1. 서 론
2. 사고 시설 제원 및 유지관리 이력
2.1 사고 시설 위치 및 제원
2.2 유지관리 이력
3. 조사결과 및 분석
3.1 월류발생과 피해상황
3.2 월류진행 지속과 하류비탈면 피해진행의 관계
3.3 하류 비탈면 침식과 식생 보호공의 영향
3.4 그라우팅과 제체 붕괴방지의 관계
4. 결 론
1. 서 론
최근 빈번한 극한강우 발생으로 국민 안전을 위협하고 국가 기간시설물들에 직접적인 피해를 발생시키고 있다. 농업기반 시설물들에 피해사례들이 늘어나고 있는데, 특히 전국적으로 17,000여 개소에서 운영 중인 농업용 저수지들에서도 피해가 발생하고 있어 국민적인 우려가 높아지고 있다(ICOLD WRD, 2020; Choi, 2022).
2023년 충청북도 괴산군 소재 **댐 월류사고가 방송을 통하여 실시간으로 보도되면서 이러한 우려가 확인되는 기회가 되었다. 그러나 **댐은 발전용 콘크리트댐으로 월류발생에도 불구하고 구조물 손상은 크지 않은 것으로 보인다(Choi, 2023). 그러나 2022년 9월 6일 경상북도 경주 소재 ○○저수지의 사례는 그 상황이 **댐과는 다소 다르게 나타났다. ○○저수지는 농업용 저수지로 제체는 존형 필댐형식으로서 월류로 인해 하류비탈면이 심각한 침식 피해를 입게 되었다. 만약 제체가 완전 붕괴되었다면 하류에 미치는 피해는 훨씬 크겠지만, 다행히 제체 완전 붕괴까지 진행되지 않고 수위가 저하되어 추가적인 피해는 없었다(Son, 2022).
○○저수지에서 월류 발생의 직접적인 원인은 태풍의 영향으로 9월 5일 18시부터 6일 08시까지 14시간 동안 집중하여 쏟아진 420mm 이상의 집중 폭우였다. 월류가 발생한 9월 6일 시간당 최다 강우량은 무려 111mm나 기록됐다. 이 기록은 1,000년 빈도 이상의 폭우였으며, 설계빈도 200년을 넘었기 때문에 월류피해가 발생한 것은 피할 수 없는 자연재해라 판단할 수 있다(KRC, 2022). 앞으로도 이러한 극한 강우 현상은 지속될 것으로 우려되는데, 한국농어촌공사가 보유한 저수지 운영데이터와 기상청 기상관측·예보 데이터를 활용하여 인공지능 기반 저수지 수위 예측모델을 개발하여 2024년 말부터 전국 1,000여 개 저수지 관리에 활용될 예정이라고 하여 향후 이러한 비상상황에 대한 대책수립에 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되었다(KOIS, 2023).
그러나 이번 사례는 지반공학적 관점에서 몇가지 고찰해야 할 부분이 있는 것으로 보인다. 우선 제체 전체를 월류하여 제체가 붕괴하지 않았지만 하류사면에 침식성 피해가 확인된 사례는 국내에서는 본 저수지에서 처음인 것으로 보인다. 필댐에서 월류 발생은 제체 안전성에 가장 큰 위협으로 간주 되고 있다. 그러나 여기에는 다양한 영향인자가 관계되고, 댐형식, 비탈면 표면상태, 월류유속 그리고 지속시간 등이 여기에 속한다(KCSC, 2024).
이번 사고로 하류비탈면 피해상황이 잠시이지만 그대로 노출되어 있었다. 물론 현장상황이 계속적인 피해발생 우려로 긴급 복구공사를 실시되어 사고 단면 등에 대한 충분한 정밀조사가 이루어지지 못한 아쉬움이 있지만, 현장답사와 육안조사 그리고 관련 전문가가 의견들 만으로도 여러 가지 의문점에 대해 생각할 수 있는 기회를 제공했다고 판단되었다.
