[논문]터널 갱구지역 사면안정성 및 산사태 위험도 평가

정해근; 서용석

doi:10.9711/ktaj.2013.15.4.387

터널 갱구지역 사면안정성 및 산사태 위험도 평가
Slope stability analysis and landslide hazard assessment in tunnel portal area 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.15 no.4, 2013년, pp.387 - 400

정해근 (한국수자원공사 K-water 연구원) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
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본 연구에서는 터널 갱구사면을 대상으로 사면안정성 및 산사태 위험도를 평가하였다. 먼저 사면안정성 해석을 통해 붕괴위험도가 가장 높은 구간을 선정하고 구체적인 붕괴규모를 파악하였다. 해석결과 해발고도 485~495 m인 구간은 강우시 안전율이 0.99로 불안정한 상태로 나타났다. 이 때 붕괴심도는 최대 2.1 m이며 붕괴 길이는 사면의 경사방향으로 18.6 m로 분석되었다. 해당구간에서 사면붕괴 시 파생되는 사태물질의 이동특성을 실시간으로 분석하고 터널 갱구부에 미치는 영향을 파악하고자 산사태 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 해석결과 사태물질은 7.74 m/sec의 평균속도를 보이며 주로 계곡부를 따라 산 하부로 이동하는 것으로 분석되었다. 사태물질은 산 하부로 갈수록 점차 확산되며 10초 후에 터널 갱구부 위를 지나고 20.2초 후에 산하부에 도달하는 것으로 분석되었다. 특히 터널 갱구부는 사태물질 이동경로의 중심부에 위치하고 있어 산사태 발생 시 직접적인 피해를 받는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the slope stability analysis and the landslide hazard assessment in tunnel portal slope were carried out. First, we selected highly vulnerable areas to slope failure using the slope stability analysis and analyzed the slope failure scale. According to analyses results, high vulnerable area to slope failure is located at 485~495 m above sea level. The slope is stable in a dry condition, while it becomes unstable in rainfall condition. The analysis results of slope failure scale show that the depth of slope failure is maximum 2.1 m and the length of slope failure is 18.6 m toward the dip direction of slope. Second, we developed a 3-D simulation program to analyze characteristics of runout behavior of debris flow. The developed program was applied to highly vulnerable areas to slope failure. The result of 3-D simulation shows that debris flow moves toward the central part of the valley with the movement direction of landslide from the upper part to the lower part of the slope. 3-D simulation shows that debris flow moves down to the bottom of mountain slope with a speed of 7.74 m/s and may make damage to the tunnel portal directly after 10 seconds from slope failure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 한계평형해석 이론이 적용된 Talren 97 프로그램을 사용하여 갱구사면의 안정성을 평가하고, 붕괴가능성이 높은 구간에 대해서는 구체적인 사면붕괴 규모를 파악하였다. 해석에 사용된 지형단면도는 터널 갱구부와 산정상부를 연결하는 최대단면을 이용하였다(Fig.
본 연구에서는 산사태로 인한 사태물질의 이동특성을 파악하기 위하여 3차원 산사태 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 사면안정성 해석을 통해 선정된 붕괴위험도 구간에 적용하여 사면 붕괴로 인한 산사태 발생 시 사태물질의 실시간(real time) 이동양상을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 터널 갱구사면을 대상으로 사면의 안정성 여부를 평가하고 붕괴위험도가 높은 구간에 대해서는 산사태 시뮬레이션을 수행하여 산사태 발생 시 사태물질의 이동특성을 파악하고자 하였다. 먼저 사면안정성 해석을 통해 갱구사면 중 붕괴위험도가 가장 높은 구간을 선정하였다.
본 연구에서는 터널 갱구사면을 대상으로 안정성 여부를 평가하고 불안정한 구간에 대해서 사면붕괴 규모를 파악하였다. 또한, 사면붕괴 시 발생되는 사태 물질의 이동특성을 분석하고자 3차원 산사태 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다.

