KDS 설계기준 54 30 00 필댐

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필댐 설계 기준

1. 일반사항

1.1 목적

• 본 기준은 필댐 설계에 필요한 체계적인 기준을 제시하는 것을 목적으로 한다.

1.2 적용범위

• 본 기준은 필댐 설계에 적용한다.

1.3 참고 기준

1.3.1 관련 법규

• 댐건설‧관리 및 주변지역지원 등에 관한 법률(댐건설관리법)
• 물관리기본법
• 수자원의 조사ㆍ계획 및 관리에 관한 법률(수자원법)
• 자연재해대책법
• 하천법

1.3.2 관련 기준

• KDS 51 00 00 하천설계기준
• KDS 67 10 20 농업용 필댐설계

1.4 용어의 정의

• 댐 길이: 댐마루에서 댐의 종단방향 총길이 (댐체에 접속하여 여수로가 있을 경우에는 여수로 길이를 포함)
• 댐 높이: 댐마루의 상류단을 통과하는 연직면과 기초면이 교차하는 최저 기초지반의 표고차
• 댐 부피: 댐 상‧하류측 비탈의 사석공, 불투수성 블랭키드, 비탈끝 드레인 등 댐체에 접속한 인공 구조물을 포함한 전체의 부피
• 덧쌓기: 댐 축조 완성 시에 장래의 침하를 고려하여 댐 설계단면보다 더 쌓은 것
• 복합댐: 서로 다른 형식의 댐을 댐축 방향 또는 댐 상․하류 방향으로 결합시켜 하나의 댐으로 하는 형식
• 비탈면 기울기: 비탈면의 수평 길이에 대한 수직 길이의 비(比)
• 여유고: 최고수위에 댐의 안전성을 고려한 추가 높이
• 파라페트월: 제체의 파랑으로 인한 월류 방지 또는 댐 축조량, 기초굴착량, 차수벽 면적 등을 줄이기 위하여 댐 마루폭에 설치하는 구조물
• 필댐: 록필댐 또는 흙댐과 같이 암석, 자갈, 토사 등의 천연재료를 층다짐을 하면서 쌓아 올려 축조한 부분을 주체로 하는 댐

1.5 기호의 정의

• : 골재 입도
• : 최대 골재 입도
• : 대안거리 (m)
• : 중력가속도 (m/s²)
• : 댐 높이 (m)
• : 여수로 형식에 의한 안전고 (m)
• : 지진에 의한 파랑고 (m)
• : 여유고 (m)
• : 댐 형식에 의한 안전고 (보통 1.0m)
• : 상시만수위시의 저수지 수심 (m)
• : 수정 투수계수 (㎝/s)
• : 설계진도 (상시만수위시의 수평지진계수)
• : 수평방향 투수계수 (㎝/s)
• : 수직방향 투수계수 (㎝/s)
• : 통과중량 백분율
• : 물결의 처오름 높이를 포함한 파랑고 (m)
• : 총 침하량 (m)
• : 10분간 지속되는 최대풍속 (m/s)
• : 지진파의 주기 (1sec)

2. 조사 및 계획

(내용 없음)

3. 재료

(내용 없음)

4. 설계

4.1 필댐 설계 일반

4.1.1 필댐의 안정조건

• 필댐은 제체 재료의 중량을 이용하는 구조물로, 다음과 같은 안정조건을 만족해야 한다.
  • 제체가 활동(滑動)하지 않을 것
  • 안정적인 여유고를 확보하여 저수가 댐 마루를 월류하지 않을 것
  • 비탈면이 안정되어 있을 것
  • 기초지반이 압축에 대해 안전할 것
  • 제체 및 기초지반이 투수에 안전할 것

