서 론

연구의 배경 및 목적

댐은 하천의 물을 조절하기 위해 인공적으로 저수지를 조성하는 구조물이다. 여유 수량이 있을 때 물을 저수지에 저장하고, 자연 유량이 부족할 때 이를 방출하여 수량을 조절하는 역할을 하는 댐을 저수 댐(storage dam)이라 한다. 일반적으로 댐이라 하면 저수 댐을 지칭한다(MOLIT, 2021).

특히, 농업용 저수지는 인류가 만든 대규모 토목 구조물로, 농업용수 공급, 홍수 피해 완화, 휴식 공간 제공 등 다양한 혜택을 제공한다. 그러나 저수지가 노후화되거나 지진으로 인해 붕괴가 발생할 경우, 막대한 인적 ‧ 물적 피해는 물론 높은 복구 비용이 요구되므로 사전 예방이 필수적이다. 현재 국내 농업용 저수지의 99%는 필댐으로 구성되어 있으며, 이 중 82%는 축조된 지 50년이 경과한 상태다. 이러한 노후화로 인해 월류, 파이핑, 누수 등으로 인한 재해 위험성이 점점 증가하고 있다(Lee et al., 2021).

국내에서는 아직 지진으로 인한 저수지 붕괴 사례가 보고된 바 없으나, 최근 2016년 9월 12일 경상북도 경주시 남서쪽 8~9 km 지점에서 두 차례 발생한 지진은 큰 경각심을 일깨워 주었다. 이는 1978년 충북 속리산(규모 5.2)과 충남 홍성(규모 5.0) 지진 이후 38년 만에 발생한 대형 지진으로, 국내에서는 36년 만에 일어난 대규모 육상 지진이었다. 이로 인해 저수지를 포함한 주요 시설물의 내진 보강의 중요성이 대두되었으며, 기존 노후 저수지에 대한 내진 보강 설계와 시공이 활발히 이루어지고 있다.

본 연구에서는 1g 진동대 시험기와 연성토조를 사용하여 제방의 내진보강 단면에 따른 가속도 증폭 및 거동특성을 동해석을 통해 비교 ‧ 분석하고자 하였다. 저수지 제방 높이는 20 m이고, 사면경사는 1 : 2.0, 사석 보강단면의 형상은 총 3가지로 구분하여, 입력지진파에 따른 제방모형의 동적 거동특성을 확인하고자 하였다.

선행연구 분석

국내 댐의 내진 설계기준은 1979년 댐 시설 기준이 제정되면서 다목적댐을 중심으로 내진 설계 개념이 도입되기 시작했다. 이후 2001년에 댐 설계기준이 처음으로 제정되었으며, 개정 작업을 거쳐 2011년에는 현재의 댐 설계기준으로 발전하였다(Jo and Kim, 2018). 그러나 국내에서는 제체의 내진 설계가 지진 계수를 이용한 단순한 개략 설계에만 국한되어 왔다. 특히, 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진 이후 저수지 설계 시 사면 안정성 평가의 중요성이 부각되면서 관련 연구가 활발히 이루어졌다.

초기 연구는 주로 노후 저수지의 코어존(core zone)에 초점을 맞췄다. Park et al.(2016)은 수치해석을 통해 노후 저수지의 침투 및 동적 거동 특성을 분석하였으며, 코어가 불량한 노후 저수지의 경우 수위 상승 시 댐마루부와 사면부에 균열이 발생하고, 지진 시에는 변위와 가속도 응답이 크게 증가한다는 결과를 제시하였다. Lee et al.(2014)은 원심모형실험을 통한 증고저수지 동적 거동특성에 대한 연구를 수행하였고, 저수지의 사면부에 Ofunato파와 Hachinohe파형의 가진 결과에 따른 최대지반가속도(peak ground acceleration, PGA)값과 수위상승 및 침투에 따른 제체의 변형을 확인하였다. Shin et al.(2020)은 내부마찰각 불확실성 및 지진을 고려한 저수지 비탈면의 안정성 평가에 대해 연구를 수행하였고, 그 결과 수위의 증가와 내부마찰각의 변동계수 증가에 따라 붕괴확률이 증가함을 확인하였다.

