Erosion behavior according to location of conduit cracks in agricultural reservoir

ENGINEERING
Jung-Hyun Kim1Joon Heo2Jae-Woong Shim2Cheol-Han Kim3Bora Yun1Yong-Hak Lee4*Dal-Won Lee1*

Abstract

The conduits of agricultural reservoirs undergo deterioration over a considerable period of time and this is highly likely to cause structural problems such as cracks. It is therefore important to consider the effects of structural defects on the body from the viewpoint of stability and maintenance of the embankment. In this study, basic data on the effects of the crack location on the stability of the embankment is obtained by identifying, comparing, and analyzing the erosion characteristics and pore water pressure behavior through a large-scale model experiment that involves classifying the location of the conduit cracks. From the results of the experiment, it was confirmed that when a crack occurred, the amount of leakage increased as the location of the crack portion was closer to the water level, and the internal erosion phenomenon accelerated, thereby increasing the possibility of piping. It was also found that an upstream conduit crack affects the erosion and water pressure change of the central and downstream conduit of the embankment, and the conduit crack has a very large effect on the pore water pressure despite the low upstream water level. Therefore, the seepage behavior of the embankment for each conduit crack identified in this study is considered to be useful basic data for preparing a repair and reinforcement plan according to the crack location in the future.

Keyword



Introduction

국내 농업용 저수지는 99%가 필댐이며, 이 중 50년이 경과된 저수지가 82%로 노후화에 대한 저수지 제체의 안정성 강화와 대책이 요구되고 있다. 필댐은 제체를 구성하는 재료가 비교적 침투에 취약하여 제체 및 부속구조물의 노후화로 인한 침식을 완전히 방지할 수 없다(Lee and Lee, 2017; Lee et al., 2019; Lee et al., 2020a; Lee et al., 2020b). 이러한 침식은 상당기간 노후화가 진행된 복통에서 잠재적인 균열이나 구조적 결함의 가능성을 높일 수 있다는 점에서 복통의 구조적 결함이 제체에 미치는 영향을 중요하게 고려할 필요가 있다.

필댐의 붕괴는 월류(35.9%)와 파이핑(30.5%)이 주된 원인으로 평가되고 있으며, 파이핑 붕괴사례의 원인은 복통과 관계된 것으로 제시되고 있다(Foster et al., 1988; Foster et al., 2000; FEMA, 2015). 또한, 농업용저수지에서 내부침식으로 인한 붕괴는 콘크리트 구조물과 제체 재료와의 경계면 접속부에서 주로 발생되는 것으로 보고되고 있다. 이는 이방성구조물과 성토재의 경계부가 침투에 취약한 조건인 것과 관계가 있다(Noh and Lee, 2014).

복통의 균열은 제체의 내부침식을 일으키는 조건이 될 수 있고, 복통과 성토재의 경계부에서 발생하는 내부침식은 잠재적인 파이핑의 위험성이 잔존해 있다(FEMA, 2005). 이러한 조건들은 제체의 안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고, 재해 예측이나 기술적 대응에는 한계가 있다. 이러한 이유들은 제방 내에서 이루어지는 내부침식의 거동이 침식과정에 따라 수리학적 및 역학적인 특성이 상당히 변하기 때문이며, 메커니즘을 규명하기가 매우 복잡한 것에 원인이 있다(Calamak and Yilmaz, 2018).

현재까지 파이핑 현상의 메커니즘 조사와 안정성에 관한 연구들이 수치해석과 모형실험에 의해 많은 연구결과가 제시되어 왔으나(Coleman et al., 2002; Chahar, 2004; Kumar and Sreeja, 2012; Van Beek et al., 2014; Sharif et al., 2015; Rotunno et al., 2017), 복통의 균열에 관한 연구는 미진한 상황이다. 특히, 복통 균열은 특정위치에서 발생되지 않고 내부침식 진행과정을 관찰하기 어려우며, 인위적으로 예측하지도 못하기 때문에 이에 대한 위험성을 객관적으로 제시하기 위한 기초자료를 마련할 필요가 있다.

