Potential Hazard Classification of Aged Cored Fill Dams

노후 코어형 필댐의 잠재 위해성 유형 분류

Abstract

As greater numbers of fill dams and reservoirs become old, the risks of damage or embankment collapse increases. However, few studies have considered the deterioration and hazard classification of the internal core layers of fill dams. This study reports the results of geotechnical investigations of 13 earth-cored fill dams in Korea, based on no-water borehole drilling, Standard Penetration Test, and 2D and 3D electrical resistivity surveys along with in situ and laboratory testing. High-capacity no-water boring minimized core layer disturbance while providing continuous core sample recovery. The results allow the classification of potential hazards related to the existing core layers based on both visual inspection of the recovered samples and the results of engineering surveys and tests. Four types of potential hazard are classified: locally fluidized core with a high water content, rapid water inflow to a borehole, cores with granular materials, and relatively low stiffness of core. Among these, the locally fluidized core is the most critical hazard that requires remedial action because it is related to the potential internal flow path and internal erosion. The other three hazard types are of medium importance and require careful monitoring and regular inspection. Of note, there was no correlation between age and core deterioration. The results are expected to aid the safe management and potential upgrading of aging cored fill dams.

최근 국내 필댐 및 저수지의 노후화가 급속도로 진행되고 있으며, 이에 따른 제체의 손상이나 붕괴사고가 잇따르고 있다. 그러나 필댐의 핵심적인 차수기능을 담당하는 코어층에 대한 열화와 잠재 위해성 분류에 대한 연구는 거의 미진한 실정이다. 본 연구에서는 노후화가 진행 중인 13개 기존 코어형 필댐에 대해(준공 후 경과년수 9-52년, 댐 높이 22-67 m), 무수보링에 의한 코어층 시추 지반조사와 표준관입시험, 2D 및 3D 전기비저항탐사, 물성·역학시험을 수행하여 공학적 기반의 잠재적 위해성 유형을 국내 최초로 분류, 제시하였다. 중심코어층에 대한 무수보링 시추 지반조사 결과, 코어재 잠재 위해성 유형을 국부적 포화대, 신속한 공내수 유입, 조립질 혼재 코어재, 상대적 저 강성의 네 종류로 분류하였다. 코어형 필댐의 잠재 위해성 유형 중국부적 포화대 유형은 코어존 내 유로의 성장 및 발달에 의한 내적침식의 가능성이 존재하므로 가장 위험한 위해성으로 분류 되었으며, 코어재의 열화 등급에 따라 적절한 차수능 회복을 위한 보수보강이 필요한 것으로 판단되었다. 그 외 세 가지 위해성 유형은 즉각적인 조치보다는 지속적인 모니터링과 정기 검사의 강화가 필요할 것으로 검토되었다. 본 연구대상 댐의 분석 결과, 준공 후 경과년수와 댐 코어재의 열화 양상과는 상관성이 크게 없는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 코어형 필댐의 노후화에 따른 댐의 안전관리와 성능개선에 있어 유용한 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

서 론

댐에서 노후화(aging)의 정의는 현재 공학적 정립이 미진한 실정이다. 보편적으로노후화는 사전적 의미(aging; aged; 년수의 경과에 따른 숙성)에서 시간의 경과를 지칭하는 단어로서 정의하는데, 이 경우 노후화가 반드시 댐체에 위해함을 의미하지는 않는다. 시간의 경과에 따라 인위적인 댐 구조물이 현장 응력-변형 조건에 장기간 적응함으로서 오히려 안정화되는 경우를 포함하여, 시간의 경과로 인하여 열화에 따른 취약부가 발생하는 경우 등이 복합적으로 나타나게 된다. 반면에 노후화의 정의를 저수지 담수 후 운영단계 이후 나타나는 전체적 또는 국부적 잠재 취약요소들이 열화되면서 댐체에 유해한 시나리오를 발생시키는 현상이라고 보는 경우도 많다. 두 가지 정의 모두 타당한 측면이 있는 데, 공통적인 중요성에 있어 노후화의 원인을 제공하는 열화의 과정과 유형, 그리고 위해성을 이해하는 것은 필수적이라 하겠다.

현재 국내에 등록된 전체 댐·저수지는 약 17,570개로서 준공된 지 50년 이상 노후 저수지는 2014년 기준으로 69.5%, 준공된 지 30년 이상 저수지는 95.1%로 집계되고 있다(MPSS, 2015). 특히 K-water에서 관리중인 국가 중요 기반시설 대댐의 경우 전체 대댐 35개 중 준공 후 30년 이상 경과된 노후댐은 31% (11개댐)에 해당하며, 특히 용수전용댐(14개)은 30년 이상 경과된 댐이 50% (7개)로 노후화 된 댐이 점차 증가하는 추세이다.

최근 빈번하게 발생하고 있는 노후 저수지 붕괴사고로 인해 노후화 된 필댐 및 저수지의 안전관리에 대한 사회적 관심이 높아지고 있는 추세이다. MPSS (2015) 통계에 따르면 2002년부터 2013년 사이 제방유실 등 저수지 피해사례는 18건이 보고되었다. 특히 중소규모 저수지 제당붕괴 및 파손은 2013년 한 해 동안만 5건으로 집계되어 노후댐의 안전 문제가 수면위로 부상하였다.

노후화 된 필댐 및 저수지의 붕괴는 댐 하류부에 대한 인명피해 뿐만 아니라 막대한 경제적인 피해를 발생 시킬 수 있다. 이러한 댐의 붕괴 위험성은 최근 기후변화에 따른 이상기후 현상, 국내 필댐 및 저수지의 노후화 등에 의하여 증가하고 있는 추세이다.

