국내 저수지 축조 재료특성 분류를 위한 실험적 연구

A Study on the Experiment for Classification of Construction Material Properties of Reservoir

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J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(2):219-230
Publication date (electronic) : 2017 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.2.219
김우용*, 김남룡**, 임정열
* Member, Visiting Researcher, K-water Institute, K-water
** Ph.D. Senior Researcher, K-water Institute, K-water
***Corresponding Author, Member, Ph.D. Principal Researcher, K-water Institute, K-water (Tel: +82-42-870-7325, Fax: +82-42-870-7319, E-mail: passion@kwater.or.kr)
Received 2017 February 13; Revised 2017 February 22; Accepted 2017 March 06.

Abstract

최근 기후변화에 따라 발생 빈도가 높아진 태풍과 국지성 호우 등의 기상이변은 다양한 자연재해의 원인이고, 특히 저수지의 붕괴는 심각한 인명피해 및 재산피해를 일으킨다. 국내 70% 이상의 농업용 저수지는 1945년 이전에 축조되어 노후화가 진행 중이며, 제체의 열화, 방류능력 부족 등으로 심각한 재해 위험성을 내재하고 있다. 이러한 위험요인에 따른 저수지의 위험도를 평가하기 위해서는 축조 당시의 설계자료, 시공기준, 재료물성 등의 기초정보가 필수적이다. 그러나, 현재 국내 대다수의 노후 저수지는 기본 자료 또는 기준이 없어 축조 특성을 고려한 평가가 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 저수지의 지반공학적 위험도 분석시 요구되는 물성값의 확보를 위하여 국내 저수지의 10개소에 대한 축조재료 특성을 조사·분석하고, 댐 설계 기준과 비교하여 저수지 위험도 분석 및 평가를 위한 입력변수로 활용할 수 있는 대표물성 값을 분류·제안하고자 한다. 본 연구성과는 지반공학적 물성 정보가 불충분한 저수지의 위험도 평가에 활용하여 위험도 범위를 보수적으로 산정하는데 효과적일 것으로 판단된다.

Trans Abstract

Extreme rainfall events by typhoon or monsoon, which are more critical by recent climate change, induce various natural disasters. Damages or breaches in rural reservoirs may cause lots of economic loss and casualties. Currently more than 70 percent of rural reservoirs in Korea have been built before 1945, and the embankments have serious hazard risks such as aging and/or structural deteriorations, insufficient discharge capacity, etc. Geotechnical information of the reservoirs such as geometric design, material properties, construction conditions are mandatory for safety assessment and evaluation. Especially, geotechnical risk assessment of reservoir is not applicable where material properties are not sufficient. The objective of this study is to analyze the characteristic of construction materials of reservoirs, and propose the representative parameter for the analysis and estimation of the risk analysis. This result could be effective to estimate the risk conservatively for small dam.

1. 서론

현재 전국 지자체에서 관리하고 있는 90% 이상의 농업용 저수지는 건설 후 30년 이상 경과하여 노후화가 진행되고 있으며, 특히 약 70%는 1945년 이전에 축조 되어 70년 이상 운영된 극심한 노후시설로 분류된다. 최근 기후변화에 따라 빈번히 발생하는 국지성 호우, 태풍으로 인한 집중호우, 또는 한반도 내 증가하는 지진 등 복합적인 외적 하중요인과 더불어 저수지 제체의 노후화는 구조적 안전성에 심각한 위해요소로 작용하고 있다. 이러한 복합적 요소를 고려하기 위하여 관리기관에서는 최근 저수지의 안전성 평가 기준과 방법으로 위험도 평가(Risk Assessment)에 대한 연구를 진행, 도입하고 있다. 미 공병단(USACE), 미 개척국(USBR) 등에 따르면 위험도 평가는 댐 및 저수지의 복합적인 외적하중에 따라 발생할 수 있는 잠재적 파괴모드를 고려한 시나리오 기반의 평가방법으로 적용되고 있다(ICOLD, 2005; USACE, 2009; USBR, 2011). 국내에서도 저수지의 복합적인 외적하중에 대한 안전성 평가 결과를 제시하기 위한 방안으로 위험도 분석 및 평가 방법을 도입하여 진행하고 있다(Noh et al., 2015; Kim et al., 2016). 이 기법은 댐의 파괴확률을 정량적으로 평가함으로써 시설의 유지 및 보수의 우선순위 선정에 활용할 수 있다. 댐 및 저수지의 위험도 평가, 특히 지반공학적인 안전성 평가에서는 홍수, 지진과 같은 외적하중이 가장 중요한 요인이지만, 구조물의 역학적 특성을 규정하는 제체의 기하학적 및 재료적 특성의 명확한 분석 또한 중요하다. 이러한 특성을 종합적으로 활용하여 저수지의 위험요인 및 그에 따른 파괴모드를 도출할 수 있다.

