Introduction
Materials and Methods
대상저수지 선정 및 사용재료
월류방지 구조물의 설계조건
저수지 모형 축조 및 월류방지 구조물의 설치
Results and Discussion
제체의 침투 특성 및 변형 관찰
공극수압의 분포
수평 및 수직변위의 분포
Conclusion
Introduction
국내 농업용 저수지 17,080개소 중 50년이 경과된 노후 저수지는 87% (14,770개소), 1945년 해방 이전에 축조된 79년 이상 저수지가 51% (8,667개소)에 이르고 있어 노후 환경은 심각한 실정이다. 특히, 국내 농업용 저수지는 99%가 필댐 형식으로 구성되어 있는데, 이러한 통계들은 우리나라가 일제강점기와 한국전쟁을 경험하면서 농업기반 시설이 중요했던 사회적 환경에 직면해 있었기 때문에 경제적이고 빠른 시공이 가능한 필댐 형식이 많은 선택을 받았던 이유와 관련이 깊다. 저수지의 규모 측면에서 살펴보면, 농어촌정비법에서 정하고 있는 30만 m3 이하의 2종 시설물이 92% (15,769 개소)이며, 제체 높이가 10 m 미만이 81% (13,852 개소)로 가뭄이나 홍수 등의 재해에 쉽게 취약해질 수 있는 환경이다(MAFRA, 2022a; Lee et al., 2022a, 2023).
Fig. 1은 2000년부터 2020년까지 장마철 강우량과 저수지 붕괴통계를 나타낸 것이다. 저수지 붕괴는 매년 1 - 2개소에 불과하나, 2020년에는 저수지 붕괴 건수는 이례적으로 22개소가 붕괴되었으며, 1,057개소와 농경지 60,191 ha의 피해가 있었다(MOIS, 2020). 2020년 집중호우로 인한 여름철 강우량(7 - 9월)은 676 mm로 다른 연도보다 비교적 높았지만, 2006년도에도 유사한 수준의 강우량이 있었다. 이 시기의 저수지 붕괴가 건수와 비교하면 2020년은 약 3.7배 증가하였다.
그 이후에도 매년 한두 건의 붕괴율을 감안할 때 2020년도의 저수지 붕괴사고는 집중호우뿐만 아니라 저수지의 노후화도 주요 원인을 제공한 것으로 판단된다. 이러한 배경에서 최근 이상기후에 따른 집중호우와 홍수에 의한 자연재해가 과거보다 증가되고 있어 기존에 낮은 설계기준으로 적용된 저수지는 침투에 더욱 취약할 수밖에 없으며, 월류에 의한 피해가 더욱 가중될 것으로 전망되고 있다.
이러한 피해를 예방하고자 국내의 경우, 여·방수로와 취수시설의 단면보수 및 재설치, 저수지 둑 높이기 사업 등으로 110개소가 리모델링된 바 있으며, 그 이후에도 설계홍수량에 미달하는 저수지에 대해 순차적으로 보수·보강을 실시하고 있다(MAFRA, 2022b). 그러나 농업용 저수지를 매년 하나하나 수리하기에는 막대한 예산이 들 수밖에 없기 때문에 제한적인 예산에 따라 연평균 1.4% (235 개소)만 정밀안전진단을 실시하고, 진단결과 안전등급이 낮은 D, E 등급 저수지를 대상으로 보수·보강하고 있는 실정이다(KRC, 2020; MOLIT, 2020c).
한편, 국외 필댐의 붕괴통계는 월류(35.9%)와 파이핑(30.5%)이 주된 원인으로 제시되고 있으나(Foster et al., 1988, 2000), 우리나라에서 발생된 104건의 사고 및 붕괴통계(2010 - 2020년)는 복통 노후화(열화, 부식 등)로 인한 결함과 파이핑이 약 11% (11 개소)를 차지하고, 여수토 경계부 붕괴, 월류, 사면파괴 등은 87% (90개소), 기타 2% (3개소)로 파이핑 보다 강우에 의한 피해가 지배적이라는 사실을 알 수 있다(Lee et al., 2022b, 2023, 2024). 이러한 강우에 의한 대표적인 피해 저수지는 2022년 9월 태풍 힌남노로 인해 시간당 90 mm의 폭우가 내리면서 월류가 발생된 경주시 소재 왕신저수지가 있다.