하지만 기존 연구는 주로 지진 시 저수지 제방의 동적 거동 특성과 안전성 검토에 국한되어 있으며, 내진 보강 방안에 대한 구체적인 제시는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 노후 저수지의 내진 보강 설계법을 재검증하고자, 노후 저수지의 일반적인 내진 보강 방법인 사석 보강에 대해 보강 단면 형상별 효과를 검토하였다. 이를 위해 기존 내진 설계 기준에 따라 제방의 사석 보강 단면에 4가지 입력 지진파를 적용하여 1g 진동대 모형 실험을 수행하였다. 사석 보강 단면을 부분 보강과 전면 보강으로 구분하여 비교 ‧ 분석한 결과를 바탕으로, 향후 저수지 내진 보강을 위한 정적 해석에 적용 가능한 방안을 제안하고자 한다.

필 댐

필댐의 구조

필댐이란 토석재료를 완만한 기울기로 쌓아 올려 만든 본체의 자중에 의하여 저수에 의한 하중을 지탱하는 형식의 댐으로서 제체의 대부분이 흙, 자갈, 암괴 등 자연재료로 구성되어 있다. 제체의 구성재료에 따라 흙댐, 사력댐 등으로 구분되기도 한다. 필댐의 구조는 일반적으로 불투수성, 반투수성, 투수성 재료로 구성되어 있으며, 각 재료에 대하여 투수성은 물론이고 전단강도에 대해서도 차수존을 중심으로 외곽으로 서서히 큰 값의 재료가 되도록 배치한다. 필댐의 구조상 균일형, 존(zone)형, 코어(core)형, 표면차수벽형의 4가지 종류로 분류할 수 있으며, 국내 농업용 저수지로는 필댐이 거의 대부분을 차지하고 있다.

Fig. 1은 필댐의 구조를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Structures of the pill dam.

실내실험 및 사면조성

개요

본 연구에서는 필댐의 축소모형을 조성하여, 각 위치별 가속도계를 매설하였다. 대표적인 장주기파와 단주기파인 Ofunato파와 Hachinohe파를 적용하였으며, 국내에 발생된 경주지진과 포항지진파를 적용하여 각 입력지진파에 따른 가속도계 매설 위치별 PGA결괏값을 확인하고자 하였다.

실내실험

1g 진동대

Fig. 2는 본 연구에서 사용한 진동시험 장비이며 주요 제원은 Table 1에서 나타내었다. 가진기 본체의 크기는 3,000(L) × 1,000(B) × 500(H)mm이며 가진 테이블의 크기는 2,000 × 600(L × B)mm, 허용재하중량은 1.5 t이다. 스토크는 최대 200 mm (±100 mm)이며 실린더와 스토크에 내장형 비접촉식 변위 센서(20 mm)가 부착되어있다. 유압서보는 380 V 모터로 210 bar 압력을 이용해 실린더는 최대 10 tf까지 출력되며, 1축 변위 제어방식으로 구성되어 있다.

1g 진동대 실험은 원심 모형실험보다 원형의 구속압을 재현할 수 없으므로 지반의 구성 거동이 달라질 수 있다(Gibson, 1996; Yang et al., 2009). 그러나 상대적으로 실험의 편의성과 저비용으로 실험이 가능하므로 더 많은 실험 횟수를 구현하고, 수치해석 및 스케일의 조정을 통해 구속압의 제약 부분은 보완이 가능하다는 장점이 있다.

Fig. 2.

1g shaking table.

실험수행모델

시험 수행에 앞서 진동대의 제원 및 제반 시험조건을 고려한 상사법칙을 적용하여 제방 높이 20 m 원형의 1/70 크기로 모델링 하였으며, 사면경사는 1 : 2.0으로 고정 시키고, CASE - 1(무보강), CASE - 2(부분보강), CASE - 3(전면보강)의 3 CASE로 모형사 면을 조성하였다. Iai(1989)의 상사법칙 이론 중 3번째 유형을 적용하였고, 흙의 구성법칙으로 이용한 기본방정식은 적절한 축소 요소를 고려한다면 응력-변형 관계는 구속응력에 관계없이 결정할 수 있으므로 변형에 관심 있는 모델에 적용할 수 있다(Lee et al., 2021).

입력하중은 대표적인 단주기파와 장주기파인 Ofunato와 Hachinohe 지진파와 최근 국내에 발생된 Gyeongju와 Pohang 지진파를 선정하였고, 3가지 보강단면을 조성 후 4가지 지진파를 입력하여 동적 모형시험을 수행하였다.

