† Infrastructure Construction Team, K-water Youngju Dam Construction Office (Corresponding Author : [email protected])
전기비저항 탐사와 무수보링을 이용한 국내 필 댐 코어존의 건전성 평가
Structural-Health Evaluation for Core Zones of Fill Dams in Korea using Electrical Resistivity Survey and No Water Boring Method
이 상 종†･ 임 희 대1)･ 박 동 순2)
Sangjong Lee ･ Heuidae Lim ･ Dongsoon Park
Received: May 12
th, 2015; Revised: May 18
th, 2015; Accepted: July 17
th, 2015
ABSTRACT : Electrical resistivity survey (2D and 3D) were employed for detection of possible weak zone of core zones of three central core earth-rockfill dams in Korea. In the 2D results, the core zones is lower resistivity zone with less than 50～400 ohm･m, and the basement is relatively higher resistivity zone with over 1,000 ohm ･m. In the 3D results, especially, the weak zone with under 100 ohm ･m was detected spatial distribution area in the dam. We also drilled boreholes to collect soil samples of core zones of each dam. Water was not used during boring, because water for rotary wash boring could cause structural damages in earth dams. We found that the soil samples of core zones from all of the boreholes correspond to CL (USCS), but we also found that the fluidized or water-saturated soil samples were found in lower resistivity zones. Therefore, the electrical resistivity survey and drilling method without water are a quick and efficient method for structural-health evaluation which is detection of possible weak zones in earth core rockfill dams.
Keywords : Earth core rock-fill dam, Core zone, Structure-health evaluation, Electrical resistivity, No water boring method
요 지 : 본 연구에서는 국내 3개 필 댐의 ECRD(Earth Core Rock-fill Dams) 댐체의 코어존에 대한 건전성 평가를 목적으로 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 2차원 전기비저항 탐사 결과, 대부분의 점토재로 축조된 코어존은 50～400ohm･m 이하의 저비저항대로 나타났으며, 그 하부의 기반암은 1,000ohm･m 이상의 고비저항대로 나타났다. 또한 3차원 전기비저항 탐사 결과에 의하면 코어존의 연약대로 판단되는 100ohm･m 이하의 저비저항대의 공간적인 분포영역을 확인할 수 있었다. 아울러 코어존의 토 질시료 특성을 파악하기 위하여 시추조사와 토질 실내시험을 수행하였다. 시추조사 시 굴착수에 의한 댐체 내의 구조적 훼손을 방지하기 위하여 무수보링 방법을 택하였다. 그 결과 저비저항대로 나타나는 코어존의 시료는 모두 통일분류상 CL에 해당되며, 일부 저비저항대에서는 함수비가 높은 포화상태의 시료가 관찰되었다. 이러한 결과를 통해 ECRD 댐체 코어존의 건전성 평가에 전기비저항 탐사와 무수보링의 적용성은 매우 효율적인 방법이라 판단된다.
주요어 : 필 댐, 코어존, 건전성 평가, 전기비저항, 시추조사
Journal of the Korean Geo-Environmental Society16(8): 21～35. (August, 2015) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2015.16.8.21
1. 서 론
국내 다수의 댐이 건설된 지 30년 이상 경과됨에 따라 자 중 및 외력 등에 의해서 구조가 취약해지고 성능이 저하되 는 댐의 노후화 문제가 최근 들어 이슈화되어, 댐체의 연약 대 파악 및 원인 규명을 위한 댐의 건전성 평가에 관심이 높아지고 있다.
기존에는 이러한 댐의 건전성 평가를 위해 외관조사, 계 측자료 분석 및 시추조사를 중심으로 파이핑 효과 및 균열 상태 파악을 위한 안전 진단이 실시되었다. Seo(2007)는 필 댐의 누수원인 분석 및 종합평가를 수행한 뒤 검사공에서 그라우팅 공법에 의한 보수보강에 대한 연구를 수행하였다.
또한 Lim & Lim(2008a, 2008b)는 필 댐의 내부침식과 파이 핑 메카니즘을 밝혔으며, 필 댐의 사고원인의 통계적 분석 과 파이핑의 중요성을 강조하였다. Kim(2011)에 의해 댐의 코어 재료에 대한 노후화 효과의 연구가 진행되면서 댐의 연약대 및 누수취약대 규명을 위한 조사 방법 중 댐체 손상 을 최소화할 수 있는 비파괴적인 방법에 대한 필요성이 대 두되었다. 특히 비파괴적인 방법으로 언급되는 물리탐사 방 법은 국내뿐만 아니라 국외에서도 댐에 대한 취약성 평가, 보강 후 점검 및 댐체 변화의 모니터링 기술 등으로 매우 폭넓게 적용되고 있다.
댐체에 적용 가능한 물리탐사 방법은 전기비저항 탐사 (Electrial resistivity survey), 탄성파 탐사(Seismic survey), 시
추공을 이용한 토모그래피 탐사(Borehole tomography), 전 자탐사(Electromagnetic survey) 그리고 레이더 탐사(Ground Penetrating Radar, GPR) 등으로 매우 다양하다. Kim et al.
(2007)은 전기비저항 탐사, CSMT(Controlled-Source Mag- netotelluric, CSMT) 탐사 및 탄성파 탐사 등을 댐체에 복합 적으로 적용하여 댐의 상태를 파악하였다. 그러나 이 연구 이외에는 전기비저항 탐사를 적용하는 연구가 대부분이다.
Chung et al.(1992)은 2차원 전기비저항 탐사를 이용한 사 력댐 누수 제당 구간 진단 수행을 통해 누수대 탐지에 전기 비저항 탐사가 효율적임을 입증하였다. Won & Song(1999) 과 Song et al.(2000)은 SP 탐사와 전기비저항 탐사를 이용 하여 댐의 누수구간을 탐지하였으며, Yi et al.(2000)이 2차 원 및 3차원 전기비저항 탐사를 이용하여 댐체 하부의 누수 조사를 영상화하였으며, Lim(2003)과 Kim(2004)은 물리탐 사 기법을 이용하여 사력댐의 안정성 분석 및 누수대를 파 악한 바 있다. Park et al.(2002)과 Park & Kim(2013)은 취 약대가 존재하는 제방 및 수변구조물의 누수탐지를 위한 전 기비저항 탐사의 적용성에 대한 연구를 수행하였다. 이렇게 댐체에서 누수탐지에 전기비저항 탐사가 많이 사용되는 것 은 ECRD 댐(Earth core rock fill dam)과 같이 댐체 내 중심 코어존(점토로 구성)의 안전성 파악에 매우 효과적이기 때 문이며, 최근에는 전기비저항 모니터링 기법을 사용하여 댐 체 전기비저항의 변화를 파악하는 연구가 진행되고 있다(Park et al., 2005; Kim et al., 2009; Ahn, 2010; Kim, 2013; Cho et al., 2013).
