KDS 설계기준 671025 농업용 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐 설계

“

농업용 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐 설계 기준

1. 일반사항

1.1 목적

• 농어촌용수 안정적 확보 위한 농업용 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐 설계 기준 제시

1.2 적용 범위

• 댐 높이 15m 이상 농업용 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐 설계 적용
• 15m 미만 댐 또는 100만m3 미만 소규모 댐은 환경부 소규모 댐규정(KDS 54 90 00) 적용 가능
• 최소한의 내용 규정, 개별 댐 지점 현장 여건 감안하여 탄력적으로 적용
• 미제시 사항은 국가건설기준 인용 가능
• 기후변화 고려 시 기후변화대응 기술개발 촉진법 기준 적용 가능

1.3 참고 기준

1.3.1 관련 법규

• 국토의 계획 및 이용에 관한 법률
• 기후변화 대응 기술개발 촉진법
• 기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법
• 건설기술진흥법
• 농어촌정비법
• 농업·농촌 및 식품산업 기본법
• 농지법
• 댐건설‧관리 및 주변지역지원 등에 관한 법률(댐건설관리법)
• 물관리기본법
• 수자원의 조사 계획 및 관리 등에 관한 법률
• 재난 및 안전관리 기본법
• 자연재해대책법
• 저수지·댐의 안전관리 및 재해예방에 관한 법률
• 하천법

1.3.2 관련 기준

• KDS 14 00 00 구조설계기준
• KDS 17 00 00 내진설계기준
• KDS 51 00 00 하천설계기준
• KDS 54 00 00 댐설계기준
• KDS 67 80 00 농업수질 및 환경
• KCS 14 00 00 구조재료공사
• KCS 54 50 05 댐공사

1.4 용어의 정의

• 댐 높이 : 댐 기초지반과 댐마루의 표고차 (농업용 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐에서는 프린스 바닥에서 댐마루 하류측 비탈머리까지의 표고차)
• 슬립폼 공법 : 거푸집 없이 기계적으로 콘크리트 포설, 다짐, 마무리 하는 공법
• 수직신축이음 : 차수벽 콘크리트 온도응력으로 인한 횡방향 변위 수용 이음
• 시공이음 : 차수벽 콘크리트 타설 시 편의를 위한 이음 (수직, 수평 시공이음으로 구분)
• 앵커바 : 콘크리트 구조물을 암반에 고정하는 강봉
• 주변이음 : 담수 후 차수벽 변형 수용을 위한 프린스와 차수벽 접합부 이음
• 차수벽 : 담수 후 저수지 물 흐름 차단 구조물 (주변이음, 수축이음, 시공이음 포함)
• 표면 차수벽형 석괴댐 : 제체 상류면에 인공 차수재료 설치하여 차수 기능 충족, 배후는 투수성 재료로 안정성 확보하는 댐 형식
• 파라페트 월 : 댐체 일부로 댐마루 상류 끝단에 설치, 월파 방지 옹벽 구조물
• 프린스 : 차수벽과 댐 기초 수밀 연결, 그라우트 캡 역할

1.5 기호 정의

• : 앵커바 인장력 (MPa)
• D15F, D50F : 필터존의 15%, 50% 입경크기 (mm)
• D15B, D50B, D85B : 차수벽 지지존의 15%, 50%, 85% 입경크기 (mm)
• : 대안거리 (m)
• : 지진시 정역학적 안전율
• : 정적 안정계수
• : 여유고 (m)
• : 지진에 의한 파랑고 (m)
• : 여수로 형식에 의한 안전고 (m)
• : 댐형식에 의한 안전고 (보통 1.0m)
• : 파라페트월의 상단표고 (EL.m)
• : 유의파고 = 0.00086U1.1× F0.45
• K : 투수계수 (㎝/s), H : 수두 (m)
• : 설계지진계수
• : 수평지진계수
• : 댐의 사면경사
• : 항복지진계수
• : 그라우트 압력에 저항하는 힘 (MPa)
• : 물결이 처오름 높이를 포함한 파랑고 (m)
• : 간극수압계수
• : 축조재료의 포화밀도/수중밀도
• : 프린스 자중 (MPa)
• : 10분간 지속되는 최대풍속 (m/s)
• : 축조재료의 내부마찰각
• : 댐체의 사면경사

