화되어 일정한 상태까지 관측 후 다음 수위조건 단계로 상승시켰다.
실험 및 해석에 사용된 재료특성과 수위조건은 각각 Tables 1, 2, 3과 같다.
Table 3
Water Level Condition
Classification Model’s
Water Level (cm)
Prototype’s
Water Level (m)
Flood Water Level (S1) 16.5 14.6
Dam Crest Water Level (S2) 19.0 15.2
Overtopping Water Level (S3) 20.25 16.2

3. 모형실험 및 해석의 결과 및 고찰

3.1 제체 변형 및 변위분포

저수지의 변형은 제체를 구성하는 입자의 이동, 다짐도, 포화도, 수위, 압밀 등 다양한 변수들로 인하여 다르게 나타난다.
제체는 초기 수위상승에 따라 제체내부에 작용하는 응력분포특성에 따른 제체의 변형거동이 크게 나타날 수 있고(Akhtarpour and Salari, 2018), 제방의 기초종류와 지반특성이 기초지반 내부와 제체의 변형거동에 영향을 미쳐 침하와 팽창 등의 결과를 나타낸다(Kenji et al., 2021).
또한 건조 및 습윤상태의 토체는 포화도에 따라 작용하는 부간극수압과 변위에 영향을 주는 것으로 제시된 바 있다(Liu et al., 2012).
상부구조물이 적용된 제체의 경우, 구조물의 구성재료에 따라 복잡한 변위거동으로 인한 제체의 부등침하에 의해 구조물의 결함이 유발될 수 있다. 특히, 콘크리트 구조물의 경우 누수 발생 및 제체의 설계저수량을 만족시키지 못해 최종적으로 월류 붕괴가 일어날 수 있어 변위거동의 분석은 상부구조물의 적용 시 중요하게 고려되어야 한다(Rogers et al., 2010).
Fig. 6은 월류수위(S3) 조건에서 구조물 및 하류사면의 변형상태를 나타낸 것이다. 수위변화에 따른 월류방지 구조물의 변형은 계단형 Gabion 옹벽의 경우, 부등침하로 인한 구조물의 변형에도 불구하고 전도와 파괴 등의 결함문제가 발생하지 않고 효과적으로 월류를 방지하는 것으로 나타났다. 수직형 옹벽의 경우 홍수위(S1), 댐마루수위(S2) 조건에서 월류방지 구조물 하부와 댐마루 경계부에 포화도가 상승하였고, 월류수위(S3)에 도달 직후 누수가 발생하였다. Parapet의 경우, 하류사면선의 포화도가 다른 형식에 비해 높은 것으로 나타났다.
Fig. 6
Distribution of Deformation at Downstream
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Figs. 7, 8, 9는 수위변화에 따른 구조물 및 제체의 변위거동을 나타낸 것이다.
Fig. 7
Displacement in Stepped Gabion Retaining Wall
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Fig. 8
Displacement in Vertical Gabion Retaining Wall
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Fig. 9
Displacement in Parapet
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수평변위는 계단형 Gabion 옹벽의 경우, 초기 수위상승에 의해 월류방지 구조물의 상류사면측(H1), 하류사면측(H2), 하류사면(H3)에서 모두 하류사면 방향으로 변위가 발생하였으며, 월류수위(S3) 조건에서 최대변위는 구조물의 하류사면측(H2)에서 약 0.011 mm로 작게 나타났다.
수직형 Gabion 옹벽의 경우, 수위상승에 따라 초기에는 구조물과 사면에서 상류사면 방향으로 약간 이동된 후 하류사면 방향으로 이동되는 경향을 나타냈다. 월류수위(S3) 조건에서 최대변위는 구조물의 하류사면측(H2)에서 약 0.013 mm로 나타났다.
Parapet의 경우, 수위상승에 따라 초기에 구조물의 상류사면측(H1)에서 상류사면쪽으로 이동되고, 최종적으로 하류사면 방향으로 이동되는 경향을 나타냈다. 구조물의 하류사면(H2)과 하류사면(H3)의 경우는 하류사면 방향으로 이동되었으며, 월류수위(S3) 조건에서 구조물의 하류사면(H2)에서 약 0.006 mm로 가장 작은 것으로 나타났다.
수직변위는 계단형 Gabion 옹벽의 경우, 수위상승에 따라 모든 위치에서 증가한 후 일정하게 나타났다. 최대변위는 월류수위(S3)의 하류사면(V3)에서 약 0.153 mm로 나타났다.
수직형 Gabion 옹벽의 경우, 수위상승에 따라 하류사면(H3)에서 변위가 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 구조물의 상류사면(H1)과 하류사면(H2)에선 수직변위가 거의 발생하지 않았는데, 이는 P4, P5의 위치에서 누수가 발생되어 구조물 하부제체에서 포화과정에 의한 침하와 팽창에 따른 영향이 다른 방법보다 크게 작용했기 때문으로 판단된다. 최대변위는 월류수위(S3)의 하류사면(V3)에서 약 0.170 mm로 나타났다.
Parapet의 경우, 수위상승에 따라 구조물의 모든 위치에서 증가한 후 일정하게 나타났다. 최대변위는 월류수위(S3)의 하류사면(V3)에서 약 0.145 mm로 나타났다.
전체적으로 수평 및 수직변위는 제체의 높이에 비해 수평변위는 약 0.006%, 수직변위는 약 0.08%의 매우 미소한 변형을 나타냈다. 또한, 수위가 증가함에 따라 제체가 포화되며 수압이 하중으로 작용하기 때문에 점차적으로 증가하였으며, 수평변위는 구조물이 위치한 댐마루에서 가장 크고, 수직변위는 하류사면에서 가장 큰 것으로 나타났다.

