사면재해는 강우기에 반복적으로 발생하는 지질재해의 하나로 우리나라의 경우 연평균 약 23명 정토의 인명피해가 사면재해로 인해 발생하고 있으며, 이는 자연재해로 인한 인명피해 중 약 25％ 정도를 차지하는 수치이다. 그러나, 이러한 사면재해는 다양하고 복합한 지질 및 지형 특성과 갉은 공간적인 특성과 집중호우와 같은 기후특성에 의해 좌우되므로 사면재해 예측이나 위험성에 대한 정량적인 산정을 무척 어려운 실정이다. 따라서, GIS를 이용한 위험성분석이나 확률을 이용한 다양한 기법이 활용되고 있다. 특히, GIS를 이용한 기법은 광역적인 지역에 대하여 방대한 양의 자료를 효율적으로 처리 및 분석을 수행함으로서 사면재해 관련 연구에 폭 넓게 활용되고 있다 본 연구에서 사용된 무한사면해석기법은 사면재해의 발생여부와 관련요인간의 연관성에 대한 단순한 통계적인 분석에 의한 기존 기법의 한계점을 보완하고 사면재해발생과 관련된 역학적인 검토를 수행하기 위하여 제안되었다. 본 연구 결과에 의하면 사면재해가 발생했던 지점과의 비교를 농하여 지반이 완전히 포화된 경우, 즉 m=1인 경우 무한사면모델에서 불안정하다고 해석된 지역에서 전체 사면재해의 87.5％가 발생하였음을 보여주고 있어 사면재해에 대한 해석기법으로서의 착용가능성을 보여주고 있다.
사면재해는 강우기에 반복적으로 발생하는 지질재해의 하나로 우리나라의 경우 연평균 약 23명 정토의 인명피해가 사면재해로 인해 발생하고 있으며, 이는 자연재해로 인한 인명피해 중 약 25％ 정도를 차지하는 수치이다. 그러나, 이러한 사면재해는 다양하고 복합한 지질 및 지형 특성과 갉은 공간적인 특성과 집중호우와 같은 기후특성에 의해 좌우되므로 사면재해 예측이나 위험성에 대한 정량적인 산정을 무척 어려운 실정이다. 따라서, GIS를 이용한 위험성분석이나 확률을 이용한 다양한 기법이 활용되고 있다. 특히, GIS를 이용한 기법은 광역적인 지역에 대하여 방대한 양의 자료를 효율적으로 처리 및 분석을 수행함으로서 사면재해 관련 연구에 폭 넓게 활용되고 있다 본 연구에서 사용된 무한사면해석기법은 사면재해의 발생여부와 관련요인간의 연관성에 대한 단순한 통계적인 분석에 의한 기존 기법의 한계점을 보완하고 사면재해발생과 관련된 역학적인 검토를 수행하기 위하여 제안되었다. 본 연구 결과에 의하면 사면재해가 발생했던 지점과의 비교를 농하여 지반이 완전히 포화된 경우, 즉 m=1인 경우 무한사면모델에서 불안정하다고 해석된 지역에서 전체 사면재해의 87.5％가 발생하였음을 보여주고 있어 사면재해에 대한 해석기법으로서의 착용가능성을 보여주고 있다.
Slope disaster is one of the repeated occurring geological disasters in rainy season resulting in about 23 human losses in Korea every year. The slope disaster, however, mainly depends on the spatial and climate properties. such as geology, geomorphology, and heavy rainfall, and, hence, the predicti...
Slope disaster is one of the repeated occurring geological disasters in rainy season resulting in about 23 human losses in Korea every year. The slope disaster, however, mainly depends on the spatial and climate properties. such as geology, geomorphology, and heavy rainfall, and, hence, the prediction or hazard analysis of the slope disaster is a difficult task. Therefore, GIS and various statistical methods are implemented for slope disaster analysis. In particular, GIS technique is widely used for the analysis because it effectively handles large amount of spatial data. The GIS technique. however, only considers the statistics between slope disaster occurrence and related factors, not the mechanism. Accordingly. an infinite slope model that mechanically considers the balance of forces applied to the slope is suggested here with GIS for slope disaster analysis. According to the research results, the infinite slope model has a possibility that can be utilized for landslide prediction and hazard evaluation since 87.5％ of landslide occurrence areas have been predicted by this technique.
