Slopes Risk Assessment Techniques through Pattern Classification

패턴분류를 통한 산지사면의 위험도 평가 기법

Abstract

Our country's leading granite weathered soil of the ground slope failures that occur in cutting slope most cases, it does not require in-depth to the shear strength most of the surface layer is affected by weathering (1~2 m) at a shallow depth close to the ground, it is important to identify the reliability. Based on the result obtained in actual field investigation, the field slope type was classified by each type of wedge slope, Infinite slope, finite slope -I and finite slope -II, and the slope stability was examined respectively. In addition, using the numerical analysis results, the relationship between the slope inclination angle and safety factor was analyzed and it tried to offer basic data to which the stability in the field slope was able to be estimated by analyzing the safety factor change of the slope according to the slope type. In this study, classified into four types of natural slope, safety factor estimation method by slope types is proposed through the numerical analysis. However, some limit exists in generalizing in this research because it does not test various case studies. Therefore, the case study of a wide range of various sypes to assess the safety of various types slope can be made, accommodate a wide range of field conditions reasonable risk evaluation criteria may be derived.

우리나라의 화강풍화토 지반의 사면붕괴 형태는 대부분 절토사면에서 발생하는 경우가 많고 풍화작용의 영향을 받는 표층부 지반 안정성을 파악하는 것이 중요하다. 표층부에서 채취한 시료를 이용하여 기본 물성시험 및 점착력과 내부마찰각 시험을 수행하였고, 현장조사 결과를 토대로 자연사면의 안정성 검토를 수행여 형태별 패턴(쐐기형, 무한사면형, 유한사면형)을 분류 하였다. 또한 분류된 패턴별로 수치해석을 수행하였으며 그 결과를 토대로 최소안전율과 사면경사각의 관계를 개괄적인 안정도 추정에 기초 자료로서 제공하고자 하였다. 본 연구에서 산정된 강도정수들은 몇 개의 특정사면의 경우에 대한 것으로서 모든 사면의 안정해석에 그대로 적용 가능한 것은 아니다. 그러나 현실적으로 모든 경사면과 강도정수에 대해서 실험을 실시하는 것은 어려울 뿐만 아니라 비용면에서도 불가능한 실정이다. 따라서 사면안정에 영향을 미치는 단위중량, 점착력, 내부마찰각의 변화와 사면 경사각의 변화에 따른 위험도 평가를 정립하기 위해서는 수치모델링과 같은 방법을 사용하여 현장조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 패턴별 위험도 평가기준이 작성된다면 대단히 유용할 것이다. 따라서 대표적인 사면형태(TYPE-I~IV)와 사면경사각에 강도정수를 적용하여 최소 안전율을 제시한다면 자연사면의 간이 안정해석이 가능 할 것으로 사료된다.

서 론

최근 세계적인 이상기후로 인해 국지성 집중호우로 인한 산사태, 토석류 등 각종 재해가 확대되고 있는 추세이다. 특히, 2002년 태풍 ‘루사’의 영향으로 강릉시를 중심으로 영동해안지역에서 898 mm의 집중호우로 246명의 인명피해가 발생하였으며, 비탈면 붕괴로 인한 직접적 인명피해만도 65명으로 집계되었고(NEMA, 2002), 2003년 ‘매미’, 2005년 ‘나비’, 2007년 한계령(인제~양양) 수해 등 매년 반복되는 비탈면 관련 재해는 수조원에 달하는 재산피해와 수많은 인명피해를 발생시켰다. 최근에는 2011년 7월 서울시 서초구의 우면산에 산사태 및 토석류가 발생하여 인명 및 재산 피해가 발생하였다.

이러한 국지성 집중호우는 자연재해의 발생확률을 높게 할 뿐만 아니라 인명과 재산손실을 야기하는 직접적 원인이 되고 있다. UN 산하 IPCC (Intergovermental Pannel on Climate Change, 2001)의 제3차 보고서에서는 향후 100년간 한반도의 평균기온이 6.4도 정도 높아질 것이며, 이로 인해 슈퍼태풍과 기온상승으로 인한 수종의 황폐화를 예측하였다. 따라서 이러한 기후변화로 인해 비탈면 붕괴, 토석류, 산사태 등과 같은 지반재해가 늘어날 것임은 자명하다.

