1. 서 론

차수기능을 댐 상류표면의 콘크리트 슬래브에 의해 확보하는 형식의 록필댐을 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐(concrete faced rockfill dam, CFRD)이라 칭하고, 용어가 길기 때문에 짧게 하여 CFRD로 표기하는 것이 일반적이다. 반면, 제체 중앙에 점토 코아로 차수기능을 갖는 형식의 록필댐을 중심코아형 록필댐(earth core rockfill dam, ECRD) 또는 사력댐이라 부른다.

CFRD는 유사 형식의 사력댐에 비해 록필(석괴 또는 암석)로 제체가 구축되므로 안정하고, 제체 단면이 작고, 시공 중 기후 조건의

영향을 작게 받는다. 또, 누수가 제체의 안정성에 미치는 영향이 미미하고, 내진에 강하고, 공사기간이 짧고, 경제적인 이점 등으로 인해 세계적으로 널리 보급되고 있다(Hacelas et al., 1987; Khalid et al., 1990; Massiéra and Hammamji, 2007; Materón et al., 2008; Sherard and Cooke, 1987; Uddin and Gazetas, 1995; Xing et al., 2006). 1987년부터 2007년까지 20년 동안 높이 50m이상의 CFRD가 전 세계적으로 390개가 건설되었다(Materón et al., 2008). 국내의 경우는 1985년도에 동복 CFRD가 국내 최초로 준공 된 후, 17개가 건설되었다. 이들의 대부분은 2000년 대 초에 준공되었다. Table 1은 1971년 높이가 110m인 Cethana댐이 준공된 이후로 높이의 관점에서 정리한 CFRD의 발달과정을 나타내고 있다(Materón, 2007). 현재 세계에서 가장 높은 CFRD은 중국의 Shuibuya로 높이는 233m이다.

Cooke and Sherard (1987)가 사례분석을 통해 발표한 두 편의 논문(Concrete face rockfill dams Ⅰ. Assessment and concrete face rockfill dam: Ⅱ. Design)은 CFRD의 설계와 시공에 관한 기본 지침서로 활용되고 있다. 이 두 편의 논문이 발표된 후 CFRD는 급속하게 확대 및 보급되었으며 현재까지 설계 및 시공의 지침서로 유용하게 활용되고 있다.

Fitzpatrick et al. (1985)은 Eqs. (1) and (2)에 나타낸 시공 중 변형계수와 담수 중 변형계수를 이용하여 제체의 변형 거동을 간단하게 예측하는 방법을 제안하였다.

 (1)

 (2)

여기서,    : 시공 중 변형계수(MPa),

      : 담수 중 변형계수(MPa),

       : 록필의 단위중량(kN/m³),

     H : 침하대상 층위의 성토고(m),

      : 침하대상 층의 두께(m),

      : 침하대상층에서 침하량(mm),

      : 물의 단위중량(kN/m³),

     h  : 저수위면으로부터 임의의 깊이(m)

      : 임의의 깊이 h에서 콘크리트 슬래브부터 기초암반까지의 법선 거리(m)

      : 임의의 깊이 h에서 콘크리트 슬래브의 굴절(mm)

담수 중 변형계수()는 최초담수 중 콘크리트 슬래브의 변형 예측에만 사용되는 변형계수이다(Fitzpatrick et al., 1985). Hunter와 Fell (2003)에 의하면 담수 중 변형계수()는 시공 중 변형계수 ()보다 1~3배 정도 크고, 전반적으로 2.5배 정도 큰 것으로 보고하고 있다. Eq. (1)을 이용하여 시공 중 제체 내부 침하량을 예측할 경우 최대 침하량은 항상 제체 높이의 중앙에 위치하게 된다. Hunter and Fell (2003)은 35개의 CFRD 사례분석을 통해 록필의 입도분포 및 다짐방법, 암의 일축압축강도, 적용된 수직응력과 계곡형태(Valley shape) 효과, 그리고 상류사면의 기울기 등을 고려하여 시공 중과 담수 중 변형계수를 구하는 방법을 제안하였다. Eqs. (1) and (2)는 제체 중앙에서의 수직변형과 최초 담수 중 콘크리트 슬래브의 변형 거동 예측에 활용되고 있다.

