第26卷 第1C號 · 2006年 1月 − 33 −

地 盤 工 學大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第26卷 第1C號·2006年 1月

pp. 33~42

우리나라 하천제방에 대한 내부침식 파괴 연구: 사례연구

River Embankment Stability against Hydraulic Piping Failure in Korea

권교근*ㆍ한상현**

Kwon, Kyo-Keun·Han, Sang-Hyun

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Abstract

Lots of river embankments or levees in Korea are quite so old and unknown the origin even. The river deposits, moreover,

obtainable easily somewhere were used for materials of embankment without any technical considerations such as the influ-

ence soil properties and construction methods on embankment stability. It's natural that safety would be threatened if the water

level rises due to flood or rainfall when it comes to abnormal weather conditions, especially. From this point of view, enlarge-

ment of embankment, irrigation works, etc. are in progress recently at the situation from a reinforcement work. However, tak-

ing influence of soil properties and construction methods on embankment stability into account against cracking or piping is

still insufficient. Fragmentary design criteria or irrational construction methods are applied rather as the case may be. In this

study, therefore, a way to estimate piping and cracking resistance (Sherard, 1953) has been introduced and reevaluated for

practical use with an eye to material properties and its applicability to piping-experienced embankments was examined. Piping

possibility was also examined in the present design criteria and compared. In view of the results achieved, it reflects that both

yield piping possibility. But it's still necessary to complement how to judge and verify piping resistance of given soils with gra-

dation curves by the representative curve, quantitatively and that piping resistance should consider compaction effects as well.

Keywords : piping and cracking resistance, soil properties, seepage, critical velocity and gradient, embankment stability

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요 지

우리나라 하천 제방은 유래를 알 수없는 오래 된 것이 많고 당시 공학적 배경 없이 주변에서 손쉽게 얻을 수 있는 재료

를 사용하여 제방을 축조하였기 때문에 근본적으로 많은 문제점을 내포하고 있다. 현재에 와서는 제체가 노후화 되고 최근

기상이변으로 인해 제방의 안전이 더욱 크게 위협받으면서 제방단면을 증대시키거나 수리시설을 전폭 재검토하는 등 설계

보완적 측면의 여러 가지 대책방안이 수립되고 있다. 그러나 제방을 신설하거나 기존단면을 보수 또는 단면을 증대함에 있

어 재료특성을 제대로 반영하지 못하고 아직도 단편적인 설계기준을 전면 적용하거나 획일적인 다짐 시공관리 기준을 적용

하는 정도로 그치는 경우도 있다. 따라서 본 검토에서는 제체의 재료특성에 주안점을 두어 Sherard(1953)가 제안한 균열 및

파이핑 저항등급을 소개, 이를 실제 파이핑이 발생한 국내 하천제방에 적용한 결과를 제시하고 유한요소법에 의한 침투해석

을 실시하여 현행 설계기준에 의한 안정검토 결과와 비교해 보았다. 검토결과, 두 방법 모두 파이핑이 발생하는 것으로 평

가되었으나 파이핑 저항등급은 다짐의 영향이 고려되어야 하고, 입도기준의 경우 주어진 재료의 입도와 제안된 입도기준과의

일치도를 정량적으로 제시하기 어려운 문제점을 보여 이에 대한 보완이 필요할 것으로 판단되었다.

핵심용어 : 파이핑 및 균열저항, 재료특성, 침투해석, 한계유속 및 동수경사, 제방안정

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1. 서 론

제방의 안정측면에서 지반공학과 밀접한 문제는 활동파

괴, 균열과 파이핑을 포함하는 누수, 기초지반의 침하를 생

각할 수 있다. 현재 침하와 활동파괴는 전단강도와 계산방

법에 대한 지속적인 연구덕택으로 해석적 방법에 의존할 수

있게 되었으나, 균열은 해석적으로 설명하기가 곤란하고 파

이핑은 아직 역학적 기본원리가 완전히 정립되지 못한 상태

이기 때문에 설계차원에서 이를 단정적으로 예측하기가 곤

란하다. 따라서 균열은 시공관리 차원의 예방과 시공 중의

조사에 의존하여 대처할 수밖에 없으며 파이핑은 설계차원

에서 침투해석을 통한 추정 안전율에 의존하면서 제체의 재

료특성과 시공법을 제한적 측면에서 규정하고 있는 실정이

다. 우리나라의 경우, 하천설계기준(2000)과 하천공사표준시

방(1999)에서는 투수성 및 다짐특성을 고려하여 통일분류법

상의 제체재료 우선순위를 제안하고 최대입경을 제한하였다.

