한국지반공학회논문집 제32권 6호 2016년 6월 pp. 27 ～ 40 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.32, No.6, June 2016 pp. 27 ～ 40
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2016.32.6.27
울산 산사태 위험지역의 강우 침투 안정성 평가
Slope Stability Assessment on a Landslide Risk Area in Ulsan During Rainfall
김 진 욱1 Kim, Jinwook 신 호 성2 Shin, Hosung
Abstract
Conventional warning criteria for landslides due to rainfall in broad regions have limitations, because they did not have proper reflection of topography, forest physiognomy, and unsaturated soil properties, et al. This study suggested a new stability model for unsaturated slope analyses during rainfall, considering rainfall pattern, geomorphological characteristics (slope angle, soil depth), engineering properties of unsaturated soils, and tree surcharge and root reinforcement. Stability analysis not considering root reinforcement and tree surcharge tends to over-predict a factor of safety in unsaturated slopes. Developed slope stability model was used to build database on the factor of safety in unsaturated slopes during rainfall, and it was integrated with GIS to do quantitative risk analysis in landslide risk areas specified in Ulju. Landslide risk areas were located at downstream of the point with sudden drop in safety factor, as well as at regions with low safety factor during rainfall.
요 지
기존의 강우에 의한 사면붕괴 기준들은 지형학적 특성, 임상특성, 불포화 지반 조건 등을 반영하지 않아 사면 파괴 예측 지표로 활용하기에는 많은 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 강우패턴, 지형학적 특성(경사, 토심), 공학적 특성(불포화 지반 특성), 임상특성(식생 뿌리에 의한 영향, 수목하중) 등을 반영할 수 있는 불포화 사면 안정성 해석 방법을 제안하였다. 뿌리보강과 수목하중을 고려하지 않는 사면의 안전율 평가는 안전율을 과다 평가하는 것으로 나타났다. 제안된 안정성 해석 방법에 의하여 강우에 의한 불포화사면의 안전율에 대한 데이터베이스를 구축하고, 이를 GIS와 연계하여 울주군 산사태위험 지정지역에 적용하여 강우에 대한 사면 위험성을 정량적으로 분석하였다.
산사태위험지역은 강우에 의한 사면의 안전율이 낮거나, 대부분 안전율 감소가 급격하게 발생한 지점의 하류에 위치 하고 있음을 알 수 있다.
Keywords : Landslide risk assessment, Unsaturated infinite slope stability, GIS
1정회원, 울산대학교 건설환경공학부 석사과정 (Member, Master Student, Dept. of Civil & Environmental Engrg., Univ. of Ulsan)
2정회원, 울산대학교 건설환경공학부 부교수 (Member, Associate Prof., Dept. of Civil & Environmental Engrg., Univ. of Ulsan, Tel: +82-52-259-1723, Fax: +82-52-259-2629, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
*본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2016년 12월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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Fig. 1. Force equilibrium of initial unsaturated soil slope with a potential failure surface
1. 서 론
최근 국내에서는 과거 강우량을 초과하는 강우가 자 주 발생하여 이로 인한 자연재해 피해가 지속적으로 증 가하고 있다. 특히 자연재해 사망자중 사면 붕괴로 인한 사망자가 기타 재해 사망자에 비하여 급속하게 증가하 고 있다(NDMI, 2012). 대부분의 사면파괴는 강우침투 로 인하여 사면 표층부에서 습윤대(wetting front)가 형 성되어 모관 흡수력(matric suction) 감소에 의한 전단강 도 감소로 인하여 취약한 부분에서부터 얕은 파괴(shallow failure)가 발생하게 된다. 사면의 보다 정확한 안정성 평가를 위해서는 강우에 의한 지반의 수리학적 거동과 강우 침투에 의한 영향을 파악할 필요가 있다. 그리고 불포화 사면의 안정해석은 대상사면의 지형, 지반공학 적 특성, 강우특성 등 많은 변수들을 고려해야 한다.
