시트파일로 보강된 하천 수중보의 안정성 평가
Stability Assessment of Weirs Reinforced with Sheet Piles
Article information
Abstract
전 세계적으로 기후변화로 인한 기상 이변이 증가하고 있으며 예측 불가능한 폭우로 인한 홍수로 큰 재산과 인명피해를 초래하고 있다. 우리나라의 경우 엄격한 기준을 통하여 지속적인 하천 및 하천 수중구조물 등의 관리를 꾸준히 진행하고 있으나, 기존에 경험하지 못한 예측 불가능한 기습적인 폭우에 대비한 하천 수중보의 구조 보강 및 안정성 평가가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 하천 수중보의 붕괴의 주요인인 파이핑에 대한 안정성 평가 연구로 시트파일을 수중보에 적용하여 투수층의 두께, 시트파일의 길이와 위치 변화가 침투유량, 침투속도, 그리고 최대동수경사에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 한계유속 평가를 활용하여 시트파일이 적용된 수중보의 파이핑에 대한 안정성을 평가하였다. 본 연구에서 도출될 결과를 활용하여 현재 운용 중인 수중보의 보강이나 앞으로 시공될 수중구조물의 설계, 시공 그리고 운용에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
Trans Abstract
Extreme weather events induced by climate change are increasing across the world. In particular, floods resulting from unpredictable heavy rains cause significant damage to property and human life. In Korea, river and underwater structure management is performed continuously in accordance with strict regulations. However, to prepare for unprecedented downpours, the structures of river reservoirs must be reinforced and their stability must be evaluated. This study focuses on the stability evaluation of piping, which represents the main cause of weir collapse. To this end, sheet piles are applied to weirs to evaluate the effects of changes in their length and location on their seepage discharge, seepage velocity, and maximum hydraulic gradient. Additionally, piping stability evaluation of weirs is conducted using sheet piles by evaluating the critical velocity. The results derived in this study are expected to be highly beneficial for reinforcing weirs currently in operation as well as for the design, construction, and operation of future underwater structures.
1. 서 론
전 세계적으로 지구온난화에 따른 기상 이변으로 세계 곳곳에서 홍수, 가뭄, 폭설 등으로 인한 예측 불가능한 자연재해가 증가하고 있으며, 이로 인한 재산 및 인명피해가 발생하고 있다. 2023년 기상청에서는 1시간 누적 강수량이 50 mm 이상, 3시간 누적 강수량 90 mm 이상인 기준을 동시에 충족하거나 1시간 누적 강수량이 72 mm 이상인 강우에 대하여 “극한호우”라는 개념을 도입하였으며, 변화하는 기후에 대비하여 곳곳에서 이를 대비할 수 있도록 각종 기준이 강화되고 있다. 한반도에서는 2002년 태풍 “루사”와 2003년 태풍 “매미”로 인한 피해 규모가 가장 큰 것으로 보고되고 있으며, 특히 2002년 태풍 “루사”는 짧은 기간 동안 한반도를 강타하여 특정 지역(김천시)에 700 mm 이상의 기록적인 집중호우를 기록하였다. 또한, 2003년 태풍 “매미”에 의해 낙동강 지류인 감천과 직지사천의 제방이 붕괴되어 수많은 인명피해와 천문학적인 재산상의 손해를 입었다. 이에 따라 정부에서는 그동안 소하천 정비사업, 재해위험하천 정비사업 등을 통하여 지속적으로 지방 하천을 관리해 왔으며, 2004년 소방청에서는 재난관리 전담 부서가 신설되어 재해를 예방하고 재난 시 재난을 관리하고 신속한 복구를 지원하고 있다. 그 결과 인명피해는 10%, 재산피해는 25% 수준으로 감소하였으나, 우리나라에서도 예측 불가능한 호우의 발생이 증가하고 있는 만큼 이에 대한 대비가 필요한 상황이다.
