1조(사태방지하조)

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폭우 시 사면안정을 위한 토목섬유와 배수시설의 최적 방안 연구

영문 : A Study on the Optimum Method of Geosynthetics composite and Drainage Facilities for the Stabilization of Slopes in Heavy Rain

과제 팀명

1조(사태방지하조)

지도교수

문영일 교수님

멘토교수

박도원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2015XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2019XXX0** 김**

서울시립대학교 교통공학과 2019XXX0** 김**

서울시립대학교 토목공학과 2017XXX0** 반**

서울시립대학교 토목공학과 2017XXX0** 이**

서론

개발 과제의 개요

폭우 시 산사태 발생 위험성이 높은 구로구 길훈아파트 개웅산의 사면 안정성과 지오셀 복합체(복합토목섬유) 및 배수 공법(수평배수공)의 사면안정공법을 적용한 사면의 안정성을 침투해석 및 사면안정해석 시뮬레이션을 통해 비교하고자 한다.

개발 과제 요약

◇ 집중 강우시 사면 안정을 위한 지오셀 복합체(복합토목섬유)와 배수 및 사면안정(수평배수공, Soil Nailing)공법을 활용한 최적 배수 시스템을 연구한다.

◇ 사면 지지력 향상을 위한 지오셀과 집중 강우의 침투를 막기 위한 강한 차수성을 가진 지오멤브레인의 결합체인 복합토목섬유(지오셀 복합체)를 활용하여 높은 사면 안전율을 얻는 것을 목적으로 한다.

◇ 배수공법인 수평배수공과 사면 안정공법인 Soil Nailing 공법을 통해 사면을 고정하고 침투수 배출을 통해서 지하수위를 일정 수준으로 유지하고 안전율을 유지 및 증가시킴으로써 미래 이상기후에 대한 추가적인 대비 가능성을 확보한다.

개발 과제의 배경

◇ 수도권 전역에 호우경보가 발효된 8월 8일에 서울특별시 동작구 신대방동 일대는 최고 시간당 141.5mm라는 강우량으로 이전의 서울시 1시간 최다 강우량 공식 기록 1위였던 118.5mm(1942년 8월 5일, 서울 종로구 송월동에서 측정됨)을 80년만에 경신했다.

◇ 일 강수량은 381.5㎜로, 그 이전까지 서울 일 강수량 공식 최고치인 354.7㎜(1920년 8월 2일)를 102년만에 뛰어넘는 수치였다.

◇ 같은 시점, 구로구 개봉2동에서는 역대 기록적 폭우에 의해 개웅산 끝자락 토사가 무너져 약 600m 떨어진 인근의 길훈아파트와 반지하를 집어삼키는 산사태 피해가 발생하였다.

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개발 과제의 목표 및 내용

◇ 폭우 시 산사태 발생 위험성이 높은 구로구 길훈아파트 개웅산 사면의 안정성과 복합토목섬유 및 배수공법(수평배수공)의 사면안정공법을 적용한 사면의 안정성을 침투해석 및 사면안정해석 시뮬레이션을 통해 비교하고자 한다.

◇ 앞서 상기한 최적배수공법이 기존 사면의 보강된 녹화공법보다 안전율 증가 및 시간에 따른 유지 측면의 비교를 통한 우수성을 증명하고자 한다.

◇ 최적배수공법과 기존 녹화공법의 시공비용을 비교하여 경제적 활용 가능성이 높음을 제시하고자 한다.

시장상황에 대한 분석

기존 제품을 통한 새로운 기술제시

◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체)

- 지오셀 + 차수성 토목섬유(GCL(Geosynthetic Clay Liner) or 지오멤브레인)인 지오셀 복 합체를 의미한다.

- 지오셀은 기존의 2차원 토목섬유(지오그리드, 지오텍스타일)과는 다른 벌집모양 3차원 구조 를 가진다.

- 지오셀 구조체의 강성 등 공학적 특성을 증대시켜 지반의 전단 강도 및 지지력을 극대화할 수 있다.

- 모래, 자갈 재료를 이용해 셀을 형성하여 사면에 작용되는 외부하중을 지지 및 안정성을 향 상시킨다.

◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체) + 배수시설(수평배수공) + 사면안정공법(Soil Nailing)

- 지오셀을 통해 지반의 전단 강도 및 지지력을 극대화한다.