따라서 본 논문에서는 ○○저수지에서 월류 발생으로 인해 하류비탈면 침식피해 발생 상황과 당시 이와 관련된 기존 자료들을 수집·정리하여 지반공학적 관점에서 하류비탈면 침식 발생과정에서 제체 단면특성과 하류비탈면 보호공 그리고 기존의 제체보강이 미쳤을 영향에 대해서 고찰을 진행하여 그 결과를 정리하였다.
2. 사고 시설 제원 및 유지관리 이력
2.1 사고 시설 위치 및 제원
본 연구에서 조사된 댐 본체는 경상북도 경주시 소재 ○○저수지의 제체이고(Fig. 1 참조), 1975년 필댐(존형) 형식으로 축조되어 약 50년 경과된 시설로서 저수지와 댐체의 제원은 Fig. 2, Table 1과 Table 2와 같다. Fig. 2에서 중심코어의 위치는 기존 관련 설계도서가 존재하지 않아 유지관리를 위해 기존에 추정되어 사용되고 있는 도면이었다. 위치는 부정확하지만, 현장에서는 큰 차이가 없을 것으로 보고 있었다.
Table 1.
|
Watershed area (ha) |
Irrigation area (ha) |
Total reserver capacity (Mm3) |
Flood level (EL.m) |
Full Level (EL.m) |
Dam crest (EL.m) |
|
2,200 (2,100) | 276.2 | 1.84 |
57.7 (57.58) |
56.2 (55.29) |
59.2 (58.80) |
Table 2.
Embankment specification (RAWRIS)
| Embankment | Slope | ||||
| Type |
Height (m) |
Length (m) |
Crest level (m) |
Upside (1:n) |
Downside (1:n) |
|
Fill [Zone] |
19.0 (19.2) |
303.0 (296.0) |
3.0 (3.5) |
2.5 (2.3) |
2.5 (1.8) |
2.2 유지관리 이력
본 현장은 1975년 준공 이후 총 9회의 안전진단 혹은 점검이 시행되었다. 가장 최근에는 2021년에 정밀안전진단이 실시된 바 있었고, 정밀안전진단 종합시설 상태평가결과는 2019년에 비해 약간 감소하였지만, 등급은 기존의 ‘C’등급을 그대로 유지되었으며, 세분적인 조사 내용에서도 큰 차이는 없었다. 결과적으로 안전성에서 큰 문제는 없었던 것으로 보였다(KRC, 2021).
한편 1975년 준공 이후, 3회의 준설과 1998~2001 사이에 댐 제체 구조물 보강사업이 실시되었다. 주요 보강 내용은 Table 3과 같이 제체 누수방지를 위해서 그라우팅과 여수로 보강이었으며, 비상 여수로 설치는 기록에 없었다(KRC, 2021). 그라우팅 작업은 중심 코어 존이 설치된 저수지가 노후되면 코어층의 열화현상으로 기능이 저하되어 누수량이 증가하거나 잠재적으로는 구조적 안전성을 저하시킬 수 있기 때문에 가장 많이 적용하는 성능개선 대책공법이다(Park and Lim, 2016; Park et al., 2017; Lee et al., 2018).
3. 조사결과 및 분석
3.1 월류발생과 피해상황
본 현장에서 월류발생은 다음 Fig. 3과 같이 저수위 계측 데이터에 의하면, 9월 6일 오전 3~4시 사이에 수위가 홍수위인 EL-57.7m를 넘어서 오전 9시경에 다시 수위가 EL-57.7m 아래로 낮아지는 것으로 나타났다(Government typhoon response situation report, 2022). 저수위가 월류 수위인 댐마루 표고 EL-59.2m를 오전 4~5시 사이에 넘어서서 오전 8~9시 사이에 다시 홍수위 아래로 저하되어 월류누는 3~5시간 정도 지속되었던 것으로 분석되었다. 실제 월류발생의 정확한 시작과 종료 시간이 육안으로 확인된 것은 아니며, 월류가 진행 중인 상황에서 관리자가 발견하여 조치를 취한 것으로 알려져 있다(KRC, 2022).
