농업용 저수지 제방에서 감압정의 효과에 관한 연구 :A Study on the Effectiveness of Relief Wells in Agricultural Reservoir Embankment

유전용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유전용 (목포해양대학교, 목포해양대학교 대학원)

지도교수: 장용채

발행연도: 2022

저작권: 목포해양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2022

농업용 저수지 제방에서 토목섬유 블랭킷의 길이에 따른 감압정의 성능 평가

유전용 , 김승욱 , 장용채 한국지반환경공학회 논문집 2022.06 학술저널

농업용 저수지 제방에서 감압정의 효과에 관한 연구

유전용 해양시스템공학과 2022.01 학위논문

2020

농업용 저수지 제방에서 3차원 수치해석에 의한 감압정의 효과 분석

유전용 , 허준 , 장용채 한국농공학회논문집 2020.01 학술저널

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투수성 지반위에 축조된 저수지나 하천의 제방은 수두차로 인하여 기초지반을 통한 침투가 발생하며, 하류사면의 하단부에 과도한 간극수압이 형성되어 제방의 안정에 위험이 초래될 수 있다. 이러한 경우 제방 하부에 설치하는 감압정은 침투에 대한 안정성을 확보하기 위해 유용하게 활용할 수 있는 대책공법이다. 미국, 뉴질랜드, 이란 등 세계 여러 국가에서 이를 폭넓게 사용해 왔고, 이론적인 해석방법이 정립되어 있음에도 국내에서는 댐이나 하천의 설계기준에 아직까지 반영되고 있지 않으며, 적용 사례도 거의 없는 실정이다.

감압정의 설치는 1930년대부터 미국을 중심으로 활발히 적용되기 시작하면서 많은 기술발전이 이루어져 왔다. 감압정의 해석은 주로 USACE의 이론적 방법, 전기적 방법, 이론적 방법에 근거한 컴퓨터 프로그램 등에 의존해 왔으며, 최근에는 수치해석 기법도 많이 활용하고 있으나, 제방의 종단방향으로 규칙 또는 불규칙적인 간격을 두고 설치하는 감압정의 효과를 2차원 평면해석으로 분석하는 것은 한계가 있으며, 3차원 수치해석 프로그램으로 해석이 유효한 것으로 많은 연구에서 보고되고 있다.

본 논문에서는 감압정의 적용시 제방의 침투거동 특성을 규명하기 위해 현장사례 조사, 이론 해석, 그리고 3차원 수치해석을 수행하였다. 현장 사례는 국내에서 아직까지 적용한 사례가 없어 미얀마 농업용 댐 대상지의 감압정 실측결과를 수집하여 활용하였다. 이론적 방법에 의한 해석결과와 현장에서 실측된 결과를 분석하여 감압정의 효과를 평가하였으며, 이를 토대로 감압정 적용시 문제점과 개선사항을 제시하였다. 3차원 해석에 적용한 동일조건의 농업용 저수지 제방에 감압정의 직경, 관통율, 간격, 투수계수, 지층두께를 변화시키면서 USACE(1993)의 이론적 접근방법으로 유량과 수두변화 등 침투특성을 분석하였다. 유한요소 참투해석 범용프로그램인 midas GTX NX를 이용한 3차원 수치해석에서는 이론해석에서 분석한 동일 단면에 대해 감압정의 직경, 관통율, 간격과 저수지의 수위를 변수로 적용하여 제방의 침투거동 특성을 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 해외 사례분석을 통해 제방의 침투관리 효율을 높이기 위해서는 감압정의 직경, 간격, 관통율을 적정한 조합으로 설치하여야 함을 확인하였다. 또한 현장의 사례로부터 감압정의 유지관리, 간극수압과 유량 계측관리, 지속적인 성능 평가, 필요시 추가설치 등도 제방에서 감압정 적용시 중요한 고려요소임을 확인하였다.
2) 농업용 저수지 제방의 침투안정성 확보를 위해 감압정을 적용하는 조건으로 수행한 USACE 이론해석, 3차원 수치해석 결과로부터 직경, 간격, 관통율이 침투거동에 상호 영향을 미치는 중요한 인자임을 확인하였다. 해석결과로부터 감압정의 직경은 40cm, 간격은 25m, 관통율은 50% 이상에서 효율이 저하됨을 확인하였으며, 감압정의 설계시 이들 경계 값을 중요한 요소로 고려할 필요가 있다.
3) 3차원 수치해석에 의해 확인한 감압정의 직경, 간격, 관통율 변화에 따른 감압정의 효과는 이론해석 결과나 기존연구 결과와도 일치하며, 이를 통해 3차원 수치해석이 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
4) 본 논문에서 수행한 현장사례 분석, 이론해석, 3차원 수치해석 결과로부터 감압정의 관통율-간격, 직경-유량, 투수층두께/간격-유량 관계식을 유도하여 제안하였다.

Seepage may occur through the foundation due to the pressure head in the embankment of reservoirs or rivers built on the permeable ground, which may cause excessive pore pressure at the downstream toe and lead to a risk of embankment instability. In this case, the pressure relief wells installed at the downstream toe of the embankment may be a countermeasure that can be usefully applied to ensure stability against seepage. Although pressure relief wells have been widely applied in many countries around the world, such as the United States, New Zealand, Iran, etc., and theoretical interpretation methods for designing pressure relief wells are well established, there are still no specific design standards and field cases in Korea up to now, which deal with the relief wells in embankment of dams and rivers.

