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문제 정의
- 본 논문에서는 강우에 따른 산사태 발생 시 함수비, 간극 수압, 토압에 따른 사면붕괴를 분석하여 산사태 예측과 산사태 붕괴특성을 알아보고자 소형인공강우 장치와 표준사로 구성된 모형사면의 육안상의 붕괴 형태 및 함수비, 간극 수압, 토압 등의 계측결과에 대한 비교연구를 통해 강우로 인한 사면 붕괴 시점 예측에 관한 실험으로 검증실험을 수행하였다.
제안 방법
- 강우재현장치를 이용한 산사태 모형실험은 산사태 소형 모형사면의 경사 각도를 조정하는 것으로 시작한다. 실험 설정조건에 따른 경사에 맞춰 모형사면경사를 조정하고 강우재현을 위한 인공강우장치의 강우강도를 설정하며 강우 강도 역시 실험 설정조건에 따라 강우량을 조정한다. 실험 장비들의 셋팅이 완료되면 모형사면에 토압계, 간극수압계, 함수비센서를 설치함과 동시에 표준사를 다짐하여 모형사면에 채우고 각종 센서들은 데이터로거에 연결하여 정확한 측정값을 얻도록 하였다.
- 실험 설정조건에 따른 경사에 맞춰 모형사면경사를 조정하고 강우재현을 위한 인공강우장치의 강우강도를 설정하며 강우 강도 역시 실험 설정조건에 따라 강우량을 조정한다. 실험 장비들의 셋팅이 완료되면 모형사면에 토압계, 간극수압계, 함수비센서를 설치함과 동시에 표준사를 다짐하여 모형사면에 채우고 각종 센서들은 데이터로거에 연결하여 정확한 측정값을 얻도록 하였다. 강우재현 실험을 하기위한 설치가 완료된 후 인공강우장치로 강우재현을 함과 동시에 간극수압, 함수비, 토압의 변화 추이를 측정하며 강우 분사로 인한 산사태를 유발시키고 실험종료 후 모형사면 지반거동 및 사면 내 간극수압, 함수비, 토압에 대한 데이터자료분석을 실시하였다(그림 1, 2).
- 실험 장비들의 셋팅이 완료되면 모형사면에 토압계, 간극수압계, 함수비센서를 설치함과 동시에 표준사를 다짐하여 모형사면에 채우고 각종 센서들은 데이터로거에 연결하여 정확한 측정값을 얻도록 하였다. 강우재현 실험을 하기위한 설치가 완료된 후 인공강우장치로 강우재현을 함과 동시에 간극수압, 함수비, 토압의 변화 추이를 측정하며 강우 분사로 인한 산사태를 유발시키고 실험종료 후 모형사면 지반거동 및 사면 내 간극수압, 함수비, 토압에 대한 데이터자료분석을 실시하였다(그림 1, 2).
- 6 m, 높이 80 cm, 폭 30 cm로 구성되어있다. 모형사면은 투명강화아크릴로 제작하였으며, 원하는 경사(10~70o)로 설정 할 수 있고 투명강화아크릴판으로 제작되어 사면의 거동을 육안상으로 확인이 가능하도록 하였다.
- 인공강우장치는 살수장치부, 강우량 조절장치부, 그리고 물탱크부로 구성되어 있으며, 살부장치부는 1단 11열의 노즐(Nozzle)로 구성되어 있다. 강우량 조절장치부는 펌프 장치로 압력 밸브장치를 설치하여 50~370 mm/hr의 범위에서 조절할 수 있도록 하여 집중 강우시 영향을 충분히 고려할수 있도록 하였고, 10ton 용량의 물탱크 3통을 설치하여 원활한 물 공급이 되도록 하였으며 강우지속시간에 대한 영향을 고려하여 제작하였다(그림 3,4).
- 우리나라의 지역적 강우특성을 살펴보면 중부지역은 기압골 형성에 의한 집중호우의 누적강우량에 영향을 받아 산사태가 많이 발생하는 것으로 나타났다(이승호 등, 2004). 본 실험에서는 시간당강우량의 적용을 우리나라 최대시간 강우량을 고려하였으며 붕괴의 특성을 알아보고자 강우량 값을 설정하여 150 mm/hr의 강우를 지속적으로 유지하여 실시하였다.
- 본 실험에서 사용된 계측장치는 강우에 따른 모형사면의 지반내 간극수압과 함수량을 측정하기 위한 간극수압계와 함수비 센서 그리고 강우에 의한 사면 내 포화에 따른 토압을 알아 볼 수 있는 토압계를 설치하였고(그림 5 참조) 간극수압계와 토압계는 Full Bridge 방식이고 함수비 센서는 Pulse 신호로 주파수변화에 따른 함수량을 측정하도록 되어있다. 계측 데이터를 기록하기 위한 데이터로거는 독일 HBM사의 TG010D를 사용하여 계측 시스템을 구성하였다.
- 계측 데이터를 기록하기 위한 데이터로거는 독일 HBM사의 TG010D를 사용하여 계측 시스템을 구성하였다. 함수비 센서는 상부와 중부에 2개씩 바닥면으로부터 5 cm, 10 cm 토층에 각각 설치하였고(그림 6) 간극수압계와 토압 계는 모형사면 바닥면을 따라 상부, 중부, 하부에 각 각 한개씩 총 3개를 설치하였다(그림 7, 8).
- 데이터로거는 1초당 1회의 데이터를 측정함으로써 정밀한 측정이 가능하도록 하였다.