제체의 구조적 안전성과 관련된 위험도 분석을 위한 필수 사항은 축조재료 물성의 평가이다. 과거 국내에서는 대형 댐의 위험도 및 안전관리를 위하여 축조 재료 물성에 대한 연구를 수행하여 왔다. Shin et al. (2002), Seo et al. (2008), Lee et al. (2012) 등은 조립재료 또는 사석재료의 전단강도특성을 평가하기 위한 방안으로 대형삼축압축시험과 대형전단시험을 통해 수행하였다. 최근 Kim et al. (2011)은 수몰되는 노후 필댐의 해체 과정에서 채취한 댐 코어재료의 물성을 실험적으로 평가하였으며, Lee et al. (2015)은 국내 필댐의 코어존에 대해 무수보링과 전기비저항 탐사 기법으로 건전성 평가를 수행하였다. Park and Oh (2016)은 중심코어형 필댐의 코어재 현장 물성에 관한 통계적 연구를 수행한 바 있다. 이와 같은 기존의 연구는 대규모 다목적댐 또는 용수전용댐에 대하여 수행하였는데, 실제 최근 붕괴 빈도가 높은 소규모 농업용 저수지의 제체에 대한 물성 연구는 매우 부족한 실정이다.

현재 국내 농업용 저수지의 위험도 평가를 위하여 참고할 수 있는 자료는 공사지, 설계기준 및 도면, 관리대장, 보수보강 이력 등이 있으나, 저수지의 상태, 특히 축조재료의 공학적 물성을 파악할 수 있는 자료는 매우 부족하다. 또한 댐 및 저수지 설계기준이 제정된 1979년 이전에 시공된 저수지는 전체의 약 96%로, 축조 재료가 현대적인 기준을 만족하는지에 대한 검증 또한 부족하다.

본 연구에서는 저수지의 지반공학적 위험도 분석 시 요구되는 지반 물성값의 확보를 위하여 국내 저수지 10개소에서 채취한 시료에 대해 액성한계, 소성지수, 흙의 함유량, 입도분포 데이터를 분석하였고, 이에 따른 지반 물성 범위를 국내 댐 설계기준에 만족하는지 비교⋅분석 하였다.

2. 국내 저수지 현황 및 특성

2015년도 현재 국내의 수리답 면적 753천ha 중 441천ha(58.6%)에 용수를 공급하는 가장 중요한 수리시설물인 저수지는 총 17,401개소로 집계되었다(MAFRA, 2015). 저수지 준공년도에 따라 구분하면, 50년 이상인 경우가 12,305개로 71%에 해당한다.

저수지를 높이별로 구분하면 약 82%가 10m 미만인 소규모 저수지로 분류되며, 15m 이상인 경우는 18%이다. 이러한 대형 저수지는 재해발생 시 큰 피해를 가져올 것으로 판단된다.

국내 대부분의 농업용 수리시설물인 저수지는 대부분 준공 후 50년 이상 경과한 필댐으로 축조 당시 명확한 설계기준이 없었다. 국내 저수지는 철저한 시공관리를 하였어도 최근 기후변화에 따른 국지성 집중호우, 태풍으로 인한 강우 등 증가한 홍수량을 고려할 경우 월류 파괴에 가장 취약한 것으로 평가된다. 또한, 전반적으로 축조 당시 충분한 다짐이 이루어지지 않아 누수로 인한 파이핑에 취약한 구조적인 특징을 나타낸다(MOAF, 1995).

3. 필댐의 축조재료 기준

국내 필댐의 축조재료는 MOAF (2002), MOLTMA (2011), KRCC (2011)에서 제시한 기준을 따르고 있으며, 주요 공학적 특성은 Table 3과 같다. 불투수성 존은 압축성이 작고, 유기질을 포함하지 않은 재료로 시공되어야 하며, 투수계수가 10-5 cm/s 이하의 기준을 만족해야 한다. 이러한 재료는 15% 이상의 소성지수 (plasticity Index, PI)를 확보해야 하는데, 이는 기초 암반(착암부)과의 접촉을 양호하게 하며, 변형에 따른 균열을 방지하기 위함이다. 불투수성 존의 재료는 통일분류법 상 SC(점토질 모래), GC(점토질 자갈), GM(실트질자갈), SM(실트질 모래), SC(점토질 모래), CL(실트질 점토), CH(소성이 큰 점토), ML(점토질 실트)로 분류되는 재료가 적정하다고 국내 가이드라인에서 제시하고 있다. 제체 사면을 구성하는 투수성 존의 축조재료는 투수계수가 10-3cm/s 이상인 재료로, GW(입도분포가 좋은 자갈), GP(입도분포가 나쁜 자갈), SW(입도분포가 좋은 모래), SP(입도분포가 나쁜 모래)가 사용가능하다고 제시하고 있다.

Comparison of Domestic Design Specifications of Dam Material (MOAF, 2002; MOLTMA, 2011; KRCC, 2011)

Statistics of Reserviors Based on Construction Completion Year (MAFRA, 2015)

Statistics and Total Storage Capacity Based on Reservoir Height (MAFRA, 2015)

Tables 45MOAF (2002)에서 제시한 토질재료 분류에 따른 주요 공학적 특성과 필댐 축조재료로서의 적합성을 나타낸다. 토질재료의 공학적 특성은 분류기호에 따라 투수성, 전단강도, 압축성, 작업성으로 구성되며, 축조재료로서의 적합성은 투수존, 불투수존, 균일형에 대해서 분류기호별 허용 가능 순위를 1부터 10의 순으로 나타내고 있다.

Major Characteristics of Fill Dam Materials (MOAF, 2002)

Suitability of Fill Dam Materials (MOAF, 2002)

국내 필댐의 입도분포에 대한 기준은 Fig. 1과 같다(KRCC, 2011). Fig. 1은 투수성 존, 불투수성 존, 균열 발생 위험의 입도분포 범위를 나타낸다. 세립분의 양이 50%를 초과하는 경우 균열 발생의 위험성이 있다.