필댐에 있어 열화(deterioration)의 개념은 노후화(aging)와 관련되어 나타나는 핵심용어라 할 수 있다. ICOLD Bulletin 93 (1994)에서는 노후화(aging)를 운영 개시 후 5년 이상에서 발생하는 열화(deterioration)로 정의한다. 이 시점 전에 발생하는 열화는 설계, 시공, 유지관리의 부적절성에 기인하는 것으로 본다. 따라서 ICOLD의 정의로 볼 때 댐의 노후화는 댐 구조물과 기초가 건설된 재료의 물성에 있어 시간적 변화와 관련된 열화 유형으로서 정의된다. 국내의 경우 본격적으로 대댐이 건설되기 시작한 1960년대 이후 최근까지도 신규댐의 건설이 지속되어 왔기 때문에 이러한 개념이 생소하였으나, 최근 개발의 시대에서 유지관리의 시대가 되면서 노후화의 개념이 급부상하였으며, 노후화의 주된 원인을 제공하는 열화 메커니즘과 열화 유형별 위해성을 이해하는 것은 중요한 연구주제가 되었다.

특히 코어형 필댐의 경우 코어존의 노후화는 내적침식 및 파이핑 등의 위해성을 초래할 수 있으므로 댐의 안전성 문제와 직접적인 관련이 있으며 필댐 안전관리에 있어서 가장 중요한 부분이다. 이러한 위해성을 표출하는 잠재 유형들은 댐의 안전을 저해하는 즉각적인 요소는 아닐 수 있지만 장기적인 댐의 안전관리 상 적절한 조치를 취하거나 관찰되어야 할 부분이다. 하지만 필댐 코어층의 잠재 위해성 유형에 대한 선행연구와 문헌은 국내뿐만 아니라 국외에서도 현장 자료의 부족으로 매우 부족한 실정이다.

필댐 코어층의 노후화와 위해성 유형에 관한 연구는 미비하지만, 최근 몇 차례 기존 코어형 필댐의 위해도(위험하고 해로운 정도) 분류에 관한 연구사례들이 발표된 바 있다. Lee et al. (2015)은 국내 용수전용댐 3개소를 선정하여 제체 전기비저항탐사와 시추 및 실내시험 자료를 토대로 필댐 코어존의 건전성을 평가하였고, 이와 유사한 방법이 Oh and Sun (2008)에 의해 시도되었다. Kim et al. (2011)은 균질형 흙댐 1개소 해체에 따른 코어존 물성을 분석하여 설계당시 물성과 노후화 된 코어층의 물성을 비교·분석하였다. 이외에 댐의 붕괴 및 위험도에 관한 연구는 최근에 와서 시도되어지고 있는 추세이다.

기존 필댐 코어존의 건전성을 벗어나 전반적인 필댐의 손상분석을 다룬 연구 사례는 국내외에서 활발히 발표되고 있는 편이다. Lim et al. (2006)은 댐 위험도 분석을 위하여 필댐의 파괴특성에 따른 위험요소를 분류하였고, Kim et al. (2015)은 기존 댐의 붕괴사례를 토대로 국내와 국외의 필댐의 지반공학적인 위험 요소를 평가하였다. 국외의 필댐 붕괴는 대부분 월류 및 내적침식에 의해 발생하고 내적침식중 기초부의 침식이 상당수를 차지하고 있는 반면(Biswasm and Chatterjee, 1971; Fell et al., 2015), 국내 필댐은 대부분 여수로 인근과 다짐불량으로 인한 붕괴확률이 높게 나타났다(Noh, 2015; Noh et al., 2014). 또한 필댐의 붕괴에 미치는 영향 요인을 통계학적인 분석을 통하여 파이핑의 중요성을 확인하고(Foster and Fell, 1999; Wan, 2005), 파이핑 메커니즘을 바탕으로 파이핑 위험도 평가방법을 개략적으로 설명하기도 하였다(Lim and Lim, 2008a; Lim and Lim, 2008b). 그 이외에 확률·통계학적인 기법을 기반으로 댐의 위험도를 평가한 연구(Kim et al, 2014a; Kim et al, 2014b) 및 사건 수 분석 기법을 이용하여 시스템 반응확률(system response probability)의 평가기법을 제시하고 필댐의 내부침식 위험도에 대하여 평가하는 연구 등이 이뤄졌다(Noh et al., 2014).

본 연구에서는 코어층에 대한 직접적인 연구 수행을 위하여 국내 코어형 필댐인 용수 전용댐의 코어층을 대상으로 무수보링 방식을 적용한 시추 지반조사를 실시하였으며, 이러한 무수보링 시추 지반조사 및 물성·역학 시험 자료를 토대로 필댐의 노후화와 코어층의 잠재 위해성 유형에 대하여 분석하고자 하였다. 노후화가 진행중인 코어형 필댐의 건전성 조사 및 평가를 위해서는 차수기능을 담당하는 코어층의 열화 양상 여부 확인과 안전성 평가를 위한 현장 물성 획득을 위해 시추조사가 필수적이라 할 수 있다. 비파괴적인 물리탐사(전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 등)는 직접 시추조사가 불가능할 경우 가장 현실적이고 흔한 대안이 되어오고 있지만, 궁극적인 위해성의 확인과 실내 지반공학적 토질시험을 위해서는 코어재의 직접 시추조사와 시료 샘플링이 필요하다.

그러나 종래의 댐 안전관리는 댐의 운용년수가 오래 되어도 댐체의 직접 시추조사에 의한 악영향 또는 위해성을 고려하여 많이 꺼려하던 것이 사실이다. 이러한 상반된 기술적 견해를 극복하고, 현장의 코어층 취약부를 직접 확인하면서 실내실험을 통한 물성 추출을 위해서는 댐체에 위해성을 최소화하면서 시료의 샘플 회수율을 극대화하는 조사기술의 정립이 반드시 필요하다.

