육상구조물에 작용하는 지진해일파력의 추정 및 지진과 지진해일파의 동시작용에 따른 해안안벽의 안정성 평가

Abstract

본 연구에서는 해안안벽 및 단일 혹은 복수의 육상구조물에 작용하는 지진해일파력을 Navier-Stokes solver에 기초한 3차원혼상류해석법의 수치파동수로로부터 수치적으로 추정하였다. 육상구조물로는 육상가옥군, 단일육상가옥 및 단일육상저유탱크를 고려하며, 육상구조물의 배치형상과 호안에서의 이격거리 등에 따른 지진해일파력의 특성을 수치실험을 통해 검토하였다. 그리고, 육상구조물군에 작용하는 지진해일파력에 대한 기존의 수리실험결과와 비교 및 분석하여 본 3차원수치해석의 적용성을 논의하였다. 육상구조물에 작용하는 지진해일파력의 추정에 정수압적인 방법과 동수압적인 방법을 각각 적용하여 기존실험결과 및 설계기준과의 비교로부터 3차원혼상류해석법에 의한 수치파동수로의 유용성을 검토하였으며, 기존실험결과와 수치해석결과를 동시에 고려하여 동수압적인 추정법에 관한 회귀식을 제안하였다

해안안벽에 작용하는 지진과 지진해일파의 영향에 대해서는 한계평형상태해석법을 적용하여 해안안벽의 활동 및 전도에 대한 안정성 평가를 실시하였다. 또한, 지진해일파력에 대해 기존의 제안식과 3차원혼상류해석법으로부터 추정된 지진해일파력을 적용하여 해안안벽의 안정성 평가를 비교･분석하였다. 지진해일파고, 수직지진가속도계수, 흙의 내부마찰각, 벽면마찰각, 간극수압비 등의 변화에 따른 해안안벽의 안전율 변화를 제시하였고, 해안안벽의 안정성에 대해 지진과 지진해일파를 고려하지 않은 경우와도 비교하였다. 이로부터 지진해일파력에 대한 수치해석결과는 제안식을 적용한 결과와 유사한 것으로 나타났으며, 지진과 지진해일파가 동시에 작용하는 경우 수동상태에서 해안안벽의 안정성은 현저히 감소하고 있으며, 주동상태에서 지진해일파는 저항력으로 작용하여 해안안벽의 안정성을 증가시키는 것으로 나타났다.

또한, 본 연구에서는 지진해일파의 월류시 해안안벽에 작용하는 지진과 지진해일의 영향에 대해서도 한계평형상태해석법을 적용하여 안정성을 검토하였다. 이의 경우는 지진해일파력에 대한 제안식이 없기 때문에 본 연구의 수치파동수로로부터 추정된 값을 적용하였으며, 월류에 따른 해안안벽에 작용하는 추가적인 외력을 안정성 평가에서 고려하였다. 그리고, 수동적인 상황과 주동적인 상황에 대해 해안안벽의 안정성에 영향을 주는 요인인 지진해일파고, 뒷채움재의 수위, 수평ㆍ수직지진가속도계수, 내부마찰각, 벽마찰각, 간극수압비 등을 변화하여 활동과 전도에 대한 안전율의 변화특성을 검토하였다. 이로부터 지진과 지진해일파의 작용하에 지진해일파가 안벽을 월류하는 경우 수동적인 상황에 대한 안전율은 결과적으로 안전율을 증가시키는 요인으로 작용하는 반면, 주동적인 상황에 대해 결과적으로 안전율을 감소시키는 요인으로 작용함을 확인할 수 있었다.

|In this study, tsunami-induced forces on the seawall and onshore structures were numerically evaluated from the numerical wave tank based on a three-dimensional one-field model for immiscible multi-phase flows (air and gas) with Navier-Stokes solver (TWO-PM 3D). With respect to onshore structures, several numerical experiments were conducted to examine the characteristics of tsunami forces due to the arrangement of terrestrial structures and distance from the seawall with the consideration of the building group, single building and oil reservoir. The three-dimensional numerical model, TWO-PM 3D, used in this study was proved to be a reliable tool for reproducing tsunami force by comparing the available experimental data. The hydrostatic and hydrodynamic methods using the numerical calculation results were also applied to estimate the tsunami force, and the applicability of the numerical method for tsunami force calculation is discussed by comparing the experimental results and design criteria. Then, considering both experimental results and numerical analysis results, semi-empirical formula based on the regression analysis was proposed. Regression analysis revealed that the newly proposed formula in this study can effectively predict the tsunami forces acting on the onshore structures.

Next, in order to analyze the stability of the quay wall including both sliding and overturning, the limit equilibrium method was adopted taking into account the influence of the earthquake and tsunami forces. The tsunami forces acting on the quay were estimated by both the previously proposed formulas and the TWOPM-3D model, and the estimated external forces were applied to the stability analysis. Variations of the stability of the quay wall were investigated via the parametric study including tsunami water height, horizontal seismic acceleration coefficient, the internal friction angle of soil, friction angle between the wall and the soil and the pore water pressure ratio. In the parametric study, the stability of quay wall was also considered even in absence of earthquake and tsunami. It was numerically clarified that the tsunami force calculated by the numerical model is the same as the result using the proposed formula. Furthermore, it was found that considering both the earthquake and the tsunami at the same time, the stability of the wall in the passive state was significantly reduced, but in the active state the stability of the structure increased as the tsunami force acts as a resistance.

Finally, even when the wave overtopping due to the tsunami occurs, the stability of the quay wall by the influence of earthquake and tsunami is also examined by applying the limit equilibrium method. Since there is no formula that can estimate the tsunami force in case of the wave overtopping, the external force caused by the tsunami is numerically evaluated by the numerical wave tank built in this study. The additional tsunami force acting on behind the quay wall after the overtopping of the tsunami is also considered in consideration of the permeable characteristics in the backfilling material of the quay. In the consideration of the passive and active state of the quay wall, the variation characteristics of the safety factor against both sliding and overturning are investigated with respect to the main factors affecting the stability of the wall such as pore water pressure ratio, wall friction angle, internal friction angle, vertical and horizontal seismic acceleration coefficients, water level of back filler and tsunami wave height. As a result, it was confirmed that the tsunami force of the overtopping increases the stability of the wall in the passive state, whereas it acts as a factor decreasing the stability of the wall in active state.