4.1.2 필댐의 분류 및 특성

• 필댐의 분류:
  • 균일형, 존(zone)형, 코어(core)형, 표면차수벽형
  • 코어형은 코어의 배치 위치에 따라 중심코어형과 경사코어형으로 분류, 코어의 축조재료에 따라 점토 코어형, 아스팔트 콘크리트 코어형, 콘크리트 코어형 등으로 분류
  • 표면차수벽형은 차수벽 재료에 따라 콘크리트 표면차수벽형, 아스팔트 콘크리트 표면차수벽형, 지오멤브레인 표면차수벽형 등으로 분류
• 필댐의 특성:
  • 지형, 지질, 재료, 기초의 상태에 구애받지 않고 축조 가능
  • 홍수 월류에 대한 저항력이 거의 없고 침하가 불가피
  • 단위면적에 작용하는 하중이 작고 기초에 전달되는 응력이 작아 풍화암이나 하천 퇴적층의 기초지반에도 기초처리를 하면 축조 가능
  • 댐 지점 주위에서 얻을 수 있는 천연재료를 이용 가능
  • 시공에서 최적의 장비 투입으로 기계화율을 높일 수 있음
  • 제체의 재료가 입상(粒狀)의 토석(土石)으로 구성되어 있어 시공 중 또는 시공 후 제체 및 외부 추가하중으로 인한 변형이 장‧단기적으로 발생 가능
  • 댐체와 원지반토의 경계면을 통해 파이핑 현상이 발생 가능
  • 홍수가 제체를 넘어가서는 안 되므로 여수로, 가배수로의 규모, 여유고의 결정 등에 세심한 주의 필요
  • 침하가 불가피한 구조물이므로 여수로와 같은 구조물을 제체 위에 설치하기 어려워 통상 제체와 분리하여 설계
  • 제체내부의 강성 차이는 부등침하의 원인이므로 고려 필요
  • 필댐은 구성요소가 복잡하고 시공관리에 따른 변화요소가 많아 정확한 해석이 어려움

4.2 필댐의 설계

4.2.1 확인 조사

• 예비설계 단계에서의 조사 결과를 확인하고 실시설계를 위한 정밀한 자료를 얻기 위하여 댐과 그 부속구조물의 기초지반 또는 선정된 재료 채취장에 대해 정밀한 확인조사 및 시험을 실시
• 기초지반의 지질조사 심도는 적어도 댐 높이의 1/2 이상으로 한다.

4.2.2 댐 형식의 결정

• 형식선정 요소:
  • 주변에서 쉽게 채취할 수 있는 재료의 질과 양
  • 댐 높이
  • 댐의 용도
  • 댐 지점의 지형 및 지질
  • 시공조건
  • 여수로의 위치와 형상
• 균일형 댐:
  • 제체의 최대단면의 80% 이상을 균일재료(차수재료)가 차지하는 댐
  • 비교적 소규모일 때 유리
  • 댐의 안전성을 확보하기 위해 필터(filter)와 드레인(drain)을 설치
• 존형 댐:
  • 제체의 최대단면에서 불투수성부의 최대 폭이 댐 높이와 같거나 그보다 큰 댐
  • 불투수성부의 폭이 넓으므로 재료의 질은 코어형처럼 엄격하게 제한하지 않아도 됨
• 코어형 댐:
  • 제체의 최대단면에서 불투수성부의 최대 폭이 댐 높이보다 작을 때 불투수성부를 코어라 함
  • 코어가 있는 댐을 코어형 댐이라 함
  • 중심코어형 댐과 경사코어형으로 구분
  • 최소단면으로 소요의 차수성을 확보하려는 형식
• 표면차수벽형 댐:
  • 제체의 상류면에 콘크리트, 아스팔트 콘크리트, 지오멤브레인 등의 인공 차수재료에 의한 차수벽을 설치하여 댐의 차수기능을 충족시키고 그 배후는 투수성 재료를 배치

