1. 서 론
2. 하천제방 현황 조사
2.1 붕괴 지역 개요
2.2 지반물성조건 및 해석조건
3. 제방 비탈면의 침투-안정성 분석
3.1 붕괴에 대한 제방 역해석
3.2 홍수위 시 수위급강하 제방 안정 해석
3.3 월류 시 제방 안정 해석
3.4 J.S.P 보강 후 제방 안정 해석
3.5 제방의 장기적인 안정을 위한 보강공법
4. 결 론
1. 서 론
최근 이상기후로 인한 국지성 집중호우의 발생 빈도가 급격히 증가하고 있으며, 실제 강우량이 설계 강우강도를 초과하는 사례도 지속적으로 보고되고 있다. 이에 따라 대부분의 하천제방은 급격한 수위 변화를 반복적으로 경험하고 있다. 국내 하천제방은 대부분 1970~80년대에 집중적으로 많이 건설되어 침투에 대한 내구성이 전반적으로 취약하다. 이러한 반복적인 수위 변화는 제체의 구조적 변형을 가속화시키는 주요 원인으로 작용한다. 현재 하천제방은 노후화와 이상 홍수 현상으로 인해 치수 구조물로서 안정성이 떨어지며, 홍수 발생 시 제방 붕괴 사고가 급증하고 재산과 인명피해를 발생시키고 있다. 따라서, 다양한 수위 변화에 대응하는 하천제방의 안정성을 확인하기 위해서는 제체 내부의 침투수에 의한 거동 변화 계측이 필요하다.
국내의 경우 강수량 50% 이상이 여름철(6~9월)에 집중된 하계집중형 강수 패턴을 띄고 있으며, 이런 강우 특성은 하천수위의 급상승과 급강하를 유발시킨다. 1987년~2006년까지 통계자료에 따르면 하천제방은 노후화와 이상 홍수의 영향으로 조사 건수 총 835건 중 월류 334건(40%), 침식 328건(39.3%), 제체 불안정 92건(11%), 구조물에 의한 파괴 81건(9.7%) 순으로 제방의 붕괴가 발생한 것으로 보고되었다(한국건설연구원, 2014). 하천제방의 붕괴 원인은 수공학적 원인뿐만 아니라 제체 및 기초지반의 침하, 침투, 사면안정, 하상토 세굴 등 지반공학적 원인과 직·간접적으로 관련되어 있다(Kim et al., 2014).
하천수위의 급격한 변동(급상승 및 급강하)은 제방제체로 하여금 제체 내부의 침윤선과 동수경사, 침투유속 등을 변화시켜 제방 내구성에 큰 손상을 발생시킨다. 이러한 현상은 지반 및 제체누수의 원인이 되며, 파이핑(Piping)에 의한 제체 파괴를 야기시킨다. 제체 파괴는 주로 월류, 침투에 의한 내적침식(internal erosion), 침하, 사면 불안정 등에 의해 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이와 관련하여 확률론적 틀에서 제방의 파괴메커니즘을 해석하는 다양한 연구가 수행되고 있다(Fenton and Griffiths, 1997; Griffiths and Fenton, 1998; Kim et al., 2015; Sharafati et al., 2020).
현재까지 제방의 파괴메커니즘과 파괴유형에 따른 제방 안정성에 대한 연구는 활발히 수행되어지고 있으나, 파괴 후 실시하는 보강방법에 대한 안정성 연구는 미비한 상황이다. 이에 본 연구에서는 실제 수위급강하(Drawdown)로 인해 붕괴가 발생한 전라남도 나주시 다시면 영산강에 축조된 하천제방을 통해 보강방법에 따른 시간별 침투 및 안정해석을 실시하였다. 또한, 붕괴 발생 원인 이외의 극한 상황에서의 수위 변화에 따라 변화하는 안전율을 바탕으로 제체의 침투 안정성을 분석하여 효율적이고 합리적인 보강 대책 공법을 제안하고자 한다.