Fig. 3은 실내 실험에 사용된 시료의 입도분포 곡선을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Results of the grain size distribution test.

Table 2는 실내모형 실험에 사용된 시료의 물리적 특성 결과를 나타낸 것이고, Table 3은 사면보강 및 입력지진파에 따른 실험 case를 나타낸 것이다.

지진파는 특정 위치에서 기록된 실제 지진파형으로, 진원지에서 지표면까지 도달하는 과정에서 매질, 즉 지반의 특성에 따라 파형의 성분이 달라진다. 이로 인해 어떤 지진파는 장주기 성분이 우세하기도 하고, 반대로 단주기 성분이 두드러지기도 한다.장주기 성분이 우세한 지진파는 상대적으로 유연한 지반, 즉 장주기 특성을 지닌 매질을 통과한 결과로 해석되며, 단주기 성분이 우세한 지진파는 단단한 지반이나 암반과 같은 특성을 지닌 매질을 통과한 결과로 이해할 수 있다.

기존의 기록된 지진파 중 대표적인 장주기 지진파로는 Hachinohe 지진파(1968년, 일본 Tokachi-Oki 관측, 규모 7.9, 최대가속도 0.170g)가 있으며, 단주기 지진파로는 Ofunato 지진파(1968년, 일본 Tokachi-Oki 관측, 규모 7.4, 최대가속도 0.161g)가 꼽힌다. 이 두 지진 기록은 일본에서 구조물의 내진 설계에 가장 많이 활용되는 자료로, 현장 여건에 맞게 지진파를 조정하여 동해석에 사용할 수 있다.

본 연구에서는 국내 지진 조건을 반영하기 위해, 경주 지진파(2016년, 규모 5.8)와 포항 지진파(2017년, 규모 5.4)를 적용하였다. 이를 통해 국내 여건에 적합한 지진 환경을 조성하고 실험을 수행하였다.

구조물의 내진 설계는 중요도에 따라 특등급과 1등급으로 구분되며, 내진 성능 수준에 따라 기능수행 수준과 붕괴방지 수준으로 나뉜다(MOF, 2015). 일반적인 구조물의 내진 성능을 평가하기 위한 설계지반 가속도는 구조물의 내진 등급과 재현주기를 바탕으로 구역 계수와 위험 계수를 결정한 후, 이 값을 곱하여 산출한다. 본 연구에서는 전라도 지역을 지진 1구역으로 가정하고, 내진 1등급 관리 대상 저수지를 기준으로 설계지반 가속도를 산정하였다.

또한, 구조물의 내진 등급은 1등급이지만 불리한 환경을 조성하기 위해 내진 특등급으로 가정하였고, 성능 수준은 붕괴방지 수준으로 설정하였다. 이 과정에서 네 가지 지진파(Hachinohe, Ofunato, Gyeongju, Pohang)를 구현하여 모형토조 하단에 입력하고 지진파를 모사하였다. Fig. 4는 실험에 사용된 지진파형을 나타낸 것으로, 실제 제방의 1/70 크기의 실험모형에 적용되었다. 실험에서는 최대 지반 가속도를 0.154g로 조정하여 입력 지진파를 선정하였다.

Fig. 4.

Input seismic wave.

Fig. 5는 실내축소 모형에 따른 각 실험 Case 별 지반조성 단면과 가속도계 매설 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Placement of accelerometer buried according to the reinforcement shape of the embankment.

모형사면 조성

Fig. 6은 실내실험 조성 과정을 나타내 것이다. 축소모형 사면 높이에 맞춰 1/40 스케일로 조성하고자 하였으며, 모형 사면의 높이 50 cm까지 조성되었다. 모형 사면의 하부는 풍화토 지반을 구현하고자 하였고, 하부 풍화토 지반조성 후, 가속도 매설위치도에 따라 하부에 가속도계 3개를 매설하였다.

중간층은 연약 점성토층을 포설하였고, 풍화토층과 동일하게 점성토층 최상부에 가속도계 3개를 매설하였다. 상부는 검토 단면과 같이 하부 풍화토를 조성한 후, 가속도계를 매설하고, 중심부에 연약 점성토를 조성한 후, 2열 가속도계를 매설하였다. 상부는 1단 소단과 2단 소단을 조성하여 현장 여건과 유사하게 모형을 조성하였다.

