중심코어형 필댐의 코어재 현장 물성에 대한 통계학적 분석
Statistical Analysis on In-situ Material Properties for Aged Cores ofEarth-Cored Fill Dams
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Abstract
노후화되어 가는 기존 코어형 필댐의 안전성 평가에서 코어존의 현장 물성 획득은 필수적이나, 현재까지 문헌자료 또는 지반조사에 의한 실험 자료는 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서는 국내 13개 중심코어형 필댐을 대상으로 무수보링 직접시추 방법에 의한 광범위한 코어재 지반조사 및 실내시험을 수행하였다. 표준관입시험 결과, 구속압 의존성을 정규화하고 코어재의 강성 파악을 위해 (N1)60 분포를 통계적으로 제시하였다. 시험 성과를 분석하여 축조 후 시간경과에 따른 필댐 현장 코어재에 대한 기본물성(입도, 함수비, 비중, 단위중량, 액소성한계) 및 역학적 물성(투수계수, 강도정수, 압밀특성) 통계 모델을 평균과 상하한 범위로 제시하였다. 각각의 물성에 대한 댐별 특성을 토의하였다. 본 성과는 물성 정보가 불충분한 기존 코어형 필댐의 안전성 평가에 유용하게 활용 가능하며, 댐체 코어층의 위해도 분류에도 효과적일 것으로 판단된다.
Trans Abstract
For the safety evaluation of aged cored fill dams, it is essential to obtain in-situ engineering properties of core zone. However, materialproperties of aged dam cores have been rarely reported or published. In this study, comprehensive geotechnical investigation andlaboratory testing schemes were conducted by no-water borehole drilling and sampling through the dam cores of 13 earth cored filldams. As a result, (N1)60 distribution by SPT were plotted to normalize confining pressure dependency and to identify stiffnesses ofcompacted core layers. After statistical processing, we proposed the median, upper and lower bound distribution of both fundamentalsoil properties (such as gradation, water content, specific gravity, unit weight, liquid limit, and plasticity index) and mechanical properties(such as permeability, strength parameters, and consolidation characteristics) for in-situ aged dam cores. Detail features of eachparameter are discussed for characteristic dams. The results are believed to be contributable to the safety evaluation of aged cored filldams with insufficient information regarding in-situ material properties, and to the classification of the potential hazard of cores.
1. 서론
기존 필댐(저수지 포함)의 노후화와 그에 따른 안전관리 및 성능개선은 최근 국제적인 관심사이다. 현재 국내 댐들도 건설된 지 30년 이상 경과하고 있는 경우가 많아 성능 저하 등의 가능성이 대두되고 있다. 특히 코어형 필댐에서 코어존의 노후화는 댐의 안전성 문제와 직접적인 관련이 있으므로 필댐 안전관리에 있어서 가장 중요한 부분이다. 코어존은 저수위 변화, 강우사상 등의 영향으로 제체 내부에서 침투수 흐름의 지속적인 변화가 발생할 수 있으며 연약한 지중 취약부를 따라 누수경로 발달 시 내적침식(internal erosion) 및 파이핑(piping)의 위험성을 초래하기도 한다. 하지만 이러한 댐 축조 후 시간경과에 따른 코어재의 물성 변화에 대한 연구는 현재까지 매우 드물고, 연구 방법 또한 표준화된 절차가 없는 실정이다.
일반적으로 “노후화(aging)”는 댐의 기능 저하를 초래하는 열화 현상을 의미하기도 하고, 단순히 댐 축조 이후 상당한 시간의 경과를 지칭하는 의미로도 사용되기도 한다. 어떠한 경우에도 노후화는 시간의 경과에 따른 열화의 가능성이 증대되는 경향을 반영하고 있다. 본 연구에서는 용어의 혼선을 피하기 위해 기존댐의 물성 연구 목적으로는 축조 후 “시간경과”라는 용어를 주로 사용하고, 경우에 따라 열화 현상의 개연성이 있는 시간 경과의 개념으로 “노후화”라는 용어를 사용하였음을 밝혀둔다.
기존 코어형 필댐의 안전성 평가를 위해서는 코어재의 현장물성 파악을 위한 지반조사가 필수적이나, 많은 경우 경제적 또는 기술적 사유로 인해 댐 축조 당시의 설계도서 또는 준공도서에 소개된 물성을 적용하여 해석하는 경우가 보편적이다. 만약 설계당시 물성에 대한 자료가 제대로 보존되어 있지 않은 경우에는 통상적으로 적용가능한 평균적 물성을 적용하기도 한다. 하지만 이러한 물성들은 노후화된 댐의 변화된 양상을 반영하지 못한다는 한계가 있다. 특히 코어재가 열화된 경우에는 현장 물성을 반영하지 못해 위해성이 존재함에도 안전성 평가 시 이러한 점이 과소평가되어 안전측으로 결론지을 가능성이 존재한다. 즉 현장의 지반 물성을 댐체의 안전성평가에 이용할 수 없기 때문에 현장 조건과 상이한 평가 결과를 얻을 가능성이 크다.