3.2 침윤선 분포

Fig. 10은 Parapet 월류방지 구조물의 수위조건을 홍수위(S1), 댐마루 수위(S2), 월류수위(S3)로 변화시켰을 경우의 침윤선 분포를 나타낸 것이다. 다른 형식의 침윤선은 유사하게 분석되어 Parapet 형식만 나타내었다.
Fig. 10
Distribution of Seepage Lines in Parapet
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Parapet의 경우, 댐마루 수위(S2)와 월류수위(S3) 조건에서 상류사면의 침윤선이 다른 형식들에 비해 코어 하부의 필터에 가깝게 형성되는 것으로 나타났는데, 이는 다른 형식과는 다르게 Core에 Geomembrane이 설치되었고, 노출된 댐마루 상류사면으로 침투가 발생한 결과로 판단된다.
계단형 Gabion 옹벽의 경우는 Parapet과 유사하게 홍수위(S1) 조건에서 제체의 침윤선은 침투수가 상류에서부터 수직필터를 통해 Toe-drain으로 원활히 배수되었다.
댐마루 수위(S2)와 월류수위(S3) 조건에서는 월류방지 구조물의 하부로 포화가 진행되며 필터에서 침윤선의 높이가 다소 증가하였으나 구조물의 하부를 통해 직접적으로 침투되는 침윤선은 형성되지 않은 것으로 나타났다.
수직형 Gabion 옹벽은 댐마루 수위(S2) 조건에서 계단형 Gabion 옹벽보다 코어쪽으로 침윤선이 넓게 분포하는 것으로 나타났는데, 이는 누수의 영향으로 판단된다.
전체적으로 모든 형식에서 수위상승에 따라 제체가 포화되고, 침윤선은 상류사면에서부터 필터를 통해 Toe-drain으로 원활하게 배수되는 경향을 나타냈다.

3.3 공극수압 분포

Figs. 11, 12, 13은 월류방지 구조물에서 측정된 공극수압과 해석한 공극수압의 분포거동을 나타낸 것이다. 전체적으로 모든 형식에서 공극수압의 거동은 단계별 수위상승에 따라 증가하고 일정하게 수렴하는 경향을 나타냈다.
Fig. 11
Distribution of Pore Water Pressures in Stepped Gabion Retaining Wall
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Fig. 12
Distribution of Pore Water Pressures in Stepped Gabion Retaining Wall
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Fig. 13
Distribution of Pore Water Pressures in Parapet
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상류사면 하부(P1), 댐마루 하부(P2), 하류사면 하부(P3)는 모든 형식에서 수위가 상승함에 따라 급격한 증가경향을 나타내며 이후 일정 값에 수렴하는 반복적인 경향을 나타냈다. 그러나 하류사면 하부(P3)에서 Parapet의 경우 월류수위(S3) 단계에서 다른 형식에 비해 다소 높은 공극수압을 나타냈는데, 이는 침투면이 하류사면에 가까워져 침투거리가 축소되었기 때문으로 판단된다.
월류방지 구조물에 영향을 미치는 위치인 댐마루 상부(P4)에서는 모든 형식에서 침투가 시작되며 점차적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 따라서 이 위치는 월류방지 구조물 하부의 차수와 안정성에 영향을 미치므로 설계⋅시공시 신중하게 접근하여야 할 것으로 판단된다.
하류사면 상부(P5)는 모든 형식에서 모형실험에서는 가장 작은 값을 나타냈고, 수치해석 결과에서는 불포화상태를 나타냈다. 실험치와 해석치의 차이는 흙의 초기함수비상태에서 불포화특성함수에 따른 부의 공극수압이 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 상류에서의 침투수가 수직필터를 통해 수평필터로 급격하게 배수되기 때문으로 판단된다. 이와 같이 필터는 높은 수위에서도 침투수를 원활하게 배수시킴으로써 침윤선을 저감시키고 파이핑을 방지하는데 매우 효과적인 방법으로 판단된다.

