[논문]붕괴모의실험을 통한 산사태 조기경보용 계측센서의 반응성 분석 및 활용성 고찰

강민정; 서준표; 김동엽; 이창우; 우충식

doi:10.14578/jkfs.2019.108.2.208

붕괴모의실험을 통한 산사태 조기경보용 계측센서의 반응성 분석 및 활용성 고찰
Analysis of Sensors' Behavior and Its Utility for Shallow Landslide Early Warning through Model Slope Collapse Experiment 원문보기

한국산림과학회지 = Journal of korean society of forest science, v.108 no.2, 2019년, pp.208 - 215

강민정 (국립산림과학원 산림방재연구과) , 서준표 (국립산림과학원 산림방재연구과) , 김동엽 (국립산림과학원 산림방재연구과) , 이창우 (국립산림과학원 산림방재연구과) , 우충식 (국립산림과학원 산림방재연구과)

초록
AI-Helper

이 연구는 붕괴모의실험을 통하여 체적함수비센서와 텐시오미터의 반응성을 분석하고, 산사태 조기경보용으로의 활용성을 검토하기 위해 수행되었다. 산림토양과 사질토의 배합비율을 조정한 3개의 토양조건에서 120 mm/h의 인공강우를 적용하여 얕은 깊이에서 빠르게 진행되는 붕괴형태를 실험적으로 모의하고, 그 과정에서의 두 센서의 반응을 분석하였다. 그 결과, 모든 실험조건에서 체적함수비센서 및 텐시오미터의 계측값은 각각 30~37%, -3~-5 kPa으로 수렴된 이후에 붕괴가 발생하였다. 실험결과를 토대로 토층 최하부에 설치된 체적함수비센서의 계측값을 활용하여 조기경보 발생시점의 범위를 논의하였으나, 이를 일반화하여 명확한 시점으로 규정할 수는 없었다. 두 센서를 실용적인 차원에서 산사태 조기경보용으로 활용하기 위해서는 다양한 조건에서의 추가적인 실험 및 검증이 필요할 것으로 생각되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The goal of this study was to analyze the reactivity of a volumetric water content sensor (soil moisture sensor) and tensiometer and to review their use in the early detection of a shallow landslide. We attempted to demonstrate shallow and rapid slope collapses using three different soil ratios under artificial rainfall at 120 mm/h. Our results showed that the measured value of the volumetric water-content sensor converged to 30~37%, and that of the tensiometer reached -3~-5 kPa immediately before the collapse of the soil under all three conditions. Based on these results, we discussed a temporal range for early warnings of landslides using measurements of the volumetric water content sensors installed at the bottom of the soil slope, but could not generalize and clarify the exact timing for these early warnings. Further experiments under various conditions are needed to determine how to use both sensors for the early detection of shallow landslides.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Conceptual diagram of the flume for slope collapse experiment.