일반적으로 코어형 필댐의 안전성 해석을 위해 적용가능한 코어재 물성에 관한 선행연구와 문헌은 상당히 적으며, 기존댐 또는 노후화 되어가는 댐의 물성 파악이 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다. 하지만 댐의 코어존에 대한 직접적인 연구는 댐 손상을 초래할 수 있어 간접적인 탐사 기법과 재료원에 대한 연구가 주로 수행되어왔다. 특히 댐체에 물리탐사기법을 적용하여 댐의 취약성과 위해성을 판단하는 간접적인 연구가 많이 진행되었는데, Won and Song (1999)은 전기비저항 탐사를 통해 댐 누수구간을 탐지하였으며, Lim (2003)과 Kim (2004)은 전기비저항탐사를 활용하여 취약대가 존재하는 댐의 누수탐지에 관한 연구를 수행하였다. 물리탐사 이외에 Shin et al. (2002), Seo et al. (2008), Lee et al. (2012)은 대형삼축압축시험과 대형전단시험을 통한 조립재료 및 사석재료에 대한 강도평가를 하였으며, Park et al. (2004)은 흙댐의 장기 침투영향에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. Lee and Lim (2010)은 중심코어형 사력댐에 대하여 코어존의 침투량 예측기법 연구를 수행한 바 있다.
최근에는 기존댐의 해체와 무수보링 시추조사에 따른 코어존의 직접적인 연구가 일부 진행되었다. Kim et al. (2011)은 기존 필댐의 해체에 따른 댐 코어재의 정적, 동적 물성에 관한 연구를 수행한 바 있다. Lee et al. (2015)은 국내 3개 필댐을 대상으로 코어존에 대한 전기비저항 탐사와 무수보링을 이용한 건전성 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 기존 코어형 필댐의 안전성 평가에 활용할 수 있는 현장 코어재의 기본 물성과 역학적 물성을 파악하여 통계 모델로 제시하였다. 축조 후 시간 경과에 따른 코어재의물성을 분석하기 위하여 국내의 13개 중심코어형 필댐(Earthcored fill dam)을 대상으로 무수보링 시추조사를 표준관입시험(SPT)과 병행하여 수행하였으며, 이에서 얻어진 코어 시료에 대해 입도분석, 기본 물성 시험(액소성한계, 함수비, 단위중량, 비중 등), 투수시험, 삼축압축시험, 압밀시험 등을 실시하여 광범위한 현장 코어재의 물성을 파악하였다(K-water Institute, 2014). 또한 코어재 물성의 통계학적 분석을 수행하여 댐 안전성 평가에 직접적으로 활용가능한 코어형 필댐 코어재 물성의 통계 분석 모델을 제시하였다. 또한 댐 건설 당시 또는 초기 조사 시점에서의 투수성과 강도정수의 변화 양상을 비교, 고찰함으로서 댐 노후화의 영향을 검토하였다.
2. 댐 현황
본 연구에서는 우리나라의 13개 용수전용댐에 대한 직접지반조사와 시험을 통하여 코어재 물성을 연구하였다. 이들은 모두 중심코어형 필댐(Earth-cored fill dam)으로 소성을 가진 코어가 댐의 중심에 위치한 댐이다. 본 연구에 사용된 댐의 현황은 Table 1과 같다. 이들 연구대상 댐은 연구를 위한 지반조사 시행년도(2013)를 기준으로 준공 이후 6~49년이 경과하였으며, 30년 이상 경과한 댐은 13개소 중 7개소나 되며, 이중 가장 오래된 댐은 SA댐과 SY댐으로 1960년대 초반에 건설되어 현재 48년 이상 경과하고 있다.
Description of earth-cored fill dams used in the study
3. 시추조사 및 현장시험
3.1 시추조사
시추조사는 댐별로 1~4개 공을 실시하였으며, 13개 댐에서 총 27공을 시행하였다. Table 2는 댐별 시추 현황을 보여주고 있다. 일반적인 시추는 회전 수세식 굴진방식을 적용하지만, 본 연구에서는 수세식 보링과 달리 굴진 시 작업수를 사용하지 않는 무수보링 방식을 적용하여 시추하였다. 수세식 방식의 경우 굴진 작업 시 작업수에 의한 코어존의 교란과 변형, 코어재 재료의 유실 등 댐 안전성 저해 문제가 발생할 수 있으므로 노후화 되어가는 필댐의 지반조사는 상당한 주의를 요한다. 무수보링 시추는 지반을 교란시키지 않으므로 원지반의상태를 확인가능하고, 작업수를 사용하지 않아 작업수에 의한 주변 오염방지와 전 구간에 대한 샘플 채취가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 작업수 없이 시추가 진행되므로 지반과 배럴과의 마찰문제로 굴진 속도가 느리며, 지반이 단단하거나 전석이나 큰 자갈을 포함하고 있을 경우 굴진에 어려움이 있다. 따라서 일반적인 100 HP 시추기 외에 175 HP의 고출력시추장비를 심도가 상대적으로 깊은 댐의 지반조사에 이용하였다.
Description of borehole drilling
제체상태 확인 및 지반공학적 특성 분석을 위해 코어재는 single core barrel로 연속적인 시료를 채취하였으며, 굴진 시적정 심도에서 thin wall tube를 이용하여 불교란 시료를 회수하였다. 회수된 시료의 일부는 코어재의 지반공학적 특성을 파악하기 위하여 실내시험에 활용하였다.