4.2.3 축제재료의 선택

• 축제재료 선택 일반:
  • 경제적으로 얻을 수 있는 모든 재료의 성질을 활용하여 댐의 차수 및 안정 기능을 가장 효과적으로 발휘하도록 구성
  • 불투수성부, 투수성부, 이행부로 구성
• 축제재료와 기능:
  • 불투수성부: 물을 막는 역할
  • 투수성부: 댐체의 안정을 유지하는 역할
  • 이행부: 불투수성부와 투수성부의 중간에 위치하여 두 재료의 기능을 연결하는 역할
• 토질재료:
  • 팽창 및 압축(수축)성이 작고, 수용성 물질이나 유기물을 포함하지 않는 재료
  • 다짐이 용이하고 시공 시 간극압의 발생량이 작은 재료
  • 다진 상태에서 소요의 투수계수와 전단강도를 만족시켜야 함
• 암석재료:
  • 다진 상태에서 소요의 전단강도와 투수성을 만족하고, 유해물질을 함유하지 않는 단단하고 내구성이 크며 변형이 작은 재료
  • 견고하고 균열이 작아야 함
  • 물이나 기상 작용에 대한 내구성이 커야 함
  • 재료는 될수록 크고 모난 것이 좋으며, 얇은 조각으로 깨지는 것은 좋지 않음
• 연암:
  • 파쇄하여 랜덤존에 사용하는 것이 좋음
• 랜덤재료:
  • 재료의 성질이 확실하지 않고, 장래 풍화 등에 의해 그 성질이 변화할지 모르는 재료
  • 제체의 중요 부분에는 사용할 수 없음
• 코어존 착암재료:
  • 차수재료와 기초와의 적응성이 양호해야 함
  • 균열(crack) 발생을 방지하고 차수성의 확보가 가능해야 함
• 코어재료:
  • 불투수성인 것이 가장 중요
  • 전단강도, 압축성, 균질성에서 충분히 신뢰성이 있는 재료를 선택
• 필터(filter)재료:
  • 입도가 크게 다른 두 재료를 서로 인접시켜 놓을 때 그 경계에 설치하여 세립분의 유출을 방지하고 침투수가 안전하게 투과하도록 하는 재료
  • 토공 구조물에서 침투수의 침투를 촉진하면서 흙입자의 유동을 방지하기 위해 설치
  • 불투수성부와 투수성부 또는 반투수성부의 중간에 위치하여 불투수성 재료의 유출을 방지
  • 필터재로 보호되는 재료보다 투수성이 커야 함
• 파이핑(piping) 현상의 방지설계:
  • 댐체 또는 기초지반을 통과하는 침투수가 토립자를 유동시켜서 댐이 손상되는 일이 없도록 재료의 선정 및 다짐도에 대하여 충분히 검토
• 사석재료:
  • 상‧하류면의 보호 및 안정을 위하여 사면 보호공을 설치하는 데 사용되는 재료
  • 요구되는 강도 및 내구성을 가져야 함
  • 비중 2.6 이상이고 2.6cm 이하의 입자까지 포함된 입도배합이 좋고 풍화에 강한 단단한 암석재료이어야 함

4.2.4 기초설계

• 기초설계 일반:
  • 터파기와 기초처리를 포함하여 계획
  • 충분히 전단강도를 가질 것
  • 변형 침하량이 적을 것
  • 침투수량이 충분히 적을 것
  • 침투파괴를 일으키지 않을 것
  • 지진 시 액상화 현상을 일으키지 않을 것
• 암반기초:
  • 차수부(遮水部)에 존재하는 풍화암 등 취약부분을 제거하고 기초지반 암 균열부분에 그라우팅 등의 기초처리를 한다.
• 사력기초:
  • 지반을 통한 침투수가 허용범위 안에 들도록 하고 이 침투수를 안전하게 댐 밖으로 흘려보낼 수 있는 조치를 강구
• 토질기초 (연약지반):
  • 활동파괴와 압밀침하에 대하여 충분한 안전율을 고려해서 설계
• 코어존(core zone)의 기초설계:
  • 가급적 차수가 가능한 암반으로 하되, 그렇지 아니한 경우에는 충분한 차수성과 침하에 대한 안정성이 확보되도록 적절한 조치를 취
• 필터존(filter zone)의 기초설계:
  • 원칙적으로 코어존의 기초에 준하여 설계
• 암석존(rock zone)의 기초설계:
  • 소요의 강도를 가지며 변형성이 작은 것으로 한다.
• 그라우팅(grouting)의 설계:
  • 기초암반에 시추공(boring)을 천공하고 그라우트 재료를 주입하여 기초지반을 개량하고 기초변형 및 침투수량을 제어하는 목적으로 시행