또한 층당 다짐두께와 소요 다짐도를 규정하였으며, 하천설

계기준(2005)에서는 제체를 일반 성토구간과 구조물 채움

구간으로 구분하여 다짐두께, 다짐함수비, 소요 다짐도 및

흙 종류에 따른 다짐방법, 롤러 기종, 다짐 횟수 등을 세부

*정회원·세일기술주식회사, 서일대 토목공학과 겸임교수(E-mail: seraphkwon@hanmail.net)

**정회원·서일대 토목공학과 부교수(E-mail: shhan@seoil.ac.kr)

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적으로 명시하고 도로 성토재와 구분하여 취급할 것을 제안

하고 있다. 성토재는 하상재료 사용을 원칙적으로 금하고

있다.

균열과 파이핑은 제체의 재료특성과 밀접한 관련이 있으며

시공법에 따라서도 크게 영향을 받는다. 특히 하천제방의 경

우는 누수에 취약하고 침투의 영향이 중요하므로 전단강도

와 침투조건을 동시에 만족할 수 있는 재료를 선정하는 것

이 바람직하다. 따라서 제체의 재료특성에 중점을 두어

Sherard(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하

고 이를 실제 파이핑이 발생한 국내 하천제방 사례에 적용

하여 그 실효성을 평가해 보고자 한다. 또한 유한요소법에

의한 침투해석을 실시하여 현행 설계기준에 따른 안정검토

결과와 비교해 보고자 한다.

2. 제체의 균열 및 파이핑 저항

Sherard(1953)는 사례분석을 통해 제체의 재료특성이 균열

과 파이핑에 미치는 영향을 분석하였다. 사례분석은 미 서부

의 균질한 흙 댐 60개를 고려하였으며 준설토 제방과 월류

(越流)에 의한 피재이력이 있는 제방은 대상에서 제외시켰다.

사례검토에서는 다짐방법의 영향을 고려하여 제체의 재료특

성에 따른 균열과 파이핑 저항등급이 제안되었다. 다음 이하

의 2.2.2절까지 내용은 Sherard(1953)의 검토결과를 요약한

것이다.

2.1 제체의 균열

Casagrande(1950)의 제언을 기초로 Sherard(1953)는 심각

한 균열이 발생한 6개의 흙 댐과 지형조건이나 시공조건이

매우 취약하였음에도 불구하고 균열피해를 입지 않은 제방

12개를 포함하여 균열영향인자(표 1)를 평가하였다. 균열 영

향인자 평가에서는 균열의 정도, 시공법, 지형조건 등이 고

려되었으며 현지 채취시료에 대해 기본적인 물성시험을 실

시하여 재료의 입도와 소성도를 분석하고 균열저항등급을 제

안하였다.

영향인자 평가에서는 시공 중 제체의 자체압축으로 인한

부등침하 및 제체 완공 후 최초 담수 시 혹은 담수 직후

의 건조 수축, 팽창으로 인한 영향을 고려함으로써 제체의

재료특성에 중점을 두고 있다. 기초지반이 열악하여 지지력

측면이나 장기적 침하측면에서 제체가 파손된 제방은 검토

대상에서 제외시켰다. 특히 담수 시 제체가 포화되는 과정

에서 부등침하가 발생하면 수평균열로 인해 누수가 발생하

고 파이핑으로 이어져 제방을 붕괴시킬 수 있음을 제언하고

있다.

2.1.1 제체 재료의 영향

균열발생 제방의 재료에서는 입경이 0.005mm 이하인 점

토가 5~27%(ASTM D 422; D 653), D50=0.02~0.14mm이

고 PI≤15, LL=24~36으로써 저소성의 실트가 주성분임을 확인하고(그림 1) Sherard(1953)는 이를 잠정적인 균열 민감요

소로 선정한 후 균열이 발생하지 않은 12개 제방(그림 2)을

추가로 검토하였다. 그림 1에 입도와 소성도 상의 균열민감

영역을 제시하였다.

균열이 발생하지 않은 제방의 재료는(그림 2) 상대적으로

세립분 함량이 우세하고 소성이 큰 것을 알 수 있다. 균열이

발생하지 않은 제방 중에서 입도가 균열민감영역에 속하면서

PI≤15인 제방은(그림 2의 ‘11’, ‘12’, ‘17’, ‘19’ 외의 것) 사실상 균열발생 제방의 재료와 동일 특성으로 생각할 수 있으

나 균열이 발생하지 않은 것에 대해 Sherard(1953)는 시공법

(다짐도, 다짐함수비)의 영향을 원인으로 보았다. 한편, 세립분

함량이 우세하여 입도가 균열민감영역에 포함되지 않고,

PI>20인 소성이 큰 점성토는(그림 2의 ‘11’, ‘12’, ‘17’,

‘19’) 다짐이 다소 불량하였음에도 불구하고 부등침하로 인한

큰 전단변형을 균열 없이 저항함으로써 이들 재료는 근본적

으로 균열 저항능력이 우수한 것으로 평가되었다.