그림 Figure 2. Sensors employed in slope collapse experiment.
그림 Figure 3. Arrangement of both sensors on soil layer (mm).
표 Table 1. Characteristics of soil samples used in slope collapse experiments.
표 Table 2. Slope collapse experiment conditions.
표 Table 3. Slope collapse time under each experiment condition.
그림 Figure 4. Photo of before- and after-slope collapse in each experiment.
그림 Figure 5. Temporal change of both sensors’ measurements with elapsed time (SW: soil volumetric water content sensor, T: tensiometer).
표 Table 4. Average and standard deviation of measurements by both sensors for 10 minutes before slope collapse.
표 Table 5. Time difference from the moment of sensor reacting and convergence to the moment of slope collapse.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만, 모관흡수력의 경우에는 수렴값의 크기가 매우 작아서 실험 간의 차이를 분별하는데 어려움이 있었다. 그래서 수렴값의 변화를 파악하기보다 용이한 체적함수비센서의 측정값을 활용하는 방안을 고찰하였다.
이 연구는 산사태 조기경보용 계측센서로 활용되고 있는 체적함수비센서와 텐시오미터의 반응성 분석을 통해 그 활용성을 고찰하고자는 목적으로 수행되었다. 기존 선행연구(Kim et al.
계측센서를 산사태 조기경보 목적으로 활용하는 방법은 그 계측값을 직접 활용하는 방법(예: 계측센서별 임계치 설정 등)과 간접적으로 활용하는 방법(예: 사면안정해석의 입력값으로 활용 등)으로 구분할 수 있다. 이 연구에서는 계측센서 측정값을 직접 활용하는 방법, 즉 임계치를 설정하고 측정값이 이를 상회할 때 조기경보를 발령하는 방안을 고찰하였다. 다만 본 연구의 붕괴실험에서는 두 종류의 계측센서 모두 특정값(혹은 범위)으로 수렴된 이후에 붕괴가 발생한 관계로, 실험별 계측센서가 수렴값에 도달한 후 토층 붕괴에 이르는 시간을 분석하는 방식으로 산사태 조기경보 발령기준을 고찰하였다.
이 연구에서는 실험에 앞서 붕괴위험성을 최대치로 만드는 조건을 우선순위로 하였으며, 산림토양 기반의 혼합토를 활용하여 실험사면을 제작함으로써 얕은 깊이에서 빠르게 발생하는 표층붕괴형 산사태를 재현하고자 하였다. 실험에 사용된 산림토양 기반 혼합토는 경기도 포천시 내촌면 음현리 소재의 편마암 지역에서 채취한 산림 토양시료 A와 동일시군의 인접지역에서 채취한 모래질 토양시료 B를 사용하였다.
, 2016)의 한계점을 극복하여 표층붕괴를 재현하고, 토층에 수직적으로 배치된 계측센서의 붕괴 전후 반응성을 분석하였다. 이를 통하여 산사태, 즉 표층붕괴 조기경보를 위한 계측센서의 활용성을 고찰하고자 하였다.

