KDS 설계기준 544000 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐

2024년 07월 21일 건설엔지니어

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콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐 설계 기준

1. 일반사항

(1) 목적

콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐(CFRD) 설계에 필요한 체계적인 기준 제시

(2) 적용범위

CFRD 설계에 적용

(3) 참고 기준

관련 법규: 댐건설‧관리 및 주변지역지원 등에 관한 법률(댐건설관리법), 물관리기본법, 수자원의 조사ㆍ계획 및 관리에 관한 법률(수자원법), 자연재해대책법, 하천법
관련 기준: KDS 51 00 00 하천설계기준, KDS 54 30 00 필댐, KDS 67 10 20 농업용 필댐설계

(4) 용어의 정의

보조암석재료존(zone 3C): 주암석재료존(zone 3B) 인접 지역, 직접적인 외력을 받지 않아 재료 선택에 여유, 조립질의 석괴재로 구성, 투수성이 큼
불투수존(zone 1): 차수벽 누수 시 유입되는 물의 누수 차단 효과 증대, 보조적 기능
주변이음: 프린스(plinth)와 표면차수벽(face slab) 경계부 이음
주암석재료존(zone 3B): 댐체에 작용하는 외력 대부분 담당, 침하 및 변형 최소화, 양질의 암석재로 축조
차수벽지지존(zone 2): 차수벽 균열, 지수판 결함으로 발생하는 누수를 댐체 손상 없이 안전하게 통과, 반투수성, 차수벽 직접 지지
트랜지션존(zone 3A): 차수벽과 암석존 제체 강성 차이로 응력이 차수벽 또는 차수벽지지존에 과도하게 전달되는 것을 방지, 공극 크기 제한, 차수벽지지존 재료가 암석 재료의 큰 공극 속으로 씻겨 들어가는 것을 방지
표면차수벽형 석괴댐: 제체 상류면에 콘크리트, 아스팔트 콘크리트 등 인공 차수재료에 의한 차수벽 설치, 차수 기능 충족, 배후는 투수성 재료 배치, 제체 안정성 확보
스타터베이콘크리트: 차수벽 콘크리트 타설 장비인 슬립폼(slip form) 설치에 필요한 여유 공간 확보, 프린스 접합부에 시공하는 패드(pad) 콘크리트
슬립폼공법: 거푸집 사용 없이 콘크리트 포설, 다짐, 마무리 등 모든 공정을 기계적으로 연속 시공
앵커바: 콘크리트 구조물을 암반에 고정, 부착력 확보, 양압력 또는 그라우팅 작업 시 발생할 수 있는 상향력에 대비
프린스: 차수벽과 댐 기초를 수밀 상태로 연결, 그라우트 캡 역할

(5) 기호의 정의

: 앵커바 인장력 (MPa)
: 철근콘크리트 최소 피복 두께 (㎝)
, : 필터존의 15%, 50% 입경 크기 (mm)
, , : 차수벽지지존의 15%, 50%, 85% 입경 크기 (mm)
: 그라우트 압력에 저항하는 힘 (MPa)
: 프린스 자중 (MPa)

2. 조사 및 계획

(내용 없음)

3. 재료

(내용 없음)

4. 설계

(1) 댐 형식 선정

다음 사항을 고려하여 선정
- 댐 규모 및 지형지질
- 공사용 재료
- 수문기상 및 유수전환 계획
- 자연 환경적 조화
- 공사 기간, 경제성 및 유지관리
- 지진에 대한 안정성