따라서 향후 댐의 노후화에 따른 코어재의 직접 시추조사 기술 적용을 위해, 금번 연구에서는 13개 기존 코어형 필댐에 실제 성공적으로 적용하였던 직접 시추조사 기술을 정리, 제시하였다. 이러한 시추조사와 현장 및 실내 실험을 통한 기존 코어형 필댐의 성과는 취약부의 판별과 위해성의 파악에 직접 활용될 수 있었다.

세계적으로 기존 코어층의 열화 양상 또는 위해성 유형의 분류는 연구 실적이 거의 없는 실정이므로, 위해성 유형에 관한 공학적 분류 연구는 매우 귀중한 노후댐 연구 데이터베이스를 제공할 수 있으며, 안전관리 및 보강 대책 수립의 유용한 기초자료를 제공할 수 있다.

본 연구를 통하여 코어형 필댐에서 댐체의 취약부 조사방법의 표준안을 제시하고, 댐체 내부 차수기능을 담당하는 코어재의 취약부를 조사하고 건전성을 평가하여 결과적으로 위해성 유형을 분류함으로서 댐의 열화 현상에 대한 대책을 수립하는 데에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

 

댐 지반조사 현황

본 연구에 사용된 대상 댐은 국내 13개의 중심코어형 사력댐(earth-cored rockfill dam, ECRD)으로서 댐의 일반적인 제원은 다음 Table 1과 같다. ICOLD의 기준으로 볼 때 준공 이후 5년 이상 경과한 댐들은 노후화의 연구 대상에 포함될 수 있는 것으로 판단하여 9~51년이 경과된 댐들을 선정하였다. 연구대상 댐들의 높이는 22~67 m에 이르는 대댐들이며, 용수공급을 주목적으로 건설되어 산업단지, 도시 생활용수 등 중요한 기능을 하고 있는 댐들이다.

Table 1.Note that H=height of dam, L=Length of dam, EL.=elevation, NHWL=normal high water level, LWL=low water level, Rer. Cap.=total reservoir capacity.

연구대상 댐들에 대해 준공 이후 최초의 댐 코어층 직접 시추조사를 포함하여 광범위한 지반조사와 샘플링, 물성, 역학실험을 수행하였다. 사회, 경제적으로 중요성을 갖는 이러한 중심코어형 사력댐에 대해 댐마루에서의 직접 시추조사는 댐의 위해성 논란으로 인해 그간 그 시행이 미진하였으나, 노후화되어 가고 있는 댐체의 차수능과 물리적 건전성 파악을 위한 실제적인 방법은 직접 조사에 의한 샘플링외에 대안이 없었으므로, 주의깊은 지반조사 계획을 수립하여 Table 2와 같이 포괄적인 시험을 수행하였다.

Table 2.Note, ER=electrical resistivity, SPT=standard penetration test, Gs=specific gravity, CRS=constant rate of strain.

시추조사와 표준관입시험, 전기비저항탐사를 제외한 각종 시험 결과는 Park and Shin (2016) 및 병렬로 제출된 논문(Oh and Park, 2016)에 상세히 수록되어 있으므로 본 연구에서는 생략하기로 한다. 시추조사의 위치는 우선적으로 2차원 전기비저항탐사를 먼저 시행하여 탐사결과 저비저항 대가 상대적으로 깊게 분포하는 위치와 평균적인 위치를 중심으로 결정하였으며, 댐별로 평균 2회를 기준으로 하되, 댐 특성에 따라 보링공의 개수를 조정하였다.

 

시추조사

무수보링 시추

본 연구에서는 댐 현장의 코어층 취약부를 직접 확인하기 위해 댐체의 위해성을 최소화하면서 시료의 샘플을 극대화 할 수 있는 무수보링 시추를 수행하였다. 일반적인 회전 수세식 시추 방식은 작업수를 사용하므로 작업수에 의한 코어층의 변형, 연화(softening), 코어재료 유실 등의 문제로 인한 댐 안전성을 저해할 수 있다는 단점이 있다. 특히 외관조사로는 발견이 불가능한 내적침식 등 건전하지 못한 코어층이 존재할 경우, 이러한 전통적인 수세식 시추조사는 시추공 주변 열화된 코어지반 층의 교란으로 회복불가능한 손상이 발생할 수 있다.

연구에서 적용한 무수보링은 일반적인 수세식 보링과는 달리 굴진 시 작업수를 쓰지 않는 보링방법을 의미한다. 무수보링 시추조사는 지반을 작업수로 교란시키지 않으므로 불교란 지반상태를 확인할 수 있으며, 작업수에 의한 주변 오염, 지반의 변형 등을 방지하고, 코어층 지반 전 구간의 샘플채취가 가능하다는 장점을 가진다. 이러한 무수보링 방식은 댐의 안정성 위해요인을 최소화 할 수 있는 반면 작업수를 사용하지 않으므로 굴진속도가 느리고, 단단한 지반이거나 전석이 분포하는 경우에는 굴진이 어려운 한계점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 댐의 시추심도를 고려하여 고출력 시추장비를 사용하여야 한다. 따라서 본 시추조사에서는 댐 체가 30 m 이내인 6개 댐은 일반 시추장비를, 그 이외의 7개 댐은 고출력 시추장비를 적용하여 시추 지반조사를 수행하였다. 시추장비의 제원은 Table 3에 나타내었다.

Table 3.Specifications of drilling equipment.