갑작스러운 방대한 양의 물의 유출은 수중 생물들의 대규모 손상을 일으킬 뿐만 아니라 수자원 공급 중단으로 인한 산업 활동의 차질로 이어져 큰 경제적 손실을 초래할 수 있다. 우리나라의 경우 수중보의 설치로 인한 수질과 같은 환경문제에 관한 연구들은 많이 이루어졌으나(Seo and Song, 2011; Legesse et al., 2022), 급변하는 기후에 대비한 기존 하천 수중보의 운용에 있어 안정성 확보를 위한 구조적 보강이나 그를 위한 안정성 검토에 관한 연구가 부족한 실정이다.
수중보의 침투거동은 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치며, 제체 구성 재료 자체의 입도분석, 다짐정도, 균질성 등 수많은 요소에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라 수면의 위치, 수위의 시간적 변화, 강우 등 외부환경에 의해서도 영향을 받는다. 특히, 제체 및 기초 지반을 통한 침투로 인한 누수가 파이핑 현상을 유발하여 댐체의 파괴를 초래한다는 심각성이 대두되면서 많은 지반공학 기술자들에 의하여 파괴 원인과 적정한 대책에 관한 연구가 진행되었다(Shin and Lee, 1996; Hun and Chang, 2008; Jung et al., 2010; Jung et al., 2021). 시트파일은 파이핑의 방지 혹은 완화할 수 있는 기초구조물로써 시트파일을 적용한 수중구조물의 파이핑 해석 연구(Huh and Chang, 2008; Lee et al., 2009)가 진행되었지만, 다양한 시트파일의 조건을 고려한 침투해석은 수행되지 않았다.
침투해석은 Darcy (1856)의 지하수의 운동법칙을 제시함으로써 규명되기 시작하였고, Laplace 방정식을 활용하여 다공매체 내 수압과 유속 분포를 증명하였으며, 필댐 제체 내의 침투류와 같은 정상류에 관하여 오래전부터 연구되고 있다(Van Iterson, 1916; Schaffernak, 1917; Pavlovsky, 1933). 제체를 통한 침투의 발생원인 및 대책을 파악하기 위해서는 정확하고 지속적인 계측데이터의 확보가 매우 중요하기 때문에 지반 내 물의 흐름 문제를 해석하기 위하여 수치해석법을 이용해 구조물 시공 전에 침투거동을 예측하고 분석 결과의 활용으로 설계에 반영하여 문제점을 수정하는 등 적극적인 해석을 수행해 왔다(Sakamoto, 1998; Khassaf et al., 2009; Al-Adili et al., 2012; Sroka et al., 2014; Alsiede, 2020; Arshad, 2022).
본 연구에서는 낙동강 유역 하천 수중보의 파괴로 인한 제방 피해사례와 그 원인을 간략히 소개하고 낙동강 유역 하천 수중보의 대표 단면을 대상으로 수치해석을 이용하여 하천의 수중보에 대하여 파이핑 방지를 위한 시트파일 시공에 따른 여러 조건 즉, 시트파일의 길이, 위치, 지층 깊이에 따른 침투유량, 침투속도 그리고 최대동수구배를 산정하여 분석하였고, 그 결과를 이용하여 한계동수구배와 한계유속을 활용한 안정성 검토 방법으로 시트파일로 보강된 하천 수중보 파이핑에 대한 안정성을 평가하였다.
2. 수중보 파괴로 인한 피해사례와 원인
수중보의 붕괴로 물이 한꺼번에 하류로 방출될 경우, 주거지역, 농경지, 각종 사회기반시설에 심각한 피해를 줄 수 있다. 아래의 피해사례는 지천의 소형 수중보의 파괴로 인한 제방 붕괴사례를 소개하고 그 원인을 분석하였다.
2.1 제방 피해사례
경상북도 김천과 선산지역에는 국가하천 감천과 김천시를 관류하여 본류에 유입하는 지방 2급 하천 직지사천과 지류가 있다. 2002년 태풍 “루사”에 의해 김천과 선산지역에는 추풍령 기상대를 중심으로 지속 기간 6-12시간은 500년 빈도 이상, 지속적인 24-48시간은 200-500년 빈도에 이른 기록적인 강우가 내렸다.