표 1. 균열 영향인자(J. L. Sherard, 1953)

제체의 균열에 영향을 미치는 요소 균열과의 연관성

① 낮은 다짐 함수비(low construction moisture content) 건조측 다짐은 팽창성이 커서 제체완공 후 담수 시 균열에 취약

② 실트나 실트질 점토로 구성된 제체 재료 (construction materials consisting of silts and silty clays) 저소성의 재료는 근본적으로 균열에 민감

③ 급경사의 아버트먼트(steep abutments) 경사가 급격히 변하는 지점의 부등침하

그림 1. 균열 발생 제방의 입도 및 소성도

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2.1.2 다짐방법의 영향

심각한 균열이 발생한 6개 제방은 다짐불량으로 큰 투수

성, 담수 시 포화진행으로 인한 제체 침하, 건조 다짐으로

인한 재료의 취성이(stiff and brittle) 균열에 취약한 것으로

지목되면서 다짐방법의 영향이 평가되었다. 불과 3~5%정도

의 다짐함수비가 적용된 균열발생 제방은 만약 다짐함수비

가 충분하였다면 세립토 함량을 감안할 때 어느 정도의 소

성을 기대할 수 있었고 투수성도 크지 않았을 것으로

Sherard(1953)는 추정하였다.

다짐이 전혀 이루어지지 않은 제방(그림 1의 ‘4’), 재료

가 SC/SM인 점에 비추어 양족롤러를 사용한 것은 적절하

다고 보여 지나 다짐함수비가 절대적으로 부족한 것(그림

1의 ‘1’), 강륜롤러에 의한 건조다짐으로 층 상단은 단단한

반면 하부가 느슨해지면서 재료취성 및 층 분리현상과 아

칭현상으로 수평 배수층이 형성된 제방(그림 1의 ‘2’, ‘3’,

‘5’, ‘6’)에서는 심각한 균열이 수반되었으나, 좁은 협곡의

가파른 아버트먼트 경사, 급속담수, 제체침하(최대 15cm),

저소성의 재료 등 균열인자가 다분하였음에도 불구하고 지

형적 특성에 의해 제체 하부로부터 포화가 진행된 제방에

서는 균열이 발생하지 않았고(그림 2의 ‘18’), 설계자와 제

체재료, 다짐방법이 모두 동일하였음에도 불구하고 소성한

계 근처의 다짐함수비(22%)를 유지한 경우는(그림 2의

‘7’) 균열이 없었으나 건조다짐이 수행된 제방에서는(그림

1의 ‘1’) 심각한 균열이 발생한 사실로부터 다짐함수비의

중요성이 평가되었다.

2.1.3 균열 저항등급

그림 1, 2로부터 확인된 잠정 균열민감요소와 균열저항 특

성으로부터 제체의 재료특성에 다짐방법의 영향을 고려하여

다음 그림 3 및 표 2와 같이 균열저항등급이 제안되었다.

그림 3에서 균열에 큰 저항을 보인 제방에 대해서는 ‘○’,

중간정도의 저항은 ‘△’, 균열에 취약한 제방은 ‘+’ 표기로

나타내었다.

2.2 파이핑(Piping)

파이핑은 흙 댐의 주요 재해요인으로 제방의 생명력을 단

축시키며 대규모 피해를 유발할 수 있다. 제방의 파이핑 민

감도(susceptibility) 조사사례를 볼 때 일부 제방은 하류측

선단의 작은 누수에서 시작된 진행성 침식으로 인해 제체가

급작스럽게 붕괴된 경우가 있는 반면 일부 제방에서는 집중

누수가 수년 동안 지속되었음에도 불구하고 파이핑이 발생

하지 않은 사실이 확인되었다.

2.2.1 파이핑 영향인자

Sherard(1953)는 파이핑 현상을 누수(leak)에 의한 내부침

식(progressive backward erosion)과 진행성 표면탈락

(progressive sloughing)으로 구분하고 파이핑 피해를 입은

10 제방과 파이핑에 취약하였음에도 불구하고 피해를 입지

않은 21개 제방의 사례검토를 통해 균열과 마찬가지로 파

이핑 영향인자(표 3)를 선정하고 파이핑 저항등급을 제안하

였다.