월류발생으로 인한 피해상황은 Fig. 4와 같이 댐 제방 하류비탈면에서 심각한 침식이 발생되었다. 이런 피해 형태는 관련 자료들을 조사한 결과, 본 댐의 형식이 존형 필댐이기 때문으로 보인다. 그렇게 판단한 이유는 1977년 7월 20일 미국 Laurel-Run 댐에서 월류발생으로 발생한 피해 상황이 본 현장과 매우 유사한 양상을 보였기 때문이다(Fig. 5 참조). 이 댐의 형식 역시 중심 코어를 가진 존형이었다(NWSFO, USA).
또한 ASCE/EWRI Task Committee on Dam/Levee Breaching(2011)의 연구결과에 의하면 존형 댐에 월류가 발생하는 경우, Fig. 6과 같이 중심 점토 코어부를 경계로 하류비탈면이 침식되는 형태를 보인다는 연구결과가 있었다.
Fig. 6
Schematic of the collapse pattern of a zone dam (ASCE/EWRI Task Committee on Dam/Levee Breaching, 2011)
3.2 월류진행 지속과 하류비탈면 피해진행의 관계
앞서 언급한 하류비탈면 피해발생 형태는 중심 코어가 위치된 단면특성에 따른 영향으로 보이는데, Hanson(2005)에 따르면 그 과정들은 침식(erosion)현상 관점으로 볼 수 있다. 즉, 월류시작과 침식의 시작 그리고 그 진전 과정들이 월류수의 유속과 지속시간 등에 따라서 달라지게 된다는 것이다. 또한 ASCE/EWRI Task Committee on Dam/Levee Breaching(2011)의 연구결과에 의하면 존형 댐에 월류가 발생하는 경우, Fig. 6과 같이 중심 점토 코어부를 경계로 하류비탈면이 침식되는 형태를 보인다는 연구결과가 있었다.
즉, 월류수량(유속)과 하류비탈면의 특성(기울기, 비탈면 보호재료의 특성, 예, 식생, 사석 등)에 따라서 침식의 정도가 달라지게 되는데, 지반공학적 관점에서 축조재료의 전단강도를 초과하게 되면 붕괴면 형성(breach formation)이 되고, 이 붕괴단면이 깊고 넓어지면서 제체 붕괴가 진행되는 것이다.
월류 초기상태에 제체 댐마루(crest)에서 침식 발생상황은 Powledge et al.(1989)의 연구결과에 의하면, Fig. 7에서 ‘1’ 구역은 준위험(subcritical)구역으로 월류수가 댐마루로 유입되는 부분, ‘2’ 구역은 월류수가 댐마루에서 하류비탈면으로 전이(transition)되는 가장 위험한 구역이다. 여기서 월류에너지 혹은 제체에 전해지는 전단력이 가장 높아, 댐마루 부근 하류비탈면의 침식이 처음으로 관찰되는 구역이기도 하다. ‘3’구역은 초위험(supercritical)구역으로서 댐마루에 붕괴면이 형성되면 이를 통한 월류수 유량이 급격히 증가하고 하류비탈면은 포화상태에 놓이게 된다. 월류량은 첨두유출량 이후에는 저수위에 따라서 정상유출(steady flow) 혹은 감소하게 된다.
월류로 인한 전체적인 제체의 침식과정은 사질토로 축조된 균일형 댐에 대해서는 Visser(1998)이 5단계로 나누어 설명하였는데, 중심코어 재료인 점성토의 경우에는 사질토처럼 명확하지 않고 재료 특성과 다짐도 등에 따라서 매우 다양하다(White and Gayed, 1943). 특히 다짐방법과 크기 그리고 다짐함수비가 클수록 침식에 대한 저항성이 크다는 사실이 여러 연구자들이 공통적으로 확인한 바 있다(White and Gayed, 1943; Powledge and Dodge, 1985; Hahn et al., 2000; Hassan et al., 2004).