김천 상류 지역은 하류에 비해 더 많은 강우로 인한 산사태의 발생으로 부유물과 토석류에 의해 제방과 도로, 주택, 각종 시설이 유실되어 큰 피해를 입었다(Fig. 1). 대부분의 상류 구간은 소형 수중보들의 붕괴로 제방이 월류 파괴하였고, 중하류 구간은 제방고에 근접하거나 일부 낮은 구간은 월류가 발생한 것으로 조사되었다.
Photograph of Collapse Cases
2.1.1 김천시 양천동 감천 붕괴지점(Case I)
김천시 양천동 김천 좌안제방이 붕괴된 전경이다. 약 80 m의 제방이 붕괴되었고, 붕괴된 지점은 도로 콘크리트 옹벽 제방과 흙 제방이 접합하는 부분이였다. 붕괴된 부분은 제체토와 옹벽의 중량, 강성 등의 차이로 밀착이 어려워 틈새가 생기고, 홍수시 하천수가 접합부로 침투하여 접합부 제체토의 강도가 저하되어 제방이 붕괴된 것으로 판단된다. 즉, 구조물 접합부의 침투와 공동현상의 일부로 제방이 파괴된 것으로 조사되었다.
2.1.2 김천시 평화동 직지사천 붕괴지점(Case II)
김천시 평화동의 경부선 철도부와 직지사천 좌안부의 도로제방이 만나는 지점의 제방이 붕괴되었다. 붕괴 지점은 철로 아래 제방의 일부를 굴착하여 도로를 만든 곳으로 도로를 경부선 철로 아래로 통과시키면서 통과높이와 도로폭을 확보하기 위해 제방의 일부를 절개하고, 일부 콘크리트 홍수벽을 설치한 후 도로로 이용한 상태이다. 이 지점은 제체 단면적을 축소함으로써 홍수류에 의해 제방에 침식이 발생하여 파괴된 것으로 조사되었다.
2.2 수중구조물의 파괴 유형 및 원인 분석
2.2.1 수중구조물 파괴 유형
수중구조물의 파괴 유형은 크게 1) 월류에 의한 파괴, 2) 과대한 유속과 소류력에 의한 구조물 세굴 파괴, 3) 구조물 단면부실 및 연약 기초 지반에 의한 누수 및 침하에 의한 파괴 그리고 4) 하천 구조물과의 접합부에서의 파괴 등으로 구분할 수 있으며, 과거와 비교하여 홍수에 의한 수중구조물 파괴 유형은 세굴에 의한 파괴와 구조물의 접합부에서 발생하는 파괴가 증가한 것으로 조사되었다.
2.2.2 수중구조물 붕괴의 원인 분석
잦은 홍수와 예측 불가능한 집중호우로 인한 구조물 주변 침식과 제방 세굴의 누적된 진행으로 공동으로 인한 누수가 제체의 파괴로 이어지는 경우가 크게 증가하였다. 또한 수충부의 세굴로 인한 제방 파괴와 집중호우에 의한 제방고 부족 및 산사태, 토석류에 대한 통수 단면적 축소로 인해 월류에 의한 피해가 주요 원인이 되는 것으로 조사되었다. 또한, 수중구조물의 표준 단면적의 부족이나 성토 재료의 불량과 같은 제방 설계나 시공상의 문제점도 파괴의 주요 원인이 되는 것으로 조사되었다. 제방, 수문 및 배수통관 등의 수리구조물에 있어서 제방유실 및 홍수범람의 수해를 가져온 구조적 요인은 다음과 같이 종합할 수 있다.
(1) 제체의 침윤선 도달시간 및 도달거리 특성
(2) 제체의 사면안정성 특성
(3) 제체의 침투 특성
(4) 수문 및 수리시설물 구조적 특성
(5) 제체의 파이핑에 의한 영향
이에 본 연구에서는 침투수의 도달시간과 거리에 영향을 줄 수 있는 투수층의 두께를 변화시키고 수중보 제체에 시트파일을 적용하여 시트파일의 길이와 위치에 변화를 주어 침투유량, 침투속도, 그리고 최대동수구배를 평가하고 그 결과를 활용하여 파이핑에 대한 안정성을 평가하였다.
