1. 서 론
우리나라는 예로부터 많은 물을 필요로 하는 벼농사 위주로 영농을 해왔기 때문에 농업용수의 공급을 위해 저수지를 건설하여 사용하였고, 1906년 ‘수리조합조례’가 발표된 이후부터 1950년대까지는 쌀 증산을 위해 소규모의 저수지가 많이 건설되었다(Hong, 2004). 현재 우리나라에 농업용수의 공급을 목적으로 건설된 저수지는 총 17,289개소로 조사되고 있다. 전체 저수지 중 1945년 이전에 건설되어 준공년도로부터 75년 이상 경과된 저수지는 51.1%에 해당하는 8,833개소이고, 50년 이상 경과된 저수지는 24.5%에 해당하는 4,246개소로 조사되고 있다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2018). 국내의 기준에 따르면 저수지의 공용내구연수는 60년으로 제시되어 있으나, 경제성을 고려할 때 50년을 일반적으로 적용하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011). 이를 고려할 때 건설된 저수지의 약 75%는 공용내구연한을 초과하고 있으며, 노후화가 매우 심각한 상황이다. 노후된 농업용 저수지는 환경의 변화에 따른 안정성 저하 등 다양한 문제가 노출되어 있으며, 이로 인해 상당수의 저수지에서 누수 및 비탈면의 활동 등 심각한 결함이 발생하는 사례가 조사되고 있어 안전상에 매우 취약한 문제를 갖고 있다(Shin and Lee, 2012). 특히 최근에는 우리나라 주변의 이상기후로 인하여 게릴라성 집중호우가 발생함에 따라 매년 농업용 저수지의 붕괴사례가 보고되고 있으며, 이에 따라 농업용 저수지의 관리주체인 한국농어촌공사와 각 지방자치단체는 인력과 비용을 투입하여 노후된 농업용 저수지를 보수하고 있다(Song, 2019).
국내에서는 노후된 농업용 저수지를 보수 및 보강하기 위해 그라우팅(grouting) 공법이 주로 사용되고 있다(Park et al., 2017). 국내에서는 그라우팅 공법의 주입재로 시멘트 현탁액 또는 시멘트-벤토나이트, 시멘트-점토 혼합액 등 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary Portland Cement)를 주로 사용하고 있다(Lee et al., 2019). 그러나 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하여 그라우팅을 하는 경우, 주입량, 배합비, 주입압력, 주입시간, 시멘트의 분말도에 따라 그라우팅 효과가 다르게 나타나며, 주입재가 제체를 따라 유동하는 물에 의해 용탈할 경우에는 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다(Lee et al., 2019). 또한 시멘트는 생산과정에서 석회석 등의 천연자원이 소비되고, 다량의 온실가스가 발생하는 등 환경적 문제가 발생하고 있어 기존의 그라우팅 공법 및 재료를 대체할 수 있는 새로운 재료 및 공법의 개발이 요구되고 있다(Song and Seo, 2019). 따라서 본 연구에서는 일반적인 도로와 철도 비탈면의 안정성 확보를 위해 사용되고 있는 표층안정재에 대해 실내시험을 수행하고, 시험결과를 분석하였으며, 시험결과를 반영한 프로그램 해석을 통해 노후 농업용 저수지의 보강효과를 검토하였다.
2. 실내 시험
2.1 사용재료
2.1.1 연구에 사용된 표층안정재
본 연구에 사용된 표층안정재는 포졸란(pozzolan) 반응이 양호하게 이루어지고, 건조수축의 감소와 압축강도의 증가가 가능하여 시멘트와 콘크리트 재료에 혼합되고 있는 다양한 플라이애시(fly ash) 중 소각된 후 전기집진기에 의해 포진된 제지애시(paper ash)를 주재료로 사용하여 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 화학적 반응을 통해 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H, Calcium Silicate Hydrate)과 칼슘 알루미네이트 수화물(C-A-H, Calcium Alumina Hydrate)과 에트링자이트(ettringite)를 생성할 수 있는 표층안정재를 사용하였다. Table 1에는 본 연구에 사용된 표층안정재의 화학적 구성성분을 나타내었다.
Table 1.
Chemical constituents of surface stabilizer
| Material | Chemical constituents | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | TiO2 | Fe2O3 | SO3 | Loss | |
| Surface stabilizer | 37.06 | 19.67 | 26.23 | 12.42 | 0.18 | 1.22 | 1.38 | 0.58 | None | 1.61 |
2.1.2 원지반 흙의 물리적 특성
본 연구에 사용된 표층안정재의 경우, 현장의 흙과 혼합을 통해 강도발현이 이루어지며, 이러한 원리를 통해 비탈면의 보강이 이루어진다. 따라서 표층안정재를 사용하여 노후된 농업용 저수지를 보강하는 경우, 보강효과를 검토하기 위해서는 흙과의 혼합이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 1945년 이전에 전라북도 완주군 용진읍에 건설되어 노후된 농업용 저수지에서 흙을 채취하여 사용하였다. Table 2는 연구에 사용된 원지반 흙의 물리적 특성을 나타내었다.