이상과 같이 국내에서는 수리 시설물의 누수탐지를 위해 전기비저항 탐사 및 모니터링 기술 개발 등 물리탐사 방법 을 적용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 국외에서도 국 제대댐회(ICOLD)와 같이 대규모의 학술발표회를 통해 다 양한 연구가 소개되고 있으며, 댐의 노후화에 의한 취약성 평가와 보강, 모니터링 기술(Kim et al., 2014) 개발이 전 세 계적으로 화두가 되고 있다.
본 연구에서는 국내 필 댐 코어존의 건전성을 평가하기 위하여 총 3개소의 용수 전용댐을 대상으로 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사를 적용하여 그 유용성을 검토하였다. 또한 시추조사(무수보링)를 통해 댐 코어재 시료를 직접 채취하 여 입도분석, 함수비, 비중, 소성 한계 등 흙의 기본 물성을 파악하여 코어존 축조재료의 특성을 파악하였다. 이러한 일 련의 연구과정을 통해 단일 방법이 아닌 2차원 및 3차원 전 기비저항 탐사, 무수보링 그리고 실내시험을 종합적으로 적 용하고 이를 비교･분석하여 댐체의 건전성 평가 방법을 종 합적으로 검토하고자 한다.
2. 연구대상 댐 현황
이 연구는 용수 전용댐의 댐체 건전성 평가를 목적으로 1990년도 이전에 준공된 3개의 ECRD 댐(A 댐, B 댐, C 댐) 을 대상으로 연구를 수행하였다. A 댐의 기반암은 셰일, 혼 펠스, 사암 및 이암 등의 퇴적암으로 구성된 대구층이며, 댐 의 높이는 42m, 댐 마루 길이는 300m, 댐 마루 폭은 10m 이다. B 댐의 기반암은 사암, 셰일, 이암, 역암 등의 퇴적층 으로 구성된 대구층이며, 댐의 높이는 46m, 댐 마루 길이는 300m, 댐 마루 폭은 9m이다. C 댐의 기반암은 좌안 방향으 로 우백질 화강암으로 구성되어 있으며, 우안 방향으로 편 마화강암으로 구성되어 있다. 댐의 높이는 55m, 댐 마루 길 이는 326m, 댐 마루 폭은 9m이다.
Fig. 1은 A, B, C 댐에 대한 표준단면도이다. 3개의 댐 모두 불투수성의 코어존이 댐 중앙에 위치하며, 그 주변에 는 모래와 자갈이 섞인 필터존 및 사석으로 구성되어 있다.
A 댐 코어존의 폭은 상부 4.0m에서 하부 10m의 폭이며, 높 이는 43.7m이다. 구성물질로는 불투수성 재료인 실트 섞인 점토가 주된 구성물질이며 모래 섞인 자갈이 일부 혼재되어 있다. B 댐 코어존의 폭은 상부 4m에서 하부 26.2m의 폭이 며, 높이는 46.4m이다. 구성물질로는 불투수성 재료인 모래 섞인 점토가 주된 구성물질이며 모래 섞인 자갈이 일부 혼 재되어 있다. C 댐 코어존의 폭은 상부 4m에서 하부 24.9m 의 폭이며, 높이는 55.6m이다. 구성물질로는 불투수성 재료 인 모래가 섞인 점토가 주된 구성물질이며 자갈 섞인 모래 가 일부 혼재되어 있다.
3. 코어존의 연약대 파악을 위한 2차원 전기비저항 탐사
3.1 2차원 전기비저항 탐사
전기비저항 탐사는 매질의 전기적인 물성 차이에 의한 전위차를 측정하여 겉보기 비저항을 구하고 이를 해석하여 지하의 지질구조, 파쇄대나 균열대, 지하수 등의 분포를 조 사하는 방법이다. 전기비저항 탐사는 한 쌍의 전류전극을 통하여 땅속으로 전류를 흘려보내고, 접지된 한 쌍의 전위 전극사이의 전위차를 측정하여 지하 매질의 전기비저항 변 화 양상을 탐지하고 해석함으로써 지하 내부의 층서구조, 연약대, 파쇄대, 지하수 등의 양상을 조사하는 물리탐사법 이다(Telford et al., 1990).
일반적으로 전기비저항값은 지반의 전기적인 성질에 관 계하는 물리량으로써 전기전도도의 역수이다. 그러나 전기
(a)
(b)
(c)
Fig. 1. Standard cross sections for the dams to be discussed in this study. (a) A dam, (b) B dam, (c) C dam. N.H.W.L. EL. stands for elevation of normal high water level
비저항은 암종, 파쇄대 및 균열에 의한 공극률, 포화도, 지 하수의 전기비저항, 온도, 풍화 및 변질에 따른 점토광물 함 유량에 의해 영향을 받는다(Archie, 1942; Bussian, 1983;
Telford et al., 1990; Park et al., 1999a; Park et al., 1999b;
Park, 2005).
점토질로 축적되어 있는 중심 코어존이 존재하는 ECRD 댐에서는 코어존의 분포양상과 연약대 파악에 이러한 전기 비저항 특성을 이용하는 전기비저항 탐사가 유용하므로 본 연구에서도 연구대상지의 댐 마루 중심에서 2차원 전기비저 항 탐사를 적용하였다. 본 연구에 사용된 전기비저항 탐사 장비는 SuperSting R8(AGI, USA)이며, 2차원 전기비저항 역해석 소프트웨어 프로그램은 국내에서 상용화 역해석 프
로그램으로 시판되고 있는 DIPRO for Windows(Heesong Geotek Co., Ltd., Korea)를 사용하였다.