이러한 결과들을 종합하여 Hanson and Cook(2005)은 월류로 인한 제체 침식과 그로인한 붕괴과정을 4단계로 정리하였는데, 1) 월류발생 및 면상(sheet)과 세류(rill)침식 단계, 댐마루 및 하류비탈면 침식시작, 2) 상류비탈면도 침식 발생. 협곡(gully)침식 발생단계, 3) 댐마루 극한 침식깊이 도달. 소규모 저수지는 첨두유출(the peak discharge) 발생 후 수위저하 시작 그리고 4) 댐마루 붕괴단면이 제체 종방향으로 확대. 큰 저수지에서 첨두유출 도달과 최초 저수위 저하의 단계로 구분하였다.
본 현장은 댐마루 하류비탈면 침식이 진행된 상황으로 3단계까지 진행된 것으로 판단되며, 월류가 조금 더 진행되었다면 댐마루 상류비탈면 침식이 진행되는 4단계로 진행된 후 댐마루가 완전 침식되어 붕괴로 진행되었을 것으로 판단할 수 있었다. 진행시간 상으로는 3단계에서 4단계로 진행되는 시간은 제체 축조재료와 필터재료, 코어재료들의 전단저항에 의한 영향으로 다른 단계들 사이의 진행시간보다 상대적으로 긴 것으로 알려져 있다.
본 현장에서는 앞서 언급한 바와 같이 월류 수위인 댐마루 표고 EL-59.2m를 오전 4~5시 사이에 넘어서서 오전 8~9시 사이에 다시 홍수위 아래로 저하되어 3~5시간 정도 월류가 발생했던 것으로 분석됐는데, Singh(1996)이 52개의 붕괴 세례를 조사한 결과, 댐 높이 8m 이상에서 붕괴까지 소요시간은 0.5~12시간 정도였지만, 대부분은 3시간 이내에 붕괴 된 것으로 보고하였다. 이에 따르면 본 현장에서는 제체 피해가 3단계에서 4단계로 진행되는 매우 위험한 상황 직전까지 진행되었다고도 추측할 수 있었다.
3.3 하류 비탈면 침식과 식생 보호공의 영향
앞 절에서 월류시간이 평균보다 길었는데, 제체가 완전 붕괴로 이어지지 않았다. 따라서 그 이유에 대해서 추가적인 고찰을 진행하였다. 이때 제체의 완전 붕괴로 진행되지 않도록 역할을 한 저항 요소로서는 댐마루와 하류비탈면에 보호공으로 적용된 식생이나 사석을 고려할 수 있을 것이다. 이런 보호공들은 월류수에 의한 제체의 침식에 대한 저항성을 높일 수 있는데, 이에 대해서는 ICE(1996)의 연구결과를 참조하여 고찰하였다. Fig. 8은 사면 보호공법 종류에 따른 침식유발 한계유속의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서는 콘크리트, 콘크리트 블록, 네트(망), 식생(떼) 등의 침식유발 한계유속과 월류 지속시간의 관계를 나타내고 있다.
하류 비탈면 떼의 밀도가 높고 관리가 양호한 상태라면 유속 2.1m/s에서 월류심 0.6m까지는 10시간 이상까지도 침식에 대해서 저항성이 우수하고, 월류시간이 짧은 경우(1시간 미만)에는 월류 유속 3.7m/s까지도 견디는 것으로 나타나고 있다. 이를 본 현장에 적용해 보면 예상 월류시간 3~5시간에서는 떼의 관리조건과 식생밀도가 불량하다고 가정하면 월류유속 1.8~2.2m/s, 양호하였다면 3.1~3.8m/s, 그리고 평균적으로 2.3~3.0m/s범위에 대해서 저항력을 발휘한 것으로 추측할 수 있었다. Table 4는 하류비탈면 보호공으로 떼를 이용한 경우, 한계전단응력과 침식한계유속(non-scoring veleocity)의 관계를 나타낸 것으로 참고할 수 있다(USDA, 1954; Hanson et al., 1999).
Table 4.