가설 설정

붕괴실험에서 계측센서의 측정값은 전기장비의 특성으로 인하여 시간에 따라 조금씩 변동하게 된다. 그러므로 수렴값을 단일값으로 규정하기 위하여 붕괴시점 이전 10분 동안의 계측값 평균을 수렴값으로 가정하였다. Table 4는 10분 동안의 계측값 평균 및 표준편차를 실험별로 나타낸 것으로서, 체적함수비센서의 측정값 평균(=임계치)은 실험 1이 36.

제안 방법

이 연구에서는 계측센서 측정값을 직접 활용하는 방법, 즉 임계치를 설정하고 측정값이 이를 상회할 때 조기경보를 발령하는 방안을 고찰하였다. 다만 본 연구의 붕괴실험에서는 두 종류의 계측센서 모두 특정값(혹은 범위)으로 수렴된 이후에 붕괴가 발생한 관계로, 실험별 계측센서가 수렴값에 도달한 후 토층 붕괴에 이르는 시간을 분석하는 방식으로 산사태 조기경보 발령기준을 고찰하였다.
, 2016)에서 사용된 붕괴 시뮬레이터는 토층부에 표준사 약 1,500 kg가 소모되는 대규모로서 실험을 반복 수행하는데 어려움이 있었다. 따라서 이 연구에서 이용한 붕괴실험 장치는 반복실험에 용이한 소형 모형토조를 이용하였다. 토조의 철골구조는 강화 PVC로 제작하였으며, 토층부의 크기는 2.
실험에 사용된 산림토양 기반 혼합토는 경기도 포천시 내촌면 음현리 소재의 편마암 지역에서 채취한 산림 토양시료 A와 동일시군의 인접지역에서 채취한 모래질 토양시료 B를 사용하였다. 또한, 모래질 함량에 따라 강우의 침투에 따른 계측센서의 반응이 달라질 것을 고려하여 두 종류의 토양시료 A와 B를 일정한 비율로 혼합하여 실험에 이용하였다. 기본 물성시험을 통한 시료의 공학적 특성은 Table 1과 같다.
또한, 빠른 속도로 발생하는 붕괴형태를 모의하기 위하여 토조의 경사는 험준지에 해당하는 35°로 고정하였으며, 실험토층은 매우 느슨한 상태로 다져가며 조성하였다.
경사는 0∼45°의 범위로 5°씩 수동으로 조절이 가능하다. 아울러 하부 말단부에는 토조 하부판이 탈부착형으로 설치가능한데, 부착되어 있을 경우 축조물의 기능으로 토층이 내려오는 것을 저지할 수 있기 때문에 이를 제거하고, 조밀한 철조망을 설치하여 자연배수가 가능하도록 유도하였다. 인공강우 장치는 선행연구(Kim et al.
이 연구에서는 강우 토양침투 상황을 파악하고자 수직 방향은 강우침투 시간에 따른 깊이별 체적함수비와 모관 흡수력의 변화를 관찰하기 위해 토조 바닥면으로부터 하부(0 cm), 중부(10 cm), 상부(20 cm) 세 지점, 유출부로부터 수평방향으로 하단(20 cm), 상단(100 cm) 두 지점, 수직방향으로 즉 2 × 3의 배치로 체적함수비센서와 텐시오미터 각각 6개를 설치하였다(Figure 3).
이 연구에서는 과거 선행연구(Kim et al., 2016)의 한계점을 극복하여 표층붕괴를 재현하고, 토층에 수직적으로 배치된 계측센서의 붕괴 전후 반응성을 분석하였다. 이를 통하여 산사태, 즉 표층붕괴 조기경보를 위한 계측센서의 활용성을 고찰하고자 하였다.
토양시료 A, B를 무게비로 환산하여 3가지의 토질조건을 구사하였다. 실험 1은 시료 A 100%, 실험 2는 시료 A 50%와 시료 B 50%를 섞은 혼합토를 사용하였으며, 실험 3의 경우 시료 B를 100% 활용하였다.
, 2004). 하지만 실제 산사태 형태를 모의할 수 있으며 영향인자를 응용하여 반복하여 실시함과 동시에 상황을 직접 관찰할 수 있는 장점에서(Seo et al., 2017) 실제 현장과 유사한 환경을 구성하고 실험을 진행한다. 선행연구(Kim et al.

대상 데이터

토양시료 A, B를 무게비로 환산하여 3가지의 토질조건을 구사하였다. 실험 1은 시료 A 100%, 실험 2는 시료 A 50%와 시료 B 50%를 섞은 혼합토를 사용하였으며, 실험 3의 경우 시료 B를 100% 활용하였다. 또한, 빠른 속도로 발생하는 붕괴형태를 모의하기 위하여 토조의 경사는 험준지에 해당하는 35°로 고정하였으며, 실험토층은 매우 느슨한 상태로 다져가며 조성하였다.
이 연구에서는 실험에 앞서 붕괴위험성을 최대치로 만드는 조건을 우선순위로 하였으며, 산림토양 기반의 혼합토를 활용하여 실험사면을 제작함으로써 얕은 깊이에서 빠르게 발생하는 표층붕괴형 산사태를 재현하고자 하였다. 실험에 사용된 산림토양 기반 혼합토는 경기도 포천시 내촌면 음현리 소재의 편마암 지역에서 채취한 산림 토양시료 A와 동일시군의 인접지역에서 채취한 모래질 토양시료 B를 사용하였다. 또한, 모래질 함량에 따라 강우의 침투에 따른 계측센서의 반응이 달라질 것을 고려하여 두 종류의 토양시료 A와 B를 일정한 비율로 혼합하여 실험에 이용하였다.
토조의 철골구조는 강화 PVC로 제작하였으며, 토층부의 크기는 2.0(L) × 0.2(W) × 0.3(H) m 이다.