따라서 본 연구는 상류측, 중앙측 및 하류측 복통에서 각각 균열이 발생되었을 경우와 전체균열이 발생된 조건을 적용하여 제체와 복통사이에서의 침식거동과 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.

Materials and Methods

복통 균열 모델링

국내저수지의 복통의 구조는 콘크리트 흄관이 가장 많고 이음이 있기 때문에 누수에 대한 취약한 것으로 제시되어 왔다(RRI, 2014).

Fig. 1은 복통 균열에 대한 모델링을 나타낸다. 조사내용을 기초로 복통은 국내에서 가장 많은 형태인 원형(흄관)형태를 선정하였다. 설치된 원형(흄관)의 직경은 최소 0.3 m에서 최대 1.5 m로, 축소비를 고려해 복통 균열은 길이(L) 250 cm, 직경(φ) 50 mm 인 파이프에 길이(L) 10 cm, 직경(φ) 8 - 10 mm로 구멍을 뚫어 각각 상류사면, 중앙부, 하류사면에 균열이 발생하였을 경우와 동시에 전체균열이 발생한 상태를 모사하였다.

복통은 현재 모델을 개선하여 점토층 상부에 sand층과 geotextile을 적용한 방법으로 침투수압의 저감과 함께 성토존에서 토립자 유실을 최소화하여 내부침식을 지연시킬 수 있는 개선모델을 적용하였다.

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Fig. 1. Conduit crack modeling. (a) Buried conduit, (b) conduit crack modeling, (c) improvement design model.

저수지 모형 구성 및 계측기 매설

실험모형은 모형의 축소 비율을 가능한 원형(prototype)에 가까운 규모로 설정하는 것이 모형에 작용하는 실제적인 강도 및 하중차이에 의한 영향을 최소화 할 수 있기 때문에 실험결과의 신뢰성 확보 측면에서 유리하다. 분석대상 저수지는 공주시 계룡저수지로 제체는 zoned fill-type으로 콘크리트와 철제 및 아크릴로 제작된 토조의 크기를 고려하여 구현 가능한 최대크기인 1/30로 축조하였다.

Fig. 2는 실험단면과 계측기 매설위치를 나타낸 것이다. 계측기는 제체를 구성하는 성토재 내부에 작용하는 공극수압을 측정하기 위해 복통단면에 공극수압계 (Ⓟ)를 각각 1개씩을 복통 상부에 매설하였다. 계측기는 침투특성을 파악하기 위해 공극수압계(정격용량: 50 kPa)를 사용하였고, 각각의 측정값은 data-logger와 computer에 의해 자동적으로 저장되도록 하였다.

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Fig. 2. Experiment model and location of the piezometer. (a) Experiment model, (b) location of the piezometer. P, piezometer.

사용재료 및 실험조건

제체 모형 축조에 사용된 시료는 현장에서 채취하였고, 물리적, 역학적 성질 및 입도곡선은 Table 1과 Fig. 3에 나타냈다.

Table 2는 실내모형실험과 해석을 통해 복통균열의 보강방법의 적용 및 균열 발생위치에 따른 조건을 분류한 것을 나타낸다.

Table 1. Geotechnical properties. http://dam.zipot.com:8080/sites/kjoas/images/N0030470438_image/Table_KJOAS_47_04_38_T1.png

Gs, specific gravity; PI, plastic index; kv, coefficient of permeability; Wopt, optimum moist content; γmax, maximum dry density; c, cohesion; ⌀, angle of internal friction; USCS, unified soil classification system; NP, non-plastic; CL, low compressibility clay; SC, clayey sand; SP, poorly sand.

Table 2. Classification of cases. http://dam.zipot.com:8080/sites/kjoas/images/N0030470438_image/Table_KJOAS_47_04_38_T2.png

P, piezometer; C, crack.

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Fig. 3. Grain size distribution.

Results and Discussion

균열에 위치에 따른 침식특성

현장에서 복통의 안전진단이 어려운 이유는 구조물이 가장 낮은 위치에 매설되어 있고, 관경이 작아 인력이나 장비의 출입이 제한된다는 점이다.

따라서 본 실험은 실내모형실험시 내시경 촬영장비에 의해 복통내부를 조사함으로써 복통의 균열 위치에 따른 제체의 침식특성과 누수량을 확인하였다.