3.2 밀도검층(Density logging)
밀도검층은 시추공 내에 밀도검층기를 삽입하여 지반의 밀도를 측정한다. 밀도 검층에 활용되는 방사선의 일종인 감마선은 지반에 방사되면 콤프턴 산란(compton scattering) 이나광전효과(photoelectric effect)와 같은 상호작용을 일으켜 에너지가 감쇠하는데, 이 중 콤프턴 산란현상은 물질의 밀도에 비례하므로, 이를 활용하여 지반의 밀도를 구한다.
댐체의 심도별 밀도 자료를 획득하기 위하여 각 시추공에 대하여 케이싱(casing) 인발 전·후 밀도검층을 수행하였으며, 공경검층과 자연감마선검층을 병행 수행하면서 밀도검층의 신뢰도를 제고하였다. Table 3은 케이싱 인발 전·후의 각 시추공 밀도에 대하여 공별 평균을 나타낸 결과이다. 밀도검층을 통해서 획득한 시추공별 평균 밀도는 추후 표준관입시험시 N값의 보정에 활용하였다.
Result of Density logging for cores
3.3 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)
다짐축조된 코어의 N값 분포에 대한 건전성 검토 목적으로 표준관입시험(standard penetration test, SPT)을 수행하였다. 본 연구에서는 KS F 2307 규격으로 시행하되, 코어층 굴진의 어려움을 감안하여, 3 m 간격으로 SPT를 수행하였다. 관입시험 결과 기록 시 타격횟수가 50회를 초과 할 경우에는 50회 타격 시 관입된 심도를 기록하였다.
3.3.1 (N1)60 산정
표준관입시험에서 N값에 영향을 미치는 요인은 다양하다. 그 중 가장 중요한 영향 인자는 해머 타격 시 드릴 로드 스템(drill road stem)에 전달되는 에너지의 양으로, N값은 전달되는 에너지에 반비례한다(Schmertmanm and Palacios, 1979). Seed et al. (1984)은 전달되는 에너지가 이론적 최대 에너지의 55~60%이기 때문에 Eq. (1)과 같이 현장에서 측정된 N값인 Nm에 대하여 측정된 에너지 전달 효율(Nm, %)을 60%로 나눈 N60을 제안하였다. 에너지 전달효율 이외에도 시추공의직경, 로드의 길이, 샘플러의 종류 등의 변수들에 의하여 N값은 달라진다. 보다 표준화된 N60 값을 얻기 위해서 추가적인 보정계수를 Eq. (2)와 같이 적용할 수 있다.
Eq. (2)에서 각 계수는 Skempton (1986)이 제안한 에너지 비 보정계수(CER), 시추공 직경에 대한 보정계수(CB), 샘플러에 대한 보정계수(CS), 로드 길이에 대한 보정계수(CR) 등이다. 각 보정계수를 구하는 방법은 Idriss and Boulanger(2008)에 소개되어 있다. 본 연구에서 에너지 비 보정계수(CER)는 에너지효율 시험결과를 토대로 각 댐에 사용된 시추장비에 알맞은 CER 값을 적용하였다.
N60의 경우 시험심도에 따라 응력수준이 다르므로 다양한 값을 보인다. 즉, 지반이 일정한 밀도를 보인다면 깊은 심도의 N60값이 얕은 심도보다 더 큰 값을 보인다(Oh and Sun, 2008). 따라서 Eq. (2)를 활용하여 계산한 N60값에 대하여 상재하중에 대한 영향을 보정하기 위해 Eq. (3)과 같은 상재압 보정계수(CN)를 적용하였다(Idriss and Boulanger, 2008). 상재압 보정계수(CN)는 대기압 조건인 지표에서는 1의 값을 갖고, 심도가 깊어져 유효응력이 증가할수록 1보다 작은 값을 가지므로 N60보다는 작은 값으로 보정된다. 결과적으로 상재압 보정계수(CN) 식 Eq. (3)과 (N1)60 값을 구하는 식 Eq. (5) 를 순환 참조식으로 계산하여 (N1)60 값을 산정하였다.
여기서, CN은 상재압 보정계수, σvc는 유효 상재하중, Pa는 표준대기압(=101.325 kPa), ρ는 평균 밀도(t/m3), g는 중력가속도(=9.807 m/s2), z는 심도(m)이다. 상재압 보정계수(CN)를 산정하기 위해서 표준대기압(Pa)은 101.325 kPa, 유효 상재하중(σvc)은 Eq. (4)와 같이 계산하였다. Eq. (4)의 심도(z)는 SPT 시험구간(0.45 m)의 중간위치를 기준으로 하였고, 밀도(ρ)는 Table 3의 케이싱 없이 실시한 밀도검층 자료를 토대로 산정한 시추공별 평균 밀도를 적용하였다.
Fig. 1은 유효 상재하중(σvc)에 따른 (N1)60 값의 변화를 나타난 그림으로, Fig. 1(a)는 전체 시추공에 대하여 도시한 그림이며, Fig. 1(b)는 낮은 (N1)60값을 보이는 댐, 즉 상대적으로 연약한 구간이 존재하는 DB, YC댐과 건전한 댐인 GD, YCN, SY를 비교한 그림이다. DB과 YC의 경우에는 그림에서도 볼 수 있듯이 10이하의 낮은 (N1)60 값을 보이는 구간이 상당히 존재하며, 전체적으로 10 내외의 범위 내에 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 반대로 다짐이 잘 된 건전한 댐의 경우 상대적으로 높은 (N1)60 값을 보이며 20 내외에 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 유효 상재하중(σvc)이 50 kPa보다 낮은 구간, 즉 심도가 얕은 구간에서는 상당히 높은 (N1)60값을 보임을 확인할 수 있었는데 이는 댐의 코어존 상부의 매립층이 존재하기 때문으로, 본 논문의 후반부 통계학적 분석에서는 상부 매립층 구간의 (N1)60 값은 제외하고 분석하였다.