Clements (1984), Sherard and Cooke (1987), Hunter and Fell (2003), 그리고 Hunter et al. (2003)은 댐 높이에 대한 장기 정부 침하비를 이용하여 준공 후 장기 댐 정부 침하량을 예측하는 방법을 제안하였다.

다수의 연구자들(Amaya and Marulanda, 1985; Arrau et al., 1985; Hunter, 2003; Leps et al., 1985; Millet et al., 1985; Sherard and Cooke, 1987)에 의하면 CFRD의 제체와 슬래브에서의 대부분의 변형은 최초 담수기간에 발생하고, 최대 누수량 또한 초기 담수기간에 나타난다. 그리고 누수의 주요 원인은 담수하중으로 인한 콘크리트 슬래브의 변형과 균열, 수직이음부와 주변이음부의 변형, 그리고 제체 좌우 양안 경계면에서의 변형 등에 의한 것으로 보고하고 있다.

2003년부터 2006년 기간에 4개의 대댐(Barra Grande (185m- Brazil), Campos Novos (202m-Brazil), Mohale (145m-Lesotho), Tianshenqiao 1 (178m-China))에서 초기 담수 중 갑작스럽게 발생된 콘크리트 슬래브의 파괴는 CFRD 전문가들을 놀라게 하였으며, 콘크리트 슬래브의 파괴로 인해 1000l/sec이상의 누수량이 발생하였다. 그럼에도 댐 제체는 안정하였고, 피해 복구 후 누수량도 안정되어 모두 정상적으로 가동 중 이다(Materón et al., 2008). 최근에 건설된 이들 CFRD 대댐에서의 초기 담수 중 갑작스런 콘크리트 슬래브의 파괴는 파괴를 예측할 수 있는 새로운 계측 시스템의 도입과 슬래브의 거동에 대한 관심이 날로 커지고 있다. CFRD의 설계는 이론보다는 데이터 자료와 경험에 의존하는 경향이 있다. 댐 관련 자료는 제한적이고 특정한 부분에 국한 되는 경향이 있다.

위와 같은 배경 아래 본 논문에서는 두 개의 CFRDs에서 계측된 데이터를 중심으로 초기 담수 중 슬래브의 거동 특성과 누수량에 대해 분석하여 향후 CFRD의 확대, 보급 및 설계와 유지관리에 기여하고자 한다.

2. A와 B CFRD 일반 현황

초기담수 중 슬래브 거동 분석에 활용된 CFRD는 높이가 90m와 62m인 대댐으로 주요 제원은 Table 2와 같다. A와 B CFRD 기초의 주 암반은 각각 녹색사암과 화강암이고, 사용된 록필 재료의 평균일축압축강도는 각각 163MPa과 107MPa이다.

Table 3 and Fig. 1은 A와 B CFRD 제체 단면의 구성과 다짐방법 등을 나타내고 있다. A와 B CFRD 단면의 구성과 다짐방법은 같고, 상․하류 사면의 경사는 1:1.4이다. Table 4, Figs. 2 and 3은 A와 B CFRD의 상류사면 콘크리트 슬래브에 설치된 주요 계측기기와 위치를 나타내고 있다.

본 연구에서는 이 들 콘크리트 슬래브에 설치된 변형률계(cluster strain gauge)와 수직이음부 수평변위측정계(face slab jointmeter) 그리고 주변이음부 변위측정계(perimetric joint meter) 등에서 계측된 데이터를 중심으로 초기담수 중 슬래브와 누수량의 거동 특성을 규명하고자 한다.

3. 콘크리트 슬래브 거동 분석

3.1 콘크리트 슬래브의 변형률

외부 응력 및 온도 변화 등에 의한 콘크리트 슬래브의 변형률을 측정하기 위한 변형률계는 변형률 측정계 3개가 하나의 조로 매설되어 수직, 수평, 대각방향의 슬래브 변형률을 측정하도록 되어있다. A와 B CFRD에 매설된 변형률 측정계는 진동현식으로 측정범위는 3,000㎲이다.