Fig. 2는 연구대상지인 A, B 그리고 C 댐의 각 평면도에 2차원 전기비저항 탐사 측선과 시추조사 위치를 나타낸다.
댐체의 건전성 평가를 위한 2차원 전기비저항 탐사는 각 댐 의 높이, 댐 마루 길이 등을 고려하여 탐사 측선의 길이 및 측정간격 등을 설정하였으며, 현장답사를 통한 가로등 및 계측기의 위치를 고려하여 탐사위치와 전극배열 등을 설정 하였다.
Fig. 2(a)는 A 댐에서의 평면도와 2차원 전기비저항 탐사 측선을 나타낸다. 탐사의 측선길이와 측정간격은 각 250m 와 10m로 설정하였다. 전극배열은 분해능과 신호대 잡음비
(a) A dam
(b) B dam
(c) C dam
Fig. 2. Map view of the three dams. All of the maps are viewed toward the upstream direction for downstrem. Lines with squares and lines with circles represent the survey lines and position of electordes for 2D and 3D electrical resisitivity survey, respectively.
Locations of boreholes are also indicated
(Signal to noise ratio)를 고려하여 분해능이 우수한 쌍극자 배 열과 잡음에 민감하지 않은 변형된 단극배열을 병행하였다 (Kim et al., 2001; Cho et al., 2002). Fig. 2(b)는 B 댐에서의
평면도와 2차원 전기비저항 탐사 측선을 나타낸다. 측선길이 280m, 측정간격은 10m로 설정하였으며, 전극배열은 Fig. 2(a) 와 같이 쌍극자 배열과 변형된 단극배열을 병행하여 자료의
(a) A dam
(b) B dam
(c) C dam
Fig. 3. Results of 2D electrical resistivity survey for the three dams
신뢰도를 높이고자 하였다. Fig. 2(c)는 C 댐에서의 평면도와2차원 전기비저항 탐사 측선을 나타낸다. 측선길이 330m, 전 극간격은 10m로 설정하였으며, 전극배열은 다른 댐들과 동 일하게 쌍극자 배열과 변형된 단극배열을 병행하였다.
Fig. 3은 Fig. 2의 측선에서 수행한 각 댐들의 2차원 전기 비저항 탐사 결과이다. Fig. 3(a)는 A 댐의 중앙 마루에서 측정한 2차원 전기비저항 탐사 결과이다. 탐사 결과는 40～
24,000ohm･m의 전기비저항 분포를 나타내며, 심도별 전기
비저항 값은 10m 심도까지 약 200ohm･m의 전기비저항 값 의 변화를 보이고 있다. 수평적인 전기비저항 값의 변화는 적으며 심부로 갈수록 전기비저항 값이 대체적으로 증가하 는 형태를 보이고 있다. 댐체 내 중심점토의 전기비저항 값 은 200～400ohm･m의 범위로 판단되며, 수평적으로 전기비 저항 값이 큰 변화를 보이지 않고 있어 중심 코어는 비교적 양호한 것으로 예상된다. 기반암의 전기비저항은 1,000ohm･m 값 이상의 값으로 나타난다. Fig. 3(b)는 B 댐에서의 2차원
(a) (b)
Fig. 4. Results of 3D electrical resistivity survey for C dam. (a) color coding of blocks to represent the values for resistivity. (b) low resistivity blocks (less than 100 ohm･m) presumably representing “wet” regions
전기비저항 탐사 결과이다. 탐사 측선은 댐 마루 상류 측에 위치한 가로등 및 계측기를 고려하여 댐 마루 중앙(하류 측) 에서 수행하였다. 탐사 결과는 전기비저항 70～21,000ohm･m 의 전기비저항 분포를 나타내며, 기반암의 전기비저항은 1,000 ohm･m 이상으로 나타났다. 수평적인 전기비저항 값의 변화 는 적으나 좌안으로부터 125m와 185m 지점에서 100ohm･m 이하의 낮은 전기비저항 값이 분포하는데 이는 댐체 내에 설치된 지하수위 관측공의 영향으로 판단된다. 전반적으로 20m 심도까지 약 350ohm･m의 전기비저항 값의 변화를 보 이고 있으며, 이후 심도에서는 1,000ohm･m 값 이상의 값으 로 나타난다. Fig. 3(c)는 C 댐에서의 2차원 전기비저항 탐사 결과이다. 탐사 측선은 댐 마루 하류 측에 위치한 가로등 및 계측기를 고려하여 댐 마루 중앙(상류 측)에서 수행하였다.
탐사 결과는 45～25,000ohm･m의 전기비저항 분포를 나타내 며, 기반암에서는 1,000ohm･m 이상의 높은 전기비저항 분 포를 보이고 있다. 전반적으로 15m 심도까지 약 200ohm･m 의 전기비저항 값의 변화를 보이고 있으며, 이후 심도에서 는 1,000ohm･m 이상의 높은 전기비저항 분포를 보이고 있 다. 상대적으로 전기비저항 값이 낮은 구간으로 판단되는 저비저항대는 좌안으로부터 120～170m 지점으로 하부까 지 강하게 나타난다. 한편, 댐체 내 중심점토의 전기비저항 값은 50～300ohm･m의 범위로 판단된다.
3.2 C 댐 3차원 전기비저항 탐사
지반조사에서 통상적으로 사용되는 2차원 전기비저항 탐 사는 전기비저항이 수직 및 측선 방향으로만 변화하고, 측 선에 수직인 방향으로는 변화하지 않는다는 가정하에서 탐 사를 수행하고 해석하는 방법이다(Yi et al., 2000). 이에 반 해 3차원 탐사는 지하의 전기비저항이 임의의 방향으로 변
화할 수 있음을 상정하고 탐사를 수행하며 자료를 해석하는 방법이다. 따라서 2차원 전기비저항 탐사에서 파악하기 어 려운 연약대 및 누수취약대와 같은 저비저항대의 공간적인 분포양상을 파악하기에는 실제적인 지반구조를 제공하는 3 차원 전기비저항 탐사가 유용하다.