강우에 의한 불포화 사면의 파괴 예측과 관련한 연구 가 국내외적으로 활발히 이루어지고 있다(Cho and Lee, 2002). 기존 연구들은 파괴 유발 강우특성을 분석하여 이를 지표로 활용하는 방법(Caine, 1980; Saito et al., 2010)과 지리정보시스템(GIS)을 활용하여 광범위한 지 역의 위험성을 평가하는 방법(Chacón et al., 2006; Trigila et al., 2010)으로 구분할 수 있다. 특히, 강우에 의한 불 포화 사면에 안정성 평가에 GIS의 적용은 지형데이터 에 식생 영향과 토심 등의 공간적 데이터로 구성한 후, 강우 패턴과 지반의 수리-역학적 특성을 고려한 안정성 해석 결과와 결합하여 광역적인 분석이 가능하게 되었 다(Jeon, 2015; Kim et al., 2013).
본 연구에서는 ArcGIS를 활용하여 사면 안정성에 큰 영향을 미치는 사면의 경사, 토층의 심도, 수목하중, 식 생 뿌리의 영향 등에 대한 주제도로 구축하였다. 그리고 울주군 산사태위험 지정 지역의 지형학적 특성 및 지반 공학적 특성을 고려하여 강우패턴에 따른 불포화 사면 의 정량적 안정성을 평가하였다.
2. 강우침투에 의한 사면안정해석
우리나라의 기후는 대부분 지역의 연평균 강우량이 1,000mm이상의 습윤지역이다. 특히 우리나라는 강우 량이 대부분 6～9월에 집중되며, 이러한 강우의 특성으 로 산사태나 하천범람으로 산지나 계류등에 피해를 유 발시킨다. 건기시 불포화토는 부(-)의 간극수압이 작용 하여 유효응력 증가에 의한 높은 전단강도를 발현한다.
하지만, 우기시에는 강우가 지반내로 침투하게 되어 함 수비가 증가하고, 부의 간극수압 감소로 인한 전단강도 의 감소로 지반의 파괴가 발생한다. 또한 강우강도가 큰 경우 계곡으로 물이 집중되어 높은 수위와 빠른 유속으 로 토석류(debris flow)가 발생하기도 한다.
2.1 무한사면 안정 이론식
강우 초기 사면에 포화대가 존재하지 않는다고 가정 하면, 불투수층인 기반암(bed rock) 위의 토층에 강우로 인하여 습윤대(wetting front)가 발생하며 강우가 지속되 면 불포화대를 통하여 사면의 기반암까지 침투하게 된 다. 특히, 자연사면의 경우 지하수위 상승에 의한 영향 보다 습윤대의 하강에 의한 얕은 깊이의 무한사면 파괴 가 주로 발생하고 있다(Lu and Godt, 2008; Song 2013).
강우로 인한 무한사면의 파괴를 해석하기 위하여 Fig.
1과 같은 일반적인 무한사면에 대한 단면을 가정하였다.
Fig. 1에서 가상파괴(sliding surface)에서의 유효응력 은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
w s sat t
w D
z
'[ ( )]cos2 (1)
여기서, D는 가상 파괴면의 깊이이며, z 는 포화 습w
윤대의 깊이를 나타낸다.
흡수응력 s은 식 (2)와 같이 흙 골격의 대표단면에 작용하는 응력으로 모관흡수력(u a uw)의 함수로
나타낼 수 있다(Lu and Likos, 2006). 흡수응력 특성곡 선(SSCC)는 함수특성곡선(2.3장)으로부터 구할 수 있 으며, 함수특성곡선과 마찬가지로 유일하게 정의된다.
Fig. 2. Possible pore-water pressure profile in unsaturated soil due to rainfall (Rahardjo et al., 1995, Lee et al., 2009)
m n w a w
a s
u u u a
u ⎥
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡
1 ( )
) 1
(
(2)
불포화 무한사면의 안전률은 전단강도와 실제작용하 고 있는 전단응력의 비로 나타낼 수 있으므로 무한사면 의 안전률은 다음과 같다(Shin et al., 2013).
f( ,uw) Fs
cos sin ) (
tan ] cos
)]
( [[
' 2
sat t w
w s sat t
w z D
D z c
(3)
2.2 1차원 침투이론
지반내의 임의의 면을 통해 강우가 지표면에서부터 흡 수되어 들어가는 과정을 침투(infiltration)이라 한다. 이러 한 과정에서 침투할 수 있는 최대치를 침투능(infiltration capacity)이라 한다. 침투량은 불포화 지반의 함수비, 간 극수압, 투수계수 등의 여러가지 변수들에 따른 강우의 재분배에 의해 결정된다. 불포화지반을 통한 침투율을 산정하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으며 이 방법 들은 크게 습윤대방법과 Green-Ampt(1911) 모델식에 근 거한 모델들로 크게 나눌 수 있다. 본 연구에서는 강우 발생시 지반의 ponding 발생의 전후의 침투를 고려 할 수 있는 Mein and Larson(1973)을 사용하여 불포화 지 반의 침투에 대하여 고려하였다.