Fig. 4에서 Fig. 7은 A와 B CFRD에서 계측된 변형률의 경시변화를 나타내고 있다. 이들 그림 범례에서 V, D, H는 변형률 측정계의 계측방향으로 각각 슬래브 면과 평행, 대각, 직각 방향을 의미한다(Fig. 4와 6참조). A CFRD의 경우 설치된 8개조는 모두 Fig. 4와 유사한 거동을 나타내고 일부 변형률 측정계에서 반복적으로 큰 값의 인장과 수축방향의 변형률을 나타내는 신뢰성이 작은 데이터를 제외할 경우, 각각의 변형률 측정계에 의해 계측된 변형률은 -150~150㎲범위에서 계절의 변화에 따른 온도 차에 의해 동절기에는 수축하고, 하절기에는 팽창하는 경향을 나타내고 있다. 또, 저수위 변화가 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타내고 있다.

B CFRD의 경우는 설치된 6개조 모두에서 Fig. 6과 유사한 -90~90㎲범위의 변형률을 나타내고 있다. 변형률 거동은 계절적인 온도변화의 영향을 받는 것으로 나타났다. A CFRD의 만수위(E.L 593.0m)와 저수위(E.L 546.5m) 차는 46.5m이고 B CFRD의 경우는 만수위(E.L 264.0m)와 저수위(E.L 247.9m) 차는 16.1m로 A CFRD의 수위차가 B CFRD 보다 약 3배 정도 크다. 상대적으로 댐 높이가 커 수위차가 큰 A CFRD에서의 변형률이 B CFRD 보다 전반적으로 60㎲큰 변형률을 나타내고 있어 댐 높이에 따른 담수하중이 클수록 변형률이 증가하는 경향을 나타내고 있다.

Table 5는 콘크리트 슬래브의 변형률을 분석하기 위해 사용된 댐의 기본 정보를 나타내고 있다. 슬래브의 두께는 0.47~0.87m로 높이에 비례하여 커지고, A와 B댐의 보강 철근양은 슬래브 체적의 0.4%로 Foz do areia댐과 같고, Cethana댐과 Winneke댐의 0.6%와 0.45%보다는 작다.

Casinader and Watt (1985)은 Winneke댐에서 약 5년 동안 계측된 최대 인장 및 압축변형은 200㎲과 500㎲이고, Fitzpatrick et al. (1986)에 의하면 Cethana댐에서 10년 동안 계측된 최대 압축변형은 400㎲, Foz do Areia댐의 경우는 665㎲의 최대 압축변형이 발생하였다. Fitzpatrick (1985)은 콘크리트 슬래브의 파괴 시 변형은 1,000~3,000㎲이고, 급속 파괴의 경우는 1,000㎲, 점진적인 파괴의 경우는 3,000㎲에 근접한 것으로 보고하고 있다.

본 연구대상 A와 B CFRD 슬래브에서 계측된 전반적인 변형률은 각각 ±150㎲와 ±90㎲ 범위 내로 나타내고 있어 상대적으로 안정적인 거동을 하는 것으로 판단된다.

3.2 수직이음부 수평변위

수직이음부 수평변위측정계는 콘크리트 슬래브의 수직이음부에서 수평방향의 변위를 측정하는 계측기기이다. 수평변위측정계는 수직이음부의 직각방향으로 이음부를 횡단하도록 설치한다. Figs. 2 and 3에 나타낸 바와 같이 A CFRD에는 8개, B CFRD에는 7개의 수직이음부 수평변위계를 설치하였다. 설치된 변위측정계는 진동현식으로 측정범위는 0~50mm(±25mm)이다.