Fig. 2는 왕신저수지에서 월류로 인한 댐마루 및 하류사면의 붕괴현황을 나타낸 것이다. 왕신저수지는 1975년 준공되어 약 47년 된 노후저수지로 길이 303 m, 높이 19 m, 유역면적 2,200 ha, 유효저수량 1,839,000 m3인 규모를 가진다. 짧은 시간 동안에 태풍이 지나가면서 저수지가 전체적으로 붕괴되는 사고는 없었으나, 월류가 발생된 댐마루와 하류사면은 심각한 피해가 있었다. 이러한 사례로부터 흙으로 축조된 저수지는 월류저항성이 없으며, 월류가 지속되는 경우 저수지 붕괴로 인해 인명피해의 가능성도 고려할 필요가 있음을 시사하였다.
월류로 인한 제방의 붕괴는 대체로 제체 다짐도, 제체 구성재료, 댐마루 폭, 사면 경사도, 월류지속시간 등 다양한 요인에 따라 복잡한 붕괴메커니즘을 나타내지만(Lee and Noh, 2014a; Lee et al., 2019, 2020b), 대체로 제방붕괴속도는 침투나 세굴에 의한 붕괴보다 훨씬 빠르게 진행됨에 따라 하류사면에 유속과 소류력 작용과 함께 제체의 급진적인 붕괴를 유발한다.
국내외에서는 이러한 월류붕괴의 위험성을 저감하기 위해 하류사면에 riprap, gabion, 식생피복공법, roller-compacted concrete (RCC), 콘크리트 블록, 보강 매트, 보강사석, 고성능 잔디매트, 바이머폴리머, geomembranes, 토목섬유 등을 사면보호공법으로 적용하여 월류로 인한 사면 침식과 세굴을 방지하는 방법을 적용해 왔다(Hepler et al., 2012; Li et al., 2014; FEMA, 2014; Lee and Noh, 2014b; Ko and Kang, 2019; Lee et al., 2020a). 설계수위 이내에서는 홍수 방지벽 구조물을 설치해서 제체를 보호하는 방법도 있다(USBR and USACE, 2019). 이러한 방법들은 모든 상황에 적합한 것이 아니라 지역의 저수지 제체에 적합한 경우만 사용할 수 있고, 이러한 방법이 실제로 월류된 현장에 적용된 경우는 적기 때문에 실험과 분석을 통하여 검증해야 한다. 또한 시기적으로 최근의 극한강우로 인한 저수지 붕괴가 사회에 미치는 파급력을 감안하면, 국내에서는 제체보호보다 월류를 원천 차단할 수 있는 방재공법을 체택할 필요가 있다.
국내에서 주로 활용되어 왔던 저수지 둑 높이기 공법은 저수량 증대로 수몰지역의 토지보상 문제가 사업에 많은 제약요건이 되고 있으며, 노후화된 수 많은 저수지를 빠른 시간 내에 보수·보강하는 것은 경제적 및 제도적인 측면에서 한계를 가지고 있다. 따라서, 기후변화에 따른 재해가 지속적으로 발생되는 현실을 감안하면, 대안으로 저수지 댐마루에 gabion 옹벽 구조물의 적용이 합리적일 수 있다. Gabion 옹벽구조물 적용에 따른 기대효과는 여수토방수로의 확장 없이 수문학적인 문제를 해결하고, 구조물 자중작용과 그 압성효과로 인한 제체 안정성 증대, 경제성 우수, 단기간 시공 등이 가능하다는 것이다. 특히, 중·소규모 저수지는 유사시 재해규모는 작지만, 실제적으로 월류 피해를 빈번히 받고 있기 때문에 현장적용성은 우수할 것으로 판단된다. 그러나, gabion 적용 시 작은 결함이나 설계 오류가 치명적인 댐 붕괴를 초래할 수 있기 때문에 침투거동, 침하 및 변형특성에 대한 안정성 평가와 실제 현장에서 적용가능한 방법인지를 침투이론해석과 실험적으로 검증하여야 한다. 또한 기존 노후화된 농업용 저수지 리모델링시에 적용하였던 둑 높이기 방법과 월류방지구조물을 설치하였을 경우의 침투특성을 비교 분석하여 월류로 인한 제체의 안정성을 높이는데 어느 정도 효과적인 방법인지를 평가하여야 한다.
따라서, 본 연구에서는 노후화된 농업용저수지의 월류에 의한 제체 붕괴를 방지하기 위하여 댐마루 상부에 gabion 옹벽을 이용한 월류방지구조물을 설치하고, 구조물 배면을 무보강, geomembrane 및 코어로 보강한 대형실내모형실험을 실시하였다. 이러한 조건을 기초로 수위변화(홍수위, 댐마루 수위, 월류수위)에 따른 침투특성 및 변형관찰, 공극수압 분포, 변위 분포 등의 거동을 비교분석한 후 안정성을 검증하여 현장실용화 방안을 마련하고자 한다.