그림 2. 균열이 발생하지 않은 제방의 입도와 소성도

그림 3. 재료의 입도 및 소성도에 따른 균열저항등급

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누수대가 형성되는 하류측 사면저부가 포화되면 제체 표면

이 흐트러지면서 강도가 저하되어 제체 표면이 붕괴되기 시

작하고 점진적으로 제체의 내측으로 진행되면 어느 순간 급

작스런 제방 붕괴를 초래하게 되는데 이것이 진행성 표면탈

락이다. 포화로 인한 제체의 강도저하를 원인으로 보지만 파

괴에 이르는 순간까지 누수가 미약하기 때문에 표면이 얇게

탈락되는 현상이 나타나며 탈락된 포화대 표면은 짧은 시간

수직 또는 수직에 가까울 정도로 가파른 상태를 유지하게

된다. 주로 하류측 사면 선단지점에서 시작되는 것으로 알려

져 있다. 내부침식은 흙 입자의 저항능력 이상으로 침투수

유출이 발생하면 흙 알갱이가 씻겨나가 누수통로가 형성되

는 것을 말하는데 진행성 침식에 의해 제방붕괴에 이를 수

있다. 누수통로는 제체의 균열이나 들짐승의 천공 등에 의해

직접적으로 형성될 수도 있다.

작은 누수로 시작된 진행성 파괴는 수년에 걸쳐 확장되기

도 하고 지반특성에 의해 불규칙한 누수경로를 가질 수 있

으며 붕괴 몇 시간 전부터 대규모 흙탕물이 유출되기도 한

다. 파이핑 경로를 두고 자연상태 비균질 지반으로부터 침투

수가 찾아낸 최대 투수경로라고 보는 시각이 있으며 Weijers

and Sellmeijer(1993)는 모래지반에서 침투수가 찾아낸 가장

취약한 구조적 특성을 파이핑 경로라고 하였다.

2.2.2 파이핑 저항등급

저항등급은 균열과 동일한 방법으로 발생시기, 피해규모,

진행정도, 지속시간이 고려되었으며 재료의 입도와 소성도를

기본으로 다짐방법의 영향을 고려하여 파이핑 저항등급을 제

안하였다(그림 4, 표 4).

그림 4에서 파이핑에 가장 크게 저항한 재료(①)와 중간정

도로 저항한 재료(②)의 입도는 등급범위로 제시되었고 파이

핑에 대단히 취약한 재료(③)는 대표입도곡선으로 제시되었

다. 또한 소성도 기준이 각각 제시되었다. 균열과 마찬가지

로 파이핑에 큰 저항을 보인 제방은 ‘○’,중간정도의 저항은

‘△’, 파이핑에 취약한 제방은 ‘+’로 표기하였다.

그림 4로부터 발췌한 파이핑 취약입도를 보면(그림 5) 이

들은 현행 통일분류법 기준으로 SM, ML이 여기에 속함을

알 수 있다. 대표입도곡선과 소성도 기준을 함께 고려하면

(PI

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급에서 이를 고려하지 않음을 2.1에서 언급하였다. 균열저항

등급은 신설제방이나 증축제방을 대상으로 검토해야 할 것

으로 보인다.

3.1 제방현황

파이핑 사례는 다산제, 여의제, 대곡제를 대상으로 하였다.

다산제는 우기 시마다 제체 누수가 빈번하여 2000년 일부 구

표 4. 파이핑 저항등급(Resistance Category to Piping)

구분(Categ.)

재료(Materials)

파이핑 저항등급 및 특성(Piping Resistance and Characteristics)

①• CL, CH(PI >15)

• SC(양입도, PI > 15)

•파이핑에 가장 크게 저항(Greatest resistance)•중, 소규모의 집중누수(concentrated leak)는 (사례 기준 누수도 15cm/sec 미만) 스스로 소멸시키거나 자가 회복이 가능.

•누수량을 증가시키지 않고 중소규모의 집중누수에 대해 지속적으로 저항할 수 있음.• 1200(m3/day) 정도의 누수량에서는 점진적으로 서서히 진행되는 파이핑에 의해 제방이 붕괴될 수 있음

②

• CL, ML(PI < 15)• SC, GC

(양입도, 7< PI < 15)

•파이핑에 중간정도 저항 (Intermediate resistance)•진행성 표면탈락(sloughing)이나 소규모 집중누수(concentrated leak)에 의해 제방이 붕괴 될 수 있음.

•만약 대규모 집중누수(누수도 15cm/sec 이상)가 발생하면 파이핑으로 인해 짧은 순간에 제방이 파괴될 수 있음.

•특정부위를 한정할 수 없지만 하류측 사면 저부 일대가 포화되는 정도의 누수에 안전하게 저항.

③• SP, SM(빈입도,

입경균등), ML(PI15, ②등급 7≤PI≤15, ③등급 PI15, 0.005mm 이하의 세립분 함유율이 32% 이상.(7) 소성이 큰(PI>15) 재료는 다짐이 다소 불량하더라도 파이핑 저항능력이 크게 저하되지 않는 것이 사례를 통해 확인되고 있으나(Standley Lake, Teller, Narraguinnep, Jumbo Dam) 이들 재료는 전단강도 부족이 우려되므로 파이핑 저항보다 전단변형에 대한 안정성 확보가 우선.