가설 설정

8). 사면의 붕괴유형은 원호파괴로 가정한 후 Bishop 방법을 적용하였으며 붕괴위험도가 가장 큰 구간은 해석을 통해 산출된 안전율이 가장 낮은 구간으로 선정하였다. 갱구사면에 대한 지층의 구분은 현장 시추조사자료 및 물리탐사자료의 결과를 토대로 토층, 풍화암층 및 연암층으로 구분하여 심도와 강도정수를 결정하고 사면안정성 해석을 수행하였다.
그리고 동일 수치지형도에서 사면안정성 해석을 통해 파악된 붕괴 규모를 적용하여 산사태 발생 후의 지형데이터를 작성하였다. 사태 규모의 3차원적 표현을 위해서 사면의 붕괴 폭은 국내 편마암 풍화토 지역의 산사태 평균붕괴 폭인 15 m (Kim et al., 2007)로 가정하여 해석모델을 작성하였다(Fig. 12). 지반정수 데이터는 단위중량, 점착력, 동적 활동면 마찰각(∅₁) 및 동적 토괴 내부마찰각(∅₂)으로 구성된다.
지하수 조건은 강우조건을 감안하여 건기시와 우기시로 구분하였다. 우기시는 지하수위가 지표면과 동일하게 되는 포화상태로 가정하였다. 해석에 사용된 지반정수는 실내 토질시험 결과와 현장 전단시험 결과를 통해 산정하였다(Table 3).