무수보링 시추 절차 및 코어재 회수

Fig. 1은 무수보링 시추 진행 순서도를 나타낸 모식도이다. 무수보링 시추조사는 굴진(drilling), 케이싱 설치(NX casing), 시료채취(sampling), 표준관입시험(SPT), 굴진(drilling)을 반복적으로 수행하였으며, 굴진 중 목적에 맞는 현장시험을 수행하였다.

Fig. 1.Flow chart of no-water borehole drilling and testing.

표준관입시험 수행 후 BX 케이싱을 싱글코어배럴(single core barrel)로 사용하여 직경 63 mm의 코어를 회수하였고, 코어배럴보다 큰 직경의 NX 케이싱을 삽입하여 코어배럴과 공벽의 마찰로 인한 시료회수의 어려움을 방지하였다. 또한 입경이 큰 자갈 또는 전석이 분포하여 시추공의 유지가 어렵거나, 굴진 심도가 깊어 케이싱측면에 가해지는 마찰력으로 인해 굴진에 어려움이 예상되는 경우에는 4인치 케이싱을 추가로 삽입하여 시추공의 유지 및 굴진 효율성을 증대시켰다. 본 연구에 적용된 케이싱의 제원은 다음 Table 4와 같다.

Table 4.Dimension of casings adopted in this study.

무수보링을 통해 제체상태의 확인 및 지반공학적 특성 분석을 위해서는 코어재의 회수가 매우 중요하다. 코어재는 싱글코어배럴(single core barrel) 및 표준관입시험 시료를 통한 교란시료와 신월튜브(thin wall tube)를 통한 불교란시료로 구분하여 채취하였으며, 코어재 회수방법은 Table 5와 같다. 다짐축조된 코어층의 연속적인 샘플링을 위해서는 배럴의 사이에 코어재 끼임 현상이 발생하는 더블코어배럴 또는 트리플코어배럴보다는 싱글코어배럴이 유리하였다. 불교란시료는 원지반 시료상태를 유지할 수 있도록 회수 직후 석고밀봉을 하였다. 코어재 회수는 제체상태의 확인과 지반공학적 특성 분석을 위해서 중요한 부분으로 회수된 시료는 육안 관찰을 통해 시추주상도에 상세히 기재하였고, 공학적 특성 파악을 위하여 실내시험에 활용하였다. 제체의 바닥고 확인을 위해 무수보링은 제체 바닥면에 타설된 콘크리트 또는 기반암 확인 후 종료하였다.

Table 5.Method of sampling core materials.

 

잠재 위해도 분류

필댐 코어재 특성

국내의 댐 설계기준(KWRA, 2011)에 따르면 필댐 코어재는 0.05 mm 이하의 입자를 15~20% 함유하는 입도배분이 좋은 점토, 실트, 모래, 자갈의 혼합물로서, 통일분류법(USCS)상 CL이 가장 적당하고, GC, SC, SM, CH, ML이 그 다음이며, OL, MH, OH는 부적당하다고 기술되어 있다. 국외 USACE (US Army Corps of Engineers, 미공병단)와 USBR (United States Bureau of Reclamation, 미개척국)의 기준에 따르면 코어재는 통일분류법상 CH, CL, ML, SC, GC, CL-ML이 적당하며, 0.075 mm (No. 200 sieve) 통과율이 25% 이상이어야 하며 최소 10~15%를 통과하여 야 한다고 기술하고 있다.

본 연구 대상 13개 댐의 코어재는 통일분류법상 대부분 CL로 분류되었고, 이외 CH, SC, SM으로 분류되어 기준을 만족하였으나, 0.05 mm 이하 입자의 함유율은 32.9~86.1%, 0.075 mm (No. 200 sieve) 통과율은 36.9~91.7%로 나타나 국내·외 댐 설계 기준보다 세립분의 함유율이 다소 높게 나타나는 것으로 검토되었다. 이는 우리나라의 지질 특성 상 코어재료로서 대부분 풍화잔류토를 사용하기 때문에 위와같이 세립분의 함유율이 다소 높은 특징을 보이는 것으로 판단된다(Kim et al, 2011).

Fig. 2.Procedure of no-water borehole drilling.

잠재 위해성 유형 분류

본 연구에 적용된 댐들은 상대적으로 현대식 장비와 시공법을 적용하여 다짐 축조되었으며, 유지관리 역시 양호한 상태이다. 중심코어형 사력댐 13개소에 대한 코어층 무수보링 지반조사 결과, 다양한 종류의 현장 및 실내실험 데이터 획득과 함께 샘플링 과정에서의 코어층 특성을 확인할 수 있었다. 특별히 UM 댐의 경우, 과거 댐 하류부에서 계측되던 침투수량의 급증과 댐마루 싱크홀 발견으로 여러차례 코어층의 컴팩션 그라우팅 및 침투 그라우팅을 시행한 바 있으며, AG 댐의 경우, 강우시 하류사면의 유실에 따른 대규모 코어층 침투 그라우팅 보강 이력이 존재하고 있어, 두 댐의 경우 보강공사 이후 열화의 진행 여부, 내부 상태 파악 등에 귀중한 점검의 기회가 되었다.

전반적으로 현장 댐의 외관조사에서 침투수의 외부 유출이 관찰되었다거나 두드러지게 변형이 진전된 댐은 발견되지 않았다. 금번 외관조사에서 과거 보강공사 이력이 있는 두 댐 역시 특별한 안전 위해 징후는 발견되지 않았다. 따라서 지반조사 전, 본 연구 대상 댐들의 전반적 안전성에 핵심적 역할을 하는 코어층과 필터층은 본래 의도한 기능을 하고 있는 것으로 가정되었다. 결과적으로 본 연구의 지반조사에서 발견되는 댐 코어층 위해성의 요소들은 내적으로 코어재의 열화 유형과 발달 양상을 판단하는 데에 매우 귀중한 정보가 될 수 있을 것으로 판단되어졌다.