- 차수성 토목섬유를 지오셀에 결합한 복합토목섬유를 활용하여 지표로부터 침투되는 강우를 차단함으로써 지하수위의 상승을 억제시킨다.

- 배수시설을 통해 지하수위를 저하시킨다.

- 기존 사면에 적용된 Soil Nailing의 효과를 검증하고 새로운 공법과 복합 적용하여 높은 안전율 향상을 도모한다.

- 기존의 보강공법과 비교하여 안전율을 증대시키고 시간에 따른 안전율 유지가 가능해진다.

시장성 분석

◇ 법면 녹화공법

(1) Seeding(거적덮기, Core-net)

- 우수시 법면(비탈면) 보호기능이 미흡하다.

- 건조 시 발아율이 저조하여 이에 따라 폭우에 따른 강풍예상지역 적용이 불리하다.

(2) 식생매트

- 시공면을 고르게 하기 위해 철저한 시공관리에 따른 관리비용이 증가한다.

- 표층부 연속체이기 때문에 부분 파손 시 전체 파손으로 연결된다.

- 앙카핀 이상의 세굴에 저항성이 없다.

(3) 녹생토

- 표층구속범위가 다른 공법에 비해 작아 안정성이 떨어진다.

- 식생쇠퇴, 표층토 안정제 내구성이 악화될 경우 침식저항성이 감소한다.

◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체) + 배수시설(수평배수공) + 사면안정공법(Soil Nailing)

- 지오셀 + 차수성 토목섬유를 활용한 복합토목섬유를 활용하여 표층으로부터의 강우 침투 차 단과 지반강도와 전단성 증가를 동시에 접목하는 제품은 현 시장에선 나와 있지 않은 제품 이다.

- 복합토목섬유를 통한 식생 쇠퇴 및 표층토에 따른 내구도 변화가 작기 때문에 장기적인 관 리 비용이 감소할 가능성이 높다.

- 경제적으로 저렴한 수평배수공 및 Soil Nailing 공법을 함께 활용하여 강우 지반 침투에 따 른 지하수위 상승을 최대한 배제할 수 있고 사면 고정성까지 확보하여 장기적인 사면안정효과 의 유지가 가능할 것이다.

사회성 분석

◇ 폭우에 의한 사면 불안정을 통한 산사태 피해를 겪은 도시 주민들의 사회적 불안함을 새로 운 사면안정공법을 통해 해소할 가능성을 제시한다.

◇ 사면에 대한 단순한 토목섬유인 지오셀과 차수성 토목섬유에 대한 각각의 공법이 아닌 복 합토목섬유(지오셀 복합체)라는 새로운 사면안정공법에 제안 및 가능성 검토에 기여한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ QGIS를 통해 Kakao Steet Map과 산사태 위험지도(산림청)를 중첩하여 현재 산사태 발생가능성이 높은 지역과 이를 통해 피해 받을 가능성이 높은 지역에 대한 직관적인 위험도를 파악한다.

◇ 복합토목섬유를 통해 지반의 전단강도와 강도를 증대시키고 강우에 대한 표층의 차수를 강화함으로써 지반의 안정성을 높이는데 기여한다.

◇ 배수공법(수평배수공)을 통해 지반에 침투된 강우를 배수함으로써 지하수위 상승을 막는데 기여한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

(중앙안전재난대책본부 피해복구계획서)

(2022년 산사태 예방 지원본부)

◇ 최근 점진적으로 증가하고 있던 산사태로 피해복구 비용이 2020년도에 들어서 급증하여 393,463(백만원)에 이르렀다. 2021년에는 전년도 피해복구를 통해 비용 14,999(백만원)으로 급감하였으나, 2022년 이상기후로 인한 폭우로 인해 산사태가 급증하여 단 5개월 동안의 피해복구 비용이 82,110(백만원)으로 다시 4배 이상 다시 급증하였다.

◇ 2022년 산사태 추가 복구 비용의 급증은, 기존의 비탈면 녹화공법 (BHS공법)을 통한 사면안정공법은 폭우 시 산사태 방지를 위한 장기적인 공법이 아니므로 복합토목섬유 및 추가적 배수공법(수평배수공 및 Soil Nailing 공법)을 통해 안전율 증가 및 시간에 따른 유지를 통해 지속적인 사면안정을 가질 수 있다.