Allowable shear stress, and non-scouring velocities, (USDA, 1954; Hanson et al., 1999)
| Grass cover quality |
Critical shear stress [Pa] | Non-scouring velocity, [m/s] | |
| erosion resistant soils | easily eroded soils | ||
|
dense, uniform, well developed and maintained grass carpet with well rooted turf | 177 | 1.8 | 1.2 |
| dense, uniform, well maintained grass carpet | 101 | 1.5 | 0.9 |
| grass mixture, less dense grass carpet*) | 48 | 1.2 | 0.9 |
| thin grass cover with an irregular surface**) | 29 | 1.1 | 0.8 |
| temporary grass cover, one year-old grass**) | 18 | 1.1 | 0.8 |
3.4 그라우팅과 제체 붕괴방지의 관계
식생에 의한 하류비탈면 보호공에 의한 역할과 더불어서 한가지 더 본 현장에서 활발하게 논의되었던 사항은 앞서 기술한 바 있는 1998년 7월∼2001년 12월 사이에 실행된 보강사업 중에서 제체 그라우팅에 대한 사항이었다(KRC, 2021). 현장에서는 하류비탈면 침식면에 그라우팅으로 형성된 단면으로 추측되는 고결 기둥체가 여러 개 육안으로 확인되었다. 따라서 이 기둥체들이 침식으로 인한 하류 비탈면의 완전 붕괴를 막는데 일정한 역할을 한 것으로 주장하는 의견이 많았다. 즉 제체 보강 시 적용된 그라우팅 공법이 지수목적으로 실시되었지만, 일부 강도증진 효과도 있었을 것이라고 추측되었다. 그러나 그라우팅 시공 후 경과 기간이 20년 이상 되었고, 시공 관련 자료의 부재도 자세한 조사에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 기존 국내 연구결과들을 참고하여 고찰하여 보았다.
그라우팅은 지반 또는 암반 간극과 틈새에 다양한 방법으로 그라우트재를 주입하는 것인데, 노후 필댐의 코어층은 열화현상으로 기능이 저하되어 누수량이 증가하거나 잠재적으로는 구조적 안전성을 저하시킬 수 있다. 따라서 필댐 코어층의 열화로 인해 차수능에 문제가 발생한 경우에 가장 많이 적용하는 성능개선 방법이다(Brown and Warner, 1973; Chun et al., 2006; Idriss and Boulanger, 2008; Park and Lim, 2016; Park et al., 2017; Lee et al., 2018).
Lee et al.(2018)은 실제 중심 코어층에 침투그라우팅을 실시 한 후, 지반고별 주입량을 검증한 결과는 Fig. 9와 같았다. 총 주입공 63공에 대한 m당 주입량은 81.7ℓ/m였으며, m당 시멘트량은 주입량은 25.6kg/m이었다. 주입은 하류측(downstream), 상류측(upstream) 2열로 실시하였는데, 지반고별 주입량은 먼저 시공한 하류가 높았으며, 상류측 주입양은 하류측의 2/3 수준인 것으로 나타났다.
조사 결과는 댐 상부보다는 하단부에서 주입량이 높았으며 강도 증진도 댐마루보다는 댐 기초부에서 더 크게 이루어진 것으로 나타나 기둥체 전체가 일정한 강도를 가지지 못하는 것으로 나타났다.
또한 Park and Lim(2016)에 따르면 침투그라우팅에서 최고 주입압은 코어층에서 9.8kPa이상으로 가능하지만, 수압할렬(hydraulic fracturing) 추정압력의 75%를 주입압력의 상한치로 한다고 했다. 최대 주입압력이 높으면 국부적인 유로형성으로 할렬파괴 및 필터 존에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 참고로 심벽에서는 100~300kPa을 기준으로 시험시공 결과와 주입 도중 현장여건 등을 고려하여 댐체에 손상을 주지 않는 범위로 시행하도록 하였다. 이때 시멘트 주입량은 8.8~86.8kg/m, 평균 49kg/m정도로 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 보통은 200kg/m까지도 가능하다(KOAF, 1982).