본 연구에서는 연구대상 댐에 대하여 2차원 전기비저항 탐사를 수행하여 수평적인 저비저항 이상대가 크게 나타나 는 C 댐에 대해 보다 공간적으로 연약대 분포를 파악하기 위하여 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. C 댐에서의 3차원 전기비저항 탐사는 종방향으로 댐 마루 2개 측선, 상 류･하류 비탈면 2개 측선, 하류 비탈면 접합부 1개 측선으 로 총 5개 측선에 대하여 탐사를 수행하였으며, 횡방향으로 댐마루 중앙부에 3개의 횡단측선을 수행하였다(Fig. 2 참조).
측정에 사용된 전극배열은 2차원 전기비저항 탐사와 동일 하게 쌍극자 배열 및 변형된 단극배열을 이용하였으며, 전 극간격은 댐 높이(55m)를 고려하여 10m, 전극전개수는 12 까지 측정하여 심부의 정보를 획득하고자 하였다. 또한 신 뢰도가 높은 역산결과를 도출하기 위하여 역산블록 설정은 측점 간격당 4개 이상의 모델링 요소를 분할하여 댐 축과 평행한 방향으로 34개, 횡방향으로 13개, 심도방향으로 6개 로 총 2,652개의 역산블록을 설정하였다.
본 연구에 사용된 전기비저항 탐사 장비는 2차원 전기비 저항 탐사를 수행하였던 SuperSting R8(AGI, USA)이며, 3 차원 전기비저항 역해석 소프트웨어 프로그램은 한국지질 자원연구원에서 개발한 DC3DPRO를 사용하였다.
Fig. 4는 C 댐에서 3차원 전기비저항 탐사를 수행한 결과 를 나타내었으며, Fig. 4(a)는 3차원 전기비저항 탐사 결과 의 전체 블록 이미지를 나타내며 Fig. 4(b)는 100ohm･m 이 하의 전기비저항 값만 도출한 결과이다. 젖은 실트질 및 사
Fig. 5. Drill logs for the boreholes for A dam (a), B dam (b and c) and C dam (d to f)
암질 토양(Wet to most silty & sandy soils)의 전기비저항값의 범위는 10～100ohm･m로 알려져있으며(Telford et al., 1990) 본 연구에서는 댐체 내의 젖은 실트질 및 사암질 토양 으로 채워진 구간을 파악하기 위한 기준값으로 100ohm･m 이하의 전기비저항 값을 이용하였다. 이러한 3차원 전기비 저항 탐사 결과에 의하면 100ohm･m 이하의 저비저항대 분 포는 좌안으로부터 245m 지점에서 보다 하류 방향으로 약 90m 폭으로 발달하는 특성을 보이고 있으며, 좌안으로부터 124m 지점의 저비저항대는 약 40m 폭으로 판단된다.
3.3 탐사 결과를 활용한 시추조사 위치 선정
Fig. 2와 Fig. 3과 같이 연구대상 댐체에 대해 코어존의 건전성 평가를 위해 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사를 수 행하였다. 이러한 탐사 결과들에 의해 파악된 저비저항 이 상대가 댐체 내에 발달한 연약대 또는 누수취약대와 일치하 는가를 확인하기 위하여 시추조사를 수행하고자 하였다. 시 추조사는 댐체의 지반정보 및 실내시험을 통한 여러 물성정 보를 정량적으로 획득이 가능하기 때문에 획득한 지반정보
와 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사 결과와 복합해석을 수 행함으로써 보다 정확한 댐체의 건전성 평가가 가능하다.
본 연구에서 수행한 시추조사(무수보링)는 각 연구대상 댐 의 마루에서 수행되었으며, 시추조사 위치 선정은 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사 결과를 검토하여 상대적으로 수평적 인 전기비저항 값의 변화가 큰 지점을 대상으로 선정하였다.
그 결과 A 댐의 시추조사 위치는 좌안으로부터 145m (ABH-1) 지점으로 선정하였으며, B 댐은 좌안으로부터 156.5 m(BBH-1)와 174.5m(BBH-2)지점으로 선정하였다. 그리고 C 댐의 시추조사 위치는 좌안으로부터 124m(CBH-1), 160m (CBH-2) 및 245m(CBH-3) 지점을 선정하였다.
4. 시추조사 및 실내 토질시험 분석
4.1 시추조사 분석
2차원 및 3차원 전기비저항 탐사 결과 누수취약대로 추 정되는 저비저항 이상대의 특성을 파악하기 위하여 연구대 상인 시추조사를 수행한 시추공은 A 댐에서 1개소, B 댐 2
Table 1. Results of boreholes tests for the dams
Dam Soil type(USCS)
Borehole No.
Depth
(GL.- m) Description N-value
A
GP ABH-01 0.0～3.0
･ Dark brown～Light gray
･ Gravel size (φ) < 8 cm
･ Medium dense, Moist
22/30
CL ABH-01 1.0～43.2
･ Dark brown～Light gray
･ Wiht gravel (φ < 5 cm)
･ Stiff～hard, Moist
13/30
～45/30
Concrete and bedrock ABH-01 43.2～43.5 ･ Cement concrete -
B
GP
BBH-01 0.0～1.15 ･ Dark brown～Dark gray
･ Gravel size (φ) < 8 cm
･ Medium dense, Dry～Moist
12/30
～18/30 BBH-02 0.0～1.0
CL
BBH-01 1.15～49.1 ･ Dark brown
･ Wiht gravel (φ < 3 cm)
･ Stiff～hard, Moist
12/30
～50/22 BBH-02 1.0～48.2
Concrete and bedrock BBH-01 49.1～49.2
･ Bedrock -
BBH-02 48.2～48.4
C
GP
CBH-01 0.0～3.0
･ Light gray～Dark gray
･ With gravel (φ < 10 cm)
･ Very dense, Moist
50/24
～50/3 CBH-02 0.0～3.0
CBH-02-1 0.0～1.0 CBH-03 0.0～2.0
CL
CBH-01 3.0～49.1 ･ Light brown～Dark brown, Dark gray
･ With gravel (φ < 5 cm)
･ Medium stiff～hard, Moist
･ Saturated fluidized clay zone : BH-01 (27.5～28.3 m), BH-02 (40.3～41.0 m)
･ Water presence recognized : BH-03 (39.0 m)
6/30
～50/29 CBH-02 3.0～50.0
CBH-03 2.0～48.45
Concrete and bedrock
CBH-01 49.1～49.3
･ Cement concrete CBH-02 50.0～50.2
CBH-03 48.45～49.0
개소 그리고 C 댐 3개소인 총 7개소이다. 굴진은 기초암반 이나 댐 기초부를 처리한 콘크리트가 확인되어 중심 코어재 전체를 굴진 하였다고 판단될 경우 종료하였다.
