1. 서 론

1985년 국내 최초로 시공된 동복댐 이후로 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐(Concrete Face Rockfill Dam; CFRD)은 국내에서 많은 시공실적이 있는 댐 형식이다. 우리나라는 CFRD의 주 축조재료인 암석자원이 풍부하여 구득이 쉽고 경제적이며 동절기에도 시공이 가능하여 공정에 유리하다는 형식상 장점이 많기 때문이다. 뿐만 아니라 지진에 대한 저항이 크고 누수에 대한 저항이 높아 구조적으로 유리하기도 하다.

CFRD는 1960년대 진동롤러 사용과 함께 활발한 연구와 건설이 시작되었고 국내에서는 1985년 동복댐에서 현대적인 기법을 적용한 CFRD를 도입하여 현재까지 비약적인 기술발전이 이루어졌다. 이 후 평화의 댐, 부안댐, 밀양댐, 남강댐, 산청양수 상･하부댐, 용담댐, 대곡댐, 장흥댐, 양양양수 상부댐, 청송양수 상･하부댐, 화북댐, 예천양수 상･하부댐, 부항댐 등이 완공되었거나 건설중에 있다.

많은 건설경험에 따라 CFRD와 관련된 연구도 현재까지 국내외에서 상당히 이루어지고 있다. 다양한 CFRD의 계측자료 분석결과 변형계수, 간극비, 형상계수 등은 침하거동 예측에 중요한 인자이며 일반적인 CFRD의 사례로부터 평균 최대 침하량은 댐 높이의 약 0.5%임이 확인되었다(Park et al., 2005). 유전자 발현 프로그램(GEP)과 적응신경퍼지추론시스템(ANFIS)을 이용하여 여러 나라의 24개 CFRD를 분석한 결과 0.8657~0.9734 범위의 상관계수가 얻어진바 있다(Behnia et al., 2013). 비교적 협소하고 가파른 계곡부의 CFRD에서는 응력과 침하가 연관되는 한 아칭(arching)이 중요한 인자이며, 계산 침하량은 계측치 보다 다소 크게 나타나는데 이는 담수 동안 석괴 제체가 시공기간 중에 비하여 보다 강성으로 거동함을 나타낸다(Riza, 2005). CFRD의 센트리퓨지 시험결과 표면 차수벽의 변형은 콘크리트의 강성 보다는 선택층(transition zone)의 강성에 보다 큰 영향을 받는다(Seo et al., 2009).

현재까지 많은 연구에도 불구하고 설계에서 예측된 거동이 실제와 차이를 보이며 기초지반 및 축조재료, 시공단계 등에 따라 상이한 거동을 나타내는바 CFRD에 대한 보다 경험적인 연구가 필요하다(Lee, 2008). 이에 본 연구에서는 시공이 완료된 CFRD에 대하여 담수시점부터 수위변화에 따른 댐제체의 변형거동을 파악하기 위하여 매설된 계측기를 통한 현장계측 결과로부터 댐의 거동을 분석하였고, 수치해석 자료와 계측자료를 비교･분석하였다.

2. 설계현황 및 거동해석

2.1 설계현황

연구대상이 되는 댐의 형식은 CFRD로서 댐 높이 52.0m, 댐 길이 190.0m, 체적 53만m³ 규모로 상류사면은 1:1.4, 하류사면은 1:1.8의 경사로 설계된 중규모 댐이다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 표면차수벽 직하부에는 Bedding zone 및 Transition/Filter zone을 두어 표면차수벽의 기층역할을 담당하게 하고 시공 및 완공 후 표면차수벽을 통한 누수의 통과를 가능한 한 억제하도록 설계되었다. 착공 후 5년여의 기간만에 공사가 마무리 되었으며, 댐 제체를 석괴로 축조한 후 저수지측 경사 표면에 콘크리트 차수벽을 설치하였다.

Fig. 1.

Cross-sectional view of dam (No. 5)

Graded Rockfill Zone, Rockfill Zone 경계면은 설계당시 하류측으로 1:0.7의 경사각으로 계획되었으나, 대형삼축압축시험에 의해 산출된 c, Φ 값을 적용한 결과 1:0.7에서 1:0.1로 변경하였다.

