Embankment and levee are important structures which are closely related to human life. Failures of river embankment and levee have been recently growing due to climate change over the world. Therefore, extensive embankment reinforcement has been widely performed along the major rivers as a part of Four-River-Refurbishment-Project by Korean government. Therefore, evaluation of levee stability becomes an important issue. In this study, geotechnical perspective for evaluating the levee stability is focused. Especially, the seepage and deformation characteristics of levee according to the foundation soil conditions were deeply analyzed because the role of foundation layers on entire embankment system has been ignored in practice. Total three conditions of levee were categorized in accordance with the geotechnical perspective. Centrifuge tests were performed on critical conditions and numerical analyses were performed for validating the centrifuge test and proposing the design method.
Two types of levee were selected in order to understand the seepage characteristics. One is the Gimpo-levee which has high possibility of piping because of unexpected high permeable layer in foundation. On the contrary, the other is Nam-myeun-levee which has the low permeable foundation on the gravel layer with ground water level. As the results, piping failure was successfully reproduced through centrifuge test and it was investigated whether piping occur or not according to the conditions of permeable layer, which are location, length, and hydraulic conductivity of permeable layer. In the case of Nam-myeun-levee, the low permeable foundation shows the high degree of saturation even the foundation is on the ground water level and it can affect to the seepage characteristics in the embankment.
Buyeo-levee, which has enlargement embankment on soft foundation, was analyzed for understanding the deformation characteristics. Centrifuge model was modeled considering the staged-construction of existing and enlarged embankments. Differential settlement was confirmed and tension crack was found due to the differential settlement. Furthermore, differential settlement can be harmful not only the embankment but also the culvert through additional test with culvert. Consolidation settlement analysis was proposed using fully-coupled analysis with Mohr-Coulomb model using FLAC3D.
This study organizes the centrifuge test and numerical analysis on various foundation conditions and the importance of foundation conditions was confirmed for the evaluation of levee stability. Centrifuge modeling has high applicability for levee research and levee stability can be evaluated through centrifuge modeling and numerical analysis.
제방은 우리를 홍수해의 피해로부터 막아주는 중요한 구조물이다. 하지만 최근 전 세계적인 지구 온난화에 따른 이상기후는 각국에 집중호우와 홍수해의 빈도를 급격히 증가시키고 있으며, 우리나라에서도 매년 홍수해로 인한 막대한 피해가 급격히 증가하고 있다. 그리하여 우리나라에서는 ‘4대강 살리기 사업’을 통하여 국가하천을 중심으로 대대적인 제방 보강 공사를 수행하였다. 이렇듯 제방에 대한 관심의 증가에 따라 제방 안정성 평가의 중요성 또한 증가하고 있다. 그리하여 본 연구에서는 지반공학적인 관점으로 제방의 안정성 평가에 중점을 두었으며, 특히 지금까지의 제방 안정성 평가에서 크게 고려되지 않은 제방의 기초지반의 조건에 따른 침하 및 침투 특성에 대해 연구하였다. 총 3 가지 조건을 설정하였으며 원심모형실험과 수치해석을 수행하였다. 이에 대한 연구 방법 및 결과를 체계적으로 정리하였다. 추가적으로 압밀 침하 해석에서의 간편하고 새로운 수치해석 방법을 제안하였다.
침투 특성과 관련된 조건으로 예상치 못한 투수층이 기초지반에 존재하여 파이핑 발생 가능성이 높은 김포제방을 선정하였다. 반대로 투수성이 낮은 기초지반을 가지는 사면 보강된 남면 제방을 통해 침투 특성을 알아 보았다. 김포제방의 경우, 원심모형실험을 통해 파이핑 현상이 잘 모사되었으며, 기초지반에 존재하는 투수층의 조건에 따라 파이핑 발생 여부를 수치해석을 통해 확인하였다. 투수층의 길이에 따라 파이핑이 발생하는 위치가 달라졌으며, 투수층의 투수계수가 기초지반의 투수계수와 차이가 커질수록 파이핑 발생 가능성은 증가하는 것으로 나타났다. 남면제방의 투수성이 낮은 기초지반은 지하 수위 아래에 위치하더라도 평수위시 높은 포화도를 나타내는 것을 알 수 있었으며, 이러한 특징은 홍수시 제체 내에서의 높은 침윤선을 나타내어 제방의 안정성에 나쁘게 작용하는 것으로 나타났다. 그리고 보강되는 사면의 방향에 따라 제체 내에 침윤선 형성에 큰 차이가 나는 것을 확인하였다.
침하 특성을 확인하기 위해 연약 지반 위에 큰 폭으로 확장된 부여 제방을 선정하였다. 기존 제방과 보축되는 제방을 고려하여 원심모형실험을 수행하였으며, 그러한 단계 시공으로 인해 부등침하와 제체에서의 인장 균열을 확인 할 수 있었다. 게다가 기초지반에서의 부등침하가 통문 구조물에 미치는 영향도 원심모형실험을 통해 확인해보았다. 그리고 압밀 침하 해석에서 완전연동해석을 활용한 수치해석 기법을 제안하였다.
본 연구를 통해 제방의 안정성 평가에 있어 기초지반의 조건이 굉장히 중요한 요건임을 확인하였다. 그리고 제방과 관련된 연구에서 원심모형실험의 적용성을 확인하였으며 수치해석과 함께 활용하면 제방 안정성 평가에 잘 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