Fig. 5는 7개 시추공의 시추 주상도이며, 무수보링으로 확 인된 축조재료의 심도별 통일분류 결과와 특이사항은 Table 1에 정리하였다. 통상 시료채취 및 공내시험 목적의 시추는 작업수를 사용하는 회전 수세식 방식을 적용하나, 본 연구 에서는 작업수를 사용하지 않는 무수보링 방식의 시추조사 법을 적용하였다. 이는 작업수를 사용할 경우 작업수에 의 해 코어존의 변형, 코어재 축조재료의 유실 등이 발생하여 댐체 안전성을 저해할 우려가 있었기 때문이다. 이와 같이 무수보링 방식의 시추조사는 댐체 안전성 저해요인을 최소 화할 수 있는 장점이 있는 반면, 댐체와 롯드와의 마찰력을 해소하는 작업수를 사용하지 않기 때문에 코어존의 다짐도 가 높거나 코어존 내에 자갈 혹은 전석 등이 존재할 경우에 는 굴진 속도가 매우 느리거나 불가능한 단점이 있다. 무수 보링 시에는 싱글코어배럴로 교란된 코어재 시료를 연속적 으로 채취하였으며 채취된 코어재 시료는 ASTM D 2488:
09a(American Society for Testing and Materials D 2488:09a, 2009)에 따라 관찰 및 기재하였다.
모든 시추공의 코어 재료를 통일분류법(USCS)에 따라 분류한 결과 대부분 세립질 점토인 CL로 나타났으며, 댐 마 루와 홍수위 구간에서 SM 및 GP가 일부 발견되었다. 이는 정상적인 댐의 축조재료 특성을 나타내고 있으나 Fig. 5(d) 와 Fig. 5(f)와 같이 일부 구간에서는 세립질의 구간에서 조 립질 구간이 나타난다.
A 댐과 B 댐에서는 댐의 안정성에 관련된 특이사항은 파 악되지 않으나 C 댐의 시추공 CBH-01(G.L.-27.5～28.3m)과 CBH-02(G.L.-40.3～41.0m)에서 함수비가 매우 높은 포화 상 태의 코어재 시료가 나타나며, 시추공 CBH-03(GL.-39.0m) 에서는 굴진 종료 후 심도 39.0m에서 공내수가 확인되었다.
해당구간에서는 정상적인 코어재가 회수된 것으로 미루어 볼 때 이는 시추로 인해 응력이 해방되면서 층다짐한 코어 재 사이에 있던 간극수가 시추공 내로 유입됐기 때문으로 판단된다. 정상적인 코어재는 육안관찰 시 젖음 정도의 함수 비를 보였으며 무수보링 시 사용된 코어배럴 내에서 회수되
Fig. 6. Samples of the core material (GL.-20.6~28.3 m) in CBH-01, and fluidized soil present (GL.- 27.5~28.3 m)
A Dam B Dam C Dam
Fig. 7. Variations of N
60with depth for the dams
어 원통형의 형상을 잘 유지하였다. 반면 함수비가 매우 높은 코어재 시료는 원통형의 형상을 유지하지 못할 정도의 함 수비, 즉 액성한계(Liquid Limit) 이상의 함수비 조건인 것으 로 판단된다. Fig. 6은 C 댐의 시추공 CBH-01에서 회수된 코어 재 샘플 사진이다. Fig. 6(a)는 시추공 CBH-01의 G.L.-20.6～
28.3m 구간에서 회수된 코어재이며, Fig. 6(b)는 G.L.-27.5～
28.3m에서 나타난 포화 시료이다. 이 사진에 의하면 건전한 코어재와 달리 형태가 알 수 없을 정도의 포화 시료임을 확 인할 수 있다.
Fig. 7은 각 댐들에서 심도별 표준관입시험(Standard Penet- ration Test, SPT)의 N60값을 도시한 것이다. 표준관입시험은 중 심 코어재의 다짐 정도를 파악하기 위하여 시추조사와 병행 하여 KS F 2307 규격으로 실시하였다. KS F 규격에서는 1m 간격마다 시험수행을 규정하고 있으나 본 연구에서는 거의 균질한 재료로 축조된 코어존을 대상으로 시험을 수행하는 점을 고려하여 매 3m 간격으로 표준관입시험을 수행하였다.
동일 특성의 지층이라도 시추공의 직경, 시험에 사용되 는 로드의 길이, 샘플러의 종류, 타격에너지의 전달효율 등 의 요인에 표준관입시험의 측정 N값은 달라진다. 따라서 측 정 N값에 영향을 미치는 요인들을 Eq. (1)과 같이 보정하여 사용하여야 한다.
(1)Nm은 측정된 N값, N60은 각 요인들에 대해 보정한 N값, CE는 에너지 전달효율의 보정 계수, CB는 시추공 직경에 대 한 보정 계수, CR은 로드 길이에 대한 보정 계수, CS 샘플러 의 종류에 대한 보정 계수이다. 각 보정 계수 산정방식에 대해서는 Skempton(1986)이 제안한 방법을 사용하였다.
측정 N값에 영향을 미치는 요인 중 가장 중요한 요인은 중량 63.5kg의 해머를 높이 76cm에서 자유 낙하시켜 엔빌 을 타격할 때 롯드와 최하단 샘플러에 전달되는 에너지의 양이다. 전달되는 에너지는 해머의 종류와 타격방법에 따라 차이가 있으며 측정 N값은 전달되는 에너지에 필연적으로 반비례한다(Schmertmann & Palacios, 1979). 전달되는 에너 지는 이론적 최대 에너지의 30～90%가 될 수 있다. Seed et al.(1984)은 당시 미국에서 사용되는 장비의 에너지 전달효 율이 55～60%이므로 측정 N값을 에너지 전달효율 60%로 정규화하여 사용해야 하며, 에너지 전달효율 보정계수 CE
는 측정된 에너지 전달효율 ERm을 60으로 나눈 값을 사용 할 것을 제안한 바 있다.