(2) 기초설계

기초설계 일반
- 기초의 요철 등으로 인한 제체 부등 침하에 의한 제체 변위 및 차수벽 균열 발생 방지
- 프린스(plinth) 기초, 트랜지션존(transition zone) 기초 및 암석존(rockfill zone) 기초 설계
- 프린스 위치 결정 시 시추 조사 실시, 기초 상태 확인
기초지반 평가 요소
- 지반 강도, 압축성, 침식성, 투수성 등 허용성 평가
프린스 및 트랜지션존 기초
- 원칙적으로 신선한 암반 위에 시공
- 과도한 동수경사에 의한 재료 이동 및 누수 방지
  - 국부적인 지반 결함은 침투로 연장, 콘크리트 채우기, 그라우팅 등으로 보강
  - 프린스 기초부와 댐축 사이 돌출부분은 응력 집중 방지
암석존 기초
- 제체 하중 대부분 부담, 암반 수밀성 증대보다는 제체 부등 침하 방지, 지지력 부족 등에 대처
댐 기초 처리
- 침하, 누수에 의한 세굴 및 파이핑 현상 방지
- 프린스 기초 암반이 풍화암, 단층대, 균열대 등으로 구성 시 세부적인 지질 조사 실시, 지층 또는 지반 구성 상태 확인, 적절한 대응 공법 강구
- 지층이 풍화된 사암 또는 이암층으로 구성되어 프린스 접촉면에서 침투수 발생 우려 시 트렌치(trench) 굴착, 콘크리트 채워 침투수 발생 방지
- 기초 상태에 따라 침투 장의 연장, 콘크리트 채우기, 그라우팅 처리, 개별 또는 연계 적용 가능
- 그라우팅은 KDS 54 30 00(4.2.4) 관련 기준 적용

(3) 프린스 설계

프린스 설계 일반
- 차수벽과 댐 기초를 수밀 상태로 연결, 그라우트 캡 역할
- 프린스 강도, 안정성, 경제성 유지, 과거 시공 경험치 참고
- 프린스 각 부분 명칭 그림 4.3-1 참조
프린스 폭
- 경험적인 방법, 기초 암반 상태 및 상류 끝단에 작용하는 양압력에 의한 동수경사 산정
- 암반 상태에 따른 허용 동수경사 표 4.3-1 참조
- 암반 상태가 양호하고 그라우팅 가능 시 총 수두의 1/15 ~ 1/25
- 기초 지반이 양호하지 않을 경우 총 수두의 1/6
- 프린스 최소 폭은 3m, 댐 높이 25m 이하인 경우 2m 가능
프린스 두께
- 굴착 시 여굴, 현장 지질 조건 및 시공 기술 수준 고려
- 기초 암반과 구조물의 변위 고려, 기초 처리 시 그라우팅 압력에 저항, 일반적으로 0.2MPa ~ 0.4MPa 압력 작용
프린스 철근
- 온도 철근 기능 유지, 휨 응력으로 인한 균열 폭 최소화, 분산, 1열 또는 2열 배치
- 철근비는 폭과 길이 방향에 걸쳐 일정한 간격, 각 방향 슬래브 두께의 0.3%
- 앵커바 길이, 간격, 직경은 암반 조건, 시공 사례, 하중 분할에 따른 응력 분포에 근거, 일반적으로 25mm ~ 35mm, 간격은 1.0m ~ 1.5m, 길이는 3m ~ 5m
- 지형 조건과 시공 편의를 위해 수직 시공 이음 가능, 간격은 15m 정도
- 프린스 횡 방향으로 신축 이음을 둘 경우 차수벽의 신축 이음과 겹치지 않도록 배치

