파이핑

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1. 개요
2. 파이핑에 대한 안전율
- 2.1. 파이핑 안전율 계산
- 2.2. 크리프 비(Weighted Creep Ratio)를 이용한 안전 검토
3. 내부 침식(Internal Erosion)의 유형
4. 필터(Filter)를 이용한 내부 침식 방지
- 4.1. 필터의 조건
참조

1. 개요

파이핑은 흙 구조물에서 물의 침투로 인해 흙 입자가 휩쓸려 나가면서 발생하는 현상으로, 구조물의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 파이핑에 대한 안전율은 상향 침투력과 하향 흙무게를 비교하여 계산하며, Lane의 크리프 비를 이용한 안전 검토 방법도 사용된다. 내부 침식은 집중 누수, 후퇴 침식, 내부 유실, 토양 접촉 침식 등 4가지 유형으로 분류되며, 필터를 사용하여 내부 침식을 방지할 수 있다. 한국에서는 댐 설계 및 시공 시 파이핑과 내부 침식을 방지하기 위해 엄격한 기준을 적용하고 있다.

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파이핑
개요
정의	흙댐의 재료를 통한 물의 흐름으로 인해 토양이 점진적으로 제거되는 현상
원인	다짐 불량 균열 부적절한 필터 설계
내부 침식 메커니즘
종류	응집성 흙의 집중 누수 침식 응집성 흙의 접촉 침식 응집성 흙의 분산 침식 파이핑
결과
영향	댐의 파괴로 이어질 수 있음
예시	테턴 댐 붕괴
방지
대책	적절한 재료 사용 적절한 다짐 필터 및 배수 시스템 설치
추가 정보
참고 문헌	Fell, R., MacGregor, P., Stapledon, D., Bell, G., & Foster, M. (2014). Geotechnical Engineering of Dams (2nd ed.). CRC Press/Balkema. Chapter 8: Internal erosion and piping of embankment dams and in dam foundations.

2. 파이핑에 대한 안전율

파이핑은 흙 속을 흐르는 물의 침투력에 의해 흙 입자가 유실되어 댐이나 제방 같은 구조물의 안정성을 위협하는 현상이다. 따라서 구조물 설계 시 파이핑에 대한 안전성을 반드시 검토해야 한다.

파이핑에 대한 안전율을 평가하는 방법에는 주로 두 가지 접근 방식이 있다.

첫 번째는 파이핑 발생 가능성이 있는 영역에서 물의 상향 침투력과 흙 자체의 무게(하향력)를 직접 비교하여 안전율( $F_s$ )을 계산하는 방법이다. 이는 상향 침투력(J)에 대한 하향 흙 무게(W)의 비로 나타내며, 이 비율을 통해 안전성을 판단한다.

두 번째는 Lane(1935)이 제안한 경험적인 방법으로, 물이 구조물 하부를 따라 흐르는 경로의 길이를 고려한 '가중 크리프 비'(Weighted Creep Ratio, CR)를 계산하는 방식이다. 이 값은 물이 흐르는 가중된 최소 침투 경로 길이( $l_w$ )를 상하류 수두차( $h_1 - h_2$ )로 나눈 값이다. 계산된 크리프 비를 해당 지반의 흙 종류별 기준 안전치와 비교하여 파이핑에 대한 안전 여부를 판단한다.

각 방법에 대한 자세한 계산 과정과 기준은 하위 섹션에서 설명한다.

2. 1. 파이핑 안전율 계산

파이핑에 대하여 안전한지 검토하기 위해서는 그림의 파이핑 검토 영역의 상향 침투력 J와 하향 흙무게(전유효하중) W를 비교한다.

i

는 동수경사, H_ave가 검토 영역 바닥에서 지표면까지의 평균 수두손실,

\gamma_{sub}

가 흙의 수중 단위중량이라고 할 때, 단위폭에 대하여 상향 침투력 J와 하향 흙무게 W는 다음과 같이 계산할 수 있다.

