1. 개요

2011년 3월 11일에 발생한 동일본 대지진으로, 일본은 광범위한 지역에서 2,000개가 넘는 하천 제방이 피해를 보았으며, 이 가운데에는 제방 기능을 잃은 대규모 재해도 포함되어 있다. 이번 지진에 의한 하천 제방의 재해는 과거의 지진에 의한 제방의 재해와 비교해 범위나 규모가 모두 심각하여, 향후의 하천 제방의 내진성 확보의 필요성 및 방향을 재검토하는 계기가 되고 있다.

<동일본 대지진으로 인한 제방 피해 상황>

일반적으로 주민, 시설, 건물 등은 지대가 낮은 범람원에 집적하는 경우가 현저하고, 제방은 이를 홍수, 고조(高潮) 등으로부터 방어하는 중요한 구조물이다. 따라서, 지진에 의해 제방이 손상을 당했을 경우, 평상시의 조위(潮位)나 지진에 수반하는 해일, 홍수, 고조에 의한 수위 상승에 수반해, 막대한 침수 피해가 발생할 우려가 있다.

본 보고서는 동일본 대지진에 의한 하천 제방의 재해 실태를 파악․분석하고, 지금까지의 하천 제방의 내진에 관한 대처를 검증해, 이를 근거로 향후의 기술적인 연구 방향을 제시하는 것을 목적으로 하고 있다.

2. 재해 프로세스의 분석

가. 기초 지반의 액상화

기초 지반의 액상화에 의한 제방의 재해가 발생하는 프로세스는, 기초 지반의 느슨한 포화사질토(飽和砂質士)층이 지진동에 의해 액상화되어, 그 강성․강도가 저하되어 제방 자체의 중량에 의해 수평 방향의 신장(伸張)을 수반하고 연직(鉛直)방향으로 압축해, 제방의 슬립(Slip)이나 상층부의 균열․함몰 등의 변형이 발생한다.

나. 제방의 액상화

제방의 액상화에 의한 재해가 발생하는 프로세스는 다음과 같이 추정된다. 연약한 점성토층 상에 축조되었을 경우, 제방 하부의 연약 지반층의 상측 표면이 침하되어 凹 형상이 된다. 凹 형상이 되는 제방 축조 후의 침하 과정에서, 제방의 측방향 신장 변형에 의해, 제방의 밀도 저하나 구속력의 저하가 생길 수 있다. 또, 제방이 사질토로 축조된 경우에는 빗물 등이 침투하게 된다. 이러한 영역이 지진동에 의해 액상화되어 강성․강도가 저하되고 제방의 슬립이나 상층부의 균열․함몰 등의 변형이 발생한다.

3. 내진 대책공법의 검토

가. 기초 지반의 액상화에 대한 대책

○ 지금까지 기설 제방에서 시공되어 온 기초 지반의 액상화에 의한 침하․변형에 대한 대책 공법은 레벨1 지진동에 대응해 설계되고 있다.

※ 레벨1 지진동 : 구조물의 공용기간 내에 1∼2회 발생하는 확률을 갖는 지진 강도

※ 레벨2 지진동 : 구조물의 공용기간 내에 발생 확률은 낮지만 대규모의 지진 강도

○ 레벨1 지진동에 대한 안전성이 부족하다고 판단되어 지금까지 기초 지반의 액상화에 의한 침하․변형에 대한 대책공법을 시공한 제방에서는, 이번 지진으로 인한 대규모 변형이 확인되지 않고 있다. 한편, 레벨1 지진동에 대한 안전성이 부족하다고 판단되었음에도 불구하고 대책공법을 미시공한 제방에서는 대규모 피해를 입은 사례를 볼 수 있었다. 따라서, 지금까지 시공된 대책 공법이 이번 지진에서 일정 효과를 발휘한 것으로 추측된다.

○ 상기 사실을 근거로 레벨2 지진동에 대한 당면의 기초 지반의 액상화에 의한 침하․변형에 대한 대책 공법으로는 지금까지 시공되어 온 실적이 있는 대책공법을 당면의 주요한 수단으로 하여, 레벨2 지진동에 대한 구체적인 설계 방법을 확립해, 대책을 실시해 갈 필요가 있다.

나. 제방의 액상화에 대한 대책

○ 제방의 액상화에 의한 침하, 변형에 대한 대책으로는 “제방내의 수위를 저하시키는 대책”, “제방의 강도를 향상시키는 대책”, “액상화의 발생은 허용하지만 제방의 변형을 억제하는 대책”을 들 수 있다. 하지만, 기존 제방에서 제방 내의 수위를 완전하게 제거하는 것, 대규모 절개를 수반하는 일 없이 제방의 하부 강도를 향상시키는 것은 매우 어렵다.

○ 제방 내의 수위를 저하시키는 대책의 하나로서, 침투 대책으로서 일반적으로 시공되고 있는 드레인(Drain) 공법이 일정한 효과를 발휘한다고 추측된다. 아울러, 드레인 공법은 제방이 액상화되었을 경우에도 그 침하, 변형을 억제하는 효과를 기대할 수 있다. 또, 침투 대책으로서 드레인 공법이 시공된 제방에서는 이번 지진에서 대규모 침하, 변형이 발생하지 않았다.