Fig. 1

Range of Particle Size Distribution of Fill Dam Material in Korea (Redrawn from KRCC (2011))

국외에서는 소형 댐의 축조재료 기준을 Fig. 2와 같이 입도분포로 제시하고 있다(Stephens, 2010). 여기서 규모가 작은 댐은 높이가 5m 이하이며, 유역면적이 25km2이거나 저수량이 50,000m3보다 적은 경우에 해당된다. 균일형 댐의 재료는 세립분 비율이 약 12~90% 범위까지 허용되고, 존형 댐의 세립분의 비율은 코어의 경우 75% 이상, 쉘의 경우에는 0~75% 범위에서 허용된다.

Fig. 2

Range of Particle Size Distribution of Small Dam Material: (a) Homogeneous Dam Material; (b) Zoned Dam Material; (Redrawn from Stephens (2010))

4. 필댐의 내부 침식에 대한 위험도 기법

본 연구의 목적은 저수지(필댐 형식)의 내부 침식에 대한 위험도 분석 과정에서 단계별 파괴확률 계산에 필요한 입력변수를 제시하는 것이며, 축조 재료의 물성값 범위를 국내 저수지의 토질 재료 특성과 댐 설계 기준을 비교⋅분석하여 산정하는 것이다. 필댐의 내부 침식에 대한 위험도 분석 및 평가의 가이드라인은 USACE (2009)에서 제시하고 있다. 내부 침식에 대한 파괴 시나리오는 제체(댐체), 기초, 제체와 기초를 동시에 통과하는 내부 침식으로 나눌 수 있다. 필댐의 내부 침식에 대한 파괴 시나리오는 5단계별 분기 확률(Branch probability)로 구성되며, 각 분기 확률을 곱하여 최종적으로 필댐의 내부 침식에 대한 시스템 응답 확률(System Response Probability, SRP)을 구할 수 있다(Kim et al., 2016). 여기서, SRP는 하중 조건에 상관없이 댐이 기능을 상실하여 저수를 하지 못할 확률을 의미한다. 댐 및 저수지의 위험도 분석⋅평가 기법은 댐의 현재 불확실한 위험요인을 반영하고 잠재적인 위험성을 정량적인 확률로 제시하기 때문에 유지관리 및 보수보강의 우선순위 선정에 효과적으로 활용될 수 있다.

Fig. 3은 필댐의 내부 침식에 대한 위험도 분석의 개략적인 모형 및 분기확률산정에 필요한 지반공학 물성 정보를 나타낸다. 내부 침식은 5가지 사건에 의해 나타날 수 있으며, 균열 발생(flaw), 침식 시작(initiation of erosion), 침식 지속(continuation of erosion), 침식의 진전(progression of erosion), 붕괴의 시작(breach)으로 구성된다. 각 분기 확률은 시공 방법, 기후 등 지역적, 계절적 요인, 댐의 기하학적 형상, 토질 물성 등 여러 조건에 의해 결정된다.

Fig. 3

Required Information for Risk Analysis in Fill Dam

5. 연구대상 저수지 현황

본 연구대상 저수지는 앞서 제시한 필댐의 위험도 분석 및 평가에 필수적인 지반공학 물성, 즉 Table 6과 같이 소성지수(PI), 액성한계(Liquid Limit, 이하 LL), 흙의 분류 기호(USCS symbol), 입도분포 정보가 존재하는 현장으로 선정하였다. 연구 과정에서 국내 지자체에서 관리하는 저수지의 대부분은 제체 시추 조사, 재료실험 및 현장 시험 등을 바탕으로 수행한 지반 물성 정보가 매우 부족한 것으로 파악되었다.

Soil Properties related to Risk Analysis and Guideline in Fill Dam

연구대상 저수지는 지자체에서 관리하는 10개 저수지이며, 본 연구진이 직접 조사한 5개소(K-water, 2016a, 2016b, 2016c, 2016d, 2016e)와 기존의 정밀안전진단 보고서(KRCC, 2000a, 2000b, 2007, 2008, 2010; KER, 2016)에 시추조사 결과와 현장시료에 대한 실내 시험 데이터가 존재하는 저수지로 선정하였다. 이들 정보를 바탕으로 국내 저수지의 대표적 지반 물성 범위를 도출하고자 하였다. Table 7은 저수지의 제체 높이, 준공년도, 축조재료의 투수계수 적합 여부를 나타낸 것이다. 모든 연구대상 저수지는 모두 준공 후 46년 이상 경과하였으며, 최소 3.4m에서 최대 13m 높이의 소규모 댐으로 분류된다. 연구대상 저수지에 대한 시추 위치별 기본 물성(LL, PI, 분류기호)에 대한 정보는 Appendix 1에 정리하였다.

Present Conditions of Ten Target Reservoirs

6. 연구대상 저수지의 지반 물성 분석

본 연구에서는 10개 저수지의 총 49개 시료에 대하여 수행한 실내시험 결과를 비교 및 분석하였다. 49개의 시료는 저수지별 2개 또는 3개의 시추공에서 상대깊이를 달리하여 2~3개씩 채취한 것이다. 시료는 보고서에서 제시한 현장투수시험 결과를 바탕으로 불투수성 존의 투수계수 기준(10-5cm/s 이하)에 따라 두 종류로 분류하였다.

