1. 서 론
2. 보 기초지반 파이핑 모니터링 지표 선정
2.1 지표 선정을 위한 사례 연구
2.2 침투 모사 수치해석을 통한 파이핑 모니터링 지표 선정
3. 간극수압 계측기록을 활용한 보 기초지반 파이핑 모니터링 방안
3.1 선정 지표의 적용방안 제시 침투해석 조건
3.2 침투해석 결과 분석 및 모니터링 방안
4. 제안된 모니터링 방안의 현장 적용
4.1 적용성 확인을 위한 운영 중인 보에 대한 침투해석 및 결과
4.2 해석 결과 분석을 통한 모니터링 방안의 적용성 확인
4.3 간극수압 계측기록을 활용한 K 보의 파이핑 안정성 모니터링 방안 예시
5. 결 론
1. 서 론
수자원 관리와 관련된 보(weir) 시설은 하천에 횡방향으로 설치되어 하천의 수위 유지, 이·치수 및 조류의 역류방지를 위한 목적으로 만들어진 수리구조물이다. 국내의 경우, 사계절의 특성이 뚜렷하며, 사계절 중 여름철에 연중 강우량의 약 70%가 집중되어 급격한 유량 변동이 초래되고 있다. 그리고 기후변화로 인한 홍수와 태풍 피해의 반복으로 갈수기에는 용수 부족, 건천화 및 수질 악화의 문제 또한 빈번하다. 국내에서는 이러한 문제점의 해소를 위해, 하천의 특성에 맞게 약 6,000여 개의 보가 설치되어 관리되고 있으며, 이와 함께 최근 16개의 대형 다기능보도 설치 운용 중에 있다(Kwater, 2021).
운영 중인 보는 설계 당시에 비해 수위조건이나 시설물의 시공 상태 또는 시간에 따른 단면 변화가 있으면, 안정성의 위해 요인이 될 수 있어서, 관리주체는 이러한 경우 기초 지반의 지지력 및 침하량에 대한 검토, 파이핑과 양압력에 대한 검토와 같은 안정성 평가를 주기적으로 수행하게 된다. 보는 대부분 댐과는 달리 기초지반이 하상에 놓이기 때문에 파이핑 발생 여부가 안정성 평가에 있어서 가장 중요한 평가 항목이라고 할 수 있다(Ha et al., 2021).
파이핑이 직접적 원인이 되어 보가 붕괴된 사례는 국내외적으로 거의 없지만, Teton 댐의 붕괴사례(Independent Panel, 1976) 등에서 확인된 바와 같이 이로 인한 파괴는 징후 발견 후 단기간에 진행되기 때문에, 징후 발견 이전 단계에서 징후를 파악할 수 있는 모니터링 방안이 필요하다. 국내외에서 파이핑에 대한 안정 검토는 한계동수경사법이나 한계유속법이 가장 많이 적용되고 있으나, 두 방법 모두 최초 검토하는 설계 시와 해석 조건이 달라진 경우에 한정하여 재해석을 통한 안정을 검토할 수 있는 방법이다. 즉, 동일 조건에 대한 경시변화에 따른 파이핑의 안정 검토는 불가능하거나 무의미한 방법이라 할 수 있다. 국내에서는 파이핑 발생 여부를 직접적으로 육안으로 조사하기 위하여 수중조사를 실시한 경우가 있으나, 이 방법 또한 상시 조사가 불가하므로 상시적 모니터링이 불가할 뿐만 아니라, 설사 육안 관측이 되었다 하더라도 파이핑의 특성상 이미 결과만을 확인할 뿐인 방법이라 할 수 있다. 그러므로 누수 흔적이나 상하류 하상 변동 등과 같이 외부적인 지표를 이용한 파이핑 모니터링은 그 결과를 확인하는 것과 같으므로 내부적 지표를 개발하고 이를 이용한 모니터링 방안 개발이 절실하다.
