1. 서 론
댐은 인간이 건설할 수 있는 가장 거대한 규모의 구조물 중에 하나이기 때문에 댐 건설은 환경에 많은 영향을 미치며 붕괴시 대규모 붕괴파로 인해 하류에 막대한 재산과 인명 피해를 발생시킨다(Alcrudo and Mulet, 2007; Begnudelli and Sanders, 2007). 댐의 안전에 관한 주요 이슈는 이상기후로 인한 최대가능홍수량(PMF) 증가, 지진발생 빈도 및 규모 증가, 댐의 노후화에 따른 댐 재개발시의 안전성 확보이다. ICOLD (1998)의 보고에 따르면 전 세계에서 댐 사고는 약 15만 개소로, 12세기 이후에 2,000여개 댐이 손상을 입었고, 20세기 이후에는 200여개의 댐에서 사고가 발생하여 약 238,000명이 사망하였다(K-Water, 2003).
대표적인 댐 사고 사례로서는, 1975년 8월에 중국 허난성에 있던 Banqiao댐과 Shimantan댐의 붕괴로 230,000명(공식적으로는 86,000명)이 사망, 1976년 6월 미국의 Teton댐 붕괴로 인한 14명 사망 및 약 10억 달러의 재산피해가 발생, 대만에서는 1999년 9월 규모 7.7의 지진이 발생하여 Shihkang댐이 붕괴되어 용수공급능력의 40%를 상실하는 발생한 바 있다. 우리나라도 1996년 7월 연천댐이 붕괴되었다. 연천댐은 댐 양안부 월류 후 불과 30여분만에 댐 우안부가 붕괴되었으며, 월류된 물이 댐 하류지역을 덮쳐 가옥 50동을 전파시키는 등의 피해가 발생하였다(Yun et al., 2005).
댐 붕괴를 모의하고 예측하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 댐 붕괴 모형을 개발하고 모의결과를 기존의 모형들과 비교한 연구가 최근까지 이루어 졌으며(Zhou et al., 2005; Lismanis, 2013; Seyedashraf et al., 2018; Aureli et al., 2021), 댐 붕괴에 따른 피해 양상 및 규모가 분석되었으며(Lodhi and Agrawal, 2012; Soleymani et al., 2015; Day, 2016; Azeez et al., 2020; Bilali et al., 2022), 댐 붕괴에 따른 영향범위 해석 및 이를 기반으로 한 비상대처계획 수립(Rodrigues et al., 2002; Becker et al., 2007; Peng and Zhang, 2013; Ferrari et al., 2023)에 관한 연구들이 진행되고 있다. 국내에서는 Lee (2001)는 팔당댐, Koo (2004)는 연천댐, Hong et al. (2009)은 소양강 댐 붕괴를 모의하고 이에 따른 하류 영향을 분석하였다. Kim (2013)은 연속적인 댐 붕괴로 인한 영향을 분석하였으며, Kim (2019)은 기후변화에 따른 소양강댐의 붕괴 및 하류부 범람을 분석하였다. 최근에는 Shin et al. (2023)이 충주댐에서 연속호우 발생에 따른 댐 붕괴를 모의한바 있다.
최근에는 우리나라도 더 이상 지진에 안전하지 않음을 증명하는 연구들이 나오고 있다(Jee and Han, 2020; Song et al., 2023). 그러나 기존의 국내⋅외 연구들은 극한 호우 또는 연속된 극한 호우에 의한 댐의 월류로 인한 붕괴 상황을 분석하였다. 본 연구에서는 지진에 의한 댐 붕괴 및 하류영향을 모의하고, 월류에 의한 붕괴시 피해와 비교하고자 한다.