6.1 액성한계 및 소성지수 범위 분석

Fig. 4는 각 시료가 채취된 저수지 상대깊이에 따른 액성한계(LL)와 소성지수(PI)를 나타낸다. 각각의 시료에 대한 정보는 현장투수시험 결과에 따라 불투수성 존의 투수계수 기준 만족 여부를 구분하여 표시하였다. 시료 채취 심도를 표현한 상대 깊이는 시추 깊이를 댐 높이로 나눈 값으로 정의하였다. 즉 상대 깊이 0은 댐마루 위치를 의미하며, 1은 하부 암반 접촉면의 위치를 의미한다. 본 연구에서는 댐마루 및 착암부의 재료 기준을 검토하기 위하여 댐마루 및 착암부의 위치를 각각 0~0.1, 0.9~1로 설정하였다.

Fig. 4

Relationship between Liquid Limit, Plasticity Index and Relative Depth with Permeability Coefficient Criteria

투수계수 기준을 만족하는 저수지의 시료는 총 24개로, LL은 0~58.8%의 범위를 보였으며, 평균 34.3%로 분석되었다. PI는 0~35.1%의 범위를 보였으며, 평균 18.6%이다. 상대 깊이 0.1 이하에 해당하는 시료는 1개로, LL은 28%로 나타났다. 미 공병단은 LL 값에 따라 소성 정도를 분류하며, 댐마루 부근의 소성도가 높을수록 건조균열의 발생 가능성이 크다고 제시하였다(USACE, 2009). LL이 0~20% 사이의 흙은 낮은 소성도(low plasticity)로 건조균열 발생 가능성이 적다. 상대 깊이 0.9~1 사이에 해당하는 시료는 3개로, PI가 18.3~21.8%의 범위를 보였으며, 평균 20.4%를 나타냈다. 해당 시료는 모두 착암부의 재료 기준(15% 이상의 PI)을 만족한다. PI에 따른 흙 분류 기준(Burmister, 1949)으로 살펴보면, 24개의 시료 중 NP(Non-Plasticity)는 2개(8.3%)이며, PI가 10~20% 사이의 중간 소성도(medium plasticity)가 13개(54.1%)를, 20~40% 사이의 높은 소성도(high plasticity)가 9개(37.5%)로 분석되었다.

차수재료의 투수계수 기준에 미달한 저수지 축조재료는 LL이 0~49.6%,를 나타내며, 평균 26.4%로 나타났다. PI의 경우에는 0~24.8%의 범위이며, 평균 11.7%이다. 결과 값을 댐 설계기준에 따라 비교해보면, 상대 깊이 0.1에 위치한 1개 NP 시료에 대해서는 건조균열의 발생가능성이 없다. 상대 깊이 0.9~1 사이의 시료는 5개로, 0~22.7%의 PI값을 보였으며, 평균 15.4%이다. 이 중 1개의 시료는 NP에 해당하여 착암부 기준에 미달하였다. 소성 정도에 따른 기준 미달 시료의 분포는 10개(40%)가 NP, 8개(32%)가 중간 소성도, 7개(28%)가 높은 소성도로 분석되었다.

6.2 흙 입자 함유율의 범위 분석

Fig. 5는 연구대상 저수지의 상대깊이별 흙 입자의 함유율을 나타낸다. 통일분류법에서 규정하는 입경에 따른 흙의 분류는 자갈(gravel)이 75~4.75mm, 모래(sand)가 4.75~0.075mm, 세립분(fines)이 0.075mm 이하로 구분한다(ASTM, 1992).

Fig. 5

Relationship between Soil Contents and Relative Depth with Permeability Coefficient Criteria

불투수성 존의 투수계수 기준을 만족하는 시료 중 자갈 함유율은 0.2~28.8%로, 평균 6.2%을 보였다. 이들 중 약 70%에 해당하는 17개 시료는 자갈 함유율이 10% 미만으로 나타났다. 모래 함유율은 17.4~72.2% 범위에 존재하여 가장 넓은 분포를 나타냈으며, 평균 39.5%의 함유율을 나타내었다. 모래 함유율은 20~40%의 범위에서 9개(37.5%)로 가장 높은 비율을 보였다. 세립분의 함유율은 26.6~81.7% 범위로, 평균 54.3%로 분석되었다. 이들 중 절반에 해당하는 12개 시료가 50~70%의 범위의 분포를 나타냈다.

투수계수 기준에 미달한 시료의 자갈 함유율은 0.1~31.9%의 범위, 평균 14%로 투수계수 기준을 만족하는 시료에 비하여 크게 나타났다. 자갈은 10% 이하의 함유율에서 가장 높은 비율인 44%(11개)로 확인할 수 있었다. 모래 함유율은 13.1~83.8% 범위이며, 평균 40.9%를 보였다. 20~40% 범위의 시료는 총 13개(52%)로 가장 높은 비율을 보였다. 세립분 함유율은 14.6~79.1%로, 평균 43%로 분석되었다. 모래 함유율과 동일하게 세립분 함유율도 20~40% 사이에서 11개(44%)로 가장 높은 비율로 조사되었으며, 이는 투수계수 기준을 만족하는 시료에 비하여 적게 나타났다.