1.6 해석과 설계원칙

• 안전하고 경제적이며 친환경적인 설계
• 사용과 기능 목적에 적합한 설계
• 기후변화 고려한 지속가능성 고려

1.7 설계 고려사항

• 농업 생산성 및 안전성 향상
• 물리적, 사회적 지형여건 및 경제여건 부합
• 기후변화, 영농변화 등 지속가능성 고려
• 재해 취약 지역은 재해예방 고려
• 댐 규모 및 지형지질 조건 고려
• 공사용 재료 채취 가능 여부 및 자연환경적 조화 고려
• 공사 기간, 경제성, 유지관리성 종합 고려

1.8 구조설계도서

• 안전하고 사용과 기능 목적에 적합하도록 작성
• 미제시 사항은 1.2(3) 준용

2. 조사 및 계획

• KDS 67 10 15 및 KDS 67 10 10 기준 적용

3. 재료

3.1 재료 일반

• 구조적 안전성, 경제성, 내구성 등을 고려하여 결정
• 결함 발생 원인 분석하여 적절히 결정

3.2 재료 특성

• 댐 요구성능 만족하도록 결정

3.3 품질 및 성능시험

• 한국 산업표준(KS) 기준 적용
• KS 미명시 재료는 국내외 검증된 시험법 적용

4. 설계

4.1 기초의 설계

4.1.1 일반사항

• 프린스 기초, 트랜지션존 기초, 암석존 기초로 구분
• 프린스 위치 결정 시 시추조사 통해 기초상태 확인
• 기초 설계 목적 : 제체 부등침하 방지
• 댐 기초 암반부 굴곡은 가급적 완만하게 처리
• 댐 저폭은 댐 높이의 2.6배 이상
• 기초처리 기준 : 파이핑 및 침식 가능성 제거
• 차수벽 변형 영향을 미칠 수 있는 위치는 압축성 중요
• 제체 기초 허용성 평가 요소 : 강도, 압축성, 침식성, 투수성

4.1.2 기초지반의 평가요소

4.1.2.1 강도

• 충적층이나 풍화암 존재 시 안정성 검토 필요
• 안정성 확보 위한 기초보강 방안 수립 또는 사면경사 완화

4.1.2.2 압축성

• 댐 하중 지지 가능하고 침식 및 풍화에 강한 지반 선택
• 차수벽 균열 유발 가능한 부등침하 방지
• 프린스 하류 0.3H 또는 0.5H (H: 프린스 단면 댐 높이) 구간은 압축성이 적고 균등해야 함
• 기초지반 압축성이 축조 암석존 압축성보다 크거나 같다면 수치해석 분석 필요

4.1.2.3 침식성

• 프린스 기초 동수경사가 클 경우 침식 방지 대책 강구
• 침식성 재료 제거 불가능 시 동수경사를 줄여 침식 방지

4.1.2.4 투수성

• 프린스 기초는 투수성이 작아야 하며, 그라우팅 등을 실시하여 투수성 낮춤

4.1.3 프린스 및 트랜지션존의 기초

• 프린스 하상부 횡단면 형상은 크게 중요하지 않음
• 프린스 기초는 견고하고 침식되지 않은 자연 암반이어야 함
• 풍화된 암반은 트렌치 굴착 후 보강 방안 강구
• 프린스 하류측 끝단에서 최소 10m 수평거리는 프린스 지지층 수준 암반 요구
• 프린스 기초부와 댐축 사이 구간은 돌출부 없이 고르게 처리
• 프린스 기초와 제체 기초 표고 차이 발생 시 차수벽 지지력 변화 완화