2. 이론적 고찰
2.1 댐 붕괴 메카니즘
댐 붕괴 거동은 크게 두 가지로 구분된다. 제체 구조물에 가해지는 과도한 응력에 의하여 구조물의 일부 또는 전체가 갑자기 붕괴되는 순간적인 붕괴(콘크리트 댐 붕괴)와 댐 제체를 구성하고 있는 토립자의 침식에 의하여 발생하는 점진적인 붕괴(Fill 댐 붕괴)이다. 본 연구는 콘크리트 중력식 댐을 대상으로 하고 있으므로 순간적인 붕괴에 한하여 기술하였다. 순간적인 붕괴는 댐 자체의 부적절한 설계나 물의 월류, 지진, 기초부 및 접합부의 결함으로 댐 구조물에 커다란 응력을 작용시켜 구조물을 전도시키거나 밀어냄으로써 발생하며 단 몇 분만에 댐 파괴의 최종 형태에 도달하는 급격한 붕괴 특성을 가진다. 콘크리트 댐 파괴의 최종 형태는 거의 연직 측벽면 경사를 가진 사다리꼴 형상을 가진다. 콘크리트 댐의 구조적인 지지 특성 때문에 댐의 파괴는 거의 댐 제체의 상당부분 또는 제체의 완전한 붕괴를 가져온다. 붕괴부 형상은 실제 붕괴된 댐을 조사하여 Fig. 1과 같이 역삼각형, 직사각형, 사다리꼴 등으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 충주댐과 같은 콘크리트 중력식 댐의 붕괴부 형상은 Fig. 1(b)와 같은 직사각형 형상으로 가정하였다.
2.2 댐 붕괴 홍수파 해석
댐 붕괴로부터의 홍수파 해석은 동역학적 홍수추적 방법을 사용하는 미국 기상청(NWS)의 DAMBRK 모형, FLDWAV 모형과 미국 육군공병단의 HEC-RAS 모형이 대표적이다. DAMBRK 모형은 저수지 붕괴를 모의함에 있어서 타 모형들과 비교해 보았을 때, 실제 붕괴양상을 가장 잘 반영할 수 있는 모형이다. DAMBRK 모형과 FLDWAV 모형은 부정류 계산 알고리즘에 있어서는 유사한 모형이라고 할 수 있으나, DAMBRK 모형은 FLDWAV 모형에 비해 저수지의 연속붕괴모의와 동시붕괴모의를 모두 수행할 수 있으며 저수지 붕괴에 따른 저수지 감수곡선을 모의할 수 있고, 저수지 붕괴 모의에 대해 전 세계적으로 많은 적용 예를 가지고 있다. 또한 GIS 해석과 저수지 붕괴시에 나타나는 불확실도 분석 등과의 연계 측면에서 볼 때 댐 붕괴 모의에 있어서 DAMBRK 모형의 확장성이 우수하다(Singh, 1996). 댐 붕괴시 홍수파는 댐 지점에서 붕괴시의 유출수문곡선이 구해지면 하류부에서의 홍수파의 도달시간, 홍수량 및 홍수위 등이 하도의 홍수 추적과정을 통하여 예측될 수 있다. 댐 붕괴로 인한 홍수파는 첨두유량이 매우 크고, 수문곡선의 상승기점에서 첨두 발생까지의 시간이 매우 짧게 나타나, 매우 큰 가속성분의 영향이 발생하므로 동역학적 방법에 의한 수리학적 홍수추적 방법을 사용해야 한다. DAMBRK 모형의 지배방정식은 확장된 1차원 Saint-Venant 방정식으로(Eq. (1)), 댐 붕괴로부터 유출수문곡선을 유도하고 하류부 하도를 통한 홍수파를 동역학적 방법에 의한 수리학적 방법으로 추적한다. 이러한 이유로 본 연구에서 댐 붕괴 홍수해석 모형으로 DAMBRK 모형을 적용하였다.
여기서, A = 흐름단면적, Ao= 저류단면적, β = 운동량 보정계수, g= 중력가속도, H = 수위, Q = 유량, s = 사행계수, Se= 단면 확대⋅축소에 의한 손실경사, Sf = 마찰경사
3. 적용대상 영역
충주댐은 남한강 유역의 수자원을 개발하여 홍수피해 경감, 첨두발전, 하류지역 각종 용수 공급할 목적으로 건설된 대한민국 최대의 콘크리트 중력식 댐이다. 본댐은 높이 97.5 m, 길이 447 m, 체적 90만 2천 m3, 저수용량 27억 5천만 m3으로 6억 1천 6백만 m3의 홍수조절 능력을 갖추고 있다. 충주댐의 유역면적은 6,648 km2으로 연평균 강우량은 1,198 mm이며 연평균 유입량은 4,888백만 m3이다. 1차원 댐 붕괴 홍수파 모의에 대한 적용 하도구간은 충주댐에서 한강하구까지 206.7 km이며 2차원 홍수범람 해석은 충주댐의 직하류부로부터 충주조정지댐까지 약 19.266 km 구간이며, 약 11.4 km 지점에서 지류인 달천이 유입하고 있으며 충주시 시가지 지역으로 지류가 유입될 뿐만 아니라 댐의 직하류부로 빠른 유속으로 인한 피해가 클 것으로 판단되어 홍수범람 해석 구간으로 결정하였다. 충주댐은 계획홍수량 18,000 m3/s 유입시 16,200 m3/s로 조절방류하고 계획홍수위는 EL. 145.00 m를 초과하지 않도록 운영하고 있다.
