[토질 및 기초 기술사] 138회 2교시 기출문제 5번

5. 흙댐(Fill Dam)의 시공 중 및 시공 후(만수위 시, 수위 급강하 시) 제체 내에서 발생하는 전단응력, 간극수압 및 안전율의 변화특성에 대하여 배수조건에 따른 해석법 적용을 포함하여 설명하시오.

필댐은 시공 단계부터 운영 단계에 이르기까지 제체 내의 함수비와 구속 압력이 끊임없이 변하며, 이에 따라 유효응력과 전단강도가 변화하는 복합적인 구조물이다
제체의 안정성은 작용하는 전단응력(τ), 발생하는 간극수압(υ), 그리고 적용하는 배수 조건(UU, CU, CD)에 따른 전단강도 결정에 의해 좌우된다
시공 중 간극수압 발생, 만수 시 침투압, 수위 급강하 시 잔류 간극수압 등 각 단계별 최저 안전율(FS)이 발생하는 시점을 파악하여 붕괴를 예방해야 한다ㅣ

1) 시공 중: 제체 자중에 의해 흙 입자가 압축되면서 간극수압 상승 → 흙의 투수성이 낮으면 물이 빠져나가지 못해 간극수압이 매우 높아질 수 있으며, 이는 유효응력(강도)을 감소시켜 사면 안정성에 불리하게 작용

2) 저수 초기: 저수위가 상승함에 따라 제체 내부로 물이 침투하여 포화도가 증가하고, 제체 내부의 간극수압도 상승
※ 이 과정에서 부압이 해방되면서 제체의 강도 및 강성이 저하될 수 있음

3) 운영 단계: 정상 흐름 상태에서는 수위와 간극수압이 일대일 대응 관계를 가지며, 수위가 일정하면 간극수압도 안정적인 상태를 유지

4) 저수위 변동 시: 급격한 저수위 하강 시 제체 내부의 간극수압이 배수되지 못하고 남아있어, 댐의 유효응력을 감소시키고 사면 붕괴 위험 증가

시공 중
- 성토 속도가 압밀 속도보다 빠를 경우 과잉간극수압이 발생하여 유효응력(σ‘)을 감소시킴
- Hilf의 방법: 성토 시 발생하는 간극수압을 간극기압과 연계하여 산정 및 관리
정상 침투 시
- 상류측 사면은 수압에 의한 구속 효과로 안정되나, 하류측 사면은 침출점 부근의 침투압으로 인해 활동 가능성이 높아짐
- 필터재와 드레인 설치를 통해 침윤선을 하향 유도하는 것이 핵심
수위 급강하 시
- 외부 수압(구속압)은 즉시 사라지나, 제체 내부의 물은 투수계수가 낮아 배수되지 않음(u 유지)
- 결과적으로 하향 방향의 침투압과 자중이 더해져 상류측 사면의 파괴 유발

성토 재료의 다짐 및 함수비 관리
- 최적함수비(OMC)보다 약간 건조한 측에서 다짐하여 시공 중 과잉간극수압 발생을 억제
계측 시스템 구축
- 간극수압계(Piezometer): 시공 중 및 급강하 시의 실제 u를 실시간 모니터링
- 침하계 및 경사계: 제체 변위 발생 시 즉시 성토 중단 또는 수위 조절
수위 조절 가이드라인 설정
- 댐 운영 시 수위 하강 속도를 하루에 수십 cm 이내로 제한하여 제체 내 배수 시간을 확보

→ 필댐의 안정성은 단순히 고정된 수치가 아니라 수위의 이력에 종속되는 동적 과정이다. 기술사는 다음과 같은 역학적 대응을 수행해야 한다

첫째, 설계 시 수위 급강하 시나리오를 반드시 포함하여 상류측 사면 경사를 결정할 것
둘째, 시공 중에는 계측된 간극수압을 바탕으로 역해석을 실시하여 성토 속도를 제어할 것
셋째, 노후 댐의 경우 내부 침식(Piping)으로 인한 침윤선 변화를 감지하기 위해 전기비저항 탐사 등을 주기적으로 병행하여 보이지 않는 위험 요소를 관리해야 한다