이 연구의 시추조사에 사용된 장비와 SPT 타격해머에 대 해 에너지 전달효율 시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table
Table 2. Results of SPT energy efficiency test for drill rigs
Drill rig Hammer type Energy efficiency, ERm (%)Min. Max. Ave.
Rig D Auto hammer 80.3 84.9 83.2 Rig B Auto hammer 64.6 78.0 71.3
Table 3. Dam design criteria for soil material in core zone
Parameter Conditions
Grain size
Over 25 mm ( > 85%), Under 0.074 mm (10～20%),
Shows smooth curved line Plastic index (%) > 15
Specific gravity < 2.6 Max. of dry density (g/cm3) 1.5～2.0 g/cm3 Coef. of permeability (cm/sec) < 1×10-6 cm/sec
Table 4. Physical properties of the core samples
Dam Borehole Depth
(m) U.S.C.S. Water content (%)
Void ratio
Saturation (%)
Specific gravity
Density of soil (g/cm3)
Coef of permeability
(cm/sec)
Atterberg limits (%)
Wet Dry LL PL PI
A ABH-01 15.5～16.3 CL 19.1 0.50 99.2 2.581 2.05 1.72 2.35E-06 37.6 22.0 15.6 ABH-01 18.5～19.1 CL 17.7 0.48 96.2 - 2.06 1.75 3.18E-06 37.5 21.0 16.5 ABH-01 21.5～22.3 CL 19.5 0.52 97.1 - 2.03 1.70 3.69E-06 36.0 21.4 14.6 B BBH-01 12.5～13.0 CL 18.0 0.47 99.3 2.582 2.08 1.76 8.56E-07 35.3 22.3 13.0 BBH-01 15.0～15.5 CL 20.2 0.53 99.4 - 2.04 1.69 8.09E-07 35.7 21.0 14.7 BBH-02 6.5～7.3 CL 22.5 0.59 98.9 2.589 2.00 1.63 1.76E-06 39.3 22.1 17.2 BBH-02 12.5～13.3 CL 21.8 0.57 99.6 - 2.01 1.65 7.83E-07 37.8 21.0 16.8 BBH-02 21.5～22.1 CL 20.9 0.56 97.2 - 2.01 1.66 3.07E-06 35.1 20.8 14.3 C CBH-01 18.5～19.3 CL 32.0 0.87 99.8 2.712 1.91 1.45 7.24E-07 41.3 18.7 22.6 CBH-01 24.5～25.3 CL 31.7 0.87 98.9 - 1.91 1.45 1.36E-06 37.0 18.8 18.2 CBH-01 30.0～30.8 CL 27.3 0.76 97.1 - 1.96 1.54 9.53E-07 31.8 20.9 10.9 CBH-02 15.5～16.3 CL 26.3 0.76 93.3 - 1.94 1.54 9.62E-07 42.0 19.2 22.8 CBH-02 33.5～34.3 CH 47.6 1.29 100.0 2.705 1.75 1.18 4.14E-07 57.8 24.9 32.9 CBH-02 39.5～40.2 CL 35.3 1.10 86.6 - 1.74 1.29 8.58E-07 47.4 22.9 24.5 CBH-03 24.0～24.8 CL 22.0 0.65 91.2 2.707 2.00 1.64 5.05E-06 29.2 20.7 8.5 CBH-03 33.0～33.8 CL 28.0 0.82 93.0 - 1.91 1.49 1.31E-06 32.8 18.1 14.7 CBH-03 36.0～36.8 CL 29.6 0.82 97.5 - 1.93 1.49 2.61E-06 37.7 17.7 20.0
2와 같다. 본 연구에서 사용된 표준관입시험의 스플릿 샘플 러(Spilt sampler)는 라이너를 사용하지 않는 표준타입이므 로 CS는 1.0, 시추규격은 NX여서 공경 76mm이므로 CB는 1.0을 적용하였다. 로드 길이에 대한 보정계수 CS는 시험 심 도에 따라 Table 2를 기준으로 적용하였다.
Table 1에 제시된 N값은 측정 시의 값이며, 측정 N값에 영향을 미치는 값들을 보정한 N60값으로 운영 중인 댐체의 상태를 파악하고자 하였다. 전반적으로 댐체의 심도가 깊어 질수록 N60값이 증가하고 있다. A 댐과 B 댐에서는 심도가 깊어짐에 따라 N60값이 20 이상 증가하고 있으며, C 댐의 상부층에서는 N60값이 20 이하이며, 하부층에서는 30 이내 로 증가하고 있어 상재하중이 증가하기 때문으로 판단된다.
4.2 실내 토질시험 분석
Table 3은 코어존에 해당되는 차수재료에 대한 신규 댐 설계 기준이다. 이 기준에 의하면 코어재료로 가장 이상적 인 재료는 0.074mm 이하의 입자를 15～20% 함유하는 입 도배분이 좋은 점토, 실트, 모래, 자갈의 혼합물이며 통일분 류법으로 말하면 GC, SC, CL, SM, CH 정도가 적당하다고
규정하고 있다. 일반적으로는 중심 코어재의 축조재료는 CL 을 가장 널리 사용하고 있다.
본 연구에서는 연구대상 댐들의 차수재료에 대한 기본 물 성을 파악하기 위하여 무수보링 시 싱글코어배럴과 스플릿 샘플러로 채취한 교란시료 외에 황동관(Shelby tube)으로 교란되지 않은 코어재 시료를 채취하여 비중, 입도분석, 액 성한계 및 소성한계, 함수비, 투수시험 등의 실내 시험을 수 행하였다. 시추조사 중 확인된 고함수비 코어재 시료의 경 우 이미 액성한계 이상의 함수비 조건에서 유동성을 보이므 로 실내 시험을 수행하지 않았다. 모든 실내 시험은 KS F 규격에 의거하여 실시하였으며, 투수시험은 투수성이 낮은 점성토로 축조된 코어재임을 고려하여 변수위법을 적용하 였다.