4.1.4 암석존의 기초

• 암석존 기초는 제체 하중의 대부분을 부담
• 돌출암 제거
• 퇴적층 등은 제거 또는 안정 대책 강구

4.1.5 댐의 기초처리

4.1.5.1 일반사항

• 침하, 세굴, 파이핑 현상 방지
• 풍화암, 단층대 등이 있는 경우 세부적인 지질조사 실시
• 침투수 발생 우려 시 트렌치 굴착 후 콘크리트 채움
• 기초 처리 방법 : 침투장 연장, 콘크리트 채움, 그라우팅

4.1.5.2 그라우팅

• 커튼 그라우팅 및 압밀 그라우팅은 프린스 하부에 실시
• 압밀, 블랭킷, 커튼 그라우팅 방법 적용

4.2 프린스의 설계

4.2.1 일반사항

• 강도, 안정성, 경제성 등 고려
• 차수벽과 댐 기초 수밀 연결 및 그라우트 캡 역할
• 양안부 기울기, 기초지질 특성, 동수경사 등 고려
• 프린스는 일련의 직선으로 배치
• 프린스는 수평으로 작용하는 수압에 저항하는 구조물로 설계
• 프린스 두께가 클 경우 (1.0m 이상) 활동 안정성 해석 실시
• 프린스 단면 안정 해석 시 적용 수두는 계획홍수위
• 시공 및 유지관리 편의성 고려하여 계단 형식 계획 가능

4.2.2 프린스의 폭

• 경험적 방법과 동수경사 산정을 통해 결정
• 암반 상태에 따른 허용 동수경사 적용
• 프린스 폭과 동수경사 관계 : 동수경사 = 수두(m) / 프린스의 폭(m)
• 경험적 방법에 의한 프린스 폭 범위 : 3m (댐 높이 25m 이하 시 2m 가능)

4.2.3 프린스의 두께

• 굴착 여굴, 현장 지질조건, 시공기술 수준 고려하여 결정
• 최소 두께는 0.3~0.4m
• 그라우트 압력에 저항할 수 있도록 두께 산정 (식 4.1.-1)
• 프린스 하류면 경사방향 높이는 댐 높이 40m 이상 시 500㎜ 이상 확보

4.2.4 프린스 철근

• 온도철근 기능 유지 및 균열 억제 목적
• 철근은 1열 상부 철근으로 사용
• 철근비는 폭과 길이 방향 슬래브 두께의 0.3% 정도
• 철근 위치는 상부 표면으로부터 100~150mm 밑
• 앵커바는 콘크리트를 암반에 고정하고 그라우팅 상향력에 대비
• 앵커바 길이, 간격, 지름은 암반 조건, 시공 사례, 하중 분할 고려
• 앵커바는 일반적으로 지름 25~35㎜, 1.0~1.5m 간격, 3~5m 길이
• 수직 시공이음 간격은 15m 정도
• 수직 신축이음은 차수벽 신축이음과 겹치지 않는 위치에 배치

4.3 표면차수벽 댐의 표준단면 설계

4.3.1 일반사항

• 표준 단면은 기초암반 여건에 따라 변화 가능
• 견고한 암반 기초 위 건설 시 [그림 4.3.-1]과 같음
• 석괴댐과 사력댐으로 구분

4.3.2 댐체 단면의 구분

• 차수벽 지지존, 트랜지션존, 암석존, 파라페트 월, 불투수존, 차수벽으로 세분
• 존1 : 불투수존 (1A, 1B)
• 존2 : 차수벽 지지존 (face slab bedding zone)
• 존3A : 선택존 (selected rockfill zone, transition or filter zone)
• 존3B : 주 암석재료 축조존 (main rock zone)
• 존3C : 보조 암석재료 축조존 (sub rock zone)