그림 4. 재료의 입도 및 소성도에 따른 파이핑저항등급

표 3. 파이핑 영향인자(J. L. Sherard, 1953)

파이핑에 영향을 미치는 요소 파이핑과의 연관성

① 세립분의 소성도와 투수성(plasticity and permeability)

저소성의 재료는 침식에 대한 저항능력이 근본적으로 작고 다짐불량 시투수도가 큰 침투대를 형성

② 제체 재료의 균질성(uniformity) 입경이 균등한 빈입도의 재료일수록 대규모 포화대를 형성.

③ 다짐도(degree of compaction)다짐불량은 어느 정도 소성을 기대할 수 있는 재료라 할지라도 결합력을 약화시켜파이핑 저항능력이 크게 저하

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그림 5. 파이핑 취약등급(③등급)의 입도분포

표 5. 사례 검토대상 제방현황

번호 제방 제 방 조 건 제방 파이핑 현황

1다산제

제방 전반에 걸쳐 제내지 선단부근 심각한 제체 누수, 2000년 일부구간 누수방지 공사가 수행되었고, 미 시행 구간에 대한 현장 답사 시 사면 선단 후미로부터 50m와 200m 떨어진 제내지 지점에서도 국부적인 파이핑(보일링) 흔적 확인. 제체누수는 국가하천 기존시설물 보강대책 조사용역 설계자문회의 요청서(부산지방 국토관리청 2002)에서도 제시.

2여의제

98년 우기 시 제체 침투로 인해 제내지측 사면 선단부 파이핑 발생(사진, 1차 파이핑).선단지점에서 차수벽을 설치하였으나 당시 불투수층까지 차수벽을 설치하지 못하고 한정 깊이까지만 차수벽 설치. 제내지 기초지반에서 2차 파이핑 발생. 차수그라우팅으로 재 보강.

3

대곡2

제

제체누수, 여건 상 제방중심 상단에서 제체 높이에 상응하는 심도까지만 차수 그라우팅 실시 한 후 사면 선단 기초지반으로 파이핑(사진)전이, 저체선단에서 불투수층까지 차수벽 재 보강.

* 주: 투수계수 k 값의 (F)는 현장시험, (L)은 실내시험, (T)는 문헌 대표 값임

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간에서 누수방지 공사가 수행되었고 미 시행구간 현장 답사 시

심각한 제체누수와 제내지 지반의 파이핑 흔적을 확인할 수 있

었다. 여의제의 경우 98년 제체침투에 의한 파이핑으로 제내지

측 제체 선단부에서 파이핑이 확인되었고(표 5, 사진), 대곡제

의 경우는 제체누수로 인해 제체상단에서 한정깊이까지만 차

수벽을 설치한 후 파이핑이 선단부 제체와 선단 기초지반에서

발생(표 5, 사진)하였다. 세부 현황은 표 5에 수록하였다.

3.2 파이핑 저항등급

입도에 대한 파이핑 저항등급 평가는, ①,②등급의 경우 입

도분포 형상이 제시된 저항등급 범주에서 유사성을 가지는

정도로써 판정하고, ③등급은 제시된 대표곡선에 대해 입도

가 유사성을 가지면서 가까운 일치도를 보일수록 파이핑에

취약한 것으로 평가하여 소성도 기준을 적용한다. 입도 상의

일치도에서는 세립분 함량의 중요성을 우선적으로 고려한다.

그림 6. 제방의 파이핑 저항등급

표 6. 파이핑 저항등급 평가

제방 재료파이핑 저항등급 평가

판정 비고재료의 입도 평가 소성도 평가

다산제

SP 입도형상은 ③등급과 유사, 조립측으로 이격. 세립분 함량의 중요성 측면에서 ②등급 판정

② 비소성 ③ ③ 기초지반

SM

세립분 함량이 일부 다소 이격되는 측면이 있으나 제안된 취약등급 입도분포(그림 5)를 고려할 때 전반적으로 ③등급에 일치.일치의 정도를 정량적으로 표시할 수 있는 기준이 필요할 것으로 보임.

③ 비소성 ③ ③파이핑발생제체

ML ① 등급에 가까우나 제시된 입도경향에 비해 다소 빈입도. 세립분은 ①,②의 중첩영역.

