필댐 계측설비

왜 배우는가: 필댐은 국내 댐의 대다수를 차지하며 제체와 기초의 변형·침투·지진거동을 실시간으로 확인해야 안전을 지킬 수 있다. 계측설비의 설치 위치와 계측빈도는 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 8번, 제119회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

필댐 계측설비는 제체와 기초의 변형·침투·간극수압·지진거동을 측정하여 댐의 안전 상태를 판단하는 설비이다.

• 필댐(Fill Dam)
• 계측설비(Instrumentation)
• 간극수압계(Piezometer)
• 침투량 측정(Seepage Measurement)
• 변형계측(Deformation Monitoring)
• 지진가속도계(Accelerometer)
• 계측빈도(Monitoring Frequency)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 필댐 계측설비는 댐 몸체와 바닥이 평소와 다르게 움직이거나 물이 새고 있지 않은지 기계로 재는 장치다. 사람이 눈으로 점검하는 것만으로는 내부 변화를 알 수 없으므로, 계측 장비로 수치를 얻는다.

정식 정의는 다음과 같다. 필댐 계측설비는 흙이나 암석을 다져 쌓은 댐의 제체, 기초, 차수시설에 설치하여 침투수압, 침투유량, 변위, 응력, 온도, 지진 가속도 등 안전 판단에 필요한 물리량을 측정·기록하는 장치 전체를 말한다. 계측은 육안점검, 영상감시, 수질시료 채취 같은 다른 감시 수단과 함께 하나의 감시체계를 이룬다.

필댐에서 가장 중요한 계측 대상은 침투다. 필댐은 제체를 통과하는 침투가 생기기 쉽고, 침투가 세지면 세립자가 유출되어 파이핑 파괴로 이어질 수 있다. 그래서 침투수압과 침투유량을 함께 본다. 간극수압계는 제체 내부의 수압 분포를 측정하고, 누수량 측정은 배수구나 하류 집수구의 유량을 잰다.

다음으로 중요한 대상은 변위다. 제체의 침하와 수평 이동은 지표 측량과 경사계(Inclinometer)로 측정한다. 경사계는 지반이나 제체의 측면 변형을 깊이별로 기록한다. 셋째로 지진 가속도를 측정하여 지진 시 댐의 응답을 기록한다.

3. 등장 배경과 필요성

필댐은 재료의 자중과 다짐으로 수압을 견디는 구조이므로 콘크리트댐보다 침투와 침하에 민감하다. 국내 댐 사고 기록을 보면 필댐의 사고 건수가 콘크리트댐보다 많았는데, 그 이유는 필댐의 수가 많고 상당수가 경험적 방법으로 축조되었기 때문이다. 이 점이 계측의 필요성을 높였다.

또한 댐이 노후화되면서 제체 누수와 기초 변화가 늘어나고, 기후변화로 집중호우와 지진 빈도에 대한 우려가 커졌다. 따라서 계측 자료로 설계 가정을 검증하고, 이상 징후를 조기에 찾아 보수 시기를 정하는 것이 중요해졌다.

계측설비는 법적으로도 관리된다. 지진가속도 계측은 「지진ㆍ화산재해대책법」에 근거한 지진가속도계측기 설치 및 운영기준에 따라 댐과 저수지에 설치하며, 댐 제체 기초부, 중앙부, 댐 마루에 감지기를 두도록 정하고 있다. 필댐의 침투·변위 계측은 댐 안전관리 기준에 따라 별도로 설치한다.

댐 및 저수지 지진가속도 감지기는 최소 3개소 이상

이 값은 위 기준 제20조 제1항에 따른 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

필댐 계측설비는 댐 제체와 기초의 거동을 측정하는 센서, 측정값을 기록·전송하는 장치, 자료를 분석하는 시스템으로 이루어진다. 계측은 시공 중 기준값을 확보하고, 저수 후 누수·침하·간극수압 변화를 조기에 잡아 안전 판단을 돕는 데 쓴다. 필댐은 재료의 자중과 마찰로 수압을 견디므로 침투와 변형이 붕괴의 출발점이 되기 쉽다. 그래서 계측은 침투, 변위, 간극수압, 지진응답을 함께 본다.

계측설비의 구성요소는 다음과 같이 나눈다.

감지부 센서는 설치 위치와 측정 방향이 정해져 있다. 기록부와 전송부는 감지부 신호를 잃지 않게 하는 역할을 한다. 기준의 지진가속도계측기는 감지기, 기록계, 처리시스템, 통신기기, 부대설비(전원장치·낙뢰보호장치)로 구성된다고 정한다.

계측의 원리는 다음과 같다. 침투가 생기면 제체 내부 수위와 간극수압이 변하고, 이 변화는 누수량과 온도 분포에도 반영된다. 변형은 침하와 수평 이동으로 드러나므로 측량과 경사계로 확인한다. 지진 때는 가속도 기록으로 댐의 응답 주기와 증폭을 파악한다. 여러 계측값을 함께 보면 한 종류 값만 볼 때보다 원인을 좁히기 쉽다.

계측 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 계측 목적과 항목을 정하고 설계 단계에서 설치 계획을 세운다.
• 감지기를 시공 중에 매설하고 초기값을 기록한다.
• 저수 개시 후 정해진 주기로 자동 또는 수동 측정한다.
• 측정값을 기준값·관리기준과 비교하고 추세를 분석한다.
• 이상이 있으면 경보를 내고 점검, 보강 여부를 결정한다.
• 자료를 축적해 장기 거동을 평가하고 계측계획을 갱신한다.

계측은 측정값 자체보다 기준값과 추세의 비교로 판단한다.

5. 관련 법령·기준·표준

필댐 계측의 법정 기준은 「지진ㆍ화산재해대책법」 체계 아래 행정안전부 고시인 지진가속도계측기 설치 및 운영기준이 정한다. 이 기준은 댐과 저수지를 지진가속도 계측대상 시설물로 두고, 계측항목과 설치 위치를 정한다. 필댐의 간극수압·변위 계측은 이 기준과 별도로 댐 설계·안전관리 기준이 다룬다. 두 기준의 역할을 구분해 답안에 쓴다.

지진가속도계측기 설치 기준의 댐 관련 주요 값은 다음과 같다.

흙댐과 저수지는 신설 시 기초 부분에 설치한다. 콘크리트댐은 지하도에 설치한다. 기존 댐 및 저수지의 기초 부분에 설치할 수 없으면 하류측 선단 부분에 두고, 기존 댐의 하부에도 설치가 불가능하면 생략할 수 있으며 이 경우 관리주체는 미설치 사유를 행정안전부장관에게 제출한다.

필댐 계측설비와 관련해 기준이 정한 설치 원칙은 다음과 같다. 감지기는 받침대에 앵커볼트로 일체화한다. 받침대 무게는 감지기의 100배 이상이어야 한다. 케이블은 차동출력방식을 쓰고, 신호케이블 길이가 50m 이상이면 실드케이블 등으로 연결한다.

개정 연혁으로는 화재안전 체계 개편 같은 사항은 이 기준과 무관하다. 기준의 머리말 개정일은 최근 개정 이력일 뿐이므로 무엇이 바뀌었는지는 이 절에서 단정하지 않는다.

6. 유형과 비교

필댐은 축조 재료와 차수 방식에 따라 나뉜다. 국내에서는 균질형, 코아형, 락필댐, 콘크리트 표면차수벽형(CFRD)으로 구분하는 것이 일반적이다. 계측설비는 형식마다 파괴 양상이 달라 설치 위치와 계측항목의 비중도 달라진다.