4.2.5 표준단면의 설계

• 댐축의 결정:
  • 양안측 기초 바닥의 지질이 좋고 충분한 두께가 있고 또 댐 길이가 짧고 댐 축조량이 최소가 될 지형을 택하는 것이 원칙
  • 대부분은 직선형으로 되나 불투수부가 얇은 댐에서는 저수압에 의한 댐 중앙부의 인장응력, 댐축의 수평이동, 미관 등을 고려하여 약간 아치 모양을 채택
• 제체의 단면구성 (zoning):
  • 소정의 기능을 발휘할 수 있도록 기초지반, 제체재료, 시공조건 및 경제성 등 제반여건을 고려하여 종합적으로 판단하여 결정
  • 댐의 안정조건을 충족시키기 위하여 제체 구성 재료를 존으로 구분하여 각 존의 기능을 명확히 하는 것이 합리적
  • 차수, 배수 및 외력에 대한 안정성으로 나누어짐
• 여유고:
  • 어떠한 악조건에서도 홍수가 댐마루를 넘지 않도록 충분히 크게 잡아야 함
• 댐마루 폭:
  • 댐 규모에 따른 계산결과를 참고하여 파랑침식이나 침투수에 대한 안정성, 중심코어 및 필터의 규모, 댐마루 이용, 댐의 유지관리, 경제성 및 시공성 등을 고려하여 결정
• 덧쌓기 (extra embankment):
  • 댐 기초지반과 축제재료의 완성후의 침하량을 예측하여 필요하고도 충분한 양의 덧쌓기를 한다.
• 불투수층 존 (차수벽)의 두께 및 단면설계:
  • 투수성의 허용한도, 시공상의 최소 폭, 사용되는 점토재료의 소성 및 점성, 필터층의 유무 등을 고려하여 결정
• 비탈면 기울기와 턱:
  • 댐 형식과 높이, 축조재료, 존의 형상, 기초지반, 지진의 영향 및 시공조건 등을 고려하여 최소의 축조량으로 소요의 안전도를 얻도록 결정
• 상류측 비탈면의 보호:
  • 제체의 상류측 비탈면에 대해서는 파랑에 의하여 댐체가 침식되거나 저수위가 급강하 할 때 댐체 재료가 유실되지 않도록 보호
• 하류측 비탈면의 보호:
  • 하류측 비탈면은 기상작용 특히, 호우에 의한 침식을 막도록 보호하고 빗물이 한곳에 집중되지 않도록 양안부에 표면 배수시설을 설치
• 드레인 (drain):
  • 침투류에 의한 침투수압의 감소, 파이핑의 방지, 제체의 침하방지 및 내부침식 방지 등을 위하여 설치

4.2.6 침투수의 안전성 검토

• 검토의 주안점:
  • 저수 시에는 제체 또는 기초지반 내의 침투수를 해석하여 침윤선, 유속분포 및 누수량을 확인하고 제체 하류측으로 안전하게 배수되도록 한다.
• 침투류 해석:
  • 도식해법, 수치해석법 또는 모형 실험법을 이용하여 검토
• 침윤선의 도식해법:
  • 불투수성 기초지반 위에 균일성 재료로서 축조된 제체의 침윤선의 형상이 포물선형인 것은 이론적으로나 실험적으로 증명
• 유선망(流線網)의 도식해법:
  • 제체 및 투수성 지반 내에 있어서의 침투수류의 방향과 제체 속에 있어서의 흐름의 등수두선(equi-potential line)을 도시
• 누수량:
  • 댐체로부터의 누수량을 산출하려면 유선망 또는 수식에 의하지만 어느 경우에도 적정한 투수계수를 선정하지 않으면 안됨
• 수치해석에 의한 침투류 해석:
  • 댐체 및 기초의 침투류에 대하여 수치해석 방법으로 침투류의 수두, 유속 분포, 유량, 침투수압분포 등을 구한 후 도식해법에 의한 결과치와 비교하여 누수량 및 댐의 안전성을 검토