Mein and Larson의 침투 모델은 침투초기에는 강우 가 모두 침투할 수 있으나, 침투능과 강우강도가 같아지 면 ponding이 발생한다고 가정한다. 이 모델은 초기 강 우강도가 지반의 침투능보다 작은 경우에만 적합하며 ponding 발생까지의 누적침투량, F 은 다음과 같이 계p 산한다.
) ( s
f p s
i w
p i k
t k i Z
F
(4)
여기서 t 는 ponding 발생 시간이며, 다음과 같이 산p 정한다.
) ( s
f i s p
p i i k
k i t F
(5)
그리고 ponding 발생 후 누적 침투량은 다음 식으로 계산 할 수 있다.
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
i f p
i f i
f p s
p F
t F t k F
F
)
( (6)
여기서, k 는 포화투수계수, s f는 침윤선에서의 모 관흡수력, 는 함수량 결손량이다.i
불포화 지반에서 강우 침투에 의한 간극수압 분포의 변화는 안전율 산정에 있어서 매우 중요한 요소이다. 깊 이에 따른 간극수압 분포는 지반의 투수 특성과 강우 특성에 의해 결정된다. Fig. 2는 풍화토에서 발생 가능 한 간극수압 분포를 도시하고 있으며, 본 연구에서는 침 윤선까지는 포화되고 그 하부는 원지반의 불포화 상태 에 있는 것으로 가정하였다(“b” in Fig. 2).
2.3 화강암 풍화토의 함수특성곡선
함수특성곡선(SWCC)은 함수량에 대한 모관흡수력 (matric suction)의 변화를 나타내는 곡선이다. 따라서 함 수특성곡선은 불포화지반의 고유한 특성을 나타내며 지 반의 강도와 거동특성을 결정하는 중요한 물성 중 하나 이다. 많은 연구자들은 실내실험을 통하여 함수량-모관 흡수력의 관계를 이론적 함수 특성식의 곡선 맞춤(curve fitting)을 통하여 맞춤변수들을 산정하였다. 본 연구에 서는 연구대상 지역과 동일하고 사면붕괴를 가장 빈번 히 발생시키는 화강풍화토에 대한 국내 자료를 이용하
[1/kPa] n m
Upper 0.0110 1.2700 0.2126
Lower 0.1931 1.4560 0.3132
Mean 0.1735 1.2850 0.2218
Fig. 3. Soil Water Retention curve for domestic weathered granite soils, and summary of model parameters
Fig. 4. Photographic image on study area and landslide risk areas specified in Ulsan (Δ)
여, van Genuchten(1980)의 이론식에 대한 모델 변수들 을 도출하였다.
m
a n⎥
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡
1 ( ) 1
(6)
여기서, 정규 체적함수비((SSres)/(SmaxSres)) 는 모관흡수력( u a uw)의 함수로 정의되며, a는 공 기함입치(AEV)와 관련된 곡선 맞춤변수이고, n은 함수 특성곡선의 변곡점에서의 기울기와 관련된 곡선 맞춤 변수, m은 높은 모관흡수력 범위에서 곡선 기울기와 관 련된 곡선 맞춤변수이다.
국내 화감암 풍화토의 함수특성곡선 실험결과 및 문 헌자료를 활용하여 함수특성곡선의 범위를 상한, 하한, 평균으로 추정하였다(Kim, 2013; Shin, 2003; Lee, 2005;
Lee, 2009; Lee, 2012). 그리고 van Genuchten의 함수 특성 곡선 모델에 대한 맞춤변수는 Fig. 3에 정리하였 다. 수치해석에 사용한 평균 함수 특성곡선은 각 SWCC 실험결과를 보간법으로 계산하고, 전체 실험결과들에 대한 평균값을 계산하였다.
