Issue
오로빌댐 여수로 붕괴위기의
01
지반공학적 검토
1. 서론
2017년 2월에 일어난 미국 오로빌댐 사고는 인명 피해는 발생하지는 않았으나 주여수로 콘크리트 바 닥이 탈락되고 기초 및 주변 암반이 심하게 침식되 었고, 비상여수로는 월류되면서 월류부 콘크리트 구 조물의 전도와 그로 인한 범람과 침수 위험성이 높
은 것으로 예상되어 내려진 강제대피령(mandatory evacuation order)에 의해 댐 하류지역 3개 도시에 거주하는 약 19만명이 2일 동안 긴급히 안전지역으 로 대피했던 사고이다.(표-1 참조)
오로빌댐은 표-2에 나타낸 바와 같이 캘리포니아 주정부가 건설하여 관리해오고 있는 미국에서 가장 높은 댐이며, 용수공급, 홍수조절, 전력생산 및 레 크레이션 등을 위한 다목적댐으로 건설되었다. 오로 빌시는 미국 캘리포니아주 뷰트(Butte) 카운티의 청 사 소재지로서 면적 33.7km2, 인구 16,260명(2015 년), 인구밀도 480/km2의 (캘리포니아주의 평균인 구밀도 2506/km2의 약 1/5) 작은 도시이다. 오로빌 (Oroville)은 ‘황금(gold)’을 뜻하는 스페인어 ‘oro’에 서 왔으며, ‘황금의 도시(city of gold)’라는 별명을 신 동 훈
한국수자원공사 인프라안전연구소장 cute_lion@daum.net
표-1 오로빌댐 사고내용
일 자 ‘17.2.7~2.14 (7일간)
댐관리자 미국 캘리포니아주 수자원국(DWR)
장 소 미국 캘리포니아주 오로빌댐 및 하류지역 3개 도시
사고내용 겨울 우기 이상홍수로 인한 홍수조절 수행중 오로빌댐의 주여수로 구조물이 손상되고, 비상여수로가 월류되어 하부사면이 침식되면서 조절불가능한 방류에 의해 하류지역 3개 도시의 침수 위기 발생
조치내용
- 19만명 강제주민대피령 발령 (2월 12일) 및 해제(2월 14일)
“연방재난지역 지정”
“긴급복구 시행” (사석, 콘크리트 등을 이용한 세굴부위 채움 및 침식방지, 패더강 퇴적물 제거 등)
가지고 있으며, 19세기 중반 미국의 ‘gold rush’의 주요 지역의 하나였다. 이러한 역사적 배경 때문인 지 금번 오로빌댐 사고에서 많은 양의 흙과 암석이
침식되어 패더강을 메워 강의 흐름이 차단될 정도가 되자 미국인들 중에는 수십억 달러 어치의 금이 쏟 아져 내려왔다고 환호를 하기도 하였다.
그림-1 오로빌댐 사고 전경
표-2 오로빌댐의 주요 제원
건설목적 다목적댐 (용수공급, 홍수조절, 전력생산, 레크레이션 등)
건설기간 1961∼1968
소 유 자 캘리포니아주 수자원국(DWR) 위 치 캘리포니아주 Feather강 상류
(새크라멘토로부터 120km 북쪽에 위치) 댐 형 식 Zoned Earthfill (경사코어형 흙댐) 댐 규 모 높이 235m, 길이 2,109m, 댐마루폭 15.4m
저수용량 43.6억㎥ (소양강댐(29.0억㎥)의 1.5배) 유역면적 9,340㎢
여 수 로 수문 8문(5.4m×10.2m), 폭=55m, 길이=915m, 방류능력 4,300㎥/s 월류고 EL.248m
비상여수로
자연월류형, 월류고 EL.283.5m, 폭=527m - 콘크리트 웨어부 (최대높이=9m) 폭 : 283.5m - 블록 및 광폭 토사 웨어부 폭 : 243.8m
발 전 소
pumped-storage타입의 지하발전소
유효낙차 211.5m, 발전용량 819MW, 연간 발전량 1,490GWh 최대방류능력 478 m3/s
그림-2 오로빌댐의 평면도
그림-3 오로빌댐의 대표단면도
필자는 지난 2월 7일 신문을 통해 처음 오로빌댐 사고 소식을 접한 이래로 많은 관심을 가지고 오로 빌댐의 건설, 사고 경위 및 미국인들(댐관리자 및 일 반 시민들)의 재난대응 과정을 전문가(댐공학, 지반 공학) 입장에서 때로는 일반인 입장에서 흥미있게 살펴보았다.