제안 방법

본 연구에서는 터널 갱구사면(Fig. 2)을 대상으로 사면 안정성 평가 및 3차원 산사태 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 산사태로 인한 사태물질의 이동특성을 파악하기 위하여 3차원 산사태 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 사면안정성 해석을 통해 선정된 붕괴위험도 구간에 적용하여 사면 붕괴로 인한 산사태 발생 시 사태물질의 실시간(real time) 이동양상을 분석할 수 있다.
또한, 사면붕괴 시 발생되는 사태 물질의 이동특성을 분석하고자 3차원 산사태 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 사태물질의 이동특성을 실시간(real time)으로 분석하였으며 동시에 사태물질이 터널 갱구부에 미치는 영향을 파악하였다.
사면의 붕괴유형은 원호파괴로 가정한 후 Bishop 방법을 적용하였으며 붕괴위험도가 가장 큰 구간은 해석을 통해 산출된 안전율이 가장 낮은 구간으로 선정하였다. 갱구사면에 대한 지층의 구분은 현장 시추조사자료 및 물리탐사자료의 결과를 토대로 토층, 풍화암층 및 연암층으로 구분하여 심도와 강도정수를 결정하고 사면안정성 해석을 수행하였다. 지하수 조건은 강우조건을 감안하여 건기시와 우기시로 구분하였다.
본 연구에서는 국토지리정보원에서 발간하는 1:5000 수치지형도를 산사태 발생 전의 지형데이터로 사용하였다. 그리고 동일 수치지형도에서 사면안정성 해석을 통해 파악된 붕괴 규모를 적용하여 산사태 발생 후의 지형데이터를 작성하였다. 사태 규모의 3차원적 표현을 위해서 사면의 붕괴 폭은 국내 편마암 풍화토 지역의 산사태 평균붕괴 폭인 15 m (Kim et al.
단위중량 및 점착력은 Table 3에 제시된 값을 사용하였다. 동적 활동면 마찰각 및 동적 토괴 내부마찰각은 일반적으로 링 전단시험(ring-shear test)을 통해 구해지나, 본 연구에서 사용된 동적 마찰각은 다음의 경험식을 이용하여 구하였다.
본 연구에서는 터널 갱구사면을 대상으로 안정성 여부를 평가하고 불안정한 구간에 대해서 사면붕괴 규모를 파악하였다. 또한, 사면붕괴 시 발생되는 사태 물질의 이동특성을 분석하고자 3차원 산사태 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 사태물질의 이동특성을 실시간(real time)으로 분석하였으며 동시에 사태물질이 터널 갱구부에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 터널 갱구사면을 대상으로 사면의 안정성 여부를 평가하고 붕괴위험도가 높은 구간에 대해서는 산사태 시뮬레이션을 수행하여 산사태 발생 시 사태물질의 이동특성을 파악하고자 하였다. 먼저 사면안정성 해석을 통해 갱구사면 중 붕괴위험도가 가장 높은 구간을 선정하였다. 해당 구간은 해발고도 485～495 m지점에 위치하는 것으로 분석되었으며 건기 시에는 안전율이 1.
본 연구에서는 편의상 0.074 mm보다 큰 조립토를 대상으로 체분석(sieve analysis)을 실시하여 입도분포를 파악하였다. Fig.
사면의 붕괴 가능성에 대한 평가는 사면에 분포하는 구성물질의 종류에 따라 암반사면, 토사사면 및 복합사면으로 구분하여 안정성 해석을 수행한다. 사면안정성 해석의 방법으로는 활동면을 기준으로 상부의 토괴 또는 암괴의 정역학적인 힘의 평형관계를 이용하여 안정성을 평가하는 한계평형해석(limit equilibrium analysis)과 변위의 속도장을 계산하여 에너지 분포를 구하고 안전율을 계산하는 상한이론(upper bound theory) 등이 있다.
산사태로 인한 사태물질의 실시간 이동특성을 파악하기 위하여 사면안정성 해석을 통해 선정된 붕괴위험도 구간을 산사태 시점부로 설정하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 개발된 시뮬레이션 프로그램의 입력데이터는 크게 지형 및 지반정수 데이터로 구분 된다.
시뮬레이션 결과를 통해 산사태 발생 시 사태물질의 이동속도와 산 하부까지의 도달시간을 분석하고, 사태물질로 인한 터널 갱구부의 피해여부를 분석하면 다음과 같다.
연구지역에 분포하는 토층의 물리적･역학적 특성을 파악하고, 사면안정성 해석 시 입력되는 강도정수를 구하기 위하여 토질시험을 실시하였다. 토질시료는 지표 하 50 cm 정도의 위치에서 링 샘플러를 이용하여 교란 및 불교란 시료로 구분하여 채취하였다.
갱구사면에 대한 지층의 구분은 현장 시추조사자료 및 물리탐사자료의 결과를 토대로 토층, 풍화암층 및 연암층으로 구분하여 심도와 강도정수를 결정하고 사면안정성 해석을 수행하였다. 지하수 조건은 강우조건을 감안하여 건기시와 우기시로 구분하였다. 우기시는 지하수위가 지표면과 동일하게 되는 포화상태로 가정하였다.
우기시는 지하수위가 지표면과 동일하게 되는 포화상태로 가정하였다. 해석에 사용된 지반정수는 실내 토질시험 결과와 현장 전단시험 결과를 통해 산정하였다(Table 3).