본 연구의 목적은 보 구조물 기초지반의 파이핑 안정성을 모니터링할 수 있는 지표를 선정하고, 선정 지표를 활용한 파이핑 모니터링 방법을 제안하는 데에 있다. 이를 위하여, 기존 연구 결과에 대한 검토와 침투모사 수치해석 결과로부터 보 기초지반의 간극수압 변화를 파이핑 발생의 모니터링 지표로 선정하였다. 운영 중인 보들의 간극수압계(또는 양압력계)의 설치 상황을 감안하여, 간극수압 또는 간극수압 변화를 측정할 수 있는 간극수압계가 보 기초 하부에 1개 또는 2개가 설치된 경우 각각에 대해, 다양한 상류 저수위 조건에 따른 침투해석을 수행하였다. 해석 결과로부터, 간극수압계 설치 위치에서 획득된 간극수압 또는 간극수압 변화값을 활용한 보 파이핑 발생 모니터링 방안을 제시하였고, 제시한 방안을 운영 중인 보에 시범 적용하여 그 실효성을 확인하였다.
2. 보 기초지반 파이핑 모니터링 지표 선정
2.1 지표 선정을 위한 사례 연구
Saleh et al.(2009)은 GEO-STUDIO 사의 범용 침투해석 프로그램인 SEEP/W(2006; 2007; 2020)를 이용하여, 운영 중인 보 기초 하부에 대한 침투해석을 수행하고, 파이핑과 양압력(uplift pressure)에 대한 문제점을 확인하였다(Saleh et al., 2009). 예상 문제점들은 침투해석에 의해 계산된 보 기초 하부에서의 압력수두(간극수압 또는 양압력)의 급격한 변화 여부를 확인하는 방식으로 검토되었다. Al-Saedi et al.(2020)은 보의 파이핑에 대한 안정성 평가를 위해, 마찬가지로 SEEP/W를 이용한 수치해석을 수행하였고, Saleh et al.과 같이 파이핑에 대한 안정 여부를 하류 일정 범위 지반의 연직응력과 간극수압을 비교하는 방법으로 확인하였다(Al-Saedi et al., 2020). Jin et al.(2011)은 모형 제방의 제체내 투수계수가 큰 전석층에 간극수압계를 매설한 원심모형실험으로 파이핑 현상을 모사하였다. 실험결과, 간극수압의 급격한 변화 시점이 파이핑 발생 시점과 직접적인 연관성이 있음을 제시하였다(Jin et al., 2011). Kim et al.(2017)은 파이핑이 발생되었던 이력을 가지고 있는 저수지의 제체 단면을 참고하여, 제체 통관 구조물의 일부가 파손되어 통관 내로 누수가 발생하는 경우를 균일형 단면과 코어형 단면으로 나누어 2차원 수치해석을 수행하고, 그 결과를 비교하여 파이핑 발생 가능성을 분석하였다(Kim et al., 2017). 마찬가지로 SEEP/W(2007)를 활용한 수치해석 분석 결과, 누수지점 인근에서는 파이핑 발생 시 간극수압의 급격한 저하가 발생하는 것을 확인하였다.
이상의 기존 연구 결과로부터, 보를 포함한 수리시설물의 제체 기초지반과 제체 내 간극수압의 변화는 시설물의 안정 여부의 영향인자로 작용하며, 파이핑의 발현은 이러한 간극수압의 급작스런 변화에 의해 감지될 수 있음을 확인할 수 있었다. 아울러, 수리시설물의 파이핑 거동에 대한 다수의 연구들에 범용 침투해석 프로그램으로 SEEP/W가 다수 활용되고 있음을 확인하였다.