2. 하천제방 현황 조사
2.1 붕괴 지역 개요
본 연구대상 지역은 전라남도 나주시 다시면 회진리 일대에 축조된 제방으로 영산강 강변도로 OO공구 개설공사 현장이다(Fig. 1). 이 지역은 수위급강하로 인한 비탈면 전단파괴와 측방유동으로 도로면에 포장균열 및 침하가 발상하여 붕괴가 일어난 구간이며, 대상 구간 전경은 Fig. 2와 같다.
Fig. 3은 지반조사 결과를 바탕으로 작성한 대상지역의 표준단면도이며, 표준단면도 내의 빨간색 실선은 실제 수위급강하로 인하여 발생한 비탈면 붕괴라인을 나타내고 있다.
2.2 지반물성조건 및 해석조건
제방 내부의 간극수압 분포와 사면 안전율을 수위 조건별로 명확히 분석하기 위하여 침투해석과 사면안정해석을 연계하여 수행하였다. 해석에 적용된 지층별 물성치는 붕괴 발생 후 실시한 지반조사와 실내토질시험을 통해 산정하였으며, 그 결과는 Table 1에 제시하였다. 대상 단면의 지층 구성은 Fig. 3의 표준단면도와 같이 사질토, 매립층, 충적층(실트질 모래), 충적층(점토질 실트), 풍화토, 풍화암의 총 6개 층으로 구분된다.
Table 1.
Soil properties of river levee
불포화 침투해석을 각 지층별로 수행하기 위해서는 함수특성곡선(Soil-water characteristic curve) 및 불포화 투수계수 실험값이 필요하며, 함수특성곡선 같은 경우 정량적인 산출이 어려울뿐더러 실험방법 또한 매우 복잡하다. 이에 본 연구에서는 불포화 침투해석에서 매우 중요한 인자인 함수특성곡선을 각 구성 토층에 대하여 침투해석 프로그램에서 제안한 값을 참조하여 적용하였다(GeoStudio, 2022; Kim et al., 2023).
3. 제방 비탈면의 침투-안정성 분석
지반 물성치와 설정한 해석조건을 토대로 실제 제방의 침투·안정성 거동을 단계적으로 분석하였다. 먼저, 붕괴가 발생한 구간을 대상으로 역해석을 수행하여 제체의 물성치와 붕괴 원인을 규명하였으며, 이후 홍수위 시 수위급강하, 월류 상황 등 다양한 수리 조건을 적용하여 제방 내부의 간극수압 변화와 이에 따른 사면 안정성을 평가하였다. 또한, 시간 경과에 따른 안전율 변화를 비교함으로써 각 조건에서 제방이 나타내는 거동 특성을 도출하고, 나아가 보강 방법 전·후의 효과를 검토하였다.
3.1 붕괴에 대한 제방 역해석
붕괴가 발생한 구간의 초기 지형 조건은 Fig. 3의 표준단면도를 기준으로 설정하였으며, 이를 바탕으로 Fig. 4의 수치해석 단면 모델을 구성하였다. Fig. 4는 붕괴가 발생한 제방 비탈면의 초기 지형조건 및 경계조건을 나타낸다.
침투해석을 위한 경계조건의 경우 하천수위를 관리수위 높이까지 고려하였으며, 유한요소해석을 통해 상·하류사면에서 침윤선의 경향을 확인하고자 하였다. 또한, 침투해석 결과를 기반으로 사면안정해석을 연계하여 진행하였는데, 사면안정해석의 경우 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 앞서 제시한 Table 1의 강도정수 값을 적용하였다. 수위급강하 조건은 관리수위 E.L 3.5m에서 죽산보를 이용한 수위관리를 위해 2시간 만에 E.L 1.5m로 수위를 급강하시켜 붕괴가 발생한 당시 상황을 재연하였다. 성토층에 작용하는 교통하중은 도로교 시방서(DB-23)에 따른 차량하중 13kPa를 적용하여 Fig. 5와 같이 시간별 침투 및 안정해석을 수행하였다.