Materials and Methods
대상저수지 선정 및 사용재료
연구대상 저수지인 공주시 소재의 계룡저수지는 제체형식이 zoned fill-type이며, 축조된 지 50년 이상(축조년도: 1964년, 높이: 15.2 m) 경과된 노후 저수지이다. 2011년 저수지 둑높이기 사업의 일환으로 홍수방어 및 저수량 증대를 위해 1.9 m 덧쌓기 되었다. 본 연구에서는 월류방지 구조물을 통해 월류로 인한 붕괴를 방지하고, 노후 제체의 안정성 증대효과를 목적으로 하고 있으므로, 이 조건에 적정하다고 판단되는 계룡저수지의 표준단면을 연구대상 저수지로 선정하였다. 저수지 축조에 사용된 시료는 계룡저수지에서 실제 축조에 이용되었던 토취장에서 채취한 흙(core, embankment)이며, 모형축조에 사용된 시료의 입도곡선과 물리적 특성은 Fig. 3 및 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Material properties.
월류방지 구조물의 설계조건
상부구조물이 적용된 제체는 변위거동이 복잡한 경우 제체의 부등침하로 인해 구조물에 결함이 유발될 수 있다. 특히, 월류방지구조물의 경우 누수문제를 포함하여 제체의 설계저수량을 만족시키지 못하면 월류 붕괴로 이어지므로, 변위거동 분석은 상부구조물의 적용 시 중요하게 고려되어야 할 요소이다(Rogers et al., 2010).
본 연구의 대상구조물인 gabion 옹벽 구조물을 댐마루에 설치 시, 구조물과 제체 사이는 재료성질 및 하중차로 인해 댐마루에 침하현상이 발생되고, interface는 수리적으로 매우 취약하므로 취약부위에서 누수 및 침투발생에 대한 검토가 필요하다. 이 취약부위는 구성재료와 수위조건에 영향을 받으므로 월류방지구조물의 설계는, 첫 번째로 댐마루 상류부에 gabion만 설치한 무보강의 경우, 두 번째로 gabion 배면을 geomembrane으로 보강하여 누수를 차단하는 방법, 세 번째는 gabion 배면을 기존 core (7 cm) 위에 보강된 core (4 cm)를 높여 누수를 차단하는 방법으로 실험조건을 설정하였다.
월류방지구조물의 높이는 매설위치에 따라 결정되는데 상부 높이는 가능최대강수량(probable maximum precipitation, PMP)을 적용하여야 하고, 하부심도는 댐마루부터 어느 정도 깊이까지 매설하느냐에 따라 누수 가능성이 다르게 된다. 따라서 본 연구에서는 상부 높이는 댐마루부터 G.L 9 cm (실물 2.7 m), 하부 매설심도를 댐마루부터 G.L -7 cm (실물 2.1 m)에 매설하였고, gabion 기초하부는 두께 2 cm 정도의 기초판을 설치하여 침하 및 전도현상을 방지하였다.
저수지 모형 축조 및 월류방지 구조물의 설치
Fig. 4는 저수지 단면 제체의 축소모형과 계측기 매설 위치를 보여준다. 실험모형토조는 높이(H) 95 cm, 길이(L) 270 cm, 폭(W) 670 cm로 콘크리트, 철제 및 투명 특수강화 재질로 제작하였고, 제체는 모형토조의 크기에서 구현 가능한 표준단면의 최대크기인 1 / 30으로 축조하였다. 비탈면 경사는 1 : 2.0 (하류사면), 1 : 2.5 (상류사면)으로 제작하였다.
50년 이상 경과된 저수지는 노후화로 인하여 제체 내부의 core와 필터가 기능을 상실한 상태로 안정성에 영향을 주기 때문에 수직 및 수평필터의 설치는 내부침식 방지에 중요한 역할을 한다(Lee et al., 2018, 2020c). 따라서, 필터 존에 설치하는 수직필터(두께: 약 3.5 cm)는 상부구조물의 하부까지 연장하고 수평필터는 쇄석으로 축조된 toe-drain까지 설치하였다. 코어는 기능이 상실한 것으로 가정하여 월류방지구조물의 하부 매설심도(G.L -7 cm)까지만 축조하고, 수직필터 부근에 접촉하도록 하여 코어를 통과한 침투수는 필터를 통하여 배수되도록 하였다. 제체 모형 축조에 사용된 성토재료는 균질한 상태로 포설하기 위하여 4.75 mm체를 통과한 시료만 사용하였고, 모형축조 재료는 최적함수비로 기초지반부터 약 10 cm씩 포설한 후 최대건조밀도를 기준으로 상대다짐도가 90% 이상이 되게 축조하였다.