Slope disaster is one of the repeated occurring geological disasters in rainy season resulting in about 23 human losses in Korea every year. The slope disaster, however, mainly depends on the spatial and climate properties. such as geology, geomorphology, and heavy rainfall, and, hence, the prediction or hazard analysis of the slope disaster is a difficult task. Therefore, GIS and various statistical methods are implemented for slope disaster analysis. In particular, GIS technique is widely used for the analysis because it effectively handles large amount of spatial data. The GIS technique. however, only considers the statistics between slope disaster occurrence and related factors, not the mechanism. Accordingly. an infinite slope model that mechanically considers the balance of forces applied to the slope is suggested here with GIS for slope disaster analysis. According to the research results, the infinite slope model has a possibility that can be utilized for landslide prediction and hazard evaluation since 87.5％ of landslide occurrence areas have been predicted by this technique.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 GIS기법과 사면에 대한 역학 적인 모델을 이용하여 산사태의 예측기법을 제안하였으며, 이를 국내의 산사태 현장에 적용하여 검증해 보 았다.
연구대상지역의 산사태 분석에 필요한 관련 자료로서 산사태 위치 파악을 위한 항공사진 및 1:5,000 수치지형도와 산 사태 발생요인 분석을 위한 1:5,000 지형도, 1:25,000 정밀토양도, 1:50, 000 지질도 등을 이용하였다. 특히, 산사태 발생가능성의 예측을 위해서는 기존에 발생한 산사태의 정확한 위치 파악이 선행되어야 하며, 이를 위해 본 연구에서는 현지답사와 수치지형도를 활용한 항공사진 분석방법을 수행하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 무한사면에서 의 안정해석 기법과 GIS를 이용하여 공간자료를 적용, 분석하는 기법을 개발하였다. 이를 위하여 1998년 대 규모 산사태가 발생한 보은지역을 선정하여 공간자료를 획득하고, 그 자료를 이용하여 본 연구에서 제안한 해석 기법에 적용하였다.
가설 설정
무한사면해석기 법은 중력 에 의한 불안정요소와 지표면과 평행한 파괴면에 작용 하는 마찰과 점착력에 의한 안정요소의 균형을 기초로 한다. 무한사면은 움직이는 암체 혹은 토체의 깊이가 비교적 얕은 것으로, 토체가 병진운동을 하는 것으로 가정하여 안정해석을 수행한다. 이것은 붕괴심도가 그 리 깊지 않은 국내의 &사태유형(국립방재연구소, 2000)과도 유사하여 적절한 모델인 것으로 파악되며, 또한 가장 폭 넓게 사용되는 모델의 하나이다(Kamai,1991;Terlien, 1996; Pack et al.
Fig. 1과 같이 무한사면에서 지하수위면은 지표면과 평행하고 미끄러짐면 위로 mz되는 위치에 있으며 사 면에 평행한 방향으로 정상투수가 발생한다고 가정한다. Fig.
제안 방법
GIS를 활용한 산사태의 위험성 평가기법에 관련된 연구는 국내외적으로 폭 넓게 진행 되고 있다. 국내에 서는 연구 지역의 경사, 경사방향, 지질 및 토질, 토지 이용 등 5개 요인에 대하여 GIS를 이용하여 중첩분석을 수행하고 산사태의 발생 가능성을 분석하였으며(김 윤종 등, 1994), 산사태 밀도, 지표유출량, 선구조의 길 이 및 밀도, 지형 경사, 지질, 토양 등 6개 요인을 대상으로 GIS를 이용하여 충남 서천지역에 적용하였다(김 원영 등, 1996). 그 밖에도 지형, 토양, 임상 및 지질과 관련된 14개 요인으로부터 통계 및 인공신경망 분석을 통해 산사태 취약성 분석을 시도하였다(이사로, 2000).