현장 제방 비탈면이 붕괴된 원인으로 Fig. 5(a)는 수위급강하 2시간 경과 후 제방 내부의 간극수압 분포를 보여주며, Fig. 5(b)는 2시간 경과 후 제방 비탈면 안정해석 결과를 나타낸다.
수위급강하 발생 후, 2시간이 지난 시점부터 사면 안전율이 ‘1’ 이하로 떨어져 안전율 ‘0.984’를 기록하여 붕괴 발생을 해석으로도 확인할 수 있었다. 수위급강하로 인한 하부지반의 실트질 모래층과 점토질 실트층인 불투수층의 분포로 지반 내 잔류수압이 계속 지속되었으며, 침투수의 투수층 흐름으로 지반변형이 파괴의 주요 원인임을 판단할 수 있었다.
3.2 홍수위 시 수위급강하 제방 안정 해석
제방 안정성 평가를 위한 해석에서는 수위급강하와 계획홍수위를 고려한 침투해석이 수행된다. 본 연구에서 추가적으로 수행되는 안정해석은 계획홍수위 기준으로 수위급강하 조건을 적용하였으며, 이를 바탕으로 시간에 따른 침투-안정성 변화를 분석하였다.
Fig. 6은 홍수위 조건과 시간별 비탈면 안정해석을 위한 경계조건을 나타내고 있다. 대상 지역의 홍수위는 E.L 9.5m이며, 수위급강하 조건은 홍수위 조건에서 2시간 이내에 E.L 1.5m까지 8m 저하되는 것으로 설정하였다. 또한, Fig. 7에 제시된 바와 같이 사면안정해석에는 수위급강하로 인해 노출되는 비탈면의 위치에 인장균열을 추가하여 안정성 검토를 수행하였다.
홍수위 및 인장균열을 고려한 조건에서는 수위급강하 발생 후 1시간 경과 시점에 안전율이 ‘1.068’로 저하되며 매우 불안정한 상태를 보였으며, 2시간 경과 시에는 안전율이 ‘0.857’로 떨어져 붕괴가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 붕괴 당시 수위급강하 조건만을 고려한 경우보다 불안정한 거동을 보이는 결과로 인장균열과 수위 상승에 따른 수위 변화가 사면 안정성에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 홍수위로 인해 상승한 수위가 급격히 저하되면서 제방 사면 내부의 침윤선이 상류 사면을 중심으로 빠르게 형성되었고, 이것으로 간극수압이 상승하며 안전율이 급격히 저하된 것으로 나타났다.
3.3 월류 시 제방 안정 해석
하천제방 붕괴 유형 중 가장 전형적인 사고 사례인 월류는 전체 제방 사고의 약 40%를 차지한다. 이에 본 연구에서는 대상 지역에서 월류 상황을 가정하고, 이에 따른 비탈면의 불안정성을 지반공학적으로 분석하기 위해 불포화 침투-안정해석을 연계하여 수행하였다. 이를 통해 월류에 의한 제방의 잠재적 위험성을 평가하고자 하였다.
월류 발생 시 조건과 시간별 비탈면 안정해석을 위한 경계조건은 다음과 같다. 하천수위는 상단 수두(H)에 위치시켜 하류사면의 초기조건을 포화상태로 가정하였으며, 제내지 구간에는 지반의 투수계수(1.0×10-6m/sec) 보다 큰 강우강도(1.0×10-5m/sec)를 적용하여 월류 상황을 재연하였다(Fig. 8). 특히 본 해석의 경우 침식모델링을 적용하지 않았으므로, 실제 현장 조건보다 보수적인 평가 결과로 해석될 수 있다(Fig. 9).