공극수압계(정격용량: 200 kPa)는 기존 댐마루와 구조물과의 interface에서의 누수 측정을 위해 상류사면 하부(P1, 매설깊이: 하부에서 25 cm), 댐마루 하부(P2, 20 cm), 하류사면 하부(P3, 5 cm), 코어 하부(P4, 44 cm), 하류사면 상부(P5, 38 cm)에 설치하였다. 수직 및 수평 변위계(정격용량: 100 mm)는 gabion 상류측(H1, V1), 하류측(H2), 댐마루 상부(V2)에 각각 설치하고 data logger를 통해 computer에 저장하였다. Fig. 5는 gabion 옹벽의 축조과정을 나타낸 것으로 월류방지 구조물의 설계와 그 효과성을 다루기 때문에, 모형 제체의 모델링은 공학적 정당성을 가져야 한다. 따라서, 월류방지 구조물에 대한 모형조건 상세를 다음과 같이 나타내었다.
Gabion은 국내 돌망태 옹벽의 기준(KDS 11 80 15)에 따라 축소비를 고려하여 높이 16 cm (각 4 cm씩 4단계), 폭 4 - 6 cm로 댐마루 상류부 한쪽에만 축조하였다(MOLIT, 2020a, 2020b). 계단형 gaboin 옹벽은 설계기준에 따라 상부층의 전면은 하부층의 최소 폭 1 / 2 이상을 만족하게 설치하였고, 채움재는 철망의 간격보다 크고 최대입경 250 mm를 초과하지 않는 조건을 만족해야 하므로 축소비를 고려하여 5 - 10 mm체 사이에 있는 쇄석시료를 채움재로 사용하였다.
실험은 3가지 방법으로 진행하였다. 첫 번째는 gabion 배면을 무보강한 경우로 보강시와 비교하기 위해 수행하였다. 두 번째는 gabion 배면을 geomembrane으로 보강한 경우로 침투수를 어느 정도 차단하는지를 규명하기 위해 수행되었다. 세 번째는 gabion 배면을 기존 core (7 cm) 위에 약 4 cm 보강한 경우로 코어가 어느 정도 침투수를 차단하는지를 규명하기 위해 수행되었다.
제체의 침투거동은 다짐, 단면 축조형식에 따른 배수방법, 구조물과 토질재료의 물리적 특성, 포화과정, 수위조건 등의 영향을 받으므로, 저수지 모형실험에 따른 근사해를 구하기 위해서는 현장 저수지 조건과 유사한 조건으로 구성할 필요가 있다. 실험에서 수위조건은 단계별로 홍수위(S1: 44 cm), 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)로 구분하였다. 수위상승은 각 단계에서 P1, P2, P3의 공극수압이 충분히 포화되어 일정한 상태까지 도달한 이후, 다음 수위조건 단계로 상승시켰다. 실험 및 해석에 사용된 수위조건은 Table 2와 같다.
Results and Discussion
제체의 침투 특성 및 변형 관찰
제체의 침투거동은 다짐, 단면 축조형식에 따른 배수방법, 구조물과 토질재료의 물리적 특성, 수위조건 등의 영향을 받는다. 제체에 작용하는 수압은 수위조건, 저수지 제체의 지반재료특성, 월류방지 구조물 설치로 인한 하중이 댐마루에 작용하기 때문에 홍수위, 댐마루 수위, 월류수위에서의 침투특성이 구조물 설치전 조건과는 다르게 나타난다.
따라서 gabion 배면을 무보강한 경우, gabion 배면을 geomembrane으로 보강한 경우, gabion 배면을 댐마루부터 약 4 cm 높이의 코어로 보강한 경우로 구분하여 gabion 옹벽 설치 및 보강방법이 제체의 안정성을 높이는데 있어서 유효성과 효과성을 평가하고자 한다.
Fig. 6은 gabion 배면을 무보강한 경우에 홍수위(S1: 44 cm), 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)에 따른 구조물, 댐마루 및 하류사면에서의 변형을 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 홍수위(S1: 44 cm) 단계로 24시간 동안 일정하게 수위를 유지시킨 상태로 제체에서 누수 및 변형 등의 특이점은 나타나지 않았다.