따라서 원천적인 저지보다는 산사태로 인한 피해를 최소화 하는데 인간의 힘을 집중하는 것이 효과적일 것며, 산사태의 발생저지는 불가능하더라도 산사태가 발생할 가능성이 있는 지역을 사전에 예측하고, 산사태에 대한 대비와 피해 저감을 위한 산사태 예방·대응에 초점을 맞춰 인간의 생명과 재산의 피해를 최소화할 필요가 있다.

현재 풍수해를 전담하는 기관에서는 강우시의 사면붕괴에 의한 피해를 줄이기 위하여 강우량만을 이용한 예측방법을 사용하고 있다. 이는 간편하고 광범위한 지역에 적용할 수 있는 장점이 있지만 강우 침투와 사면안정의 복합적인 예측은 될 수 없는 단점이 있다.

따라서 이 연구에서는 산림청에서 조사·관리하고 있는 산사태 발생 우려지역 중 5개소를 선정하여 사면붕괴와 관계되는 몇 가지 정수를 도출하고 안정해석을 통한 사면형태에 따른 위험도 평가를 실시하여 위험도 평가 기법을 제시하고자 한다.

 

위치선정 및 시료채취

위치선정

대상지 선정은 산림청에서 수행중인 “산사태 발생 우려지역 실태조사” 용역 대상지 중 전라남도와 전라북도를 중심으로 위험계류가 형성되어 있고, 유역내 위험사면이 존재하는 곳으로 4개 지역을 선정하였으며 지형도와 지질도를 분석하여 현장답사를 통해 풍화가 진행중인 토심이 얕은 사면과 어느 정도 진행되어 토심이 중간정도인 사면, 그리고 풍화가 상당히 진행되어 토심이 깊은 사면을 각각 선정하였다.

첫 번째 지점은 전라북도 남원시 이백면으로 북동부, 동부, 남동부가 소백산맥에 속하는 해발고도 1,000 m 이상의 산지이며, 연강수량은 1,660 mm(기상청제공)로 다우지역에 해당된다.

두 번째 지점은 전라남도 담양군 대덕면으로, 연 강수량 1,290 mm(기상청제공)내외로 다우지역이다.

세 번째 지점은 전라남도 보성군 대곡리 2개소에서 채취 하였으며 주변 지형이 경사가 급한 전형적인 산지사면을 선택하였으며 연 강수량 1,490 mm로 열대성 저기압의 영향권을 받아 고온 다습한 지역이다.

네 번째 지점은 전라북도 무주군 일대에서 5개 사면을 선택하여 시료를 채취하였다. 무주군은 우리나라 내륙지방 중심부를 점유한 대표적인 산간지역으로 연 평균 강수량 1,300 mm이다.

시료채취

화강토의 불교란 시료 채취작업의 경우 토층이 점착성을 갖고 비교적 균일한 상태에서는 쉽게 채취 할 수 있지만 그 외의 경우는 매우 어렵다(Athapaththu et al., 2007). 그러나 실제 지반에서 원지반 상태의 불교란 시료 채취시 시료의 교란은 불가피하므로 교란을 최소화 하기 위해 덩어리 형태의 블록으로 잘라내는 방법 등이 주로 사용되고 있다. 그러나 대형 블록으로 채취할 경우 채취 시 교란의 영향은 최소화 되지만 운반 및 이동에 따른 교란의 영향이 커지게 된다. 일반적으로 사용되고 있는 화강토의 sampling 방법과 trimming 방법을 소개하면 다음 Table 1과 같다. 이 연구에서는 못을 박아 채취하는 방법과 hand trimming법 등을 병행하여 사용하였으며, 화강토의 경우 조립토가 다량 함유되어 있어 성형시 작은 충격에나 흔들림에도 쉽게 교란되어 파괴되기 때문에 교란의 영향을 최소화 하기 위해 못 내부의 원형시료를 채취하였다. 이 방법에 의하면 간극비 0.5 정도의 풍화도가 낮은 시료에서부터 점착력이 거의 없는 사질토의 풍화 잔적토, 극단적으로 풍화가 진행된 점토질의 풍화 잔적토까지 채취가 가능하여 매우 쉽게 불교란 시료의 채취가 가능하다. 그 원리는 지반이 풍화하여 간극이 크면 못 타입에 의한 교란의 영향이 적고 또 관입된 못은 내측의 흙시료를 적당히 구속하여 분리, 붕괴를 방지하기 때문이다(Takashi et al., 2011). 단 못을 타입할 때 판을 타격하지 않도록 주의하고 못 만을 타입하는 것이 중요하다. 못이 흙 시료에 미치는 영향은 못 주변부를 제외하고 크지 않았음을 확인하였다. 이 연구에서는 Fig. 1에서 보인 바와 같이 직경이 30 × 30 cm인 아크릴판에 7mm 정도의 못 구멍을 내고 이 구멍을 통하여 못(16.7 cm)을 정적으로 관입 시킨 후 이를 그림과 같이 채취하여 즉시 시료를 랩으로 감아 함수비의 변화를 방지한 후 실험실로 반입하여 실내시험을 수행하였다.