코어층 지반조사 과정에서 관찰된 다양한 위해 요소들은 본 연구에서 네 가지 유형 -국부적 포화대, 신속한 공내수 유입, 조립질 코어재, 상대적 저 강성 - 으로 분류하였다(Table 6). 위해성 유형의 분류는 무수보링에 의한 코어 샘플링 육안관찰 결과, 전기비저항 탐사 결과 및 표준관입시험(SPT) 성과를 근거로 분류하였다. 보다 정량화된 강성 분포 파악을 위해 본 연구에서는 SPT 시험 성과에서 산출하는 N 값을 에너지 전달효율, 시추공 직경, 샘플러의 종류, 로드의 길이 등의 영향을 1차 보정하고, 깊이에 따른 구속압의 영향을 배제한 비교를 위해, 추가적인 2차 보정을 수행하여 정규화된 N값인 (N1)60을 구하였다(Idriss and Boulanger, 2008; Skempton, 1986).

Table 6.Potential hazard classification for the core layer of fill dams.

국부적 포화대 유형(locally fluidized core with high water content)은 회수된 연속적 코어재에 대해 국부적으로 고함수비의 액화 또는 액화에 가까운 열화가 진전된 상태로 고함수비의 코어재를 확인한 경우로 정의하였다. 이 유형은 유로의 발달에 기인한 내적침식의 가능성이 있으므로 상대적으로 대책이 시급한 위험 징후로 분류되었다.

반면에 신속한 공내수 유입 유형(rapid water inflow to borehole)은 코어의 강성은 양호하지만 무수보링으로 시료 채취 과정에서 공내수가 신속하게 유입이 되어, 슬라임 회수 시 공내수에 의한 고 함수비 상태를 지니는 경우이다. 이러한 공내수의 신속한 유입은 시추공 주변 지반에서 침투수에 의한 수두가 상대적으로 높게 형성되어 있어 정상침투 상태하에 있는 댐체의 침투수 유입이 활발한 경우 발생하게 되므로, 침투수두에 대한 유의 관찰이 필요한 것으로 분류되었다.

또한 조립질 코어재 유형(cores with granular materials)의 경우, 코어재의 입도 구성 상 상대적으로 모래와 자갈의 비율이 높거나, 또는 때때로 율석, 옥석의 암편도 포함하고 있는 경우로 정의하였다. 소정의 소성을 가진 세립분의 다짐 토사가 지배적으로 구성되는 것이 투수성 측면에서 중요한 댐 코어재에서 조립질 재료의 혼재 비율이 상대적으로 클 경우, 댐 저수위의 계절적 변화 또는 장기적 상승, 하강의 반복 시 침투수의 흐름을 보다 원활히 할 수 있으므로, 주의 관찰 또는 투수성 개선을 고려하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다. 조립질 혼재 코어 유형이 있는 댐에서 이러한 양상은 주로 댐의 상시만수위 부근에서 나타나는 경우가 지배적이었다.

마지막으로 상대적 저 강성 유형(relatively lower stiffness of core)은 특별한 이상 징후보다는 상대적으로 낮은 강성을 보이는 구간이 존재하는 댐으로서, 정량화를 위해 (N1)60 값이 8 이하인 경우로 정의하였다. 상대적으로 낮은 강성을 보이는 구간은 다짐이 충분치 않은 경우, 또는 장기간 댐 운영 시 침윤선 하부 침투수에 의한 열화가 진전된 경우에 발생 가능하므로 주의 관찰이 필요하다고 볼 수 있다.

Table 6에서는 연구대상 댐 코어재의 유해 유형 분류에 대한 설명과 해당되는 댐을 명시하였다. 특히 DB 댐의 경우에는 4가지 모든 유형의 잠재 위해성이 발견되어 상대적으로 제체 상태가 건전하지 않음을 확인할 수 있었다.

이러한 다양한 위해 유형에 대한 위해도(degree of hazard)를 정량화하기에는 아직 관련 연구가 미숙한 편이나, 확연하게 구분이 가능한 국부적 포화대는 내적침식과 관련하여 보수보강의 우선순위에 염두에 두어야 할 사항으로 분류하였다. 국부적 포화대를 제외한 세 가지 유형의 위해 요소들은 즉각적으로 댐의 안전성을 위협하지는 않지만 댐의 준공 이후 시간경과에 따라 추적 관찰이 필요한 것으로 분류하여 장기적인 관점에서 공학적인 판단과 모니터링의 계획 변경, 댐 보수보강의 우선순위를 배분하는 목적으로 제시하였다.

국부적 포화대

국부적 포화대 유형은 코어재가 국부적으로 열화에 의해 고함수비의 액화 상태를 보이는 것으로, DB 댐을 포함한 4개 댐에서 확인되었다. 코어재가 액화된 부위가 발달할수록 추후 누수경로의 진전으로 이어질 수 있으며 내적침식, 파이핑 등의 위해성을 표출할 수 있다. 이 경우 하류측 필터존의 역할이 세립분의 이탈 방지에 매우 중요한 역할을 하게 된다. 국부적인 열화 상태가 심각하다고 판단되는 경우에는 선제적인 예방 차원의 코어재 차수능 개선 보수보강이 필요할 수 있다.