Fig. 6A는 댐마루 수위(S2: 51 cm)에서 gabion으로 침투된 물이 댐마루를 월류하면서 Fig. 6B와 같이 가장 낮은 위치에서 누수가 발생되기 시작하였고, 수위 증가 후 약 7시간 후에는 하류사면에서 폭 7 - 9 cm, 깊이 0.5 - 3.0 cm 정도로 침식 및 세굴현상이 나타났다. 약 24시간 경과 후에는 Fig. 6C와 같이 하류사면의 세굴영역이 폭 7 - 9 cm, 깊이 1.3 - 3.7 cm 정도로 점점 확대되었지만 댐마루부터 gabion 하부기초까지 포설된 코어(약 7 cm)가 침투수에 대하여 저항을 하고 있어 댐마루는 원상태로 유지하고 있었다.
Fig. 6D는 월류수위(S3: 54 cm)에서는 댐마루부터 하류사면쪽으로 월류량이 상승하면서 세굴영역이 여러방향에서 발생하였고, 각 방향별로 세굴은 다르지만 전체적으로 폭 5 - 16 cm, 깊이 2 - 7 cm 정도로 점점 확대되었다. 수위 증가 후 약 45분 후에는 폭 7 - 31 cm, 깊이 3 - 16 cm 정도로 세굴영역이 확대되면서 댐마루쪽으로 진행되었고, 댐마루 하류측이 붕괴되면서 약 1시간 후에는 Fig. 6E와 같이 그 동안 침투수에 저항을 하고 있던 코어재가 세굴되면서 급격한 붕괴가 발생하였다. 약 1시 30분 후 실험종료시에는 Fig. 6F와 같이 측정된 세굴폭 16 - 64 cm, 깊이 10 - 16 cm 정도로 나타났지만, gabion옹벽은 댐마루 붕괴후에도 다른 월류방지구조물과는 다르게 원형을 유지하였다. 댐마루부터 gabion 하부기초까지 포설된 코어는 장시간 월류시에도 세굴되지 않고 매우 강하게 저항하여 댐마루 붕괴를 지연시키는데 크게 기여하는 것으로 나타났다.
Fig. 7은 gabion 배면과 기초바닥을 geomembrane로 보강한 경우에 홍수위(S1: 44 cm), 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)에 따른 구조물, 댐마루 및 하류사면에서의 변형을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
홍수위(S1: 44 cm) 단계에서는 제체에서 변형 특이점은 나타나지 않았다. 댐마루 수위(S2: 51 cm)에서는 약 6시간 후부터 하류사면에서 약간의 포화현상이 발생되었지만 누수로 인한 침식 및 세굴현상은 나타나지 않았다. 월류수위(S3: 54 cm)에서는 하류사면에서 포화현상이 발생되었지만, gabion으로 침투된 물을 geomembrane이 차단하기 때문에 하류사면에서 누수는 발생되지 않았다.
Fig. 8은 gabion 배면을 기존코어보다 약 4 cm 높이로 보강한 경우로 코어가 어느 정도 침투수가 차단하는지를 규명하기 위해 홍수위(S1: 44 cm), 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)에 따른 구조물, 댐마루 및 하류사면에서의 변형을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
홍수위(S1: 44 cm) 단계에서는 geomembrane 경우와 동일하게 제체에서 변형 특이점은 나타나지 않았다. 댐마루 수위(S2: 51 cm)에서는 하류사면과 배면 코어에서도 약간 포화현상이 발생되었지만 누수현상은 나타나지 않았다. 월류수위(S3: 54 cm)에서는 약 7시간 후부터 미미한 변위가 나타났고, gabion과 코어 접촉면에서 점차적으로 포화영역이 확대되었지만 누수현상은 발생되지 않았다.
전체적으로 수위변화에 따른 월류방지 구조물은 무보강시에는 댐마루 수위로 상승하기 전까지는 월류에 대해 저항하는 것으로 나타났고, gabion 배면을 geomembrane과 core로 보강한 경우에는 수위상승에 따라 구조물과 댐마루 경계부에서 포화는 진행되었으나 보강재의 차수 영향으로 구조물과의 interface에서는 누수현상이 발생되지 않았다. 구조물 자체의 부등침하 및 수압에 의한 전도현상 등의 결함문제도 발생되지 않아서 효과적으로 월류를 방지하는 것으로 평가되었다. 현장시공시 geomembrane으로 보강한 경우 gabion과 일체화되도록 strip 재료로 연결하고, core로 보강한 경우 접촉면에 균열 가능성을 줄이기 위해 댐마루 상부를 콘크리트 또는 아스팔트로 시공하는 방법이 안정성 향상 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 극한강우시 월류가 발생되는 경우 제체는 누수와 세굴로 인해 급진적인 붕괴가 발생되므로 gabion 옹벽과 배면을 보강한 월류방지 구조물의 설치는 방재 예방 측면에서 저수지의 구조적 안정화에 기여하는 효과가 클 것으로 판단된다.