2.2 침투 모사 수치해석을 통한 파이핑 모니터링 지표 선정
앞 절에 제시된 기존 연구 결과 분석을 통해 확인된, 간극수압 계측값 또는 변화값을 파이핑 안정성 확인을 위한 모니터링 지표 및 항목으로 설정 가능성을 추가로 확인하기 위해, 가상 보에 대한 수치해석을 통해 우선 초기 파이핑 현상 발생 시 보 기초 하부 위치별 간극수압 또는 간극수압의 변화값을 분석해 보았다. 보 기초 하류부 파이핑에 따른 기초 하부의 간극수압 변화를 분석하기 위한 수치해석에 기존 연구와 마찬가지로 범용 침투해석 프로그램인 SEEP/W(2020)를 활용하였다.
초기 파이핑 현상 모사를 위한 수위 조건으로 상류 수위는 EL 17m로, 보 기초 하류 수위는 EL 10m로 설정하여 수두차가 7m가 되도록 하였다. 보의 형상은 기초 바닥 길이가 14m인 가상의 보의 형태로 설정하였다(Fig. 1 참조). 보 기초지반의 투수계수는 10-3m/sec, 파이핑 영역(Fig. 1(b) 참조)의 투수계수는 기초지반 투수계수의 100배를 적용한, 10-1m/sec으로 임의로 가정하여 해당 영역에서의 파이핑 발생을 모사하였다(Fig. 1 참조)(Jung, 2021).
Fig. 2는 파이핑이 발생하지 않은 정상상태 모사 단면과 파이핑이 발생한 것을 모사한 단면의 침투해석 결과로 나타낸, 보 기초 바닥면에서의 상·하류 방향의 간극수압 분포이다. 그림으로부터, 보 하류 끝단에서 파이핑이 발생하는 경우, 파이핑 발생지점 인근에서 간극수압이 급격히 감소하고, 전반적으로 파이핑 발생 전보다 간극수압이 감소됨을 확인할 수 있다. 반면에, 간극수압의 감소율은 크게 증가함을 확인할 수 있다. 보 기초 하부에서의 간극수압은 파이핑 직전에는 증가하다가, 파이핑이 발생하면 발생 위치 인근에서 간극수압이 급감하거나 인접 지점 간 간극수압 차의 변화가 크게 발생하게 된다. 이러한 결과로부터, 외부에서 인지가 가능한 계측자료 중에 보 기초 하부에 매설된 간극수압계들로 확인이 가능한 한 지점 또는 두 지점의 간극수압, 또는 간극수압 차의 변화가 파이핑 발생 모니터링의 지표로 활용될 수 있음을 확인할 수 있다. 아울러, 국내 대형 다기능보의 50%가 보 기초지반이나 기초 하부에 간극수압 측정이 가능한 간극수압계와 양압력계가 설치되어 운용(Kwater, 2021)되고 있어, 간극수압 계측기록이 모니터링 지표로서의 적용 가능성이 현실성이 있음을 확인할 수 있었다.
참고로, 양압력은 콘크리트 보의 바닥면에 작용하는 간극수압으로, 댐을 들어 올리는 방향으로 작용할 수 있는 압력이기에 양압력이라고 한다. 양압력의 측정은 일반적으로 압력계를 구조물 하부 표면에 설치하여 측정하는 방법과 간극수압계로 측정하는 방법이 있다. 간극수압계로 측정하는 경우, 일반 기초 지반 내 간극수압과 동일한 값이지만, 압력계로 측정하는 경우에는 초기 보정값이 다르기 때문에 간극수압과의 절대값은 다를 수 있지만, 기준값에 대한 변화값은 간극수압의 변화값과 동일하므로, 본 연구에서는 간극수압계와 양압력계로 측정한 절대값이 아닌 변화값은 간극수압의 변화값으로 동일하게 간주하는 것이 가능하다.
3. 간극수압 계측기록을 활용한 보 기초지반 파이핑 모니터링 방안
3.1 선정 지표의 적용방안 제시 침투해석 조건
전술한 바와 같이 모니터링 지표(간극수압 또는 간극수압 변화)의 구체적 적용방안 도출을 위하여 총 216개 해석 단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 전체 해석 조건에 대한 해석 경우는 Table 1과 같으며, 이에 대한 설명은 다음과 같다.