투수계수 기준에 따라 흙의 함유율을 비교해보면, 자갈의 경우 투수계수를 만족하는 시료는 0~10%의 함유율 범위에서 전체의 71%를 차지한다. 같은 함유율 범위 내에서 투수계수 조건에 미달한 시료는 약 44%에 해당하였으며, 기준에 만족한 시료보다 약 26.8%정도 낮은 비율이다. 모래 함유율은 두 케이스 모두 평균 약 40%를 보인다. 모래 함유율의 범위는 투수계수 기준에 만족하지 못하는 시료가 기준에 적합한 시료보다 5~10%정도 더 넓은 범위에 분포하였다. 세립분 함유율은 투수계수 기준에 적합한 시료가 미달한 시료보다 약 10% 정도 높은 평균을 보였다. 또한 가장 높은 비율을 차지하는 세립분의 범위는 투수계수의 기준에 적합한 시료가 50~70% 범위 내에 있는 반면에 부적합 시료는 20~40% 범위 내에 존재한다.

6.3 분류기호 및 입도분포 비교 분석

연구대상 저수지 시료는 통일분류법 상 총 네 종류(SM, SC, ML, CL)로 분류되었다. 투수계수 기준에 만족하는 시료는 SM이 2개, SC가 9개, ML이 1개, CL이 12개로 분류되어 점토입자를 함유한 재료가 두드러지는 것으로 나타났다. 부적합한 시료는 SM이 10개, SC가 11개, CL이 4개로 분류되었으며, SM과 SC 등 모래 중심의 재료가 많은 비중을 차지하였다. Table 5에서 알 수 있듯이 SC와 CL은 적합도가 2~3 수준으로 불투수성 존의 축조재료에 적합한 시료이다. SM의 적합도는 5로 불투수성 존의 재료로 허용가능하나, 투수성이 좋을 가능성이 있어 앞서 제시된 두 시료보다 적합하지 않다.

Fig. 6은 연구대상 저수지 시료의 입도분포를 기존 제체 축조재료의 입도분포 기준과 비교한 결과이다. 해당 그래프는 투수계수 기준에 미달하는 시료와 만족한 시료 모두 가지고 있는 6개 저수지를 대상으로 입도분포를 도시하였다.

Fig. 6

Particle Size Distribution Curve in Six Reservoir Studied with Permeability Coefficient Criteria

B 저수지는 한 개의 시료가 투수계수 1.1×10-4 cm/s로 불투수성 투수계수 기준에 미달한다. 해당 시료는 세립분의 함유율이 약 80%로 같은 지역의 시료보다 약 10%의 세립분 함유율이 많다. B 저수지의 입도분포는 세립분의 함유량이 많기 때문에 입도분포가 빈입도이다. F 저수지는 4개의 시료 중 2개의 시료가 투수계수 기준보다 높은 투수계수로 조사되었다. 기준에 미달한 두 시료의 투수계수는 4.3×10-5cm/s와 1.7×10-5cm/s 수준으로 투수계수 기준에 약 2배에서 4배 정도 차이가 난다. 기준에 미달한 시료는 적합 시료에 비해 세립분 함량이 낮은 편이며, 8~12% 정도의 차이를 나타낸다. G 저수지의 경우에는 1개 시료를 제외한 5개 시료가 투수계수 기준에 부적합하다. 5개의 부적합 시료 중 2개는 세립분의 함량이 68% 이상인 빈입도로, 투수계수가 기준에 만족하지 못한다. 해당 시료를 제외한 3개의 시료는 세립분 함량이 약 13~26%의 차이를 보이며, 해당 시료의 입도분포 곡선이 투수성부 재료 기준 상한에 근접하다. H 저수지는 6개 시료 중 3개 시료의 투수계수가 불투수성 존 기준에 부적합하다. 부적합한 시료 중 투수계수가 가장 높은 시료는 불투수성 존 기준 내에 입도분포 곡선이 위치하지만 동시에 투수성부 기준 안에도 포함된다. I 저수지의 경우 불투수성 존의 입도분포 기준을 만족하지 못하는 시료는 1개로 10-4cm/s 수준의 투수계수를 갖는다. 해당 시료는 투수성부 재료 기준의 상한선에 인접하다. J 저수지 역시 3개의 투수계수 부적합 시료 중 2개의 시료가 투수성부 재료 기준 상한선에 인접하였다.

투수계수가 10-4cm/s 수준의 입도분포 곡선을 종합하여 살펴보면, 5개의 입도분포 시료 중 1개의 시료는 세립분이 80%로 입도분포가 고르지 못하다. 4개의 곡선은 투수성부 재료 기준 상한선에 인접하거나 혹은 투수성부 기준 내에 위치하여 투수계수 기준에 적합한 시료보다 하향추세이다.

6.4 지반물성의 종합 비교 분석

Table 8은 앞서 분석된 연구대상 저수지의 투수계수에 따른 액성한계, 소성지수, 흙의 함유율의 범위를 나타낸다. Table 8에서 알 수 있듯이 투수계수 조건을 만족하는 케이스가 부적합한 시료의 케이스 보다 소성지수, 액성한계가 높게 나타났다. 이러한 결과는 투수계수 기준에 부적합한 낮은 소성도의 축조 재료는 재료의 열화에 따라 투수성이 높아질 가능성이 존재한다(Park and Oh, 2016).