공극수압의 분포
모형실험은 현상에 대한 다양한 조건을 시뮬레이션 할 수 있다는 점에서 실증성을 제공하는 장점이 있으나, 실시간으로 변화하는 제체 내부 상태를 파악하기 어려우므로 계측에 의존해야 하는 측면이 있다. 계측기는 수압 및 변형거동을 측정함으로써 저수지 제체에서 발생되는 전체적인 현상을 설명하는 것은 가능하나, 계측기가 매설되지 않은 비계측 지점에서 침투 및 거동이 발생되는 경우 계측값에 의한 신뢰성이 낮아지므로 현상에 대한 분석은 관찰과 계측에 의한 결과가 상호 보완될 필요가 있다.
Fig. 9A는 무보강시 측정된 공극수압을 나타낸 것이다. 상류사면(P1)은 공극수압이 증가 후 일정하게 유지하다가 월류수위 상승 후에 붕괴되면서 급격히 감소하였다. 제체중앙 하부(P2)는 홍수위에서 성토존의 상부에 형성되고 있었던 침투수가 수위상승과 함께 제체중앙 하부지점으로 유입되어 증가하였다. 댐마루 수위 증가 후, 공극수압은 점차적으로 일정하게 유지하는 경향을 보였다. 홍수위 조건보다는 제체의 침투거동이 상대적으로 작게 나타나 수압변동의 측면에서 홍수위 단계보다 안정적이었으나, 침윤선이 제체 중앙부에도 형성되어 있음을 알 수 있다. 하류사면 하부(P3)에서는 침투 진행에 따라 약간 상승하거나 일정하게 유지되고 있어, gabion으로 대체된 toe- drain에서 원활한 배수로 공극수압의 증가를 억제하고 있음을 알 수 있다. 코어 하부(P4)에서는 수위상승의 영향을 직접 받기 때문에 증가한 후 일정하게 나타났고, 월류수위가 약간씩 시작되면서 침투수의 영향으로 크게 증가한 후 감소하였다. 댐마루와 월류방지 구조물에 영향을 미치는 위치인 하류사면 상부(P5)에서는 매우 작게 나타났는데, 이와 같은 현상은 육안관찰로는 보이지 않았지만 수위를 증가시킨 초기에 코어에서 일부 침투수를 차단하고, 일부는 수직필터를 통해 배수되기 때문으로 판단된다.
Fig. 9B는 gabion 배면을 geomembrane으로 보강한 경우에 홍수위(S1: 44 cm), 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)에 측정된 공극수압을 나타낸 것이다. 상류사면(P1)에서는 수위가 증가함에 따라 증가한 후 일정하게 유지하였다. 제체중앙 하부(P2)에서는 댐마루 수위에서 무보강시와 다르게 급격한 증가를 나타내었는데 이는 침윤선이 제체 중앙부로 상승되었기 때문으로 판단된다. 하류사면 하부(P3)가 toe -drain에서 원활한 배수로 매우 작게 나타났다. 댐마루 코어 하부(P4)에서는 수위상승의 영향을 직접 받기 때문에 증가한 후 일정하게 나타났다. 월류방지 구조물에 영향을 미치는 위치인 하류사면 상부(P5)에서는 하류사면에서 약간의 포화현상이 발생되었지만 geomembrane이 침투를 차단하였기 때문에 증가현상 없이 작게 나타났다.
Fig. 9C는 gabion 배면을 코어로 보강한 경우에 댐마루 수위(S2: 51 cm), 월류수위(S3: 54 cm)에 측정된 공극수압을 나타낸 것이다. 상류사면(P1)와 제체중앙 하부(P2)에서는 수위가 증가함에 따라 급격하게 증가한 후 일정하게 유지하였다. 하류사면 하부(P3)가 toe- drain에서 원활한 배수로 공극수압이 매우 작게 나타났다. 코어 하부(P4)에서는 수위상승의 영향을 직접 받기 때문에 상류사면(P1)과 유사하게 증가한 후 일정하게 나타났다. 월류방지 구조물에 영향을 미치는 위치인 하류사면 상부(P5)에서는 geomembrane 보강시 보다 약간 더 크게 나타났고, 월류수위에서는 gabion과 배면코어 접촉면이 약간 포화되어 점차로 증가하는 경향을 나타냈다.
