1. 서론

2011년 3월 11일 14시 46분 태평양 산리쿠 연안을 진원으로 하는 M9.0의 해저협곡형 거대지진인 동북지방 태평양 연안지진이 발생하여, 동일본을 중심으로 막대한 피해가 발생하였다. 피해는 일본의 아오모리 현, 북해도, 이바라키 현, 치바 현 등의 광범위하게 발생하였다. 쓰나미에 대한 피해는 심각하고, 조사시점에 2만 7천명 이상의 사망자가 발생하였고, 500㎢이 침수하고, 10만 가구가 파손되었다.

항만공항 기술연구소에서는 지진피해를 입은 항만·공항·해안을 조기에 복구시키기 위해 기술적 지원을 국토교통성과 협력하여 실시하였다. 특히, 국토교통성의 TEC-FORCE (Technical Emergency Control Force : 긴급재해 파견대)의 일원으로 항만 등의 재해 실태조사대를 국토기술정책 연구소와 동북지방 정비국 및 관동지방 정비국과 협력하여 파견하여 재해의 피해 원인 등에 대한 검토를 개시하였다. 3월14일부터 4월14일까지 동북지역 전반에 걸쳐 조사를 실시하였다.

이 보고서는 금번 지진의 재해 실태에 대한 속보이다. 재해의 실태를 조사하는 것은 방재기술의 향상과 방재대책의 개선을 도모하는데 불가결하다. 결과를 바탕으로 지금까지의 피해들과 비교하는 것도 중요한 일이다.

2. 지진의 개요

2011년 3월 11일 14시 46분 경, 산리쿠 연안의 동경142.9°, 북위 38.1°, 깊이 24㎞를 진원으로 하는 마그네튜드9.0의 지진이 발생하였다. 일본 기상청에서는 [2011년 동북지방 태평양 연안지진]이라 명칭하였다. 이 지진은 일본에서 발생한 지진 중 측정된 가장 거대한 지진이다. 지진의 진원과 진앙지를 그림 1에 나타내었다. 또한 지진에 의한 여진도 매우 활발하여 4월21일 시점에 M7.0이상의 여진이 5회, M6.0이상의 여진이 73회, M5.0이상의 지진이 425회 발생하고 있다.

<그림1. 본진(M9.0)과 M7.0이상의 여진의 진앙지(4월21일 시점)

국토지리원의 GPS연속 관측에 의하면 이 지진에 의해 오시카반도에서는 수평 방향으로 약 5.3m(동남동방향), 상하 방향으로 약 1.2m(침하)가 발생하였다. 동북지방 태평양 연안 지진에서는 항만지역 강진 관측망에 의해 전국의 30개 소의 항만에서 강진기록이 기록되었다. 다른 관측망에서는 방재과학기술연구소 K-NET( Kinoshita, 1998)에서는 697지점, KiK-NET (Aoi et al., 2000)에서는 508지점에서 강진 기록이 측정되었다.

일본의 항만지역 관측망의 기록은 원칙적으로 측정지점의 강진계에 전화를 거는

방법으로 회수를 하고 있다. 그러나 금번 지진에서는 지진 직후 정전으로 기록의 회수가 불가능한 상태였다. 전원 회복 후 기록의 회수를 개시하였으나, 쓰나미의 영향으로 통신이 불가능하게 되었다. 계측기가 설치되었던 소우마 항의 강진 관측소는 흔적도 없이 파괴되었다. 피해상황을 사진 1에 나타내었다.

이번 지진에서 항만구조물에 영향을 끼치기 쉬운 지진동의 주파수 성분이 단층면의 어디에서 발생하고 있는가를 명확히 하는 것이 중요하다. 분석에는 방재과학기술연구소의 K-NET, KiK-net의 강진기록, F-net의 CMT해, 기상청의 진원 데이타, 센다이 항만 공항기술조사 사무소의 지진관측 기록을 사용하여 분석하였다.

3. 쓰나미의 개요

지진시의 기상 조건으로는, 하치노헤이 지역은 흐린 날씨에 기온은 2.6도로 서남서 6.9m/s의 바람이 불고 있었다. 지진발생 후 3일째에 해당하는 3월 13일은 조수 간만의 차이가 작은 주간이나, 4월1일에서 11일까지는 조수 간만의 차이가 커서 침수와 관수가 우려되었다. 지진발생 직후 일본 기상청에서는 쓰나미 경보를 3월 11일 14시 49분에 최초 발령하였다. 당초 예상은 미야기 현에서 6m, 후쿠시마와 이와테에서 3m로 발표하였다. 동일 14시 14분에는 GPS파랑계의 데이터를 수신하고 미야기 현에서 10m이상, 기타지역에서도 10m이상으로 발령하였다. 이후 지속적으로 경보를 발령하여 3월 13일에 쓰나미 주의보를 해제하게 되었다.