Table 1.
Analysis conditions and sections for seepage analysis
(1) 보 기초 바닥 길이는 운영 중인 다기능보의 단면을 참조하여, 14m, 21m, 28m가 되는 3가지 보 단면을 설정하였다.
(2) 보 상류 수위는 운영 중인 다기능보의 단면을 참조하여 각각의 보 단면에 대해 EL 13m~EL 20m, 하류 수위는 EL 10m로 하여, 상·하류 수위차가 3m~10m 조건이 되도록 설정하였다.
(3) 파이핑 현상의 진행 상태는 보 기초 바닥 하류부 끝단에서 보 하단 전체 길이의 1/14 씩 보 기초 바닥 상류 끝단 쪽으로 진행하되, 각 보의 바닥 전체 길이의 1/2 지점까지 진행되도록 하였다.
(4) 기초지반의 투수계수는 10-3m/sec으로 가정하였고, 파이핑 영역의 투수계수는 기초지반 투수계수의 100배인 10-1m/sec로 가정하여 파이핑 발생 현상을 모사하였다.
(5) 보 기초 상류 바닥끝을 원점으로 하여 간극수압계의 설정 위치(또는 해석 시 간극수압 결과 발췌 위치)는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 P1(보 기초 바닥 상류 끝단으로부터 하류쪽으로 보 전체 바닥길이의 3/14 지점)과 P2(보 기초 바닥 상류 끝단으로부터 하류쪽으로 보 전체 바닥길이의 6/14 지점)로 설정하였다(Fig. 3 참조). P1의 위치는 운영 중인 보이며 본 논문에서 시범 적용 대상으로 하고 있는 K 보에 설치된 양압력계의 위치(보 기초바닥 상류 끝단에서 하류 쪽으로 기초바닥 전체길이의 약 20% 거리에 양압력계가 설치되어 있음)(Kwater, 2021)를 참조하여 설정하였고, P2의 위치는 P1 위치의 2배 거리로 단순 가정하여 설정하였다.
보 기초 바닥 길이, 수위차, 파이핑의 진행도에 따라 달리 작성된 총 216개의 단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 간극수압계가 두 지점에 설정된 것으로 가정한 보의 경우, P1과 P2의 간극수압차를, 간극수압계가 한 지점에만 설정된 것으로 가정한 보의 경우, 상류수위에 해당되는 간극수압과 P1 또는 P2 중 하나의 간극수압과의 차의 변화를 검토하였다. 보 기초 바닥 길이에 따른 영향을 확인하기 위하여, 보 기초 바닥 길이가 14m, 21m, 28m 인 단면 모델에 대한 해석을 수행하였다.
3.2 침투해석 결과 분석 및 모니터링 방안
본 절에서는 침투해석 결과를 통해 획득된 선정된 지표인 간극수압 변화를 분석하고, 보 시설물 파이핑 안정성 확인 모니터링 방안을 제시하고자 한다.
보 기초 바닥에 간극수압계가 두 지점에 설치된 경우(두 지점 이상에 설치된 경우도 가능)(Fig. 3 참조), 파이핑이 발생하여 진행되는 동안 두 지점 간 간극수압차의 증가율(정상상태에서 측정된 두 지점 간 간극수압의 차에 대하여 검토하고자 하는 해당 파이핑 진행단계에서 측정된 두 지점 간 간극수압의 차의 증가율을 의미, 두 지점 간 간극수압차의 변화를 이용한다는 지표라는 의미에서 본 연구에서는 이하 I2로 정의)은 저수위조건(상하류 수위차)에 상관없이 거의 동일하였다(Fig. 4). 그러므로 저수위 조건에 상관없이 파이핑이 보 하류 끝단에서 발생하였을 때의 간극수압차 증가율을 파이핑 발생의 경보단계기준으로 설정하여 모니터링 하는 방법이 필요하다. 해석결과, 경보 기준이 될 수 있는 I2는 보 기초 바닥 길이가 14m, 21m, 28m인 보의 경우 각각 약 6%, 5%, 4%로 산정해 볼 수 있다(Fig. 4 참조).
