The main theme of this study is the examination of stability of CFRD based on the geotechnical properties which is changed by time-dependent effect. Under the consideration of main theme, three research subject was selected: the calculation of geotechnical properties of rockfill considering time-dependent characteristics, the static analysis of dam body using calculated rockfill properties, and the effects of time-dependent behavior of dam body on face slab of CFRD. Firstly, time-dependent rockfill properties was analysed based on Kelvin model and calculated from measurement data by least square method. Static deformation at the crest of CFRD was examined by two-dimensional plane strain modelling of dam body, using the rockfill properties calculated in first part. Finally, the possibility of structural damage on the face slab was examined for three possible situation of damage occurrence in CFRD. In first case, effects of deformation of dam body on the face slab was checked by numerical analysis using finite element analysis program MIDAS GTS. Modelling was conducted on the simplification of dam body by two-dimensional plane strain condition. Face slab was modelled in beam element, and interface element was applied for considering of the relative movement between face slab and dam body. In second case, generation of discontinuity between face slab and dam body was assumed. Discontinuity, face slab, and dambody was modelled using finite difference analysis program FLAC 2D. Face slab was modelled as beam element, and dam body was modelled as elastic body. Derived numerical values in the first part was used for the geotechnical properties of dam body. Hydrostatic pressure was used as external load on the face slab. In third case, severe damage on face slab was assumed to allow the rapid rise of pore pressure in rockfill material of dam body. Possibility of shear failure of rockfill, resulting from reduction of effective stress of rockfill, was examined. Numerical simulation was conducted using finite difference analysis program FLAC 3D. Structural safety was checked and confirmed in every analysis case.
본 연구는 크리프 효과를 고려하여 재산정된 지반물성치에 기반하여 ○○○댐의 안정성 검토를 수행하는 것을 연구의 주제로 하였다. 이 주제를 다루기 위해 본 연구는 먼저 축조 후의 계측자료에 기반하여 크리프 거동모델을 결정하고 이를 이용하여 댐체의 변화된 지반정수를 추정하는 첫 번째 부분과, 첫 부분의 연구 결과에 바탕하여 CFRD의 기능수행에 가장 중요한 역할을 하는 차수벽에 대한 손상발생 가능성을 검토하는 두 번째 부분으로 구성하는 것으로 하였다. 시간의존적 변화의 영향을 고려한 지반 정수의 산정, 산정된 지반 정수를 이용한 댐체의 정적 거동해석, 그리고 댐체의 시간의존적 거동특성이 콘크리트 차수벽의 손상가능성에 미치는 영향 등 세 가지의 세부 연구주제를 다루었다. 첫 번째 세부 연구주제인 시간의존적 변화의 영향을 고려한 지반 정수의 산정에서는 Kelvin 모델을 이용하여 rockfill에서 발생하는 시간의존적 효과를 분석하고 ○○○댐의 실제 계측자료와의 비교에 기반, 최소자승법을 이용하여 모델 파라미터를 결정하였다. 두 번째 연구주제인 시간의존적 효과가 반영된 지반정수를 이용한 댐체의 정적 거동해석에서는 댐의 대표단면을 2차원 평면변형률 조건으로 모델링하고 유한요소법 기반의 해석 프로그램인 MIDAS GTS를 이용하여 주요 해석조건에 대해 댐체의 정부(crest)에서의 변위 발생을 검토하였다. 세 번째 연구주제인 댐체의 시간의존적 거동특성이 콘크리트 차수벽의 손상가능성에 미치는 영향에서는 차수벽의 손상이 발생될 수 있는 세 가지 경우에 대해 검토를 수행하였다. 첫 번째 경우에서는 시간의존적 효과가 고려된 댐체의 변형이 차수벽에 발생시키는 응력이 균열을 초래하지 않는 허용범위 내에 있는지의 여부를 2차원 평면변형률 조건에서 유한차분법 기반의 해석 프로그램인 FLAC 2D를 이용하여 검토하였다. 이 때 차수벽은 빔 요소에 의해 모델링되었으며 차수벽과 댐체 간의 상대거동 발생을 모사하기 위해 인터페이스 요소를 적용하였다. 두 번째 경우에서는 댐체의 장기적 거동에 의해 댐체와 차수벽 사이에 불연속부가 발생했을 상황을 가정하고, 불연속부의 길이 및 깊이가 차수벽에 발생시키는 응력이 균열을 초래하지 않는 허용범위 내에 있는지의 여부를 검토하였다. 이 때 차수벽과 댐체는 2차원 평면변형률 조건에서 유한차분법 기반의 해석 프로그램인 FLAC 2D를 이용하여 빔 요소와 탄성평면으로 모델링되었으며 외부 작용하중은 해석조건 수위에서 작용하는 정수압으로 상정하였다. 세 번째 경우에서는 차수벽에 손상이 발생하여 외부 수압이 급격히 댐체 내부의 뒷채움재 및 rockfill에 작용하게 되는 상황을 가정하고, 간극수압의 급격한 발생에 의한 rockfill 재료의 전단파괴 발생가능성을 검토하였다. 2차원 평면변형률 조건에서 해석을 수행하였지만 rockfill 내에서의 유수해석 문제를 다루기 위해 유한차분법 기반의 해석 프로그램인 FLAC 3D를 이용하여 검토하였다. 공사단계에서의 계측자료가 부재한 상황을 반영, 즉시적 탄성거동에 대한 고려가 필요하지 않은 Kelvin 모델을 선택하였다. 최소자승법을 이용, 모델 파라미터를 도출함으로써 ○○○댐에 대한 Kelvin 모델을 확정하였다. 이 모델에 기반하여 ○○○댐에 대한 장기거동 예측을 수행한 결과 크리프 거동이 장기적으로 지속될 것으로 예측되었다. Kelvin 모델을 이용하여 시간의존효과가 반영된 댐체의 지반정수를 시간에 대한 함수로 도출하였다. 이 지반정수를 이용하여 여러 하중조건에 대한 수치해석을 통해 댐체 및 차수벽에 작용하는 응력을 검토하였다. 정적해석을 통해 각각의 하중조건에서 차수벽에 작용하는 휨압축응력, 휨인장응력, 전단응력을 계산하였다. 이를 차수벽의 허용응력과 비교한 결과, 모든 해석조건에 대해 차수벽에 발생하는 응력은 허용응력 이내인 것으로 나타났다. 콘크리트 차수벽 배면채움재 부분에 불연속부가 발생했을 때 차수벽에 발생할 수 있는 응력의 크기를 검토하였다. 분석 결과, 상부 차수벽 배면에 4m 이상의 불연속부가 존재할 경우, 중부 차수벽 배면에 2m 이상의 불연속부가 존재할 경우, 하부 콘크리트 차수벽 배면에 1m 이상의 불연속부가 존재할 경우 월류시 수심조건에서 차수벽에 허용휨인장응력을 초과하는 응력이 발생하여 차수벽에 균열이 생성될 수 있는 것으로 나타났다. 상류 차수벽에 손상이 발생했을 경우를 가정하고, 그 경우 수압의 급격한 증가에 따른 유효응력 감소로 차수벽 배면채움재 부분에서 전단파괴가 발생할 가능성을 검토하였다. 그 결과, 월류시 수심조건에서 상류사면의 5m 이내 부분의 배면채움재 층에서 전단파괴가 발생할 가능성이 있지만 전단파괴는 해당 구역보다 더 내부영역으로 진전되지는 않으며 댐체의 안정성에 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.