3.4 동수경사 분포

파이핑은 제체의 저면과 하류사면에서 발생가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 또한 파이핑은 토체와 이방성구조물간의 경계면에서도 발생할 위험성이 높은 것으로 연구된 바 있다(FEMA, 2015; Xie et al., 2018). 파이핑 가능성에 대한 평가방식은 동수경사를 이용하는 방법과 한계유속을 이용하는 방법 등이 있으며, 이 중 한계동수경사(Icr)를 이용하여 저수지 파이핑 안정성을 정량적으로 평가하는 방식이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 최대동수경사가 한계동수경사의 절반이 넘지 않을 것을 권장하고 있다(Terzaghi et al., 1996; MOLIT, 2016; Lee et al., 2018).
동수경사의 측정은 Darcy법칙을 기초로 물의 유속과 투수성을 기초로 실험에 의해 측정된 공극수압을 통해 계산할 수 있으며, 이는 제체 붕괴에 관련한 다양한 제체의 침투거동을 직접적으로 분석할 수 있다(Fredlund et al., 2012; Okeke and Wang, 2016; Dhungana and Wang, 2020).
Fig. 14(a)는 동수경사 평가위치를 나타낸 것이다. 동수경사의 안정성 평가는 일반적으로 하류사면선(P3)을 기준으로 평가하지만, 본 연구에서는 월류방지 구조물 하부에서 파이핑에 대한 안정성 평가가 중요하기 때문에 하류사면 상부(P5)와 댐마루 상부(P4) 위치의 동수경사를 분석하여 파이핑 안정성을 추가적으로 평가하였다.
Fig. 14
Distribution of Hydraulic Gradient
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Figs. 14(b), 14(c), 14(d)는 동수경사의 거동을 나타낸 것이다. 제체를 구성하는 물성치를 기초로 계산된 한계동수경사(Icr)는 약 1.13으로 나타났다.
하류사면선(P3)에서는 실험치와 해석치 모두 유사하게 수위가 증가함에 따라 약간씩 증가하였다. 출구동수경사(Iexit)는 모든 형식에서 약 0.31~0.43이고, 이에 대한 안전율은 약 2.63~3.65 범위로 파이핑 가능성은 작게 나타났다. Parapet의 경우 출구동수경사(Iexit)가 약 0.43으로 다른 형식에 비해 높았는데, 이는 다른 형식보다 침투거리가 약간 짧아졌기 때문으로 판단된다.
월류방지 구조물의 하류사면 상부(P5)에서는 구조물과 제체 경계부로 침투가 발생되어 파이핑 가능성이 높은 지점이다. 실험치와 해석치 모두 수위가 상승함에 따라 약간씩 증가하였고, 계단형 Gabion 옹벽과 Parapet에선 하류사면선(P3)에 비해 작게 나타났다.
수직형 Gabion 옹벽에서는 댐마루 수위(S2)조건부터 하류사면선(P3)보다 커지며 출구동수경사(Iexit)가 약 0.65로 나타났다. 이는 누수의 영향으로 안전율이 약 1.74로 작게 나타나 파이핑 발생 가능성이 있는 것으로 나타났다. 따라서 현장에서 Geomembrane의 시공 시 연속설치 및 파단 방지 등의 섬세한 시공관리가 요구된다.
댐마루 상부(P4)에서는 월류방지 구조물 Core의 하부에 위치하고, 수위상승에 따른 침투수의 영향을 직접적으로 받기 때문에 파이핑에 가장 취약한 지점이다. 실험치에서의 동수경사는 수위상승에 따라 점차적으로 증가하고, 해석치에서는 상승과 하강을 반복하는 경향을 나타내었다. 최종적인 경향을 비교할 경우 일정한 값으로 수렴하는 결과를 나타냈는데, 이와 같이 해석치에서는 수위상승에 따라 동수경사가 상승하고, 필터의 배수작용에 의해 동수경사가 즉시 반영되기 때문에 감소하는 것으로 판단된다.
수직형 Gabion옹벽은 출구동수경사(Iexit)가 월류수위(S3) 조건에서 실험치가 약 2.0, 해석치는 약 1.5로 매우 높게 나타나 침투수가 하류사면 상부(P5)에 도달하여 파이핑 가능성이 큰 것으로 나타났다.
댐마루 상부(P4)와 하류사면 상부(P5) 사이에 존재하는 수직필터는 서로 매우 큰 동수경사 차이를 나타냈다. 이는 필터를 통해 침투수가 원활하게 배수되는 결과를 의미하므로, 구조물의 하부에 필터를 설치하면 월류수위에 대해서도 제체의 파이핑을 예방할 수 있는 효과적인 방법이라고 판단된다.
전체적으로, 동수경사는 모든 형식에서 기존의 안정성 평가위치인 하류사면선(P3)에서 안정하고, 하류사면 상부(P5)에서는 계단형 Gabion 옹벽과 Parapet은 안정한 것으로 평가되었다. 따라서 섬세한 시공관리와 필터의 설치가 수반된다면 월류방지 구조물의 설치는 저수지의 안정성을 높이는 우수한 방법이 될 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 노후화된 농업용저수지의 댐마루 상부에 이상강우에 의한 월류를 효과적으로 방지할 수 있는 월류방지 구조물을 설치함으로써 저수지의 안정성을 증대시키고자 하였다. 이에 구조물이 설치된 제체의 침투특성을 파악하기 위하여, 실내모형실험과 수치해석(FEM)을 실시하고, 수위변화에 따른 변형 및 변위분포, 공극수압 분포, 동수경사 분포 등을 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  1. 변형 및 변위분포는 제체와 월류방지 구조물에 부등침하와 누수 등 안정성에 문제를 유발할 수 있는 요소들이 작용했음에도 불구하고 전도와 파괴 등의 결함문제가 발생하지 않았다. 또한 매우 미소한 수평변위와 수직변위를 나타내어 효과적으로 월류를 방지하는 것으로 평가되었다.