Table 4는 시험에 사용된 코어재의 위치와 실내 토질 시 험 결과이다. 여기에는 Table 1에서 나타난 포화상태의 코어 시료는 앞에서 언급하였듯이 실내 시험에 적합하지 않아 시
A Dam (ABH-01) B Dam (BBH-01)
B Dam (BBH-02) C Dam (CBH-01)
C Dam (CBH-02) C Dam (CBH-03)
Fig. 8. Percent passing for the dams. A dam (ABH-01), B dam (BBH-01, BBH-2), C dam (CBH-01 to CBH-03). D1, D2 and D3 represent sampling depths
험 대상에서 배제되었다. Fig. 8은 연구대상 댐들의 각 시추 공에 대한 입도분석 결과이다. 이 실험은 200번체(0.075mm) 를 기준으로 체분석 한 결과로서 200번체 전후로 세립질과 조립질로 구분하였으며, 세립질인 경우 비중계 분석을 수행 한 결과이다. 이 결과에 의하면 세립분이 60% 이상이면 모 래와 자갈이 일정 비율 함유되어 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 9는 연구대상 댐들에 대해서 액성한계(Liquid limit) 와 소성지수(Plastic index)로 소성차트(Plastic chart, KS F 2430)를 작성하여 흙의 상태를 분류하였다. 이 결과에서 대 부분의 시료들은 A-선 직상부에 위치하여 CL임을 확인할 수 있으나, 실트질 점토인 ML과의 경계에 가까운 상태이 다. 특히 C 댐은 액성한계 50% 이상인 고소성 점토질인 CH
가 존재하고 있다.
Fig. 10은 KS 규격에 의해 수행되었던 실내 토질 시험의 결과로서 습윤밀도(Wet density), 건조밀도(Dry density), 함 수비(Water content), 간극비(Void ratio), 포화도(Saturation) 및 투수계수(Coefficient of permeability)에 대한 기본 물성 을 댐체의 깊이에 따라 그 변화양상을 보여준다. 이 결과들 에서 살펴보면 Fig. 10(a)와 Fig. 10(b)의 습윤밀도와 건조밀 도의 변화는 깊이에 따라 큰 변화가 나타나지 않는다. 특히 Fig. 10(b)의 건조밀도는 Table 3의 신규 댐 설계 기준치에 적용된 최대건조 밀도는 아니지만, C 댐의 시추공 CBH-02 를 제외한 나머지 시추공에서는 그 허용치 내에 있음을 보 여준다. 그리고 Fig. 10(c)의 함수비는 Fig. 10(d)의 간극비
KS F 2430 A Dam
B Dam C Dam
Fig. 9. Plastic charts for the dams
(a) Wet density (b) Dry density (c) Water content
(d) Void ratio (e) Saturation (f) Permeability
Fig. 10. Changes in physical properties with depths for the soil samples recovered by drilling investigation
와 변화양상이 유사하며, Fig. 10(e)의 포화도는 대부분 90%
이상으로 집중되어 있으나 C 댐의 시추공 CBH-02에서 다 소 낮은 값을 보여주고 있다. 마지막으로 Fig. 10(f)의 투수 계수는 Table 3의 댐 설계 허용 기준 범위에 있으나 일부는 그 범위를 벗어난 시추공도 확인된다.
5. 필 댐 코어존의 건전성 평가를 위한 고찰
이상과 같이 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사, 시추조사 그리고 실내 토질 시험을 통해 연구대상 댐들의 코어존에 대한 건전성 평가를 수행하였다.
먼저 Fig. 3과 같이 연구대상 댐들에 대한 2차원 전기비 저항 탐사 결과에 의하면, A 댐과 B 댐은 전반적으로 수평 적인 전기비저항 값의 변화가 적으며, 심부로 갈수록 전기 비저항 값이 대체적으로 증가하는 비저항 분포가 나타난다.
그리고 점토재로 이루어진 코어존에서는 저비저항대가 나 타나며, 그 하부의 기반암에서는 고비저항대로 잘 나타나고 있다. 이를 통해 이 두 댐들은 건전한 댐체를 유지하고 있다 고 판단된다. 그러나 C 댐의 경우는 상대적으로 전기비저항 값이 낮은 구간으로 판단되는 저비저항대(약 200ohm･m)가 좌안으로부터 120m 지점에서 코어존 하부까지 나타난다.
이 영역은 건전한 코어존의 형태에 변화가 있음을 의미하며 연약대의 존재 가능성을 시사하고 있다. 그러나 이러한 2차 원 전기비저항 탐사 단면상으로는 누수취약대가 어느 정도 의 규모이며 어디까지 발달되어 있는지 그 분포를 파악하기 에는 어려움이 따른다. 따라서 연구대상 댐들 중에서 저비 저항대가 명확히 나타나고 있는 C 댐에 대해서 3차원 전기 비저항 탐사를 수행하여 저비저항대의 공간적인 분포를 파 악하고자 하였다. 특히 Fig. 4(b)와 같이 3차원 전기비저항 탐사 결과에서 100ohm･m 이하의 등비저항대만으로 표현 한 결과는 2차원 전기비저항 탐사에서 정성적으로만 확인 할 수 있었던 연약대로 추정되는 저비저항대를 보다 공간적 인 분포로 나타낸 것이다. 이 저비저항대는 코어존의 형태 에 변화가 있음을 의미하며, 중심 코어존 외부로 발달하고 있는 연약대를 공간적 분포로 판단 할 수 있어 코어존의 건 전성 평가에 전기비저항 탐사의 적용성이 유용함을 확인하 였다.
이러한 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사의 결과를 검증 하기 위하여 시추조사 및 실내 토질 시험을 수행하였다. 일 반적으로 젖은 실트질 및 사암 토질은 100ohm･m 이하이며, 점토는 10ohm･m 이하의 낮은 비저항 이상대이다(Telford et al., 1990). 정상적인 댐체의 경우 점토재로 이루어진 코어
존에 대한 전기비저항 값은 매우 낮게 나타나야 하며, 그 분포도 수평층 구조로 나타내면서 균질하여야 한다. 이렇게 코어존의 축조재료가 주로 점토로 구성되어 있지만, 댐체 축조 시 실트질 및 사암 토질이 다소 함유될 경우도 있다.