전체적으로 무보강시의 공극수압은 수위상승에 따라 증가한 후 일정하게 유지하였으며 월류수위(54 cm)에서는 세굴영역이 전체 하류사면으로 확대되면서 상승한 후에 댐마루 일부구간이 집중적으로 붕괴되면서 급격히 감소하였다. Geomembrane과 코어로 보강한 경우에는 수위상승에 따라 증가한 후 일정한 상태를 유지하였다. 침투에 의한 누수영향을 직접적으로 판단할 수 있는 하류사면 상부(P5)는 보강재에 의한 차수와 필터의 배수로 공극수압이 매우 작게 나타나 gabion을 geomembrane과 코어로 보강한 방법은 모두 우수하였고, 공극수압의 변화로 판단해보면 geomembrane 방법이 더 작게 나타나 코어 보강 방법보다 더 우수한 것으로 평가되었다. 수직 및 수평필터와 toe drain을 통한 배수도 이상기후에 의해 월류시 제체 침윤선 저감 및 파이핑 발생확률을 낮추어 제체 안정화에 기여 한 것으로 판단된다.
수평 및 수직변위의 분포
Figs. 10, 11, 12는 무보강시, gabion 배면을 geomembrane으로 보강한 경우, gabion 배면을 코어로 보강한 경우에 월류방지 구조물을 중심으로 상류측(H1)과 하류측(H2)에 설치된 수평변위와 구조물 수직변위(V1)와 댐마루 수직변위(V2)의 변화를 나타낸 것이다.
Fig. 10은 무보강시 상류측 수평변위(H1)와 하류측의 수평변위(H2)로 홍수위(S1)에서 댐마루 수위(S2)까지는 약간씩 하류측(-)으로 이동하였고, 월류수위(S3)에서는 세굴영역이 확대되면서 붕괴 후 급격하게 하류사면측으로 이동하였다. 붕괴전까지 수평변위의 범위는 0.003 - 0.059 mm (H1), 0.02 - 0.062 mm (H2)로 매우 작게 나타났다. 상류측 수직변위(V1)와 댐마루 수직변위(V2)는 홍수위(S1)부터 약간씩 침하하고, 댐마루 수위(S2)에서는 누수에 의한 포화영향으로 미소하게 증가한 후 일정하다가 월류수위(S3)에서는 약간 감소하였다. 수직변위의 범위는 0.147 - 0.239 mm (V1), 0.317 - 0.359 mm (V2)로 매우 작게 나타났다.
Fig. 11은 geomembrane 보강시 수평 및 수직변위로 수위증가에 따라 큰 변화없이 일정한 상태를 유지하였다. 수평변위의 범위는 0.013 - 0.029 mm (H1), 0.003 - 0.011 mm (H2)로 매우 작게 나타나 제체에 미치는 영향은 작은 것으로 평가되었다. 수직변위는 홍수위(S1)에서 급격하게 침하한 후 미소하게 감소하였고, 수직변위의 범위는 0.195 - 0.238 mm (V1), 0.280 - 0.393 mm (V2)로 매우 작게 나타나 침하에 대한 영향은 미미한 것으로 나타났다.
Fig. 12는 코어 보강시 수평변위로 geomembrane 보강시와 유사하게 수위증가에 따라 큰 변화없이 일정한 상태를 유지하였다. 수평변위의 범위는 0.01 - 0.02 mm (H1), 0.01 - 0.018 mm (H2)로 매우 작게 나타나 제체에 미치는 영향은 작은 것으로 평가되었다. 상류측 수직변위(V1)는 큰 변화없이 일정하게 유지하였고, 댐마루 수직변위(V2)는 접촉면에서 포화영향으로 약간씩 감소하였으며, 수직변위의 범위는 0.01 - 0.055 mm (V1), 0.25 - 0.316 mm (V2)로 매우 작게 나타나 침하에 대한 영향은 미미한 것으로 나타났다.
전체적으로 무보강시의 수평변위와 수직변위는 수위증가에 따라 약간씩 증가하였고, 붕괴 후에는 급격하게 감소하였으며, geomembrane과 코어 보강시의 변위는 0.01 - 0.03 mm (H1), 0.01 - 0.238 mm (V1)으로 무보강시보다 더 작게 나타나 제체 안정성에 미치는 영향은 매우 작은 것으로 평가되었다. 이는 누수로 인한 세굴의 영향을 차단하였기 때문으로 분석되었다. Gabion이 적용된 조건은 필댐 설계기준 이내에 포함되었으며, 축소모형에서의 거동이 실물과 다르지만 구조물 하부 성토체의 포화 및 수압에 따른 침하, 활동, 전도의 영향은 발생되지 않아 안정한 것으로 평가되었다.