(N1)60 distribution of core layers for fill dams
3.3.2 (N1)60 통계분석
Table 4는 댐 별 (N1)60 값에 대하여 통계학적 분석을 한 결과로, 산술평균(mean), 중앙값(median, Me), 표준편차(standard deviation, STD), 그리고 분포범위를 상한(upper bound, Me+1σ)과 하한(lower bound, Me-1σ)으로 나타내었다. 본 연구에서는 물성 분포상 특이점(outlier)의 영향을 효과적으로 배제하기 위해 중앙값(median)을 적용하였다. Fig. 2는 Table 4를 그래프로 도시한 것으로 전체 분포범위에 대한 댐 별 분포현황을 나타내고자 하였다.
Statistical analysis of (N1)60
Statistical analysis of (N1)60
Fig. 2와 Table 4에서 보듯이 DB의 경우 median이 7.4로 가장 낮은 값을 보였으며, 분포 범위 또한 전체 평균값인 14보다 아래에 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 DB댐의 경우 상대적으로 연약한 구간이 상당히 많이 분포를 하고있는 것으로 판단되었다. 또한 DB댐 이외에 AG, DA, GC 댐의 경우에도 분포범위가 전체에 대한 분포범위영역 하한치(lower bound)보다 아래 영역에도 분포하고 있어 상대적으로 연약한 구간이 존재함을 확인할 수 있었다.
이와 반대로 SY 댐의 경우 전체 평균값 14 보다 모두 높은 값을 보여 제체가 강성 측면에서 상당히 건전함을 확인할 수 있었다. 그 이외에도 GD, YCN, SO 등의 댐들도 높은 (N1)60값을 보여 건전한 댐으로 판단된다.
4. 실내시험
건설 후 시간 경과에 따른 기존 코어형 필댐의 코어재 현장물성은 문헌값이 매우 제한적이기 때문에 현장의 물성을 파악하고 그 특성을 연구하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 연구대상 13개 ECRD에 대한 시추 지반조사를 통해 얻은 코어 시료의 광범위한 실내실험을 수행하여 각종 안전성 평가에 유용한 공학적 물성들을 획득하였다. 이러한 물성값들에는 함수비(water content, w), 단위중량(unit weight, γ), 비중(specific gravity, Gs), 투수계수(coefficient of permeability, k), 액성한계(liquid limit, LL), 소성지수(plastic index, PI) 등의 기본물성과 삼축압축시험, 압밀시험을 통한 점착력(cohesion, c), 내부마찰각(internal friction angle, φ), 압밀계수(coefficient of consolidation, cv), 압축지수(compression index, cc), 이차압축지수(secondary compression index, cα)등의 역학적 물성이 포함되었다. Table 5에 댐별 실내 토질시험 현황을 나타내었다. Table 5에서 ICL 압밀시험은 기존의 하중 제어형 표준압밀시험을, CRS 압밀시험은 일정변형율 압밀시험을 의미한다.
Number of laboratory soil tests for core samples
Tables 6 and 7은 코어 시료의 물성들에 대한 댐 별 평균(mean)값을 나타낸 것이다. Tables 8 and 9는 코어재 물성에 대하여 통계학적 분석을 한 결과를 나타낸 것으로, 각각의 물성에 대하여 mean, median, STD, 분포범위(Me±1σ)를 설정하였다. 이들 자료를 토대로 전체 댐에 대한 물성 통계분석결과를 그래프로 도시하여 분석하였다(Figs. 5 and 6).
A result of laboratory testing for samples of fill dam cores (1)
A result of laboratory testing for samples of fill dam cores (2)
Statistical analysis of material properties for samples of fill dam cores (1)
Statistical analysis of material properties for samples of fill dam cores (2)
Statistical distribution of existing core material properties (1)
Statistical distribution of existing core material properties (2)
4.1 입도분포
댐 설계기준(KWRA, 2011)에 따르면 이상적인 코어재료는 0.05 mm 이하의 입자를 15~20% 함유하는 입도배분이 좋은 점토, 실트, 모래, 자갈의 혼합물로, 통일분류법으로는 GC, SC, CL, SM, CH가 적당하고 ML이 그 다음이며, OL, MH, OH는 부적당하다고 기술되어 있다. 일반적으로 다짐을 통한 차수성 구현이 우수한 CL 재료를 코어재로 많이 활용하고 있다.