Fig. 3은 국부적 포화대가 발견된 4개 댐에 대한 2D 전기비저항탐사 및 시추조사 결과를 나타낸다. Fig. 3(a)의 DB 댐은 전기비저항탐사 결과 심도에 따른 제체 비저항 분포의 상당한 분균질성을 보여준다. 특히 좌안으로부터 120~170 m 구간은 상대적으로 낮은 전기비저항대 영역이 깊숙이 분포하고 있다. Fig. 3(b)의 YC 댐은 좌안으로부터 55~90 m 구간에 저비저항값을 보이는 이상대가 관찰되었다. Fig. 3(c)의 AG 댐은 전기비저항 값의 분포범위가 20~350 ohm-m로 타 댐에 비하여 상당히 낮은 대역대를 보이는데, 이는 과거 코어층의 대규모 그라우팅으로 인한 영향으로 판단된다. Fig. 3(d)의 GP 댐은 좌안으로부터 50~70 m 구간에서 저 비저항대가 심도 50 m까지 분포하나, 상대적으로 댐축 길이가 높이에 비해 짧은 지형적 효과 상 과거 계곡 중앙부로 판단되며 도수터널 및 계측센서가 위치하고 있어 해석시 주의가 요구된다.

Fig. 3.Results of 2D electrical resistivity survey and borehole logging.

그러나 3차원적 기하구조와 침윤선의 영향, 그리고 전하를 띠는 코어층의 존재 등 복잡한 영향인자들로 인해 코어형 필댐에서 전기비저항 탐사의 신뢰성과 유용성은 아직 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 따라서 전기비저항 탐사 결과만으로 복잡다단한 필댐 코어층의 취약부를 판단하는 것은 한계가 있으므로, 의심되는 구간을 선정하여 시추지반조사를 수행하는 것은 검증 차원에서 매우 중요한 보완책이 된다.

전기비저항탐사 결과를 통해 저 비저항대로 판단되는 구간을 기준으로 무수보링 시추를 수행한 결과, Fig. 3과 같이 국부적 포화대 또는 액화 코어층을 발견할 수 있었다. Fig. 4는 무수보링 시추시 발견된 포화대 코어 시료 상태를 보여준다. Fig. 4로부터 코어재가 침투수에 의해 열화된 정도가 댐별로 다름을 알 수 있으며, 본 연구대상 댐에서는 국부적으로 액화된 양상을 보이는 DB 댐의 경우가 위해도 등급이 가장 높은 것으로 판단되었다. GP 댐의 경우에는 상대적으로 코어재의 포화된 정도가 네 댐 중 가장 덜 심각하였으며, 취약 코어재의 내부 시편은 어느 정도 강성을 유지하였다.

Fig. 4.Samples of core material with high water content.

이러한 성과와 별도로, 2D 전기비저항탐사 성과를 보완하고 잠재적 취약부의 공간적 분포를 거시적으로 파악하기 위하여 3D 전기비저항탐사를 DB 댐과 YC 댐에 수행하였다. Fig. 5는 DB 댐과 YC 댐에 대한 3D 전기비저항탐사 결과의 공간적 분포를 저비저항대 영역만을 도출하여 나타낸 그림이다. Fig. 5(c)는 DB 댐에 대하여 100 ohm-m 이하의 저비저항대를 등전기비저항 값으로 도시한 결과이다. 그림에서 우안측 저비저항대는 중앙부와 하류측까지 발달하는 것으로 나타났으며, 좌안측 저비저항대는 하류측으로 발달하려 하고 있으나 다소 제한적으로 형성되어 있다. YC 댐의 경우는 Fig. 5(d)에 보인 것처럼, DB 댐보다는 저비저항대의 공간적 분포가 제한적으로 나타났으며, 하류측까지 확장은 아직 억제되어 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5.3D electrical resistivity survey of the DB and YC dams.

시추조사에서 얻어진 시료에 대한 실내 토질실험 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)는 샘플 코어재에 대한 median 평균과 분포범위(median ± 표준편차, s)를 나타내었으며, Fig. 6(b)는 각 시료에 대한 소성도 분포를 나타냈다. 주목할만한 점은 DB 댐과 GP 댐의 경우 코어재 함수비가 전체 평균 함수비 23.9%보다 높은 30.6%, 41.2%를 보였으며, 대부분 전체 median 평균보다 위에 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 일부 코어재는 소성지수가 전체평균 16%보다 높은 30% 이상의 고소성을 보이는 시료가 확인이 되었으며, 특히 GP댐의 코어재는 소성지수가 50%로 상당히 높게 나타났다. 이들은 액성한계가 50% 이상으로 압축성과 소성이 큰 코어재로 판단된다. 국부적 포화대 유형은 유로의 성장 및 발달에 의한 내적침식 가능성이 존재하므로 가장 위험한 경우로 분류될 수 있다.

Fig. 6.Laboratory test results.

신속한 공내수 유입

채취한 코어재는 강성과 다짐정도 측면에서 양호하지만 무수보링 시추 과정에서 신속한 공내수의 유입이 확인 된 유형은 DB 댐을 포함하여 5개 댐에서 발견되었다.

Fig. 7(a)는 GP 댐의 굴진 모식도로 GL. -24.0 m~24.7 m 구간에서 공내수가 확인이 되었으며, 공내수 사진은 Fig. 7(b)와 같다. 시추공 내로의 침투수 유입 현상은 정상적인 코어재 시료가 회수된 것으로 보아 시추로 인해 응력이 해방되면서 코어층 사이의 간극수가 유입되는 경우(Lee et al. 2015), 또는 보다 현실적인 원인으로서 시추공 주변의 비교적 높게 형성되어 있던 정상침투 상태에서 침투수가 수두차에 의해 유입되는 경우로 볼 수 있다. 후자의 경우, 시추공은 일종의 침투수두를 측정하는 피조미터 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다. 신속한 공내수의 유입은 시추시 굴진 케이싱 또는 롯드를 들어올려 분리 회수할 때 확인할 수 있으며, 고함수비 상태로 올라오는 슬라임에서도 확인이 가능하다(Fig. 7(c)).