본 연구에서 강우패턴(강우 강도, 지속시간)에 따른 공간의 각 격자의 안전율 산정방법은 다음과 같다(Shin, et al., 2013). 우선, 주어진 강우조건에 대하여 1차원 침 투이론을 이용하여 깊이에 따른 불포화토내의 간극수 압을 산정하게 된다. 다음 단계로, 불포화 무한사면의 안전율식을 이용하여 깊이별 안전율을 산정한 후, 주어
진 위치의 토심내에서 최소 안전율을 산정하게 된다. 이 러한 방법으로 강우패턴, 지반의 수리-역학적 특성, 토 심, 및 지형정보 조건에 따른 불포화 사면의 안전율에 대한 데이터베이스를 구축한다. 마지막으로, 데이터베 이스화된 안전율을 GIS와 연계하여 광역적 안정성 분 석을 수행하게 된다.
3. 지형공간정보 데이터 베이스
본 연구에서는 울산광역시 울주군 웅촌면 은현리와 고
(a) Elevation
(b) Slope analysis map
(c) Distribution of slope Fig. 5. DEM database in study area
연리 인근 지역을 연구 대상지역으로 선정하였다. 대상 지역은 울산광역시 울주군 산사태 취약지역 지정심의 결과 산사태 취약지역들이(Fig. 4에서 “r”) 다소 밀집된 지역이며, 울산시 지정문화재인 운흥사지(울산광역시기 념물 제43호) 및 하단부 사찰들을 포함하는 지역이다.
연구대상지역의 사면붕괴 취약지역은 울산광역시 울주 군의 고시자료를 참고하였으며, Fig. 4에 도시하였다.
3.1 DEM(Digital Elevation Model)과 경사도 분석
DEM은 지형의 연속적인 기복변화를 일정한 크기의 격 자간격으로 표현한 것이다. DEM 작성을 위하여 이용한 수치지도는 국토지리 정보원에서 발행한 1/5,000 수치지 도를 이용하였으며, 이를 바탕으로 Cell size 5.0m×5.0m 해상도의 DEM을 제작하였다(Fig. 5(a)). 그리고 작성된 DEM을 이용하여 경사도 분석(Slope Analysis Map)을 수행한 결과를 Fig. 5(b)에 도시하였다. 경사도 분석결 과 연구대상지역의 경사는 10～40°사이에 대부분 분포 하며, ～23° 일 때 경사분포가 가장 높은 것으로 나타났 다(Fig. 5(c)).
3.2 산림입지토양도
연구대상지역의 기반암 및 유효토심등 토양특성을 파악하기 위하여 산림청에서 발행한 산림입지 토양도 (1/5,000)를 사용하였다. 산림입지 토양도를 이용하여 모 암도(Bedrock Type Map)와 유효토심도(Effective Soil Depth Map)를 작성하였다. 이 지역은 대부분 화성암으로 이루어져 있음을 확인하였으며 산림입지 토양도에 의한 유효토심 분포는 30cm미만-28.38%, 30～60cm-45.95%, 61cm이상-25.67%으로 나타났다.
3.3 임상도
산사태는 지형적 특성 외에도 임상에 의해서도 영향 을 받는 것으로 보고되고 있다. 연구 대상지역의 수목의 종류, 수목의 경급, 수목의 영급 분류도를 작성하기 위 하여 산림청에서 발행한 산림입지 토양도(1/5000)를 사 용하였다. 소나무와 기타 활엽수가 많은 부분을 차지하 고, 수목의 직경은 18～30cm 내외이며, 대부분 30년생 이상인 것으로 나타났다.
3.4 토심예측 모델
기반암까지의 깊이가 깊지 않은 우리나라의 특성상 기반암과의 경계에서 사면파괴가 주로 발생하며, 지표 면에서 기반암까지의 깊이를 토심이라 한다. 현장조사
(a) Bedrock type
(b) Effective soil depth map Fig. 6. Thematic maps in study area
(a) Tree type
(b) Tree diameter
(c) Tree age
Fig. 7. Thematic maps in study area
를 통하여 토층의 두께를 측정하는 것이 가장 정확한 자료를 획득하는 방법이지만, 광역적인 지역에 대하여 현장의 토심을 측정하기는 현실적으로 어렵다. 따라서, 기존의 연구에서는 토심을 일정하게 가정하거나 정밀 토양도 (유효토심도)로부터 획득하여 적용하였다(Kim, 2014). 하지만, 유효토심도는 토양의 특성과 배열 등이 유사한 토양의 종류별로 묶어 이에 따른 특성을 조사한 것으로, 유사한 토양을 갖는 지역은 모두 동일한 토심이 된다는 문제점이 있다.