Fig. 3(a)는 무수보링 지반조사를 통하여 채취한 코어샘플 전체에 대한 입도분석 결과이다. 본 연구에서는 USBR(United States Bureau of Reclamation) 입도분포기준과 본 연구에서 분석한 입도분포곡선의 범위를 비교하였다(Kim et al., 2011). 대부분의 입도분포곡선은 USBR 입도분포 범위의 하한선에 가까운 경향을 보였으며, 하한선보다 낮은 분포곡선을 보이는 코어재료도 존재하였다. 본 연구에서 분석한 입도분포곡선의 범위와 USBR standard를 비교해보면 #200체(0.075 mm) 통과율이 36.9~91.7%로 세립분 함유량이 다소 많아 입도분포곡선 범위가 USBR 하한선보다 낮은 범위를 보였다. 또한 댐 설계기준(2011)의 제안 내용과 비교할 때, 기존 코어형 필댐의 코어재 현장 입도분포는 0.05 mm이하 입자 함유량이 32.9~86.1%로 댐설계기준(KWRA, 2011)에서 제시하는 15~20%보다 많이 함유하고 있음을 확인하였다.
Grain size distribution of cores
이는 우리나라 지반의 특성상 댐 코어 재료는 대부분 풍화 잔류토로서 코어 재료원에 위와 같이 세립분의 함유율이 다소 높은 특징을 보이기 때문인 것으로 판단된다(Kim et al., 2011). 특히 DB 댐의 경우 Fig. 3(b)에서 보듯이 대부분 USBR 기준의 하한선 주변에 분포하며 0.075 mm(#200) 통과율이 64.2~91.1%로 평균 통과율 69.6%보다 대부분 높은 통과율을 보여 세립분 함유율이 13개 댐 중 가장 높은 것으로 나타났다.
4.2 코어재료의 공학적 분류
연구대상 댐들의 코어재료들은 통일분류법(USCS) 상으로 코어재로 적당한 CL(lean caly)이 대부분이였으며, 그 이외에 CH(fat clay), SC(clayey sand), SM(silty sand) 등으로도 분류되었다.
Fig. 4는 코어재료에 대한 액성한계(liquid limit, LL)와 소성지수(plastic index, PL)를 소성도에 도시한 그림이다. 대부분 CL 영역에 분포하며, 실트질 점토(ML)와의 경계선인 Aline에 가까이 분포함을 확인할 수 있다. DB, GP 댐의 일부 코어재료의 경우 PI가 30% 이상의 고소성을 보이는 코어시
Plasticity Chart
료가 존재하였으며, 이들은 통일분류법에 따라 소성이 큰 점토(CH)로 분류되었다. DB 댐 코어재의 PI는 33%, GP 댐 코어재 PI는 50%로 전체 평균 PI 16.6% 보다 상당히 높은 수치를 보였다. 또한 낮은 소성도를 보이는 SC와 SM은 UM, GC, SO 댐에서 존재하였다. 특히 UM댐은 PI가 약 8~10%의 상대적으로 낮은 소성도를 보였으며, SO 댐에서 부분적으로 존재하는 SM은 소성이 없는 코어재였다. 이러한 저소성 코어층은 열화될 경우 투수성이 높아질 가능성이 있어 주의할 필요가 있다. 또한 소성이 매우 큰 코어재가 국부적으로 불량 다짐축조 되거나 열화될 경우, 큰 팽창성 및 점토 입자의 물리-화학적인(physico-chemical) 거동에 의해 국부적인 유로 발달과 내적 침식의 가능성이 있을 수 있으므로 주의를 요한다. Lee et al. (2015)에 의하면 DB 댐과 AG 댐의 경우 이러한 경향이 댐 노후화에 따라 실제 발생 가능함을 확인하였다.
4.3 함수비 및 단위중량
함수비(water content, w)는 준공 이후 시간경과에 따른 댐 코어재의 공학적 판단에 기본적인 근거자료이다. 전체 13개 댐에 대한 함수비(w)는 13.4~65.7%의 범위를 보이며, mean 23.9%, median 22.5%, STD 8.5%, 분포범위는 13.9 ~ 31.0%이다(Tables 6 and 8). Fig. 5를 보면 DB과 GP댐의 경우 높은 함수비를 보이는데, 특히 GP댐은 31.8~65.7%의 범위를 보여 전체 댐에 대한 함수비 상한선(upper bound)보다 위에 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 대체로 건설 당시 댐 코어재 축조는 최적함수비 또는 다소 습윤측 다짐으로 이루어지는 것이 일반적이므로 상대적으로 높은 함수비는 샘플 채취 부위의 국부적인 연약화 가능성을 나타내는 것으로 판단할 수 있다. 실제 DB댐과 GP댐은 후에 제체 내 침투수의 흐름이 활발한 것으로 지반조사 결과 확인되었다.
참고로 함수비 측정에 사용된 샘플 채취 위치는 각 댐 별로 매우 다양한 심도에서 얻어졌다. 침윤선의 위치에 따라 함수비는 달라질 수 있겠으나, 시추조사 시 3차원적인 정상 침투경로의 형성으로 균질한 침윤선이 형성되지 않았음을 확인했으며, 심도별 함수비 분포 역시 하부 시료 함수비가 상부 시료 함수비보다 큰 규칙성도 보이지 않았다. 즉, 정상 침투 상태에서 침윤선의 위치는 시료의 포화도에 연관될 수는 있으나, 다짐 코어재의 함수비와는 상관성이 없는 것으로 나타났다.