4.3.3 댐 마루 표고와 여유고

• 댐 마루 높이는 설계홍수위에 여유고를 더하여 결정
• 댐 마루 표고 결정 방법 : 수위 기준, 파라페트월 기준
• 수위 기준 : 설계홍수위 (FWL) + 여유고, 최고수위 (MWL) + 여유고
• 파라페트월 기준 : 설계홍수위 (FWL) + 여유고, 최고수위 (MWL) + 여유고
• 파라페트월 기준 적용 시 댐 단면 줄이고 파라페트월로 대체 가능

4.3.4 댐 마루 폭의 결정

• 시공 편의, 안전, 유지관리 기능 고려
• KDS 54 40 00 참조 가능

4.3.5 덧쌓기

• 댐체는 풍화암층 위에 축조, 침하량 예측하여 덧쌓기 필요
• 장기침하량은 댐 높이의 0.1~0.35% 정도로 추정
• 덧쌓기 방법 : 댐마루 덧쌓기, 파라페트월 높이 조정
• 댐 중앙부에 댐 높이에 따른 장기침하량 고려하여 설정

4.3.6 댐체 사면경사의 결정

• 암축조 특성상 사면 안전도 해석에 의해 결정
• 표준 경사 및 사면도 규모는 기존 설계 사례 참고
• 댐 상하류 사면경사는 1:1.3~1:1.6 범위
• 높은 댐 또는 연암 축조 시 경사 완화 가능
• 하류사면은 친환경적 측면 고려하여 조정 가능

4.3.7 축조재료

• 댐 주변 재료 분포에 따라 상이
• 기존 시공 사례 및 현장 암재료원 분포 고려
• 입도 분포 및 최대 치수 탄력적으로 선정

4.3.7.1 차수벽 지지존 (존2 : bedding zone, fine fill zone)

• 차수벽 직접 지지, 차수벽 균열이나 지수판 누수 방지
• 담수 시 제체 변위 최소화를 위한 양호한 입도 분포 요구
• 안정성, 압축성, 투수성 확보
• 입도 범위 : 최대 치수 75~38㎜, 4.76㎜ 이하 재료 함유율 35~55%, No. 200번체 통과율 5~15%
• 기초부는 저강도 콘크리트 또는 흙시멘트로 보강 권장
• 암석존과 접하는 부위는 세립분 함량 조절
• 폭원 : 댐마루에서 3~5m 정도, 댐 높이에 따라 증폭 가능
• 상류사면 보호 : 아스팔트 용액 또는 숏크리트 사용 (숏크리트 강도 18MPa)

4.3.7.2 선택층 (존3A : transition zone or filter zone)

• 차수벽과 암석부 제체 강성 차이로 인한 응력 전달 방지
• 차수벽 지지존 재료 암석재료 공극 속으로 씻겨 들어가는 것 방지
• 최대 치수 150㎜, 입도 분포는 시공 사례 참고
• 입도 조건 : ,
• 폭원 : 댐 정상부에서 5m 정도, 댐 높이에 따라 증폭 가능

4.3.7.3 주 암석재료 축조존 (존3B : graded rockfill zone or main rockfill zone)

• 차수벽 균등하게 지지
• 암석재료 특성과 댐 높이에 따라 변형 발생
• 압축성 적고 압축 강도가 높은 신선한 경암 사용
• 연암도 댐 사면 경사 완화하여 활용 가능
• 큰 입경의 암석은 진동 다짐 시 살수 필요
• 연암 사용 시 대형 삼축압축시험 실시
• 입도 분포는 시공 사례 및 다짐 장비 효율성 고려

4.3.7.4 보조 암석재료 축조존 (존3C : sub rockfill zone)

• 존3B 인접 지역 위치, 조립의 석괴재로 구성
• 큰 투수성을 가짐
• 침하나 변형이 발생해도 댐 전체 안정성에 크게 영향 미치지 않음
• 입도 분포는 시공 사례 및 다짐 장비 효율성 고려

4.3.7.5 불투수존 (존1 : upstream blanket zone)