Fig. 4는 복통의 하류사면(Case 1)과 중앙부(Case 2)에 각각 균열이 발생된 조건의 침식특성을 나타낸 것이다.

복통내부의 침투형태는 하류사면과 중앙사면이 유사한 형태를 나타내었으며, 침투수가 균열부를 통해 복통내관에 유로를 형성함으로써 토립자와 함께 누출되었다.

복통외부로 유출되는 침투수는 하류사면(Case 1)에서는 침투수가 도달하는 양이 상대적으로 적고 균열을 통한 누수량이 매우 작은 것으로 확인되었다. 또한, 최종적으로 복통외관을 타고 흐르며 하류사면 끝을 미세하게 세굴시키며 고여있는 형태로 나타났다. 중앙부(Case 2)의 경우, 복통의 끝단에서 약간의 토립자 유실과 함께 하류사면부보다 누수량이 많은 것으로 나타났다.

Fig. 5는 상류사면(Case 3) 복통에 균열이 발생하였을 경우의 침식특성을 나타낸것이다.

복통내부를 통한 침투형태는 초기에 균열 부위의 주변에서 누수가 발생되었고 균열부를 통해 토립자 유실이 크게 증가하였다. 시간이 경과하면서 상류사면측 수위에서 소용돌이 현상의 발생과 함께 토립자 유실량도 증가하면서 균열부분을 통한 침식현상이 가속화되었다.

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Fig. 4. Seepage characteristic in non-reinforced conduit (case 1 and case 2). (a) Leakage in case 1, (b) leakage in case 2, (c) inside the conduit.

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Fig. 5.Seepage characteristic in non-reinforced conduit (case 3). (a) Leakage and erosion, (b) inside the conduit, (c) vortex phenomenon at upstream.

복통외부로 유출되는 침투수는 누수량이 많고 토립자의 유실량도 많은 것으로 나타났다. 이는 제방 내부의 복통 균열의 위치가 수위면과 가장 가깝게 위치하여 이른 시간 점토층을 빠르게 포화시켜 균열부를 통해 집중침투가 시작되었기 때문이다.

상기의 결과들은 각각 균열 발생 시, 상류사면에 균열이 발생한 경우가 내부침식으로 인한 파이핑의 발달속도가 가장 빠르기 때문에 재해위험성 측면에서 가장 위험한 위치가 될 수 있음을 보여준다.

Fig. 6은 Case 2에서 발생된 균열부와 점토층의 접촉부에서 내부침식으로 인해 발생한 빈 공간 및 하류비탈끝에서 복통외관과 점토층 경계부의 침식을 나타낸 것이다.

제체 내부의 빈 공간은 내부침식이 발생하는 조건에서 나타나고, 부등침하를 일으켜 파이핑 붕괴를 유발할 수 있다. 또한 제체 하류사면 내의 공극수압을 높이거나 누수경로를 단축시키고, 후방형 파이핑을 유발하여 제체의 안정성을 크게 위협하는 것으로 알려져 있다(FEMA, 2015).

하류사면과 제체 중앙부에 균열이 발생할 경우 복통 균열 발생부위 및 하류사면 비탈끝에서 시작되는 지속적인 침식으로 인해 제방을 관통하는 후방형 파이핑으로 발생할 가능성이 큰 조건으로 분석된다.

Fig. 7은 차수 멤브레인에 의해 보강된 상태(균열이 발생하지 않은 상태)의 침식특성을 나타낸다. 균열이 발생하지 않은 경우(Case 4) 복통 내 〮 외부로의 토립자 유실 및 누수가 나타나지 않았다.

Fig. 8은 복통의 하류사면, 중앙부, 상류사면에서 동시에 전체균열(Case 5)이 발생한 조건에서 침식형태를 나타낸 것이다.

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Fig. 6. Internal erosion patterns at conduit boundary.

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Fig. 7. Seepage characteristic in reinforced conduit (case 4). (a) No leakage, (b) inside the conduit, (c) reinforced with geomembrane.

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Fig. 8. Seepage characteristic in non-reinforced conduit (case 5). (a) Outlet leakage, (b) inside leakage (upstream crack), (c) vortex phenomenon (upstream).

