[논문]지하수위 변화에 따른 지반함몰 영향연구

김숙자; 정관수

doi:10.15683/kosdi.2018.12.31.399

지하수위 변화에 따른 지반함몰 영향연구
Influence Ground Sinking with Variation of Ground Water Level 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.14 no.4 = no.42, 2018년, pp.399 - 408

김숙자 (Dept. of Civil Engineering, College of Eng., Chungnam National Univ) , 정관수 (Dept. of Civil Engineering, College of Eng., Chungnam National Univ)

초록
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연구목적: 최근 들어 도심지를 중심으로 빈번하게 발생하는 지반함몰은 인명 및 경제적 피해를 야기하여 사회적으로 큰 이슈가 되고 있다. 지반함몰 또는 도로함몰은 일반적으로 불리는 싱크홀과는 다른 원인으로 작용하고 있다. 석회암 지반이 용해되어 침식이 일어나는 싱크홀과는 달리 지반함몰 및 도로함몰은 지하수가 흙 사이로 빠져나가게 되면서 공동이 발생하게 되고 이완 및 확장이 진행되어 상부지반이 붕괴되는 현상을 말한다. 지반의 공동화는 집중호우시 침입수에 의한 공동 형성, 지하수위 상승 및 하강에 의한 토사유실 및 하수유출반복에 의한 공동 형성이 주된 원인이다. 연구방법: 본 연구에서는 지하수 모델링을 통하여 지하구조물 공사시 지하수 흐름을 검토하였다. 연구결과: 지하수 모델링결과 지하수는 하천방향으로 흐르는 것으로 분석되었으며, 이에 따른 지반함몰의 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 결론: 지하수위 저하 및 흐름방향에 따른 지반함몰보다는 지층을 구성하는 입자의 구성에 영향을 받는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Recently, the ground subsidence has caused social problem, because it occurred life and economic damage. Method: Ground subsidence is different from a sink hole. Ground subsidence occurred cavities from loss of by groundwater flow, surface layer is collapsed due to relaxation and expansion. Results: According to the survey, the caused of ground subsidence are classified as ground cavities, surrounding ground relaxation and pipe joint failure. Conclution: Cavities of ground is mainly caused by cavities formed by rainfall induced infiltration of the heavy rainfall, loss of soil due to rise and fall of ground water level and repeated sewage runoff.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Case of sinkhole occurrence(Kim, 2016)
그림 Fig. 2. Process of sinkhole generation
표 Table 1. List of sinkhole occurrence in Seoul(Kim, 2016)
표 Table 2. Profile of ground in research area(KSCE, 2015)
그림 Fig. 3. Soil profile in research area
그림 Fig. 4. Watershed of surface water in modeling region(MOLIT, 2014)
표 Table 3. hydraulic conductivity
그림 Fig. 5. Setup of wide area groundwater flow modeling
그림 Fig. 6. Result of wide area groundwater flow modeling
그림 Fig. 7. Optimum scale ground flow modeling
그림 Fig. 8. Result of optimum scale ground flow

AI 본문요약
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문제 정의

건설공사 시 지하수위 저하로 인해 발생되는 지반함몰을 수리지질학적인 연구를 수행하여 연관성을 규명하고자 하였다.
일반적으로 이러한 수치해석 방법은 주어진 경계조건에 따라 지하수의 유동이 결정되므로 경계조건으로 인하여 지하위의 흐름이 왜곡되는 현상을 확인해야 한다. 따라서 최대한 현실적인 지하수 흐름을 파악하기 위하여 광역 지하수 유동 모델링을 수행하였다. 지하수 유역은지표수의 유역과 관련이 있으므로 Fig.
따라서, 이 논문에서는 이러한 문제를 사전에 예방하고 대응하기 위해, 건설공사 시 지하수위 저하로 인해 발생되는 지반함몰을 수리지질학적인 연구를 수행하여 연관성을 규명하고자 한다.