3. 침투해석
3.1 해석 프로그램
지반 내에 흐름 문제를 해석하기 위해 상용 프로그램인 SEEP/W (Geo-Studio)를 활용하여 수치해석을 수행하였다. 이 프로그램은 시간 경과에 따른 수위 또는 투수의 변화 등을 고려할 수 있어 Zone 형의 흙댐을 통과하는 흐름, 초기저류 이후의 댐을 통과하는 상류면의 이동, 자연적인 지하수 흐름 체계의 시뮬레이션, 석호나 테일링 연못 같은 저류 구조물 하부의 지하수 유출입 등으로 대별 할 수 있다(Khassaf et al., 2009; Al-Nedawi and Al-Hadidi, 2020; Alsiede, 2020).
3.2 해석 단면
낙동강 유역 하천 수중보의 대표 단면을 Fig. 2와 같이, 폭(B) 34.0 m, 높이(H) 12.0 m이고, 수위차는(h) 6.0 m로 일정하다고 가정하여 모델링하였다.
Representative Section of Weir in Nakdong River
낙동강 유역의 지층구조는 사질토층이 약 15 m 그리고 약 25 m까지 모래질 자갈로 형성되어 있으나, 해석 시 하부지반은 사질토층으로 구성하여 해석을 수행하였다. 투수층 두께(T)는 대상 수중보의 폭과 현장 투수층을 고려한 일반적인 지반공학 설계 기준에 따른 34 m로 설정하였으며, 투수층 두께와 널말뚝 길이의 영향 평가를 위해 지층 깊이를 두 배(68 m)까지 확대하여 설정하였다.
3.3 해석 조건 및 입력자료
수중보를 각각의 지층 깊이별 시트파일의 길이와 위치(수중보의 중심으로부터 시트파일 설치 위치까지의 거리)를 Table 1과 같이 선정하였다. 지반정수는 수중보가 건설된 낙동강 유역의 현장 지반조사 데이터와 실내시험을 기반으로 획득한 지층별 지반정수를 Table 2와 같이 선정하여 입력하였다. 본 연구에서는 주를 이루는 지층이 사질토이므로 침투해석을 위한 입력자료의 지반정수를 사질토에 한하여 적용하였다.
Length and Location of Sheet Piles
Soil Properties
3.4 수치해석 결과
하천 수중보의 투수층 두께(T = 34 m, 68 m)에 따른 시트파일의 길이와 위치를 변화시켜 침투유량, 침투유속, 최대동수경사의 변화추이는 다음과 같다.
3.4.1 침투유량의 변화
Figs. 3(a)와 3(b)에서는 하천 수중보의 투수층 두께 34 m와 68 m일 때 시트파일 위치별 시트파일의 길이 변화에 따른 침투유량(q/k⋅h)의 변화를 보여준다. 투수층 깊이가 34 m일 때, 가장 짧은 시트파일의 경우 침투유량이 약 0.6 m3/s/m였으며, 시트파일의 길이가 투수층 깊이에 가까워질수록 침투유량은 감소하였다. 이러한 경향은 시트파일의 길이가 짧을 때 미소한 침투유량의 차이는 보이지만, 시트파일의 위치 변화에 상관없이 감소하는 경향을 보였다.
Results of Seepage Discharge with Respect to the Sheet Pile Length for Layer Thickness
투수층 깊이를 두배로 증가시킨 68 m의 경우, 가장 짧은 시트파일을 적용했을 때 침투유량이 약 0.8 m3/s/m로 나타났으며, 투수층 깊이 34 m인 경우와 마찬가지로 다른 요인보다 시트파일의 길이가 침투유량에 큰 영향을 미쳤다.