4. 모형의 적용
4.1 가상붕괴 시나리오 구성
본 연구는 지진에 의해 댐 붕괴가 발생할 때 발생할 수 있는 최악의 상황을 가정하였다. 다만, 극한 강우 상황과 지진이 동시에 발생할 확률은 매우 낮을 것으로 판단되어, 충주댐 상시만수위(EL.141.0 m)에서 댐 붕괴가 발생하는 것으로 설정하였다. 댐으로의 유입량은 한강하천기본계획에서 산정한 평수량 54.32 m3/s를 적용하였다. 상시 만수위 조건이므로 여수로를 통한 방류량은 없는 것으로 가정하였다.
홍수에 의한 댐 붕괴는 충주댐 PMF 발생시 최고수위(EL.146.00 m)에서 댐 붕괴가 발생하는 것으로 설정하였으며, PMF (32,727 m3/s)가 유입되고, 여수로를 통하여 20,000 m3/s가 방류되는 것으로 가정하였다.
붕괴 시간은 짧은 시간에 붕괴가 진행되는 콘크리트 댐의 특성을 반영하여 0.2 hr, 0.3 hr, 0.5 hr의 3가지를 적용하였으며, 붕괴부의 평균폭은 댐 폭의 25% (0.25 W)와 댐 폭의 50% (0.5 W)를 검토하였다. 붕괴부의 측벽경사는 연직으로 가정하였다. Table 1은 댐 붕괴 모의시나리오를 나타낸다.
4.2 댐 붕괴에 의한 하류 영향 분석
6개의 시나리오에 대하여 댐 직하류부에 발생되는 최대붕괴유출량을 산정하였다. 지진에 의한 붕괴시 붕괴부 폭 0.5 W, 붕괴지속시간 0.2시간일 경우(CJD2-1 조건) 첨두붕괴유출량이 297,254 m3/s로 가장 크게 산정되었다. 홍수에 의한 붕괴시에도 CJD2-1 시나리오에서 붕괴유출량이 가장 크게 산정되었으며, 첨두붕괴유출량은 343,036 m3/s로 산정되었다. 초기조건이 홍수에 의한 붕괴상황에서 붕괴 시작시 저수지 수위 및 유입량이 크기 때문에 붕괴유출량이 크게 산정되었다(Fig. 2).
첨두 붕괴유출량이 가장 큰 CJD2-1 시나리오에서 충주댐에서 한강하구까지 206.27 km 구간에 대하여 주요지점에 대한 홍수수문곡선을 모의하였다(Fig. 3). 두 가지 붕괴 원인 모두에서 댐 붕괴의 영향은 한강 하류에 까지 홍수량에서 영향을 미치는 것으로 나타났다.
지진발생시 첨두유량은 댐 직하류부에서 297,254 m3/s, 달천 합류후 지점에서 160,802 m3/s, 조정지댐 직하류부 지점에서 137,308 m3/s, 한강하구에서 46,045 m3/s인 것으로 분석되었다. 최고홍수위는 댐 직하류부에서 EL.127.17 m, 달천 합류후 지점에서 EL.99.59 m, 조정지댐 직하류부 지점에서 EL.87.14 m, 한강하구는 EL.6.08 m로 모의되었다. 홍수파 도달시간은 충주댐직하류 0.20 hr, 조정지댐직하류 2.08 hr, 한강하구 18.05 hr이며, 최고수위 도달시간은 댐 붕괴 후 충주댐 직하류 0.27 hr, 조정지댐직하류 2.93 hr, 한강하구 18.85 hr인 것으로 분석되었다.
