Seismic Evaluation of Existing Earth-Cored Fill Dams based on Pseudostatic and FE-Newmark Approaches

Abstract

등가정적해석은 댐의 지진 시 사면 안정성을 평가하기 위한 방법으로 여전히 널리 사용되고 있는 기법이다. 2011년 개정 댐설계기준에 의하면 등가정적 지진계수값은 설계 PGA의 약 70% 수준을 채택하고 있으며, 허용 안전율은 1.2를 취하고 있다. 그러나 댐의 성능을 지배하는 것은 영구 변형량이라 할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 기존 21개 중심코어형 필댐에 대하여 개정 기준을 적용한 내진성능평가를 수행하였다. 등가정적해석과 유한요소법 및 Newmark 변형해석을 수행하여 등가정적 지진계수와 허용 안전율의 타당성에 대해 검토하였다. 해석을 위해서 등가정적 한계평형해석과 더불어 정상침투 해석, 등가선형 지진동 해석 및 Newmark 변형 해석을 차례로 적용하였으며, 최신 물리탐사 기술을 적용한 전단파속도 주상도를 구하여 현장의 동적물성을 반영한 평가를 수행하였다. 연구 결과, 현재의 등가정적 지진계수와 허용 안전율 채택 기준은 대단히 보수적인 것으로 판단되었으며 향후 기준 개정시 이에 대한 고려가 필요할 것으로 검토되었다. 유한요소 및 Newmark 변형해석 결과, 기존 필댐들은 상향된 내진성능을 모두 만족하였으며, 추가적인 민감도 해석을 통해 지진파의 증폭 양상, 임계 활동면의 위치, 쉘존의 내부마찰각 등이 영구 변형량에 지배적인 영향 인자로 판명되었다. The pseudostatic approach is still in widespread use in industry to evaluate seismic slope stability of dams. According to the revised seismic design guideline of dams in Korea (2011), the pseudostatic seismic coefficient for dams is defined as about 70% of design PGA, and an allowable factor of safety (FS) is taken as 1.2. However, in terms of serviceability, permanent deformation matters rather than the FS. In this study, the seismic safety of 21 existing earth-cored fill dams in Korea was re-evaluated using updated design criteria. Accordingly the suitability of pseudostatic coefficient and allowable FS was studied. A systematic procedure was applied in a row of pseudostatic limit equilibrium analyses, steady state FE (finite element) seepage analyses, equivalent-linear dynamic response analyses, and Newmark type deformation analyses. In order to reflect in-situ dynamic soil properties as input parameters, innovative in-situ shear wave velocity profiles were adopted using up-to-date geophysical surveys. A comparison between pseudostatic limit equilibrium and FE-Newmark deformation analyses yielded that for a pseudostatic method with horizontal seismic coefficient of 70% design PGA and the allowable FS of 1.2 were found to be significantly conservative, which is believed to be considered in the revision of design guideline in the future. As a result of FE-Newmark type analyses, existing earth-cored fill dams showed a reasonably satisfactory performance under the updated design PGA. Additional sensitivity analyses showed that the amplification of ground motion within the sliding mass, the location of critical slip surface, and the internal friction angle of shell materials are the dominant factors governing permanent displacements.