2.2 수치해석에 의한 거동분석

시공 전 댐의 거동을 예측하기 위하여 미국의 TEGA Engineering Software Service에서 개발한 TELSTA 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 실시하였다. TELSTA는 댐의 평면변형 및 축대칭 조건하에서 절토, 되메우기, 성토 및 여러 형태의 분포하중과 압력을 적용할 수 있으며 재료의 Interface 효과를 고려할 수 있다.

해석단면은 댐 축조고가 가장 높은 No. 5 지점으로 선택하였다(Fig. 1). 수치해석시 경계조건은 측면의 경우 수평방향 변위만 고정하고 하부의 경우 수평방향 변위는 허용하고 수직방향 변위를 고정하였다. 해석에 이용된 모델은 파괴조건에 근접할수록 비선형으로 거동하는 지반의 응력-변형률 관계를 지반계수를 변화시켜 모사할 수 있는 Hyperbolic 모델이다(Duncan and Chang, 1970). 모델식에서 응력-변형률 곡선은 쌍곡선이고 지반계수는 구속응력과 전단응력의 함수이다. 이 비선형재료 모델은 삼축압축시험 등에서 쉽게 얻어질 수 있는 물성치만을 필요로 하기 때문에 매우 유용하다(MIDAS IT, 2017). 입력물성치는 기존 록필댐의 안정검토 자료를 참조하여 Table 1과 같이 안전측으로 결정하였다. Table에서 γ_d는 재료의 단위중량, K는 초기재하계수, n은 초기강성지수, K_b는 부피계수번호, m은 부피계수지수, K_ur은 제하-재제하계수번호, c와 φ_cv는 재료의 점착력과 내부마찰각, R_f는 쌍곡선에 대한 점근선과 최대 전단강도의 비를 나타낸다.

거동분석을 위한 층별 요소(element)의 분할은 가능한 동일한 높이로 형성하는 것으로 가정하였다. 여러층으로 구분하면 정밀한 검토가 될 수 있으나 컴퓨터의 용량과 시간적 제약이 있으므로 14단계로 나누어 한 개 층(layer)에 약 4m를 시공하는 것으로 간주하였다. 15단계에서는 최초 담수시를 감안하여 표면 콘크리트에 등분포 하중을 가하여 제체의 수평거동을 관찰하였다. 거동분석을 위한 유한요소망은 Fig. 2와 같이 절점(node) 286개와 총 234개의 요소로 구성하였다.

Table 1. Material properties for analysis

Fig. 2.

Points of maximum displacement

수치해석 결과 시공직후의 최대 연직변위는 42.0∼43.0cm로서 Fig. 3과 같이 절점 170∼172에서 나타났으며, 담수시 최대 연직변위는 동일한 위치에서 46.2cm로 예측되어 담수로 최대 4.2cm가 추가발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 3.

Points of maximum displacement

2.3 대형삼축압축시험에 의한 물성치 적용

대상 댐의 보다 실제와 가까운 거동을 예측하기 위하여 대형삼축압축시험에 의하여 축조재료의 물성을 산정하고 그 결과를 토대로 해석을 실시하였다(Table 2). 해석은 축조단계를 실제 현장과 동일하게 보다 세분화하여 62단계로 나누어 축조하고, 담수하중을 재하 하는 것으로 모델링 하였다.

댐 축조 높이에 따른 침하량 분포는 Fig. 4와 같이 포물선 형태를 나타내었다. 각각의 축조높이에 따른 최대 층별침하량은 앞서 설계된 해석결과와는 다소 다르게 모두 축조단계 최고높이의 중앙지점보다 약간 상부에서 발생하였다. 최종 축조단계에서의 최대 연직변위는 21.3cm로서 최초 해석 결과보다 약 20cm 가량 적게 예측되었다. 이는 재료의 내부마찰각 증가로 인한 하부재료의 상호 마찰저항의 증가 효과에서 기인한 것으로 보인다.