보 기초 바닥에 간극수압계가 한 지점에만 설치된 경우(Fig. 3 참조), 파이핑이 발생하여 진행되는 동안 상류 저수위에 해당되는 간극수압과 한 지점(Fig. 3(a), 3(b), 3(c)의 상류쪽 또는 하류쪽 중 한 지점, 즉, 그림의 좌측 또는 우측 표시된 지점들 중 한 지점)에서 계측된 간극수압과의 차의 증가율(상류 저수위와 한 지점에서의 간극수압차의 변화를 이용하는 지표란 의미에서 본 연구에서는 이하 I1으로 정의)은 저수위조건(상하류 수위차)에 따라 다르게 나타났다(Fig. 5 참조). 예로써 Fig. 5(a)에 제시된 기초바닥 길이 14m인 보에 대한 해석결과를 보면, 파이핑이 일어나는 시점이 수위차가 3m인 경우, I1은 163%이고, 수위차가 커질수록 증가율은 감소하여, 수위차가 10m인 경우, I1은 9%인 것으로 나타난다. 즉, 상하류 수위차가 3m인 경우와 10m인 경우 각각에 대한 파이핑 경보기준을 163%와 9%로 수위차에 따라 별도로 설정하는 것이 필요하다. 검토 당시 저수위 조건(상하류 수위차 조건)을 고려하여 파이핑이 보 하류 끝단에서 발생하였을 때를 파이핑 발생 시점으로 간주하고 수위조건별 간극수압차 증가율을 경보기준 값으로 설정하거나, 보수적인 차원에서 파이핑이 보 하류 끝단에서 발생하였을 때를 파이핑 발생 시점으로 간주하고 상류 저수위에 해당되는 간극수압과 한 지점의 간극수압과의 차의 증가율(I1) 중 하한값(수위차가 가장 큰 경우가 이에 해당)을 파이핑 발생 경보기준으로 설정하는 것도 필요하다. 이런 방식으로 경보 기준을 설정한다면 Fig. 5에서 기초 바닥 길이 14m 보에서는 P1에서 계측하는 경우 9%, P2는 8%, 21m 보에서는 P1 7%, P2는 6%, 28m 보에서는 P1 6%, P2는 5%를 관리를 위한 파이핑 발생 경보 기준으로 선정이 필요할 수 있다.
4. 제안된 모니터링 방안의 현장 적용
본 장에서는 앞서 제시한 모니터링 지표(간극수압 또는 간극수압의 변화)를 활용한 파이핑 안전 확인 모니터링 방안을 실제 운영 중인 보에 적용해 보고 실효성을 확인해 보았다.
4.1 적용성 확인을 위한 운영 중인 보에 대한 침투해석 및 결과
운영 중인 K 보의 좌안 고정보를 해석단면으로 한 파이핑 모사 수치해석을 수행하였다. 대상 보의 기초 지반은 상부로부터 퇴적층 모래, 자갈, 풍화토, 풍화암, 연암 순으로 구성되어 있으며, 직접기초가 풍화암층 상단에 시공되어 있다. 대상 보는 기초하부에 시트파일(sheet pile) 등과 같은 차수공법이 적용되어 있지 않으므로 기초 지지층인 풍화암층이 완전한 불투수층이 아니라는 전제 하에 상하류 관리 수위차로 인한 기초지반의 흐름이 있다고 가정한 침투해석을 수행하였다.