Table 2.
Physical properties of soil
2.2 시험조건
2.2.1 시험 방법
표층안정재를 사용하여 노후 농업용 저수지를 보강하는 경우, 보강효과를 분석하기 위해서는 재료의 점착력(c, cohesion)과 내부마찰각(∅, friction angle)을 파악하고 있어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 점착력과 내부마찰각을 측정할 수 있는 직접전단시험, 일축압축시험, 삼축압축시험 중 시험시간이 비교적 짧고, 시험방법이 간단하며 KS기준에 제시되어 있는 직접전단시험(KS F 2343, 2017)을 실시하였다. 직접전단시험을 수행하기 위해 사용된 장비는 수직하중의 경우 10kN, 수평하중의 경우 20kN까지 재하(loading)가 가능하여 표층안정재를 비롯한 시멘트 혼화재료 등 높은 강도를 갖는 재료에 대한 시험이 가능하고, 로드셀(load cell)과 변위계(displacement gauge)를 통해 전단응력과 수평변형량을 정밀하게 측정할 수 있는 시험장비를 사용하였다. Fig. 2에는 본 연구에 사용된 시험장비를 나타내었다.
Table 3.
Mixing condition of surface stabilizer
| Water content (%) | Unit weight (kN/m3) | Curing condition | Curing time (Days) |
| 14.54 | 16.15 | Normal state, Saturated | 1, 3, 7, 14, 28 |
2.2.2 배합 조건
본 연구에 사용된 표층안정재는 국내의 화강풍화토와 중량비 6%로 혼합하는 경우, 양생 7일에서 압축강도가 원지반 상태에 비해 약 3배∼4배 증가하여 압축강도의 개선효과가 나타나는 재료이다(Bhang, 2016). 따라서 본 연구에서는 다짐시험을 통해 산정된 최대건조단위중량(γd·max, maximum dry unit weight)의 90%에 해당하는 흙의 단위중량 16.15kN/m3에 대해 중량비 3%, 6%, 9%, 12%로 표층안정재를 혼합하고, 공기 중에서 일반적인 상태(normal state)로 3일, 7일, 14일, 28일간 양생하는 것을 배합 조건으로 설정하였다. 또한 표층안정재가 시공되는 농업용 저수지의 경우, 1년 중 대부분이 물이 저수되어 있어 저수된 물로 인해 표층안정재의 충분한 강도 개선이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 수중에서 양생을 진행하여 완전히 포화(saturated)되었을 때 강도의 개선효과가 동일하게 나타나는 지 검토하기 위하여 먼저 공기 중에서 7일간 양생한 후 수중에서 1일, 3일, 7일, 14일, 28일간 양생하는 조건에 대해서도 배합조건으로 설정하였다.
3. 시험결과 및 분석
3.1 실내시험 결과
표층안정재를 노후 농업용 저수지에서 채취한 흙과 혼합한 재료에 대해 수직응력(σ, normal stress)을 100kPa, 200kPa, 400kPa, 800kPa, 1,600kPa로 2배씩 증가시키며 직접전단시험을 5회 실시한 후 Mohr-Coulomb의 파괴기준(failure criteria)에 따라 점착력(c, cohesion)과 내부마찰각(∅, friction angle)을 산정하였다. Table 4와 Fig. 3∼Fig. 4에는 혼합비와 양생일에 따른 점착력 및 내부마찰각의 산정결과를 원지반 흙과 비교하여 나타내었다.
Table 4.