Table 2. Material properties by additional test

Fig. 4.

Distribution of layer settlements under construction

3. 댐의 변위거동 분석

CFRD의 양안부에 수위계와 댐 정상부 및 사면부에 3차원 변위계, 그리고 수축이음부에 변위계를 설치하여 시공 시점부터 준공 후 담수 과정까지 수위변화와 댐 제체의 거동을 모니터링하였다.

3.1 저수위 변화 분석

담수 시점(2004.11.30)으로부터 약 9개월 동안은 1일 1~10cm 이내의 안정된 속도로 수위가 증가하였고, 수위관측 동안 크게 세번의 수위 증가 및 하강 변화가 있었다.

3.1.1 1단계(Phase 1)

초기 담수 이후 수위상승, 정지 및 약간의 하강을 반복하며 최종적으로 309일간 약 34m(EL.117.24m) 상승을 기록하였다. 그 이후로 187일에 걸쳐 EL.107.59m까지 9.65m가 지속적으로 하강하였다.

3.1.2 2단계(Phase 2)

1단계 이후에는 3개월간 수위가 미세하게 하강 및 상승을 반복하다가 이틀에 걸쳐 EL.116.7m까지 약 7.6m가 급격히 상승하였다. 그 후 다시 소폭 상승과 하강을 반복하였고 9월 29일(담수 699일째) 최대 EL.119.49m까지 상승하였다가 2007년 6월 13일(담수 926일째)까지 약 26.61m (EL.92.88m) 지속적으로 수위가 하강하였다.

3.1.3 3단계(Phase 3)

2단계 이후로 130일에 걸쳐(담수 1,057일째) EL.116.32m까지 약 23.4m지속적으로 상승하였고 이후 약 7개월간 EL.108.11m까지 약 8.22m 하강한 후 상승하는 경향을 보였다.

각 단계에서의 수위하강은 공통적으로 가을 내지 초겨울부터 시작하여 여름 이전까지 진행되어 건기로 인한 수위하강이 명확히 나타난다. 이상과 같이 뚜렷하게 나타난 3개 단계의 저수위 변화현상에 따라 댐의 수평변위 및 침하특성을 분석하고자 하였다.

3.2 정상부의 수평 및 연직변위

댐 정상부(crest)의 변형거동을 계측하기 위하여 Fig. 6과 같이 정상부에 5개의 침하점을 설치하고 3차원적인 거동을 관찰하였다.

3.2.1 정상부의 축방향 수평변위

5개소(CP-1~CP-5)의 정상침하점에서 축방향(Fig. 6에서 left-right방향)에서 수평변위 양상은 담수이후 대부분 우안측으로 거동이 발생하였고, 저수위 1단계 변화시 최고수위 상승점 부근에서 가장 크게 우안측으로 거동한 후 서서히 좌안측으로 거동하며 수렴되는 경향이다(Fig. 7 X-axis). 우안측에 가장 근접하여 설치된 침하점(CP-5)의 경우 나머지 네 개가 저수위 1단계 이후 서서히 좌안측으로 이동한 후 수렴되는 경향과는 달리 최고수위점에서 발생된 우안측으로의 변위가 그대로 수렴되는 특이점을 나타내었다.

Fig. 5.

Changes of water level with time

Fig. 6.

Location map of crest settlement points

Fig. 7.

Three-dimensional displacements of crest with water level changes

3.2.2 정상부의 상하류방향 수평변위

상하류 방향의 수평변위는 담수 전에는 상류방향으로 약간의 거동을 보이다가 담수 시작과 함께 하류방향으로 변위가 진행되었다. 이 후 저수위가 댐 높이 절반정도(약 EL.108)에 이르러 다시 상류방향으로 약간의 변위가 발생하여 약 9개월간 유지되다가 2단계 수위변화와 함께 상류방향으로 약 11개월간 다소 빠른 속도의 변위가 발생한 후 수렴되는 경향을 보였다(Fig. 7 Y-axis). 또한, 좌안측(CP-1,2)보다 우안측(CP-3,4,5)에서 변위량이 비교적 크게 나타났다.