일본 국토 교통성 항만국, 동북에서 규슈까지의 지방정비국, 북해도 개발국, 오키나와 종합사무국, 국토기술정책종합연구소, 항만공항기술연구소는 1970년 이후 상호 협력하여 Nowphas (전국 항만 해양 파랑정보망 NOWPHAS : Nationwide Ocean Wave information network for Ports and HArbours)를 구축하고 전국의 파랑·간만의 차를 관측하고 집중 처리하여 해석을 실시하여 왔다. Nowphas에서는 시대와 함께 새로운 관측기기와 해석방법이 도입되어 현재는 그림2 같이 구성되어 있다.  Nowphas는 1) GPS파랑계 (해안으로부터 10~20㎞, 수심 100~300m의 해면에 GPS를 설치한 브이를 계류) 2) 연안파랑계 (해안으로부터 30㎞ 이내, 수심 30~50m의 해저에 수압·초음파 센서를 설치) 3)조위계 (연악벽 등에 설치한 우물에 디지털 브이를 설치)의 3종류로 구성되어 있다.

측정된 정보 중 이와테 남부 연안에서의 GPS파랑계 기록에 의하면 쓰나미의 파고 높이가 제 1파에서 가장 높고, 제2~7파에서 서서히 낮아진다. 제 1~3파는 불규칙적이나, 제4~7파는 형상이 501ns 정도의 주기로 파고가 반복되고 있었다. 제 1파를 확대하여 분석하면 지진발생으로부터 15분 후에 6분간에 걸쳐 2m정도 상승한 다음 약 4분에 걸쳐 4m이상 급격히 상승하였다. 2단계로 높이가 변화한 것을 알 수 있었다. 이상의 결과 이외에 GPS파랑계의 데이터를 분석하고 일본각지의 데이터를 취합하여 GPS파랑계~연안파랑계~조위계에 의한 쓰나미의 변형에 대한 해석을 실시할 예정이다.

 동북지진에 대하여 쓰나미의 전파 상황을 파악하기 위하여 동일본 전역의 쓰나미 수치 계산을 실시하였다. 수치해석은 대형 쓰나미용 시뮬레이션 [STOC]를 사용하였다. 본 보고서에서는 해석으로 계산된 쓰나미의 계산 값과 관측지점의 값을 비교하여 나타내었다.

4.4 현지조사방법

조사 목적은 지진에 의해 항만, 공항 시설 등이 광범위하게 피해를 입은 상황에서 시설의 조기복구를 위한 피해상황의 파악, 피해 원인의 규명을 조사하는 것이다. 때문에 항만공항기술연구소 및 국토기술정책 종합 연구소는 국토 교통성 등의 요청을 받아, 쓰나미 분야 및 지반·구조 분야의 전문가를 현지에 파견하여 피해 상황의 조사를 실시한 것이다. 조사반은 제 1반~제8반으로 구성하였고, 합동 조사단은 2 개단으로 구성되었다.

피해상황을 파악하기 위해서는 피해를 받은 연안 벽 등의 구조물을 대상으로 하여 변형을 관측하고, 사용 가능한가 어떤가를 판정함과 동시에 변위의 측정, 재해가 발생한 원인 등에 관하여 조사를 실시하였다. 

5. 쓰나미 피해

조사지역은 아오모리 현의 하치노헤이 항과 그 주변, 이와테 현의 쿠지 항, 미야코 항, 카마이시 항, 오오후나도 항과 그 주변, 미야기 현의 게센누마 항, 미나미산리쿠 마을, 오나가와 항, 이시마키 항, 센다이시오가마 항, 센다이 공항 그 주변, 후쿠시마 현의 소우마항, 오나하마 항과 그 주변, 이바라키 현에서는 이바라키 항, 카지마 항과 그 주변의 광범위한 지역에 대하여 조사를 실시하였다.

6. 지진 피해의 조사결과

아오모리 현에서는 하치노헤이 항, 이와테 현에서는 쿠지 항, 카마이시 항, 오오후나도항, 미야기 현에서는 이시마키 항, 센다이 공항, 후쿠시마 현에서는 소우마 항, 고나하마 항, 이바라키 현에서는 이바라키 항, 카지마 항 등을 조사하였다.