단위중량(unit weight, γ)은 안정성 평가와 수치해석 등에 사용되는 필수적인 기본 물성으로 불교란시료를 채취하여 압밀시험을 수행하는 과정에서 측정된 성과를 분석하였다(Tables 6 and 8). 습윤 단위중량에 대한 분석 결과, mean 19.4 kN/m3, median 19.6 kN/m3, STD 1.0, 분포범위는 18.6~20.5 kN/m3을 나타냈다. 이러한 분포는 앞서 밀도검층으로 측정된 현장밀도(1.85~2.2 t/m3)에 비해 다소 작은 경향을 나타낸다. 이는 실내실험을 위해 시료를 성형하는 과정에서 발생하는 응력 이완과 미세한 교란 효과에 기인하는 것으로 판단된다.
향후 코어형 필댐의 수치해석 시 이러한 현장 물성 기반의 통계분포 자료는 정보가 불충분할 경우 매우 유용할 것으로 판단된다.
4.4 투수계수
투수계수는 댐 코어재의 물성 중 가장 핵심적인 인자로서, 투수계수를 측정하는 방법은 현장투수시험, 실내투수시험, 압밀시험 등이 있다. 현장투수시험이 가장 이상적이긴 하나, 시추공 내에 물을 주입해야 하므로 노후댐의 코어존 안정성에 문제가 될 수 있으므로, 무수보링을 통해 채취한 불교란 시료에 대하여 실내 변수위법 투수시험을 실시하였다. 따라서 상대적으로 건전한 회수 가능한 코어 샘플에 대해 실험하게 되므로 실내시험에서 얻어진 투수계수는 현장투수시험을 통해
측정되는 투수계수보다 상대적으로 낮게 측정되는 경향을 보인다. 본 연구에서 측정된 투수계수(k)는 2.6×10-7~1.7×10-5cm/sec의 범위를 보이며, mean 3.6×10-6cm/sec, median은 2.4×10-6cm/sec, STD는 3.58×10-6cm/sec로 분석되었다(Tables 6 and 8). Fig. 5에서 GC, UM, AG 댐의 투수계수는 다소 높게 나타나 향후 코어재 차수능에 대한 모니터링이 필요할 것으로 판단된다. 투수계수가 다소 높은 GC, UM 댐의 경우 코어재가 USCS 분류법에 의해 SC로 분류된 바 있으며, 이러한 점토질 모래 코어는 투수성이 상대적으로 높은 것으로 판단된다.
4.5 강도정수
점착력(cohesion, c), 내부마찰각(internal friction angle, φ)등과 같은 강도정수는 중요한 역학적 물성이다. 본 연구에서는 압밀 비배수 삼축압축시험을 통하여 점착력 및 내부마찰각을 결정하였다. 간극수압의 측정 여부에 따라서 파괴상태의 전응력원에서 결정된 강도정수는 c, φ (CU-test)이며, 유효응력원에서 결정된 강도정수는 c’, φ’ (
먼저 전응력해석에 사용되는 c와 φ의 통계분석 결과, c의 경우 mean 45.3 kPa, median 47.7 kPa, STD 23.9 kPa, 분포범위는 23.8~71.6 kPa를 보인다. φ는 mean 17.8°, median 18.4°, STD 4.8°, 분포범위는 13.6~23.2°이다. Fig. 5에서 보면 댐별 c 및 φ 값 모두 전체 댐에 대한 분포범위 영역 내에 분포하고 있으나, GC 댐의 경우 c 값이 다소 낮은 경향을 보이고, 특히 DB 댐의 경우 φ이 8~12.1°의 범위를 보여 전체 하한선보다 아래에 분포함을 확인 할 수 있었다. 유효응력해석에 사용되는 점착력(c’)은 mean 11.1 kPa, median은 10.5 kPa, STD 6.5 kPa, 분포범위는 4.1~17.0 kPa이다. 내부마찰각(φ’)은 mean 29.1°, median 29.5°, STD 3.2°, 분포범위는 26.3~32.6°이다.
Fig. 5에서 보면 댐별 c’ 및 φ’ 모두 전체 댐에 대한 분포범위영역 내에 분포하고 있으나, AG 댐에서 φ’이 20.0~22.8°의 범위로 전체 하한선보다 상당히 낮은 값을 보였다.
강도정수에 대한 통계분석 결과의 판독에 있어 주의해야 할점은 응력원으로부터 구한 점착력이 선형 회귀(linear fitting)에 의한 겉보기 점착력이라는 점이다. 실제 파괴포락선은 비선형적으로 변화할 수 있으나, 본 연구성과에서는 실무 적용성을 고려하여 선형적인 겉보기 점착력과 내부마찰각을 통계적으로 제시하였다.
4.6 압밀시험 물성
코어재의 장기 침하 및 크리프 체적 변형등과 같은 댐 코어존의 장기 거동 연구를 위해 압밀시험 성과는 중요한 물성들을 제공한다. 압밀시험을 통해서 압밀계수(cv), 압축지수(cc), 재압축지수(cr), 이차압축지수(cα) 등을 파악하고, 이들 물성에 대한 통계학적 분석 결과를 Table 9에 나타냈다.