:

\begin{align} J & = iD \gamma_w \frac 12 D \\& = \frac{ H_{ave} }{D} \gamma_w \frac 12 D^2 \\& = \frac{1}{2} \gamma_w D H_{ave} \\ \end{align}

:

W = \frac{1}{2} \gamma_{sub} D^2

파이핑에 대한 안전율

F_s

는 하향 흙무게를 상향 침투력으로 나눈 값이며, 다음과 같이 계산한다.

:

F_s = \frac{W}{J} = \frac{D \gamma_{sub}}{H_{ave} \gamma_w}

Lane(1935)은 파이핑에 대한 안전율을 검토하는 경험식을 제안하였다.

Lane의 방법에서는 가중 크리프 비(Weighted Creep Ratio, CR)를 계산하여 안전성을 판단한다.

:

CR = \frac{l_w}{h_1 - h_2}

여기서 각 기호는 다음을 의미한다.

l_w : 유선이 구조물 아래 지반을 흐르는 최소거리(가중 크리프 거리, weighted creep distance)
h₁ - h₂ : 상류와 하류의 수두차

가중 크리프 거리 l_w는 물이 흐르는 경로를 따라 계산한다. 경로가 연직 방향이거나 45°보다 가파르면 연직 거리를 그대로 사용하고, 수평 방향이거나 45°보다 완만하면 수평 거리의 1/3을 취하여 합산한다. 오른쪽 그림의 경우 다음과 같이 계산할 수 있다.

:

l_w = 2l_v + \frac{l_{h1} + l_{h2}}{3}

계산된 CR 값이 아래 표에 제시된 흙의 종류별 안전치보다 크면 파이핑에 대해 안전하다고 판단한다.

흙의 종류	CR 안전치
아주 잔 모래 또는 실트	8.5
잔 모래	7.0
중간 모래	6.0
굵은 모래	5.0
연약 또는 중간 점토	2.0 ~ 3.0
단단한 점토	1.8
견고한 지반	1.6

2. 2. 크리프 비(Weighted Creep Ratio)를 이용한 안전 검토

Lane(1935)은 파이핑에 대한 안전율을 검토하는 경험식을 제안하였다.

파이핑에 대한 안전성은 크리프 비(Weighted Creep Ratio, CR)를 이용하여 평가할 수 있다. 크리프 비는 다음과 같이 계산한다.

:

CR = \frac{l_w}{h_1 - h_2}

여기서 각 기호는 다음을 의미한다.

l_w : 유선이 구조물 아래 지반을 흐르는 최소 거리(가중 크리프 거리, weighted creep distance)
h₁ - h₂ : 상류와 하류의 수두차

가중 크리프 거리(l_w)는 물이 구조물 하부를 따라 흐르는 경로의 길이를 고려하여 계산한다. 가장 짧은 유선 경로를 기준으로, 경로의 기울기가 45°보다 가파르면 연직 거리(l_v)를 그대로 사용하고, 45°보다 완만하면 수평 거리(l_h) 합의 1/3을 취하여 합산한다. 예를 들어, 오른쪽 그림과 같은 경우 가중 크리프 거리는 다음과 같이 계산할 수 있다.

:

l_w = 2l_v + \frac{l_{h1} + l_{h2}}{3}

계산된 크리프 비(CR) 값이 아래 표에 제시된 흙의 종류별 안전치보다 크면 해당 구조물은 파이핑에 대해 안전하다고 판단한다.