따라서 기본적으로 댐 제체 보강용 그라우팅 작업은 코어부 할렬방지를 하면서 열화부 충진을 통한 지수성 개선이라는 목적으로 시공됨으로써 기둥체가 정형화되지 못하고 강도도 깊이 별로 일정하지 않아 정량적 추정에 문제가 있으며, 사후 원인분석 혹은 보강 설계인자로서 반영에는 당장은 어려움이 있다.
그러나 향후 추가적으로 설계인자 구명 및 시공법 개선을 통해 월류사고에 대비한 노후 저수지 댐 제체 보강 대체공법으로서 활용성을 적극적 고려가 필요하다고 판단되었다.
4. 결 론
필댐에서 월류발생과 그에 따른 하류비탈면 제체의 침식발생 사례에 대한 현장답사와 관련 자료수집·분석한 결과를 바탕으로 지반공학적인 관점에서 고찰한 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 본 현장은 1975년 준공 이후 총 9회의 안전진단 혹은 점검이 시행되었으며, 최근 2021년에 실시된 정밀안전진단 결과는 종합평가지수에서 2019년에 비해 약간 감소하여지만, 등급은 ‘C’로 그대로 유지되었으며, 세부적인 조사 내용에서도 큰 이상이 없었다.
(2) 사고현장 답사 및 관련 자료에 의하면 본 현장은 평시 안전성에서 큰 문제는 없었던 것으로 보였다. 월류 발생 후 하류 비탈면에 침식이 발생한 단계까지 진행되었으며, 상류 비탈면 침식까지는 진행되지 않았으며, 하류 비탈면 침식은 코어부를 경계로 발생된 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 같은 형식의 사례들과 유사한 형태로 판단된다.
(3) 예상 월류지속시간 3~5시간은 외국 사례에 비하면 길었지만, 댐마루와 하류 비탈면에 보호공으로 적용된 식생(떼)공법이 침식에 대한 저항력을 발휘했다고 추측할 수 있었다. 떼의 관리조건과 식생밀도를 불량하다고 가정해도, 식생공법에 의한 침식저항은 평균 월류유속 2.3~3.0m/s범위에 대해서 저항력을 발휘한 것으로 분석되었다.
(4) 댐 제체 코어 주변에 시공된 그라우팅 고형물들도 이번에 댐 제체안정에 일부 기여했을 것으로 판단된다. 그러나 정량적 판단은 시공 후 경과시간과 관련 자료의 부재로 어려움이 있었다. 이와 관련해서는 추가적인 연구를 통하여 향후 월류사고 대비를 전제한다면 댐 제체 보강을 위한 대체공법으로서 적용성 측면에서도 적극 검토할 필요가 있다고 판단되었다.
이상에서 월류 발생의 급박한 상황에서도 하류비탈면 침식만 발생하고 제체 붕괴로 진행되지 않은 원인에는 코어존의 전단강도, 하류비탈면 보호공(식생) 그리고 그라우팅 시공 효과가 종합적으로 발휘되었다고 판단되었다. 물론 여기에는 월류속도와 월류 지속시간 등의 인자들도 복합적으로 영향을 미쳤을 것이다. 또한 특정 인자 하나만의 영향을 정량화하기에는 신속한 현장 복구와 관련 자료 부족으로 한계가 있었지만, 이번 사고 과정에서 각 인자들 중 어느 하나라도 설계, 시공 그리고 유지관리 과정에서 소홀히 했다면 더 큰 피해가 발생할 수도 있었다고 추측하였다. 따라서 앞으로도 본 연구에서 언급했던 다양한 인자들을 충실히 반영하여 시공하고, 체계적인 유지관리가 이루어진다면 사고 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 정확한 원인파악을 위해서는 사고발생 당시의 상황을 기록할 수 있는 감시와 계측 체계의 개선도 반드시 필요하다고 판단되었다. 이는 사고예방에도 매우 필요한 시설이라고 판단된다.