Table 1.Size of shear boxes and normal stress conditions for direct shear tests.

Fig. 1.Sampling Method that Using acrylic plate and nail.

Fig. 2.Sampling schematic.

 

수치모델링에 의한 사면 위험도 평가 기법

풍화토층의 분포특성에 따른 사면형태 분류

이 연구에서는 전남과 전북지역에 위치한 산사태 위험사면을 대상으로 실시한 총 9개소의 화강풍화토 사면을 중심으로 일반화된 풍화토층의 분포와 사면경사와의 관계로부터 4개의 패턴으로 사면형태를 Fig. 3과 같이 분류하였다. Fig. 3에 나타낸 것처럼 사면상부에서 사면선단을 향해 쐐기형으로 풍화토층이 분포하는 것을 Type-I(쐐기형), 경사면을 따라 평행하게 풍화토층이 분포하는 것을 Type-II(무한사면형), 사면 상부의 풍화토층이 깊고 사면선단을 통과하는 풍화토층이 분포하는 것을 Type-III(유한사면형 I), 사면 상부의 풍화토층이 얕고 사면 하부에서 풍화토층이 깊어지는 형태를 Type-IV(유한사면형 II)로 분류하였다.

Fig. 3.Pattern classification that using an on-site survey.

 

패턴분류 결과를 이용한 사면안정 해석

앞 절에서 분류한 사면 형태별 안정해석을 Geo-Slope사가 개발한 Slope-W를 이용하여 수치모델링 해석을 실시하였다. 이 연구에서는 우선 각각의 형태별로 사면의 경사각이 안전율에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig 4~7에 나타낸 바와 같이 현장조사에서 얻어진 산지 사면의 경사각이 15°~25° 사이에 분포하고 있음을 고려하여, 이 연구에서는 경사각의 변화를 15°, 20°, 25°, 30°, 35°의 5가지 경우로 유형화 하고, 사면형태 Type-I, II, III, IV에 대해 수치모델링 해석을 수행하였다.

Fig. 4.Analysis section of wedge slope (Type-I).

Fig. 5.Analysis section of infinite slope (Type-II).

Fig. 6.Analysis section of finite slope I (Type-III).

Fig. 7.Analysis section of finite slope II (Type-IV).

수치모델 단면의 토질 특성은, 이 연구에서 수행한 현장조사 결과의 평균치를 이용하여 각 사면형태별 상부 풍화토층의 하부 0.5 m에 풍화암층이 존재하고 하부 2.0 m에 연암층이 존재하는 것으로 가정하였다.

또한 각 사면형태 별 단면을 Table 2에 정리하였으며, 안정해석에 사용된 강도정수는 Table 3과 같다. 아래 Table 2에 나타낸 것처럼 사면길이를 일반적인 사면의 길이 60 m로 설정하고 사면의 높이를 사면 경사각의 변화에 따라 변화시켜 단면을 구성하였다. 또한 상부, 하부 풍화토층의 강도정수 실험값의 평균값을 적용하고 풍화암과 연암층은 기존의 경험 값(한국 도로공사 설계 실무요령)을 적용하였다.

Table 2.Sectional configuration by slope type.

Table 3.Strength parameters and unit weight that applied to the stability analysis.

수치모델링 해석 결과

Table 4는 각각의 사면형태에 따른 수치해석결과로부터 최소안전율을 요약한 것이며 지하수위의 영향은 무시하고 수행한 결과이다.

Table 4.The minimum safety factor calculation result of TYPE-I.

Table 5.The minimum safety factor calculation result of TYPE-II.

한국도로공사 설계기준의 건기시 안전율(Fs=1.30)을 만족하는 기준은 사면형태와 경사각에 따라 각각 차이를 보이는데 Type-I(쐐기형)의 경우 사면경사 25°일 때 안전율 1.276으로 기준을 만족하지 못하고, Type-II(무한사면형)의 경우 35°까지 모두 만족하는 것으로 해석되었다. 또한 Type-III, IV(유한사면형 I,II)의 경우 25°일 때 각각 안전율 1.235와 1.193으로 기준을 만족하지 못하였다. 강우조건을 고려한다면 잠재적인 안전율 저하로 사면이 파괴될 가능성이 있는 것으로 판단되며 이 연구에서 수행한 강도정수가 모든 사면을 대표하는 것은 아니므로 다양한 강도정수의 변화와 사면경사각과의 관계에 대한 수치모델링이 수행되어야 할 것으로 판단된다.