②PI < 10

(저소성~PI=10)② or ③ ② or ③ 기초지반

CL ①등급. 제시된 입도경향에 비해 다소 빈입도. ① PI > 20 ① ①기초지반

(국소 편재)

여의제 SM 유사성과 일치도에서 ③등급에 부합 ③ PI < 5 ③ ③ 파이핑

대곡제 SM 유사성과 일치도에서 ③등급에 부합 ③ PI < 5 ③ ③ 파이핑

*주: (1)다산제는 실제 파이핑이 발생한 제체(SM)와 기초지반에 대해서도 참고적으로 파이핑 저항등급을 평가해 보았다. SP의 경우,

입도기준은 ②등급, 소성도 기준 ③등급이나 최종 ③등급으로 판정한 것은 입도 상으로 ②등급의 재료라 할지라도 PI

− 40 − 大韓土木學會論文集

3.3 침투해석

파이핑 저항등급에 의한 파이핑 예측결과를 침투해석 결과

와 비교하기 위하여 유한요소해석(Z_Soil ver 6.24)을 실시

하였다. 유한요소해석에서는 침투해석 영향인자를 검토하였

으며 정상류와 비정상류 조건에서의 침투수 흐름양상을 비

교하였고 침투수가 집중되는 유출부 영역을 세분화하여 침

투유속과 국소 동수경사를 평가한 후 실제 파이핑이 발생한

지점에 대해 한계유속과 한계동수경사에 의해 파이핑 안정

검토를 실시하였다.

3.3.1 침투해석 영향인자

일반적으로 유한요소해석에 의한 침투해석 결과는 지반조

건, 단면형상, 수위조건, 분할 요소의 크기 등에 의해 영향

을 받는다. 국내 설계의 경우 현장시험이나 계측, 문헌 등을

통해 지반특성과 단면형상을 고려하고 있으나 시간 변화에

따른 수위조건, 분할요소의 크기에 대한 영향은 고려하지 못

하고 있는 실정이다. 특히 우리나라의 경우 홍수 지속시간이

짧아 수위조건을 정상상태로 다룰 경우 과대한 외력을 줄

수도 있다.

3.3.1.1 수위조건

정상흐름(steady)과 비정상흐름(transient)의 수위조건을 고

려하였다. 비정상 흐름에서는 관측수위곡선을 이용하여 침투

해석을 실시하고 정상흐름의 경우와 비교하였다. 비정상 흐

름조건에 적용한 시간-수위곡선은 2002년 8월 상순, 낙동강

유역 수위자료(낙동강 홍수통제소)를 이용하였다(그림 7). 수

위는 각 제방의 해당수위(HWL)를 적용하였다.

3.3.1.2 분할요소의 크기

유한요소법에 의한 침투류 계산에서는 분할요소의 특성에

따라서 침윤면의 형상이나 유속벡터 등이 변화할 수 있기

때문에 일본하천설계기준(2000, 건설성)에서는 분할요소의 최

소 두께를 제방 높이의 1/10 이하로 적용하는 것을 제안하

고 있다. 본 검토에서도 분할요소 크기가 해석결과에 미치는

영향을 분석하고 이를 실제 해석에 적용하였다.

우선 S=1:1.5, k2/k1=0.1, D/H=0.1 조건에서(그림 8) 제

체 높이 H를 5~10m까지 변화시키면서 분할요소의 크기를

달리하여 침투해석을 실시하고 선단지점의 국부동수경사를

산정하여 분할요소의 크기에 따른 영향을 검토한 다음,

H=10m, k2/k1=0.1 조건에서 D/H을 변화시켜보았으며 k2/

k1도 변화시켜 보았다. 또한 제체 경사 S도 변화시키면서

제체 선단부의 국소 동수경사(iexit)를 산정하였다. 분할요소의

형상은 정사각형을 원칙으로 적용하였다.

분석결과 분할요소의 높이가 제방 높이의 1/10 이하가 되

면 제체 선단의 국소동수경사는 크게 변하지는 않으나 1/20

이하에서 거의 일정한 값이 되는 것을 확인할 수 있다. 또

한 국소 동수경사는 제방높이 자체 보다는 D/H, k2/k1가

증가할수록, 제체경사가 가파를수록 변화폭이 크다는 것도

알 수 있다. 따라서 본 검토에서는 분할 요소의 크기를 1/

20이하로 적용하였다. 그림 8은 이를 정리한 것이다.

3.3.2 침투해석에 의한 파이핑 안정평가

침투해석은 kx=ky 조건으로 검토하였다. 지반의 이방성 문

제가 있지만 관측수위를 이용한(그림 7) 비정상 침투해석은

흐름상태가 정상침투에 못 미치는 것으로 평가되었다(그림

9).

일반적으로 파이핑에 대한 안정검토는 한계동수경사, 한계

유속 그리고 E. W. Lane이 제안한 Creep 비(Weighted

Creep Ratio)가 사용된다.

Creep 비는 흙 기초 지반위에 축조된 280개의 석조 댐

(masonry dam)중에서 파이핑 파괴가 발생한 150개 댐을 분

석하여 얻어진 것으로 석조 댐이나 콘크리트 댐과 같은 불

투수성 댐의 기초지반에서의 파이핑을 대상으로 하고 있다.