◇ 비탈면 녹화 설계 시공(길훈아파트 주변 개웅산 녹화공법 보강공사 시 두께별 설계 기준 7cm)에 쓰이는 NI망(철망)은 37,534원/m^(2)이며, N망(섬유망)은 32,815원/m^(2)이다. 그러나 복합토목섬유(지오셀 복합체)에 쓰이는 지오셀은 18770원/m^(2)이고 지오멤브레인은 1496원/m^(2)이다. 그러므로 비탈면 녹화 설계 시공에 쓰이는 면적당 비용(37,534원, 계산 시 NI망만 적용)보다 복합토목섬유에 쓰이는 면적당 비용(20,266원)으로 약 1/1.5 이상 시공비용을 감소시킨다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

공법의 적용

◇ 지오셀 복합체(복합토목섬유) 단순설치방법

- 시공 시 차수성 토목섬유조각을 지오셀 3차원 구조에 직접 설치한다.

- 장점 : 추가되는 과정이 없어 시공 비용이 저렴하다.

- 단점 : 지오셀과 차수성 토목사이에 유격이 존재할 가능성이 있어 강우가 유입되어 완벽하게 차단하진 못한다.

공법별 요구사항

◇ 지오셀 복합체(복합토목섬유) 단순설치방법 선택 이유

- 지오셀 복합체에서 사면에 침투하는 빗물을 완전히 막더라도 사면 위쪽에서부터 유입되는 침투수는 막지 못하기 때문에 이를 처리하기 위한 배수시설이 필요하다.

- 배수시설 시공이 이미 가정된 상황에서 사면에 내리는 빗물을 완전히 차단시키는 것은 시설의 효율성 측면에서나 경제성 측면에서나 모두 좋지 않다.

- 1차적으로 토목섬유에 의해 차수된 빗물을 수평방향으로 배수시키고 지오셀과 토목섬유 사이의 유격을 방치하여 그 사이로 스며든 빗물은 다른 배수시설을 통해 배수하여 사면 안정성을 향상시킬 수 있다.

- 이전에 시공된(개웅산 아파트 근처 개웅산 기준 BHS 녹화공법) 수평배수공법 및 Soil Nailing 공법을 활용하여 지오셀 복합체 단순설치방법을 추가하면 복합토목섬유 다른 시공법 대비 시공 비용을 감소시킬 수 있다.

제품 평가내용

평가기준

◇ 사면이 불안정한 지역의 토질물성치를 수치해석적으로 표현하여 평가한다.

◇ 폭우에 따른 사면의 침투해석을 통해 침투 진행 및 지하수위, 간극수압을 분석하여 평가한다.

◇ 사면의 침투해석을 통해 구한 지하수위 상승에 따른 시간에 따른 안전율 여부를 평가한다.

평가내용

◇ 지반 정보(사면의 경사각 및 높이), 토질물성치(단위중량, 점착력, 내부마찰각 등) 및 배수공법(수평배수공, Soil Nailing 공법)을 적용하여 사면의 안전율을 계산한다.

◇ 설계 강우강도, 시간당 최대 강우량, 일 최대 강우량 등을 분석하여 대상 지역에 발생했던 강우량 중 실험에 적용할 강우량인 실험강우량을 채택하여 침투해석 진행, 지하수위 및 간극수압 상승 정도를 분석한다.

◇ 침투해석의 결과를 사면안정성 검토 및 최종 결과를 통해 원래 사면과의 안전율을 비교분석한다.

◇ 기존 2011년에 시공된 사면(길훈아파트 개웅산)의 보강 공법인 BHS공법(비탈면 녹화 공법)을 안전율과 시공비용을 통해 경제성을 비교하여 평가한다.

개념설계안

QGIS 및 산사태 위험지도를 활용한 사면 불안정 지역 예측

◇ QGIS를 사용하여 산림청의 산사태 위험지도와 Kakao Street Map을 중첩하여 직관적인 산사태 위험정도를 지역에 따라 파악이 가능하다.

◇ 사면불안정정도가 높은 지역 선정하는 방법은 산사태 위험정도가 높다는 의미인 1등급의 검은색 부분을 선택한다.

복합토목섬유와 배수공법을 활용한 사면 안정방안

◇ 설계에서 서술한 것처럼 보강 시 지오셀 3차원 구조에 지오멤브레인 평면체를 단순 삽입하여 지오셀 복합체인 복합토목섬유를 시공한다.

◇ 배수공법인 수평 배수공을 통해 단순 삽입 구조의 유격 때문에 침투된 강우를 배수하기 위한 시공도 추가로 실시한다.(기존에 시공된 수평배수공이나 혹은 Soil Nailing이 있다면 이를 활용한다.)

SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정해석 계획

◇ 프로그램은 캐나다 Geostudio社의 SEEP/W와 SLOPE/W를 이용하였으며, SEEP/W로 침투해석을 수행한 후 그 결과를 SLOPE/W에 적용하여 사면안정해석을 진행할 수 있어 강우 시의 사면의 거동을 매우 현실적으로 시뮬레이션 할 수 있다는 점을 고려하여 해당 프로그램을 선택하였다.

◇ SEEP/W를 활용한 침투해석

- 실험강우량 산정 : 설계 강우강도, 시간 당 최대 강우량, 일 최대 강우량 등을 분석하여 대상 지역에 발생했던 강우량 중 실험에 적용할 강우량 분포 채택

- 침투해석 : SEEP/W는 포화함수비(Saturated WC), 샘플시료(Clay, Silty Clay, Sand, Silty Sand, Gravel 등), 압축계수(Compressibility) 등의 값을 입력하여 여러 종류의 해석이론 및 실험을 통한 포화토, 불포화토의 물성을 생성할 수 있다. 또한 강우, 배수선 등의 다양한 조건을 적용하여 침투해석 시뮬레이션 진행하고 지하수위, 간극수압, Water Flow Vector 등의 분포를 결과를 얻을 수 있다.

◇ SLOPE/W를 활용한 사면안정해석

-SEEP/W을 통한 침투해석이 수행된 사면의 결과값과 연계하여 사면안정해석을 실시할 수 있어 해석의 정확성화 현실성이 매우 뛰어나다.

- Bishop 간편법을 사면안정해석 이론으로 활용한다.

- 소일네일 등의 지반 조건 생성 기능이 있다.

상세설계 내용

사면 불안정 지역 선정 및 실험 사면 생성

QGIS, CAD 파일 생성(3가지 사면 제시)

◇ QGIS를 통한 대상 지역 선정

- 산사태 위험정도는 검은색에 가까울수록 1등급에 가까워 사면 불안정성이 커짐을 나타낸다.

- 서울 지역 사면 불안정 후보군 중 도시 주변 아파트 근처 직접적인 시추주상도를 활용할 수 있는 지역으로써 가장 높은 가능성을 가진다.

- 산사태 위험정도가 높고, 비교적 최근(21년 7월) 재건축 목적의 옹벽부 확인 및 시추공 지반조사가 이루어진 개웅산 인근 길훈아파트를 연구 대상 지역으로 선정하였다.

◇ 길훈아파트 후면 3동 개웅산(구로구 오류동)의 산사태 발생 현황 조사

- 과거 2011년 7월 27일 길훈아파트 3동의 산사태 피해: 1900년부터 현재까지 세 번째로 큰 연별 최다일강수량이 발생한 2011년 7월 27일 301.5mm의 강우에 의해 길훈아파트 3동의 1, 2층이 큰 피해를 입었다. 개웅산 사면을 깎아 아파트를 지었기 때문에 축대 전면은 3동 2층과 마주하고 있었고 쏟아져 내린 토사는 그대로 저층에 큰 피해를 주었다.

- 2022년 8월 서울 역대 최고 집중 강우에 의한 개봉2동 산사태 피해 : 200년 빈도 시간당 최대 강우량 114mm/hr를 초과하는141.5mm/hr의 역대 기록적 폭우에 의해 개웅산 끝자락 토사가 무너져 약 600m 떨어진 인근의 아파트와 반지하를 집어삼켰다.

◇ 길훈아파트 후면 3동 개웅산의 사면안정 대상 지역 선정 최종 과정

- QGIS를 활용한 산사태 위험지도를 통해 나타낸 위험 정도가 1등급에 가까운 지역으로 선정하였다.

- 시추주상도를 통해 직접적인 토질물성치를 얻을 수 있는 지역으로 선정하였다

- 과거 2011년도뿐만 아니라 최근 2022년에 발생한 산사태 피해를 통해 사면안정보강 공법의 필요성이 높은 지역으로 선정하였다.

- 선정된 실험 대상 사면 및 지형의 CAD파일, 시추공주상도, 실험 강우량을 이용하여 조건을 달리한 세 가지 사면의 침투해석 및 그 결과를 적용한 사면안정해석을 실시하고자 한다.