제안 방법

8에 결과를 나타내었다. 광역 모델링의 경우와 같이 모델링의 검증을 위하여 물수지 분석을 수행하였다. 전체적인 지하수 유동방향은 광역 지하수 유동모델링의 결과와 동일한 결과를 나타낸 것으로 확인되었다.
71☓10-5cm/s 로 나타났다. 모델검증을 통하여, 본 해석에서는 Layer 1에 경우 1.04☓10-3cm/s, Layer 2는 2.37☓10-4cm/s, Layer 3은 1.23☓10-5cm/s 로 결정하였다(Table 3).
광역 지하수 유동 모델링을 위하여 설정한 경계조건과 대수층의 수리지질학적 특성을 바탕으로 수치채석을 수행한 결과는 Fig 6에 나타내었다. 모델링 검증을 위하여 물수지 분석을 수행하였다. 전체적인 지하수 유동방향은 하천경계방향으로 나타났다.
해석영역인 잠실 일대는 과거 한강의 구하도가 있었던 지역으로, 모래-자갈로 이루어진 충적층이 발달해있고, 암반 내 열극(fissures), 균열(crack) 또는 불연속면으로 인한 파쇄대층이 깊게 분포하고 있다. 앞서 언급한 지반조사보고서와 고층빌딩A 바닥지반에서의 평균 유출량을 참고하여 투수계수의 보정(calibration)을 실시하였다. 지반조사 검토결과에서 대상지역의 지층별 투수계수는 퇴적토층과 풍화토층 1.
지하수 유동을 파악하기 위해 미국 지질 조사국(United States Geological Survey, USGS)에서 개발한 Visual MODFLOW Flex를 사용하였다(Leake and Lilly, 1997). 이 프로그램은지하수흐름, 오염물이동 등의 해석과 시뮬레이션 등을 제공하는 3차원 지하수 유동 해석프로그램으로, 지하수 흐름에 대한 편미분 방정식을 유한차분법을 사용하여 해석하였으며, 자유수면 지하수는 물론 피압지하수의 유동 또한 해석 가능하다. 또한, 이 모형은 모듈형식으로 구성되어 있어 필요한 부분만 선택적으로 사용할 수도 있다(Chung, 1994).
전체적으로 100m×100m의 격자부터 시작하여, 10m×10m의 격자로 더욱 세분하여 설정하였다.
정류해석을 위한 입력정수로서 지층별 투수계수가 있다. 해석 대상구간 지층의 투수계수는 고층빌딩A의 지질조사보고서 및 고층빌딩A 초고층부 정밀지반조사보고서, 잠실길 지하차도 지반조사, 호수B 수위변화의 원인규명을 위한 지반조사 내용 중 토층 및 암반 투수계수 시험결과를 토대로 하였다. 해석영역인 잠실 일대는 과거 한강의 구하도가 있었던 지역으로, 모래-자갈로 이루어진 충적층이 발달해있고, 암반 내 열극(fissures), 균열(crack) 또는 불연속면으로 인한 파쇄대층이 깊게 분포하고 있다.

대상 데이터

0m 정도로 비교적 작은 규모이다. 2014년 8월 5일 석촌지하차도 종점부에서 발생한 지반함몰은 폭 2.5m, 길이 8.0m, 깊이 5.0m로 비교적 큰 규모의 지반함몰이다. 석촌지하차도 싱크홀 발생 위치 인근 주변 지역에 폭 5.
발생 원인은 지반의 연약화, 성토부 침하, 상·하수도의 누수 등이며 정확한 원인 파악이 어려운 곳도 다수 존재한다. 경기도 의정부시에서 7월 24일 신곡동 한 아파트 단지 앞 보도가 갑자기 2m 깊이로 내려 앉아 행인 한명이 추락 사고를 당했다. 원인은 정화조와 오수 연결관의 누수로 인한 지반의 침하였다.
최근 우리나라에서도 싱크홀(sinkhole) 등 지반함몰 및 침하현상이 심각한 사회문제로 등장하고 있다. 실제 인천광역시 서구 왕길동 인천 도시철도 2호선 공사현장에서 무려 가로 11m 세로 12m에 달하는 싱크홀이 발생하였다. 2014년 8월에는 서울특별시 석촌호수 부근 도로 주변에서 7개 이상의 싱크홀, 공동이 무더기로 발생하는 등 피해가 급증하고 있다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 Visual MODFLOW Flex 프로그램은 이러한 수치해석적 방법 중에서도 유한차분법을 사용하는 3차원 모델이며 Darcy법칙을 기본이론으로 한다(Yoon, 2010). 지하수 유동을 파악하기 위해 미국 지질 조사국(United States Geological Survey, USGS)에서 개발한 Visual MODFLOW Flex를 사용하였다(Leake and Lilly, 1997).
본 연구에서 사용된 Visual MODFLOW Flex 프로그램은 이러한 수치해석적 방법 중에서도 유한차분법을 사용하는 3차원 모델이며 Darcy법칙을 기본이론으로 한다(Yoon, 2010). 지하수 유동을 파악하기 위해 미국 지질 조사국(United States Geological Survey, USGS)에서 개발한 Visual MODFLOW Flex를 사용하였다(Leake and Lilly, 1997). 이 프로그램은지하수흐름, 오염물이동 등의 해석과 시뮬레이션 등을 제공하는 3차원 지하수 유동 해석프로그램으로, 지하수 흐름에 대한 편미분 방정식을 유한차분법을 사용하여 해석하였으며, 자유수면 지하수는 물론 피압지하수의 유동 또한 해석 가능하다.