두 투수층 깊이를 비교하면, 투수층이 깊은 조건에서 침투유량이 더 많았지만, 시트파일의 길이가 길어질수록 파일 길이가 침투유량에 미치는 영향은 줄어들었다. 그리고 시트파일 위치에 대한 영향은 투수층 깊이 34 m와 68 m에서 침투유량의 변화율은 상류부에서 각각 10.8%와 9.5%, 하류부에서 5%와 6.3%로 제체의 중심부(x = 0)를 기준으로 상류부에 시트파일이 위치하였을 때 그 영향이 나타났다. 침투유량은 두 투수층 깊이에서 시트파일의 길이가 증가함에 따라 감소하였다. 또한, 시트파일의 길이가 짧을수록 시트파일이 하류부에 위치하였을 때 더 많은 유량이 침투되는 것으로 평가되었다.
3.4.2 침투속도의 변화
Fig. 4는 시트파일 위치별 시트파일의 길이 변화에 따른 침투속도(vmax/S⋅h)의 변화를 보여준다. 투수층 두께가 34 m일 때 시트파일의 길이가 증가할수록 침투속도가 일정하게 증가하여 시트파일의 길이 6.8 m에서 27.2 m까지 평균 2.5e-06 m/s에서 1.3e-05 m/s로 약 4배 이상 증가하였다. 투수층 두께 68 m의 경우, 시트파일 길이를 13.6 m에서 54.4 m로 증가시켰을 때 침투속도의 증가율이 약 3배 이상 증가하여 투수층의 깊이가 얕을 때 시트파일 길이가 침투속도에 더 큰 영향을 끼쳤다. 두 투수층 모두 파일의 길이가 투수층과 가까워졌을 때 침투속도가 급격히 증가하는 경향을 보였다. 침투유량은 시트파일의 길이가 짧은 경우 시트파일 위치에 의한 약간의 차이가 관찰됐지만, 침투속도의 경우 시트파일의 위치와 관계없이 시트파일의 길이가 증가할수록 침투속도는 증가하였다.
Results of Seepage Velocity with Respect to the Sheet Pile Length for Layer Thickness
3.4.3 최대동수경사의 변화
Fig. 5는 시트파일의 변화에 따른 최대동수경사(Imax⋅S/h)의 변화를 시트파일의 위치별로 나타낸 그림이다. 시트파일 길이가 증가함에 따라 침투유량, 침투속도의 크기는 각각 감소하고 증가했던 결과와 달리 최대동수경사의 변화는 시트파일의 길이가 투수층 두께의 50%까지 증가했을 때 최대동수경사가 증가하였고 시트파일의 길이가 투수층 두께 50% 이후부터 감소하는 경향을 보였다. 시트파일의 위치에 대한 영향 역시 침투유량과 침투속도에 그 영향 미미하였던 것과 달리 시트파일이 제체의 하류부에 적용되었을 때 큰 최대동수경사가 평가되었으며 그 변화 역시 하류부(X = 17)에 적용하였을 때 더 크게 평가되었다.
Results of Hydraulic Gradient with Respect to the Sheet Pile Length for Layer Thickness
해석 결과 지층 깊이에 비해 시트파일의 길이가 짧은 경우 침투 단면이 넓어져 침투속도와 최대동수경사가 작게 평가되었으며, 넓은 단면으로 인하여 큰 침투유량이 평가된 것으로 판단된다.
4. 파이핑에 대한 안정성 검토
수중보의 파이핑에 대한 안정성 검토를 위하여 1) Harza (1935)이 제안한 한계동수구배에 의한 방법, 2) 침투유속을 활용한 한계유속방법(Justin, 1932; Kovacs, 2011)으로 각각의 대상 단면에 대한 파이핑 안정성을 검토 및 분석을 시행하였다.
4.1 한계동수구배방법에 의한 안정성 검토
수중보 설계에 있어 유량과 더불어 최대동수구배는 중요 매개변수 중 하나이다. 파이핑 현상은 댐과 제방의 벽이나 바닥에서 한계동수경사를 넘으면 흙이 침식되기 시작하여 구조물의 붕괴를 유발하는 현상으로 Harza (1935)는 파이핑에 대한 안전율(FSPiping)을 다음 Eq. (1)과같이 정의하였다.
Fig. 6은 투수층 깊이 34 m와 68 m의 경우 대상 수중보의 파이핑에 대한 안전율을 시트파일의 위치비(X/b)에 따른 시트파일의 길이비(S/T)로 나타낸 그림이다.