○ 따라서, 기설 제방에서의 제방의 액상화에 의한 침하, 변형에 대한 “제방 내의 수위를 저하시키는 대책” 등으로 드레인 공법이 주요 대책이 될 수 있다. 다만, 현재 상태에서는, 드레인 공법의 효과에 대해 정량적인 분석이 되지 않고 있어, 향후, 사례의 상세 분석이나 모형 실험에 의한 검증 결과를 근거로 한 드레인 공법의 설계에 대해 검토할 필요가 있다.

4. 향후의 기술 연구의 방향성

가. 대조 조사에 관한 과제

○ 지진에 의해 대규모 재해가 발생했을 경우에는, 지진의 재해 메커니즘 등을 파악하는 귀중한 기회이기도 하므로, 재해 대응과 동시에 제방의 토질 특성이나 지하수위 등의 필요한 조사를 충분히 실시하는 것이 중요하다. 또, 확실하고 정밀도 높은 결과를 얻을 수 있도록 이의 조사 수법에 대해 사전에 검토한다.

○ 현재의 액상화 판정법(FL법)에 의해 액상화되었다고 판정한 지점에서, 이번의 지진에 대해 액상화가 발생하지 않은 사례를 많이 볼 수 있었다. 제방의 내진 성능 대조 조사의 정밀도를 향상시켜, 보다 효율적인 내진 대책을 실현하기 위해서는 액상화 강도에 미치는 지진동 지속 시간의 영향 등의 해명과 액상화 판정법의 고도화가 중요하다.

○ 이번 지진에서, 흙구조물인 제방의 재해가 대규모이고 광범위한 이유로는 지진동의 지속 시간의 길이가 영향을 주었다고 추측되지만, 제방의 변형을 정적(靜的)으로 산정하는 수법에서는 이번 지진과 같이 긴 지속 시간의 영향을 충분히 고려할 수 없는 것이 실상이다. 제방의 내진 성능 대조 조사의 정밀도를 향상시켜, 효율적인 내진 대책을 실현하기 위해서는, 긴 지속 시간의 지진동이 제방 변형에 미치는 영향의 정량적인 평가와 지진에 의한 제방의 변형 해석의 정밀도 향상을 실시한다.

○ 이번 지진에서는 제방의 액상화에 의한 대규모 재해가 눈에 띄지만, 상세한 재해의 메커니즘이 충분히 해명되지 않고 있다. 이번 지진에 의한 재해 분석 등을 한층 더 진행해 제방의 액상화에 의한 재해 메커니즘 해명을 진행한다.

○ 현재의 지반 변형 해석에는 제방의 액상화에 의한 침하, 변형의 정량적인 평가가 없으므로, 제방의 액상화의 변형 해석 수법에서 기초 지반의 액상화에 의한 변형과 아울러 해석하기 위한 수법 등을 검토한다.

○ 또, 제방의 액상화는 홍수시의 강우나 하천수에 의한 제방 내 수위 상승으로 인한 발생도 상정되므로, 이러한 상황에서의 제방의 지진시 변형에 대해서도 검토한다.

○ 이번 지진으로 연약 지반 지대에서는 지진동의 증폭이 있었던 것도 추측되므로, 각 지점의 지진동 증폭 특성을 명확히 하고 제방 피해에 미치는 영향에 대해 검토한다.

나. 대책에 관한 과제

○ 현재, 내진 대책공법의 시공에는 상당히 많은 비용을 필요로 하고 있다. 따라서, 지속적으로 효과적인 대책 공법․설계법의 개발을 진행시켜 나간다.

- 제방의 액상화 대책으로 시공하는 드레인 공법의 내진 효과는 현재 상태로서는 정성적인 추측에 머무르고 있어 그 효과의 정량적인 파악과 이를 반영한 설계법의 고도화가 시급하다.

- 제방의 액상화 대책으로서 기설 제방에 실시하는 드레인 공법보다 효과적인 대책의 개발이 필요하다.

- 기초 지반의 액상화에 대해서도 저비용이고 효과적인 대책 공법의 개발이 필요하다.

- 하천 제방의 축조 시, 적은 비용으로 내진성 향상을 도모할 수 있도록 토공 관리 기준에 대해 검토한다.

○ 지금까지는 레벨1 지진동에 대응해 설계된 대책 공법이 시공되고 있지만, 레벨2 지진동에 대한 효과는 정량적으로 파악되지 않고 있다. 또, 침투에 대한 대책 공법의 내진면에서의 효과도 현재 상태로서는 명확한 평가되지 않고 있는 상황이다. 지금까지 실시된 내진 대책 공법 및 침투 대책 공법의 레벨2 지진동에 대한 효과를 정량적으로 파악하는데 노력할 필요가 있다.

○ 시공된 대책 공법이 당초 기대된 효과를 발휘하고 있는 것을 확인하기 위해, 강진 관측, 제방 내 수위 관측 등의 모니터링을 지속적으로 실시한다.

다. 위기 관리 대응에 관한 과제

○ 대규모 또는 복합적인 재해는 시설만으로 방어하는 것이 불가능한 경우도 있기 때문에, 예를 들면, 지진과 홍수의 동시 발생 등 시설에서의 대응이 불가능하게 되는 재해 시의 대응도 검토한다.