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문제 정의
- 본 연구 내용으로 국내 58개소의 강우 관측소에서 관찰한 38년간의 강우패턴이 토사사면에 어떠한 영향을 끼치고 있는지 살펴보기 위해 수문기상 자료를 수집하고 일정한 지형조건을 가정하여 국내 지역의 위험도를 살펴보았다.
가설 설정
- 기상관측소에 해당하는 강우자료를 적용하기 위해 국내 모든 지역을 동일한 무한사면으로 가정하여 사면안정해석을 수행하였다.
제안 방법
- 사면해석과 연계된 침투해석은 강우강도가 투수계수보다 클 때 ponding 현상을 무시하였으며 지하수위가 사면의 안정성에 영향을 끼치지 않는 조건으로 설정하여 안정 해석이 이루어졌다.
- 38년간의 최대강우강도를 강우지속 8시간을 기준으로 geo-grid 보강사면의 인장강도를 10kN과 30kN으로 보강한 사면에 대해서 해석을 수행하였다.
- Geogrid로 보강된 사면에서 침투해석은 흙에 대한 투수계수와 같은 조건으로 불포화 해석을 수행하였으며, 강우강도가 투수계수보다 클 때 ponding 현상을 무시하였고, 지하수위는 사면의 안정성에 영향을 끼치지 않는 조건으로 설정하여 안정 해석을 수행하였다.
- 각 지속시간에 따라 최대강우강도를 연도별 취합하여 1973-1980년, 1981-1990년, 1991-2000년, 2001-2010년의 연평균 최대강우강도를 평균하여 적용하였다.
- 강우에 의한 사면안정해석을 위해 최대강우강도 적용은 Fig. 2와 같이 1973년부터 2010년까지 연도별 최대 강우강도를 지속시간 4시간과 8시간을 기준으로 정리하였다.
- 강우자료에서 연도별 최대강우량을 산정하여 무한사면해석과 동일한 방법으로 불포화 침투해석과 연계한 사면 안정성을 분석하였다.
- 무한사면의 강우자료 적용과 마찬가지로 강우지속 8시간에 따라 최대강우강도를 연도별 취합하여 1973-1980년, 1981-1990년, 1991-2000년, 2001-2010년의 연평균 최대 강우강도를 평균하여 강우강도로 수치해석에 적용하였다.
- 본 연구는 연 최대강우량을 강우지속 4시간과 8시간으로 나누어 10년 단위 평균값을 얻어 기후변화에 대한 국내 토사사면의 위험도 분석을 수행하였다.
- 비록 연계해석에 대한 사례를 강우지속시간에 따른 2가지 경우로 나타냈지만, 무한사면의 침투해석과 사면안정성 해석은 기상관측소 58개소에서 모두 이루어졌으며, 각 관측소의 최대강우를 고려하여 강우패턴에 대한 안전율들의 변화는 총 464횟수(58개소 × 2가지 강우지속시간 × 10년간 4단계)의 연계해석을 수행하였다.
- 사면의 경사각은 34°를 이루고 있으며 사면의 안정성은 사면의 국부적인 파괴가 아닌 전체적인 파괴가 발생하도록 해석을 수행하였다.
- 2와 같이 1973년부터 2010년까지 연도별 최대 강우강도를 지속시간 4시간과 8시간을 기준으로 정리하였다. 실제 현장에서 사면 설계 시 지반구조물의 중요도에 따라서 강우빈도별 강우지속시간은 다르게 적용하고 있기 때문에 여러 강우지속시간을 적용하지 못하고, 비교적 시대별 강우증가량이 분명했던 4시간과 8시간으로 결정하였다.
- 일반적인 사면해석들은 불포화 토사사면에 대한 해석들이 많이 이루어지고 있기 때문에 불포화 침투해석을 통하여 지반 내의 모관흡수력을 연계한 한계평형해석을 수행하였다. 연도별 최대 강우강도를 10년 단위로 평균을 찾고 4단계(1970년대, 1980년대, 1990년대, 2000년대)에 걸친 사면의 안정해석을 하였다. 각 기상관측소를 중심으로 안전율을 표시하여 국내 지도를 작성하고 강우패턴에 따른 토사사면의 불안정성을 쉽게 알아 볼 수 있었다.
- 2에서 일렬로 나타나고 있는 (△○▽+)표시로 보여주고 있다. 이렇게 산정하여 평균한 최대강우강도는 각 관측소 위치를 근간으로 무한사면과 토목섬유로 보강한 유한사면에 불포화 침투해석과 한계평형해석을 수행하여 안전율을 계산하였다.
- 일반적인 사면의 불안정성은 극우 강우나 집중호우처럼 최대 일일강우 강도에서 발생하고 있지만, 본 연구에서는 장기간 강우의 패턴에서 사면의 불안정이 어떻게 변화되고 있는지 관찰하기 위해서 4단계로 분류하였다.
- 일반적인 사면해석들은 불포화 토사사면에 대한 해석들이 많이 이루어지고 있기 때문에 불포화 침투해석을 통하여 지반 내의 모관흡수력을 연계한 한계평형해석을 수행하였다.
- 장기간의 강우 관측자료를 토대로 최대강우량을 산정하여 강우 침투시 사면의 안정성을 분석하였다. 국내 강우관측소 중 30년 이상의 장기간 관측 자료를 보유한 관측소는 63개소이지만, 제주도와 울릉도를 제외하고 내륙에 위치하는 58개소(강우관측 데이터 오류 2곳 제외)의 38년간의 최대강우강도를 4시간과 8시간의 강우 지속시간을 기준으로 산정하였다.