Results of Hydraulic Gradient with Respect to the Sheet Pile Length for Layer Thickness
투수층 두께가 34 m인 경우, 시트파일의 위치가 수중보 제체의 중심부(X/b = 0)에 위치하였을 때를 기준으로 파이핑에 대한 안전율이 일정하게 유지되다가 중심부 이후 서서히 감소하는 경향을 보였다. 또한, 시트파일 길이비(S/T)가 0.2에서 1.0까지 증가함에 따라 한계동수구배에 의한 안전율은 시트파일의 길이가 증가할수록 감소하였다. 이는 지층깊이에 대한 시트파일의 길이비(S/T)가 증가함에 따라 침투유속이 증가하여 안전율이 감소하는 것으로 판단되며, 투수층 깊이 68 m일 경우에도 시트파일의 길이가 증가함에 따라 파이핑에 대한 안전율이 감소하는 경향을 보였다. 특히, 지층깊이와 시트파일의 길이비(S/T) 0.8과 1.0의 경우 파이핑에 대한 안전율이 1 이하로 파이핑으로 인한 수중보의 붕괴가 예상되는 결과가 나왔으며, 이는 지층깊이가 상대적으로 얕은 34 m에서 시트파일의 길이가 더욱 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
시트파일의 위치에 따른 안전율의 변화를 살펴보면, 두 투수층 깊이(34 m, 68 m)에서 모두 수중보 중심까지 일정한 안전율을 보였으나, 수중보의 중심을 기준으로 시트파일이 수중보의 하류부에 위치할수록 파이핑에 대한 안전율이 감소하여 파이핑에 의한 수중보의 안정성 떨어지는 것으로 평가되었다.
4.2 한계유속에 의한 안정성 분석
한계유속을 활용한 파이핑에 대한 안정성 검토 방법은 다른 분석 방법과 다르게 이론적인 배경과 함께 경험적으로 입증된 방법으로 제체 및 기초의 토립자가 소류력에 의하여 입자가 밀려 나가는 한계침투유속을 Eq. (2)와 같이 구하고 입자는 그 한계치를 넘으면 파이핑이 발생한다고 판단한다(Justin, 1932). 이때 실제의 토립자는 여러 크기의 흙입자들이 혼합되어 있어 입경의 기준을 정하기 어려우므로 침투류 해석 결과가 한계유속의 1/100 이하가 되도록 해야 한다.
여기서, GS는 흙의 비중값, d 는 흙입자의 평균입경, g 는 중력가속도이다. 또한, Kovacs (2011)는 실내실험을 통하여 침투수에 의한 흙입자의 움직임에 따른 제1한계유속(세립자의 이동), 제2한계유속(미소 channel의 발달), 허용한계유속(붕괴될 정도의 유속)을 각각 Eqs. (3)~(5)와 같이 제안하였다.
본 연구에서는 각 지층 깊이에 대하여 투수계수(K = 3.4 e-06 m/s)와 토립자의 평균입경(D50 = 0.11 mm)을 고려하여 Justin과 Kovacs가 제안한 최대유속에 대한 한계유속을 확인하고 수치해석의 결과와 비교 분석하여 수중보의 안정성을 검토하였다. Justin이 제안한 평가 방법과 Kovacs의 평가 방법으로 평가된 한계유속은 각각 1.1 e-0.3 m/s와 3~6 e-0.2 m/s로 Kovacs가 제안한 평가 방법은 Justin이 제안한 평가 방법보다 최대 50배 이상 크게 평가되었다. 기존 연구(Huh and Chang, 2008; Lee et al., 2009)에서 보고된 바와 같이 한계유속 평가 방법의 차이에 따라 최대 50배까지 차이를 보였으며, 이는 투수층의 투수계수만을 활용하여 침투유속을 평가하는 Kovacs의 평가 방법은 시트파일 적용 시 침투류의 도달시간과 거리의 변화가 반영하지 못하는 것으로 판단된다.