대상 데이터

지형데이터는 산사태 발생 전·후의 수치지형도 또는 수치표고모델을 이용한다. 본 연구에서는 국토지리정보원에서 발간하는 1:5000 수치지형도를 산사태 발생 전의 지형데이터로 사용하였다. 그리고 동일 수치지형도에서 사면안정성 해석을 통해 파악된 붕괴 규모를 적용하여 산사태 발생 후의 지형데이터를 작성하였다.
연구지역은 강원도 인제군에 위치하고 있는 터널공사 구간으로 높은 산악지형을 이루고 있다(Fig. 1). 본 연구에서는 터널 갱구사면(Fig.
연구지역의 광역지질은 선캠브리아기 편마암 복합체인 경기육괴와 이를 관입한 중생대 쥐라기 흑운모 화강암과 이들 두 지질 단위를 부정합으로 피복하는 제4기층으로 구성된다. 이 중 터널 갱구부는 호상편마암이 분포하고 있다(Fig.
입력데이터는 산사태 발생 전·후의 지형 데이터 및 지반정수 데이터로 구분된다. 지형데이터는 수치 지형도(Digital Terrain Model, DTM) 및 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM)을 사용하며, 지반 정수 데이터는 물성 및 역학성 시험을 통하여 산정된 값을 이용한다. 입력된 데이터는 계산을 위해 설정된 각각의 변수에 등록된다.
연구지역에 분포하는 토층의 물리적･역학적 특성을 파악하고, 사면안정성 해석 시 입력되는 강도정수를 구하기 위하여 토질시험을 실시하였다. 토질시료는 지표 하 50 cm 정도의 위치에서 링 샘플러를 이용하여 교란 및 불교란 시료로 구분하여 채취하였다. Fig.
본 논문에서는 한계평형해석 이론이 적용된 Talren 97 프로그램을 사용하여 갱구사면의 안정성을 평가하고, 붕괴가능성이 높은 구간에 대해서는 구체적인 사면붕괴 규모를 파악하였다. 해석에 사용된 지형단면도는 터널 갱구부와 산정상부를 연결하는 최대단면을 이용하였다(Fig. 8). 사면의 붕괴유형은 원호파괴로 가정한 후 Bishop 방법을 적용하였으며 붕괴위험도가 가장 큰 구간은 해석을 통해 산출된 안전율이 가장 낮은 구간으로 선정하였다.

이론/모형

개발된 시뮬레이션 프로그램의 입력데이터는 크게 지형 및 지반정수 데이터로 구분 된다. 지형데이터는 산사태 발생 전·후의 수치지형도 또는 수치표고모델을 이용한다. 본 연구에서는 국토지리정보원에서 발간하는 1:5000 수치지형도를 산사태 발생 전의 지형데이터로 사용하였다.
6은 불교란 시료를 채취하기 위해 링 샘플러를 토층에 관입하는 과정을 보여준다. 토질시험은 한국산업규격(KS)에 준용하여 실시하였다.
투수계수는 Hazen (1911)에 의해서 제안된 경험식을 적용하여 산출하였다. Hazen의 경험식은 유효입경이 0.

성능/효과

, 1998) 시뮬레이션 모델을 사용하여 DEM (Digital Elevation Model) 해상도가 화산쇄설류의 확산범위 예측결과에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 지형 데이터로 활용되는 DEM의 해상도에 따라 예측결과는 달라질 수 있다는 결론을 얻었다. 또한 Stolz et al.
사면안정성 해석을 통해 선정된 붕괴위험구간에서 산사태가 발생할 경우 74.54 m 3 체적의 사태물질이 발생하는 것으로 나타났다. 사태물질은 7.
사면안정성 해석을 통해 선정된 붕괴위험구간에서 산사태가 발생할 경우 74.54 m³ 체적의 사태물질은 7.74 m/s의 평균속도를 보이며 주로 계곡부를 따라산 하부로 이동하는 것으로 분석되었다. 사태물질은 산 하부로 갈수록 점차 확산되며 10초 후에 터널 갱구부위를 지나고 20.
54 m 3 체적의 사태물질이 발생하는 것으로 나타났다. 사태물질은 7.74 m/s의 평균속도를 보이며 주로 계곡부를 따라 산 하부로 이동하며, 산 하부로 갈수록 점차 확산되면서 10초 후에 터널 갱구부 위를 지나는 것으로 나타났다. 특히, 터널 갱구부는 사태물질 이동경로의 중심부에 위치하고 있어 산사태 발생 시 직접적인 피해를 받는 것으로 나타났다.
특히, 터널 갱구부는 사태물질 이동경로의 중심부에 위치하고 있어 산사태 발생 시 직접적인 피해를 받는 것으로 나타났다. 사태물질은 산사태 발생 후 20.2초가 지난후에 산 하부에 도달하는 것으로 분석되었다(Fig. 14).
74 m/s의 평균속도를 보이며 주로 계곡부를 따라산 하부로 이동하는 것으로 분석되었다. 사태물질은 산 하부로 갈수록 점차 확산되며 10초 후에 터널 갱구부위를 지나고 20.2초 후에 산하부에 도달하는 것으로 분석되었다. 터널 갱구부는 사태물질 이동경로의 중심부에 위치하고 있어 산사태 발생 시 직접적인 피해를 받는 것으로 나타났다.
, 2008). 이러한 3차원 시뮬레이션 연구는 산사태로 인한 사태물질의 이동특성을 지형데이터에 기초하여 3차원적으로 가시화시 킴으로써 피해범위를 효과적으로 판단할 수 있다. 하지만 복잡한 자연현상을 효과적으로 표현하기에는 정밀한 그래픽 기술이 요구되므로 이에 대한 연구가 필요하다.
터널 갱구사면에 대한 사면안정성 해석 결과, 사면 내에서 붕괴위험도가 가장 높은 구간은 해발고도 485～495 m 지점에 위치하는 것으로 분석되었다. 해당구간에서의 최소저항력을 보이는 구간은 토층구간이며 원호형태를 보인다.