3.2.3 정상부의 침하변위

정상침하점에서 침하변위는 저수위 1단계에서 담수 이후 약 2개월간 침하가 발생하다가 저수위가 댐 높이 절반정도에 도달한 이후 서서히 수렴되는 양상이다(Fig. 7 V-Disp.). 계측기간 동안 침하량은 최대 2.5cm 이내로 유지되었다.

3.3 하류사면의 수평 및 연직변위

댐 하류사면에서의 변형거동을 계측하기 위하여 Fig. 8과 같이 하류사면부에 6개의 침하점을 설치하고 3차원적인 거동을 관찰하였다.

Fig. 8.

Location map of settlement points on downstream slope

3.3.1 하류사면의 축방향 수평변위

하류사면 침하점에서 전반적인 축방향 수평변위는 변위량의 차이가 약간 있을 뿐 그 형태는 대부분 유사하게 나타났다. 담수전에는 큰 변화가 없다가 저수위가 댐 높이 절반 정도에서부터 수위에 관계없이 좌안측으로 서서히 거동하며 수렴하는 양상이다(Fig. 9 X-axis). 특히, 하류사면 가운데 정상부 근처의 침하점의 경우 담수 전후에 우측으로 이동하였다가 댐 높이 절반 가량 접근하여 좌측으로 변위가 발생한 반면, 그 하류측에 설치된 침하점은 담수 전후부터 꾸준히 좌측으로 변위가 발생하였다.

Fig. 9.

Three-dimensional displacements of downstream slope with water level changes

3.3.2 하류사면의 상하류방향 수평변위

상하류방향 수평변위는 대부분 담수와 같이 상류방향으로 진행된 후 수렴되어 가는 형태였는데, 변위속도는 최대 약 0.8cm/36개월로 매우 느리게 진행되었다(Fig. 9 Y-axis).

3.3.3 하류사면의 침하변위

하류사면 침하점에서 침하변위를 분석한 결과 SP-8, SP-9의 침하점은 담수시점으로부터 0.6∼1.3cm/6개월의 융기가 진행된 후 원위치 되었고 나머지 침하점은 담수와 함께 침하가 되었다가 서서히 수렴되어가는 추세를 나타낸다(Fig. 9 V-Disp.). 침하량 크기는 crest 보다는 하류사면 하부에서 비교적 크게 나타났으며 최대치 약 3cm로서 이는 수치해석에 의한 담수시 예측침하량 4.2cm이내와 유사한 수준이다.

Fig. 10.

Location map of jointmeters

3.4 수직이음부 수평변위

상류사면 콘크리트 차수벽의 수직방향 수축이음(con-traction joint)부 4개소에 변위계(jointmeter)를 설치하여 Slab의 거동에 따른 수축이음 접합부의 변위를 계측하였다.

4개소의 수직이음부 수평변위 분석결과 위치에 따라 다소의 변위량의 차이가 있을 뿐 거동형태는 비슷하게 나타났다. 담수전 즉, 2003년 및 2004년 하절기에 변위는 JM-1을 제외하고는 대부분 약 0.15cm 이내로 작은 반면(점선 원) 2003년 및 2004년 동절기에는 변위가 약 0.4cm 전후로 크게 나타났다(실선 원). 그리고 담수시작(2004년 11월) 후 댐 저수위 절반정도(2005년 4월)까지 변위는 0.2∼0.4cm로 크게 나타났고 최고 저수위(2005년 8월)까지 변위는 계속적으로 감소하였다. 따라서, 수평변위는 담수전에 외부온도의 영향을 받아 동절기에 증가하고 하절기에 감소하는 경향이 나타난다. 또한, 담수 후에는 저수위가 댐 높이 절반 정도까지 변위가 증가한 후 수위 상승에 따라 감소하는 경향으로 나타난다. 결론적으로 차수벽 이 음부 수평변위는 저수위에도 영향을 받으나, 담수 후 계절에 따라 하절기에는 작고 동절기에는 큰 변위를 나타내는 경향이 있다.

Fig. 11.

