TIMWORK-inc/kds-kcs-standards huggingface dataset:
① 시험심도 m당 투수시험 압력은 토사층에서는 0.011 MPa, 암반층은 0.023 MPa를 기준으로 하나, 암반층은 변위가 일어나지 않는 한 조금 높게 적용한다.
② 수압시험은 낮은 압력→중간 압력→높은 압력→중간 압력→낮은 압력의 5단계로 하며, 시험시간은 압력단계별로 5~10분으로 한다.
③ 패커투수시험은 압력별로 안정이 이루어진 후 5분 간격으로 압력과 주수량이 3회 이상 같은 값이 될 때까지 한다.
(4) 변수위시험법
① 토사층의 경우 실시하는 시험법으로 시험 예정구간 윗부분까지 천공한 후 케이싱을 타입하고 시험구간 만큼 더 파낸다. 케이싱 내의 물을 퍼내거나 주수한 후의 시간별 수위변화를 측정하여 투수계수를 산출하는데, 구경이 작은 케이싱을 사용하므로 공내의 물을 퍼내기가 어려워 대개 케이싱 정부까지 주수한 후 수위변화를 측정한다. 케이싱과 공벽사이의 공간은 그라우팅을 하여 이 사이로 물이 들어가지 않게 한다. 이 방법은 지층이 점토 또는 실트질 점토로 이루어진 구간에서 시험구간이 무너지지 않을 경우에 사용할 수 있다.
(5) 패커 투수시험법
① 균열성 암반의 투수성을 평가하기 위하여 일반적으로 널리 이용되고 있는 현장 투수시험방법으로서 시추공 내 일정한 길이의 주수구간에 압력수를 주입하고 주수량과 주수압의 관계를 이용하여 그 구간의 투수계수를 구하는 방법이다.
② 투수시험은 천공이 끝난 후 특정한 구간의 상하 2개소에 패커를 설치하여 주수하는 더블패커(double packer) 방식이 있고 천공을 하는 과정에서 필요한 구간을 정하여 시험하는 싱글패커(single packer) 방식이 있다.
4.1.8 수압시험
(1) 수압시험(lugeon test)은 공내에 물을 넣어서 투수도를 구하는 방법으로 1 Lu는 10 bars의 압력에서 시험구간 1 m당 1 L/min의 주수량이 들어가는 조건의 투수도를 의미한다. 1 Lu는 그라우팅이 거의 되지 않을 정도로 수밀하여 물이 새지 않을 정도의 지반상태이며, 10 Lu는 필댐 형식에 관련없이 불균질한 지층에서는 대개의 경우 그라우팅을 한다. 100 Lu는 절리가 심하게 발달되었을 뿐 아니라 절리의 틈이 개구상으로써 주입수가 다량 들어가는 지반상태이다.
① 시험방법은 패커 투수시험 방법과 동일하며 시험구간은 5 m 정도로 하나, 낮은 필댐에서는 짧게 잡는 것이 투수성 지층심도를 정확하게 파악할 수 있어 그라우팅계획이 과다해지지 않게 된다.
② 펌프는 패커투수시험에서 처럼 200 L/min의 능력이 있는 것을 사용해야 하며 여러 단의 기어가 장착된 것이거나 엔진의 속도를 조절하여 회전수가 빨라질수록 펌프의 송수능력이 증가하는 것을 반드시 사용해야 한다.
(3) 적정시험압력
① 시험압력은 낮은 압력→중간 압력→높은 압력→중간 압력→낮은 압력의 5단계로 실시한다. 시험압력은 높은 압력을 적용하여도 암반에 변위나 파쇄가 발생하지 않는다면 최대 10 bars까지 올려 볼 수 있다.
② 경험법칙으로는 치밀한 암반에서는 최대 시험압력을 심도 m당 0.023 MPa이 적당하며 암질이 불량할 때는 더 적은 압력을 적용한다.
③ 지표면 또는 터파기면에 가까운 얕은 심도나 연암에 높은 압력으로 주수하면 지반이 교란되므로 적은 압력을 적용하고 Lu값을 보정하여 산출한다.
④ 단계별 시험압력은 주입수가 정류(steady flow)된 상태에서의 압력을 의미하며, 실제 이처럼 안정이 될 때까지는 10분 정도 소요된다. 단계별 실제 시험시간은 5~10분으로 하는데 조사공의 경우에는 일반적으로 10분 정도가 바람직하다.
(4) Lu값과 그라우팅 시공범위 설계
① Kutzner(1996)는 암반에서 실시한 투수시험자료, 시공경험 및 시멘트 주입량으로부터 그라우팅 시공범위를 정하는 기준을 제안하였다. 즉 제안된 값의 Lu값보다 더 높은 투수성을 보일 때는 그라우팅을 시공하도록 설계한다.
② 대개 지반개선 목표 Lu값은 높은 필댐, 특별한 위험이 있다고 예상되는 경우 및 상부 터파기면을 포함한 표층부에는 낮은 값을 적용하고, 낮은 필댐과 심부 지수커튼에는 비교적 높은 값을 적용한다.
4.1.8.2 주입장비
① 혼합기는 동력 25 Hp 이상, 1,500 rpm 이상의 고속․고전단 믹서로써 주입재료가 완전히 분리될 수 있는 것을 현장 투입하도록 설계한다.
(2) 교반기
① 100 rpm 이상이어야 하며 1조의 용량이 200 L이고 토출 관지름은 50 ㎜ 이상이어야 한다. 수직축에 2조의 페달이 장착되어야 하며 가장 아래쪽의 페달은 드럼의 바닥 가까이에 부착된 것이어야 한다. 또한 주입량을 측정할 수 있는 계심장치가 있어야 하며, 교반기는 뚜껑이 없어서 육안으로 주입속도를 관찰할 수 있는 구조이어야 한다.
(3) 주입펌프
① 펌프는 교반기에 담겨진 주입재를 빨아서 주입배관을 통해 주입공까지 보내는 역할을 하는 것으로 종류가 다양하다. 이들은 밸브가 있는 것과 밸브가 없는 것 두 가지로 나누어진다. 밸브가 없는 주입펌프에는 나선형로터(helical rotor) 펌프, 와권(centrifugal) 펌프가 있으며 밸브가 있는 것에는 피스톤(piston) 펌프, 다이어프럼(diaphragm) 펌프, 램(ram) 펌프 등이 있다.
② 주입도중 압력의 변동이 적은 피스톤 펌프, 나선형로터 펌프, 다이어프램 펌프 등을 사용하고 배출압력 2.5 MPa 이상, 배출량 70 L/min 이상, 배출 관지름 50 ㎜ 이상을 사용하도록 설계한다.
(4) 주입장착장치