  2. 침윤선은 상류사면에서부터 필터를 통해 Toe-drain으로 원활하게 배수되는 것으로 나타났다. 월류방지 구조물에 영향을 미치는 댐마루 상부(P4)에서의 공극수압은 작게 나타났지만, 이 위치로 침투수가 집중되면 하류사면 상부(P5)에서 누수발생 가능성을 높이며 월류방지 구조물 하부의 차수와 안정성에 영향을 미칠 수 있는 것으로 평가되어 월류방지 구조물 하부 설계⋅시공시 신중하게 접근해야할 것으로 판단된다.

  3. 동수경사는 하류사면선(P3)에서 모든 형식과 수위조건에서 안정한 상태로 평가되었다. 잠재적인 취약부가 될 수 있는 하류사면 상부(P5)에서는 계단형 Gabion 옹벽과 Parapet은 안정하고, 수직형 Gabion 옹벽은 누수의 영향으로 안전율이 작게 나타나 섬세한 시공관리가 필요한 것으로 나타났다.

  4. 댐마루 상부(P4)와 하류사면 상부(P5)의 동수경사는 서로 매우 큰 차이를 나타내어 수직필터를 통해 침투수가 원활하게 배수되는 것으로 나타났다. 따라서 구조물의 하부에 필터를 설치하면 월류수위에 대해서도 제체의 누수와 파이핑을 예방할 수 있는 효과적인 방법이라고 판단된다.

전체적으로 적용된 3개의 월류방지 구조물은 매우 작은 변형을 나타내어 모두 안정한 것으로 평가되었다. 그 중 계단형 Gabion 옹벽은 전도 및 누수 등의 문제가 발생하지 않았고 파이핑 안정성을 확보할 수 있기 때문에 다른 형식의 월류방지 구조물보다 우수한 방법으로 평가되었다.

감사의 글

이 연구는 한국연구재단(과제번호: 2019R1I1A3A01058517 및 2019R1C1C1007100)의 지원을 받아 연구되었습니다.

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