유선망 (Flow Net)
한 줄 정의: 지반 속 침투류를 유선과 등수두선의 격자로 그려 유량과 수압을 구하는 도해법입니다.
쉽게 풀면
땅속을 흐르는 물의 길을 나타낸 선이 유선이고, 같은 수두를 가지는 점들을 이은 선이 등수두선입니다. 이 두 종류의 선은 서로 직교하도록 그려지며, 그 결과 대략 정사각형에 가까운 칸들의 격자가 만들어집니다. 칸의 개수만 세면 전체 침투 유량과 각 지점의 간극수압을 어렵지 않게 계산할 수 있습니다.
왜 중요한가
댐, 물막이, 흙막이 벽체처럼 물을 막는 구조물에서는 침투 유량뿐 아니라 바닥의 물이 위로 솟구쳐 지반을 들어 올리는 파괴가 중요한 검토 항목입니다. 유선망은 이런 침투 문제를 직관적으로 파악하게 해 주어, 수치해석이 보편화된 지금도 결과를 검증하고 해석하는 틀로 쓰입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"물막이 벽체 하부에 대해 작성한 유선망으로부터 굴착면의 동수구배를 산정하여 보일링에 대한 안전율을 검토하였다."
침투해 오는 물의 경로를 그려 굴착 바닥에서 물이 얼마나 급하게 솟아오르는지를 계산하고, 지반이 들려 올라갈 위험을 평가한 것입니다.
조금 더 깊게 보면
유선망은 흐름이 정상 상태이고 매질이 등방·균질하다는 가정 위에서 라플라스 방정식의 해를 손으로 근사한 것입니다. 이방성 지반에서는 수평·연직 투수계수 차이를 반영해 좌표를 변환한 뒤 그리며, 층이 여러 개이거나 경계가 복잡하면 유한요소 침투해석으로 대체합니다. 등수두선 간격이 좁아지는 곳일수록 동수구배가 커지므로, 그림만 보아도 파괴가 일어나기 쉬운 지점을 짚어낼 수 있습니다.
주의할 점
유선망에서 얻는 압력은 물의 흐름이 정상 상태에 도달했다는 가정 아래의 값이므로, 수위가 급변하는 과도기 상황에는 그대로 적용할 수 없습니다. 또한 다르시의 법칙이 성립하는 층류 조건을 전제로 하므로 자갈층처럼 유속이 큰 매질에서는 오차가 커집니다.