① 주입량 조절시스템에는 주입재를 주입공내로 들어가게하는 주입량 조절밸브, 순환배관에서 주입공내로 들어가지 않고 교반기로 되돌아가게하는 리턴밸브, 그라우팅이 끝난 후 주입재 역출방지를 위한 역출방지밸브가 있다. 이외에도 주입공내의 물과 빈배합의 주입재를 지표로 배제하는 브리더밸브와 교반기와 주입펌프 사이에서 양을 조절하는 밸브가 있으며 주입펌프에서 직관으로 주입재를 배출시키는 곳에도 밸브를 설치한다.
(5) 패커
① 패커에는 기계식(mechanical)과 팽창식(inflated) 두 가지가 있는데, 기계식은 부드러운 고무로 만든 슬리브(sleeve)가 팽창하여 공벽에 밀착될 수 있도록 고안된 장치인데 지표에서 나사를 조이면 고무가 길이방향으로 팽창하여 공벽에 부착된다. 팽창식은 조그마한 튜브로 공급되는 압축공기, 질소 또는 수압으로 인하여 고무가 팽창되도록 하는 장치이다.
4.1.8.3 주입재료
(1) 주입재료로써 요구되는 기본성질
① 주입재료는 지반의 토립자 공극이나 암반의 절리 등에 침투성이 높아야 한다. 즉 주입재료의 입자가 작아야 한다.
② 그라우트중의 입자는 균등하게 분산하고 블리딩 현상이 적으며 유동성이 좋아야 한다.
③ 고강도가 발현되고 수밀성과 내구성이 좋아야 한다.
④ 주입재료에는 흙이나 지하수를 오염시키는 물질이 포함되지 않은 무공해라야 한다.
⑤ 경제성이 있어야 한다.
⑥ 주입대상지층의 물성과 유사해야 한다.
① 현탁액이나 약액에 들어가는 물은 주입재의 고결이나 최종 특성에 유해한 영향을 미치는 물질 즉 칼륨이나 나트륨염이 많이 용해되었거나, 강산․강알카리 성분의 물은 사용하지 말아야 한다.
② 유기물질이 함유되지 않은 깨끗한 것을 사용해야 한다. 음용수나 생활용수로 사용할 수 있는 정도이면 만족하며 특별한 주변여건으로 유해한 성분이 함유되었을 것으로 의심이 되면 수질시험 분석을 해야 한다.
③ 주입수로 사용되는 물의 온도는 10~37 ℃이어야 한다.
(3) 시멘트
① 포틀랜드 시멘트는 5가지 종류가 있으며 제1종은 보통포틀랜드 시멘트로 재료값이 싸서 그라우팅 재료로 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 내화학성이 떨어진다.
② 제2종은 중용열 포틀랜드 시멘트로 1종에 비해 수화열 발생 및 건조수축이 적다.
③ 제3종은 조강 포틀랜드 시멘트로 2주 정도에 강도가 발현되어야 하는 긴급한 그라우팅에 사용되며 다른 포틀랜드 시멘트에 비해 입경이 작기 때문에 미세한 공극의 주입재료로 사용하기도 한다.
④ 제4종은 저열 포틀랜드 시멘트로 제2종에 비해 수화열이 적고 제1종에 비해 강도실현이 늦으며, 그라우팅 재료로는 일반적으로 사용치 않으나 높은 수화열이 있어서는 안되는 대용량의 그라우트주입에 사용된다.
⑤ 제5종은 내황산염 포틀랜드 시멘트로 황산염이 많은 토사나 지하수가 있을 때 사용하는 것으로 강력한 내황산염 그라우트 재료이다. 그러나 최근에는 내화학성 시멘트로 고로슬래그 시멘트나 플라이애시 시멘트 등 혼합시멘트가 일반적으로 더 많이 사용되는 경향이 있다.
⑥ 시멘트에 대한 더 자세한 사항은 KS L 5201 포트랜드 시멘트를 참고 한다.
(4) 초미립자 시멘트
① 주입재료의 입자가 작을수록 침투성이 좋아진다.
② 분말도 6,000 ㎠/g 이상인 콜로이드시멘트 또는 8,000 ㎠/g 이상인 건식 마이크로시멘트를 사용하거나, 습식분쇄장치에서 초미립화한 습식시멘트를 사용할 때는 제품의 분말도를 포함한 물리적 특성 분석표를 제출하도록 시방서에 명기하여야 한다.
③ 마이크로 시멘트나 콜로이드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해서 장기강도 및 초기강도가 매우 우수하다. 따라서, 주입공사 시 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 주입성이 좋고 고강도가 발현된다.
① 벤토나이트는 함수비 12 % 이하, 입도는 No. 200체(0.074 ㎜) 잔류량이 25 % 이하, 팽윤도(㎖/2g) 20 이상의 Na형-벤토나이트나 활성벤토나이트를 설계해야 한다.
② 벤토나이트 1 ㎏에 물 10 L비율로 첨가하여 고속믹서에서 수분간 혼합한 후 10~24시간 동안 수화된 것을 사용하고, 사용량은 설계서에 정한 비율 이하로 사용하며 믹서에 투입하는 순서는 벤토나이트 슬러리를 넣고 다음에 물을 넣으며 나중에 시멘트를 넣는 것으로 공사 시방서에 명기해야 한다.
(6) 모래
① 모르타르용 모래입도는 No. 16체(1.19 ㎜)를 통과하여야 하며 No. 100체(0.149 ㎜)를 통과하는 세립질이 25 % 이하일 때는 주입재의 운반능력이 떨어지므로 세립질을 첨가해야 한다. 사용하려는 모래는 입도분석을 하여야 하며 결과에 따라 벤토나이트 등의 혼화제 사용여부를 검토해야 한다.
② 모래는 입도분석 결과에 따라 벤토나이트 등의 혼화제 사용 여부를 검토해야 한다. 혼화재 첨가 없이 모래：시멘트 = 2：1 정도의 모르타르 주입이 한계점이다. 더욱이 주입장에서부터 주입공까지의 거리가 100 m 이상으로 멀거나 주입장보다 높은 위치에 주입할 때는 주입배관이 막히는 등 시공상에 어려움이 대단히 많다.
(7) 주입재료의 선정
① 암반에 대한 주입재료는 보통 포틀랜드 시멘트로 설계하는 것을 원칙으로 한다. 주입성을 증대시키기 위해 벤토나이트를 소량 첨가할 수 있는데 시멘트 중량의 4 %를 초과해서는 안된다.
② 시험그라우팅 때 미세절리로 인하여 지반개선 효과가 개량 목표치 이하 일 경우에는 초미립자 시멘트 설계를 고려한다.
③ 암반의 강도 및 내구성을 향상시키기 위해서는 포틀랜드 시멘트 현탁액을 주입하는 것이 가장 바람직하다.
보통 포틀랜드 시멘트의 최대입경은 100 ㎛, 국내산 마이크로 시멘트의 최대입경은 24 ㎛이므로 주입이 가능한 암반균열의 최저폭은 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우 300 ㎛, 마이크로 시멘트를 사용한 경우 70 ㎛ 수준이 된다.