4.2.7 사면활동의 안전성 검토

• 활동에 대한 최소 안전율:
  • 재료의 시험과 안정계산의 정밀도가 불충분하거나 연약지반 위의 댐과 같이 불안정 요소가 포함되었다고 판단되는 경우에는 1.5를 적용
• 설계하중:
  • 제체 및 기초의 활동파괴에 대한 안정성의 검토에 고려되는 하중은 자중, 정수압, 간극수압 및 지진 관성력
• 설계수치:
  • 적절한 토질시험의 결과를 기초로 하여 시공조건 등을 고려하여 신중하게 결정
• 안정계산:
  • 댐의 안정계산에는 임계원에 의한 활동면법과 응력-변형해석법 두 가지 방법을 주로 사용
• 수치해석에 의한 안정성 검토:
  • 댐체 및 기초의 응력과 변형 등의 크기와 분포상태를 수치해석 방법으로 구하고, 이를 활동면법에 의하여 구한 결과치와 비교한 후 이로부터 댐의 안전성을 검토
• 사면안정해석:
  • 한계평형법으로 하며 활동파괴면을 일반적으로 원호로 가정하여 실시

4.2.8 변형의 안전성 검토

• 대규모 필댐에 있어서는 제체 및 기초에 대하여 변형해석을 실시
• 변형해석은 기존 댐의 관측기록과 실내 및 현장시험 등을 통하여 얻은 물성치를 기초로 하여 수치해석을 한다.
• 필댐의 변위는 연직방향의 변위(침하), 댐의 상‧하류 방향의 변위 및 댐축 방향 변위의 3가지
• 변위의 크기 및 시간적인 변화는 부등침하와 사일로(silo) 현상의 방지, 댐의 덧쌓기 결정 및 균열 발생방지 등의 점에서 중요한 요소

4.2.9 갤러리 (gallery)

• 필댐의 차수존 하부에 다음의 목적으로 필요시 갤러리를 설치
  • 제체 및 기초의 안전관리
  • 댐 기초 유지 및 보수
  • 그라우팅 공정 단축 및 효과적 주입

4.3 복합댐의 설계

4.3.1 복합댐

• 댐축 방향의 복합댐:
  • 지질 및 지형적 조건으로 2개의 다른 형식의 댐을 댐축 방향으로 결합시킨 복합댐
  • 주상블록식 타설공법의 콘크리트중력댐과 필댐을 결합시키는 경우가 대부분
• 댐 상․하류 방향의 복합댐:
  • 상류부는 콘크리트 재료로 축조한 롤러다짐 형식의 콘크리트댐과, 하류부는 자갈, 암석, 토사 등의 재료로 축조한 필댐의 조합으로 구성

4.3.2 댐체와 여수로 구조물의 접합부 설계

• 제체와 콘크리트 구조물 사이의 접합면에서 수평이음은 모따기를 해서는 안 되며 다음 사항을 검토
  • 여수로 구조물 배면 경사를 완만하게 설치
  • 접합부에서의 확대된 댐 단면
  • 필터층 설치

4.4 시공관련 설계검토

4.4.1 현장 시공조건 파악

• 현장 시공조건은 자연조건의 제약과 그 지역을 둘러싼 사회적 환경에서의 제약에 따라 결정
• 이런 조건을 적절히 파악하고 대처방법을 검토하여 건설공사 추진일정에 차질이 없도록 계획

4.4.2 시공설비

• 설비 배치계획:
  • 재료채취 장소, 사토 처리장 및 순차적으로 높아지는 본체 축제 장소를 효율적으로 연결하기 위한 도로계획 입안
• 공사용도로:
  • 기자재 반입용 도로는 반입 재료 등의 크기와 운반 빈도를 충분히 고려하여 규격을 결정
• 공사용 건물:
  • 감독사무실, 현장사무실, 공사 종사자용 숙소, 후생시설, 중기 등 정비소, 변전소, 시험실, 자재창고 등
• 공사용 전력:
  • 수‧변전설비 설치 위치는 공사 관점에서 전력부하가 큰 설비 부근에 건설하는 것이 유리
• 전자통신설비:
  • 댐 건설을 효율적으로 진행하기 위해서는 여러 공사 작업 간 연계하여 필요한 연락을 취하며 진행해 나가야하기 때문에 그 목적을 충분히 달성할 수 있는 통신연락 수단을 확보
• 조명설비:
  • 야간작업이 안전하고 효율적으로 실시될 수 있도록 적절한 조명설비를 설치
• 급․배수설비:
  • 급수설비: 공사에 필요한 물을 확보하기 위한 설비
  • 배수설비: 공사현장에서 사용 완료한 물을 모아서 순환 사용하던지 하천에 배수