Figs. 8 and 9는 A와 B CFRD에서 계측된 데이터의 경시변화를 나타내고 있다. A CFRD에서 수평변위계 JMA1~4는 EL. 580m, JMA5~8은 EL. 560m에 위치한다. 이들 수평변위계가 담수되기 전인 2005년 9월 1일부터 약 2006년 9월 20일까지 계측된 데이터는 0~9mm의 범위를 나타내고 있다. 이중 최대 9mm정도의 변위를 나타낸 JMA4와 JMA8을 예외적인 값으로 간주하면 변위는 0~0.5mm이고 전반적인 변위는 동절기인 2006년 1월에는 0.5mm, 하절기인 2006년 7월에는 0.0mm정도를 나타내고 있어 미미하지만 겨울에 수축형상으로 인해 수직이음부의 변위가 크게 발생한 것으로 판단된다. 수평변위계가 담수로 물에 잠긴 2006년 9월 20일 이후 변위는 0에서 ±4mm로 증가한 후 JMA5를 제외하고는 일정한 경향을 나타내고, JMA3와 6의 경우는 측정범위를 넘는 데이터를 나타내고 있다. 전반적으로 담수하중으로 인해 수직이음부의 수평변위는 증가하는 경향을 나타내고 있다. A CFRD 슬래브의 경우는 온도하중보다는 담수하중으로 인해 수직이음부의 수평변위가 증가하는 경향을 나타내고 있다.

B CFRD의 경우 수평변위계 JMB1~5는 EL. 250m, JMB6~7는 EL. 230m에 위치한다. B CFRD의 경우는 수평변위계의 계측과 거의 동시에 담수가 진행되었다. 계측은 2004년 7월 1일부터 시작되고, 담수는 2004년 7월 5일 부터 시작되어 2004년 7월 10일 경에 JMB6~7가 설치된 EL. 230m까지 저수위가 저장되고 계속 진행되어 2004년 10월 4일부터 EL. 248m의 저수위를 2005년 7월 8일까지 유지한 후 2005년 7월 20일 경에는 JMB1~5가 매설된 EL. 250m까지 담수되고 2006년 8월 29일에 만수위(EL. 264m)에 근접한 EL. 263m까지 담수되었다. JMB6는 담수 초기에 -4mm까지 증가한 후 저수위와 관계없이 -3~-4mm, JMB2는 저수위와 관계없이 0~1mm 범위의 변위를 나타내고 있다. JMB1, 3, 4, 7의 경우는 0~5mm의 범위의 변위에서 계절에 따라 겨울에는 증가하고 여름에는 감소하는 경향을 나타내고 있다. JMB1의 경우 2007년 7월 1일부터 2005년 3월 3일까지 0에서 3.357mm까지 증가한 후 2005년 6월 16일까지 0.771mm까지 감소하고 다시 2006년 3월 7일까지 5.821mm까지 증가하고 다시 2006년 9월 26일까지 1.393mm로 감소한 후 2007년 1월 30일까지 5.259mm증가한 후 감소하는 경향을 타나내고 있다. JMB1, 3, 4, 7 경우 수직이음부 수평변위는 담수하중보다는 계절적인 온도변화의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.

수직이음부 수평변위는 ±5mm 범위에서 미미하게 A CFRD의 경우는 담수하중의 영향을 크게 받고, B CFRD에서는 담수하중보다 계절적인 온도변화의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.

3.3 주변이음부 변위

CFRD의 상류사면인 콘크리트 슬래브와 프린스(plinth)의 연결부(주변이음부)에 대한 3차원 방향(벌어짐(O), 침하(S), 전단(T))의 변위를 측정하기 위해 3개의 변위측정계를 1개조로 설치하였다. 주변이음부 변위측정계는 Table 4, Figs. 2 and 3에 나타낸 바와 같이 A와 B CFRD에 각각 5개조를 설치하였다. A와 B CFRD에 매설된 변위계는 진동현식으로 100mm(=(±50mm))의 측정범위를 갖고 있다.

Figs. 10~13은 매설된 각각의 주변이음부 변위측정계로부터 계측된 경과시간에 따른 변위를 나타내고 있다. 이 들 그림의 범례에서 O는 벌어짐을 나타내고 +는 열림, -는 닫힘; S는 침하를 나타내고 +는 융기를, -는 침하; T는 전단변형을 나타내며 +는 왼쪽 방향, -는 오른쪽 방향을 각각 의미한다.