Mixing condition of surface stabilizer
시험결과, Fig. 3에 나타낸 점착력의 경우 일반적인 상태(normal state)에서는 혼합비가 3%에서 9%로 증가함에 따라 점착력도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 혼합비 12%의 경우에는 양생 초기에 혼합비 9%보다 점착력이 작은 값을 나타내었고, 양생 14일 이후부터는 동등한 값을 나타내는 것으로 분석되었다. 수중 상태에서 완전히 포화된(saturated) 시료의 경우에서도 혼합비가 9%까지 증가함에 따라 점착력은 증가하였으나, 혼합비 12%는 혼합비 9%에 비해 전체적으로 점착력이 작은 값을 나타내어 점착력의 증가를 위한 최대 혼합비는 9%가 한계인 것으로 분석되었다. 또한 혼합비 3%와 6%의 경우에는 양생일이 증가하여도 점착력이 증가하지는 않았고, 완전히 포화(saturated)된 상태에서는 점착력이 원지반 흙의 최대 83.5%로 감소하여 원지반 흙의 점착력과 거의 동등한 값을 나타내었다. 그러나 혼합비가 9% 이상인 경우, 일반적인 상태(normal state)에서는 양생일이 증가함에 따라 점착력이 증가하였다. 그리고 완전히 포화된(saturated) 상태에서는 양생일이 증가함에 따라 점착력이 증가하지는 않았으나, 포화로 인한 점착력의 감소는 거의 없는 것으로 나타나 혼합비 9%가 노후 농업용 저수지의 표층안정재로 적용시 최대 점착력을 나타낼 수 있는 한계 혼합비인 것으로 분석되었다. 내부마찰각의 경우에는 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 시험결과가 일정하게 나타나지 않아 혼합비의 증가와 양생일의 변화에 따른 내부마찰각의 변화를 파악하기는 어려웠다. 그러나 대부분의 내부마찰각이 큰 변화가 없이 35°∼45° 사이에 분포하고 있으며, 주목할 만한 내부마찰각의 변화는 없는 것으로 분석되었다. 또한 원지반 흙의 내부마찰각과 비교할 때 비슷한 수준을 나타내고 있어 혼합비가 내부마찰각에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
3.2 프로그램 해석 결과
표층안정재를 노후 농업용 저수지에 적용하는 경우에 대한 보강효과를 분석하기 위하여 해석 프로그램인 Geostudio를 사용하여 비탈면에 대한 안정해석과 침투해석을 연동한 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 단면은 흙 재료를 채취한 전라북도 완주군 용진읍에 위치하고 있고, 유효저수량이 5,160m3으로 소규모의 농업용 저수지이며, N치가 5이하로 느슨한 상태인 실트질 모래(SM)와 저소성 실트(ML)로 구성되어 있다. Fig. 5에는 해당 단면에 대한 표준관입시험(SPT, Standard Penetration Test) 결과와 단면에 대하여 나타내었다.
노후된 농업용 저수지를 실측한 단면에 대해 표층안정재를 사용하여 보강하는 경우, 안정성 확보 효과를 분석하기 위하여 비탈면만을 보강하는 방법(Case 1)과 비탈면과 둑마루를 동시에 보강하는 방법(Case 2), 비탈면과 하부지반을 동시에 보강하는 방법(Case 3), 둑마루와 비탈면, 하부지반을 동시에 보강하는 방법(Case 4)와 같이 4가지의 보강방법을 설정하였다. 또한 표층안정재를 사용하는 경우 비탈면만을 1.0m의 깊이로 개량하는 방법이 주로 적용되고 있다(Bhang, 2016). 그러나 노후된 농업용 저수지의 경우 저수된 물로 인하여 침투가 발생하고, 이로 인하여 제체 내부에서의 침식 및 세굴을 유발하여 안정성을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 표층안정재를 사용하여 노후 농업용 저수지를 보강하는 경우 침투를 억제시켜 충분한 안정성을 확보할 수 있는 보강깊이를 판단하기 위해 보강 깊이 1.0m를 기준으로 1.0m씩 증가시켜 1.0m, 2.0m, 3.0m로 증가시켰다. 또한 표층안정재의 경우 비탈면만을 보강하나, 둑마루와 하부지반을 보강하는 경우에 안정성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 비탈면의 보강깊이인 1.0m와 동일하게 1.0m를 보강하는 고려하였고, 0.5m씩 단계적으로 증가시켜 둑마루와 하부지반에서의 보강길이가 안정성에 미치는 영향을 고려하고자 하였다. Fig. 6에는 본 연구에서 설정한 4가지의 보강방법에 대하여 나타내었다.
해석에 사용된 재료 중 저수지와 하부 지반은 현장에서 채취한 흙에 대해 직접전단시험과 변수위 투수시험을 수행하고, 이를 토대로 산정된 점착력(c) 및 내부마찰각(∅)과 투수계수(k, coefficient of permeability)를 사용하였다. 표층안정재는 현장에서 다짐도 90%로 시공이 이루어질 것으로 가정하여 점착력(c)과 내부마찰각(∅)은 실내시험 결과를 활용하였고, 투수계수는 직경(D) 10cm, 길이(L) 12.5cm의 몰드(mold)에 다짐도(DC, Degree of Compaction) 90%로 다짐을 실시하여 시편을 제작한 후 해당 시편에 대해 변수위 투수시험(KS F 2322, 2015)을 3회 실시하여 산정된 투수계수를 적용하였다. Table 5에는 해석에 사용된 재료의 지반정수를 나타내었다.