이번 사고는 미국인들 뿐만 아니라 우리들에게도 수문학, 수리학, 지반공학, 지질학, 기상학, 전기공 학, 어류생태학 및 방재공학 등의 기술분야 뿐만 아 니라 사회·인문학 측면에 있어서 많은 숙제와 교훈 을 안겨준 사고라고 할 수 있다.
본고에서는 많은 댐기술자들이 관심을 갖고 있 는 사고발생 원인 중 지반공학적 측면의 원인을 살 펴보고자 한다. 사실 미국에서는 사고발생 후 연방 에너지규제위원회(FERC)가 캘리포니아 수자원국 (DWR)에 독립적으로 활동할 수 있는 사고조사위원 회(BOC)의 구성과 운영을 지시하였고, 2월 28일 주 여수로를 통한 방류가 중단된 이후에야 본격적인 원 인조사 및 대책방안 등에 대한 면밀한 검토가 이루 어지고 있다. 그러나 그나마도 ‘사고원인 조사 보다 는 긴급복구 우선의 원칙’ 하에 이루어지고 있어서 아직은 사고의 원인에 대한 공식적인 발표는 되지 않은 상태이다. 따라서 본검토내용은 미국의 언론의
보도내용과 오로빌댐에 관한 관련자료 등을 토대로 필자가 개인적으로 검토한 의견이라는 것을 미리 밝 혀둔다.
지반공학적 측면의 관심사항은 대략 다음과 같은 사항들을 검토할 수 있다.
첫째, 금번 위기상황에서 댐체 자체의 안전 여부 둘째, 주여수로 급경사수로부(=도류부) 바닥 콘크 리트 탈락 및 공동의 발생원인
셋째, 비상여수로의 월류와 하류사면 세굴이 댐 안전에 미치는 영향
사고의 발생 원인을 조사하는 데는 사고발생 경위 를 꼼꼼히 살펴보는 것이 중요하며, 발생한 현상을 설명할 수 있는 관련 이론 또는 사례 등을 토대로 살 펴보는 것이 매우 효과적이다.
2. 사고 내용 및 경위
먼저 이번 오로빌댐의 사고는 캘리포니아 지역의 강우특성에 이상 집중호우와 따뜻한 기후에 따른 많 은 융설이 더해져 유입량이 급증하면서 발생한 것으 로 볼 수 있다. 그림-5와 6에서 보는 바와 같이 오 로빌 지역은 10월~5월까지가 우기에 해당하며, 대 부분의 강수량은 이때 확보된다. 그런데, 금년의 경 그림-4 오로빌댐의 지하 발전소(Edward Hyatt powerplant)
우에는 2016년 10월~2017년 2월까지의 강우량과 저수위 기록을 살펴보면, 강우량도 많고, 집중강우
가 내려 저수위가 급상승하고 있는 것을 확연히 알 수 있다. (그림-7과 8)
그림-5 오로빌 지역의 연간 강우량 및 온도변화
그림-7 오로빌댐 지역의 누적강우량 기록 (2015년5월~2017년 2월) 그림-6 오로빌 지역의 연간 평균 강수량 및 계절별 강수량
주여수로의 도류부 바닥 콘크리트의 탈락은 이러 한 이상 집중호우와 많은 양의 융설로 인해 저수위 가 급상승함에 따라 홍수기 저수지 운영규칙(1970 년 제정되었으나 별도의 개정은 되지 않음)에 따라 2월 7일 오전에 주여수로의 수문을 열어 1415 m3/s 의 양으로 방류를 하던 중 발생하였으며, 그 이후의 발생경과를 정리하면 다음과 같다. (그림-9)
• (당일: 2.7오전) 이상 집중호우(’17.2.1 이후 247mm) 및 융설에 따른 유입량과 저수위의 증가 로 홍수조절 목적으로 주여수로를 통해 수문을 열 어 방류 (1,415 m3/s)하던 중 오로빌시 주민 2명 에 의해 주여수로 도류부 바닥콘크리트가 탈락되 어 방류수와 함께 날아가는 것이 목격되었으며, 긴급히 수문방류를 멈추고 발전 방류(141 m3/s)만 하면서 손상부위를 확인한 결과 도류부 바닥 콘크 리트가 탈락되고 기초암반이 세굴되어 공동이 발 생되어 있는 것이 확인
• (1~2일차: 2.8~2.9) 도류부 바닥 손상 발견 후 약 24시간에 걸쳐 대책방안을 검토함. 공동 상태 를 점검하고 방류시 공동의 확대 가능성 등을 확 인하기 위해 2회에 걸쳐 시험방류 (930m3/s) 및 점검, 비상여수로 하류사면 벌목 실시함. 2월 9일
19:00에 최대유입량(5,393m3/s) 발생.