또한 재료의 입도만을 고려한 것이기 때문에 대대적인 보완

을 가한다할지라도 현행 다짐시공 방식의 흙 제방에서는 적

용이 곤란하다. 실제로 정형식 등(1989)은 흙 제체를 대상으

로 모형시험을 실시한 결과 흙 종류에 관계없이 파이핑 파

그림 7. 관측 수위곡선(낙동강 홍수통제소) 및 해석 수위곡선

그림 8. 분할요소 크기에 따른 국소동수경사의 변화

第26卷 第1C號 · 2006年 1月 − 41 −

괴가 제체 내에서만 발생하였기 때문에 이를 일반 제방에

적용하는 것은 불합리하다고 밝히고 있다.

한계동수경사(icr)는 입자형상, 입도분포, 점착력 등은 고려

하지 않고 연직 유효응력이 영(零)이 되는 조건을 생각하여

얻어진 것이기 때문에(김상규 외, 1992) 흐름방향이 상향으

로 발생하는 제내지 기초지반의 유출부에 적용하였고, 수평

흐름이 지배적인 제체 유출부에 대해서는 한계유속을 적용

하여 안정성을 평가하였다. 한계유속은 흙 입자의 입경과 관

련된 Richardson의 식을 이용하였다.

(Re≤1 일때) (4.1)

(Re>1 일때) (4.2)

여기서, υn: 간극률 n일 때 한계유속 m: Re수에 의한 지수n: 간극률(porosity) Gs: 토입자의 비중

g: 중력가속도(cm/sec2) d: 토입자의 입경(cm)

CD: 저항계수(Reynolds 수의 함수)

Justin이 제안한 한계유속은 과대평가하는 경향이 크기 때

문에 하천설계기준(2005)에서도 침투해석에 의한 실유속을

입경별 한계유속에 대해 1/100 이하가 되도록 규정하고 있

다. 파이핑 안정검토 결과는 그림 10과 같다.

한계유속 검토에서는 제내지측 사면 선단지점에 인접할수

록 정상침투 및 비정상침투 모두에서 최대 침투유속이 한계

유속을 초과하고 있어 파이핑이 발생하며, 한계동수경사 검

토에서도 대곡제의 경우는 사면선단 지점에서 동수경사가 한

계동수경사를 초과하고 있고 다산제의 경우는 한계동수경사

에 근접하고 있다. 여의제의 경우는 한계동수경사를 밑돌지

만 일반적으로 파이핑 안정검토에서는 허용 안전율 2이상을

고려하는 것을 감안한다면 기준 안전율에 못 미치므로 불안

정 측에 속한다.

파이핑 안정검토에서 2이상의 안전율을 고려하는 것은 지

반의 이방성 및 비균질특성에 기인한 것으로 생각할 수 있

다. 한 예로 Kalin(1977)은 지반은 비균질특성을 가지기 때

문에 현장의 한계동수경사는 이론으로 구한 한계동수경사에

대해 20~40% 저감된다고 제안하였으며 Schmertmann(2000)

은 실제로 현장의 세립 모래지반으로부터 평균 iv=0.3~0.61

수준에서 보일링이 발생함을 확인해주었다.

4. 결 론

제체의 재료특성과 시공방법의 영향을 고려하여 Sherard

υn

n1 m⁄

18ν---------- G

s1–( )d2g=

υn

n1 m⁄4

3CD

---------- Gs

1–( )dg=

그림 9. 정상류 침투 및 비정상류 침투에 대한 침투해석 결과(대곡제 예)

그림 10. 파이핑에 대한 안정해석 결과

− 42 − 大韓土木學會論文集

(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하고 실제

파이핑이 발생한 낙동강 하천제방 사례에 적용해 보았다. 또

한 침투해석 영향인자를 고려한 유한요소 해석을 실시하여

한계유속과 한계동수경사에 의한 현행 설계방법으로 안정검

토 결과를 비교하여 그 실효성을 평가해 보았다. 3개 제방

으로는 사례가 충분하지 못해 향후 보다 많은 국내 하천제

방에 대한 검토가 필요할 것으로 보이나 저항등급 평가 및

침투해석 결과 모두가 실 사례와 일치하고 있어 아직까지

설계 차원에서 사전에 파이핑을 단정적으로 예측할 수 있는

방법이 없는 실정임을 감안할 때 기존제방에 대해서는 잠재

적인 파이핑 발생 가능성을 정성적으로 평가하거나 신설 제

방의 경우는 예비설계 단계에서 제체재료 선별방안으로 한

편 유용하게 활용할 수 있을 것으로 보인다.

1.실제 파이핑이 발생한 제방의 재료특성을 파이핑 저항등

급에 적용해본 결과, 입도의 경우 제안된 기준과의 일치도

를 정량적으로 제시하기 어려운 문제점을 보였으나, 입도

와 소성도 모두에서 전반적으로 파이핑 취약등급에 일치

함으로써 파이핑이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.