최상부는 성토층을 조성하였으며, 사면의 1단 소단 상부와 2단 소단 상부에 계측기를 각 1개씩 매설하였다.

Fig. 6.

Laboratory experiment view.

실내실험 결과

입력지진파에 따른 가속도 분석 결과

제방 중심부 PGA결괏값 분석

Fig. 7은 각 입력지진파에 따른 제방 중심부의 PGA분석 결과를 나타낸 것이다.

지진파별 PGA결괏값 분석결과, Ofunato지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.162~0.307g, 부분보강일 경우 0.163~0.284g, 전면보강일 경우 0.117~0.274g로 나타났고, Hechinohe지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.176~0.469g, 부분보강일 경우 0.101~0.427g, 전면보강일 경우 0.108~0.386으로 나타났다. 또한 Gyeongju지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.181~0.408g, 부분보강일 경우 0.149~0.379g, 전면보강일 경우 0.159~0.343g으로 나타났다. Pohang지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.162~0.364g, 부분보강일 경우 0.155~0.355g, 전면보 강일 경우 0.158~0.336으로 나타났다. 사석보강에 따른 가속도 증폭 감소비를 비교한 결과, 부분보강 후 가장 큰 증폭감소는 Hachinohe 지진시 높이 0.25 m (ACC5) 계측점에서 35% 감소비로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였으며, 전면보강 후 가장 큰 증폭감소는 Ofunato 지진시 높이 0.25 m (ACC5) 계측점에서 50%정도로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 제방을 누루는 사석의 증가로 인한 보강효과로 판단할 수 있으며, Hachinohe 지진파의 경우, 보강된 원지반과의 증폭률이 가장 낮게 측정된 것으로, 추후, 응답스펙트럼을 이용한 분석이 필요할 것으로 사료된다. 중심부에서는 대략적으로 부분보강과 전면보강의 증폭 감소비의 차이가 대략 3~14%의 차이를 보였는데 이는 중심부의 부분보강과 전면보강의 내진효과의 차이라고 판단된다.

Fig. 7.

Acceleration analysis results by depth according to input seismic wave - Center of embankment.

제방 상류사면 PGA결괏값 분석

Fig. 8은 각 입력지진파에 따른 제방 상류사면의 PGA분석 결과를 나타낸 것이다.

지진파별 PGA결괏값 분석결과, 4개 파형을 각각 가진한 경우 모든 그래프에서 우상향을 나타냈으나, Hachinohe지진파를 가진할 경우, 전면 보강시 0.25 m 부근에 위치한 가속도계(ACC7)의 PGA값 0.178g이 높이 0.15 m부근에 위치한 가속도계(ACC4)의 PGA값 0.22g보다 작게 계측되었는데 이는 흙의 다짐도, 사석의 보강시 지반의 교란 등으로 인한 것으로 판단된다. 사석보강에 따른 가속도 증폭 감소비를 비교한 결과, 부분보강후 가장 큰 증폭감소는 Ofunato 지진시 0.15 m (ACC4) 계측점에서 감소비 21%로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였으며 전면보강 후 가장 큰 증폭감소는 Hachinohe 지진시 0.25 m (ACC7) 계측점에서 48% 정도로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 제방을 누르는 사석의 증가로 인해 지중 구속압에 의한 지중응력의 증가로 인한 것임을 알 수 있다. 중심부에서는 대략적으로 부분보강과 전면보강의 증폭 감소비의 차이가 대략 0~20%의 차이를 보였는데 이는 사석보강으로 인한 내진효과임을 확인할 수 있다.

Fig. 8.

Acceleration analysis results by depth according to input seismic wave - Upper slope.

제방 하류사면 PGA결괏값 분석

Fig. 9는 각 입력지진파에 따른 제방 하류사면의 PGA분석 결과를 나타낸 것이다.