Figs. 10 and 11은 A CFRD에 대표적인 주변이음부 변위계 PJA5에서 계측된 변위의 경시변화와 5개조에서 계측된 3차원 방향 별 변위의 경시변화를 나타내고 있다. PJA5의 경우 초기 담수 전 변위는 -1mm정도 이고, 저수위가 변위계를 설치한 고도에 근접하여 높아지기 시작하면서 점증적으로 증가하고 있다. 2006년 6월 1일부터 2006년 10월 2일까지 4개월 간 저수위가 EL. 534.0m에서 EL. 586.3m로 52.3m증가하면서 변위는 0~-2mm에서 -15~20mm로 급격하게 증가하고 있다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이, 나머지 주변이음부 변위계에서도 PJA5와 유사한 거동을 나타내고 있다. 주변이음부 변위계의 설치된 고도가 EL. 514.02m와 EL. 507.97m로 상대적으로 낮은 제체 중앙부 PJA3와 PJA4의 경우 변위는 각각 ±0.2mm와 0.1~-3.5mm범위를 나타내고 있다. PJA3와 PJA4보다 최소 18m이상 높게 설치된 좌우 양안부 PJA1, 2, 5에서의 변위는 ±20mm범위로 상대적으로 크게 나타나고 있다. 특히, EL. 532m 지점에서 설치된 PJA 2와 PJA5에서 큰 변위를 나타내고 있고, PJA2-O의 경우는 최대 -70mm로 계측범위를 벗어나는 값을 나타내고 있다. A CFRD에서의 주변이음부의 변위는 온도변화의 영향은 미미하고, 담수하중의 영향을 크게 받고 있으며 그 영향은 중앙보다는 좌우 양안쪽에서 상대적으로 크게 받는 것으로 나타났다.

Figs. 12 and 13은 B CFRD의 대표적인 주변이음부 변위계 PJB1에서 계측된 변위의 경시변화와 5개조에서 계측된 3차원 방향 별 변위의 경시변화를 나타내고 있다. PJB1의 경우 저수위가 증가하면서 변위가 점증적으로 증가하여 -0.5~4.5mm 범위의 변위를 나타내고 있다. B CFRD의 경우 변위계에서 계측된 변위는 일시적으로 예외적인 값도 있으나 전반적인 계측 데이터는 -1~5mm 범위 내에서의 거동을 나타내고 있다. EL. 210.0m로 가장 낮은 곳에 설치된 PJB2의 경우 계측 중 그 기능을 멈춘 PJB2-T를 제외한 변위는 0~0.5mm로 상대적으로 작은 값을 나타내고 있다. 전반적으로 좌우 양안에 해당되는 PJB1과 5에서의 변위가 크게 나타나고 있어 담수하중의 영향은 중앙보다는 좌우 양안에서 크게 받는 경향이 있는 것으로 판단된다.

주변이음부의 변형은 온도보다는 담수 하중의 영향을 크게 받고, 그 영향은 중앙보다는 좌우 양안에서 크게 받는 것으로 나타났다. 담수하중 작용 시 주변이음부의 중앙부는 인장과 압축하중을 받고 좌우 양안은 인장하중을 주로 받기 때문에 좌우 양안에서 상대적으로 큰 변위가 발생된 것으로 판단된다.

4. 누수량

다수의 연구자들(Amaya and Marulanda, 1985; Arrau et al., 1985; Hunter, 2003; Leps et al., 1985; Materón et al., 2008; Millet et al., 1985; Sherard and Cooke, 1987)은 CFRD에서의 누수는 주로 주변이음부, 콘크리트 슬래브의 균열, 양안부에서 프린스와 접합되는 부분에서의 균열 또는 틈 등을 통해서 발생하나, 누수가 제체의 안정성에 미치는 영향은 미미한 것으로 보고하고 있다. Materón et al. (2008)은 Barra Grande CFRD (185m-Brazil)와 Campos Novos CFRD (202m-Brazil)의 경우 초기 담수 기간에 1,000~1,500l/sec의 누수량이 발생하였으나 두 댐 모두 제체는 안정한 것으로 보고하고 있다. Freitas (2005)에 의하면 Ita CFRD (125m-Brazil)의 경우 초기 담수 기간에 1,732l/sec의 누수량이 발생하였으나 댐 제체는 안정한 것으로 보고하고 있다.