4.4.3 유수전환

• 댐 본체 공사는 건설의 확실성을 확보하기 위해 수중공사를 하지 않기 때문에 하천을 가로질러 댐을 축조하려면 공사기간 중의 댐 계획지점으로 흐르는 유량을 적절한 방법으로 처리하고 댐의 기초처리 및 댐체의 축조에 지장이 없도록 한다.

4.4.4 기초굴착

• 댐 기초의 굴착:
  • 댐 기초는 지지력, 파이핑 등에 충분한 저항력을 가져야 함
• 여수로 기초의 굴착:
  • 여수로는 댐 설계홍수량 이하의 유량을 원활하게 제체 하류 하천으로 유도하도록 수리적 조건과 지형, 지질, 구조적 조건이 밀접하게 조합되어 설계
• 터파기:
  • 기초 터파기는 그 지반에 가장 적합한 방법으로 소정의 수밀성, 전단강도 및 기초처리를 할 수 있는 깊이까지 굴착

4.4.5 기초지반의 처리

• 기초굴착면의 정리:
  • 댐의 하상기초는 그 자체가 댐의 제1층으로 생각하고 댐체와 기초가 일체가 되도록 접착에 장애가 되는 요인은 확실히 제거
• 굴착공법:
  • 댐 지점의 지형, 지질, 기상 등의 조건 및 굴착량에 따라 효율적이며 안전한 굴착공법을 결정
• 배수처리:
  • 댐 기초굴착 후 기초처리 및 축조 시에는 필요에 따라 임시적인 경우와 장기적인 경우에 따라 적절한 공법을 선정하여 지하수위의 저하를 도모
• 단층처리:
  • 기초암반에 나타난 단층 또는 파쇄대는 지지력 부족을 초래하여 부등침하를 일어나게 하거나 누수의 원인이 되며, 세립분이 유출되면서 파이핑 현상을 일으키게 하는 등의 위험
• 풍화성 암반의 임시 보호대책:
  • 대기에 접촉되면 급격히 풍화하거나 지하수로 팽창하는 암반에서는 흙쌓기 개시 전에 충분히 보호

4.4.6 사토처리

• 사토처리 계획을 수립할 때 유의사항
  • 사토의 적재 및 운반방법은 굴착공법, 굴착량, 적치장 및 사토장의 위치와 넓이를 연관시켜 결정
  • 하상부에서의 작업은 홍수 시, 발파 시에 장비가 용이하게 대피할 수 있는 노선을 설치
  • 사토장의 위치는 부근의 지형, 운반거리, 사토량 등을 고려하여 선정

4.5 계측설비

• 계측설비 일반:
  • 계측설비는 매설계기와 관측계기로 세분
• 계측항목:
  • 댐체의 변형, 응력, 간극수압, 토압, 침투량, 지진과 기초의 간극수압 측정
• 설치 위치 및 수량:
  • 댐에서의 계측은 내부상태를 알기 위한 내부측정과 댐의 변형 및 변위를 알기 위한 외부측정으로 분류
• 형식 및 배치:
  • 댐 계측기기는 댐의 거동을 대표할 수 있는 최소한의 측점을 선정
• 계측의 빈도:
  • 계측은 시공 중과 시공 후로 나뉘는데 어떤 경우에도 계측체제를 정비하여 일관된 계측을 실시
• 계측자료의 정리:
  • 계측은 측정값이 신뢰성을 가지도록 같은 측정점에서 실시
• 침투수량 측정:
  • 침투량계는 댐체 내부에 집수벽을 설치하는 것을 원칙으로 하며, 댐체 하류부에 집수벽과 유량측정장치를 설치하여 침투수량을 측정

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