• (3~4일차: 2.10~2.11) 저수지로의 유입량이 계 속 증가함에 따라 홍수조절을 위해 방류량을 증가 시킴(1,800m3/s ~ 1,600m3/s). 여수로 바닥 공 동 및 탈락 부위가 확대되고 좌측 도류벽 붕괴 및 배면측 기반암의 세굴이 급격히 심화
•(4일차: 2.11) 수위가 상승하여 오전 08:00부터 비상여수로 정부(EL.901ft=275m)를 월류하기 시작 하여 36시간 동안 지속
• 1968년 댐 건설 이후 최초의 비상여수로 월류
• 비상여수로 월류부는 콘크리트 형식이나 하류바 닥부는 보호공이 없음 (세굴, 침식 취약)
• (5일차: 2.12) 비상여수로 월류에 토사 및 암반 으로 이루어진 하류 사면이 심하게 침식되고, 비 상여수로 구조물(최대높이 9m)의 하부가 세굴되 어 전도될 위험성이 증대되고 조절불가능한 흐 름(uncontrolled flows)이 예상됨에 따라 댐 하 류 3개 도시에 대해 16:30에 강제대피령이 발령 되었고, 비상여수로 하류부 세굴을 방지하고 댐안 전 확보를 위해 18시부터는 수문방류량을 최대로 (2,830m3/s) 증가시켰으며, 비상여수로는 20:00 부터 월류 중지
그림-8 오로빌댐 지역의 저수위 기록 (2015년5월~2017년 2월)
• (6일차: 2.13) 주여수로를 통한 최대량 방류는 계 속되고, 비상여수로 직하부에 대한 긴급복구 시작 (헬기, 덤프트럭 이용 사석 및 콘크리트 투입)
• (7일차: 2.14) 강제대피령 해제 (14:45)·대피주 의령 (Evacuation Watch) 유지, 연방재난지역으 로 선포
• (21일차: 2.28) 계속된 방류를 통해 저수위가 충
분히 낮아져 홍수방어능력에 여유가 확보됨에 따 라 방류를 중단함. 여수로 하류 지역인 Feather강 에 쌓인 약 130만m3의 토사 및 암석 퇴적물의 제 거 작업과 발전 운영 조속 재개 노력을 기울임. 연 방에너지규제위원회(FERC) 명령에 의한 독립적 인 조사위원회(BOC; Board of Consultants)에 의한 원인조사 및 대책(안) 적정성 검토 진행중
그림-9 오로빌댐 사고 발생경과
3. 사고원인의 검토
3.1 주여수로 급경사수로부 바닥 콘크리트 탈락 및 공동의 발생원인 검토
주여수로 급경사수로부 바닥 콘크리트의 탈락과 공동 발생의 원인은 현장을 직접 조사하지 못하는 관계로 정확히 알 수는 없으나 언론보도와 관련 자 료를 토대로 생각해볼 때 공동현상(cavitation)에
의한 것으로 추정할 수 있다고 본다.
수문방류시 급경사수로부 (chuteway)에서는 고 유속의 흐름에 의해 공동현상으로 인한 구조물의 콘 크리트 표면손상이 발생할 수 있어 수치해석 또는 수리모형실험 결과 등을 참조하여 공기혼입장치(air entrainment devices)를 설치하여 공동현상에 의한 구조물 손상을 방지하기도 한다.
오로빌댐 여수로의 경우, 그림-10의 방류기록에 따르면 1,330~1,600m3/s의 유량을 방류하던 중 여
수로 급경사수로부의 콘크리트가 처음 탈락되고 기 초암반의 침식이 심화되어 공동이 발생한 것으로 보 인다. 하지만 이정도의 방류량으로는 고유속에 의해 공동현상이 발생하여 급경사수로부의 라이닝 콘크 리트가 탈락될 가능성은 그리 높아 보이지 않는다.
그러나 라이닝 콘크리트의 표면상태 또는 기초암반 과의 결속 상태 등이 비정상적인 상태인 경우에는 작은 유속이라도 공동현상이 유발되어 라이닝 콘크 리트가 손상될 가능성이 높다고 할 수 있다.