불포화 사면의 안정성 평가에 토심은 안전율 평가에 매우 중요한 인자이므로(Shin et al., 2013), 토심에 대한 적절한 예측이 산사태 위험평가도의 신뢰도에 중요한 역할을 하게 된다. 하지만, 국내외에서 토심 예측에 대 한 연구결과가 아직 부족한 상태로 추가적인 연구가 필
Table 1. Estimation of soil depth in study area
Proposer Method Factor
USGS o
60 tan 150 tan
250 Slope
Mehnatkesh et al.
(2013) 122.13-0.11×Slope+0.012×WI+0.012×CA-0.23STI Slope, WI, CA, STI
Iida (1999)
tan tan cos
tan tan
tan cos
2 2
out t
w in sat
D c D c
Friction angle(), Slope(),
Cohesion(c), Unit weight
Penizek (2006) 88.8+1.02´Aspect+0.0573´Altitude-2.491´Slope Aspect, Altitude, Slope Kim (2002) 2/10능선>: 101cm<soil depth
3/10~9/10 능선 : 20-100cm in soil depth
9/10능선 < : 20cm> soil depth Slope length
Saulnier (1997)
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ ⎟⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛
max min min
max
max min 1
tan tan
tan 1 tan
H H H
Hi i
Slope, Maximum and minimum soil depth
(a) Wetness Index (WI) (b) Sediment Transport Index (STI)
(c) Catchment Area (CA) (d) Predicted soil thickness [m]
Fig. 8. Thematic maps in study area
(a) Reinforced strength by root Tr [kPa] (b) Soil reinforcement by root Cr [kPa]
Fig. 9. Thematic maps in study area
요한 실정이다(Iida, 1999; Kim, 2002, Mehnatkesh et al., 2013; Penizek, 2006; Saulnier, 1997).
본 연구에서는 Mehnatkesh(2013)이 이란의 Koohrang 지역에 대하여 직접 측정한 토심에 대하여 비교 분석한 토심예측모델을 사용하였다. 이 모델은 토심의 깊이를 예 측하기 위하여 사면경사(Slope), 습윤지수(Wetness Index, WI), 집수면적(Catchment Area, CA), STI(Sediment Transport Index)를 포함하는 모델로서, 정밀토양도를 기반으로하 는 유효토심도에 비하여 보다 현실적인 모델인 것으로 판단된다. Fig. 8(d)는 연구대상지역의 지형공간정보를 이용한 대상지역의 토심 예측결과를 나타내고 있다.
3.5 임상조건 모델링
임상조건은 산악지 사면안정성 평가에 중요한 인자 임에도 불구하고, 이를 직접 사면안정 해석에 적용하여 광역적인 영향을 분석한 경우는 매우 드물다. 수목 뿌리 는 유사 점착력을 발휘하여 안전율을 높이는 반면, 수목 하중은 외부상재하중으로 작용하여 안전율을 저해하는 역할을 하게 된다.
3.5.1 뿌리보강 모델
뿌리보강 모델의 기본이론은 임의의 사면에서 파괴 가 발생하면 흙과 뿌리의 합성체는 파괴에 의해 밀려 나가는 부분과 그렇지 않은 부분으로 나뉘게 되고 전단 면상의 토층을 관통하는 뿌리에는 파괴에 의한 변위가 커질수록 인장응력이 증가하게 되며, 이에 의해 전단저
항이 증가하게 된다. 전단강도의 증가를 예측하기 위한 간단한 이론적 모델은 Waldron and Dakessian(1981), Wu et al.(1979), 그리고 이와 별도로 Gray and Al-Refeai (1986) 등과 같은 공학자들에 의해 유사하게 개발되어 왔다.