◇ 실험 사면 생성 - 개웅산 사면은 2011년 수해복구공사가 진행된 이력이 있어 이를 기존 사면으로 설정하고, 본 연구에서 실험하고자 하는 복합토목섬유를 설치한 사면과 이에 수평배수공까지 설치한 사면, 총 세 가지의 사면을 생성하여 시뮬레이션에 적용하고자 한다.

(1) 실제 대상 사면의 설계 자료 수집

- 구로구의 개웅산(길훈아파트 3동 후면)은 2011년 산사태에 대한 수해복구공사를 진행하여 사면 녹화와 Soil Nailing을 통해 사면 안정성을 향상시킨 이력이 있다.

- 당시 설계도를 통한 시공 정보 파악

· 법면녹화

① BHS 공법(N망 또는 NI망 사용)

② 두께 7cm의 Seed Spray 적용

③ 시공 면적: 175

·소일네일링(단면 기준) * 복구공사의 전체 면적에 대해서는 총 45개소 설치됨.

① Nail 수: 6개

② Nail 길이: 2.0m

③ Nail 설치 간격: 2.0m(총 약 12.0m)

(2) 연구 공법의 설계 고안

1) 복합토목섬유의 설치구조 및 규격 결정

- 기존 사면의 법면녹화 및 소일네일링이 적용된 경사방향 길이 약 12.0m, 표면적 175에 대하여 복합토목섬유를 설치한다. - 복합토목섬유 시공 방법 중 ‘단순설치’ 방법을 채택함에 따라 지오셀의 중간부에 지오멤브레인 조각을 삽입하는 방식으로 시공될 것이다. 시뮬레이션 구조에서는 지오셀과 지오멤브레인을 하나의 토층으로 고려하여 지오셀 층 중간에 지오멤브레인 층을 입력하여 복합토목섬유를 구현하였다.

· 지오셀 두께 : 20cm(시장의 일반적인 규격 사용)

· 지오멤브레인 두께: 0.2cm (설치규정: 일반적으로 사용되는 폴리에틸렌 지오멤브레인의 경우 1.5mm 이상의 두께)

2) 수평배수공의 설계

- ‘건설기준코드 표준시방서 KCS 11 40 20 지하배수’, ‘깎기 비탈면 수평배수공 설계 및 시공 지침(한국도로공사, 2011)’을 참고하여 사면 내의 수평배수공 구조 및 규격 결정

· 수평배수공 길이: 2m

· 유공관 내경: 50mm

· 설치 각도: 10°

(3) 대상 지역의 지형 추출 및 단면도 제작

- 활용 수치지형도: 국토교통부 국토지리정보원 국토정보플랫폼 수치지도

· 축척: 1:5000

· 위치: (안양004)37612004, (안양005)3761200

- Auto.CAD의 리습기능 사용, 선택한 구간의 등고선으로 단면도 작성 - 단면도를 활용하여 기존, 복합토목섬유 및 수평배수공 설치 사면을 제작

1) 기존 사면

· 녹화공법: 경사 방향 길이 12m, 두께 7cm

· Soil Nail: 수집한 자료로 추후 SLOPE/W에서 직접 입력 가능

2) 복합토목섬유 설치 사면

· 지오셀 층 두께: 20cm

· 지오멤브레인 층 두께: 0.2cm(지오셀 중간부에 구조 생성)

· 법면 녹화와 같은 곳에 설치하였으며, 지오셀 하층은 토층 내부에, 지오멤브레인 하부 표면이 사면 표면과 일치, 지오셀 상층은 지표면 위로 돌출된 형태

3) 복합토목섬유, 수평배수공 설치 사면

· 복합토목섬유 설치 사면에 수평배수공만 추가

· 수평배수공 길이 2.0m, 유공관 직경 50mm, 설치각도 10°

실험강우량 산정

◇ 산사태와 강우의 관계 조사

(1) 우리나라의 산사태 특성과 발생 원인

1) 리나라의 산사태는 주로 1년 중 6~9월에 발생하는 집중호우에 의해 발생한다(홍원표 외 4인, 1990). 이러한 집중호우는 그 형태와 규모에 따라 이동성 저기압 또는 장마성 호우를 포함하는 기압골에 의한 전선성 호우와 태풍에 의한 집중호우로 구분된다. 두 가지의 집중호우 모두 매우 짧은 기간동안 강한 강우빈도를 가지며 산사태나 하천 범람 등의 피해를 유발시킨다.