Fig. 7은 두 투수층 두께에 대한 대상 수중보의 침투속도(vmax/S⋅h)를 시트파일의 위치비(X/b)에 따른 시트파일의 길이비(S/T)로 나타낸 그림으로 Justin의 평가 방법으로 평가된 한계유속과 비교를 할 수 있어 해석 결과에 대한 안정성 평가가 가능하였다. 시트파일의 길이가 투수층 두께와 가까운 극한의 상황을 비교하면 평균 침투속도는 S/T가 1일 때 투수층 깊이 34 m의 경우 3 e-05 m/s이었으며, 투수층 깊이 68 m일 때 5.7 e-05 m/s로 두 투수층의 침투속도는 Justin 방법으로 평가된 한계유속보다 크게 평가되어 파이핑에 대한 안정성이 떨어지는 것으로 평가할 수 있었다. 투수층 깊이가 두꺼운 68 m의 경우 시트파일의 길이비(S/T) 1.0과 0.8에서 파이핑에 대한 안정성이 떨어졌으며, 투수층 두께 34 m의 경우 길이비(S/T) 1.0, 0.8, 그리고 0.6에서 파이핑의 위험이 있는 것으로 평가되어 얇은 투수층에서 안정성이 떨어지는 것으로 평가되었다.
Results of Seepage Velocity with Respect to the Location of Sheet Pile for Layer Thickness
5. 결 론
본 연구에서는 하천 수중보의 파이핑 방지를 위한 시트파일 시공에 따른 침투해석을 지층의 깊이 그리고 시트파일의 길이와 위치에 따른 영향을 분석하였다.
(1) 수치해석결과에 따르면, 지층 깊이가 깊을수록 침투유량은 크게 평가되었으며, 시트파일의 길이가 길어질수록 침튜유량은 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 시트파일 위치 변화에 따른 침투유량의 변화는 그 영향이 미미하였지만, 상류부에선 미소한 영향이 관찰됐다.
(2) 시트파일의 길이가 길어질수록 침투속도는 증가하였고, 시트파일의 위치와 상관없이 침투속도는 일정하였다. 투수층 두께가 깊을수록 침투속도는 증가하였지만, 투수층 깊이에 대한 시트파일의 길이를 고려하였을 때 큰 차이를 보이지 않았다.
(3) 최대동수구배는 지층이 깊을 때 더 큰 변화를 보였으며, 침투유량이나 침투속도에 시트파일 위치에 영향이 없었던 것과 달리 시트파일의 위치는 최대동수구배에 큰 영향을 미쳤다. 시트파일의 길이가 투수층 깊이의 50% 정도까지는 최대동수구배가 증가했지만, 그 이상 길어지면 최대동수구배가 감소했다. 따라서, 시트파일을 제체의 중심부를 기준으로 상류부에 적용하는 것이 수중보의 안정성 확보에 유리하며, 시트파일의 길이는 투수층 깊이의 50% 이내로 결정하는 것이 안정성 확보에 유리하다 판단된다.
(4) 마지막으로 Justin과 Kovacs가 제안한 한계유속은 각각 1.1 e-0.3 m/s와 3~6 e-0.2 m/s로 평가되었으며, Kovacs 방법에 따른 한계유속 평가는 시트파일의 적용으로 변화된 침투류의 도달거리 및 시간을 반영하지 못하였다. Justin의 방법으로 계산된 한계유속과 수치해석결과를 비교한 결과에서도 시트파일이 적용된 수중보의 파이핑에 대한 안정성을 평가하는 데 있어 시트파일의 길이는 투수층 깊이의 50% 정도가 적정한 것으로 나타났다.
본 연구의 결과를 바탕으로 시트파일이 적용된 수중보의 파이핑에 대한 안정성 검토와 침투유량, 유속, 그리고 동수경사 등을 산정할 수 있는 그래프를 통해 얻은 결과를 이용한다면 예측 불가능한 호우에 대비하여 현재 운용되는 수중보의 안정성을 확보하고 앞으로 시공될 수중구조물의 설계, 시공, 그리고 운용에 본 연구를 통해 도출된 결과가 유용하게 활용될 것으로 판단된다.