뿌리보강모형은 수목의 뿌리가 토양의 전단면에 대 하여 수직으로 위치하는 것으로 가정하여 뿌리보강 효 과를 추정한다. 이 모형에서는 토양이 외부의 힘에 의해 전단파괴될 때, 토양층 내의 뿌리 변형에 의해 발생하는 것으로 해석한다. 이때, 뿌리 보강력은 식 (7)과 같이 정 의할 수 있다.
) sin tan
(cos
A T A
Cr r r (7)
여기서, C 은 뿌리에 의한 토양 보강력(kPa), r T 은 뿌r
리의 평균 인장강도(kPa), Ar/A는 뿌리 단면적 비율(root area ratio), 는 토양 내부 마찰각(°), 는 토양 전단 비 틀림각(°)이다. 식 (7)의 우항에 있는 (costansin) 에 대하여, Wu et al.(1979)은 민감도 분석을 통하여 그 값은 1.0-1.3 범위에 분포하고 있으며, 평균 값인 1.2를 상수로 제시하였다. 또한 문헌조사 결과 대부분 사면에 서 면적비(Ar/A)는 거의 10-4～10-2사이에 분포하는 것 으로 나타났다. 한편, 이 분포의 평균값은 0.0013, 그리 고 변동계수는 1.128이며, 일반적 사면에서의 뿌리의 면 적비는 0.001정도로 가정하였다(Lee, 1991). 이를 토대 로 연구대상지역의 뿌리에 의한 토양 보강력에 대한 주
(a) No rainfall (b) Rainfall with intensity = 20 mm/hr and duration = 24 hr Fig. 11. Change in FS due to root reinforcement and tree surcharge
Fig. 10. Thematic map of tree surcharge [kPa] in study area
제도를 작성하였다(Fig. 9). 본 연구지역에서 뿌리보강 에 의한 최대 점착력의 크기는 0.3kPa정도인 것으로 나 타났다.
3.5.2 수목하중
수목의 직경이 클수록 연령이 오래될수록 수목의 뿌 리발달이 양호해 사면 파괴에 의한 토사유실을 억제하 는 작용을 하게 되어 산사태가 발생할 가능성이 상대적 으로 낮아진다(Lee, 1999). 그러나 자연 사면에서 수목 은 사면안정에 상재하중(surcharge)로 작용하며, 수목의 직경이 클수록 사면의 안정성에 부정적으로 작용한다.
KILA(2013)에 따르면 수목하중은 지상부와 지하부로 구분하여 산정한다.
t V p d HW
k
W (1 ) 4 0
2 1
(8)
여기서, d는 수목의 직경(m), H는 수목의 높이(m), k1
은 수목의 줄기 형상계수(보통의 경우 0.5), W 는 수목0
의 줄기 단위당 중량(tonf), p는 할증률(0.2～0.3), V는 뿌리분의 체적(m3), t는 뿌리분 m3당 중량(tonf/m3)이다.
임상도로부터 추출한 수목의 경급 주제도(Fig. 7(b)) 와 수목하중 산정식 식 (8)을 이용하여 수목하중의 주제 도를 작성하였다(Fig. 10). 본 연구지역에서 수목하중에 의한 추가하중은 6kPa 정도인 것으로 나타났다.
4. 안정성 해석결과
불포화 지반의 수리-역학적 특성, 뿌리 보강력, 그리 고 수목하중 등을 고려하여, 불포화 무한사면이론에 근 거한 다양한 강우조건에 대하여 무한사면 안정해석을 수행하였다. 안정성 해석 결과를 GIS의 공간정보와 결 합하여 광역적인 분석을 수행하였다.
4.1 지형공간정보을 이용한 불포화토 무한사면 안정 해 석 모델
2장의 모델식 식 (3)은 강우 침투에 의한 무한사면 안 정 해석이며, 3장의 뿌리보강모델을 통한 사면의 점착 력 강화와 임상자료로부터 얻어낸 수목하중을 고려하 여 다음과 같은 수정 모델식을 제시하였다.
Fig. 12. Variables in developed numerical tool in ArcGIS
cos sin ) (
tan ] cos
) (
[
' 2
sat t t w
w s sat t t w
r z D
D z
c Fs c
(9)
여기서, c 은 뿌리보강모델에 의한 뿌리 점착력, r t
는 단위면적당 수목하중이다.