Range of Soil Properties in Ten Target Reservoirs

투수계수 기준에 적합한 시료는 자갈과 모래의 함유율이 부적합 시료보다 낮고, 세립분이 함유량은 높음을 확인하였다. 이 결과를 위험도 관리 측면에서 연관시켜 볼 때, 댐마루 상부의 재료는 세립분이 많아 소성지수가 큰 흙일수록 건조균열 및 부등침하의 발생 가능성이 존재한다. 현장투수시험 결과와 입도분포를 비교해 보면, 투수계수가 국내 기준의 만족하지 못하는 시료가 50%이상이며, 이는 노후화로 인한 세립분 이탈 혹은 재료 부적합(세립분이 적고 투수계수가 높은 시료에 해당). 다짐불량에 의한 간극 혹은 시공 시 축조재료에 부적합(투수계수가 높고 자갈함유율이 높은 시료에 해당)에 원인이 있을 수 있다.

흙의 분류기호는 투수계수 기준에 만족하는 시료가 불만족 시료보다 축조재료의 적정성이 높은 재료이며, 투수계수가 높을수록 SM, SC의 비율이 높았다. 이는 위험도 평가 시 SM 및 SC의 시료가 CL보다 내부 침식이 발생할 확률이 높다는 점(USACE, 2009)과 연관시킬 수 있다.

Park and Oh (2016)의 13개의 대댐에 대한 지반 물성(소성지수, 분류기호)과 본 연구결구와 비교해보면, 대댐의 소성지수는 9.2~23%로, 평균 16.6%로 조사되었는데, 10개 저수지의 적합 시료의 소성지수의 평균(18.6%)과 유사하였다. 하지만 소성지수의 범위가 저수지의 경우 더욱 넓은 범위로 나타났다. 이는 적절한 기준에 의해 관리되는 댐의 경우에는 소성지수의 범위 폭이 좁고 유사한 값을 갖으나, 저수지는 시공연도, 관리기관 등의 관리방법 및 시공조건이 다르기 때문에 더욱 넓은 범위를 나타났다. 분류기호를 보면 CL이 대부분을 차지하는 대댐에 비해 저수지는 SC, CL, SM이 높은 빈도를 차지하는 분류기호로 나타났다. 대댐에 비해 소규모 저수지의 경우에는 소성지수와 마찬가지로 관리방법 및 시공조건의 차이에 의해 모래 중심의 재료가 높은 빈도를 차지한다.

위험도 분석을 수행함에 있어 국내 저수지는 기본 물성 데이터가 부족하여 위험도 분석을 수행하기에 제한이 있다. 본 연구에서 제시한 입도분포, 액성한계, 소성지수, 흙의 함유율은 축조 재료의 물성 확인에 제한이 있는 저수지에 대해 위험도 분석 시 차용하여 대략적인 범위 산정에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 누수 및 침투가 발생한 저수지는 부적합 재료의 물성 범위 중 가장 낮은 값을 차용하여 위험도 분석을 보수적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

7. 결론

본 연구에서는 국내 10곳의 저수지에 대해 액성한계(LL), 소성지수(PI), 흙의 함유율, 입도분포곡선을 불투수성 존 투수계수 기준에 따라 도시하였고, 분석된 데이터를 통해 재료 기준 만족 여부에 따른 지반 물성 범위를 도출하였다. 이와 함께 국내외의 필댐 축조재료 기준을 조사하여 본 연구 결과와 비교하였다. 분석된 연구대상 저수지의 지반 물성 범위와 축조재료 기준의 비교를 통해 다음의 결론을 얻었다.

  • (1) 연구대상 저수지의 소성지수 범위는 불투수성 존 투수계수 기준에 만족하는 시료가 0~35.1%, 기준에 미달한 시료가 0~24.8%로 분석되었다. 불투수성 존 기준 미달 시료는 NP가 40%로 가장 많은 반면에 기준 적합 시료는 중간 소성도(medium plasticity)의 시료가 54.1%로 가장 높은 비율을 나타냈다. 착암부에 해당하는 상대깊이 0.9~1 사이의 시료는 기준 미달 시료 1개를 제외하고 착암부 기준인 15이상의 PI를 만족하였다.

  • (2) 연구대상 저수지의 불투수성 존 투수계수 기준을 만족하는 흙의 함유율 범위는 투수계수 기준에 부적합한 시료의 범위보다 자갈, 모래의 함유율이 낮고, 세립분의 함유율이 높게 분석되었다. 자갈과 모래의 함유율은 두 케이스 모두 동일하게 10% 이내, 20~40% 범위 내에서 가장 많은 시료가 포함됨을 확인하였다. 이와는 다르게 세립분 함유율은 기준 미달 시료가 기준에 적합한 시료보다 더 적은 함유율 범위에서 많은 시료가 포함됨을 보였다.

  • (3) 연구대상 저수지 중 불투수성 존의 투수계수 기준에 충족한 시료와 미달한 시료 모두 포함하고 있는 6개의 저수지의 입도분포곡선은 모두 불투수성 존 투수계수 기준에 만족한다. 하지만 10-4 cm/s 수준의 투수계수를 갖는 시료의 경우에는 투수성부의 상한기준에 근접하거나 혹은 빈입도임을 보였다.

  • (4) 본 연구에서 제시한 소성지수, 흙의 함유율의 범위 및 입도분포 곡선은 설계기준 재정 전에 축조되거나 공사지가 없는 저수지의 토질 재료적 특성을 보여준다.

  • (5) 본 연구의 성과는 국내 저수지 위험도 분석 및 평가시 지반공학적 파괴확률 산정을 위해 지반공학적 물성정보가 불충분한 저수지의 위험도 평가에 적용하여 위험도 범위를 산정하는데 활용하고자 한다.