지진파별 PGA결괏값 분석결과, Ofunato지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.179~0.244g, 부분보강일 경우 0.142~0.183g, 전면보강일 경우 0.128~0.160g로 나타났고, Hechinohe지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.168~0.277g, 부분보강일 경우 0.148~0.229g, 전면보강일 경우 0.152~0.261로 나타났다. 또한 Gyeongju지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.173~0.196g, 부분보강일 경우 0.166~0.176g, 전면보강일 경우 0.157~0.193으로 나타났고 Pohang지진파 가진시 PGA결괏값은 보강전일 경우 0.151~0.232g, 부분보강일 경우 0.165~0.208g, 전면보 강일 경우 0.167~0.200으로 나타났다. 사석보강에 따른 가속도 증폭 감소비를 비교한 결과, 부분보강후 가장 큰 증폭감소는 Ofunato 지진시 높이 0.35 m (ACC9) 계측점에서 25% 감소비로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였으며 전면보강 후 가장 큰 증폭감소는 Ofunato 지진시 높이 0.35 m (ACC9) 계측점에서 34%정도로 가장 크게 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 제방을 누르는 사석의 증가로 인해 지중 구속압에 의한 지중응력의 증가로 인한 것임을 알 수 있다. 하류사면부에서는 대략적으로 부분보강과 전면보강의 증폭 감소비의 차이가 대략 1~7%의 차이를 보였는데 이는 사석보강으로 인한 내진효 과임을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Acceleration analysis results by depth according to input seismic wave - Downstream slope.

보강단면에 따른 입력지진파 별 가속도 분석 결과

Fig. 10은 보강단면에 따른 PGA분석 결과를 나타낸 것이다.

무보강과 전면보강의 결과에서 PGA 계측값이 현저하게 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 무보강의 경우, Ofunato, Hachinohe, Gyeongju, Pohang지진파 가진시 제방 최상단에서 0.307, 0.469, 0.408, 0.364의 PGA결과를 보였고, 전면보강에서는 0.274, 0.368, 0.343, 0.336의 PGA결과를 나타내었다. 감소율은 최소 7.6%에서 최대 17.6%로 확인되었으며, 보강효과에 따라 평균적으로 13.0% 이상 증폭율이 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 사석의 자중으로 인한 지중의 구속압 증가, 장기적으로는 상재하중에 따른 압밀이 진행되며, 다짐도가 증대되는 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Acceleration analysis results by reinforcement section.

결 론

본 연구에서는 노후화된 저수지 제방의 사석보강 단면에 따라 다양한 지진파에 따른 제방에 미치는 영향을 확인하고자 1g 진동대 시험기에 모형제방을 조성하여 지진모형 실험을 수행하였다. 1g 진동대 실험 조건은 제방 높이 20 m의 원형을 상사법칙 1/70로 축소 모형을 만들고 사석 무보강(CASE1), 부분보강(CASE2), 전면보강(CASE3)으로 내진보강 단면을 CASE화 시켜 실험을 수행하였다. 입력지진파는 Ofunato지진파, Hachinohe지진파, Gyeongju지진파, Pohang지진파를 선정하였다. 각 모형에 발생하는 가속도 증폭 특성을 분석하여 사석의 부분보강과 전면보강과의 동적 특성을 평가 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

(1) 모형제방의 상류 ‧ 하류사면 및 중심부에서 지반의 심도에 따른 PGA를 분석한 결과, 평균적으로 무보강 대비 PGA 증폭 감소율은 상류사면에서 부분보강시 10%, 전면보강시 19%, 중심부에서 부분보강시 13%, 전면보강시 20% , 하류 사면에서 부분보강시 9%, 전면보강시 12%로 분석되었다. 당초 사석보강이 직접적으로 이루어진 상류 및 하류사면에 대한 보강 효과가 클 것으로 예상했으나, 제방 중심부에서 보강효과가 더 높은 것으로 확인되었다. 이는 사석보강에 따른 제체의 전반적인 보강으로 인한 증폭률의 감쇄가 나타난 것으로 판단된다.

(2) 보강 단면에 따른 PGA분석결과, 무보강의 경우, Ofunato, Hachinohe, Gyeongju, Pohang지진파 가진시 제방 최 상단에서 0.307, 0.469, 0.408, 0.364의 PGA결과를 보였고, 전면보강에서는 0.274, 0.368, 0.343, 0.336의 PGA결과를 나타내었다. 감소율은 최소 7.6%에서 최대 17.6%로 확인되었으며, 보강효과에 따라 평균적으로 13.0% 이상 증폭율이 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 사석의 자중으로 인한 지중의 구속압 증가, 장기적으로는 상재하중에 따른 압밀이 진행되며, 다짐도가 증대되는 것으로 판단된다.