Horizontal displacements of vertical joints

3.5 층별침하

해석시 댐 축조 완료 후 최대 층별침하량은 댐 중심축보다 약간 상부에서 21.3cm로 예측된 반면, 실제 계측결과는 유사한 위치에서 10.7cm로 실측되어 약 50%에 불과하였다(Fig. 12). 주된 원인은 담수가 이루어지는 동안 석괴 제체가 시공기간 중에 비하여 보다 강성으로 거동하기 때문으로 판단된다(Riza, 2005). 또한 해석시 입력 매개변수의 보수적인 추정, 시험재료와 실제 사용재료와의 변동성, 축조일수와 층 두께, 다짐정도 등의 차이에서도 원인을 찾을 수 있다.

Fig. 12.

Distribution of settlements in the center of dam with construction stages

Fig. 13의 층별침하계 계측결과를 볼 때 댐 축조 완료후 변화추이가 거의 없고 2004년 11월 담수시부터 약간의 변화를 보이지만 전반적으로 수렴되어 가는 추세를 나타낸다.

Fig. 13.

Distribution of layer settlements

3.6 전단변형률 변화

댐 중앙부와 Bedding Zone에서의 댐 높이별 전단변형률 분포를 Fig. 14에 나타내었다. 댐 중앙부에서는 담수시 전단변형률이 다소 증가한 반면, Bedding Zone에서는 약간 감소하는 양상을 나타낸다. 이는 댐 중앙부에서는 수압에 의해 수평 및 연직하중이 증가되었기 때문으로 판단된다. 반면, Bedding Zone에서는 댐 축조시에 댐 하부에 응력이 집중된 후 담수시 Face Slab에 수압이 균등하게 작용하게 된다. 이로 인해 Face Slab에 처짐이 발생되고 하부에 집중되었던 응력이 분산됨으로써 Bedding Zone에서의 전단변형율이 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 14.

Shear strains with dam heights

4. 결 론

표면차수벽형 석괴댐(CFRD)의 담수에 따른 댐 제체 거동을 파악하기 위하여 매설계기를 통한 현장계측으로 댐의 거동을 분석하였고, 사전 수치해석 자료와 계측자료를 비교･분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)담수에 따른 댐 제체의 거동을 정상침하점과 하류사면 침하점 변위계측을 통하여 분석한 결과, 축방향수평변위, 상･하류측 수평변위 및 침하 등은 대부분 초기담수시 저수위가 댐 높이 절반 정도에 이를 때부터 발생하였다. 그 후 저수위 최고 상승 시까지 변위가 진행된 후 수위에 관계없이 일정하게 수렴되는 양상을 보였다.

(2)CFRD에서 가장 중요한 역할을 하는 차수벽의 수평변위 거동은 모든 지점에서 비슷한 양상을 보였다. 수평변위는 담수전 외부 온도의 영향으로 동절기에 증가하고 하절기에 감소하는 경향이 있었다. 그리고 담수 후 저수위가 댐 높이 절반 정도에 이를 때까지 변위가 증가한 후 수위 상승과 함께 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로 차수벽의 거동은 저수위 조건도 영향이 있지만 담수 후에도 계절적인 변화를 나타내어 콘크리트 슬래브의 재료적인 특성 영향이 큰 것으로 판단된다.

(3)수치해석결과 댐 축조후 최대침하량은 댐 높이 중앙의 약간 상부에서 21.3cm 발생하는 것으로 예측된 반면, 실제 계측 결과는 유사한 위치에서 10.7cm로 실측되어 약 50%에 불과하였다. 이는 담수가 이루어지는 동안 석괴 제체가 시공기간 중에 비하여 보다 강성으로 거동한다는 기존 연구와 일치하는 결과이며, 예측시 입력 매개변수의 보수적인 추정, 시험재료와 실제 사용재료와의 변동성, 축조일수와 층 두께, 다짐정도 등의 차이에서도 그 원인을 추정할 수 있을 것이다. 그리고 침하는 댐 축조기간 동안 대부분 완료되었고 담수 초기에 약간의 침하가 발생한 후 수렴되는 양상을 보였다.