Fig. 7.Rapid water inflow to borehole at the GP dam.

이러한 현상은 댐에 즉각적인 위해를 가하진 않지만 댐제체 내부 침투수의 흐름에 있어 급작스런 변화가 있는지에 대해 관심을 갖고 모니터링을 강화할 필요가 있을 것으로 판단된다.

조립질 혼재 코어

모래 및 자갈 등 조립질 재료를 상대적으로 많이 함유하고 있는 코어재는 장기적인 댐 운영 조건하에서 투수성에 문제를 일으킬 수 있으므로 중요한 위해 유형이다. 본 연구에서 조립질 혼재 코어재는 DB 댐을 포함하여 4개 댐에서 관찰되었다. 금번 13개 기존댐의 코어재는 통일분류법(USCS)으로 CL (lean clay)이 우세하였으며, 그 이외에 CH (fat clay), SC (clayey sand), SM (silty sand) 등으로 분류되어 댐 설계기준(KWRA, 2011)의 코어재 조건을 대체로 만족하였다. 하지만 PL 댐과 SW 댐에서는 점성 세립분 코어재료는 존재하나 조립질이 우세한 구간이 다수 분포하여 비트가 마모될 정도의 사석이 존재하는 구간도 일부 확인되었다. 무수보링은 냉각수 역할을 병행하는 작업수를 이용하지 않으므로, 사석층과 같은 단단한 암반층이 코어층에 존재할 경우 굴진 과정에서 발생하는 과다한 마찰열로 인해 굴진이 불가능한 경우가 있다.

Fig. 8은 PL 댐과 SO 댐에서 관찰된 조립질 코어재 및 사석 시편을 나타낸 것이다. PL 댐의 경우 자갈 및 율석의 함유량이 국부적으로 많은 부위가 발견되었고(Fig. 8(a)), SO 댐의 경우에는 비트를 마모시키는 큰 사석 암편이 다량 포함되어 있었다(Fig. 8(b) and 8(d)). DB 댐의 경우, 댐마루에서 댐축방향으로 길이 3 m, 폭 1.3 m의 시험용 트렌치를 굴착하였으며 Fig. 8(c)에 보인바와 같이 상당한 양의 암석이 상시만수위 근처 심도에 존재하였다.

Fig. 8.Core samples containing granular material.

조립질 코어 위해 유형은 댐의 열화에 따른 결과라기보다는 시공시 코어재를 구하기 어려운 조건이었거나, 품질관리의 부주의 또는 시공 불량에 기인하는 결과이다. 그러나 조립질의 코어층은 저수위의 상승과 하강을 반복하는 장기 침투수의 흐름에 의해 상대적으로 큰 간극으로 인해 코어의 차수성에 문제를 일으킬 수 있으므로 침투수에 의한 열화를 촉진할 수 있을 것으로 판단된다.

상대적 저 강성(low stiffness)

표준관입시험을 통해 획득한 (N1)60 값이 8 이하의 상대적으로 연약한 코어재 구간이 존재하는 상대적 저 강성(low stiffness) 위해 유형은 DB 댐을 포함하여 6개 댐에서 관찰되었다. 특히 YC 댐의 경우, 상대적 저 강성에 해당되는 코어층 구간이 다수 발견되었다. 본래 코어재는 최적함수비 보다 약간 습윤측으로 다져지는 코어층 축조 공법 상 매우 단단한 강성을 지니게 된다. 그러나 Fig. 9와 같이 상대적으로 저 강성 코어재 구간은 SPT N 값 이외에도 손가락으로 눌렀을 때 손쉽게 변형이 가능한 정도의 낮은 강성을 확인할 수 있다. 이러한 저 강성은 코어재의 차수능이 확보되는 수준에서 즉각적인 문제를 발생시키지는 않을 수 있으나, 장기적으로 침투수의 흐름에 의한 열화에 민감하게 반응할 수 있으므로 강화된 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 9.Core samples of relatively low stiffness from YC dam.

Fig. 10은 상대적으로 연약한 코어 구간이 존재하는 DB 댐과 건전한 다른 댐들을 비교한 그림이다. 전체 13개 댐 코어에 대한 SPT (N1)60 median 평균은 14이며 분포범위 상한(upper bound, M+ 1σ)은 21, 하한(lower bound, M - 1σ)은 7에 해당하였다. 여기서 (N1)60 분포 통계 분석시, 댐마루 상부 매립층의 영향으로 표층부 (N1)60 값이 과다하게 산출되는 영향을 배제하고 순수하게 코어층에 대한 분포를 파악하기 위해 상부 3 m 토층의 (N1)60 값들은 일괄적으로 제외하고 분석하였다. Fig. 9에서 DB 댐은 (N1)60 값이 하한 범위인 7 내외의 낮은 값을 보이며, 특히 DB 댐의 경우에는 7보다 적은 (N1)60 값을 보이는 구간이 상당히 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 반대로 건전한 댐에 속하는 YCN 댐 및 SY 댐의 경우, 20 내외의 높은 (N1)60 값을 보여 견고한 코어재 양상을 나타내고 있다.

Fig. 10.SPT result and comparison of (N1)60 values for existing earth core layers. (a) (N1)60 profiles for all boreholes of studied dams, (b) (N1)60 profiles for characteristic dams of DB, YCN, and SY dams.