월류가 시작되는 초기 단계에서 제내지 비탈면의 안전율은 ‘0.899’로 나타나 파괴 가능성이 높은 불안정한 상태임을 Fig. 9를 통해 확인하였다. 월류 직후 안전율은 단기간에 임계치(Fs=1.0) 이하로 급격히 감소하였으며, 이는 월류 발생 초기 시점이 제방 붕괴를 결정짓는 가장 취약한 구간임을 의미한다. 따라서 현장조건에 적합한 보강공법의 선정이 요구되며, 이를 검토하기 위해 보강 전 조건에서의 시간 경과에 따른 안전율 변화를 Fig. 10에 제시하였다.
3.4 J.S.P 보강 후 제방 안정 해석
현장 지반 조건에 적합한 보강 방법을 검토한 결과, 파이핑 방지와 별도의 차수 그라우팅이 불필요한 Jumbo Special Pile(J.S.P) 보강공법이 적절하다고 판단하였다. 위 단락에서 해석한 3가지의 경우에 따른 J.S.P 공법 적용 시 제방의 안정성을 평가하였다. Fig. 11은 J.S.P로 보강된 단면을 나타낸 것으로 수위급강하에 따른 시간별 침투-안정성 변화를 분석하였다. 보강에 적용된 J.S.P 물성치는 등가연속체 개념에 접합면 강성을 고려하여 Table 2와 같이 산정하였다. J.S.P 보강은 유효폭 0.8m, 설치길이 총 11m로 성토층 시작 높이부터 불투수층인 암반층까지 고정하였다. 보강 후 시간 경과에 따른 간극수압 분포 및 비탈면 안정성 확보 여부를 평가하였다.
Table 2.
J.S.P method properties
| Unit weight | Cohesion | Uunconfined Compression Strength | Elastic Modulus | Hydraulic Conductivity |
| 23 kN/m3 | 300 kPa | 1,000 kPa | 100,000 MPa | 1×10-5 m/sec |
2m 수위급강하로 인한 붕괴에 원인으로 J.S.P 공법을 적용하여 해석한 결과, 2시간 동안 비탈면의 안전율은 ‘1.231’을 유지하였으며, 수치해석 상 붕괴가 발생하지 않았다. Fig. 11을 통해 J.S.P 공법이 해당 붕괴 유형에서 효과적인 사면 안정성 확보 공법임을 확인할 수 있었다. 보강 효과로 인해 하부 지반 내부의 침투수 흐름이 차단되고 간극수압 상승이 억제되어 결과적으로 사면 붕괴 위험이 저감된 것으로 나타났다.
보강 후 수위급강하 조건뿐만 아니라 계획홍수위 상태에서의 수위저하조건(9.5m→1.5m)을 동일하게 적용하여, 홍수위 시 J.S.P 보강에 대한 안정성 검토를 진행하였다. 또한, 제체 경사면에 발생하는 인장균열은 비탈면 붕괴의 주된 원인이므로 기존 수위급강하로 인해 노출되는 사면 위치에 인장균열을 적용시켜 해석을 수행하였다.
현장에서 발생한 파괴조건보다는 극한 조건인, 홍수위 및 인장균열 조건에서는 수위급강하 후 1시간 경과 안전율이 ‘Fs=1.179’로 감소하였으며, 2시간 경과 시점에는 Fig. 12와 같이 ‘Fs=0.972’로 하락하여 안전율이 1.0 이하로 떨어져 사면 붕괴가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 J.S.P 공법은 홍수위 조건에서 사면 붕괴를 억제하기에 충분하지 않으며, 지반의 간극수압 상승을 효과적으로 제어하지 못하였다. 이처럼 국내에서는 여전히 붕괴 원인에만 초점을 맞춘 보강공법이 주로 적용되고 있어, 장기적인 사면 안정성 확보에는 한계가 있는 상황이다.
홍수위 조건뿐만 아니라 다양한 조건에서 보강공법의 안정성을 객관적으로 평가하기 위해, 제방의 주요 파괴 요인인 월류 발생 시의 안정성을 검토하였다. 같은 방법으로 J.S.P 보강공법을 적용한 후 발생 가능한 월류 상황을 가정하였으며, 월류 상황의 설정은 Fig. 8을 기준으로 하여 침투-안정성 분석을 수행하였다.