사면 형태별 최소안전율 계산 결과

Fig. 9은 사면형태별 최소안전율과 사면경사각의 관계를 나타낸 것으로 Type-I(쐐기형)은 경사각이 증가할수록 안전율의 감소경향이 가장 크게 나타났으며, Type-II(무한사면형)의 해석 단면은 토층과 기반암층이 평행한 조건으로 사면경사각이 증가 할수록 안전율은 감소하는 경향을 나타내었다. 상부 토심이 깊고 하부 토심이 쐐기형으로 변화하는 Type-III에서는 안전율이 가장 작게 나타났으며 이 또한 사면 경사각이 커질수록 안전율이 감소하는 반비례적인 경향을 나타냈다.

Table 6.The minimum safety factor calculation result of TYPE-III.

Table 7.The minimum safety factor calculation result of TYPE-IV.

Fig. 8.Stability analysis result by slop type (slop angle 20°).

Fig. 9.Relationship with a safety criteria of slope inclination by Type.

Fig. 10, 11, 12는 사면 경사 25°, 30°, 35°에서의 단위중량, 점착력, 마찰각과 안전율과의 관계를 나타낸 것이다. 무한사면형인 Type-II에서의 안전율이 가장 크게 나타났고 Type-I, III, IV는 비교적 낮게 나타났다. 단위중량이 커질수록 안전율이 조금씩 감소하는 경향을 보였고, 점착력과 내부마찰각이 증가함에 따라 안전율도 증가하는 결과를 나타냈다.

Fig. 10.Relationship between safety criteria, unit weight, soil cohesion, internal friction angle of each slop types (25°).

Fig. 11.Relationship between safety criteria, unit weight, soil cohesion, internal friction angle of each slop types (30°).

Fig. 12.Relationship between safety criteria, unit weight, soil cohesion, internal friction angle of each slop types (35°).

 

결 론

본 연구에서는 전라남도와 전라북도지역에 위치한 산사태 발생 우려지 현장에서 채취한 시료를 토대로 실내시험을 수행하여 기본 물성값과 강도정수를 산출하였고, 현장의 대표단면 4개소에 대해 안정성 검토를 수행하였다.

각 사면에서의 안정해석 결과는 지형적인 요인과 지반 물성값 사이에 상호관계가 있음을 확인 할 수 있었다. 특히 사면 경사각과 단위중량이 증가할수록 안전율이 점점 감소하는 경향을 보였고 점착력과 내부마찰각이 증가할수록 안전율이 커지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 금번 조사대상 지역의 경우 전체적으로 토층두께가 얕고 사면경사가 작아 안전율이 비교적 크게 나타났다.

Type-II(무한사면형태)의 경우 도로공사 설계기준의 안전율(Fs=1.30)을 만족하고 있음을 알 수 있다. 이에 비해 Type-I 쐐기형의 경우 사면경사 25°, Type-3(유한사면 I형)의 경우 사면경사 30°를 초과할 경우 잠재적인 안전율 저하로 사면이 파괴될 가능성이 존재할 것으로 판단된다.

풍화토의 분포 특성에 따라 사면의 형태를 쐐기형(Type-I), 무한사면형 (Type-II) 및 유한사면형(Type-III, IV)으로 분류하고 사면 경사각에 따른 안전율을 산출한 결과 사면 경사각(x)-안전율(y) 사이의 회귀방정식은 다음과 같이 산출되었다.

이 논문에서 수치모델링을 통해 얻어진 안전율은 최소안전율 1.3을 기준으로 각각 사면에 적용된 강도정수 값이 동일한 경우, Type-I의 사면에서는 경사각이 약 28°, Type-II는 약 35°, Type-III은 약 27°, Type-IV의 사면에서는 22°를 초과하면 산사태 발생 위험이 있는 것으로 판명되었다.

이와 같이 사면 형태에 따른 사면경사와 안전율의 관계로 부터 산사태에 영향을 미치는 매개변수를 활용한다면 자연사면의 간이 위험성 예측이 가능할 것으로 사료된다.