  • (6) 본 연구에서 제시된 물성 범위는 10개 저수지에 대해 수행하여 높이별, 지역별, 댐 형식별, 연도별 등 다양한 조건에서의 물성분포를 고려하기 어렵다. 다수 저수지의 시추조사를 통해 특정 조건에 맞는 지반물성 데이터를 제시하는 연구가 필요하다.

감사의 글

본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 재난안전기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임[MPSS-자연-2015-78].

Appendices

[부록] 연구대상 저수지의 지반 물성 실험 결과

Table 9는 연구대상 저수지 10개소에 대해 시추공별로 구분하여 상대깊이에 따른 분류기호, 액성한계, 소성지수, 흙의함유량 및 분류기호를 나타낸다. 불투수성 존의 투수계수 기준에 따라 10-5cm/s보다 높은 투수계수의 시료는 행을 회색으로 표시하였다. 투수계수 기준에 부적합한 시료는 B-1, D-1, D-2, E-1, E-2, F-2, G-1, G-2, G-3, H-1, H-2, H-3, I-3, J-1, J-2이다.

Soil Material with Boreholes for Ten Reservoirs Studied

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Article information Continued

Table 1

Statistics of Reserviors Based on Construction Completion Year (MAFRA, 2015)

Division # of reservoirs Percentage (%)
Before 1945 year 8,984 51.6
1946 ~ 1964 3,321 19.1
1965 ~ 1984 4,339 24.9
After 1985 year 757 4.4

Table 2

Statistics and Total Storage Capacity Based on Reservoir Height (MAFRA, 2015)

Division # of reservoirs Total Storage Capacity (1,000m3)
Less than 10 m 14,274 483,633
10 ~ 15 m 1,799 452,159
15 ~ 20 m 646 477,028
20 ~ 30 m 451 528,467
30 ~ 40 m 149 444,481
More than 40 m 82 756,606

Table 3

Comparison of Domestic Design Specifications of Dam Material (MOAF, 2002; MOLTMA, 2011; KRCC, 2011)

Zone Character MOAF (2002) MOLTMA (2011) KRCC (2011)
Impermeable zone (core) Permeability 10-5cm/s impermeable 10-5cm/s
Compressibility Low compressibility Low compressibility Similar with adjacent material
Organic soil Not allowed Not allowed -
Particle size - 15 to 20% fines passing 0.05mm -
USCS symbol GC, GM, SC, SM, CL GC, SC, CL, SM, CH, ML GC, SC
Note - Soil with PI≥15 near rock foundation Soil with PI≥15 to prevent crack
Permeable zone (shell) Permeability 10-3cm/s - 10-3cm/s
USCS symbol GW, GP, SW, SP - GW, GP, SW, SP

Note: GW(well-graded gravel), GP(poorly graded gravel), GC(clayey gravel), GM(silty gravel), SW(well-graded sand), SP(poorly graded sand), SC(clayey sand), SM(silty sand), CL(lean clay), CH(fat clay), ML(silt)

Table 4

Major Characteristics of Fill Dam Materials (MOAF, 2002)

USCS symbol Major characteristic (after compaction)
Permeability Shear strength Compressibility Workability
GW Permeable Great Very low Great
GP Highly Permeable Good Very low Good
GM Semi or Impermeable Good Very low Good
GC Impermeable Good or Moderate Very low Good
SW Permeable Great Very low Great
SP Permeable Good Very low Moderate
SM Semi or Impermeable Good Low Moderate
SC Impermeable Good or moderate Low Good
ML Semi or Impermeable Moderate Moderate Moderate
CL Impermeable Moderate Moderate Good or moderate
OL Semi or Impermeable Poor Moderate Moderate
MH Semi or Impermeable Moderate or poor High Poor
CH Impermeable Poor High Poor
OH Impermeable Poor High Poor

Table 5

Suitability of Fill Dam Materials (MOAF, 2002)

USCS symbol Suitability for fill dam material
Homogeneous dam Impermeable zone Shell zone
GW 1
GP 2
GM 2 4
GC 1 1
SW 3
SP 4
SM 4 5
SC 3 2
ML 6 6
CL 5 3
OL 8 8
MH 9 9
CH 7 7
OH 10 10

Note: The low value of suitability means good condition

Fig. 1

Range of Particle Size Distribution of Fill Dam Material in Korea (Redrawn from KRCC (2011))

Fig. 2

Range of Particle Size Distribution of Small Dam Material: (a) Homogeneous Dam Material; (b) Zoned Dam Material; (Redrawn from Stephens (2010))

Fig. 3

Required Information for Risk Analysis in Fill Dam

Table 6

Soil Properties related to Risk Analysis and Guideline in Fill Dam

Classification Soil properties Test method for measuring materials
Risk analysis Liquid limit(LL), Plasticity Index(PI), USCS Symbols, Particle size distribution Lab test(Atterberg limit test, grain size analysis)
Guidelines for dam construction Plasticity index(PI), Permeability, Particle size distribution Lab test(Atterberg limit test, grain size analysis), Field Permeability test

Table 7

Present Conditions of Ten Target Reservoirs

Reservoir Height (m) Year of construction completion Satisfaction of permeability coefficient standard
A 4 1945 Suitable permeability
B 11 1968 Suitable and inadequate permeability
C 13 1971 Suitable permeability
D 9 1945 Inadequate permeability
E 8.5 1966 Suitable and inadequate permeability
F 7.5 1968
G 5.2 1968
H 3.4 1945
I 9.5 1962
J 6 1945