해석 결과, 제외지 측 침투수가 사면 내부로 유입되면서 사면내 간극수압이 급격히 상승하였고, 이에 따라 사면 안전율은 ‘0.979’로 감소하며 사면 파괴가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 13). 이는 월류에 의해 발생하는 침식 및 침투현상이 사면 붕괴를 직접적으로 유발하며 이에 따른 추가적인 사면보강의 필요성을 보여주고 있다. 이러한 경향은 J.S.P 보강 조건에서의 시간별 안전율 변화에서도 확인되며, 그 결과는 Fig. 14에 도시하였다.
3.5 제방의 장기적인 안정을 위한 보강공법
기존의 보강공법은 주로 제체 내부의 강도 확보에 중점을 두고 있어 표층 침식 및 인장균열과 같은 표면적 손상에는 취약한 특성이 있다. 월류 및 수위급강하에 의해 발생하는 표층 침투와 원호파괴는 기존 공법만으로는 효과적으로 제어하기 어렵다. 이에 따라 시공이 간편하고 경제적이며 침식 저항성이 우수한 표층개량제를 활용한 추가적인 보강이 적절한 대안으로 판단된다. 표층개량제는 표면의 강도를 증가시키는 동시에 침투수 차단 및 인장균열 방지에 효과적이다. Table 3은 보강한 표층개량제의 강도정수 값을 나타낸다.
Table 3.
Property of soil improvement agent
| Unit weight | Cohesion | Friction Angle | Hydraulic conductivity |
| 19 kN/m3 | 200 kPa | 25° | 1×10-5 m/sec |
산정한 강도정수 값은 풍화토에 표층개량제를 첨가하여 혼합하면 강도 개선 효과가 나타나지만 안전율 등을 고려하여 일반적인 풍화토 지반정수 값을 적용하였으며, 투수계수는 해석 프로그램에서 제안(GeoStudio, 2022)한 값을 참조하여 적용하였다. 점착력의 경우 200kPa 이상일 때, 강우 및 우수에 대한 저항성이 크게 증대하고 식생이 가능하다는 연구결과(Lee et al., 2021)에 따라 최소 점착력 200kPa를 산정하였다.
원호파괴가 발생한 구간에 대해 표층개량제를 이용하여 두께 50cm로 보강을 실시하였으며, 이에 따른 비탈면 안정성 확보 여부를 평가하였다. 수위급강하 조건에서 보강 후 1시간 경과 시점의 안전율은 ‘1.605’로 J.S.P 보강만을 적용한 경우 보다 안전율을 확보하는 것으로 나타났다.
수위급강하가 발생한 2시간 후의 안전율은 ‘1.553’으로 기존 보강방법 대비 약 26% 향상된 결과를 나타냈다(Fig. 15). 표층개량제를 활용한 하천제방 사면보강은 장기적인 안정성 측면에서 충분히 효과적이며, 기존 공법들의 혼합 시공에 비해 시공이 간편하고 재료 단가가 저렴하여 비용 대비 효과성이 우수할 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안한 보강 방법을 적용한 결과, 홍수위급강하 후 1시간 경과 시점의 안전율은 ‘1.728’, 2시간 경과 시점의 안전율은 ‘1.427’를 기록하였다. 이를 통해 표층개량제가 비탈면의 침식 및 인장균열에 대한 안정성 확보가 효과적임을 확인할 수 있었다(Fig. 16). 표층개량제 보강 방법 적용 시 J.S.P 공법만으로 보강된 안전율보다 2시간 경과 후 안전율이 약 46% 이상 향상되는 것으로 나타나, 수위 변동에 따른 비탈면 거동의 안정성 개선에 효과적임을 확인하였다.