성능/효과

(1) 대형구조물과 인근 지반의 지하수 거동에 대한 정류해석을 실시하고 저부 지하수유출이 지반함몰의 발생의 연관성을 분석한 결과 안정적인 것으로 나타났다. Visual MODFLOW 정류상태 수치해석에 있어서 수치오차 또는 수렴치에 따른 물수지 오차(Discrepancy)에 대하여 해석검증을 실시한 결과 1% 이내인 것을 확인하였다.
(2) 3차원 광역지하수 분석에서는 전체적인 지하수 유동방향은 하천경계방향으로 나타났다. 지하구조물이 있는 배수경계를 따라서 지하수의 유동방향이 국지적으로 바뀌는 현상이 나타났다.
(3) 지하수위 변동에 따른 지반의 영향이 증가하고 지하수위 변화와 지반함몰과의 관련성은 세립분이 함유된 사질토로 구성된 지층과 밀접한 관련성이 있음을 확인하였다.
(1) 대형구조물과 인근 지반의 지하수 거동에 대한 정류해석을 실시하고 저부 지하수유출이 지반함몰의 발생의 연관성을 분석한 결과 안정적인 것으로 나타났다. Visual MODFLOW 정류상태 수치해석에 있어서 수치오차 또는 수렴치에 따른 물수지 오차(Discrepancy)에 대하여 해석검증을 실시한 결과 1% 이내인 것을 확인하였다. Visual MODFLOW 평면단면의 정류해석 결과, 퇴적토층·암반파쇄대층·기반암층의 전반적인 흐름양상이 호수B에서 주변부로 물이 유출되고 있는 것으로 해석되었다.
Visual MODFLOW 평면단면의 정류해석 결과, 퇴적토층·암반파쇄대층·기반암층의 전반적인 흐름양상이 호수B에서 주변부로 물이 유출되고 있는 것으로 해석되었다.
지하구조물이 있는 배수경계를 따라서 지하수의 유동방향이 국지적으로 바뀌는 현상이 나타났다. 광역 지하수 유동 모델링 결과 지하수 유동방향은 광역 지하수 유동모델링의 결과와 동일한 결과를 나타낸 것으로 확인되었다.
퇴적토층에서는 호수B 동호의 하부 유출수가 고층빌딩A와 동호의 남쪽 방향으로 유출되는 것으로 나타났으며 암반 파쇄대층에서는 퇴적토층과 비교했을 때 고층빌딩A 지하 4층 유출부를 향한 수두저하가 크게 나타났다. 기반암층 또한 암반 파쇄대층과 비교했을 때 고층빌딩A 저면부와 인접하여 수두저하가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 고층빌딩A 굴착공사 중 발생한 유출수가 호수B에서 비롯되는 것으로 분석되었으며, 유출수와 함께 토사가 유실되어 지반함몰이 발상했을 것이라 분석되었다.
기반암층 또한 암반 파쇄대층과 비교했을 때 고층빌딩A 저면부와 인접하여 수두저하가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 고층빌딩A 굴착공사 중 발생한 유출수가 호수B에서 비롯되는 것으로 분석되었으며, 유출수와 함께 토사가 유실되어 지반함몰이 발상했을 것이라 분석되었다.
78×10-2㎝/sec 값을 보였다. 매립토층은 약 3m의 두께를 보이고 있으며 실트 및 자갈이 섞여 있는 모래지반으로 통일분류법에 의해 SP-SM(입도가 불량한 모래)로 나타났다. 매립층 하부에 퇴적층은 약 12.
연구지역에 지층자료를 분석해보면 지층은 매립층, 퇴적층(점토, 모래, 자갈), 풍화토, 풍화암, 기반암 순으로 분포하는 것으로 확인되었다. 매립층은 자갈섞인 실트질 내지 세립(조밀)질 모래가 주 구성성분이고, 평균 층후는 약 4.
3은 지층구성 현황을 요약한 것이다. 연구지역의 실내토질시험 결과 자연함수비는 6.0~43.9%, 비중은 2.627~2.730을 나타내며, 통일분류법에 의한 흙의 분류시 주요 구성성분은 SP-SM,GW-GM으로 분류되었다. 삼축투수시험 결과 1.
광역 모델링의 경우와 같이 모델링의 검증을 위하여 물수지 분석을 수행하였다. 전체적인 지하수 유동방향은 광역 지하수 유동모델링의 결과와 동일한 결과를 나타낸 것으로 확인되었다.
앞서 언급한 지반조사보고서와 고층빌딩A 바닥지반에서의 평균 유출량을 참고하여 투수계수의 보정(calibration)을 실시하였다. 지반조사 검토결과에서 대상지역의 지층별 투수계수는 퇴적토층과 풍화토층 1.32☓10-4~7.18☓10-3cm/s, 풍화암 및 암반파쇄대층 1.09☓10-5~9.62☓10-4cm/s, 기반암층 3.96☓10-5~5.71☓10-5cm/s 로 나타났다. 모델검증을 통하여, 본 해석에서는 Layer 1에 경우 1.
전체적인 지하수 유동방향은 하천경계방향으로 나타났다. 지하구조물이 있는 배수경계를 따라서 지하수의 유동방향이 국지적으로 바뀌는 현상이 나타났다. 광역 지하수 유동 모델링의목적이 연구지역의 지하수 유동에 대한 개략적인 경향을 파악하고 모델링에 대한 최적 규모를 파악하는 것이므로, Fig.