본 연구에서는 산사태의 발생에 대한 공학적인 접근 방식을 도입하여 발생가능성을 분석하고 위험도 평가 지수로서 안전율의 활용가능성을 파악하기 위해 무한 사면해석기법을 적용하였다. 무한사면해석기 법은 중력 에 의한 불안정요소와 지표면과 평행한 파괴면에 작용 하는 마찰과 점착력에 의한 안정요소의 균형을 기초로 한다.
본 연구에서는 산사태 발생에 대한 공학적인 분석을 위하여 식(7)을 분석모델로 사용하였으며, GIS를 이용하여 획득한 자료들을 이용하여 각 지점에 대한 안전 율을 산정하였다.
본 연구를 위해 1998년 8월 11일 일일 강우량 348 mm의 집중호우에 의해 많은 산사태가 발생했던 충청 북도 보은지역을 대상지역으로 선정하였다. 연구대상지역의 산사태 분석에 필요한 관련 자료로서 산사태 위치 파악을 위한 항공사진 및 1:5,000 수치지형도와 산 사태 발생요인 분석을 위한 1:5,000 지형도, 1:25,000 정밀토양도, 1:50, 000 지질도 등을 이용하였다. 특히, 산사태 발생가능성의 예측을 위해서는 기존에 발생한 산사태의 정확한 위치 파악이 선행되어야 하며, 이를 위해 본 연구에서는 현지답사와 수치지형도를 활용한 항공사진 분석방법을 수행하였다.
또한, 스캐닝되고 기하보정된 항공사진은 1:5,000 수치지형도와 비교하여 산사태로 인해 변화된 양상을 보다 정확히 파악할 수 있다. 본 연구에서는 1998년 보은 지역에 집중적으 로 발생된 산사태를 1995년 및 1999년에 촬영된 사진 을 이용하여 분석하였다. 항공사진 및 1:5,000 수치지 도를 중첩하여 산사태로 보이는 것을 매핑하고 이를 현장 조사를 통해 확인하였다.
본 연구에서는 1998년 보은 지역에 집중적으 로 발생된 산사태를 1995년 및 1999년에 촬영된 사진 을 이용하여 분석하였다. 항공사진 및 1:5,000 수치지 도를 중첩하여 산사태로 보이는 것을 매핑하고 이를 현장 조사를 통해 확인하였다.
이 자료는 무한사면해석기법을 이용하여 획득된 산사태의 발생 가능성 결과를 실제 산사태 발생 여부와 비교함 으로서 제안된 해석기법을 검증하기 위한 기초 자료로 활용된다. 따라서 산사태 발생위치 파악을 위해 항공 사진을 이용하여 산사태 위치를 일차적으로 탐지하였 고, 탐지된 산사태 발생위치의 정확성을 판단하기 위하여 현지답사를 통한 GPS 측량을 수행하여 산사태 위치도를 작성하였다. 작성결과 산사태가 일어난 개소는 총 483개소로 확인되었으며, 총 면적은 68.
또한 연구지역 내의 지형 특성, 특히 산사태가 발생할 수 있는 지역의 경사와 경사방향 등의 분포파악을 위해서는 수치화된 지형정보가 요구되며 이를 위하여수치표고모델 (Digital Elevation Model, DEM)을 작성 했다. DEMe 1:5,000 수치지형도를 이용하여 자료변 환 후 내삽과정을 거쳐 작성하였으며 이렇게 작성된 DEM으로부터 경사도 분포(Fig. 3)와 경사방향 분포 (Fig. 4)를 작성했다. 경사도는 지형의 기울기를 의미하며 경사방향은 지형사면의 자세, 즉 사면이 가르치는 방향을 의미한다.