 

토 의

코어형 필댐의 노후화(aging)를 준공 후 경과년수로 정의하는 경우(예를 들어 30년 이상 경과된 댐을 노후댐으로 분류), 노후댐의 열화 가능성은 일반적 관념상 열화의 상대적 비율이 높아야 할 것이다. 그러나 본 연구를 통해 댐의 경과년수가 오래 되었다는 것과 댐 코어재의 위해성 또는 열화 가능성과는 큰 상관성이 없음을 확인할 수 있었다. Table 7은 2015년을 기준으로 댐 준공 이후 경과 년수와 댐별 위해 유형을 정리한 표이다. 본 위해성 유형 분류 연구 결과에서 알 수 있듯이 복합적인 코어재 위해 유형이 확인된 DB 댐의 준공 후 경과년수는 26년인데 반해, 건전한 댐으로 분류되는 SY 댐의 경과년수는 51년에 달하고 있다. 또한 GP 댐(10년)과 SA 댐(52년)의 경우에도 유사한 대조성을 확인할 수 있다.

Table 7.Potential hazard classification for aging cored fill dams.

본 연구에서 댐 코어층에서의 잠재 유해성 유형이 건설 당시 댐의 시공 불량에서 기인하는지, 아니면 시간의 흐름에 따른 제체 내 취약부의 열화에 기인하는지는 분명하지 않다. 그러나 어떠한 원인이든지, 코어 차수층 취약부에서 침투수의 흐름에 의해 장기적으로 열화 현상이 가속화된 것으로 판단된다.

열화의 위해도 등급을 판단하는 것은 아직 충분한 연구가 미진한 실정이나, 본 연구에서 제시한 위해성 유형으로 볼 때, 국부적인 포화대 코어 유형은 취약부 유로 생성의 개연성에 따른 내적침식 가능성이 현저하고 차수능을 국부적으로 저하시켜 댐의 안전성을 저하시킬 수 있으므로, 시급한 보수보강을 우선적으로 필요로 하는 유형으로 판단된다. 그러나 이러한 국부적 포화대가 발견된 DB, AG, GP, YC 댐의 열화 상태는 각각 차이가 있다. 즉 DB 댐의 포화대 구간은 코어재가 거의 액화된 상태로 발견되어 그 위해성 정도가 심하였으나, GP 댐의 경우에는 코어의 중심부는 어느정도 강성을 유지하는 무른 정도의 포화대 유형에 속하였다. 따라서 위해도를 정량화하는 것은 무리가 있으며, 현장 육안조사를 통한 공학적 판단이 여전히 중요함을 알 수 있다.

위해성 유형 분류 성과를 바탕으로 상대적으로 댐체의 건전성에 직접 위해를 가할 수 있을 것으로 우선 분류된 댐들은 제체 성능개선 공사를 선제적으로 수행하기에 이르렀다. 상대적으로 국부적 포화대의 위해 정도가 높은 편이었던 DB 댐과 YC 댐은 후에 선제적인 차수능 재확보와 능동적인 안전성 향상을 위해 심벽재 저압 침투 그라우팅(permeation grouting)을 성공적으로 시행하였다.

국부적 포화대 외의 잠재 위해성 유형, 즉 신속한 공내수 유입, 조립질 혼재 코어, 상대적 저 강성 코어 유형은 즉각적인 위험 징후를 나타내지 않는다는 점에서 보다 덜 시급한 위해도로 분류하였으나, 장기적인 안목에서 지속적인 모니터링 또는 정기조사 강화를 필요로 하는 사안으로 판단된다.

 

결 론

본 연구에서는 노후화가 진행중인(준공 후 경과년수 9–52년) 13개 기존 코어형 필댐에 대해(높이 22–67 m) 무수보링에 의한 코어층 시추 지반조사와 표준관입시험, 전기비저항탐사, 물성·역학시험을 수행하여 공학적 기반의 잠재적 위해성 유형을 국내 최초로 분류, 제시하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

중심코어의 상태 확인을 위해 고출력의 무수보링을 시행함으로서 댐 코어재의 시추조사 시 위해성을 최소화하고 연속적인 코어 샘플을 확보할 수 있었다. 댐체 내부 코어층의 건전성을 모르는 상태에서 무수보링 샘플링은 각종 위해 유형을 육안 확인하는 데에 유효하였으며, 본 논문에서 소개 된 필댐 직접조사 기법은 향후 코어층 조사 시 유용할 것으로 판단된다.

중심코어층에 대한 무수보링 시추 지반조사 결과, 국내 최초로 코어재 잠재 위해성 유형을 네 가지로 분류하였다. 잠재 위해성 유형은 국부적 포화대, 신속한 공내수 유입, 조립질 혼재 코어재, 상대적 저 강성으로 나뉘어졌다.

코어형 필댐의 잠재 위해성 유형 중 국부적 포화대 유형은 코어존 내 유로의 성장 및 발달에 의한 내적침식의 가능성이 존재하므로 가장 위험한 위해성으로 분류되었으며, 코어재의 열화 등급에 따라 적절한 차수능 회복을 위한 보수보강이 필요한 것으로 판단되었다. 그 외 세 가지 위해성 유형은 즉각적인 조치보다는 지속적인 모니터링과 정기 검사의 강화가 필요할 것으로 검토되었다.

본 연구대상 댐의 분석 결과, 준공 후 경과년수와 댐 코어재의 열화 양상과는 상관성이 크게 없는 것으로 나타났다.

잠재 위해성이 발견된 댐들은 단기간 내에 댐 파괴 및 붕괴의 위험성을 나타내진 않지만, 적절한 조치와 댐 안전 모니터링에 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 코어형 필댐의 노후화에 따른 댐의 안전관리와 성능 개선에 있어 유용한 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

본 연구는 국토교통과학기술진흥원 물관리연구사업「극한 수재해 대응을 위한 노후 수리시설물 성능개선 기술 연구과제(15AWMP-C104626-01)」및 K-water 연구과제,「댐 성능개선을 위한 aging 댐체 건전성 진단 연구(2014-2016)」의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.