대상 데이터
- 국내 강우관측소 중 30년 이상의 장기간 관측 자료를 보유한 관측소는 63개소이지만, 제주도와 울릉도를 제외하고 내륙에 위치하는 58개소(강우관측 데이터 오류 2곳 제외)의 38년간의 최대강우강도를 4시간과 8시간의 강우 지속시간을 기준으로 산정하였다.
- 연계해석에 대한 사례를 인장강도에 따른 2가지 경우로 나타냈지만, 보강사면의 침투해석과 사면 안정성 해석은 무한사면의 해석방법과 마찬가지로 사면안정 해석은 총 464 횟수(58개소 × 2가지 인장강도 × 10년간 4단계)의 연계해석을 수행하였다.
데이터처리
- 각 강우관측소를 기준으로 사면안정해석을 수행한 결과, 강우지속 4시간과 8시간으로 나누어 산사태 위험지도를 ArcGIS (ESRI, 2011) 프로그램을 이용하여 나타내었다.
이론/모형
- , 2001)을 토대로 제안한 Schmertmamn et al.(1987)의 설계기준을 수치해석에 적용하였다.
- 사면해석과 연계된 침투해석은 강우강도가 투수계수보다 클 때 ponding 현상을 무시하였으며 지하수위가 사면의 안정성에 영향을 끼치지 않는 조건으로 설정하여 안정 해석이 이루어졌다. 불포화 지반의 침투해석 모델은 van Genuchten(1980) model를 사용한 상용프로그램(GeoStudio, 2012)을 이용하여 유한요소해석과 한계평형해석을 연계한 사면의 안전율을 평가하였다.
성능/효과
- (1) 장기간에 걸친 수문자료를 여러 가지 방법으로 평가할 수 있지만, 연평균 최대 강우강도를 이용하여 사면해석에 적용한 결과, 강우지속 4시간일 경우 시간이 지남에 따라 사면의 불안정성이 전국적으로 확대되고 있었으며, 강우지속 8시간일 경우에는 최근 들어 사면 붕괴의 위험성이 높은 지역을 뚜렷하게 확인할 수 있었다.
- (2) 비록 국내 모든 지역을 동일한 무한사면으로 가정하였으나, 장기간의 강우패턴에 영향을 받고 있는 지역적인 위험성을 확인할 수 있었으며, 강우 특성을 지역적으로 고려한다면 방재대책을 위한 지반구조물 설계 시 중요한 산사태 위험지도로써 도움이 될 것으로 판단된다.
- (3) 토목섬유로 비탈면을 적절하게 보강한다면 장기간 강우패턴에 상관없이 사면의 안전성을 유지하고 있었다.
- 2가지 사면안정해석에서는 강우지속 8시간에 해당하는 불포화 침투해석 이후에 geo-grid 인장강도의 크기에 따라 사면의 안전성은 1.391과 1.597로서 차이를 보이고 있다.
- 그리고 산사태 위험지도(Fig. 7)를 통하여 기후변화에 따른 사면 안정성 취약지역을 확인할 수 있었다.
- 11과 같이 나타내었다(ESRI, 2011). 무한사면에서 해석한 최대 안전율 1.286에서 최소 안전율 0.792으로 평가되었으나, 토목섬유 보강사면의 인장강도 10kN에서 최대 안전율 1.401에서 최소 안전율 1.391로 평가되었고, 인장강도 30kN 보강된 사면에서 최대 안전율 1.606에서 최소 안전율 1.597로 평가되었다. 장기간 강우관측 자료를 토대로 시간이 경과함에 따라 무한사면인 경우에는 위험성을 보이는 지역들이 점차 국부적으로 위험도를 보이고 있었으나, 보강사면에서 안전율은 70년대에 지역적으로 안전율의 차이가 약간 발생하지만, 시간이 지남에 따라 대체적으로 비슷한 사면 안전율을 보였다.
- 불포화 지반의 침투해석을 연계하여 모관흡수력을 고려한 사면안정해석을 수행한 결과, 사면 지형조건을 동일하게 가정하였을 때 장기간 강우패턴 적용시, 일반사면은 밀접하게 관련을 보이고 있었으나, 보강사면은 강우패턴에 상관없이 사면의 안전성을 보였다.
- 장기간 강우관측 자료를 토대로 시간이 경과함에 따라 무한사면인 경우에는 위험성을 보이는 지역들이 점차 국부적으로 위험도를 보이고 있었으나, 보강사면에서 안전율은 70년대에 지역적으로 안전율의 차이가 약간 발생하지만, 시간이 지남에 따라 대체적으로 비슷한 사면 안전율을 보였다.
- 최대 강우지속 4시간은 최대 안전율 1.303에서 최소 안전율 1.197 사이에서 사면해석이 평가되었고, 최대 강우지속 8시간은 최대 안전율 1.268에서 최소 안전율 0.792 사이에서 평가되었다.
- (3) 토목섬유로 비탈면을 적절하게 보강한다면 장기간 강우패턴에 상관없이 사면의 안전성을 유지하고 있었다. 최대강우강도 10년을 단위로 평균하여 적용한 값들은 최근 발생하는 극우강우나 집중호우 크기에 미치지 못하지만, 사면보강을 위해 일정한 인장강도 이상으로 적용하여 사면의 안전성을 확보한다면 강우특성에 상관없이 사면을 보강할 수 있다고 판단된다.
후속연구
- 각 기상관측소를 중심으로 안전율을 표시하여 국내 지도를 작성하고 강우패턴에 따른 토사사면의 불안정성을 쉽게 알아 볼 수 있었다. 본 연구는 수문학적인 자료를 이용하여 지반구조물의 안정성 평가를 연계하는 기초적인 연구이며, 향후 다양한 방법으로 지반조사 자료를 공유한다면 국내의 합리적이고 효율적인 지반구조물 설계에 도움이 될 것이라 판단된다.
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