본 연구지역 내의 토양특성은 1:25,000 축척의 정밀 토양도로부터 토양지형도(Fig. 5), 토질도(Fig. 6), 유효 토심도(Fig. 7) 등을 작성하였다. 토양지형도는 토양이 분포한 지역의 지형에 의해, 토질은 토양의 입자에 의해 각각 분류된 것이며, 유효토심은 토양의 유효두께를 나타낸다.
토양지형도는 토양이 분포한 지역의 지형에 의해, 토질은 토양의 입자에 의해 각각 분류된 것이며, 유효토심은 토양의 유효두께를 나타낸다. 그 밖에 연구대상 지역의 지질특성자료 파악 을 위해 1:50, 000 축척의 지질도로부터 암상분포(Fig. 8)를 구축하였다. 모든 자료의 공간해상도는 5mx5m 로 구성되었으며, 연구지역의 격자 개수는 2, 735, 776개 소이다.
그러나, 토양의 전단강도와 같은 입력 자료는 대개 실험을 통해 획득되는 것이 일반적이나 연구대상 지역이 광범 위하고 다양한 토층이 분포하는 지역을 대상으로 실험을 수행한다는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이다. 따라서, 본 연구에서는 토양도를 이용하여 통일분류법 을 적용하여 토양의 공학적인 분류를 획득하였으며 Table 1과 같이 통일분류법으로부터 토양의 종류별 단 위 체적중량, 내부 마찰각과 점착력을 추정하였다.
이를 위하여 1998년 대 규모 산사태가 발생한 보은지역을 선정하여 공간자료를 획득하고, 그 자료를 이용하여 본 연구에서 제안한 해석 기법에 적용하였다. 우선 개략토양도를 이용하여 토양의 종류별 단위체적 중량, 내부마찰각, 점착력을 추 정하였다. 또한, 토양 두께의 경우 이전의 많은 연구에서 연구대상 전 지역에 걸쳐 동일한 값을 적용하였으 나, 본 연구에서는 유효토심을 이용하여 추정하였으며, 이렇게 추정된 값을 지형도로부터 획득된 사면의 경사 및 경사방향과 함께 적용하여 각 격자의 안전율을 계 산하였다.
우선 개략토양도를 이용하여 토양의 종류별 단위체적 중량, 내부마찰각, 점착력을 추 정하였다. 또한, 토양 두께의 경우 이전의 많은 연구에서 연구대상 전 지역에 걸쳐 동일한 값을 적용하였으 나, 본 연구에서는 유효토심을 이용하여 추정하였으며, 이렇게 추정된 값을 지형도로부터 획득된 사면의 경사 및 경사방향과 함께 적용하여 각 격자의 안전율을 계 산하였다. 안전율의 계산은 강우 및 지하수위가 사면의 안정성에 미치는 영향을 고려하고 이를 파악하기 위해 지하수위가 무한사면 하부에 존재하여 건조한 경우 (m=0), 집중호우로 지하수위가 상승하여 토체 두께의 약 50% 지점에 위치하는 경우(m=0.
또한, 토양 두께의 경우 이전의 많은 연구에서 연구대상 전 지역에 걸쳐 동일한 값을 적용하였으 나, 본 연구에서는 유효토심을 이용하여 추정하였으며, 이렇게 추정된 값을 지형도로부터 획득된 사면의 경사 및 경사방향과 함께 적용하여 각 격자의 안전율을 계 산하였다. 안전율의 계산은 강우 및 지하수위가 사면의 안정성에 미치는 영향을 고려하고 이를 파악하기 위해 지하수위가 무한사면 하부에 존재하여 건조한 경우 (m=0), 집중호우로 지하수위가 상승하여 토체 두께의 약 50% 지점에 위치하는 경우(m=0.5)와 집중호우로지하수위가 지표면과 일치하고 토양이 포화된 것으로 가정하는 경우(m=L)로 구분하여 각각의 경우에 따른 안전율을 산정하였다.