④ 보통 포틀랜드 시멘트보다 더 세립질인 주입재료를 쓰거나 규산소다 등의 약액을 사용하여 지수해야 할 정도이면 그 암반은 대단히 양호한 상태이므로 그라우팅 처리가 필요 없을 수 있다.
⑤ 그러나 미세절리로 인하여 보통 포틀랜드 시멘트입자가 침투 되지 않았다고 판단이 되면 다른 주입재 약액을 사용하는 것으로 검토되어야 할 것이다.
⑥ 이때 미세절리구간과 심도에만 초미립자 시멘트를 사용하거나, 설계주입량의 20~30 % 정도를 초미립자 시멘트를 반영하여 현장 주입과정에서 적절하게 사용토록 한다.
⑦ 벤토나이트 사용은 부배합에서는 2 %, 빈배합에서는 4 % 정도를 사용하는 것이 좋다.
4.2 표준단면 설계
4.2.1 필댐 축선의 선정
(1) 필댐 축선은 지형 및 지질조건, 제체의 규모, 형식, 부대구조물의 형식 및 배치, 시공의 난이도 등을 종합적으로 판단하여 양안부 기초바닥의 지질이 좋고 충분한 두께가 있고, 필댐 길이가 가장 짧게 될 지형을 택하는 것이 원칙이다. 그러므로 대부분은 직선형으로 되나 불투수부가 얇은 필댐에서는 저수압에 의한 변화를 고려하여 다소 아치 모양을 채택할 수 있다.
(2) 필댐 지점의 개략적인 위치가 결정된 뒤에도 필댐 축선은 여러 가지로 생각할 수 있으며 그 비교가 불충분한 경우에는 비경제적인 굴착이나 필댐의 부피 증대를 가져오기 때문에 표층의 지형적 관점뿐만 아니라 지질도 겸하여 가장 좋은 축선을 정해야 한다.
4.2.1.2 필댐 축선의 선정시 고려할 사항
(1) 필댐의 위치가 대체로 결정되면 필댐 축의 위치는 다각적으로 검토되어야 한다. 즉 몇 개의 예정선을 취하여 비교 검토하고 필댐의 형식에 대하여도 비교할 필요가 있다.
(2) 필댐 축은 지형, 지질조건을 충분히 고려하여 선정해야 한다. 지형상 제체의 체적이나 굴착량을 최소로 할뿐만 아니라 단층이나 파쇄대 또는 산사태, 지층 등의 규모를 확인하여 가장 좋은 위치에 설치해야 한다. 필댐 양단부의 두께를 충분하게 취하여 소요의 크리프비가 확보될 수 있도록 필댐 축선을 선정해야 한다.
(3) 필댐 본체와 부대구조물의 위치를 배치함에 있어 특히 필댐 축선과 물넘이와의 관계는 매우 중요하다. 물넘이를 산복비탈면에 설치할 때에는 토공량이 대단히 많아지는 경우가 있으며, 홍수시 그 유량이 많을 때에는 일반적으로 물넘이의 방수로 중심선은 가급적 하심에 일치되도록 설정한다. 이와 같은 위치관계를 충분히 고려하여 필댐 축을 선정해야 한다.
(4) 필댐 축을 상류 측에 대하여 볼록한 아치형으로 하는 경우 반경은 400~1,500 m가 좋다.
(5) 필댐의 조건에서 안정감과 미관상의 이유로 필댐 축선을 원호로 함으로서 제체 체적을 감소시키거나 지형지질 조건을 유리하게 할 수도 있다.
4.2.2 제체의 단면구성
4.2.2.1 제체 형식의 선정
(1) 필댐의 제체 단면 구성(zoning)은 소정의 기능을 발휘할 수 있고, 최소의 비용이 되도록 기초지반, 제체재료, 시공조건 및 시공사례 등을 종합적으로 판단하여 결정한다.
(2) 형식의 선정은 물론이고, 각 존의 배치, 순서 및 기하학적 형상으로 된 제체 단면의 설계는 제체재료의 입도나 조성에 따라 조합 방법이 다르고, 제체의 포화도나 재하상태에 따라 다르기 때문에 일률적인 수학적 해석 방법이라든가 공식을 적용하여 설계할 수는 없다. 또한 상세한 조사나 시험의 결과를 바탕으로 한 필댐 제체 내의 응력과 변형의 관계 등도 설계에 반영하여 검토한 다음 최종 단면을 결정해야 한다.
4.2.2.2 존의 기능
(1) 각 존의 기능은 기본적으로 차수, 배수 및 외력에 대한 안정성으로 나누어진다. 일반적으로 필댐 높이가 높아짐에 따라, 침투와 역학적 측면에서 투수성 존(shell zone, transition, filter zone 등)과 불투수성 존(차수벽 포함)등이 필요하다.
(2) 각 존의 물리적․역학적 특성은 각 존의 기능으로부터 정해지고, 역으로 재료의 특성으로부터 존의 단면을 결정하는 기법이 많이 쓰이고 있다. 따라서 각 존의 기능이나 재료의 물리적․역학적 특성은 인접 존과의 상대적 관계에서 일정한 균형을 이루어야 한다.
(3) 배수기능에 대해서는 특히 균일형 필댐에서는, 경사 드레인에 의해 침윤선을 저하시키는 최소한 제체 비탈면 하류단쪽으로 침윤선이 비탈면에 침출되지 않도록 하기 위하여 하류 비탈끝 드레인을 설치할 필요가 있다.
(4) 일반적으로 많이 축조되고 있는 존형 필댐에서도, 불투수성 존과 투수성 존 사이의 투수계수의 차가 작을 때에는 침윤선이 비탈면에서 침출하는 수가 있으므로 하류 비탈끝 드레인이 필요하다.
4.2.2.3 기초지반과 존잉
(1) 투수성 암반에 접했을 때에는, 블랭킷 그라우팅을 광범위하게 시공해야 하므로 존 폭을 넓게 취해야 한다. 지수 트렌치의 하류면에는 필터 존을 설치해야 한다.
(2) 압축성 지반에 축조된 필댐의 존잉은 기초처리공법과의 관계, 투수성 존의 폭이나 위치에 대하여 고려를 해야 한다. 이때에는 폭을 두껍게 하든가, 필렛 혹은 블랭킷을 설치하거나, 경우에 따라서는 기초처리(지수벽) 위치를 불투수성 존과 함께 제체의 상류측 위치까지 이동시키는 것도 고려할 수 있다.
4.2.2.4 존잉의 수정
(1) 안정해석의 결과, 비탈면이 불안정한 경우 존잉을 재검토한다.
4.2.2.5 불투수성 존과 암반접촉부
(1) 불투수성 존과 암반접촉부에 접착 점토(contact clay)를 배치하는데, 이는 층의 시공에 있어 불투수성 존과 암반을 밀착시킴과 동시에 불투수성 존의 필댐 어버트에서의 침하시 전단과 변형을 받는 존으로서 효과적이다.