(4) 댐 표준 단면 설계

댐 표준 단면 설계 일반
- CFRD 표준 단면 및 각부 명칭 그림 4.4-1 참조
- 제체 단면은 차수벽지지존, 트랜지션존, 암석존, 파라페트월, 불투수존, 차수벽 등으로 세분
- 환경친화존 설치 가능
댐마루 표고와 여유고
- 댐마루 높이는 설계 홍수위에 여유고 더하여 결정, 여유고는 KDS 54 30 00(4.2.5) 적용
- 댐마루 표고 결정은 수위 기준 또는 파라페트월 기준, 상호 비교 검토
- CFRD에서 파라페트월 설치 시 댐 높이를 프린스 바닥으로부터 파라페트월 상단까지로 하는 것을 검토 가능
- 파라페트월 기준으로 하는 방법을 채택 시 댐 단면 감소, 파라페트월로 대체 가능
댐마루 폭
- 사용 목적, 시공성, 유지관리 고려, 10m 이상
덧쌓기
- 댐 축조 완료 후 장기 침하량 예측, 덧쌓기 실시
- 장기 침하량은 재료 압축성 및 축조 시 다짐 불균등으로 인한 공극 고려, 댐 높이의 0.1% ~ 0.35%
댐체 사면 경사
- 기초 암반 압축성, 암 축조 재료 내부 마찰각, 댐 높이 등을 기초로 기존 설계 사례 참고, 댐체 특성에 따라 표준 경사 및 사면 도로 규모 결정
- 상‧하류 사면 경사는 일반적으로 댐 높이에 따라 1:1.3 ~ 1:1.6
댐 단면 구성 및 축조 재료
- 댐 단면 구성 및 축조 재료는 댐 주변 재료 분포 상황에 따라 상이, 과거 시공 사례 참고, 현장 암 재료원 분포 등 고려, 입도 분포 및 최대 치수 등 결정
- 차수벽지지존 (존 2): 차수벽 직접 지지, 반투수성 벽 형성, 차수벽 균열 또는 결함으로 인한 누수를 댐체 손상 없이 안전하게 통과, 재료 입도 분포 양호, 적합한 투수성 유지(투수 계수: 1×㎝/s 정도), 평균적으로 최대 치수 75mm ~ 38mm, 4.76mm(No. 4번체) 이하 함유율 35% ~ 55%, No.200번체 통과율 5% ~ 15%, 수평 폭은 3m ~ 5m, 댐 높이가 높을 때는 수심에 따라 증폭 가능
- 트랜지션존 (존 3A): 차수벽과 암석존 제체 강성 차이로 인한 응력을 방지, 공극 크기 제한, 차수벽지지존 재료가 암석 재료의 큰 공극 속으로 씻겨 들어가는 것을 방지, 중심 코어형 필댐의 필터존과 같은 역할, 최대 치수는 일반적으로 150mm, 누수 시 차수벽지지존 세굴 방지, 식 4.4-1, 4.4-2 참조, 시공 편의성 고려, 댐 정상부에서 5m 정도, 댐 높이가 높을 때는 수심에 따라 증폭 가능
- 주암석재료존 (존 3B): 수압과 댐 자중에 대해 차수벽 균등하게 지지, 댐체에 작용하는 외력 대부분 담당, 침하 및 변형 최소화, 양질의 암석재로 축조
- 보조암석재료존 (존 3C): 주암석재료존 인접 지역, 직접적인 외력을 받지 않아 재료 선택에 여유, 조립질의 석괴재로 구성, 투수성이 큼, 다짐 장비 효율성 및 현장 여건 고려, 입도 분포 조정 가능
- 불투수존 (존 1): 차수벽 누수 시 유입되는 물의 누수 차단 효과, 보조적 기능, 높이는 댐 높이에 따라 선택적으로 설정, 저수지 수위가 저하해도 차수벽 보수 불가능한 저수위(LWL) 이하 구간에 설치, 사면 자체 안식각 최대한 높일 수 있도록 사면 경사 1:2.2 이상
- 댐 하류 환경친화존: 주변 자연 환경과 조화, 암석존 하류 사면에 설치 가능, 누수 시 침투수 원활한 배제 저해 가능성 검토, 안전성 검토, 배수 대책 수립, 사면 경사는 환경 친화적인 측면과 안전 측면 고려, 일반적인 성토 단면 기준 1:1.8 ~ 1:2.5
- 파라페트월: 파도로 인한 월류 방지, 댐 단면 감소, 댐 축조량, 차수벽 면적 감소, 댐 정부 폭 확대, 제체 단면과 관련하여 결정, 높이는 축조량, 기초 굴착량, 차수벽 면적 감소로 인한 공사비, 월류에 따른 댐 안정성 등 고려, 침하, 온도 변화, 건조 수축 등 체적 변화에 의한 인장 응력으로부터 콘크리트 균열 방지, 파라페트월과 차수벽 이음, 파라페트월의 신축 이음, 시공 이음 설치, 파라페트월과 차수벽 이음부는 동지수판 또는 PVC 지수판 등 수밀 재료 이용, 1단 지수 계획, 마스틱 필러(mastic filler) 마무리
댐체 경사면에 설치하는 도로
- 자연 환경 훼손 범위 고려, 댐 하류 측 사면에 공사용 도로 설치 가능
- 종단 경사는 10% 이하, 최소 폭은 6m ~ 7m, 댐 높이에 따라 공사 차량 원활한 운행을 위한 교행 시설 계획