2) 산림청에 따르면 산사태 등 산림피해는 태풍 및 집중호우의 강우강도와 누적강우량 증가에 의하여 피해량의 많고 적음이 정해지며, 해가 지날수록 증가 추세에 있다고 하여 계속 증가한다고 보기는 어렵다. 다만, 지구 온난화 등 기후변화로 인하여 게릴라성 집중호우가 증가함에 따라 산사태 재해의 발생 위험도 증가하고 있다.

(2) 사면 붕괴를 일으키는 강우 요소

1) 선행누적강우량과 강우강도

- 선행누적강우량과 강우강도, 강우지속시간과 산사태의 발생 사이의 밀접한 연관관계는 아직까지 확실히 규명되지 않았지만 다양한 사례분석 조사를 통해 통상적인 기준이 제시되었다.

① 산사태 발생규모별 최대시간강우강도와 누적강우량의 상관관계를 분석하기 위해 1977년부터 1987년까지 전국에서 발생한 산사태를 발생 횟수에 따라 소규모(1~3개소), 중규모(4~19개소), 대규모(20개소 이상)로 분류하고 산사태 발생 전일 2일(48시간)간의 누적강우량을 조사하여 다음과 같은 그래프를 얻었다(홍원표 외 4인, 1990).

· 그림에서 보는 바와 같이 소규모 산사태는 최대시간강우강도가 10mm 및 누적강우량이 40mm를 초과할 때, 중규모 산사태는 최대시간강우강도가 15mm 및 누적강우량이 80mm를 초과할 때, 그리고 대규모 산사태는 최대시간강우강도가 35mm 및 누적강우량이 140mm를 초과할 때 발생하기 시작한다. 이러한 기준들은 산사태 예방 경보를 위한 척도로 이용 가능하다(이현구, 2005).

② 동일한 방법으로 1987년부터 1996년 사이의 대전-충남지역에서 발생한 산사태를 조사한 결과, 소규모 산사태는 최대시간강우강도 30mm 및 누적강우량 110mm, 중규모 산사태는 최대시간강우강도 60mm 및 누적강우량 150mm, 마지막으로 대규모 산사태는 최대시간강우강도 30mm 및 누적강우량 230mm을 초과할 때 발생할 수 있다고 밝혀졌다(김영묵 외 1명, 2000; 임희대 외 2명, 2001).

2) 강우량을 기준으로 한 산사태 경보 기준

- 수자원공사에서는 강우 규모를 연속 강우량, 시 강우량, 일 강우량으로 세분화하고 특정 값을 기준으로 삼아 산사태의 위험성을 산사태 주의보와 산사태 경보로서 판단하고 있다.

(3) 설계 강우량

- 수공구조물을 설계할 때나 강우에 대비할 계획을 수립할 때, 수문 시스템의 기본 입력자료인 설계 강우량은 과거에 관측된 임의 지속시간의 강우자료를 빈도해석하여 확률강우량을 지점별로 나타내거나 면적 확률 강우량, 강우강도-지속기간-빈도 관계식이나 곡선으로 표시하여 이용한다. 하지만 과거의 자료를 바탕으로 분석된 값이기 때문에 최근의 지구온난화에 따른 기상변동성의 증가로 인하여 자료의 위험성이 높아질 수 있다(국가수자원관리종합정보시스템).

- 서울(108) 관측소 기준 2022년 현재의 지속시간별 빈도별 설계 강우량은 다음과 같다.

(4) 서울시의 연도별 강우량과 산사태 발생 분석

파일:산사태면적과 강우요소 그래프

- 2000년부터 2022년 현재까지의 연도별 일 최다 강수량, 최대 시간당 강수량, 발생 산사태 면적, 그리고 최다 강수량 발생일 2일 전의 선행누적강우량을 수집하여 위와 같은 그래프를 도시하였다.

- 우면산 산사태, 길훈아파트 산사태 등등 압도적인 대규모의 산사태가 발생한 2011년에는 조사값들 중 가장 큰 선행누적강우량과 일최다강수량이 기록되었음을 알 수 있다. 강우지속시간은 전체 중 3위, 최대시간당강수량은 전체 중 5위임을 고려하면, 해당 연도의 산사태는 선행누적강우량과 강우강도의 영향을 모두 받았지만 선행누적강우량의 영향이 조금 더 큰 것으로 볼 수 있다.