(2) 일반적으로 조립부분을 함유하지 않은 토질재료를 약간 습윤측 함수비로 하여 두께 10 cm 정도로 시공하도록 설계한다.
4.2.3 제체의 비월류부 높이
(1) 필댐 제체의 비월류부 높이는 필댐종류, 물넘이 게이트의 유무 및 월류수심(H)에 따라 상시만수위, 서차지(surcharge) 수위 및 설계홍수위 (또는 상시만수위, 홍수위 및 최고수위)에 안정상 필요한 높이를 더한 높이를 구하여 그 중에서 가장 큰 값 이상으로 한다.
(2) 필댐마루의 높이는 비월류부의 높이에 필요한 보호층 등을 포함한 최상면의 높이로 한다.
4.2.4 필댐마루 표고 및 더쌓기
(1) 필댐의 댐마루 표고는 제체의 비월류부 높이에 불투수층 최상단에 필요한 보호층을 포함한 높이로 한다.
(2) 시공 시에는 이 높이에 필댐 완성 후 기초지반과 제체 침하량을 예측하여 충분한 더쌓기를 해서 시공하돌고 설계한다
① 필댐마루 표고
가. 필댐마루 표고는 결정된 비월류부 높이에 불투수층의 천단 보호에 필요한 보호층의 높이를 더한 것으로 한다. 또한, 불투수층의 최상단은 축제 종료 후에 침하가 예상되므로 정해진 필댐 관리기간동안의 침하량을 예측하여 더쌓기를 하여 소정의 높이로 시공하도록 설계한다. 이때 필댐의 거동이 정상상태로 달할 때까지의 기간 후로 한다.
② 더쌓기
가. 더쌓기는 필댐 완성 후 필댐의 거동이 정상상태에 달할 때까지의 기간 또는 축조 후 3년 이상의 경과한 시점까지 기초지반과 축제재료의 침하량에 충분한 안전율을 가하여 더쌓기를 해야 한다.
나. 필요한 더쌓기를 결정하기 위한 기초지반 및 제체의 침하량 추정은 유한요소법을 이용한 축제 과정의 변형해석 또는 토질재료의 경우에는 압밀해석을 실시하거나 침하량에 영향을 미치는 요인을 포함하여 과거의 실례에 준하여 추정한다.
다. 제체 각부의 더쌓기 양의 판단은 필댐 종단면의 최심부를 구하여 이 높이를 횡단방향으로는 필댐마루 단부로 취하고 비탈면하단 또는 적당한 소단을 0으로 해서 직선적으로 구분한다.
4.2.5 필댐마루 폭
(1) 필댐마루 폭은 필댐 규모에 따른 계산결과를 참고하여 파랑침식이나 침투수에 대한 안정성, 중심코어 및 필터의 규모, 필댐마루 이용, 필댐의 유지관리, 경제성 및 시공성 등을 고려하여 결정한다.
(2) 특히, 필댐 완성 후 필댐마루를 도로로 이용할 경우에는 양안 접속도로와의 관계를 충분히 고려하여 결정한다.
(3) 통행에 의한 마찰이나 균열을 방지하기 위하여 필댐마루에 적절한 보호를 해야 하며, 단면과 노면포장은 연결도로와 같게 하고 양안에는 주차장을 두는 것이 좋다.
(4) 곡선으로 연결되는 곳은 느린 곡선으로 하며, 내제측에는 흉벽(breast wall), 외제측에는 갓돌을 설치할 수 있도록 폭을 결정한다.
(5) 필댐마루 폭의 결정
① 필댐마루의 폭은 도로의 이용이나 제방 내의 중심점토, 수직필터의 규모, 유지관리, 경제성 및 시공성 등을 고려하여 중심점토와 수직필터를 보호할 수 있는 폭으로 결정한다.
② 일반적으로 필댐 높이가 50 m 이상일 때에는 8~10 m 정도(도로와 겸용일 경우 약 10 m 정도), 필댐 높이가 15~50 m일 경우에는 6 m 정도(도로와 겸용일 경우 8 m 정도), 필댐 높이가 15 m 이하일 경우는 5 m 정도로 한다. 또한 표면 차수벽 필댐일 경우는 6~7 m가 적당하며, 설계상 특별히 고려할 필요가 없는 경우에는 5~10 m 정도가 좋다.
4.2.6 불투수층 존(차수벽)의 두께 및 단면 설계
(1) 불투수층 존의 두께는 투수성의 허용한도, 시공상의 최소 폭, 사용되는 점토재료의 소성 및 점성, 필터층의 유무 등을 고려하여 결정한다.
4.2.6.1 불투수층 존의 두께와 수압과의 관계
(1) 필댐이 어떠한 나쁜 조건에서도 안전하기 위해서는 토질이나 필댐높이에 관계없이 수압의 30~50 % 정도의 두께를 가져야 한다.
(2) 수압의 15~20 % 정도의 두께를 가지는 경우에는 주의 깊은 설계가 필요하며, 이 때 필터의 설계는 엄격한 기준을 지키도록 한다. 수압의 10 % 이하는 누수로 제체의 결괴가 없는 특수조건 외에서는 사용해서는 안된다.
4.2.6.2 불투수층 존의 단면설계
(1) 단면 기준 (<그림 4.2.-1> 필댐의 불투수층 존의 설계 참고)
① 점토 정폭(d1)의 계산
d1 = 1.5~3.5m 단, H ≦ 30m, d1 = 2.5~4.0m 단, H > 30m
② 지반면의 점토 폭(d2) : d2 = ⅓ H (m)
③ 터파기 면의 점토 폭(d3) : d3 ≧ ½ d2 > 1.0 (m)
<그림 4.2-2> Wagman의 이론에 의한 불투수층 존의 설계
④ 점토비탈면 기울기
지반상부 : S1 = 1 : 0.10~0.15, 지반하부 : S1 = 1 : 0.33~0.35
⑤ 홍수위 상부의 점토 높이 : 0.5 m
⑥ 필댐마루와 점토 상부와의 간격 : 0.5m
(다만, 필댐마루에 도로 설치할 경우 도로포장에 필요한 높이로 함.)
(2) Wagman 이론(<그림 4.2.-2> Wagman의 이론에 의한 불투수층 존의 설계)
① 지반면의 점토 폭(B) : B = ⅓ H (m)
② 터파기 면의 점토 폭(b1) : b1 ≧ ½ B (m)
③ 점토 정폭(b) : b = ⅔ b1 (m)
설계홍수위 지점의 점토폭이 최소 2 m 이상이어야 한다.
④ 수면과 점토 상부와의 간격 : 0.5 m 이상
(3) W. L. Strange 이론
① 양질의 지반 : h ≦ ½ H (m) •비교적 좋은 지반 : h ≦ H (m)
② 견고한 암반(소규모) : h ≧ 1.8 m •견고한 암반(대규모) : h≧ 3.0 m
4.2.7 비탈면와 소단
(1) 비탈면경사와 소단의 배치는 필댐 형식, 제체의 구조, 축제재료, 기초지반, 시공조건 등을 고려하여 최소의 축제량으로서 최대의 안전도를 얻도록 결정해야 한다.