복통내부의 침투형태는 상류사면에서는 균열부의 누수로 점토층이 침식되고 침투경로가 확장되어 많은 양의 누수량이 복통내부로 배출되었다. 또한 약 50시간 경과 후 파이핑 현상이 발생되며 강한 소용돌이 현상이 관찰되었다. 중앙부와 하류사면에서는 각각 균열발생시보다 작은 침투수량과 토립자의 유실을 나타냈다.

복통외부에서 관찰되는 누수량은 각각 각각균열의 상태보다 많았으며 이는 모든 균열부위를 통해 누수가 진행되고 있기 때문에 제방에 가장 심각한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

동시균열이 발생한 경우의 침식형태는 위치별로 누수량과 토립자 유실량이 각각균열이 발생한 조건과 매우 유사한것으로 나타났으나, 각각균열이 발생한 경우보다 동시균열이 발생한 경우가 복통외부에서 관찰되는 누수량이 많고 파이핑 현상과 함께 발생한 소용돌이가 보다 강하게 발생하였다. 이는 발생위치별 균열들을 통한 내부침식이 하류측 사면으로 가중되고 있기 때문에 제체가 붕괴하기 쉬운 조건으로 분석되었다.

공극수압 거동

Fig. 9는 상류수위를 35 cm 상태까지 담수하고 일정하게 유지시킨 후에 Case에 따른 공극수압의 거동을 나타낸 것이다.

Case 1은 보강된 경우로써 실험조건인 균열위치에 따라 각각 측정하였으며 균열이 각각 위치별로 발생된 Case들과 비교분석하기 위해 제시하였다.

하류사면 복통에 균열이 발생하였을 경우(Case 1)의 공극수압을 균열이 발생하지 않은 경우(Case 4)와 비교한 결과, 균열부(P3)에서는 큰 변화를 나타내지 않았지만 균열보강부(P3)에서는 공극수압이 증가하여 중앙보다 더 큰 값을 나타냈다. 이는 균열이 발생할 경우 복통내부로 작은 유출량이 발생하기 때문에 공극수압이 작용하지 않은 것으로 판단된다.

중앙부 복통에 균열이 발생하였을 경우(Case 2)의 공극수압은 중앙부 균열을 보강한 경우(Case 4)와 비교한 결과, 균열부(P5)에서는 초기에 공극수압이 상승한 후 계속해서 하강하고, 약 20시간에서 수위상승에도 불구하고 부(-)의 공극수압을 나타냈다. 균열보강부(P5)에서는 공극수압이 수위상승에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Case 2에서 중앙균열부(P5)를 통한 침투수가 공극수압계 하부의 점토층과 균열부의 접촉부에서 내부침식을 발생시키고, 침투수가 주변 흙보다 상대적으로 침투에 취약한 빈 공간으로 집중 침투되어 공극수압계보다 낮은 위치의 균열부를 통해 누수되기 때문인 것으로 분석된다.

상류사면 복통에 균열이 발생하였을 경우(Case 3)의 공극수압을 균열이 발생하지 않은 경우(Case 4)와 비교한 결과, 균열부(P7)의 공극수압은 균열부를 통한 누수영향으로 감소하는 경향을 나타냈으며 약 50시간에서 상류사면에서 소용돌이현상과 함께 토립자 유실이 크게 발생되면서 급격하게 감소하였다

또한 Case 4의 공극수압은 균열 보강부(P7)가 중앙부(P8)보다 높지만 Case 3의 균열부(P7)의 공극수압은 중앙부(P8)보다 낮은 것으로 나타나, 투수계수가 낮은 점토층에 둘러 쌓여 있고 균열면적의 크기가 작더라도 균열이 수압에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다.