후속연구

이러한 연구결과는 시뮬레이션에 적용되는 지형데이터의 정밀도에 따라 예측결 과는 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서 개발된 산사태 시뮬레이션의 이동특성을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 지형 특성을 세밀하고 정확하게 표현한 수치지형 데이터 또는 고해상도의 DEM을획득해야 한다. 또한 입력데이터로 사용되는 사태물질의 동적 전단강도를 정밀하게 측정할 수 있는 시험 방법이 요구된다.
또한 입력데이터로 사용되는 사태물질의 동적 전단강도를 정밀하게 측정할 수 있는 시험 방법이 요구된다. 또한 본 연구에서 개발된 시뮬레이션 시스템의 유효성 검증을 위해서는 실시간으로 수집된 현장 데이터와의 비교분석이 필요하다.
이러한 3차원 시뮬레이션 연구는 산사태로 인한 사태물질의 이동특성을 지형데이터에 기초하여 3차원적으로 가시화시 킴으로써 피해범위를 효과적으로 판단할 수 있다. 하지만 복잡한 자연현상을 효과적으로 표현하기에는 정밀한 그래픽 기술이 요구되므로 이에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산사태는 어떤 양상을 보이는가?	산사태는 비탈 지대에서 암석과 흙더미가 하부로 무너져 내리는 현상으로 지표면 및 활동면의 형태에 따라 다양한 파괴양상을 보인다. 산사태로 인해 파생되는 사태물질은 빠른 속도로 하부로 이동하여 도로, 가옥 및 농지 등에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 수많은 인명피해를 야기한다.
	산사태로 인해 파생되는 사태물질은 특히 어디에 피해가 더 큰가?	산사태로 인해 파생되는 사태물질은 빠른 속도로 하부로 이동하여 도로, 가옥 및 농지 등에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 수많은 인명피해를 야기한다. 특히, 터널 및 도로와 같은 기간시설이나 국가의 중요 문화재가 위치한 곳 에 산사태가 발생할 경우 피해가 더욱 크다. 터널 갱구부는 터널 구조물 중 유일하게 외부와 연결되는 구간으로 산사태 피해를 직접적으로 받을 수 있는 구간이다.
	산사태로 인해 파생되는 사태물질은 어떤 문제를 야기하는가?	산사태는 비탈 지대에서 암석과 흙더미가 하부로 무너져 내리는 현상으로 지표면 및 활동면의 형태에 따라 다양한 파괴양상을 보인다. 산사태로 인해 파생되는 사태물질은 빠른 속도로 하부로 이동하여 도로, 가옥 및 농지 등에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 수많은 인명피해를 야기한다. 특히, 터널 및 도로와 같은 기간시설이나 국가의 중요 문화재가 위치한 곳 에 산사태가 발생할 경우 피해가 더욱 크다.

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상세보기
Zhang, C., Iwahori, Y. (2003), "Numerical prediction of mass movement due to slope collapse", The Japan Landslide Society, pp. 555-558.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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