뿌리보강과 수목하중의 고려 유무에 의한 안전율에 대한 영향을 분석하기 위하여 강우가 없는 경우와 강우 조건(강도 20mm/hr, 지속시간 24hr)에 안전율도를 비교 하였다. Fig. 11는 뿌리보강과 수목하중의 고려에 의한 안전율의 증감을 나타내고 있다. 뿌리보강과 수목하중 은 사면의 안전율을 더 낮추는 것으로 나타났으며, 비강 우시 이들의 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 따라서, 산 악지에서 사면의 안전율을 산정하기 위해서는 반드시 수목하중과 뿌리보강 효과를 고려해야 할 것으로 판단 된다.
4.2 ArcGIS를 이용한 사면안정 해석 tool의 개발
본 연구에서는 지형공간정보를 이용한 사면안정해석 수행을 위하여 주제도를 구축하고 이를 이용하여 사면 안정해석을 수행하였다. 광역적인 지역의 안정해석을 위하여 ESRI사의 ArcGIS-Desktop 10.0을 이용한 사면 안정 해석 tool을 개발하였다. ArcGIS는 programming Language인 Python을 제공하고 있으며, Python을 이용 하여 사면안정 해석 tool을 개발하였다(Fig. 12). 기본적 인 지반의 역학적 물성과 수리학적 물성 그리고 3장에
서 구축된 지형공간정보 데이터를 이용하도록 작성하 였다.
4.3 대상지역의 안정해석 결과
사면 파괴 예측 모델의 신뢰성을 높이기 위해서는 다 양한 강우시나리오에 대한 해석을 수행하고, 현장 붕괴- 미붕괴 사례에 대한 검증과정을 거치면서 모델링을 정 교화하여야 한다. 본 연구에서는 울산시 산사태 위험 지 정지구의 광역적인 영역에 대하여 강우 시나리오에 대 한 정량적인 안전율을 산출하고자 한다. 강우조건은 강 우강도=10～40mm/hr, 지속시간=0～72hr에 대하여 안 정성 해석을 수행하였다.
Fig. 13은 동일한 강우강도(20mm/hr)에 대하여 강우 지속 시간의 증가에 따른 대상지역에서의 안전율도를 나타내고 있다. 지속시간이 짧은 경우, 비강우 상태의 안전율에 비하여 강우에 의한 안전율 감소는 미비하게 나타났다. 하지만, 지속시간이 늘어나면서(48시간) 안 전율이 급격하게 감소하면서 사면 파괴가능성이 상당 히 커짐을 알 수 있다. Fig. 14는 동일한 강우지속 시간 (24시간)에서 강우 강도의 변화에 따른 안전율의 변화 를 보여주고 있다. 낮은 강우강도에서는 안전율의 변화 가 변화가 미비하지만, 강우강도가 30mm/hr를 넘어서 면서 안전율의 변화가 뚜렷해지고, 40mm/hr의 강도강 도에서는 대상지역 전영역, 특히 하부에서 안전율이 급 격하게 감소함을 알 수 있다. 이로부터 강우강도나 지속 시간이 특정 경계값 보다 작을 때, 강우 패턴은 안전율
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 13. FS distribution in studied area at various duration time (rainfall intensity = 20 mm/hr)
에 미비한 영향을 미친다. 하지만, 강우패턴이 이 경계 값보다 커지면 사면의 안전율의 급격하게 감소함을 알 수 있다(Shin et al., 2013).
울산광역시에서 지정한 산사태 위험지역의 안전율 변화를 보면(Fig. 15), 산사태 위험지정 지역에서 큰 안 전율 감소를 보이고 있다. 특히, 안전율 감소가 급격하 게 발생한 지점의 하류에 위험지역이 선정되어 있음을 알 수 있다.
본 연구에서 제안한 강우에 의한 불포화 사면 안정성 평가 모델은 산사태에 가장 큰 영향을 미치는 강우 조 건, 지형학적 특성(경사, 토심), 공학적 특성(불포화 지 반 특성), 그리고 임상특성 (식생 뿌리에 의한 영향, 수 목하중) 등을 전반적으로 반영하여 사면 파괴 전반적인 위험성을 평가하였다.