먼저 ICL 표준압밀시험을 통해 측정된 압축지수(cc)는 mean 0.174, median 0.152, 분포범위 0.085~0.219를 보인다. Fig. 6을 보면 GP, DB, GD 댐들의 압축지수가 상대적으로 크며, 특히 GP 댐의 경우에는 0.221~0.405의 범위를 보여 전체 압축지수에 대한 상한선보다 위에 분포함을 알 수 있다. 압축지수가 클수록 동일하중 조건하에 압밀침하량이 증가하므로 댐 코어존의 장기 침하와 체적 변형에 영향을 미칠 수 있다.
CRS 압밀시험을 통해 산정된 압축지수는 mean 0.170, median 0.190, 분포범위는 0.140~0.240으로 압밀시험에 의해 산정된 압축지수보다 큰 결과를 보였다. 이는 기존의 CRS 압밀시험이 압축지수를 표준압밀시험보다 다소 과소평가한다는 연구결과(Lee et al., 1998; Lee et al., 1999; Kim, 2003)와
상이한 것으로 추후 연구 대상이다.
장기압밀시험을 통해 산정한 이차압축지수(Cα)는 mean 0.186%, median 0.165%, 분포범위는 0.12%~0.21%으로 나타났다(Fig. 7). GD 댐과 DB 댐의 경우 상대적으로 큰 이차 압축지수를 보였다. 그러나 전체적으로는 경미한 수준의 장기 압밀특성을 보이는 것으로 판단된다.
Statistical analysis of Cα
5. 토의
본 논문에서 제시한 다짐식 축조공법으로 건설되었던 기존코어형 필댐의 코어재 물성 통계 모델은 기존 통계자료가 거의 없는 실정에서 수치해석의 경험적 범위를 제공한다는 점에서 실무적으로 유용하게 적용 가능하다. 또한 일반적으로 현대식 공법으로 다짐 축조되는 국내 필댐의 코어재는 공통적인 설계 기준을 만족하도록 규정하고 있으므로, 본 논문의 실내시험 결과와 경험적 통계 모델은 필댐 코어재의 상대적 건전성을 확인하는 지표로도 적용 가능할 것으로 판단된다.
그러나 또 다른 목적으로서, 댐의 경과년수(aged years)에 따른 노후화의 영향을 고찰할 수 있으므로 건설 당시, 또는 과거 보강을 위한 지반조사 시 확인된 물성과 본 지반조사 시확인된 물성을 Table 10에 상호 비교분석하였다. 비교를 위해 채택된 코어재의 대표적인 물성은 투수계수와 강도정수(점착력, 내부마찰각)로 한정하였다. Table 10에서 건설당시의 물성자료는 설계를 위한 축조 재료원의 품질시험 성과를 활용하였으나, 구체적인 시험방법과 종류에 있어서는 상세한 언급이 없는 편이어서 불확실성이 잔존한다. 특히 2013년에 수행한 삼축압축시험은 CU-bar 시험을 일괄 적용하여 배수 및 비배수 강도정수를 획득하였으나, 각 댐의 건설 당시 삼축압축시험 방법은 GP, SO 댐을 제외하고 알려지지 않아 얻어진 강도정수를 토대로 배수 및 비배수 강도 여부를 추정, 비교하였다. 코어재의 배수강도는 유효응력해석법으로 해석 시 적용가능하며, 댐의 정수압 상태, 정상침투 상태, 압밀완료 상태와 같은 장기 안정해석에 타당하다. 반면에 비배수 강도는 댐의다단계 하중 재하와 수위급강하 직후의 해석에 타당하다.
A comparison of material properties depending on the effect of dam aged years
Table 10로부터 댐의 축조 후 경과년수에 따른 물성 변화를 고찰할 수 있다. GD 댐 및 SY 댐의 경우, 댐의 시간 경과에 따른 강도와 투수성이 오히려 향상되었음을 알 수 있다. YCN 댐의 경우, 건설 당시 물성은 알려지지 않았으나, 최소한 1998년 이후 금번 지반조사 시(2013)까지 15년간 사실상 물성 변화가 거의 없었음을 시사해 준다. AG 댐과 UM 댐은 누수량 급증과 각각 사면 활동, 싱크홀 발생 등으로 2000년대 초반 대규모의 보강 그라우팅 공사를 수행한 바 있다. AG 댐은 1996년 최초 조사 당시에 비해 2003년 보강 공사 후 투수성은 향상된 바 있으나, 2013년 금번 조사에서는 다소 투수성이 증가된 것으로 나타났으며, 강도정수 또한 이전의 조사 당시에 비해 모두 하락한 것으로 드러나, 시멘트 계열의 그라우팅 재료 역시 장기적으로 서서히 열화가 진행되고 있는 것으로 판단된다. UM 댐의 경우 이전에 비해 투수성은 다소 증가하였으나 강도는 점착력과 내부마찰각의 감소 및 증가로 판단이 용이하지 않으며, 향후 구속압 의존적인 전단강도 관계를 고려한 안정성 해석이 필요하다. 자료 보존이 양호한 GP, SO, GC 댐은 건설 당시에 비해 투수성은 다소 증가하였으며, 강도정수는 구속압 의존적인 전단강도에 대한 공학적 판단이 필요하다.
Table 10에서 2013년 본 연구를 위해 수행한 지반조사에서 얻어진 투수계수는 코어재의 샘플링이 가능한 양호한 시료에 대한 실내 변수위 투수시험 성과를 기준으로 한다. DB, YC댐은 국부적으로 코어재의 열화에 따른 고함수비 영역 출현으로 2014년 코어재에 대한 그라우팅 보강공사를 수행한 바있다. 따라서 Table 10에서 DB, YC 댐에서 발견되었던 코어재의 국부적 열화 현상은 고함수비 영역의 샘플링이 불가능하였기 때문에 비교 시 참고하여야 한다.