Fig. 4

Relationship between Liquid Limit, Plasticity Index and Relative Depth with Permeability Coefficient Criteria

Fig. 5

Relationship between Soil Contents and Relative Depth with Permeability Coefficient Criteria

Fig. 6

Particle Size Distribution Curve in Six Reservoir Studied with Permeability Coefficient Criteria

Table 8

Range of Soil Properties in Ten Target Reservoirs

Soil properties Range (average) of soil property (%) Note
Suitable material on the permeability criteria Substandard material on the permeability criteria
PI (Plasticity Index) 0~35.1 (18.6) 0~24.8 (11.7)
LL(Liquid Limit) 0~58.8 (34.3) 0~49.6 (26.4)
Soil content Gravel 0.2~28.8 (6.2) 0.1~31.9 (14)
Sand 17.4~72.2 (39.5) 13.1~83.8 (40.9)
Fines 26.6~81.7 (54.3) 14.6~79.1 (43)
Particle size distribution - - Both cases have satisfied the gradation criteria of impermeable zone

Table 9

Soil Material with Boreholes for Ten Reservoirs Studied

Reservoir # of boreholes Relative depth Permeability (cm/s) Liquid Limit (%) Plasticity Index (%) Soil contents (%) USCS symbol
Gravel Sand Fines
A 1 0.13 1.7E-06 27.6 11 0.2 54.5 45.3 SC
0.50 2.4E-06 13.6 35.1 0.2 60.1 39.7 SC
2 0.25 4.5E-07 28.5 11.5 0.3 58.1 41.6 SC
0.50 1.3E-07 9.7 31.2 0.5 43.6 55.9 CL
B 1 0.09 1.1E-04 0 0 7.8 13.1 79.1 SM
0.18 1.0E-06 0 0 12.7 17.4 69.9 SM
2 0.18 8.9E-06 0 0 12.7 19.2 68.1 SM
C 1 0.07 3.0E-06 28 14.1 3.3 42.5 54.2 CL
0.15 1.2E-07 49.3 10.8 4.3 18.5 77.2 ML
2 0.13 5.9E-07 30 15.8 2.4 29.7 67.9 CL
0.15 2.4E-07 34.7 19.9 1.8 21.5 76.7 CL
D 1 0.42 2.8E-04 0 0 7.7 17.8 74.5 SM
0.48 2.8E-04 0 0 10.1 21 68.9 SM
2 0.52 6.6E-04 37 14.7 16.2 30.1 53.7 SC
0.70 6.6E-04 44.8 20.4 24 29.3 46.7 CL
E 1 0.71 1.7E-05 0 0 5.7 63.2 31.1 SM
0.21 1.7E-05 0 0 10.5 68.3 21.2 SM
0.56 1.7E-05 0 0 9.3 66.2 24.5 SM
2 0.24 8.4E-05 0 0 28.6 55.8 15.6 SM
0.94 8.4E-05 0 0 3.9 62.6 33.5 SM
0.45 8.4E-05 0 0 10.6 60.5 28.9 SM
F 1 0.40 6.3E-06 46.88 24.64 3.18 40.51 56.31 CL
0.80 8.7E-06 43.29 22.57 0.9 47.45 51.65 CL
2 0.20 4.3E-05 46.63 22.51 12.54 44.42 43.04 SC
0.40 1.7E-05 43.74 18.63 18.5 37.07 44.43 SC
G 1 0.48 4.7E-05 46.66 21.11 27.16 35.57 37.27 SC
0.96 1.8E-05 43.7 19.77 21.32 29.35 49.33 SC
2 0.48 5.4E-05 49.62 24.75 9.17 22.18 68.65 CL
1.00 4.2E-06 40.81 18.33 2.54 35.33 62.13 CL
3 0.48 3.6E-05 49.11 24.81 27.21 36.71 36.08 SC
1.00 2.8E-05 44.69 22.74 0.33 21.22 78.45 CL
H 1 0.59 7.0E-06 38.22 18.77 1.66 67.67 30.67 SC
1.00 3.2E-05 42.02 17.54 2.17 73.4 24.43 SC
2 0.74 8.5E-06 33.25 13.73 0.57 66.85 32.58 SC
1.00 2.0E-05 42.59 16.74 0.14 54.55 45.31 SC
3 0.74 6.2E-04 0 0 1.6 83.77 14.63 SM
1.00 3.8E-06 46.8 21.75 1.21 72.23 26.56 SC
I 1 0.32 4.2E-06 41.65 23.23 10.94 27.8 61.26 CL
0.58 8.6E-06 39.71 19.38 13.36 43.77 42.87 SC
2 0.32 5.3E-06 43.99 22.53 16.96 28.01 55.03 CL
0.58 6.7E-06 41.65 18.74 8.92 38.31 52.77 CL
3 0.32 1.7E-05 42.03 18.42 30.5 31.76 37.74 SC
0.58 1.0E-05 40.9 18.1 28.75 30.87 40.38 SC
J 1 0.42 1.5E-04 40.08 16.14 27.66 43.7 28.64 SC
0.75 3.1E-04 38.8 14.4 31.94 38.09 29.97 SC
2 0.42 2.3E-05 47.42 20.81 6.37 33.26 60.37 CL
0.97 2.5E-06 43.12 21.22 0.16 18.11 81.73 CL
3 0.42 6.5E-06 58.76 34.57 0.95 30.13 68.92 CL
0.75 7.7E-06 42.09 19.19 21.38 34.77 43.85 SC