5. 결 론
최근 집중호우로 의한 사면파괴에 의하여 재산 및 인 명피해가 급증하고 있으며, 이를 미연에 방지하고 피해 를 최소화하기 위한 사면 파괴발생 가능성에 관한 연구 가 진행되고 있다. 본 연구에서는 사면 붕괴에 가장 큰 영향을 미치는 강우패턴, 지형학적 특성(경사, 토심), 공 학적 특성(불포화 지반 특성), 임상특성(식생 뿌리에 의 한 영향, 수목하중) 등을 반영할 수 있는 방법을 제안하 였다. 개발 모듈을 이용하여 강우에 의한 불포화사면의 안전율에 대한 데이터베이스를 구축하고, 이를 GIS와 연계하여 울주군에서 다수의 산사태위험 지정지역이 위치한 연구대상 지역에 대하여 강우침투에 의한 안정 성 해석을 수행하였다.
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 14. FS distribution in studied area at various rainfall intensity (duration time = 24 hr)
Fig. 15. FS decrease at zoomed region due to rainfall intensity
= 40 mm/hr and duration = 24 hr
(1) 연구 대상지역의 지형공간정보를 활용하여 사면붕 괴에 가장 큰 영향을 미치는 사면의 경사, 토층의 심도, 수목하중, 식생의 뿌리에 의한 영향 등에 대한 주제도로 구축하였다.
(2) 불포화 무한사면 침투안정해석을 통해 산정된 안전 율을 GIS에 접목하여 광역적인 지역에 대한 위험성 을 정량적으로 분석할 수 있는 사면 안정 해석 모듈 을 개발하였다. 대상지역의 임상도(Fig. 7)를 이용하 여 산악지역 사면 안전율 산정에 중요한 영향을 미 치는 뿌리보강 점착력(Fig. 9)과 수목하중(Fig. 10) 을 산정하였다. 그리고 사면의 토심은 산림입지 토 양도(Fig. 6)에서 토양의 종류에 의한 유효토심을 대 신하여, Mehnatkesh et al.(2013)의 개선된 제안식을 사용하였다. 이를 이용하여 강우에 의한 사면의 깊
이별 안전율도을 산정하고, 전체 토심에 대한 최소 안전율을 평가하였다. 이러한 방법으로 각 격자에 서 산정된 최소 안전율을 이용하여 강우에 의한 광 역적 지역의 사면의 안정성을 평가하였다.
(3) 뿌리보강과 수목하중을 미고려시 사면의 안전율을 과다 평가하므로, 반드시 고려해야 할 것으로 판단 된다.
(4) 연구 대상지에 대한 해석결과는 총 강우량이 적은 경우 안전율의 변화가 미비하게 나타나지만, 특정 강우량 이상에서는 대상지역의 안전율이 전체적으 로 감소하며, 특히 대상지역 하부에서 사면 파괴가 능성이 커짐을 알 수 있었다.
(5) 울산광역시에서 지정한 산사태위험지역은 강우에 의한 사면의 안전율이 낮거나, 대부분 안전율 감소 가 급격하게 발생한 지점의 하류에 위치하고 있음 을 알 수 있다.
다만, 본 연구에서 사용된 토심 예측 모델이 비교적 경사가 낮은 지역에서 개발된 모델로서, 정확한 사면파 괴의 예측을 위하여 정확한 토심의 측정 및 예측모델의 개발이 필요할 것으로 보인다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설 기술연구사업(13SCIPS04)의 연구비지원에 의해 수행되 었습니다.
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Received : April 12th, 2016 Revised : May 23rd, 2016 Accepted : June 3rd, 2016
![Fig. 10. Thematic map of tree surcharge [kPa] in study area](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5390648.414437/9.892.152.351.470.752/fig-thematic-map-tree-surcharge-kpa-study-area.webp)
![Fig. 12. Variables in developed numerical tool in ArcGIScossin)(tan]cos)(['2satttwwssatttwrzDDzcFsc (9)여기서, c 은 뿌리보강모델에 의한 뿌리 점착력, rt는 단위면적당 수목하중이다.뿌리보강과 수목하중의 고려 유무에 의한 안전율에 대한 영향을 분석하기 위하여 강우가 없는 경우와 강우 조건(강도 20mm/hr, 지속시간 24hr)에](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5390648.414437/10.892.174.724.803.1112/satttwwssatttwrzddzcfsc-뿌리보강모델에-단위면적당-수목하중이다-뿌리보강과-수목하중의-안전율에-분석하기.webp)