해석 시 수위조건은 보수적 측면에서 상·하류 관리수위 조건(상류 EL 32.5m, 하류 EL 25.5m)보다 더 극한 상황인 최대 수위차(상류 EL 32.5m, 하류 EL 21.5m) 조건으로 설정하였다(Fig. 6 참조).
해석단면은 신축이음 부분을 제외한 좌안고정보 제체만을 설정하여, 보 기초 길이는 18m, 보 상단은 EL 32.5m로, 보 기초 하단은 EL 14.2m로 작성하였다. 실제 구조물의 표준단면도와 계측기기 설치 위치를 나타낸 도면을 참고하면 양압력계(간극수압계) 위치는 개략 보 상류에서 하류방향으로 약 4m 지점인 것으로 확인되었다(Fig. 6 참조). 각 지층의 투수계수는 2016년에 실시된 현장시험을 통해 산정된 결과를 적용하였고, 투수시험이 불가능하여 수행하지 못한 지층은 설계 당시 보고서를 참고하여 투수계수 등을 적용하였다(Kwater, 2016). 파이핑 모사 영역은 파이핑을 유발하기 위하여 인위적으로 투수계수를 0.1m/sec로 설정하였다(Table 2 참조).
Fig. 6
Analysis cross section and foundation stratum composition of K weir (Kwater, 2016; Jung, 2021)
Table 2.
Permeability coefficient (K) for each stratum applied to seepage analysis
해석 시 수위차에 따른 파이핑의 진행은 보 하류부 하상 지표에서 연직 방향으로 퇴적층까지를 파이핑 영역 시점으로 하고, 연직방향으로 1m 씩 풍화암 상부까지 진행하는 것으로 설정하였다. 이후 풍화암 상단 보 하류 끝단에서 1m 씩 보 상류 방향으로 2m를 진행하도록 해석 조건을 설정하였다. 파이핑 모사 침투 해석 시 파이핑 영역의 진행 상태는 순차적으로 step1~step7로 표시하였다(Fig. 7 참조).
Fig. 8은 상류와 하류의 수위차가 최대인 경우(Fig. 6 참조)의 파이핑 진행도에 따른 보 기초 하부에서의 간극수압 분포 해석 결과를 예로 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 보 기초 하부의 상류에서 하류로의 거리에 따른 간극수압의 분포는 파이핑이 진행될수록 각 지점에서의 간극수압(또는 수두)은 감소하고, 인접한 지점 간 간극수압차는 증가한다(그림에서 진행단계별 간극수압 분포 직선의 기울기가 급해진다). 이러한 결과는 앞서 기술한 가상의 보에 대해 수행한 해석 결과와 같은 양상이라 할 수 있다. 그러므로 상류 저수위에 해당되는 간극수압과 보 기초의 한 지점에 설치된 간극수압계(또는 양압력계)로 측정한 간극수압 간의 차이, 즉, 간극수압차의 증가율을 이용한 모니터링 방안이 실제 보에서도 적용 가능함을 확인할 수 있었다.
4.2 해석 결과 분석을 통한 모니터링 방안의 적용성 확인
Fig. 9는 4.1절에서 설명한 해석 결과를 이용하여, 대상 보 하단에 설치된 간극수압계와 저수위를 고려한 상류 간극수압과의 차의 변화를 파이핑 진행도에 따라 나타낸 것이다. 파이핑 진행 영역이 퇴적층에 해당되는 step1(Fig. 7(a) 참조) 지점에서의 상류 수위와 설치된 간극수압계로 계측한 간극수압 간의 간극수압 차의 증가율은 0.084%로 극히 작게 나타났다. 이후 파이핑이 진행됨에 따라 파이핑이 보 하류 끝단까지 진행된 step5(Fig. 7(e) 참조)까지의 간극수압차의 증가율은 단계별로 증가를 하였으며, 상류쪽으로 파이핑이 더 진행된 풍화암층에 해당되는 step7에서 증가율이 가장 컸다. 또한, 투수계수가 다른 지반의 경우 간극수압차의 증가율의 증가도(Fig. 9에서 각 층 구간에서의 직선의 기울기)는 다르게 나타나는 반면, 투수계수가 동일한 지반의 간극수압차 증가율의 증가도는 동일한 양상을 보였다.