- 비교적 작은 규모의 산사태가 발생한 2002년(1.09ha), 2003년(0.28ha), 2006년(0.06ha), 2017년(1ha), 그리고 2018년(0.12ha)의 강우 특성을 분석해보면 전반적으로 선행누적강우량과 강우강도 두 인자의 영향을 비슷하게 받았거나, 또는 편차가 작지만 한 가지 인자의 영향을 더 크게 받아 발생한 소규모의 산사태라고 볼 수 있다.

(5) 2022년 8월 서울의 역대 최고 강우량 갱신

1) 2022년 8월 8~9일 동안 서울 한강 이남 지역에 1시간 최대 강우량 141.5mm/hr(동작구)가 기록되었다. 이는 서울시 배수체계 설계용량(30년 빈도) 95mm/hr와 200년 빈도 시간당 최대 강우량 114mm/hr를 넘어선 값이다(서울연구원).

- 1시간 지속 최대 강우량이 강남(116.0mm/hr), 서초(110.5mm/hr), 현충원(102.0 mm/hr), 구로(101.0mm/hr)로 기록되었고 30년 빈도의 설계용량을 훨씬 뛰어넘는 강우로 인해 많은 침수 및 토사류 피해가 발생하였다.

2) 동작 지점에서는 24간 지속 최대 강우량 435.0mm이 기록되어 역대 서울시의 일 최대 강우량인 1920년 8월 2일의 354.7mm를 최초로 갱신하였다.

- 일 최대 강우량 기준 역대 최고치였던 354.7mm는 압도적인 강수량이 기록된 동작구 뿐만 아니라 서초구(412.5mm), 금천구(391.0mm), 강남구(384.5mm), 관악구(369.5mm)의 강우량에 의해 갱신되었다.

3) 서울시의 200년 빈도의 강우강도(114mm/hr)가 역대 최고 시간당 강우량(1942.8.5. 118.6mm/hr)이 발생한 이후 80년만에 갱신된 사태를 고려하여 앞으로의 연구에는 과거 자료를 바탕으로 계산된 설계 강수량을 이용하여 시뮬레이션을 진행하기 보다는 가장 최근의 역대 일 최고 강수량이 발생한 시점의 시간 별 강수량 자료를 직접 이용하는 것이 연구 목적에 더욱 알맞으며 현실성이 높아질 것이라고 판단하였다.

◇ 실험 강우량 후보 산정 및 적합성 검토

(1) 2022년 8월 8일~9일의 지역별 강우분포

- 먼저 역대 최대 강수량이 발생한 2022년 8월 8일부터 9일까지의 시간 별 강수량 자료를 최대 강수량이 발생한 동작구, 연구 대상지역인 구로구, 그리고 지역 대푯값인 서울시로 구분지어 아래의 표로 도시하였다.

- 동작구의 강우자료는 강한 강우강도의 적용에 우세하며 구로구의 강우자료는 실제 연구 대상지역의 측정값으로 실험 정확도 및 현실성이 높고, 서울시의 강우자료는 강우강도는 몇몇 구에 비해 낮은 편이지만 시 전체의 값을 포괄적으로 나타내기 때문에 실험의 적용성과 대표성이 높다.

- 본 연구에서는 연구대상지역의 실제 강우량인 구로구의 강우자료와 역대 가장 강한 강우강도를 띠는 동작구의 강우자료를 선택하였다.

(2) 구로구 강우자료의 적합성 검토

- 구로구의 2022년 8월 8일부터 9일까지의 강수량 자료가 해당 지역의 강한 강우강도를 대표하는 값으로 알맞은 지 확인하기 위해 한번 더 검토하였다.

파일:구로구 월 상위3개 그래프

- 2000년 1월부터 2022년 10월까지 월 강수량 합의 순위를 매긴 후 상위 3위의 2006년 6월(867mm, 1위), 2002년 2월(751mm, 2위), 그리고 비교대상인 2022년 8월(678mm,3위)의 일별 강수량 합 분포를 위의 그래프로 도시하였다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 2022년 8월 8일의 강수량 합은 최댓값을 가지므로 본 연구의 집중강우 시 사면 안정을 연구하기에 적절하다고 판단했다.

(3) 최종 실험 강우량 산정

1) 구로구의 2022년 8월 8일 00시 ~ 9일 24시의 강우분포

- 급증하는 강우강도의 집중호우를 나타내기 적합하며, 특히 실험 대상 지역인 구로구의 자료로 연구의 적합성 및 정확도가 높다.