4.2.7.1 비탈면경사
(1) 제체의 안정상 필요한 평균비탈면의 경사는 표면 차수벽형 필댐이나 극히 연약지반상의 필댐인 경우를 제외하고, 상류측 비탈면을 하류측 비탈면보다 1:20 정도 완만하게 하며, 대략 1:5~1:2.5의 범위 내로 한다. 특히 연약지반에서는 1:2.5 보다 완만하게 하거나, 기초가 양호한 암반이며 축제재료도 양질인 록재료가 대부분일 경우에는 1:5 보다 급하게 할 때도 있다.
(2) 필댐 형식에 따른 필댐의 평균 비탈면경사
① 균일형 흙 필댐은 필댐 높이가 클수록 비탈면을 완만하게 하며, 하류측에는 배수도랑을 설치한다.
② 투수성부가 큰 필댐(균일형 이외)에는 필댐 높이에 따라 비탈면의 변화는 적으나 불투수부의 위치와 크기에 따라 비탈면이 정해지므로 존(zone)을 신중히 나누어야 한다.
③ 경사진 코어형 록․필댐에서는 하류비탈면은 축제재료의 안식각과 거의 같게 한다. 즉, 둥근 자갈인 때는 17 %, 모난 암석은 12 %, 얇은 층으로 해서 다짐하는 경우에는 10 %로 할 수 있다.
④ 중심코어 록․필댐에서는 하류비탈면은 16~18 %가 좋다.
⑤ 철근 콘크리트 포장형 필댐의 하류비탈면 경사는 될수록 암석의 안식각에 가깝게 하는 것이 시공 및 안전상 유리하다.
⑥ 아스팔트 포장형 필댐의 상류측 비탈면은 15~17 %가 가장 적당하다.
(3) 높이가 상대적으로 높은 필댐에 있어서의 검토 요소
① 제체의 구조
가. 필댐 높이가 크게 됨에 따라서 시공 중에 발생하는 간극수압도 증대하므로 완성 직후의 안정만을 유지하기 위해서는 막대한 단면이 필요케 되는 수가 있다. 특히 불투수성부가 크면 필댐체 중에 침윤선을 저하시킬 목적으로 수직 또는 수평 배수도랑을 설치하는 것이 유리하다.
② 축제재료의 선택
가. 필댐 높이가 높게 되면 전단저항이 큰 재료를 사용하는 혼합형 필댐이 유리하다. 축제재료가 원거리에 있을 때는 경제성을 분석하여 시공조건, 입지조건 등을 고려하여 기술적으로 유리한 형식을 택해야 한다.
(4) 필댐의 비탈면경사에 따른 유의사항
① 안전율이 같으면서 축제량을 적게 하려면 단면상부는 급하게 하고 하부는 완만 하게 하는 것이 좋다. 이는 필댐 높이가 클 수록 또한 기초지반이 약할 수록 유리하다. 특히, 계곡이 좁은 지형에서는 하부측을 완만하게 하는 것이 부피가 늘지 않고, 상류측 비탈면에서 저수압이 최대로 작용하는 점은 밑에서 1/3~1/4 지점이므로 안전성도 증가되어 유리하다.
② 비탈면의 변화부는 상류비탈면에서는 상시 만수위나 최저수위 부근으로 하고 후자의 변화부에는 3~6 m의 소단을 두는 것이 좋다. 상류비탈면의 소단은 암석이 탈락되는 것을 방지할 목적으로 설치하지만 저수 시의 사석하단이 막히지 않도록 하기 위하여 또는 시공상, 관리상 편리한 점이 있으면 소단을 만들고 연직높이 10~15 m 마다 소단을 두는 것이 좋다. 필댐 하류비탈면에 대해서는 평상시의 필댐 관리작업을 위하여 또는 필댐에서 떼붙임 공사를 하는 경우에 우수의 배제를 위해서 높이 10~15 m 마다 폭 3 m 정도의 소단을 설치하는 것이 좋다.
③ 댐 길이가 긴 필댐에서는 전 길이를 통하여 동일 경사로 할 필요는 없고 댐 높이, 기초지반, 축제재료에 따라 적당히 단면을 수정하는 것이 좋다.
④ (댐 길이)/(댐 높이)의 비가 작은 필댐에서는 상․하류방향 단면의 안정계산에서 댐축방향의 힘이 있게 되므로 비탈면을 다소 급하게 해도 좋다.
⑤ 시공속도가 빨라서 필댐 또는 기초지반 내에 큰 공극이 발생할 위험이 있으면 비탈면을 완만하게 하는 것이 안전하다.
4.2.8 드레인(drain)
(1) 침투류에 의한 침투수압의 감소, 파이핑의 방지, 제체의 침하방지, 내부침식 등을 방지하기 위하여 지반면 혹은 점토시공 깊이에 수평 및 경사(연직) 드레인을 설치한다. 드레인은 기능과 목적에 맞는 재료를 선택하여 안정성 또는 침투수에 대한 안정성을 검토하여 설치한다.
4.2.8.1 일반사항
(1) 드레인의 기능
① 배수 존은 토립자의 이동을 방지하고 침투수를 작은 손실수두로서 통수될 수 있는 필터의 기능을 가져야 한다.
(2) 드레인의 구분
① 하류 비탈끝 드레인 : 하류비탈면의 끝에 설치한 드레인으로 토우 드레인(toe drain) 이라고도 한다.
② 수평 드레인 : 제체 내에 어떤 표고차로 블랭킷 상이나 줄모양으로 수평하게 설치하는 드레인을 말한다.
③ 경사(연직) 드레인 : 경사(연직) 드레인과 수평 드레인으로 구성된 드레인을 말하며 연직 부분은 존형에서 불투수성부의 양측에 설치하는 경우 단순히 필터라 하고, 균일형 필댐의 중앙부에 설치한 경우에는 차단층이라 한다.
④ 복합 드레인 : ①, ②, ③을 조합한 드레인을 말한다.
⑤ 비탈면보호공 기초 드레인 : 상류비탈면 보호공의 기초에 설치하는 드레인을 말한다.
⑥ 기타 : 제체와 산턱과의 접촉면에 연하여 설치하는 드레인 등이 있다.
(3) 필터의 설계
① 필터는 입도가 현저하게 다른 흙 또는 사력 등의 배수 측면에 접촉시켜 설치하고 재료는「필터재료」에 준한다. 필터층의 두께는 시공시의 재료분리, 필터층 내부의 공극, 시공기계 등을 고려하여 결정한다.
② Creager, Justin 등은 필터의 15 % 크기(필터재료의 15 % 입경)의 50배 이상으로 하고, 특히 제1층은 모래의 두께 30 cm 이상으로 한다. 조립 필터재료는 20 cm 이상, 세립 필터재료는 15 cm 이상의 두께로 한다.
③ 필터 두께는 이론적으로 얇은 것이 좋지만 시공조건 지진에 대한 안전성을 고려하여 여유있게 설계한다.. 수평필터의 최소두께는 모래 15 cm, 자갈 30 cm 이지만 일반적으로 1.0×1.0의 모래를 10∼15 m 간격으로 설치한다.
<표 4.2-1> 필터의 설계기준