(5) 차수벽 설계

차수벽 설계 일반
- 충분한 강도 및 지수성, 각종 차수 재료 설치 가능, 내구성을 가진 두께 확보
- 댐 높이, 응력 분포, 내구성, 시공 사례, 향후 유지관리, 최근 설계 현황 등 고려, 차수벽 두께와 철근량 결정
차수벽 콘크리트
- 내구성, 수밀성, 낮은 건조 수축, 적절한 워어커빌리티(workability) 확보
- 1:1.4 ~ 1:1.5 사면에서 주로 슬립폼에 의해 콘크리트 타설, 콘크리트 성형성, 타설 속도, 내구성, 수밀성 등 종합적으로 고려하여 배합 설계
블록 설정
- 차수벽은 분할하여 설치, 차수벽 분할 폭 치수 결정은 시공 방법과 밀접한 관련, 현장 시공 상황 고려
- 차수벽 슬래브 평면도 그림 4.5-1 참조, 차수벽 분할 블록 폭은 12m, 15m, 18m, 일반적으로 15m
차수벽 두께
- 댐 높이가 낮은 경우를 제외하고는 차수벽 정상부에서 0.3m, 하부로 내려오면서 수심(H)에 따라 변화, 0.3m+0.003H
- 댐 높이가 낮은 댐의 경우 일정한 두께(0.3m) 가능
- 높은 댐의 경우 0.3m 이상
차수벽 철근
- 소요 철근량은 차수벽 두께의 0.40% ~ 0.50%, 철근(D19, D22, D25, D29, D32) 간격은 차수벽 두께보다 작아야 함, 200mm ~ 300mm
균열 제어
- 단부 보강 구간 허용 균열 폭은 식 4.5-1
- 차수벽 콘크리트는 방수성 구조물, 0.2mm보다 큰 균열 발생 시 균열 확대 방지
지수판 및 이음
- 주변 이음, 신축 이음, 시공 이음
- 차수벽은 대부분 압축력을 받으므로 시공에 지장이 없는 범위 내에서 슬래브 간 신축 이음 개소수를 줄일 수 있으나, 이음부 구조 개선이 이루어지고 있고, 시공 후 균열이 나타나는 점 고려, 이음부 처리, 이음재 기능의 장·단점 및 시공 사례 참고
슬립폼 설계
- 평균 진행 속도는 1.5m/h ~ 5m/h, 콘크리트 슬럼프 치, 스크리드 폭, 슬립폼의 전중량, 콘크리트 운반 방법 등에 따라 달라질 수 있음
- 피니셔(finisher) 표준 길이는 1.5m, 표준 타설 속도는 1.5m/h, 타설 속도와 피니셔 길이 증가 시 콘크리트 균열 발생 여부 검토

(6) 안정 계산

변형성이 다양한 재료로 구성, 복잡한 거동 특성
안정 해석 시 다음과 같은 경우 포함
- 상·하류 쪽에 대해 축조 직후 안정성
- 상류 쪽에 대해 저수지 수위가 1/2 정도 차 있을 때 안정성
- 상류 쪽에 대해 수위 급강하 시 안정성
- 하류 쪽에 대해 상시 만수위 시에 지진 발생 시 안정성
댐체 안전도 계산 시 다음 사항 검토
- 댐체 사면 안정성
- 저수지 수압에 대한 차수벽 응력 및 변위 발생 정도
- 담수에 따른 주변 이음의 이동
- 댐체 탄성 침하와 변형이 단면 설계에 미치는 영향
- 댐체 내부 응력 전이 상태와 축조 재료 안정성
침투수 안전성 검토는 KDS 54. 30. 00(4.2.6) 적용

(7) 계측 설비

계측 설비 일반
- 댐 시공 중 및 완성 후 제체, 기초 지반, 차수벽 거동 관찰
- 각종 이음부 및 차수벽 설계
- 암과 암 축조 평가
- 암 축조에서 존의 설계
CFRD 계측 항목
- 표면 차수벽 콘크리트 변형 측정
- 댐체 변위 측정
- 댐체 내 응력 및 간극 수압 측정
- 댐체를 통한 누수량 측정
- 지진에 따른 변형
- 그 외 세부 사항은 KDS 54 30 00(4.5) 적용
계측 항목
- 댐체 변형, 응력, 침투량, 지진과 차수벽의 변형, 응력 및 기초의 간극 수압 측정
- 계측 기기별 세부 사항 표 4.7-1 참조
- 계측 기기는 댐 규모, 기초 지반, 안정 해석 결과 등에 따라 조정 가능

5. 시공

(내용 없음)

6. 유지관리

(내용 없음)

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