또한 축조재료의 다짐 상태와 방법 등에 의해 축조재료들 사이에 미세한 틈이 발생하여 코어존에 변화가 생길 가능성 이 있다. Fig. 7에 의하면 연구대상 댐들에서 깊이가 증가함 에 따라 N60값이 증가하고 있어 축조재료의 하중에 의한 다 짐이 정상적임을 판단할 수 있었다. 이는 댐이 오랜 시간 동안 운영되면서 하부의 코어층이 상재하중으로 다짐이 잘 진행된 것으로 판단된다. 하지만 C 댐의 시추공 CBH-02에 서는 다른 시추공보다 다소 낮은 값을 확인하였다.
Fig. 8에서는 대부분 댐들의 입도분포가 양호함을 확인 하였다. A 댐과 B 댐은 소성지수 PI가 댐 설계 기준치 15 이상이나, C 댐의 경우 시추공 CBH-03에서 10 이하로 나 타남에 따라 댐 축조 시 코어재료의 채취 및 품질관리에 문 제가 있는 것으로 추정된다. 특히 이 부분은 Table 1에서 나 타난 C 댐의 CBH-03에서 공극수가 발견된 부근과 Fig. 7에 서 나타난 N60값이 10 이하로 낮아진 부분이 인접하고 있어 서로의 상관성이 높음을 확인할 수 있었다.
또한 Fig. 5와 Table 1에서 확인하였듯이 C 댐의 시추공 CBH-01과 CBH-02에서 점토질(CL)로 구성되어 있어 있는 코어존의 깊이에서 포화 시료가 나타났으며, 시추공 CBH-01 에서는 굴착 한 다음 날 공내수를 확인하였다. 이는 코어존 에 함수비와 투수계수에 이상이 있음을 의미하며 실내 토질 시험 결과에서도 확인할 수 있었다. 이러한 포화 상태의 흙 의 시료는 중심 코어 시료에서 젖음 이상의 함수비를 보이 는 국부적인 포화대로 판단하여 댐체의 건전성 평가에 중요 한 지표로 활용하게 된다. 특히 Table 1과 Fig. 10(f)에서 보 여주듯이 시추공 CBH-03의 투수계수가 다른 시추공들에 비해 높게 나타나며, 포화 시료가 나타난 시추공 CBH-02에 서는 투수계수가 오히려 낮게 나타나고 있다. 전자의 경우 는 축조 시 다짐이 상대적으로 불량하여 간극비가 증가하였 거나 완공 후 댐체에 미세한 균열이 발생하여 유로가 형성 되었을 가능성이 크다. 후자의 경우는 전자와 같은 원인으 로 유로가 발생하여 미세입자가 필터존 방향으로 이동하는 초기 과정에서 미세입자가 유로를 일시 차단함으로써 발생 하는 포화현상이며, 일시적으로 투수계수가 저하될 수 있으 나 수위상승 및 지진 등으로 외압이 증가할 경우 이러한 현 상은 소규모 균열에 의한 파이핑 현상을 일으켜 댐을 위험 하게 할 수 있다. 따라서 시추공 CBH-02에서 비록 누수취 약대로 판단되는 포화 시료가 존재하였더라도 불투성이 높 은 지반상태에 의해 이들이 외부로 유출되는 경로를 차단하
여 댐체 내에 갇혀 있는 효과를 갖게 된 것으로 판단할 수 있었다.
이상과 같이 댐체의 건전성 평가를 위해 수행되었던 전 기비저항 탐사 결과로부터 댐체의 연약대 파악이 가능하였 으며, 시추조사 및 실내 토질 시험에 의해 그 결과를 비교 분석하는 과정의 중요성을 확인하였다. 그리고 이러한 일렬 의 댐체 건전성 평가 방법을 통해 연구대상지 댐들 중에서 C 댐의 건전성에 이상이 있다고 판단되었으며, 이러한 연구 결과를 바탕으로 보수보강의 기초 자료로 활용이 가능하다.
6. 결 론
본 연구에서는 국내 필 댐 코어존의 건전성을 평가하기 위하여 용수 전용댐 3개소의 연구대상 댐에 대해 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사, 무수보링 및 실내 토질 시험을 종 합적으로 수행하여 그 적용성을 검토하였다.
(1) 연구대상 댐체의 댐 마루 중심에서 2차원 전기비저항 탐사를 수행한 결과, A 댐과 B 댐은 점토재로 축적된 코어존에 해당되는 저비저항대와 그 하부의 기반암이 고비저항대로 잘 나타나고 있어 정상적인 댐체를 유지 하고 있다고 판단되었다. 그러나 C 댐의 경우는 코어존 으로 판단되는 저비저항대가 하부로 발달됨에 따라 코 어존의 변화 가능성을 확인하였다.
(2) 2차원 전기비저항 탐사 단면상으로는 연약대의 공간적 인 분포를 판단하기에 어려움이 있어 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 그 결과 중심 코어존 외부로 발달 하고 있는 저비저항대를 연약대로 판단하였다. 이러한 코어존의 연약대를 공간적인 분포로 파악할 수 있어 건 전성 평가 방법으로 3차원 전기비저항 탐사의 유용성을 확인하였다.
(3) 전기비저항 탐사에서 나타난 저비저항 이상대 구간을 대상으로 무수보링에 의한 불교란 시료를 채취하여 실 내 시험을 실시한 결과, 일부 구간에서 액성한계 이상 의 고함수비가 나타나 연약대 및 누수취약대로 평가됨 으로써 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사의 신뢰성과 유 용성이 입증되었다.
(4) 전기비저항 탐사기법을 적용하여 댐체 코어존의 연약 대 및 누수취약대를 파악하였고, 무수보링을 토해 불교 란 시료의 육안 관찰과 실내시험이 가능하였으며, 이러 한 탐사 결과와 시추조사 및 실내 시험 결과를 종합적으 로 비교･분석하여 필 댐 코어존의 건정성을 평가하였다.
References