성능/효과

(b)의 사이에서 설정되는 것이 실효성이 크며, 수렴값의 70∼100% 도달 시점을 조기경보 발령시점으로 설정하는 것이 현실인 대안이라고 생각되었다.
계측센서의 측정값을 살펴보면, 실험 1에서 붕괴시점의 체적함수비는 약 37%, 모관흡수력은 -3∼-5 kPa로 수렴되었으며, 모든 계측센서의 측정값이 붕괴시점에서 일시에 변화하는 것으로 나타났다(Figure 4, No. 1).
그 결과, 수렴값 도달 시점을 기준으로 한 결과 실험 1은 10분, 실험 2는 2∼8분, 실험 3은 12∼16분의 시간차이가 있었으며, 계측센서의 최초 변화 시점을 기준으로 하면 실험 1은 21∼24분, 실험 2는 9∼12분, 실험 3은 15∼18분의 시간차이가 발생하였다.
이 연구는 산사태 조기경보용 계측센서로 활용되고 있는 체적함수비센서와 텐시오미터의 반응성 분석을 통해 그 활용성을 고찰하고자는 목적으로 수행되었다. 기존 선행연구(Kim et al., 2016)에서 발생한 한계점을 보완한 붕괴모의실험을 통하여 빠르게 발생하는 붕괴형태를 모의할 수 있었고, 계측센서의 반응성을 분석하여 토층 최하단부에 설치된 체적함수비센서 계측값의 최초 반응 시점과 수렴에 도달하는 시점 사이에서 조기경보를 발령하는 것이 실효성이 클 것으로 생각되었다. 하지만 이를 일반화하여 명확한 산사태 조기경보 발령시점을 제시하는 데는 한계가 있었다.
7%로 나타났다. 또한, 토층부 가장 아래쪽에 위치하여 반응이 늦었던 센서 #1, #4를 제외하면 평균값이 다소 증가하는 것으로 나타났다. 텐시오미터의 경우에는 측정값의 평균이 -3∼-5 kPa의 범위에서 수렴되었으며, 그 범위는 전체 센서를 고려한 경우와 센서 #1, 4를 제외한 경우에 다소 다르게 나타났다.
Table 3은 실험별 조건에 따른 붕괴시점을 정리한 것이다. 세 실험 모두 빠른 속도로 일시에 발생하는 붕괴형태로 나타내었고(Figure 4), 붕괴시점은 강우시작 후 실험 1은 53분, 실험 2는 39분, 실험 3의 경우 34분 경과시점으로 나타났다. 세 실험 모두 강우강도가 동일한 조건인 상황에서, 토양시료 B의 함량이 많은 혼합토(실험 2, 3)에서 붕괴가 먼저 발생하였다.
Figure 3은 각 실험의 계측센서 측정값의 변화를 인공 강우 적용 경과시간에 따라 나타낸 그림이다. 실험 결과 모든 실험에서 인공강우의 토층 침투과정에 따라 최하단에 설치된 센서(#1, 4)가 가장 늦게 반응하였다. 계측센서의 측정값을 살펴보면, 실험 1에서 붕괴시점의 체적함수비는 약 37%, 모관흡수력은 -3∼-5 kPa로 수렴되었으며, 모든 계측센서의 측정값이 붕괴시점에서 일시에 변화하는 것으로 나타났다(Figure 4, No.
이를 통하여 붕괴시점에서 실험토층은 포화되어 있었다고 판단되었다. 하지만, 붕괴 당시의 텐시오미터 측정값이 정(+)의 값, 즉 간극수압의 발현을 나타내지 않은 것에서 지하수위는 형성되지는 않은 것으로 생각되며, 본 실험조건과 같은 얕은 토층 깊이와 급경사 조건을 고려할 때 토양수분의 증가에 따른 모관흡수력의 감소로 붕괴가 발생하였을 가능성이 크다고 생각되었다.