동시균열이 발생한 경우(Case5)의 공극수압은 상류사면(P10)과 중앙부(P11)에서는 각각균열이 발생한 조건들과 유사하게 낮은 공극수압을 나타냈고, 수위상승 이후 감소하거나 일정한 경향을 나타냈다. 동시균열 조건에서 하류사면(P12)은 정(+)의 공극수압이 나타냈는데, 이는 상류균열부(P10)로 누수량이 많아 각각균열이 발생한 경우보다 도달하는 침투수의 양이 상대적으로 적어 내부침식이 시간내에 크게 발현되지 못한 결과로 분석된다. 따라서 상류측 복통균열이 제체의 중앙부와 하류측 복통의 침식과 수압변화에도 큰 영향을 미치므로 복통 부근의 상류사면에도 수압 저감을 위한 별도의 보강대책이 필요한 것으로 나타났다.

상기의 결과들은 복통 균열면에서 공극수압의 거동이 침식에 의한 연속적인 파괴나 수리학적 변화를 즉시 반영하지 못하는 한계가 있으나, 상류수위가 낮음에도 불구하고 복통균열이 공극수압에 미치는 영향이 매우 큰 것으로 나타나 현장저수지에서 공극수압의 관측을 통해 균열의 발생을 진단하여 붕괴가능성을 미리 예측할 수 있을 것으로 사료된다.

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Fig. 9. Pore water pressure behavior (PWP).

Conclusion

본 연구에서는 농업용저수지의 복통 균열 위치에 따른 침투거동을 대형실내모형실험을 통하여 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 복통 균열부의 위치가 상류측의 수위면에 가까워질수록 누수량이 증대되며 상류사면에 약간의 소용돌이 현상과 함께 파이핑이 유발되었다. 이러한 결과들은 상류측 복통에서 균열 발생시 재해 위험성 측면에서 상류 사면이 가장 위험한 위치가 될 수 있음을 보여준다.

2. 상류측 복통의 균열은 제체의 중앙측과 하류측 복통의 침식과 수압변화에도 큰 영향을 미치므로 복통 부근의 상류사면에도 수압 저감을 위한 별도의 보강대책이 필요한 것으로 나타났다.

3. 중앙부와 하류측 복통에 균열이 발생된 조건은 상류측 복통의 균열조건보다 붕괴의 위험성은 낮으나, 성토존과 복통의 경계부에서 침식의 확대로 인해 하류사면에서 댐마루로 진행되는 후방형 파이핑이 발생할 가능성을 나타냈다.

4. 동시균열이 발생된 경우의 침식특성은 각각균열이 발생한 조건과 유사한 경향을 보였으나, 상류사면측의 수위에서 소용돌이 현상이 점점 확대되는 특징을 나타냈다. 이러한 소용돌이 현상은 복통의 균열부로 빠르게 누수가 발생되고 있기 때문이며, 빠른 침식속도로 인해 사면 붕괴의 가능성을 높일 수 있다. 또한, 제체 내부에서 침식이 시간경과에 따라 가중되는 것으로 나타나 제체의 안정성에 가장 심각한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

5. 공극수압 분포는 복통 내부 및 균열 부근에서 침식현상과 토립자 유실에 대하여 입증할 수 있는 결과를 나타냈고, 복통 균열면에서 포화로 인한 공극수압의 증가는 침식에 의한 연속적인 파괴나 수리학적 변화를 즉시 반영하지 못하는 한계가 있으나, 상류수위가 낮음에도 불구하고 복통균열이 공극수압에 미치는 영향은 매우 큰 것으로 나타났다.

따라서 본 연구에서 검토한 복통의 균열 위치별 침투거동은 추후 현장에서 균열 위치에 따라 보수·보강 대책을 수립하기 위한 기초자료로서 활용성이 높을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 연구는 한국연구재단(과제번호: 2019R1I1A3A01058517 및 2019R1C1C1007100) 및 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농업기반 및 재해대응 기술개발 사업(320002-01)의 지원을 받아 연구되었음.

Authors Information

Jung-Hyun Ryu, https://orcid.org/0000-0001-9737-1358

Joon Heo, https://orcid.org/0000-0003-4820-8786

Jae-Woong Shim, https://orcid.org/0000-0002-3062-3087

Cheol-Han Kim, https://orcid.org/0000-0002-2691-3380

Bora Yun, https://orcid.org/0000-0002-5506-2933

Young-Hak Lee, https://orcid.org/0000-0002-2691-3380

Dal-Won Lee, https://orcid.org/0000-0001-9750-1407

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