Lee et al. (2015)에 의하면, DB 댐은 국부적으로 코어층이 액화된 구간이 존재할 정도로 전반적으로 위해성이 높은 상태로 나타났으며, 이는 본 물성 통계 연구에서도 확인이 가능하다. 즉, 전반적으로 매우 낮은 (N1)60 분포는 낮은 강도정수(내부마찰각 등)와의 상관성을 확인하였으며, 높은 함수비와 소성지수는 상대적으로 큰 이차압축지수와 높은 상관성을 보여줌으로서 체적변화 가능성 증가 등 상대적인 코어재의 위해성을 보여주고 있다.
6. 결론
노후화되어 가는 기존 코어형 필댐의 안전성 평가를 위해서는 차수를 담당하는 코어재 현장 물성의 파악이 필수적이다. 그러나 직접조사의 위해성 우려, 예산 미확보, 불충분한 댐 정보 등으로 지반조사를 수행할 수 없을 경우 활용할 수 있는 문헌값은 국내외적으로 매우 드문 실정이다. 본 연구에서는 국내 13개 중심코어형 필댐에서 광범위한 시추 지반조사(무수보링)를 수행하고 획득한 현장 코어 샘플에 대한 실내시험을 통계 분석하여 기본물성과 역학적 물성 통계 모델을 제시하고, 시간 경과의 영향을 토의하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 성과는 다음과 같다.
13개 중심코어형 필댐의 코어층 직접 시추 지반조사 및 물성시험을 통하여, 다짐식 기존 현장 코어재의 (N1)60 및 현장밀도 분포특성, 기본 토질물성(함수비, 비중, 입도, 단위중량, 액소성한계) 및 역학적 물성(투수계수, 강도정수, 압밀 특성)을 파악하고, 통계학적 분석을 통해 댐 코어재 물성의 평균과 표준편차, 상하한 범위를 제시하였다. 본 결과는 향후 엔지니어링 실무에서 물성정보가 불충분한 코어재에 대한 수치해석입력물성으로 유용한 성과로 활용될 것으로 판단된다.
Lee et al. (2015)에 의해 코어층의 위해성이 확인된 DB댐의 경우, 본 물성 통계 연구결과, 전반적으로 매우 낮은 (N1)60 분포, 높은 함수비와 PI, 낮은 내부마찰각, 상대적으로 큰 이차압축지수 등 각종 물성 지표가 코어재 열화 양상을 보여주고 있어, 본 연구에서 제안한 전체 통계 평균과 상하한 범위는 다짐 축조식 코어의 상대적 건전성 평가에 활용 가능할 것으로 판단된다. 이러한 상대적 건전성 평가는 코어재의 차수성과 다짐도 확보를 위해 주로 (N1)60 분포, 투수계수, 강도정수 등의 물성비교를 통하여 가능할 것으로 판단된다.
표준관입시험 결과 각종 보정계수를 적용하고, 구속압에 대한 추가적인 보정을 통해 산정한 (N1)60 분포는 7~21회의 범위를 보였으며, median으로 14회로 나타났다. 이러한 성과는 시험 위치에 관계없이 코어재의 국부적 강성 검토 및 제체의 불균질 다짐 정도 분석에 향후 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구 대상 코어재에 대한 통일분류법(USCS) 분석 결과, 대부분 코어재로 적합한 CL로 분류되었으나, UM, SO 댐 등 일부 댐에서는 SC 또는 SM 계열의 코어층이 존재하였으며, 이러한 댐들은 실내투수시험을 통해 측정한 투수계수 또한 상대적으로 높은 경향을 보여 향후 댐 안전 모니터링에 주의를 기울여야 할 것으로 검토되었다.
댐의 축조 후 경과년수에 따른 노후화 영향을 검토한 결과, 건설 당시 또는 초기 조사 시점에 비해 직접적인 상관성은 없는 것으로 나타났다. 일부 투수성과 강도가 오히려 향상된 댐들이 있는 반면, 변화가 없거나 저하된 댐들이 존재하며, 특히 과거 보강공사 후 그라우팅 재료의 시간적 열화 양상은 향후 안전관리에 중요할 것으로 판단된다.
결과적으로 본 연구를 통하여 댐 코어재 물성들에 대해 통계 분석 모델을 제시함으로써 기존 코어재의 현장물성을 고려한 안전성 평가에 활용 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 확인된 댐별 특이사항들은 댐체 안전성 평가와 유지관리시 고려할 필요가 있으며, 추후 댐의 잠재적 위해성 분석을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통과학기술진흥원 물관리 연구사업,「극한수재해 대응 노후 필댐 스마트 그라우팅 보강 및 검증 시스템기술 개발(2015.09-2018.06)의 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구에 사용된 최초 데이터는 K-water연구원의 댐 성능개선을 위한 aging 댐체 건전성 진단 연구(2014.01-2016.12)를 통해 수집되었으며, 현장 댐의 지반조사 및 시험은 ㈜희송지오텍에 의해 수행되었습니다.