0인 경우에 대하여 계산한 안전율의 분포와 실제 산사태가 발생한 위치를 표시한 것이다. 그림에서 점으로 표시된 위치가 실제 산사태가 발생한 것으로 확인된 지점으로 산사태가 발생한 지점과 그 지점 에서 무한사면해석기법을 이용하여 안전율을 계산하여 그 결과를 비교해 보았다.
그러나, 이 방법은 사면재해가 발생하는 메커니즘에 대한 공학적인 고려없이 요인간의 상호 통계적인 처리에만 의존하므로 사면재해의 발생과 연 관성이 높은 미끄러짐면의 내부마찰각과 점착력에 대한 고려가 전혀 포함되어 있지 않다. 따라서, 본 연구 에는 사면재해의 발생기구를 국내에서 주로 발생하는 사면재해의 특성과 유사한 무한사면해석모델을 적용하여 사면에 작용하는 힘들의 상관관계를 분석함으로서 공학적인 접근을 시도하였다. 연구결과에 의하면 실제 사면재해가 발생했던 지점과의 비교를 통하여 지하수 위를 사면 높이의 50%로 고려한 경우, 즉 m=0.
대상 데이터
본 연구를 위해 1998년 8월 11일 일일 강우량 348 mm의 집중호우에 의해 많은 산사태가 발생했던 충청 북도 보은지역을 대상지역으로 선정하였다. 연구대상지역의 산사태 분석에 필요한 관련 자료로서 산사태 위치 파악을 위한 항공사진 및 1:5,000 수치지형도와 산 사태 발생요인 분석을 위한 1:5,000 지형도, 1:25,000 정밀토양도, 1:50, 000 지질도 등을 이용하였다.
본 연구의 수행을 위하여 우선적으로 수집되어야 하는 공간자료는 실제 산사태의 발생위치 자료이다. 이 자료는 무한사면해석기법을 이용하여 획득된 산사태의 발생 가능성 결과를 실제 산사태 발생 여부와 비교함 으로서 제안된 해석기법을 검증하기 위한 기초 자료로 활용된다.
8)를 구축하였다. 모든 자료의 공간해상도는 5mx5m 로 구성되었으며, 연구지역의 격자 개수는 2, 735, 776개 소이다.
본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 무한사면에서 의 안정해석 기법과 GIS를 이용하여 공간자료를 적용, 분석하는 기법을 개발하였다. 이를 위하여 1998년 대 규모 산사태가 발생한 보은지역을 선정하여 공간자료를 획득하고, 그 자료를 이용하여 본 연구에서 제안한 해석 기법에 적용하였다. 우선 개략토양도를 이용하여 토양의 종류별 단위체적 중량, 내부마찰각, 점착력을 추 정하였다.
데이터처리
국내에 서는 연구 지역의 경사, 경사방향, 지질 및 토질, 토지 이용 등 5개 요인에 대하여 GIS를 이용하여 중첩분석을 수행하고 산사태의 발생 가능성을 분석하였으며(김 윤종 등, 1994), 산사태 밀도, 지표유출량, 선구조의 길 이 및 밀도, 지형 경사, 지질, 토양 등 6개 요인을 대상으로 GIS를 이용하여 충남 서천지역에 적용하였다(김 원영 등, 1996). 그 밖에도 지형, 토양, 임상 및 지질과 관련된 14개 요인으로부터 통계 및 인공신경망 분석을 통해 산사태 취약성 분석을 시도하였다(이사로, 2000). 이러한 예는 외국의 여러 사례에서도 찾아 볼 수 있다(Gorceoglu and Aksoy 1996; Luzi and Floriana, 1996; Randall et al.