7. 카마이시 항구 방파제 효과의 검토

카마이시 항구 방파제는 쓰나미 대책을 겸용한 방파제로 1978년 건설되기 시작한 세계최대 수심인 -63m에 설치된 항구 방파제로 2008년에 완공되었다. 북쪽이 연장 990m이며, 남측이 670m로 개구부는 300m로 구성되어 있다. 항구 방파제는 1896년의 산리쿠 지진(T.P.7.9m, 주기 16분)과 1933년의 산리쿠 지진(T.P.7.9m, 주기 10분)을 산정하여 설계되었다. 수치 시뮬레이션결과에 기초하여 방파제 위치에서 쓰나미파도 높이는 5.0m, 방파제 내외의 최대 수위차는 2.8m, 개구부의 최대 유속은 8.2m/s로 하였다. 피해 상황에 대하여는 지진발생 약 12분 후부터 촬영된 영상으로 확인이 가능하다. 최종적인 파괴 상태는 남측에서는 22관 전장 670m중 최심부의 10관은 그대로이나, 11관부터 항구 쪽으로 기울어져 수몰되어 있다. 북측에서는 44관 전장990m중 7관 정도를 제외한 나머지 거의 모두가 변위를 발생하고 있다. 이번 지진에서는 북측 방파제 선단부에서는 마운트의 선굴과 침몰 방파제 케이슨의 이동이 진행하여 방파제 선단의 재해가 발생하였다. 남측에서는 침몰방파제 케이슨이 이동하였으나, 방파제 선단의 선굴이 진행되지 않아 케이슨의 경사와 이동으로는 나타나지 않았다고 생각된다. 쓰나미의 영상기록에 의하면 쓰나미 1파에서는 커다란 변위가 나타나지 않았고 2파, 3파에 의해 서서히 변위가 진행된 것으로 판단된다. 이번 지진에서는 얕은 부분에서는 쓰나미 힘에 의해 직접 케이슨이 이동하였을 가능성이 높고, 깊은 곳에서는 빠른 유속에 의해 마운트가 씻겨나간 것이 주요 원인으로 판단된다.

항구 방파제의 건설 전과 비교하여 준공된 다음의 항구 내 쓰나미 높이와 침수지역은 저감된다. 예를 들면 제 1쓰나미 높이는 계산에 의하면 항구 방파제 건설 전은 13.66m이나, 항구 방파제 준공 이후에는 8.67m로 된다. 카마이시 합동 청사에서는 6.93m와 9.04m의 실제 흔적이 측정되었고, 완성되었을 경우의 계산 시뮬레이션에 의하면 같은 지점에서 8.67m로 비슷한 결과를 나타내었다. 쓰나미가 발생 할 당시의 영상을 보면 제 1파에서는 부분적 파손은 보이나 거의 형태를 유지하고 있어 완성단계의 계산 결과와 비슷한 거동을 나타내었다. 이후에는 파괴 후의 계산 거동과 비슷한 거동을 가졌을 가능성이 있다. 더불어 쓰나미가 반복하여 작용하는 경우에는 파괴가 진행된 현황과 비교하였을 때 실측 값보다 계산 값이 컸다. 

더불어 항구방파제 건설 전과 비교하여 쓰나미 도달 시간이 5분 정도 지연되어 피난에 도움을 준 것으로 추측되었다. 방파제의 효과에 대하여는 지속적인 검토가 필요하다.

8. 지진·쓰나미 피해의 정리

쓰나미에 의한 피해는 사망자수 14,084명, 행방불명자 13,511명, 건물전파 68,005채, 반파 23,382채 이다. 금번 지진에서는 거대한 쓰나미가 발생하였다. 건물에 남은 최고 수위는 10m이상으로 계측되었다. 이번 쓰나미에서는 국토교통성 항만국의 GPS파랑계가 작동되었고 이는 기상청의 경보에 중요한 역할을 수행하였다. 관측된 데이터는 향후에 중요한 데이터로 활용이 가능할 것으로 판단되었다. 10m급 쓰나미에 의한 피해는 건물, 교통시설, 차량, 화재 등 광범위한 피해가 발생하였다. 항만과 해안에서 피해는 선박의 표류와 충돌, 항로의 유실, 수산양식업의 피해가 나타났다. 그 외 방파제, 호안벽, 수문의 파괴 등의 해안구조물에 대한 피해가 많이 발생하였다.  지진피해에 있어서는 아오모리등 북쪽 지역에서는 액상화 피해가 적었고, 지진동에 의한 피해 정도도 적었다. 한편 미야기 현, 후쿠시마 현, 이바라키 현에서는 항만시설에서 액상화 현상이 발생하였고, 시설피해도 컸다. 지진과 쓰나미에 의한 복합적인 피해가 발생하였고 향후 검토 할 부분으로 사료된다. 