구 분

설 계 기 준

수 직(경사) 필 터

수 평 필 터

폭(m)

높 이(m)

높 이

홍수위(필댐외 제측)

두 께

30 m 이하 : 1.0 m 이상

40 m 이하 : 1.5 m

50 m 이하 : 2.5 m

50 m 이상 : 2.5 m

특수 경우 : 3.0~4.0 m

0.5~1.0 m

1.0~2.0 m

1.0~3.0 m

1.0~3.0 m

별도 여건

0.5~1.0 m

1.0~1.5 m

1.0~1.5 m

1.0~1.5 m

별도 여건

간 격

전 구간

10.0~40.0 m
④ 자연상태의 재료로는 상기의 입도 조건을 만족하지 못하는 경우 인공적으로 제조하는 방법을 고려할 수 있다.
(4) 필터의 배수능력
① 필터의 투수성은 실내투수시험에 의해서 구하는 것이 바람직하다. 부득이한 경우 깨끗한 모래인 필터재료의 투수성은 다음 Hazen 식을 사용하여 계산해도 좋지만 시험을 해서 확인해야 한다.
-------------- 식(4.2.1)
여기서, k는 투수계수(cm/s), D10는 유효경(cm)으로 입경가적곡선상의 10 % 입경,
C는 정수 90~120(일반적으로 100을 사용)를 나타낸다.
② 경사 드레인에 접촉되는 수평 드레인의 배수능력은 침투수량의 10배 이상의 능력을 주어야 한다. 산턱으로부터의 침투수가 가급적 제체 내에 들어오지 않도록 적극적으로 방지해야 한다.
4.2.8.2 드레인(drain)의 설계
(1) 수평 드레인
① 제체 내에 수평한 형상으로 배치한 때에는 두께를 30 cm 이상으로 하고, 경사 드레인에 접촉시켜서 설치하는 드레인공은 하류측 필댐 부지에 블랭킷 상으로 설치한 경우와 집수 배수를 위해서 줄모양으로 설치하는 경우가 있다.
② 전자의 두께는 30 cm 이상으로 하고 후자는 여러 층의 필터를 조합하여 배수시키는 것으로 한다.
(2) 경사 드레인
① 폭은 단일층인 경우 2~5 m, 여러 층인 경우에는 1층의 폭은 1 m 이상으로 하여 보호층의 배수면에 접하여 조립층, 다음에 자갈층의 순으로 필터의 입도를 변화시켜 나간다.
② 단일층일 때에는 필터재료의 구입하기 힘든 경우는 거푸집을 사용해서 두께를 1~1.5 m 정도로 축소시켜도 좋다.
(3) 하류 비탈끝 드레인
① 하류 비탈끝 드레인은 여러 층의 필터를 조합시켜 보호층에 접하는 층을 세립필터로 하고 다음에 조립, 자갈, 굵은 자갈 등으로 점차 변화시켜 가고 비탈끝 비탈면막이 돌쌓기공이나 기타 보호공을 통하여 배수한다.
② 각 층의 두께는 수평 드레인(집수배수용)의 설계에 준한다.
(4) 비탈면 보호공 기초 필터
성토비탈면이 조립재로 될 때에는 사력필터의 두께를 20 cm 이상으로 하고, 세립일 경우에는 입도를 조정한 필터재를 두께 20 cm 이상으로 설치한다.
4.2.9 제체 보호공
(1) 제체의 상류비탈면, 하류비탈면 및 필댐마루 파괴, 침식, 파랑에 의한 침식 또는 손상을 방지하기 위하여 적절한 재료로 보호공을 설치한다.
4.2.9.1 상류비탈면 보호공
(1) 보호공의 형식
① 보호공의 형식에는 필터층 위에 설치한 사석, 장석, 콘크리트 블록, 철근 콘크리트 슬래브 등이 있다. 일반적으로 다음과 같은 이유로 사석이 가장 좋다.
가. 제체의 형식에 잘 대응하고, 파력에 의하여 자연적으로 돌이 낙착되어 안정된다.
나. 쇄파력이 커서 파가 높이 올라가지 못하므로 제고를 낮추어도 된다.
다. 시공이 용이하므로 경제적이다. 물론 돌의 재질은 풍화 및 파쇄에 견디기 위해서 견고해야 한다.
② 사석재로 사용되는 재료는 ‘3.4 사석재료’에 따르고 지역의 기상조건, 필댐의 규모, 석재의 매장현황 등을 검토하여 결정한다.
③ 양질의 석재를 경제적으로 얻기 어려운 경우에는 콘크리트 블록공, 철근 콘크리트 슬래브, 아스팔트 콘크리트, 아스팔트 이차제품, 인조고무, 화학합성 재료 등이 고려될 수 있다.
④ 이와 같은 재료를 사용하는 경우에는 일반적으로 파의 상승고가 높아져서 제고를 높게 해야하며, 월파에 의하여 재료의 이면에 물이 들어가지 않도록 해야 한다. 풍화에 대한 저항성이 낮아서 항시 유지관리에 충분한 주의를 해야 한다. 기타 기초처리에는 배기, 배수에 대한 배려가 필요하다.
(3) 보호공의 기초처리
① 저수위의 변동에 따라 제체 내에 침투류에 의하여 제체의 토립자가 흡출되는 것을 방지할 목적과 보호공 재료의 안정을 조장하고 시공을 용이하게 하는 것 등 때문에 제체 표면에 필터층(주로 모래와 자갈)을 설치한다.
② 두께는 콘크리트 블록을 설치할 때는 15 cm 이상, 기타 사석, 장석 등 일 때는 30~100 cm로 하는 것이 좋다. 보호공은 적어도 최저수위에서 필댐마루까지 시공하는 것이 원칙이며 부득이 비탈면의 중간만을 시공할 때는 저수부의 기초다짐공을 완전하게 하여 보호공의 활동이 일어나지 않도록 한다.
③ 다짐공은 저수부의 파랑에 의하여 세굴되지 않는 구조로 하고, 폭 2 m 이상의 소단을 설치해야 한다.
④ 보호공의 상단은 갓돌, 콘크리트, 도로연석(curb stone) 등을 시공하여 보호공의 파괴를 방지해야 한다.
(4) 사석 크기와 두께
① 사석 크기와 두께는 ‘3.4 사석재료’에 따르고 파랑에 의하여 움직이지 않고 제체의 흙이 흡출작용에 의하여 유출되지 않을 것 등이 조건을 만족시켜야 한다.
② 사석공에서는 수면 부근에 큰 파력이 작용하여 사석 상호 간의 간극이 클 때, 간극 내에서 필터재료의 분리나 유동이 생겨 사석의 변형이나 제체의 흡출현상이 발생하므로 사석의 간극은 최소가 되도록 충전시켜야 한다.
(5) 하류측 보호공
가. 제체의 하류비탈면이 강우, 동해 기타에 의해 침식 손상되는 것을 방지하기 위하여 소요의 보호공을 설치해야 한다.
나. 보호공으로서의 기상조건을 고려하여 떼붙임공(줄떼, 평떼), 종자 뿌리기 등을 한다. 이들 식생은 필요에 따라 시비, 살수 등을 실시한다.
다. 기타 누수측정 시설이나 하류시설 등의 연락을 위하여 계단을 설치해서 비탈면을 보호한다. 또한, 빗물이 흘러 한 곳으로 집중되면 침식이 크게 되므로 일정한 높이마다 배수로가 붙은 소단을 설치하는 것이 좋으며, 산바닥과 접속부에는 빗물의 침식을 받지 않도록 처리하여야 한다
② 배수공
가. 제체 하류비탈면과 접속부(abutment)에서의 지표수를 비탈면과 산턱의 접속부에 승수로를 설치하여 하류의 제방 외측으로 배수시킨다. 승수로의 규격은 강우, 지형, 집수면적, 동결상황 및 유출토사, 낙엽 등을 고려하여 결정한다.
나. 제체 비탈면길이가 긴 경우에는 강우에 의하여 침식되는 일이 있으므로 소단을 설치해서 그곳에 상부비탈면의 지표수를 받기 위한 승수로를 만들어 양안 접속부의 승수로에 배수한다.
다. 승수로의 설계는 제체는 하안부 또는 계곡의 최심부에서 최대 잔류침하가 일어날 것을 고려하여 수로경사를 결정해야 한다. 제체의 길이가 길 때에는 승수로에 맨홀을 설치하여 거기에서 비탈면에 슈트 또는 관을 설치해서 하류 제외로 배수한다.
③ 필댐마루부
가. 필댐마루부는 파랑에 의한 물보라, 우수, 동결에 의한 연약화 및 교통 등에 의한 손상으로부터 보호하기 위하여 보호공을 설치한다.
나. 필댐마루면에 포장(아스팔트 콘크리트, 콘크리트, 잘 다짐한 자갈 섞인 점토층 상에 자갈 포설 등)을 해야 할 필요가 있다. 포장두께는 필댐마루의 이용상황, 기상상태에 따라 다르나, 동결심이나 외부로부터의 침수를 고려하여 보호층의 두께를 결정한다.