그림-10 오로빌댐의 주여수로 방류 기록 (그래프 안의 숫자는 CMS로 환산된 값)
참고로 우니라라의 댐설계기준·해설(2011)에 따 르면 ‘댐 본체와 떨어져 있는 여수로는 원칙적으로 경암반 위에 놓여야 하고’, ‘수로바닥의 종단경사는 급경사로 지점의 지질, 지형학적인 제한인자를 고려 하여 결정하되 가급적 급변화가 되지 않도록’ 하여 야 한다. 또한 ‘급경사수로의 바닥과 측벽은 고속류 의 난류에 의해서 일어나는 침식(erosion)을 방지하 고 장기간 매끈한 표면을 유지할 수 있도록 콘크리 트 구조물로 하며, 콘크리트 두께는 최소 30~40cm 로 하되 시공성과 운영중 세굴을 고려하여 결정하 되’ 콘크리트 라이닝의 시공상 만들게 되는 줄눈이 음이나 어긋나서 고속류에 의해 콘크리트 표면이 침 식되지 않도록 할 것을 규정하고 있다.
또한, 급경사로수로 내의 평균유속이 12~15m/s 이상이면 공동현상에 의한 손상이 발생하기 시작하 고, 유속이 20m/s 이상이면 수로표면이 매끈하고, 수로경계면이 흐름의 유선과 동일하더라도 공동현 상에 의한 손상을 방지하기 어렵고, 대규모 댐의 여 수로에서는 공동현상에 의한 침식작용(cavitation pitting)이 발생하기 쉬우므로 다양한 형식의 공기 혼입장치를 설치한다.
한편, 여수로의 측벽과 바닥 라이닝 하부에는 배 수공을 설치하여 압력을 경감시키고, 간선 배수관을 두 줄 이상 설치하여 침투수를 배출시키도록 하고 있다.
실제로 사고발생 후 촬영된 급경사수로부 사진(그 림-11 및 12)을 면밀히 검토해보면 공동이 발생된 부위의 기초암반은 신선한 암반과 풍화된 암반의 경 계부에 해당하여 다른 구간에 비하여 상대적으로 라
이닝 콘크리트와 기초암반 사이의 결속력이 약하다 고 볼 수 있으며, 하부 배수관이 누수된 경우 결속력 은 더욱 약해질 수 있다.
그림-11 공동발생 부위의 기초암반 상태 (신선한 암반과 풍화암의 경계부)
그림-12 절리가 발달한 풍화암 위에 시공된 급경사수로부 라이닝 콘크리트
또한, 캘리포니아주 수자원국(DWR)의 2013년 도 점검기록에 따르면 공동발생 지점과 거의 유사한 위치에서 보수보강을 했던 것으로 알려져 있다.(그 림-13) 이는 건설된지 약 50년이 경과한 급경사수 로부 라이닝 콘크리트의 열화, 기초암반과의 결속 력 약화 또는 배면공동의 존재, 표면조도의 변화 등 이 있었을 가능성을 나타낸다고 볼 수 있고, 비록 작 은 유속이었음에도 공동현상 또는 고유속에 의한 라 이닝 콘크리트의 유실이 발생된 원인으로 간주할 수
있다. 특히 2월28일 방류중단 이후에 실시 중인 조 사 및 긴급복구에서 GPR장비 및 시추장비 등이 사 용되고 있는 점은 캘리포니아주 수자원국이 라이닝 콘크리트 하부의 배면공동의 존재가능성에 인지하 고 있는 것으로 보인다.
참고로 Glen Canyon댐의 터널식 여수로에서 발 생한 여수로 라이닝 콘크리트 손상은 고유속의 흐름 에 의한 공동현상에 의한 여수로 손상의 대표적인 사례이다.
그림-13 공동 발생 부위에서의 2013년도 점검 현황
그림-14 공동현상에 의한 여수로 라이닝 콘크리트 손상 (Glen Canyon댐, 1983년)
3.2 비상여수로의 월류와 하류사면 세굴이 댐 안 전에 미치는 영향
오로빌댐의 비상여수로는 자연월류형, 총길이 약 527m이며, 그림-14와 같이 Ogee형식의 콘크리트 웨어부(283m)와 블록+광폭의 지반 웨어부(244m) 로 구성되어 있다.
이번 사고에서 캘리포니아주 수자원국(DWR)이 가장 우려했던 부분은 최대 높이 9m의 Ogee형 웨 어부가 월류시 기초부분이 세굴되어 전도파괴 되었 을 때 소위 물폭탄이 쏟아져 하류지역의 3개 도시를 침수시킬 위험성이 높다고 본 것이다.