9. 향후 과제

이번 보고서에서는 관측된 지진과 쓰나미의 데이터로 예비적인 해석 결과를 보고하였다. 특히 쓰나미의 실태와 재해의 실태와 원인을 철저히 규명하여 면밀한 현지조사와 수치계산, 수리모형 실험으로 검토할 필요가 있다. 쓰나미 방재의 기본은 피난으로 선박의 피난을 포함하여 실태를 세밀히 조사하여 문제점을 명확히 하여야 할 것이다. 복구에 있어서는 초기의 복구뿐 만 아니라, 앞으로의 복구도 고려하여 조사할 필요가 있다. 이러한 복구에 있어서는 기본적인 방침이 중요하다. 기존의 설계대상 쓰나미에 대하여 인명, 재산을 지키며 피해를 최소한으로 하여야 한다. 설계대상 쓰나미는 레벨1(100년에 한 번 발생)과 레벨2(1000년에 한 번 발생)으로 나누고 있으며, 이번 지진은 레벨 2의 쓰나미였다. 쓰나미 방재 시설 설계에서는 레벨1, 2(필요에 따라서는 레벨3)에 대하여 요구하는 방재기능, 안전성능을 정하고 시설의 설계를 행하여야 한다.

주민의 생명을 지키는 것은 중요한 일이며, 지대가 높은 곳으로 이전하는 것은 유효한 방법이다. 그러나 항구는 경제활동과 밀접하여 시설을 이전시키는 것은 불가능하고 구조물을 지키는 것이 중요하다. 매립지를 높이거나 높은 빌딩을 건설하는 것은 유효한 수단의 하나이다. 방조제나 쓰나미 방파제 등 쓰나미 경감의 하드웨어 대책도 중요하지만 소프트 측면에서의 대책도 포함한 종합적인 대책이 필요하다. 향후 지진 방재의 과제로는 설계지진동설정의 고도화가 추진되어야 한다. 일본 지진조사위원회의 설정에서는 M7.5 또는 M8 전후의 지진발생 확률이 99%로 예측하고 있다. 따라서 여러 가지 특성을 정밀도를 확보하여 합리적인 시나리오 지진동의 유추수법의 고도화가 필요하다.

지진동이 장기간에 걸쳐 지속되는 경우에는 같은 가속도라도 액상화 피해가 크게 발생하였고, 이러한 경우의 지반 액상화 판정법의 개선이 필요하다. 동북지진에서는 미야기 현부터 이바라키 현까지 여러 항만에서 막대한 피해가 보고되고 있다. 이중 뒷채움 재로 사암쇄석을 이용한 곳에서 큰 지반침하가 확인되었다. 이러한 현상은 지진동에 따른 지반재료의 압축성에 대한 영향으로 사료되며 향후에는 뒷채움 재료의 지진동의 압축성능에 관한 검토도 필요하다.

마지막으로 피해시설의 북구 공법의 고도화가 필요하다. 이번 지진으로 파괴된 항만 시설물 중에는 설계기준 이전에 건립된 것이 많고 복구에 있어서는 새로운 기준에 맞추어 복구가 되어야 한다고 생각한다. 구조물의 중요도에 따라 복구를 검토하고 여러 가지 형식을 제안하여야 할 것이다. 특히 강재를 이용하는 경우에는 강재의 변형을 감안한 적절한 개보수를 실시하는 것이 가능할 것이라 생각한다. 이번 지진에는 많은 생명이 목숨을 잃고 구조물과 시설물에서 막대한 피해가 발생하였다. 항만항공 기술연구소에서는 정부와 협력하여 피해시설에 대한 조사를 실시하였다. 피해조사를 수행하고 쓰나미 방재에 대한 대책을 국제적으로 협력 강구하여 진행해 나가면서 일본의 지진 사례를 세계에 알려가는 것이 중요하다고 생각한다.

▣ 원문제목 : 2011年東日本大震災による港湾・海岸・空港の地震・津波被害に関する調査速報

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 서론

2. 지진의 개요

3. 쓰나미의 개요

4. 현지 조사 방법

5. 쓰나미 피해

6. 지진피해의 조사결과

7. 카마이시 항구 방파제 효과의 검토

8. 지진, 쓰나미의 정리

9. 향후 과제