다. 필댐마루면에는 배수를 위해 소요의 횡단경사를 주어야 한다.
아스팔트 콘크리트 포장, 콘크리트 포장 횡단 기울기 : 1.5~2.0 %
기타의 횡단 기울기 : 3.0~5.0 %
라. 필댐마루면의 배수는 상하류 비탈머리에 배수구를 설치하고 집수한 다음 저수지 또는 제외로 배수한다. 한쪽으로만 경사를 둘 때에는 저수지 측에 경사지게 배수한다. 토석재료로 된 표면 보호공일 때에는 우수가 제체 내에 침투하지 않도록 입도배합이 좋은 흙을 잘 다져서 이용하며, 양 끝에는 L형 블록이나 연석을 놓고 필댐마루에는 필댐마루 보호용 자갈을 포설한다.
마. 보호공은 제체의 일부로서 설계해야 하며, 따라서 제고는 보호공 두께를 포함시켜야 한다.
4.3 침투수 및 간극수압의 검토
4.3.1 침투류 해석
(1) 제체 및 기초는 침투수에 대해 안전하도록 설계하여야 하며 이를 위해서는 침투류 해석이 필요하다. 특히, 담수 개시 직후, 저수 후 수위 급강하 시 등의 경우에는 비정상 상태라 보고 침투수에 대하여 반드시 검토하여야 한다.
4.3.1.1 침투류 해석의 필요성
(1) 필댐을 설계할 때 침투현상에 대하여 다음과 같은 사항을 검토한다.
① 제체 및 기초지반 내에서의 침투유량(누수량)의 결정
② 침투수가 제체 및 기초지반의 안정성에 미치는 영향
③ 침투 조절방법
(2) 누수량은 필댐의 저수 효율면에서 허용 누수량을 1일당 총 저수량의 0.05 %의 값을 한도로 하고 있는 경우가 많다. 침투수가 제체 안정성에 끼치는 영향을 검토하는 방법으로는 파이핑과 보일링(boiling)에 대한 안정성을 검토하는 방법과 제체 내의 침윤선을 결정하는 방법 및 제체와 기초의 안정해석을 하기 위하여 유선망을 결정하는 것 등이 있다.
(3) 침투 조절방법을 검토하는 데는 다음과 같은 방법이 기본적으로 고려되어야 하며, 이의 방법을 선택하고 검토하는 데에는 침투류의 해석이 필요하다.
① 파이핑이나 보일링을 방지하기 위하여 필터를 설치한다.
② 침투수 자체를 감소시킨다.
③ 배수를 안전하게 촉진시킨다.
일반적으로 이들 3가지 방법을 조합해서 채택하는 것이 일반적이다.
4.3.2 침윤선
(1) 제체내의 침투수 흐름은 축제재료의 투수계수와 동수경사에 의해 지배되는 자유수면(침윤선)을 가지게 되는데, 이 침윤선의 위치를 결정하는 것은 제체의 안정계산, 제체내의 침투류 해석, 침투수 저하공법 등의 검토에 필요하다. 침윤선이 높은 경우에는 제체의 안전에 지대한 영향을 미치므로 적절한 공법을 사용하여 안전하게 침투수를 배제시켜야 한다.
4.3.3 유선망
(1) 제체 및 투수성 기초지반 내의 침투수의 유동 형상, 침투수압의 분포, 안정계산을 위한 간극수압의 분포 등을 파악하기 위하여 유선망을 그려 검토한다.
4.3.3.1 제체의 유선망
(1) 유선망을 그리는 방법으로는 모형실험 또는 도해법에 의하는 것이 일반적이다. 특히, 투수계수가 달라지는 층을 통과하는 경우에는 굴절의 원리를 사용하여 유선망을 수정하여야 한다.
(2) 유선망에 의하여 제체 및 투수성 기초지반 내의 침투수 유동형상과 침투수압의 분포상태를 파악하며, 이것을 응용하여 필댐의 계획 및 필댐체와 기초의 구조설계상 필요한 침투수량을 계산하여 필댐체의 안정검토에 필요한 제체의 간극수압의 분포를 알 수 있다.
4.3.4 침투유량
(1) 유선망 또는 수식에 의하여 제체 또는 기초지반을 흐르는 침투유량을 산출하며, 이때 어느 경우에도 적정한 투수계수를 선정한다.
(1) 필댐을 설계할 때, 침투유량(누수량)에 대한 검토가 중요하다. 저수위에서의 누수는 다음과 같으며 이들 누수량을 정확히 분리하여 알아둘 필요가 있다.
① 제체의 누수
② 기초의 누수
③ 산턱에서의 누수 등
(2) 허용 누수량은 저수지의 목적에 따라 다르지만 관개용 필댐에서는 저수량의 0.05 %/일 이하를 표준으로 한다.
(3) 단, 저수량이 적은 소규모저수지의 경우에는 예외로 할 수 있다.
4.3.4.2 침투유량의 계산
(1) 침투유량을 계산하는 방법은 유선망을 이용하는 방법과 수식에 의하여 구하는 방법이 주로 사용된다. 이때 필댐체의 불투수성부가 비등방성일 때는 수정한 투수계수 를 써서 누수량을 산출하는 것이 일반적이지만 안전을 고려하여 수평방향의 투수계수를 사용해도 좋다.
4.3.4.3 제체의 투수계수
(1) 제체의 투수계수가 비등방성일 때는 수정한 투수계수()를 사용하여 침투유량을 산출하는 것이 일반적이나 안전을 고려하여 수평방향의 투수계수(kh)를 사용하는 것이 좋다. 수정 투수계수()는 다음 식으로 구한다.
-------------- 식(4.3.1)
여기서, kh는 수평방향의 투수계수, kv는 수직방향의 투수계수이다.
4.3.5 수치해석에 의한 침투류 해석
(1) 제체 및 기초지반의 침투류에 대하여 수치해석 방법으로 침투류 수두, 유속 분포, 침투유량, 침투수압 분포 등을 예측할 수 있으며 이를 바탕으로 누수량 및 필댐의 안전성을 검토할 수 있다. 수치해석방법으로는 유한요소법과 유한차분법이 이용되는 경우가 많은데, 이 때 경계조건, 재료의 계수 등 입력치를 충분히 검토한 후 사용한다.
4.3.5.1 수치해석에 의한 검토
(1) 제체 및 기초지반의 침투류에 대한 해석방법으로 일반적으로 유한요소법이 이용되는 경우가 많다. 유한요소법은 해석대상 구조물을 다수의 요소로 분할(2차원 해석에서는 삼각형 혹은 사각형 요소로 분할)하고 분할된 각각의 요소는 절점으로 연결되어 있는 각 요소에 미치는 수리학적 성질(투수계수, 동수경사)에 근거하여 모든 절점 및 요소의 수두, 유량 등을 구하는 방법이다.
(2) 침투류를 해석함으로써 수두, 유속분포, 유량, 침투수압분포 등을 구할 수 있으나 해석대상 영역이 포화상태나 불포화상태 혹은 정상상태나 비정상상태에 따라 침투류 기본식과 투수특성이 다르므로 해석에 주의한다. 해석 결과는 재료 특성을 나타내는 물성치 및 해석시의 경제조건에 따라 좌우되므로 입력치에 대해서는 충분한 검토가 필요하다.
4.3.6 침투수에 의한 안정성 검토
(1) 필댐의 제체 및 기초는 침투수에 대하여 안전하도록 설계해야 한다. 특히 필댐의 제체 및 기초지반의 누수를 완전히 차단할 수 없기 때문에 침투수압, 동수경사 등을 검토하여 파이핑, 수리적 파쇄(hydraulic fracturing) 등에 대하여 안전하도록 파이핑 방지대책 등을 강구하여 설계한다.
4.3.6.1 파이핑의 검토
(1) 한계유속에 의한 방법(Justin의 방법)
① 제체 및 기초의 흙입자 입경에 대하여 소류력에 의하여 입자가 밀려나가는 한계의 침투유속을 구하는 다음과 같은 식을 제안했다. 입자는 그 한계치(즉, 입자가 이동하여 파이핑이 발생되는 한계유속)를 넘으면 파이핑이 발생한다.
(cm/s) -------------- 식(4.3.2)
여기서, W는 흙입자의 수중중량, A는 물의 흐름을 받는 흙입자의 면적(c㎡),
g는 중력가속도(cm/s2), γw는 물의 단위체적중량(g/c㎥)을 나타낸다.
② 실제의 흙입자에는 여러 크기의 입자가 혼합되어 있어 입경의 기준을 정하기 어려우므로 침투류 해석에서 얻어지는 침투류의 실제 유속은 <표 4.3-1>의 입경에 대한 한계유속의 1/100이하가 되도록 한다.
<표 4.3.-1> 입경과 한계유속