월류 발생 시에는 보강을 실시하였음에도 불구하고 붕괴가 발생하였으며, 이는 단순히 붕괴 원인에 대한 보강만으로 충분하지 않다는 점을 확인할 수 있었다. 반면, 표층개량제를 추가하여 보강한 방법은 월류 상황에서도 안정성을 유지할 수 있었다.
월류에 대한 해석조건 및 경계조건은 앞서 해석한 조건과 동일하게 주어 해석을 진행하였다. 해석 결과, 본 연구에서 제안한 보강방법은 안전율 ‘1.264’를 기록하여 붕괴가 발생하지 않는 것으로 나타났으며(Fig. 17), 또한 모든 수위조건에서 시간 경과에 따른 안전율 변화에서도 안정성이 확보됨을 확인하였다(Fig. 18).
Fig. 19는 다양한 수위 변동 조건(수위급강하, 계획홍수위에서 수위급강하, 월류 시)에 따른 보강 공법별 안전율 변화를 보여준다. 본 연구에서 제안한 보강 공법은 기존 공법 대비 홍수위 및 월류 조건에서 안전율이 각각 약 46%, 29% 향상되는 것으로 나타났다(Table 4). 그러나 국내의 기존 보강 공법은 현장 지반 조건과 직접적인 붕괴 원인에만 근거하여 선정되는 경우가 많다. 이러한 접근법은 단기적 안정성 확보에는 유효할 수 있으나, 근본적인 원인을 해결하지 못해 장기적인 안정성을 보장하기 어렵다는 한계가 있다. 이는 결과적으로 재붕괴의 잠재적 위험성을 내포하는 것으로 분석되었다. 따라서 조합보강의 목표 안전율은 Fs≥1.0 이상으로 설정하되, 시공 후에는 반드시 지속적인 현장 계측을 통해 그 안정성을 검증해야 한다.
4. 결 론
본 연구에서는 전라남도 나주시 다시면에서 붕괴된 하천제방을 대상으로 수위급강하, 홍수위 시 수위급강하, 월류에 따른 하천수의 침투와 연계한 시간에 따른 안전율을 보강방법에 따라 비교하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
(1) 하천제방의 주요 붕괴 원인은 잦은 강우로 인한 수위변동에 따라 제방 비탈면에서 지반 거동이 발생하고 이에 따라 상부도로의 침식과 균열이 유발되는데 있다. 본 연구 대상지인 하천제방은 약 2m의 수위급강하로 제체 경사면의 인장균열이 발생하여 붕괴가 발생하였다. 붕괴 원인으로 보강된 J.S.P. 공법은 현재 안정성을 유지하지만 장기적으로 다른 조건에서는 불안정성을 보였다.
(2) 하천제방의 1차 붕괴 이후, 장기적인 수위변화는 지속적으로 지반 거동을 발생시키고 더 큰 수위차를 발생시키며, 월류까지 발생시켜 2차 붕괴에 대한 위험성을 갖고 있다. 본 연구에서는 가능성 있는 가장 큰 수위 변화시 수위급강하와 극한강우로 종종 발생되는 월류 상황에서 하천제방의 안정성을 해석하였다. 이에 대한 보강방법으로는 침투를 연계한 제방 비탈면 안정해석을 수행하여 표층개량제의 보강이 추가되어야 한다고 판단된다.
(3) 집중강우로 인한 월류 현상과 수위급강하로 발생하는 물의 침투는 비탈면 표층의 강도를 저하시켜 표층에 인장균열을 유발시킨다. 표층의 인장균열과 침투를 방지하기 위해 표층개량제를 추가적으로 보강하는 것이 중요하다. 본 연구에서 제안한 표층개량제의 추가 보강 결과, 홍수위 시와 월류 시 각각 46%, 29%의 안전율 상승 효과를 보였으며, 이는 하천제방의 장기적인 안정성에 효과가 있는 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 제안한 보강방안에 대해 다양한 하천조건과 붕괴 메커니즘을 종합적으로 고려한 추가 검증을 통해 실질적인 적용성과 시공성 향상을 검토할 필요가 있다.