- 인공 강우장치를 활용하여 표준사 모형사면의 붕괴현상을 간극수압, 토압, 함수비의 변화를 통한 상호작용의 관련성을 파악한 결과 다음과 같다. 인공강우 150 mm/hr로 시작되어 실험시작 약 1300초(22분)후 강우에 따른 다짐현상이 진행되었고 전반적인 모형사면 토압의 증가로 인하여 하부로의 흘러내림이 발생하였으며 중부하단에서부터 사면의 파괴가 진행되었다.
- 인공 강우장치를 활용하여 표준사 모형사면의 붕괴현상을 간극수압, 토압, 함수비의 변화를 통한 상호작용의 관련성을 파악한 결과 다음과 같다. 인공강우 150 mm/hr로 시작되어 실험시작 약 1300초(22분)후 강우에 따른 다짐현상이 진행되었고 전반적인 모형사면 토압의 증가로 인하여 하부로의 흘러내림이 발생하였으며 중부하단에서부터 사면의 파괴가 진행되었다.
대상 데이터
- 실내 모형실험을 수행하기 위하여 실내 모형사면 실험 장치를 구성하고 모형사면 실험에 대한 기준 정립 및 산사태 발생현상을 파악하기 위하여 국내 유일하게 표준이 되는 흙인 주문진 표준사를 사용하였다. 본 실험에 경사설정은 급경사지 재해예방에 관한 법률 시행령(국민안전처, 2014) 의 급경사지의 정의인 경사도가 34도 이상인 자연비탈면을 급경사지에 대한 분류로 정의 하고 있다.
- 본 실험에 사용된 흙의 재료는 강릉에서 제작된 주문진규사인 주문진 표준사로 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서 제작한 산사태 모형실험 장치는 크게 모형사면, 인공강우장치 등으로 구성되어 있다. 모형사면은 내부에 흙을 채우는 부분으로 총길이 약 1.
- 본 실험에서 사용된 계측장치는 강우에 따른 모형사면의 지반내 간극수압과 함수량을 측정하기 위한 간극수압계와 함수비 센서 그리고 강우에 의한 사면 내 포화에 따른 토압을 알아 볼 수 있는 토압계를 설치하였고(그림 5 참조) 간극수압계와 토압계는 Full Bridge 방식이고 함수비 센서는 Pulse 신호로 주파수변화에 따른 함수량을 측정하도록 되어있다. 계측 데이터를 기록하기 위한 데이터로거는 독일 HBM사의 TG010D를 사용하여 계측 시스템을 구성하였다. 함수비 센서는 상부와 중부에 2개씩 바닥면으로부터 5 cm, 10 cm 토층에 각각 설치하였고(그림 6) 간극수압계와 토압 계는 모형사면 바닥면을 따라 상부, 중부, 하부에 각 각 한개씩 총 3개를 설치하였다(그림 7, 8).
성능/효과
- 150 mm/hr로 실험을 실시한 결과 실험시작 약 21~22분 (1300초) 후부터 그림 9, 10과 같이 시간에 따라 붕괴가 발생하였으며, 붕괴형태는 표층수 흐름에 따른 하부 토사 유실과 함께 경사가 시작되는 부분에서 상부 방향 10 cm 지점에서 일정시간 경과 후 균열이 발생하였고 이후 상부 쪽으로 점진적인 붕괴가 일어나는 형태를 나타내었다.
- 인공강우 150 mm/hr로 실험을 시작하여 시간경과에 따라 함수비 및 간극수압은 증가하였고 하단부 부터 사면붕괴가 발생하였다. 파괴형태는 하단부까지 강우가 침투한 다음 역으로 사면 정상부로 차올라 사면의 붕괴가 진행됨을 알수 있었다.
- 붕괴 시점의 함수비는 상부 9~13%, 중부에서 34~38%의 평균 함수비를 나타냈고, 중부의 함수비 변화가 상부 보다 먼저 발생하는 것은 가파른 경사에 따른 강우의 침투보다 사면 표면을 따라 흐르면서 침투하는 양이 많다는 것을 알 수 있다. 또한, 사면의 붕괴가 일어남의 따라 간극수 배수로 인한 함수비가 떨어지거나 일정 값에 수렴함을 확인 할 수 있었다.
- 강우가 지속됨에 따라 간극수압, 함수비는 전반적으로 실험시작 후 붕괴가 일어나기 전까지 부분별로 일정한 기울기로 증가하나 사면 내 간극수의 배수로 인해 간극수압이 떨어지고 함수비는 떨어지거나 일정 값에 수렴함을 알수 있었다.
- 간극수압의 변화그래프는 그림 12와 같으며 상부 간극수압의 특성은 강우의 침투와 함께 빠르게 사면 하부로 흘러가는 것을 확인 할 수 있었고, 하부 간극수압은 누적강우량의 증가와 상부, 중부의 강우량이 침투로 인해 급격히 증가 하였다. 중부, 상부 순으로 간극수압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 강우의 상부에서의 침투보다 경사에 따른 지표수 흐름이 많이 발생하여 서서히 침투가 중부로 많이 발생함을 알 수 있다. 실험시작 약 1300초(22분)후 간극수압의 최고점 도달과 동시에 사면붕괴가 시작됨을 알 수 있었다. 모형사면 하부(ch1)에 위치한 간극수압이 가장 먼저 상승 하기 시작하며 이후 중부 상부의 순서로 상승하기 시작한다.
후속연구
- 위 실험 결과를 바탕으로 현재 강우로 인한 산사태 붕괴 특성을 규명 할 수는 없으나 다양한 지반조건, 강우량, 비탈면 경사, 강우 지속시간 등의 의한 인자를 적용하여 추가적인 모형실험을 실시하여 데이터 축적이 이루어진다면 산사태 붕괴예측을 위한 자료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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