• 주변이음 변형 및 차수벽 균열로 인한 누수 차단 효과 증대
• 지하수위 상승 시 차수벽 들어 올리는 힘 상쇄
• 담수 후에는 침윤선을 연장하여 안전 확보
• 높이는 최저수위 (LWL) 이하 구간에 설치
• 높이는 경험적으로 설정, 차수벽 하류부 투수성 암석 부스러기 퇴적 방지
• 높이는 주변이음 설계 및 시공 수준, 콘크리트 시공 수준 등 고려
• 사면은 1:2.2 이상으로 완만하게 처리

4.3.7.6 댐 하류 환경친화존

• 주변 환경과 조화, 암석존 하류 사면에 설치
• 사면은 완만한 경사, 토양은 조경식재 가능한 토양
• 1:1.8~1:2.5 사면 경사
• 암석층과 접하는 부위는 필터 매트 부설 고려
• 토양은 다소 투수성이 높은 모래질 점토가 적합
• 수목 생장 조건 : 최대 입경 150㎜ 미만, 보수력과 통기성이 좋고 양분 흡수력과 점착력을 갖춘 토양, 부식이 많은 단립구조, 중성 토양

4.3.7.7 파라페트 월

• 월류 방지 및 댐 단면 감소, 축조량 및 차수벽 면적 감소
• 필댐과 달리 제체 단면과 관련하여 높이 결정
• 침하량 고려하여 여유고 줄이거나 높이 변화
• 높이는 축조량, 기초 굴착량, 차수벽 면적 등 고려
• 파라페트 월과 차수벽 이음은 수밀재료 사용
• 파라페트 월 이음은 신축이음 및 시공이음 고려

4.4 표면 차수벽의 설계

4.4.1 일반사항

• 차수벽 두께는 충분한 강도와 지수성을 가질 수 있도록 설계
• 댐 높이, 응력 분포, 내구성, 시공 사례, 유지관리 등 고려하여 두께 및 철근량 결정

4.4.2 콘크리트

• 내구성, 수밀성, 낮은 건조수축, 적절한 워커빌리티 확보
• 슬립폼 시공 고려하여 콘크리트 배합 설계
• 요건 : 최소 단위 시멘트량 275㎏/㎥, 공기 연행량 5%, 굵은 골재 최대 치수 40㎜, 혼화제 사용 가능, 물-시멘트비 45%, 슬럼프 60±15mm, 압축강도 21~24MPa, 보강섬유 사용 가능

4.4.3 블록의 설정

• 스타트베이 : 슬립폼 시작선 결정 슬라브
• 차수벽 콘크리트 치기 시 분할 폭은 15m 기준, 시공성 및 내구성 고려하여 간격 설정

4.4.4 차수벽의 두께

• 댐 높이가 낮은 경우 제외하고는 차수벽 정상부 0.3m, 하부로 내려오면서 0.3m+0.003H 적용

4.4.5 철근

• 차수벽 소요 철근량은 0.40~0.50% 정도
• 콘크리트 건조수축 및 지지층 불균등으로 인한 균열 억제
• 철근 간격은 차수벽 두께보다 적어야 함 (200~300mm)
• 슬래브 철근비는 각 방향 0.40% 적용
• 주변이음 근처 및 스타트베이 부근은 0.45% 적용
• 댐 높이가 높은 경우 단부 보강철근 배치
• 수직 신축이음부는 지수판 연결부 단부철근 보호

4.4.6 균열제어

• 단부보강 구간 허용균열폭은 (식 4.4.-1)로 산정
• 기 시공 댐 차수벽 콘크리트 균열은 0.1~0.2㎜ 범위, 0.2㎜ 이상 균열은 보수 필요
• 고강도 콘크리트는 수축균열 발생 가능성 높음
• 혼화재 사용 가능
• 보강섬유 및 팽창재 사용은 신중하게 검토
• 균열 발생 시 누수량 평가 (표 4.4.-1)
• 균열 보수 : 페인트 계통, 하이파론 띠, 에폭시 그라우팅 등
• 온도 및 건조수축 균열 방지 : 막양생 및 살수양생 실시