이러한 우려에 대해서는 이미 12년 전인 2005년 에 캘리포니아주 수자원국이 댐사용허가권 재획득
그림-14 오로빌댐의 여수로 및 비상여수로
그림-15 비상여수로 월류 및 주여수로 방류 전경
을 위한 심의과정에 캘리포니아주의 3개 환경단체 (강의 친구들, Sierra클럽, 남Yuba강 시민리그)가 상세히 문제제기와 대안(토사로 구성되어 세굴 위험 성이 높은 하류 비상여수로 하류사면을 콘크리트 라 이닝으로 시공하여 보호하는 방안)을 제시한 바 있 으나 미국 연방에너지규제위원회(FERC) 및 수자원 국에 의해 거절된 바 있다. 그러나 이번에 비상여수 로가 월류되었을 때 발생한 하류사면 세굴 및 비상 여수로 기초부위 세굴 현상은 놀랍게도 3개 환경단
체가 예상한 그대로 재현되었다.
실제로 그림-17에서 보는 바와 같이 월류시 하류 사면은 심각하게 침식되어 많은 양의 토사와 암괴가 쓸려내려가 하류지역에 있는 Feather강을 완전히 매워버려 오로빌댐 지하에 있는 Hyatt발전소가 발 전을 하지 못하였다.
특히, 그림-17에서 보는 바와 같이 월류가 조금 더 오래 지속되었을 경우에는 Ogee형 웨어의 기초 부위까지 침식되어 전도될 수도 있었을 것으로 판단 그림-16 비상여수로 월류에 의한 침식되고 있는 하류사면
그림-17 비상여수로 월류에 의한 침식
된다. 이와 같은 침식은 기초지반과 하류사면이 토 사와 절리와 풍화가 심한 암석으로 구성되어 물에
의한 침식성(erodibility)이 비교적 높았기 때문으로 볼 수 있다.
그림-18 월류시 기초부 침식에 의한 비상여수로 웨어의 전도파괴 위험성
그러나, 블록+광폭의 지반 웨어부(244m)는 월류 시 침식이 일어나기는 하였으나 월류 정부 폭이 충 분히 넓어 붕괴의 가능성은 거의 없었던 것으로 판 단되며, 이는 설계와 시공이 적절하게 된 것으로 볼 수 있다. 또한, 비상여수로의 방향을 주여수로와 동 일선상에 두지 않고 약간의 각을 두어 비상여수로가 월류되어 침식이 일어난다고 해도 주여수로측으로 의 영향이 최소화되도록 한 점 역시 세심한 설계내 용으로 볼 수 있다.
4. 요약 및 결론
지난 2월에 미국 캘리포니아주 오로빌댐에서 주 여수로 및 비상여수로의 손상으로 인해 댐붕괴에 가 까운 상황이 발생하여 약 19만명의 주민이 대피했던 사고에 대하여 지반공학적 측면의 사고발생 원인을 추론해보았다.
주여수로 손상의 주 원인으로는 방류에 따른 공동 현상(cavitation)과 건설후 50여년 경과에 따른 노 후화(aging)에 의한 여수로 콘크리트 바닥과 기초 암반 결속력의 열화(deterioration)가 합쳐져 발생 한 것으로 볼 수 있다. 여수로 바닥 라이닝 콘크리트
와 기초암반의 결속력이 약화된 데는 공동발생 부위 가 신선한 암반과 풍화된 암반의 경계부로서 여수로 바닥 콘크리트 하부에 설치한 배수공의 누수로 인해 기초암반이 이완되었을 수 있다.
한편, 비상여수로의 붕괴 위험성은 Ogee형 웨어 구조물의 기초부와 하류 사면의 구성재료가 월류에 의한 세굴력에 의해 침식이 쉽게 발생하는 토사와 절리가 발달하고 풍화가 심한 암석이었기 때문으로 볼 수 있다.
금번 오로빌댐 사고는 이상강우로 인한 저수위 급 상승과 예상치 못한 여수로 구조물의 손상 등에 의 한 사고로 볼 수도 있겠으나 앞으로는 기후변화에 의한 이상강우(extreme weather)와 노후화(aging) 는 천재지변 또는 당연지사로만 볼 것이 아니라 ‘새 로운 상식(New Normal)’로 간주하여 대응기술을 개발하고 기존의 물인프라시설에 대한 진단 및 유지 관리 시스템을 개선해 나갈 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통과학기술진흥원 건 설기술연구사업의 연구비지원(15SCIP-B065985-03) 에 의해 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.