프로그램을 사용한 안정성 해석은 저수지의 설계시 안정성 검토가 이루어지는 일반적인 3가지 상태에 대해 검토하였다. 각 3가지 상태는 저수지의 건설 직후(after construction) 상태로 저수된 물이 없는 상태(■)와 농업용 저수지의 홍수위(H.W.L., High Water Level)를 적용하여 이에 따른 물의 흐름을 고려하는 상태(●), 저수된 물이 단기간동안 배수되어 수위가 급강하(drawdown)하는 상태(▲)로 저수지가 가장 위험한 상태로 인식되고 있다. 따라서 표층안정재를 사용하여 농업용 저수지를 보강하는 경우 안정성에 미치는 영향을 확실하게 판단할 수 있도록 3가지 상태에 대한 프로그램 해석을 실시하였고, 해석결과를 Fig. 7에 나타내었다.
프로그램 해석결과, 비탈면에만 보강(Case 1)하는 경우에서는 시공 직후(after construction)와 홍수위(H.W.L)에서는 보강깊이가 증가함에 따른 안전율(FS, Factor of Safety)의 증가는 거의 나타나지 않았다. 그러나 수위 급강하(drawdown) 조건에서는 표층안정재로 비탈면을 보강한 결과, 무보강(none) 상태에서의 안전율보다 약 1.4배 증가하는 것으로 나타나 표층안정재를 사용한 노후 농업용 저수지의 보강은 위험상태에 대한 저수지의 안정성 확보 측면에서 효과적일 것으로 판단된다. 또한 보강깊이의 증가에 따른 안전율의 증가를 분석한 결과에서는 보강깊이가 1.0m에서 3.0m로 증가하여도 안전율의 증가는 크게 이루어지지 않아 보강깊이는 1.0m가 적절한 것으로 분석되었다.
비탈면과 둑마루를 동시에 보강하는 경우(Case 2)와 비탈면과 비탈면 하부를 동시에 보강하는 경우(Case 3), 비탈면과 둑마루, 비탈면 하부 전체를 보강하는 경우(Case 4)를 비교한 결과, 비탈면과 비탈면 하부를 동시에 보강하는 경우(Case 3)에 비탈면의 안전율은 비탈면과 둑마루를 동시에 보강하는 경우(Case 2)에 비하여 약 1.05배 크고, 전체를 보강하는 경우(Case 4)와는 비슷한 수준의 안전율을 나타내었다. 따라서 표층안정재를 사용하여 노후 농업용 저수지를 보강하는 경우, 현장에서의 시공성, 경제성을 고려할 때 비탈면과 비탈면 하부를 동시에 보강(Case 3)하는 것이 적절한 것으로 분석되었다. 또한 비탈면 하부의 보강길이(reinforcement length)는 1.0m에서 2.0m로 증가함에 따라 일정하게 증가하고 있어, 현장의 조건에 맞추어 2.0m 이상 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 노후 농업용 저수지의 보강공법으로 사용되고 있는 그라우팅 공법을 대체하기 위해 도로 및 철도 비탈면의 안정성 확보를 위해 사용되고 있는 표층안정재에 대해 실내시험을 실시하고, 시험결과를 반영한 프로그램 해석을 통해 노후 농업용 저수지의 보강효과를 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 노후 농업용 저수지에서 채취한 흙과 표층안정재를 혼합하여 직접전단시험을 실시하고 점착력과 내부마찰각의 변화를 분석한 결과, 혼합비의 증가에 따른 점착력의 증가는 혼합비 9% 이하까지 나타나고, 혼합비 9% 이상에서는 뚜렷한 증가가 나타나지 않아 점착력의 증가가 가능한 최대 혼합비는 9%인 것으로 분석되었고, 내부마찰각에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 분석되었다.
(2) 프로그램 해석결과, 표층안정재를 사용하여 노후 농업용 저수지의 비탈면 깊이 1.0m를 보강하는 경우 수위급강하 조건에서 무보강 상태에 비해 안전율이 약 1.4배 증가하는 것으로 나타나 표층안정재를 사용한 노후 농업용 저수지의 보강은 충분히 가능한 것으로 나타났다.
(3) 표층안정재를 사용하여 노후 농업용 저수지의 비탈면과 둑마루, 비탈면 하부, 전체 단면을 보강하는 방법에 대하여 프로그램 해석결과를 비교한 결과, 보강방법으로는 비탈면과 비탈면 하부를 동시에 보강하는 경우가 현장에서의 시공성, 경제성을 고려할 때 가장 적절한 것으로 나타났다.