이론/모형
또한 연구지역 내의 지형 특성, 특히 산사태가 발생할 수 있는 지역의 경사와 경사방향 등의 분포파악을 위해서는 수치화된 지형정보가 요구되며 이를 위하여수치표고모델 (Digital Elevation Model, DEM)을 작성 했다. DEMe 1:5,000 수치지형도를 이용하여 자료변 환 후 내삽과정을 거쳐 작성하였으며 이렇게 작성된 DEM으로부터 경사도 분포(Fig.
성능/효과
따라서 산사태 발생위치 파악을 위해 항공 사진을 이용하여 산사태 위치를 일차적으로 탐지하였 고, 탐지된 산사태 발생위치의 정확성을 판단하기 위하여 현지답사를 통한 GPS 측량을 수행하여 산사태 위치도를 작성하였다. 작성결과 산사태가 일어난 개소는 총 483개소로 확인되었으며, 총 면적은 68.43 km2 에 이르는 것으로 파악되었다. 본 연구에서 파악한 산 사태의 발생위치는 Fig.
5%가 실제 발생했다. 반면 지하수위를 사 면 높이의 50%로 고려한 경우, 즉 m=0.5인 경우 안 전율이 1이하인 지역 중 약 64.1%의 지역에서 실제 산사태가 발생하였으며, 지하수위를 사면 높이와 동일 하게 설정한 경우, 즉 m=1.0인 경우 안전율이 1이하 인 지역 중 87.5%의 지역에서 실제 산사태가 발생한것으로 계산되었다. 이러한 연구결과는 연구대상 지역 인 보은지역에 일일 강우량 348 mm의 집중호우가 발생했던 점을 감안할 때 지하수위가 매우 높게 상승했 을 가능성이 높고 이에 따라 산사태가 집중적으로 발생한 것으로 보이는 현장상황과 일치하는 점을 보이고 있다.
5%의 지역에서 실제 산사태가 발생한것으로 계산되었다. 이러한 연구결과는 연구대상 지역 인 보은지역에 일일 강우량 348 mm의 집중호우가 발생했던 점을 감안할 때 지하수위가 매우 높게 상승했 을 가능성이 높고 이에 따라 산사태가 집중적으로 발생한 것으로 보이는 현장상황과 일치하는 점을 보이고 있다.
따라서, 본 연구 에는 사면재해의 발생기구를 국내에서 주로 발생하는 사면재해의 특성과 유사한 무한사면해석모델을 적용하여 사면에 작용하는 힘들의 상관관계를 분석함으로서 공학적인 접근을 시도하였다. 연구결과에 의하면 실제 사면재해가 발생했던 지점과의 비교를 통하여 지하수 위를 사면 높이의 50%로 고려한 경우, 즉 m=0.5인 경우 안전율이 1이하인 지역 중 약 64.1%의 지역에서 실제 산사태가 발생하는 것으로 예측되었으며 지반이 완전히 포화된 경우, 즉 m=l인 경우 무한사면모델에서 불안정하다고 해석된 지역에서 전체 사면재해의 87.5%가 발생하였음을 보여주고 있어 사면재해에 대한 해석 기 법으로서의 활용가능성을 보여주고 있다.
후속연구
특히, 산사태와 토양과의 연 관성이나 임상과의 연관성은 이미 오래전부터 논의되어 왔으며, 따라서 토양의 토질, 모재, 배수 및 유효심도와 임상의 영급, 경급, 산림 밀도 등과 같은 다양한 토양 및 임상관련 자료들이 사용되어 왔다(이사로와 민 경덕, 2000; 이사로, 2001). 반면 확정적 해석법, 특히 본 연구에서 사용된 무한사면해석을 위해서는 산사태 발생의 역학적인 면을 검토하기 위하여 토양의 전단강 도와 토층의 두께와 같은 입력 자료가 요구된다. 그러나, 토양의 전단강도와 같은 입력 자료는 대개 실험을 통해 획득되는 것이 일반적이나 연구대상 지역이 광범 위하고 다양한 토층이 분포하는 지역을 대상으로 실험을 수행한다는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이다.
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