후속연구

하지만, 이 연구에서는 표준사와 벤토나이트의 혼합토를 이용하여 현장의 토양조건을 재현하지 못하였고, 얕은 깊이에서 빠르게 진행되는 표층붕괴 형태의 산사태를 모의하지 못하였다. 또한, 계측센서를 토층에 평면적으로 배치하여 깊이에 따른 인공 강우의 침투상황을 파악하지 못한 한계점이 있었다.
향후 산사태 조기경보용 계측센서의 활용성을 증진시키기 위해서는 다양한 강우 및 토층조건에서의 실험을 통하여 계측센서별 경보발령 시점을 일반화하여 명확하게 제시할 필요가 있다. 또한, 실제 현장에 활용되는 시스템에서의 계측센서별 임계치 설정에는 대피시간을 고려하여 계측지점과 피해 가능지역 간의 이격거리, 붕괴 토사 방지구조물 유무 등도 고려되어야 할 것으로 생각되었다.
또한, 포화상태의 붕괴의 경우에도 실험결과처럼 단일 강우조건에서도 토층의 조건·상태에 따라 계측 센서의 반응성이 다소 상이하게 나타났는데, 조기경보발령시점의 일반화를 위해서는 다양한 토층 및 강우조건에서의 추가적인 실험이 필요할 것으로 생각되었다.
이러한 결과를 통하여 체적함수비센서를 산사태 조기 경보에 활용하는 것에 가능성을 엿볼 수 있었으나, 본 실험결과를 토대로 조기경보 발령시점을 일반화하기에는 한계가 있었다. 우선 분석 결과는 토층이 포화된 이후에 붕괴가 발생하는 경우에만 유효하며 불포화상태에서 붕괴가 발생하는 경우에는 활용이 불가능하다. 불포화상태에서는 토층 최하단에 설치된 계측센서만이 아닌 토층 깊이별로 설치된 전체 계측센서에 대한 통합적인 분석이 필요하다.
이러한 결과를 통하여 체적함수비센서를 산사태 조기 경보에 활용하는 것에 가능성을 엿볼 수 있었으나, 본 실험결과를 토대로 조기경보 발령시점을 일반화하기에는 한계가 있었다. 우선 분석 결과는 토층이 포화된 이후에 붕괴가 발생하는 경우에만 유효하며 불포화상태에서 붕괴가 발생하는 경우에는 활용이 불가능하다.
향후 산사태 조기경보용 계측센서의 활용성을 증진시키기 위해서는 다양한 강우 및 토층조건에서의 실험을 통하여 계측센서별 경보발령 시점을 일반화하여 명확하게 제시할 필요가 있다. 또한, 실제 현장에 활용되는 시스템에서의 계측센서별 임계치 설정에는 대피시간을 고려하여 계측지점과 피해 가능지역 간의 이격거리, 붕괴 토사 방지구조물 유무 등도 고려되어야 할 것으로 생각되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조기경보시스템이란?	조기경보시스템(early warning system)은 ‘인명, 재산피해, 환경 등에 대한 위협요인의 영향을 회피하거나 최소화하는 감시 도구’로 정의되며(Medina-Cetina and Nadim, 2008), 자연재해의 피해를 최소화하기 위한 비구조물 대책의 일환으로 다양하게 활용되어 왔다. 산사태 조기경보시스템은 일반적으로 사방댐 등의 전통적인 구조물 대책과 비교하여 경제적이고 환경에 대한 영향을 최소화한다는 장점을 가지고 있으며(Intrieri et al.
	산사태 붕괴모의실험에 있어서 한계점은?	붕괴모의실험은 소요되는 시간과 비용에 비해 유효한 데이터를 얻을 가능성이 매우 낮고 여러 영향인자들의 작용으로 해석이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 특히, 산사태붕괴모의는 인공적으로 구성한 사면규모에 제약이 있으므로 치수효과 등의 장치 설정이 어려워 자연사면과 동일한 조건을 형성하는데 한계가 있다(Moriwaki et al., 2004).
	산사태 조기경보시스템의 형태는?	산사태 조기경보시스템은 대상지의 공간적 범위, 산사태 유형 및 특성, 활용 가능한 자원 및 예산 등에 의해 다양한 형태로 구현될 수 있다. 그중에서도 공간적 범위는 산사태 조기경보시스템의 형태를 결정짓는 가장 중요한 요인 중 하나로서, 이탈리아(Rossi et al.

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Wu, L.Z., Zhou, Y., Sun, P., Shi, J.S., Liu, G.G. and Bai, L.Y. 2017. Laboratory characterization of rainfall-induced loess slope failure. Catena 150: 1-8.

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Yuliza, E., Habil, H., Munir, M.M., Irsyam, M., Abdullah, M. and Khairurrijal. 2016. Study of soil moisture sensor for landslide early warning system: experiment in laboratory scale. Journal of Physics: Conference Series 739. doi: 10.1088/1742-6596/739/1/012034.

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저자의 다른 논문 :

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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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