4.4.7 지수판 및 이음

4.4.7.1 일반사항

• 주변이음, 신축이음, 시공이음 존재
• 시공에 지장 없으면 신축이음 개소 줄일 수 있음
• 이음부 구조 개선 및 차수벽 시공 후 균열 발생 고려하여 설정

4.4.7.2 주변이음

• 누수 주된 원인, 댐체 거동 감당 가능하도록 설계
• 정수압 하중에 의한 이음 이동량 고려
• 이중 지수판과 마스틱 필러 사용
• 이중 지수판 : 동 또는 스테인레스 지수판, PVC 또는 하이파론 지수판
• 아스팔트 필러, 압축성 목재 필러 등을 추가 설치
• 동지수판은 모래 기초판에 의해 지지
• 침하 방지를 위해 흙시멘트 설치 가능

4.4.7.3 시공이음

• 수직 시공이음 : 슬립폼 타설 장비 시공성 고려
• 수평 시공이음 : 스타트베이부, 차수벽 길이, 장비 능력 등 고려
• 지수판 없이 철근 관통 형태로 처리

4.4.7.4 수직신축이음

• 온도변화, 건조수축, 제체 변위, 주변이음 벌어짐 최소화
• 양안부 부근은 이중 지수판 설치
• 중앙부는 단일 지수판 설치

4.4.8 표면차수벽의 시공순서

• 블록별 시공 순서 : Starter Bay 시공 → 치기면 정리 → 수직시공이음부 모르타르 기초 설치 → 모르타르 칠하기 및 루핑 깔기 → 지수판 설치 → Side Form 설치 및 철근 조립 → 콘크리트 운반 및 타설

4.4.9 슬립폼

• 평균 진행 속도 1.5~5m/h
• 속도는 콘크리트 슬럼프, 스크리드 폭, 슬립폼 전중량, 콘크리트 운반 방법 등에 따라 다름
• 표준 피니셔 길이는 1.5m, 타설 속도는 1.5m/h
• 타설 속도 및 피니셔 길이 증가 시 균열 발생 여부 검토
• 타설 속도와 피니셔 길이 동일하게 유지
• 자주식 이동 슬립폼은 작업 효율과 공사 기간 단축에 효과적

4.5 매설 계측기

4.5.1 일반사항

• 댐체 거동 파악, 설계 신뢰성 확인, 시공 안정성 확인, 유지관리 단계 이상 거동 원인 분석
• 농업용 콘크리트 표면 차수벽형 석괴댐 구조적 특성 고려하여 결정
• 계측은 댐체 거동, 차수벽 거동, 누수량 측정, 지진 등으로 구분
• 계측 목적 : 시공 관리, 안전 관리, 안전성 검토, 설계 및 시공 자료 제공
• 계측 항목 : 표면 차수벽 콘크리트 변형 측정, 댐체 변위 측정, 댐체 내 응력 및 간극수압 측정, 댐체 누수량 측정

4.5.2 계측 항목 및 계측기 형식

• 목적별 항목 구분 : [그림 4.5.-1]
• 매설 계측기 선정 및 수량 기준 : [표 4.5.-1]

4.6 안정계산

4.6.1 안정검토 사항

• 댐 거동 분석 기법 : 경시변화 분석, 해석적 방법, 수치해석
• 안정 해석 대상 : 축조 직후 안정성, 저수위 안정성, 수위 급강하시 안정성, 지진 시 안정성
• 검토 사항 : 댐체 사면 안정성, 차수벽 응력 및 변위, 주변이음 이동, 댐체 탄성침하 및 변형, 댐체 내부 응력 전이 상태, 침투수 안정성

4.6.2 정역학적 안정해석

• 축조재료 내부마찰각과 사면경사 관계에서 결정
• 안전 조건 : 상류면 차수벽 지지존은 사면활동 없어야 함, 지진 발생 시 사면 활동 없어야 함

4.6.3 동역학적 안정해석

• KDS 67 10 20 농업용 필댐 설계 내진설계기준 적용

”