흙의 종류	CR 안전치
아주 잔 모래 또는 실트	8.5
잔 모래	7.0
중간 모래	6.0
굵은 모래	5.0
연약 또는 중간 점토	2.0 ~ 3.0
단단한 점토	1.8
견고한 지반	1.6

3. 내부 침식(Internal Erosion)의 유형

국제 대형 댐 위원회(ICOLD)에 따르면, 토언 댐과 그 기초에서 발생하는 내부 침식은 주요 파괴 모드 중 하나이다. 내부 침식이 발생하는 일반적인 위치는 다음과 같다.^[7]

토언을 통과하는 경우
기초를 통과하는 경우
토언에서 기초로 이어지는 경우
관통 구조물(예: 여수로, 관로 등) 주변

내부 침식 과정은 일반적으로 침식의 시작, 파이프 형성으로의 진행, 표면 불안정, 그리고 마지막으로 붕괴 시작의 4단계로 진행된다. 내부 침식은 파괴 경로, 침식의 시작과 진행 방식, 그리고 발생하는 위치에 따라 다음과 같이 4가지 주요 유형으로 분류할 수 있다.

'''집중 누수''': 물이 흙 속의 균열을 통해 누수되면서 균열 벽면을 침식하고 점차 넓혀 파이프 형태의 통로를 만들거나 싱크홀을 형성할 수 있는 유형이다. 지속적인 침식은 결국 댐의 붕괴로 이어질 수 있다.
'''역 침식''': 물이 빠져나가는 출구 지점에서 침식이 시작되어 상류 방향(뒤쪽)으로 파이프 형태의 침식 통로가 점차 발달하는 유형이다. 주로 모래와 같이 점착력이 없는 토양에서 발생하며, 침식이 계속 진행되면 댐 붕괴로 이어질 수 있다.
'''내부 유실''': 입도 분포가 넓거나 특정 입자가 부족한(결손된) 토양에서 발생한다. 물이 스며들면서 고운 흙 입자만 굵은 입자 사이의 틈(공극)을 통해 빠져나가 운반되는 현상이다. 이로 인해 토양의 투수성이 증가하거나 지반 침하가 발생할 수 있다.
'''토양 접촉 침식''': 서로 다른 입자 크기를 가진 토양층(예: 굵은 모래층과 고운 실트층)이 맞닿는 경계면에서 발생한다. 경계면을 따라 물이 흐르면서 고운 흙 입자가 굵은 입자층 사이로 침식되어 씻겨 나가는 현상이다.

3. 1. 집중 누수(Concentrated Leak)

''집중 누수''(Concentrated Leak)는 흙 속에 균열이 생겼을 때 발생하는 현상이다. 이 현상이 일어나려면 균열이 저수지 수위 아래에 위치해야 하며, 균열 내부가 열린 상태를 유지할 수 있도록 충분한 수압이 필요하다. 물이 흐르면서 균열의 벽면 흙이 부풀어 올라 통로를 막으면 침식이 제한될 수 있다.^[7] 또한, 흙의 점착력이 부족하여 균열 형태를 유지하지 못하고 무너지면, 집중 누수로 인한 침식이 댐의 파괴로 이어지지는 않는다.^[8]

집중 누수를 유발하는 균열은 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 주요 원인은 다음과 같다.

댐의 양쪽 측면에 수직 응력을 가하는 계곡 사이의 아치 작용(아칭)
제방 어깨 부분에서 발생하는 코어(심벽)의 아칭
침하가 고르지 않게 발생하는 차등 침하 (0.2% 이상의 차등이 발생하면 균열이 생길 가능성이 매우 높다.)
코어(심벽) 시공 중 발생하는 작은 규모의 문제 (예: 다짐 불량)
여수로나 말뚝벽과 같은 구조물 인접 부위 또는 관로 주변의 균열 및 틈새
건조로 인한 수축, 지진 발생 시의 침하, 땅의 동결과 해빙, 동물의 굴 파기, 식물 뿌리의 성장 등 다양한 환경적 요인