Won and Kim (2008)은 높이가 122m 이하인 CFRD의 경우 전반적인 누수량은 10l/sec이하의 거동을 나타내고, 댐 높이가 125m 이상인 경우는 45~160l/sec로 급격하게 커지는 경향이 있는 것으로 보고하고 있다. Freitas (2005)는 일반적인 CFRD에서의 누수량은 20~300l/sec범위 이고, 400l/sec이상인 경우 댐의 안정성에는 이상이 없으나 댐의 고유기능인 저수기능에 문제가 되고, 유지관리 비용이 증가하므로 대책이 필요한 것으로 보고하고 있다.

Figs. 14 and 15는 A와 B CFRD에서의 초기 담수기간 누수량 거동을 각각 나타내고 있다. 높이가 90m인 A CFRD의 경우 담수 초기 저수위가 E.L 223m에서 E.L 584m로 증가함에서 따라 누수량은 1~2l/sec에서 15l/sec로 급격하게 증가한 후 저수위의 높이에 따라 5~15l/sec의 범위의 누수량 거동을 나타내고 있다. 누수량의 거동은 좌우 양안에 위치한 주변이음부 변위계 PJA1, 2, 5에서의 변위 거동과 유사한 경향을 나타내고 있다. 따라서, 누수량의 증가 현상은 Figs. 10 and 11에 나타낸 바와 같이 주로 담수하중에 의한 좌우 양안에 위치한 주변이음부의 변위 증가에 기인된 것으로 판단된다. 높이가 62m인 B CFRD에서의 누수량 경우 담수 초기 1~43l/sec로 급 증감 후 저수위면의 높이에 관계없이 1.5l/sec정도의 일정한 값을 나타내고 있다. 초기 담수 직전 43l/sec의 누수량이 관측된 원인은 불분명하다. Hunter (2003)는 이러한 원인 모를 누수량 급 증가 현상은 담수초기에 주로 관측된다고 보고하고 있다.

저수위에 따른 담수하중 증가로 주변이음부의 변형이 상대적으로 크게 발생한 A CFRD에서 B CFRD보다 큰 누수량이 관측되고, 누수량의 증가는 주변이음부의 변형에 비례하여 증가하는 경향을 나타내고 있다. 따라서, 누수의 주요 원인은 담수하중으로 인한 주변이음부의 변형, 특히 제체 좌우 양안 주변이음부의 변형에 의한 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 CFRD의 초기담수 기간 계측된 데이터를 근거로 콘크리트 슬래브와 누수량의 거동을 분석하였다. 이로부터 도출한 주요 결론은 다음과 같다.

(1)콘크리트 슬래브의 변형률은 ±150㎲범위에서 미미하게 계절의 변화에 따른 온도 차에 의해 동절기에는 수축하고, 하절기에는 팽창하고, 저수위가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있는 것으로 나타났다.

(2)수직이음부 수평변위는 ±5mm 범위에서 미미하게 A CFRD의 경우는 담수하중의 영향을 크게 받고, B CFRD의 경우는 담수하중보다 계절적인 온도변화의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 댐 높이 차에 의한 담수하중의 영향에 의한 것으로 판단된다.

(3)주변이음부의 변형은 온도보다는 담수하중의 영향을 크게 받고, 그 영향은 중앙보다는 좌우 양안에서 크게 받는 것으로 나타났다. 담수하중 작용 시 주변이음부의 중앙부는 인장과 압축하중을 받고 좌우 양안은 인장하중을 주로 받기 때문에 상대적으로 좌우 양안에서의 변위가 크게 발생된 것으로 판단된다.

(4)누수량은 슬래브의 수직이음부 보다는 주변이음부의 변형과 담수하중의 영향을 크게 받고, 누수의 주요 원인은 담수하중으로 인한 주변이음부의 변형, 특히 제체 좌우 양안의 변형에 의한 것으로 나타났다.