2.유한요소법에 의한 침투해석에서는 제체 유출부에 대해 한

계유속으로 파이핑 검토를 수행한 결과 모든 제방에서 파

이핑이 발생하는 것으로 평가되어 실제 사례와 일치하였

으며, 제내지 제체선단 기초지반에서는 한계동수경사를 적

용한 결과 대곡제의 경우 파이핑이 발생할 수 있음이 확인

되었다. 다산제와 여의제의 경우는 기준 안전율 2 이상을

고려할 때 불안정 측에 속하여 현행설계기준에 의한 한계

유속 및 한계동수경사 검토에서도 파이핑이 발생할 수 있

는 것으로 평가되었다.

3.재료의 입도와 소성도가 파이핑 취약등급을 동시에 만족

할 때 파이핑에 결코 유리하지 못한 것은 사례를 통해서

도 확인되지만 파이핑 저항등급은 다짐방법의 영향을 고

려해야하고, 제체의 경사도가 1:2이하, 높이 10m 이상의

제방으로부터 얻어진 것이므로 실용적 차원에서 이를 활

용하기 위해서는 다소 보완이 필요할 것으로 보인다.

4.유한요소해석에서는 분할요소의 크기에 따라 국소동수구

배가 조건에 따라서는 3배까지도 차이를 보일 수 있으므

로 설계 시 이에 대한 검증이 반드시 필요할 것으로 보

이며

5.관측수위를 이용한 비정상류 침투해석에서는 고수위지속

시간에 의해 정상류 해석결과와 흐름양상 및 유출부에서

의 침투유속, 국소동수경사 등이 차이를 보임으로써 설계

차원의 기준이 마련되어야 할 것으로 보인다. 우리나라의

경우 홍수지속 시간이 비교적 짧아 수위조건을 정상상태

로 다룰 경우 과대한 외력을 줄 수도 있다.

6.다산제의 경우 후미 제내지측으로 50m, 200m 떨어진 지

점에서도 파이핑이 확인되었으나 이는 국부적인 지형특성

때문으로 추정되며 본 검토에서는 이를 규명할 수 없었다.

감사의 글

본 논문은 2004년도 서일대 학술연구비 지원으로 수행되

었다. 이에 감사드린다.

참고문헌

건설성 하천국(2000) 일본하천제방설계지침, 제3고.

건설교통부(1999) 하천공사 표준 시방서.

김상규, 신승목, 서홍석, 한성길(1992) 침투유속에 의한 제방의

파이핑 해석(사례연구), 대한토목학회 학술발표회 논문집, 대

한토목학회, pp. 497-500.

부산지방국토관리청(2002) 국가하천기존시설물 보강대책조사용역

설계자문회의요청서, pp. 24-26

부산지방국토관리청(2000) 낙동강 다산제 수해복구 공사 실시설

계 토질조사 보고서, pp. 14-36.

부산지방국토관리청(2000) 낙동강 대곡제 수해복구 공사 실시설계

토질조사 보고서.

부산지방국토관리청(2000) 낙동강 여의제 수해복구 공사 실시설계

조사 보고서.

부산지방국토관리청(2003) 형산강 유금제외 6개소 하천개수공사

실시설계 보고서, pp.91-95.

정형식, 류재일, 안상로(1989) 토질 제체의 Piping 파괴에 대한

실험적 연구, 대한토질공학회지, 대한토질공학회, 제5권, 제4

호, pp. 17-26.

한국수자원학회(2000) 하천설계기준 및 해설.

한국수자원학회(2005) 하천설계기준 및 해설, pp. 350-351.Casagrande, A. (1950) Notes on the Design of Earth Dams, Proc. of

Boston Society of Civil Engineers.

Kalin, M. (1977) Hydraulic Piping-Theoretical and Experimental

Findings, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 14, No. 1, pp.

107-124.

NAVFAC (1982) Foundations and Earth Structures, Design Man-

ual 7.2, pp. 38-43

Sherard, J. L. (1953) Influence of Soil Properties and Construction

Methods on the Performance of Homogeneous Earth Dams,

Technical Memorandum 645, U. S. Department of the Interior,

Bureau of Reclamation, pp. 1-71.

Schmertmann, J. H. (2000) The No-Filter Factor of Safety against

Piping through Sands, ASCE, Geotechnical Special Publica-

tion No.111, pp. 65-133.

Weijers, I. B. A. and Sellmeijer, J. B. (1993) A New Model to Deal

with the Piping Mechanism, Proc. of 1st International Confer-

ence on Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering,

Karlsruhe, pp. 349-355.

(접수일: 2005.9.30/심사일: 2005.10.24/심사완료일: 2005.10.24)