제방이 옆으로 퍼지면서 발생하는 종방향 균열보다는, 댐의 수직 침하로 인해 발생하는 횡단 방향 균열이 훨씬 더 흔하게 나타난다. 집중 누수에 의한 침식이 시작되는 데 필요한 최소한의 수압 전단 응력(τ_c)은 구멍 침식 시험(HET, Hole Erosion Test)이나 제트 침식 시험(JET, Jet Erosion Test)과 같은 실험실 시험을 통해 추정할 수 있다.^[9]

3. 2. 후퇴 침식(Backward Erosion)

후퇴 침식(Backward Erosion)은 일반적으로 미세한 모래와 같이 점성이 없는(비소성) 토양에서 발생한다. 이는 모래로 이루어진 기반이나 댐, 제방 내부에서 발생할 수 있으며, 건설 중 높은 홍수 압력을 받는 코퍼댐에서도 발생하여 하류 쪽 사면의 붕괴를 일으킬 수 있다. 또한 산사태나 홍수 위험 지역에서 경사면이 불안정해질 때 발생하기도 한다.^[10]

후퇴 침식은 주로 댐 하류 쪽에서 사면 붕괴가 일어나는 형태로 나타난다. Sellmeijer와 동료 연구자들의 실험 결과에 따르면, 후퇴 침식은 침식되는 토양 위에 있는 지층(예: 땅파기나 배수 도랑)의 틈새(슬롯)에서 시작된다. 이후 하나의 큰 파이프 형태가 아니라, 높이가 2mm 미만인 여러 개의 작은 파이프 형태로 상류 방향으로 진행된다는 특징을 보인다.^[11]^[12]

이러한 파이프의 안정성은 수두(물의 압력 높이)에 따라 달라진다. 수두가 특정 임계값(물이 흐르는 경로 길이의 0.3~0.5배)보다 커지면, 침식 통로(채널)가 상류 쪽으로 확장된다. 만약 수두가 이보다 더 높은 임계값을 넘어서면, 침식은 계속 진행되어 결국 파이프가 상류의 저수지까지 관통하게 되고, 이는 구조물의 파손으로 이어진다. 후퇴 침식이 발생하기 위해서는 댐이나 제방의 몸체가 파이프의 '지붕' 역할을 하며 그 형태를 유지할 수 있어야 한다.

3. 3. 내부 유실(Suffusion)

내부 유실(Suffusion)은 입도 분포가 넓거나 결손된 점착성이 없는 토양에서 물이 흐를 때 발생한다.^[7] 미세 입자는 침투하는 물에 의해 운반되고, 굵은 입자는 대부분의 유효응력을 전달한다.^[13] 내부 유실은 미세한 흙 입자가 굵은 입자 사이를 통과할 수 있을 만큼 작고, 굵은 입자 사이의 빈 공간(공극)을 완전히 채우지 않을 경우에만 발생할 수 있다. 또한, 물의 흐름 속도가 이러한 미세 입자를 운반하기에 충분히 빨라야 한다.

내부 유실은 댐 몸체의 코어 부분에서 투수성을 증가시키고, 물의 침투 속도를 높여 잠재적인 수압 파괴를 유발할 수 있다. 또한 댐의 기초 지반에서 발생할 경우 침하^[14]를 일으킬 수 있다. 내부 유실의 영향을 받는 토양은 입자 분리 현상에도 취약해진다. 케니-라우(Kenney-Lau) 방법은 내부 유실 분석에 널리 사용되는 방법 중 하나로, 토양의 입도 분포를 이용하여 내부 안정성을 평가하고 내부 유실 발생 가능성을 판단하는 데 직접적인 영향을 미친다.

3. 4. 토양 접촉 침식(Soil Contact Erosion)

'''토양 접촉 침식'''은 물이 토양 경계면을 따라 평행하게 흐를 때, 물의 흐름이 거친 입자층과 접촉한 미세한 입자층의 흙을 깎아내는 현상을 말한다.^[7] 이 침식 현상은 미세한 흙 입자를 분리시키고 운반할 만큼 충분한 유속과, 미세 입자가 거친 입자층 사이의 공극을 통과할 수 있는지 여부에 크게 좌우된다.