이러한 결과를 바탕으로, 운영 중인 본 대상 보와 같이 투수계수가 다른 여러 개의 지층으로 보 기초지반이 구성된 경우, 각 지층별 간극수압차의 증가율 기준을 별도로 설정(예를 들어, Fig. 9에서 간극수압차 증가율 0.76%는 파이핑이 풍화토까지 진행한 기준값으로, 18.74%는 파이핑이 풍화암 상단까지 진행한 기준값으로 설정)하거나, Fig. 9에서 그래프의 기울기에 해당하는 증가율의 변화도(step1~step2의 기울기, step2~step5의 기울기, step5~step7의 기울기가 각각 다름)을 기준값으로 설정해 파이핑이 어느 지층까지 진행되었는지에 대한 관리기준값의 설정도 필요하다. 즉, 시설물 관리자의 선택에 따라서는 보다 세부적인 파이핑 모니터링 및 관리 방안 수립도 가능할 수 있다.
현재까지 국내외에서 보 기초 하부에서 파이핑 현상이 발생하여 보가 붕괴된 사례는 없어서, 설치된 계측기의 계측값과 파이핑이 발생되었을 때의 침투해석 결과를 비교·분석하는 것은 불가능하다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 해석적인 방안과 기초 문헌 연구 결과를 바탕으로 파이핑 모니터링 지표를 선정하고, 이를 이용한 관리방안을 해석적 방법으로 제안하였다. 다만, 본 연구에서 제안한 관리방안은 보마다 제원, 지반조건 및 계측기기 종류, 설치 위치가 다르므로 보별 여건과 이를 반영한 해석을 통해 각각 파이핑 안정성 확인을 위한 모니터링 방안을 별도로 제시하는 것이 타당하다고 판단된다.
4.3 간극수압 계측기록을 활용한 K 보의 파이핑 안정성 모니터링 방안 예시
앞 절에서 K 보의 침투해석 결과를 통해 간극수압 계측기록을 활용한 파이핑 발생 모니터링 및 관리 방안 수립의 가능성을 확인하였다. 그러므로 본 절에서는 K 보에 설치된 모니터링 계측값(간극수압 또는 양압력이나 본 절의 예시에서는 양압력을 대상으로 함)에 대한 계측값의 특성을 확인하고, 계측값과 침투해석 결과로부터 대상 보의 파이핑 발생 모니터링 방안을 시험적으로 제시해 보았다.
Fig. 10은 K 보의 2019년 한 해 동안의 Fig. 6에 나타낸 위치에서의 양압력 계측값으로 월별 일평균 값과 월별 수위를 나타낸다. 그림을 통해 저수위가 낮은 경우 양압력 계측기록은 낮게 나타나고, 고정보로써 대부분 최대 수위에 가까운 평균수위 차를 유지하는 동안 일평균 양압력은 거의 일정한 것으로 나타나, 계측기의 유효성은 우선 확인되었다. 다음으로는 대상 보의 정상상태에서의 계측값의 특성을 확인하기 위해, Fig. 10의 자료 중 수위 변화가 작은(거의 최대수위) 2019년 3월 4일부터 2019년 12월 26일까지의 계측기록(280개)을 표본집단으로 설정하여, 일평균 계측기록에 대한 표본평균, 최대값, 최소값, 표준편차, 변동계수를 산정해 보았다(Table 3). 표를 통해, 일정 수위(평균수위)에 대한 간극수압의 표준편차와 변동계수가 작은 것으로부터 관리기준 설정 지표로의 적용 가능성이 있음을 확인하였다.
Table 3.