Visual MODFLOW 평면단면의 정류해석 결과, 퇴적토층·암반파쇄대층·기반암층의 전반적인 흐름양상이 호수B에서 주변부로 물이 유출되고 있는 것으로 해석되었다. 퇴적토층에서는 호수B 동호의 하부 유출수가 고층빌딩A와 동호의 남쪽 방향으로 유출되는 것으로 나타났으며 암반 파쇄대층에서는 퇴적토층과 비교했을 때 고층빌딩A 지하 4층 유출부를 향한 수두저하가 크게 나타났다. 기반암층 또한 암반 파쇄대층과 비교했을 때 고층빌딩A 저면부와 인접하여 수두저하가 크게 발생하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반함몰 및 도로함몰은 무엇인가?	지반함몰 또는 도로함몰은 일반적으로 불리는 싱크홀과는 다른 원인으로 작용하고 있다. 석회암 지반이 용해되어 침식이 일어나는 싱크홀과는 달리 지반함몰 및 도로함몰은 지하수가 흙 사이로 빠져나가게 되면서 공동이 발생하게 되고 이완 및 확장이 진행되어 상부지반이 붕괴되는 현상을 말한다. 지반의 공동화는 집중호우시 침입수에 의한 공동 형성, 지하수위 상승 및 하강에 의한 토사유실 및 하수유출반복에 의한 공동 형성이 주된 원인이다.
	지반의 공동화의 주된 원인은?	석회암 지반이 용해되어 침식이 일어나는 싱크홀과는 달리 지반함몰 및 도로함몰은 지하수가 흙 사이로 빠져나가게 되면서 공동이 발생하게 되고 이완 및 확장이 진행되어 상부지반이 붕괴되는 현상을 말한다. 지반의 공동화는 집중호우시 침입수에 의한 공동 형성, 지하수위 상승 및 하강에 의한 토사유실 및 하수유출반복에 의한 공동 형성이 주된 원인이다. 연구방법: 본 연구에서는 지하수 모델링을 통하여 지하구조물 공사시 지하수 흐름을 검토하였다.
	지반침하의 형태를 분류하자면?	자연적인 원인으로 발생하는 싱크홀과 인위적인 원인으로 발생하는 도로함몰과는 구별되어야 하며, 지반침하의 형태를 분류하면 다음과 같다. ① 침하(Settlement) : 지반의 하향변위를 말하는 광의적 표현, ② 함몰(Sinking) : 지반이 움푹 패인 형태로 침하된 것, ③ 싱크홀(Sinkhole) : 주로 석회암 지반에서 지반내의 공동이 붕괴된 것으로 지하수 또는 인위적인 영향으로 발생한 공동이 원인, ④ 공동(Cavity) : 지반내의 빈공간, 싱크홀의 발생 조건 중의 하나로 주로 지하수의 작용에 의해 발생하며, 암반층인 경우에 용식작용, 토사층인 경우에 지하수 흐름에 따른 세립분의 이동(토사 유출)으로 발생한다.

참고문헌 (12)

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Jung, S. K., Jeon, J. S., Lee, S. and Shim, T. S. (1999), A Confidence Analysis on the Control Value of Braced Excavation Walls Used In Korea, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 19, No. 3-3, pp. 479-487.
Kim, S. Y. (2015), Environmental Impact Assessment and Prevention of Urban "Sinkholes", Working Paper 2015-01, Korea Environment Institute, pp. 1-68.
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Seoul Metropolitan City(2015), 도로함몰 예방을 위한 공동발생 메커니즘과 대응방안.
Yoon, H. K. (2010), Environmental Impact Assessment of Deep Cement Mixing(DCM) Method using Visual Modflow, Master's thesis, Myongji University.
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Kores Society Civil Engineering(2015), ${\bigcirc}{\bigcirc}$ 지하수 영향분석 보고서
Minister of Land, Infrastructure and Transport(2014), 국가수자원관리정보시스템, http://www.wamis.go.kr/

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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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