월류방지구조물의 효과는 월류수위(S3)에서 형성된 침윤선이 댐마루 core에 의해 차수되고 침투수는 수직필터로 유도됨으로서 하류사면에서의 누수를 저감시키는 것으로 나타났다. 또한, 제체 내 공극수압이 증가 후 안정화된 상태를 볼 때 수직 및 수평필터는 제체 내 침윤선을 저감함으로써 제체 안정화에 기여한 것으로 판단된다.
Gabion 배면을 보강한 월류방지구조물은 월류수위를 지속시켰을 경우에도 제체 안정성을 유지하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나, 월류방지 구조물 설치에 따른 위험요소는 geomembrane 사용시 gabion과 일체화 문제, 장기간 햇빛 노출로 인한 내구성 문제, gabion과 core 경계부의 부분적인 포화현상으로 잠재적인 위험요소를 제거하기 위한 과제도 발생하였다. 따라서, 현장시공 시에는 gabion과 일체화되도록 strip 재료로 상호 연결하는 방법과 식생재배를 통한 햇빛 차단, 댐마루 상부를 콘크리트 또는 아스팔트 재료로 포설하는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 또한 극한강우시 수위 상승에 따른 침투현상을 저감하기 위해서는 하류 비탈끝의 toe-drain의 규모 및 높이를 추가 연장하여 제체 내 침투되는 누수를 신속히 배제할 수 있는 방안을 검토해야 할 것으로 판단된다. 일부 기술적인 부분을 개선시킬 필요가 있으나, 전체적으로 보강방법, 댐마루 코어, 수직 및 수평필터, 비탈끝 gabion의 기능으로 인해 월류수위가 지속된 상태에서도 제체 안정성을 유지하고 있고, 단기간에 설치가 가능하며 경제적이므로 향후 극한강우로부터 노후화된 농업용저수지의 월류를 원천 차단할 수 있는 유효한 방안이 될 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구에서는 노후화된 농업용저수지 제체의 월류붕괴를 방지하기 위해 댐마루에 gabion 옹벽을 이용한 월류방지구조물을 제안하고, 무보강, geomembrane 보강, core를 보강한 조건에서 대형실내모형실험을 실시하였다. 이러한 조건에서 수위변화(홍수위, 댐마루 수위, 월류수위)에 따른 침투특성 및 변형관찰, 공극수압 분포, 변위 분포 등의 거동을 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 댐마루에 gabion만 설치된 무보강 조건은 댐마루에서 수위 상승에 따라 월류에 의한 세굴이 진행되었고, 월류수위 도달 시 가장 취악한 부분의 코어가 세굴되면서 댐마루 일부가 붕괴되었다. 그러나, gabion 구조물은 원형을 유지하였고 gabion과 접촉면에 포설된 코어가 장시간 월류시에도 세굴되지 않아 gabion 자체가 댐마루 붕괴지연에 크게 기여하는 것으로 나타났다.
2. Gabion 배면을 geomembrane과 core로 보강한 조건에서는 수위상승에 따라 구조물과 댐마루 경계부에서 포화가 관찰되었지만 보강재의 차수효과로 구조물과의 interface에서는 누수현상이 발생되지 않았다. 월류 시에도 누수에 의한 세굴을 방지할 수 있다는 측면에서 geomembrane과 core의 보강은 유효한 설계로 평가되었다.
3. Geomembrane과 core를 보강한 조건에서의 공극수압은 수위증가 후에 일정하게 유지하였고, 침투에 의한 누수 영향을 직접적으로 판단할 수 있는 하류사면 상부는 보강재에 의한 차수와 필터의 배수로 매우 작게 나타나 보강에 대한 효과성이 검증되었다.
4. 댐마루에 gabion만 설치된 무보강 조건에서의 수평변위와 수직변위는 수위증가에 따라 약간씩 증가하였고, 붕괴 후에는 급격하게 감소하였으며, geomembrane과 코어 보강시의 변위는 무보강시보다 더 작게 나타나 제체 안정성에 미치는 영향은 매우 작은 것으로 평가되었다. 이는 월류 시 geomembrane과 core의 보강에 의해 누수를 방지함으로써 세굴에 의한 변위가 억제된 것으로 평가되었다.
Gabion 공법을 보강한 월류방지구조물은 월류의 원천 차단과 함께 변형과 누수를 억제함으로써 노후저수지의 월류피해를 저감시킬 수 있는 효과적인 방법으로 평가되었다. 최근의 극한강우와 관련하여 노후 저수지는 향후 급진적인 붕괴가능성이 높으므로 본 연구 결과는 농업용 저수지의 구조적 안정성 강화와 더불어 현장 실용화의 토대를 마련할 수 있는 기초자료로서 유용할 것으로 판단된다.