접촉 침식이 시작되면 빈 공간(공동)이 생기면서 지반 내 응력이 줄어든다. 이후 공동 위쪽 부분이 무너져 내리고, 이 물질들이 물에 의해 운반되면서 공동은 점점 더 커진다. 이러한 과정이 계속되면 싱크홀이 만들어질 수 있다. 때로는 공동이 무너지지 않고 역 침식(backward erosion)이 발생하기도 한다.

토양 접촉 침식은 실트와 자갈처럼 서로 다른 크기의 입자로 이루어진 층 사이에서 발생하기 쉬우며, 이로 인해 지반의 안정성이 떨어지고, 공극수압이 증가하며, 물이 잘 통하는 투수성 층이 막히는 문제가 생길 수 있다. 실험에 따르면, 미세 입자가 거친 입자 사이의 틈을 겨우 통과할 수 있는 조건, 즉 필터 기준(filter criteria)으로 알려진 기하학적 한계점에 가까울수록 침식이 시작되거나 지반이 파괴될 가능성이 훨씬 높아진다.

4. 필터(Filter)를 이용한 내부 침식 방지

필터는 침식된 흙 입자를 가두면서 물의 침투는 허용하여 내부 침식 과정을 막는 데 사용된다.

4. 1. 필터의 조건

내부 침식 과정은 입상 필터를 사용하여 중단시킬 수 있다. 필터는 침식된 입자를 가두는 동시에 침투를 허용하며, 일반적으로 여과되는 흙보다 더 조대하고 투수성이 높다. 필요한 필터의 유형과 위치는 댐의 어떤 구역이 내부 침식에 가장 취약한지에 따라 달라진다. 규정에 따라 필터는 다음 다섯 가지 조건을 충족해야 한다:^[15]

'''유지''': 필터는 침식된 토립자 이동을 제한하거나 중단시켜야 한다.
'''자가 여과''': 안정성이라고도 하며, 필터는 내부적으로 안정되어야 한다.
'''비 점착성''': 필터는 균열을 유지하거나 시멘트화할 수 없어야 한다.
'''배수''': 필터는 수압이 소산되도록 충분히 투과성이 있어야 한다.
'''강도''': 필터는 댐 내에서 파쇄되지 않고 응력을 전달할 수 있어야 한다.

참조

_[1] 웹사이트 Reclamation Glossary, U.S. Department of Interior, Bureau of Reclamation https://www.usbr.gov[...]
_[2] 웹사이트 Progress in assessing Internal Erosion, at britishdams.org http://www.britishda[...]
_[3] 서적 Geotechnical Engineering of Dams CRC Press/Balkema 2014
_[4] 웹사이트 ICOLD GIGB, ICOLD Dictionary http://www.icold-cig[...]
_[5] 웹사이트 Development of piping erosion conditions in the Benson area, Arizona, U.S.A. http://qjegh.lyellco[...]
_[6] 웹사이트 The scaling law of piping erosion http://hal.archives-[...]
_[7] 간행물 Internal Erosion of Existing Dams, Levees and Dykes, and Their Foundations International Commission on Large Dams 2013
_[8] 논문 Design of Filters for Clay Cores of Dams 1982
_[9] 논문 Investigation of Rate of Erosion of Soils in Embankment Dams 2004
_[10] 웹사이트 Kerala's man-made disaster https://www.indiatod[...] 2019-09-05
_[11] 논문 On the mechanism of piping under impervious structures https://repository.t[...] 1988
_[12] 논문 A mathematical model for piping 1991
_[13] 논문 Experiments on piping in sandy gravels 1994
_[14] 논문 On the distinct phenomena of suffusion and suffosion 2014
_[15] 간행물 Embankment Dams, Granular Filters and Drains International Commission on Large Dams 1994

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