홍수발생시 첨두유량은 댐 직하류부에서 343,036 m3/s, 달천 합류후 지점에서 197,087 m3/s, 조정지댐 직하류부 지점에서 176,229 m3/s, 한강하구에서 102,475 m3/s로 나타났다. 최고홍수위는 댐 직하류부에서 EL.131.20 m, 달천 합류후 지점에서 EL.105.13 m, 조정지댐 직하류부 지점에서 EL.92.10 m, 한강하류에서 EL.11.08 m로 모의되었다. 홍수파 도달시간은 충주댐직하류 0.20 hr, 조정지댐직하류 2.20 hr, 한강하구는 18.75 hr이며, 최고수위 도달시간은 댐 붕괴 후 충주댐 직하류 0.28 hr, 조정지댐직하류 3.13 hr, 한강하구 19.74 hr으로 나타났다. Fig. 4는 주요지점에서의 첨두유량, Fig. 5는 주요지점에서의 최고수위를 나타낸다.
5. 결 론
국내에서도 지진 발생횟수가 증가하고 있으며, 이로 인한 크고작은 피해가 발생하고 있다. 더 이상 한반도가 지진의 안전지대가 아니라는 공감대가 형성되고 있다. 그러나 댐 붕괴에 따른 비상대처계획 수립시 지진에 의한 붕괴가 고려되지 않고 있으며, 지진에 의한 댐 붕괴에 따른 하류 홍수영향 분석과 관련 연구도 턱없이 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 충주댐을 대상으로 DAMBRK 모형을 이용하여 지진에 의한 댐 붕괴 및 하류영향을 모의하였으며, 이를 홍수에 의한 댐 붕괴 영향과 비교하였다. 지진에 의한 붕괴 시나리오에서는 충주댐 수위가 상시만수위이고, 평수량이 유입되는 것으로 가정하였으며, 홍수에 의한 댐 붕괴 시나리오에서는 수위가 충주댐 최고수위이고, 확률최대홍수량이 유입되는 것으로 가정하였다.
두 경우 모두 충주조절지댐이 월류되어 파괴될 것으로 예상되며, 한강 하구까지 댐 파괴에 따른 영향이 미칠 것으로 나타났다. 다만, 지진에 의한 댐 붕괴시에는 초기 수위가 낮게 설정되어 붕괴에 의한 첨두유출량이 297,254 m3/s로 홍수시에 의한 첨두붕괴유출량 343,036 m3/s에 비해 적은 것으로 나타났으며, 하류 주요 지점에서의 홍수량 및 홍수위도 낮게 모의되었다.
지진에 의한 붕괴와 홍수에 의한 붕괴의 첨두유량과 최고수위를 비교하였을 때, 모두 댐에서 가까울수록 차이가 적었으며, 붕괴지점에서 멀어질수록 차이가 커지는 것으로 나타났다. 충주댐 직하류에서는 지진에 의한 파괴시 첨두홍수량이 홍수에 의한 경우의 약 86.7%에 해당하였으며, 섬강 합류부까지 일정하게 감고하는 것으로 나타났다. 섬강 합류 이후 흑천 합류부까지는 첨두유량비율이 70~65%으로 일정하게 유지되었으나, 팔당댐 이후 50%대 이하로 낮아졌다. 한강 하구인 곡릉천 합류이후에는 첨두홍수량 비율이 44.9%까지 낮아지는 것으로 나타났다. 두 경우의 최고수위 비율은 충주댐 직하류에서 96.9%로 나타났으며, 일정하게 낮아지다가 한강 하구에서는 64.4%까지 낮아졌다. 즉, 초기수위에 따른 차이는 최고수위보다는 첨두유량의 차이가 상⋅하류 모두에서 더 큰 것으로 분석되었다.
평시 지진에 의한 댐 붕괴를 모의한 결과 하류에서의 영향이 PMF 발생시 댐 붕괴에 의한 홍수량 및 수위의 60~90%까지 나타나는 것으로 분석되었다. 이는 비 강우시에 발생하는 댐 붕괴로도 하류에 심대한 피해를 야기시킬 수 있음을 나타낸다. 따라서, 다양한 조건에서 댐 붕괴 모의 및 영향범위 평가가 이루어져야 하며, 상황에 맞는 비상대처계획의 수립이 필요하다. 향후 본 연구의 방법론을 통해 다양한 댐 및 저수지의 비상대처계획(EAP) 수립 및 지진 예⋅경보 구축시 반영될 수 있기를 기대한다.
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