Since the 1930s, relief wells have been extensively applied in the United States, and technical advances have been made significantly. In the past, manual computations and computer programs based on USACE’s theory, and electrical analogy tests have been mainly used for analyzing and designing the pressure relief wells, however, recently numerical analysis have been widely used. Meanwhile, many studies have reported validity of three-dimensional numerical analysis on the relief wells, because there are limitations to examine by two-dimensional numerical analysis on the effect of the pressure relief wells installed with spacings in the longitudinal direction of the embankment.
In this paper, field case analysis, theoretical analysis, and three-dimensional numerical analysis were performed to find out the seepage behavior of the embankment when applying the pressure relief wells. Since there were no domestic application cases, the actual measurement results of the pressure relief wells installed on the agricultural dam embankment in Myanmar were collected and used as a field case. The effect of relief wells was evaluated through comparison between the results by the theoretical analysis and the data measured in the field, and based on the evaluation results, problems and improvements were proposed when applying the relief wells. Assuming the application of relief wells to domestic agricultural reservoirs, seepage behavior such as flow rate and head was analyzed through USACE''s theoretical approach with parameters of the diameter, penetration rate, spacing, permeability coefficient, and strata thickness of foundation. In the 3D numerical analysis using midas GTX NX, a generalized program for finite element seepage analysis, the seepage behavior characteristics of the embankment were analyzed by applying the diameter, penetration rate, spacing, and water level of the reservoir as variables for the same embankment analyzed by the theoretical approach. The key results derived through this study are summarized as follows.

1) According to the results of field case analysis, it was confirmed that in order to increase the effectiveness of the seepage management of the embankment, the diameter, spacing, and penetration rate of the relief wells should be installed in an appropriate combination. In addition, from the case of the site, it was confirmed that measurement management of pore water pressure and flow rates, continuous performance evaluation, maintenance, and additional installation if necessary are very important factors for the sustainable application of relief wells to the dam body.

2) From the results of USACE theoretical analysis and three-dimensional numerical analysis conducted under the condition of applying relief wells to secure the seepage stability in the agricultural reservoir embankment, it was confirmed that diameter, spacing, and penetration rate were important factors mutually influencing the seepage behavior. According to the analysis results, it was identified that the effectiveness of relief wells was lowered at boundary of diameter of 40 cm, spacing of 25 m, and penetration rate of 50% or more. Therefore, these boundary conditions need to be considered as important factors when designing the pressure relief wells.

3) The effect of relief wells analyzed by 3D numerical analysis using diameter, spacing, and penetration rate as parameters is well matched with the results of theoretical analysis and existing research, so it was confirmed that 3D numerical analysis can be usefully applied for the relief well analysis.

4) From the results of field case analysis, theoretical analysis, and three-dimensional numerical analysis on the pressure relief wells conducted in this paper, regression equations on correlation of the penetration rate-spacing, diameter-flow rate, and permeable strata thickness/spacing-flow rate were derived and proposed.

제1장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구동향 4
1.3 연구내용 및 방법 8
제2장 이론적 배경 9
2.1 감압정 공법의 개념 9
2.2 감압정 적용의 역사 13
2.3 설계 기준 16
2.3.1 기준 개요 16
2.3.2 일반사항 16
2.3.3 유효 우물관통 25
2.3.4 안전율 27
2.3.5 무한 및 유한 감압정 시스템 27
2.3.6 불투수성 상부층을 갖는 완전 관통 감압정의 무한선 수위저하 28
2.3.7 불투수성 상부층을 갖는 부분 관통 갑암정의 무한선 수위저하 31
2.3.8 반투수성 상부층을 갖는 감압정의 무한선 수위저하 34
2.3.9 감압정의 유한선 수위저하 39
2.4 감압정 적용 확대를 위한 향후 방향 42
제3장 미얀마 감압정 현장 사례 분석 및 고찰 43
3.1 분석의 개요 43
3.2 말레나따웅 댐 제원 43
3.3 댐의 기초지반 침투 현황 44
3.4 감압정 설치 현황 및 침투량 조사 45
3.5 누수구간의 감압정 시스템 분석 49
3.5.1 분석 조건 49
3.5.2 분석 방법 52
3.5.3 분석 및 고찰 56
3.6 대상지 기 설치 감압정의 성능 평가 64
3.7 미얀마 대상지 감압정 사례에 대한 분석 결론 66
제4장 이론해석에 의한 감압정의 효과 분석 69
4.1 개요 69
4.2 분석 조건 70
4.3 분석 방법 73
4.4 분석 및 고찰 76
4.4.1 감압정의 직경, 관통율 및 유량 관계 77
4.4.2 감압정의 직경, 관통율별 유량비 관계 78
4.4.3 감압정 위치에서 직경, 관통율 및 수두 관계 79
4.4.4 감압정 중간점에서 직경, 관통율 및 수두 관계 80
4.4.5 감압정의 직경, 관통율 및 간격 관계 81
4.4.6 투수계수 변화와 감압정의 유량, 간격 관계 82
4.4.7 지층두께와 감압정의 유량, 간격 관계 85
4.5 이론해석에 의한 분석 결론 88
제5장 3차원 수치해석을 통한 감압정의 분석 91
5.1 수치해석 모델 91
5.2 3차원 수치해석 조건 93
5.3 3차원 수치해석 방법 97
5.4 분석 및 고찰 99
5.4.1 간극수압의 변화 99
5.4.2 동수경사의 변화 114
5.4.3 파이핑 안전율의 변화 123
5.5 3차원 수치해석에 의한 분석 결론 127
제6장 요약 및 결론 131
참고문헌 133
요약 139

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