입경

(mm)

4.0~4.8

2.8~3.4

1.0~1.2

0.7~0.85

0.4~0.7

0.25~0.5

0.11~0.25

0.075~ 0.11

0.044~

0.075

한계유속

(cm/s)

20.0

17.0

10.0

8.5

7.0

4.2

3.5

2.5

2.0
(2) 한계동수경사에 의한 방법
① 물이 정지상태에 있는 경우 흙 입자에 작용하는 수압은 간극수압이지만 흐름상태에 있는 경우에는 침투수압을 받는다. 침투수압이 어느 한도 이상이 되면 입자는 부유상태로 되며, 이 현상을 분사현상(quick sand) 이라 하고 파이핑으로 확대될 위험성이 있다. 그림 4.3-1의 A점에서 침투수압과 토괴중량과의 균형을 생각하면 다음과 같다.
-------------- 식(4.3.3)
여기서, 는 한계동수경사,
e 및 n는 흙의 간극비 및 간극률,
Gs는 토립자 비중을 나타낸다.
② 흙입자간의 저항력은 입자의 점착력, 중량, 입자구조에 따라 변하지만 정상적으로는 소성지수가 클수록 저항력이 크고 점착력이 없는 세립토에서는 = 0.5~0.8로 알려지고 있다.
<그림 4.3-18> 분사현상
(3) Lane의 간편법
① Lane(1935)은 가중 크리프비(weighted creep ratio)를 기준으로 파이핑에 대한 안전율을 검토하는 방법을 제시하였다. 크리프비는 다음 식과 같다.
-------------- 식(4.3.4)
여기서, h1-h2=ΔH는 상하류면의 수두차,
lw는 유선이 구조물 아래 지반을 흐르는 최소거리(그림 4.3-2)를 나타낸다.
<그림 4.3-29> 최소유선거리 계산법
② 크리프비가 아래의 <표 4.3-2>에 제시된 각 흙에 대한 값보다 크면 파이핑에 대하여 안전하다.
<표 4.3.-2> 크리프비 안전치(Lane, 1935)

흙의 종류

크리프 비 안전치

아주 잔 모래 또는 실트

잔 모래

중간 모래

굵은 모래

연약 또는 중간 점토

단단한 점토

견고한 점토

8.5

7.0

6.0

5.0

2.0 - 3.0

1.9

1.6
(4) 파이핑의 방지대책
① 필댐체의 차수존은 소요차수기능을 갖도록 설계되어야 함은 물론이고 파이핑에 대해서도 세심한 주의를 기울어야 한다. 침투파괴에 대한 안전대책으로 다음을 들 수 있다.
가. 파이핑, 균열에 대하여 저항성이 큰 차수재료를 사용한다.
나. 적정한 입도의 필터 재료를 사용한다.
다. 지진발생시 균열 및 부등침하가 발생하지 않도록 신중히 설계한다.
라. 시공시 주의를 요한다.
마. 균일형 필댐의 경우 배수구를 적절히 배치하고, 침투로 인한 파괴가 예상되는 경우 재료선정에 신중을 기한다.
바. 지수주입(curtain grouting) 등 지수공 설치
사. 파쇄대 단층처리
아. 블랭킷 또는 전면 포장형 지수
자. 감압정(relief well) 설치
② 일반적으로 점토인 경우, 소성지수 > 15의 고소성 점토는 파이핑에 대하여는 최대의 저항성이 있으며, 다음으로 소성지수 > 6의 중소성 점토이거나 입도 분포가 좋은 굵은 모래 또는 가는 자갈, 셋째는 소성지수 < 6의 저소성 재료 중에서 입도 분포가 좋은 자갈, 모래, 실트의 혼합물이며, 최저는 소성지수 < 6이고 특히 균일한 입경의 잔모래인 경우가 가장 저항성이 적은 것으로 알려져 있다.
4.3.7 간극수압의 검토
(1) 필댐에서 간극수압의 변화는 제체의 안정에 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서, 시공 중 및 완성직후의 간극수압, 상시 저수시의 간극수압, 수위가 급강하할 때의 간극수압 등을 추정하여 안정계산 시 고려한다.
4.3.7.1 간극수압의 추정
(1) 시공중 및 완성직후의 간극수압의 추정
① 간극수압의 소산을 고려하지 않을 경우
가. 불투수성부 또는 포화도 85% 이상인 점성토에서는 시공중(하중증가 기간)의 성토중량에 의한 제체의 압밀로 인하여 간극수압(과잉간극수압)이 발생한다.
나. 간극수압은 일반적으로 완성직후에는 최대로 되고 경년후 침투수에 의한 수압보다도 크게 되는 수가 있다. 간극수압의 크기와 분포는 주로 시공중의 함수비, 흙의 성질, 필댐의 높이, 드레인의 유무, 시공중 공사 중지기간의 유무 등에 의하여 소산속도와 소산시간에 관계된다. 시공중인 간극수압의 추정에는 다음과 같은 방법이 있다.
(가) 압밀시험을 하지 않고 경험치를 사용하는 방법
㉮ MH, CH, CL, ML …………… 활동면상의 토주중량의 60~80 %
㉯ 기타의 점성토 ……………………………………………… 50 %
㉰ 낮은 필댐 또는 대댐(높은 필댐)으로 시공속도에 문제가 없는 대댐 …………………………………… 활동면상의 토주중량의 50 %
(나) 압밀시험에 기인한 Hilf의 방법
㉮ 공기의 압축성에 관한 Boyle의 법칙과 공기가 수중에 용해되는 Henry의 법칙을 조합한 것으로 다음 식으로 주어진다.
㉯ 흙쌓기 시에 중지기간이 없을 때
--------------- 식(4.3.5)
㉰ 흙쌓기 시에 중지기간이 있을 때
-------------- 식(4.3.6)
u : 간극수압, -σ: 전응력, σ’: 유효응력(=σ-u), Pa : 필댐 지점의 대기압,
Δ: 원용적에 대한 압축량(%)(=Δh/Ho),
Ho : 시료의 초기두께,
ΔH : 시료 압축량,
Va : 처음 다진 후의 간극 내 자유공기량(%)( = no․(1-So)),
h : 수중에서의 공기용해도(Henry의 계수로 20℃일 때 0.0198),
Vw : 다진 후의 간극 내 수량(%)( = no․So),
no : 다진 후의 간극율(%),
So : 다진 후의 포화도(%),
ΔH2/Ho : 흙쌓기 재개 시의 압축량(%),
u2 : 흙쌓기 재개시의 간극압,
S2 : 흙쌓기 재개시의 포화도 ,
n2 : 흙쌓기 재개시의 간극율(%)(=no-ΔH2/Ho),
ΔH'/Ho : 흙쌓기 재개시의 압축량 증가분(%) (ΔH2/Ho로부터의 증가분)
㉱ 이 식은 포화도 So가 85 % 이상인 경우(이 때 간극 속의 공기압과 수압이 거의 같게 된다)는 근사적으로 성립하는 것으로 생각한다.
㉲ Hilf 식은 최적함수비보다 습윤측의 함수비로 다진 흙에 대하여 성립한다. 최적함수비의 건조측에서는 재하중에 의한 압밀은 간극 속의 공기만을 배제하므로 간극압의 증가는 아주 작게 된다.
② 간극수압의 소산을 고려한 경우
가. 간극수압은 시공속도나 차수존의 나비, 드레인의 유무 등에 의하여 정도의 차이는 있으나 소산되고 있다. 이것을 고려해서 간극수압을 구하면 더 실제의 상태에 가까운 값을 얻을 수 있을 것이다. 이것을 구하는데 다음과 같은 방법이 있다.
나. 경험치에 의한 경우
(가) Hilf의 방법에 의하여 소산계수를 사용해서 추정한다.
㉮ 성토 중지기간이 없을 때
-------------- 식(4.3.7)
㉯ 성토 중지기간이 있을 때
-------------- 식(4.3.8)
여기서, A는 소산계수
<표 4.3.-3> 소산계수(A)

필댐의 형식

배수도랑의 유무

A

존형 필댐(중심차수존형 필댐)

균일형 필댐

유

무

0.5 ~ 0.8

0.3 ~ 0.5
다. 압밀이론에 의하여 간극수압의 소산을 계산하는 방법
(가) 얇은 차수 코어부에서 배수는 수평방향으로만 생긴다고 가정한 경우
배수거리는 일정하여 하중만이 시간에 따라 일정속도로 증가할 경우 즉, 성토고가 일정속도 a로 시공될 때는 Terzaghi의 압밀해를 Duhamel의 정리에 따라서 적분하면 간극수압 u는 아래 <그림 4.3-3>과 같이 된다.