Evaluation of Seepage Pressure through Damaged Sewerage Pipe Based on Numerical Analysis

Abstract

최근 도심지에서 발생하는 지반함몰과 그로 인한 사회적 피해가 증가하였지만 관련 연구가 충분히 수행되지 않아 연구의 필요성이 부각되고 있다. 도심지에서 발생하는 지반 함몰은 하수관 손상으로 인한 경우가 대다수이며, 하수관의 손상은 노후화로 인한 파손 비율이 크다. 하수관 손상부를 통한 지하수 유입, 유출 과정에서 지반의 흙 입자들이 하수관 내부로 유실되고, 이 과정에서 생성된 공동으로 인해 지반함몰이 발생한다. 본 연구는 지하수 유출 과정에서 하수관 손상부에 가해지는 침투압이 토사 유출에 영향을 준다고 판단하여, 유한요소 해석 프로그램 (MIDAS GTS NX)을 사용하여 서울 강남역 지반 및 하수관거 조건을 모사하여 하수관 주변에서의 침투 해석을 수행하였다. 하수관 매설 깊이, 하수관 손상부 폭, 하수관 관경, 강우 강도 조건을 변화시켜가며 그에 따른 침투압 결과를 분석하였다. 본 연구에서는 기존에 규명되지 않은 하수관 손상부에서의 침투압 산정 방법을 제안하였으며, 침투압의 영향 인자들을 분석하였다. 침투 해석을 통해 4가지 영향 인자들에 대한 결과를 얻을 수 있었다. 우선 손상부 폭이 커질수록 침투력 산정 범위 내부의 침투력은 커지지만 손상부에 가해지는 침투압은 작아지는 경향을 확인할 수 있었다. 하수관 매설 깊이의 경우, 깊이가 깊을수록 침투력과 침투압 모두 감소하였다. 하수관의 직경은 커질수록 침투압이 작아짐을 확인하였으나, 이는 미미한 영향 만을 주었다. 강우 강도는 클수록 하수관 내부 압력 수두가 커져 침투압도 커짐을 확인 할 수 있었다.

Recently, interests for ground cave-ins has been growing due to its increasing occurrences and social damages. Ground cave-in is occurred mainly by the damaged sewerage pipe. Through the damaged part of the pipe, ground water and soil particles flow and loss of soil of ground happens. Continuous soil loss leads weaken ground capacity and finally to ground collapses. So it is very important to minimize soil loss, and how each factors applying to seepage pressure. In this study, burial depth, crack width, pipe diameter, rainfall intensity were considered to be influencing factors. Finite element method (FEM) was applied to perform this study. MIDAS GTS NX was used to perform analysis. Conditions for analysis was basically based on conditions of Gangnam station, Seoul, Korea. Rainfall intensity was transformed to hydraulic head of inside the pipe. Analysis procedure for seepage analysis at the damaged pipe was suggested. Performing analysis, determining the range of seepage analysis (Hydraulic gradient≥1), calculating average hydraulic gradient, seepage forces per unit volume, and determining seepage pressure at the damaged pipe is a sequence for analyzing. For the analysis results, there are 4 main results. First, as damaged width increases, seepage force at region for calculating seepage force is increased and seepage pressure at damaged area is decreased. Second, as burial depth increases, seepage force and seepage pressure both decreased. Third, as diameter increases seepage pressure is decreased. But it affects very weakly to seepage pressure. Finally, as rainfall intensity increases, seepage pressure also increased.