The failure of a dam during an earthquake can produce immeasurable losses of life and property. In addition, serious damages even without failure can have severe economic consequences. To prevent such serious damages, it is required to soundly evaluate seismic performance of dams. Many dams have already constructed and operated, so the seismic performance evaluation has to adopt not only new planning dams, but also existing dams.
The seismic performance evaluation of existing dams in Korea has been recently carried out by engineers and government-related organizations. The seismic performance of a dam is evaluated by “Guideline of Seismic Performance Evaluation for Existing Dams” revised in 2004 (KISTEC, 2004). The safety factor for liquefaction and slope stability, and earthquake-induced permanent deformation are evaluated by this guideline. In the case of evaluating earthquake-induced permanent deformation, 1% of dam height is used as the allowable permanent settlement. However, there is no assessment whether this criterion is reliable although it has been used for many years. Therefore, it is needed to assess the validity of the 1% criterion to evaluate seismic dam performance reliably.
In this study, three methods are used to assess the criterion for earthquake-induced permanent deformation: dynamic centrifuge tests, numerical analyses and case studies. The result from each method was compared with the 1% criterion for validation study.
Firstly, dynamic centrifuge tests of earth-core rockfill dam (ECRD) and concrete-faced rockfill dam (CFRD) models were carried out to investigate their seismic behaviors when subjected to earthquake loadings. The earthquake-induced deformation, the characteristic of acceleration amplification and the earthquake-induced stress increments in CFRD facing were measured by various transduced. From the obtained test results, it was found that seismic behaviors of rockfill dams could reliably investigated by dynamic centrifuge tests. The recorded settlements at model crest were compared with the 1% criterion.
Secondly, the reliability of the numerical modeling of a rockfill dam is evaluated through comparing numerical analysis results with centrifuge test results. The numerical analyses results corresponded well with the observations from the centrifuge tests, so the numerical technique was assessed as reliable method to evaluate seismic dam behaviors. The parametric study was then carried out by this numerical analysis technique to evaluate the validity of the 1% criterion. The computed data from the parametric study were compared with the 1% criterion.
Finally, the case studies were conducted for the validation study. 134 data including dam performance records during earthquakes were collected by reviewing many literatures. The relationship between the earthquake-induced settlement and damage were investigated, and the collected data were compared with the 1% criterion.
The results from the three methods indicate that earthquake-induced settlements at dam crest were below 0.4% of dam height. It is quite small amount in comparison to 1% criterion. Moreover, there are many dams that experience damages although their earthquake-induced settlements are lower than 1% of dam height. Therefore, the 1% criterion is not considered as a reliable criterion for evaluating the seismic performance.
일반적으로 필댐은 지진에 안정적인 구조물이라고 평가되고 있으나, 지진으로 인해 댐이 파괴되면 막대한 인명과 재산에 피해를 발생시킬 수 있다. 또한 댐이 파괴에 이르지 않더라고 지진으로 인한 댐의 손상은 심각한 경제적 손실을 야기시킨다. 그러므로 댐의 내진성능평가는 매우 중요하며, 현재 여러 가지 방법을 통해 이를 평가하고 있다.
국내에서는 2004년 시설안전공단에서 발간한 “기존 댐의 내진성능평가 요령”을 통해 댐의 내진성능을 평가하고 있다. 내진성능수준 결정 후 예비평가, 1단계평가, 2단계평가를 수행하며, 각 단계에서는 액상화, 사면안정, 잔류변형에 대해 평가하고 있다. 액상화와 사면안정에 대해서는 각 단계에서 허용 안전율을 제시하여 평가하고 있다. 하지만 잔류변형에 대해서는 허용변위가 “댐 높이에 대한 댐 마루 침하량 1% 이내” 라는 기준을 제시하고 있으나, 이에 대한 근거를 찾을 수 없다. 따라서 본 기준의 합리성을 확인하기 위해 동적원심모형, 수치해석, 사례연구가 수행되었고, 그 결과들과 기준의 비교를 통해 합리성을 검토하였다.
먼저 지진시 댐의 거동을 평가하기 위해, 동적원심모형시험을 수행하였다. 현장 댐의 형상과 물성을 모사하여 중심코어형 락필댐과 콘크리트 표면차수벽형 락필댐 모형을 제작하여 시험을 수행하였다. 원심가속도 조건에서 지진하중은 진동대를 이용하여 모사되었다. 댐 중심부와 하류사면부에 가속도계를 매설하여 기반암에서 댐마루까지의 가속도 증폭특성을 계측하였다. 또한 고속카메라와 이미지 프로세싱 기법을 통해 댐 표면의 횡변위를 계측하였으며, 레이저 변위 계측기를 통해 종방향 침하를 계측하였다. 또한 콘크리트 표면차수벽형 락필댐에 대해서는 스트레인 게이지를 이용하여 차수벽의 변형을 계측하였다. 이를 통해 가속도, 변형, 차수벽 응력 결과를 산정하였으며, 합리적인 결과를 도출할 수 있었다.
또한, 유한차분법 기반 프로그램인 FLAC 2D 5.0을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 먼저 지진하중을 받는 사력댐의 수치모델링 기법의 검증을 위해 원심모형시험 모형과 동일한 조건으로 수치모델링 한 뒤, 그 결과들을 비교하였다. 수치해석을 통해 산정된 가속도, 변형, 차수벽 응력 결과가 원심모형시험 결과와 대체로 유사하였고, 본 수치해석 기법의 합리성을 검증할 수 있었다. 검증된 수치해석 기법을 통해 다양한 조건의 댐을 모델링하여 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구의 매개변수 연구에서는 댐 사력재와 코어재의 강성이 댐마루 침하량에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과 사력재의 강성이 댐 마루 침하량과 영향이 있었으며, 강성이 커질수록 침하량은 줄어들었다. 하지만 국내 지진하중 수준에서는 사력재 강성이 매우 작은 수준에서도 침하량은 댐 높이의 1%에는 미치지 못하였다.
마지막으로 국외 지진시 거동계측 기록을 조사하여 기준과 비교해 보았다. 10개의 문헌을 통해 134건의 자료를 수집하였으며, 댐 정보, 발생 지진 정보, 거동 계측 기록, 피해 현황에 대해 조사하였다. 조사된 계측 기록들의 분포들을 앞서 수행되었던 시험결과, 수치해석 결과와 함께 댐 변형 기준과 비교하였다. 비교 결과 국내 지진수준에서는 댐마루 침하량이 댐 높이의 0.4%를 넘지 않은 것으로 확인되었다. 또한 댐마루 침하량이 1% 미만에서도 다수의 피해사례를 확인할 수 있었다. 따라서 현행 1% 기준으로는 필댐의 내진성능을 합리적으로 평가하기는 힘들 것이라 판단된다.