Statistical characteristic value of uplift pressure measured at one point of K weir at the average maximum water level
|
Water level m | Uplift pressure | ||||
|
Mean kPa |
Max. kPa |
Min. kPa |
Standard deviation kPa |
Variation coefficient % | |
| 6.875 | 202.9 | 205.6 | 200.0 | 8.6 | 0.42 |
앞선 절(4.1 절)에 제시되었던 K 보에 대한 침투해석 결과, 파이핑 발생 전(정상상태)의 압력수두는 14.34m, 파이핑이 발생한 후(풍화암층 상단에 파이핑 영역이 도달하는 경우)의 압력수두는 13.71m로, 파이핑 발생 후 압력수두는 발생 전에 비해 4.4% 감소하는 것으로 계산되었다(Fig. 8 참조). 이러한 침투해석 결과를 모니터링된 양압력 계측값에 적용해 본다면, Table 2와 같이 평균 양압력은 202.9kPa 이고, 파이핑 발생을 가정할 수 있는 갑작스런 양압력의 4.4% 감소된 값은 194.0kPa 이 해당될 수 있어서, 이 값을 모니터링 관리기준으로 제안해 볼 수 있다(Fig. 11 참조). 즉, 양압력 계측값을 기준으로 설정된 관리기준에 대하여 양압력 계측값이 상기에 제시한 관리기준 이하로 나타나게 되면, 기초 끝단에 파이핑이 발생한 것으로 간주하고, 경보 및 대책을 마련하는 파이핑 모니터링 방안 수립이 가능하다.
5. 결 론
본 연구에서는 기존 연구 결과 분석과 침투모사 수치해석을 통하여, 파이핑 발생 모니터링 지표를 선정하고, 다양한 보 상류 저수위 조건에 따른 침투해석을 수행하여 선정된 지표를 이용한 파이핑 발생 모니터링 방안을 제시하고자 하였다. 연구 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 기존 연구결과에 대한 검토, 국내 다기능보 계측기 설치현황 고려, 침투모사 수치해석 결과 검토로부터, 보 기초지반의 간극수압의 변화를 보 파이핑 모니터링 지표로 선정하였다.
(2) 침투해석 결과, 보 기초 바닥에 간극수압계가 두 지점에 설치된 경우, 파이핑이 발생하여 진행되는 동안 두 지점 간 간극수압차의 증가율은 저수위조건에 상관없이 거의 동일한 반면, 보 기초 바닥에 간극수압계가 한 지점에만 설치된 경우, 상류 저수위에 해당되는 간극수압과 한 지점에서 계측된 간극수압과의 차의 증가율은 저수위 조건에 따라 다르게 나타났다. 이러한 특성을 이용하여 각각의 경우에 대해 간극수압차의 증가율을 파이핑 발생의 경보단계기준(또는 관리기준)으로 설정하는 파이핑 발생 모니터링 방안을 제시하였다.
(3) 본 연구에서 제시하는 모니터링 지표(간극수압 또는 간극수압의 변화)를 활용하여 파이핑 안전 확인을 위한 모니터링 방안을 실제 운영 중인 보에 적용하였다. 대상 보에 대한 사전 침투해석 결과로부터 획득한, 계측기가 한 지점에만 설치된 경우의 경보단계의 계측값의 변화율을 적용하여, 경보단계에서의 기준 계측값을 실효성있게 제시함으로써 파이핑 경보 및 대응에 적절히 활용될 수 있음을 확인하였다.
이상의 연구 결론에도 불구하고, 실제 지반은 보 축 방향으로 불균질하고 다양한 불확실성이 존재할 뿐만 아니라 3차원의 침투 거동을 나타낸다. 그러므로 2차원 침투해석 결과에 기초하여 제안된 본 연구의 모니터링 방법은 파이핑 경로를 2차원적으로 가정한다는 점에서 그 적용의 제한성이 있음은 주지하여야 한다.