2) 동작구의 2022년 8월 8일 13시 ~ 9일 12시의 강우분포

- 역대 최대 일 강수량 및 시간당 강수량을 기록, 200년 빈도 설계강우량 및 30년 빈도 서울시 배수용량 설계강우량을 갱신한 강우자료로서, 강한 강우강도를 나타내기 매우 유리하여 연구의 목적에 알맞다.

해석에 필요한 물성치 산정

◇ 사면안정해석에 필요한 물성치 산정: 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 전단강도

(1) 시추주상도를 통한 지반구성: 해당 지역의 2번 시추공 정보를 통해 실험 사면은 실트질 모래, 자갈섞인 실트질 모래, 편마암(연암), 편마암(경암)의 층으로 구성됨을 확인하였다.

(2) 강도정수 수집 및 전단응력 계산

- 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 투수계수는 비탈면 설계기준(국토교통부,2015), 도로설계요령·편람(한국도로공사), 도로설계편람(국토교통부), 건설공사 비탈면 설계기준(국토해양부, 2015), 지반조사편람(서울시, 2010) 등에서 지반 강도 정수들을 추정하여 산정하였다.

- 산정한 강도정수를 활용하여 응력과 전단강도를 계산한다.

(3) 콘크리트 옹벽 물성치 산정: 콘크리트 옹벽의 지반강도정수는 ‘수치해석을 이용한 강관합성말뚝 보강효과 분석(1)-재료강도-’(김성렬 외, 2009)를 참고하여 설정하였다.

(4) 지오셀 물성치 산정: 지오셀 영역의 지반강도정수는 ‘강우 시 지오셀 보강 사면의 안정성 평가에 관한 연구’(신은철 외 1명, 2017)을 참고하여 설정하였다.

(5) 식물의 뿌리 영역 조사: 식물의 공학적 특성을 고려한 토사사면 보호공에서의 식생선정기법 연구’ (유전용 외, 2002)에 따르면 뿌리보강효과는 점착력에는 영향을 미치지만 내부마찰각에는 영향이 없다. 또한, 실험 결과 사면 침식을 방지하기 위해 설치한 양잔디의 뿌리밀도(RD)는 약 . 식물 뿌리가 내재된 지반의 밀도는 평균 이다. 따라서 단위중량은 이고, Tengbeh의 양잔디와 점착력의 관계 식에 따라 점착력은 로 산정된다.

◇ 침투해석에 필요한 물성치 산정

- 기본적으로 투수계수, 포화함수비, 압축계수 등이 있으며 불포화토의 경우 잔류함수비가 추가적으로 필요하다. 대부분 시료의 실험값에 의해 산정되므로 관련 논문과 시방서, 품질 및 설계기준, 샘플자료 등을 참고하여 물성치를 결정하였다.

(1) 실트질 모래: 본 연구에서는 지층구성 중 강우에 의해 얕은 파괴가 발생할 실트질 모래층만을 불포화토로 가정하였다.

- 압축계수: 점토질 모래가 0.0001kPa~0.00001kPa의 값을 가지므로 간극이 더 큰 실트질 모래는 이것보다 큰 0.0005kPa를 적용하였다.

- 잔류함수비: SEEP/W의 Silt 샘플을 이용한 예시자료의 값을 이용하였다.

- 포화함수비: ‘실트질 모래의 비배수 크리프특성 및 크리프 모델 비교연구’(봉태호 외 3인, 2012)을 참고하여 결정하였다.

(2) 식물뿌리

-‘사면경사와 표면 조건에 따른 사면안정성 해석’(황영철, 2015)에 따르면 초종의 종류에 따라 녹화사면의 나지 사면 대비 침투율은 다르며, 페레니얼라이그라스의 나지 대비 침투율은 약 1.4배 높음을 이용하여 식물뿌리의 투수계수는 실트질모래층의 투수계수의 1.4배를 적용하였다. 식물뿌리는 실트질모래층과 함께 거동하므로 투수계수를 제외한 물성치는 실트질모래층과 같게 하였다.

(3) 지오셀, 지오멤브레인

- 투수계수: 토목섬유 제조법에 제시된 투수계수의 평균값을 이용하였다.

- 포화함수비: ‘강우 시 지오셀 보강 사면의 안정성 평가에 관한 연구’(신은철 외 1명, 2017)을 참고하여 설정하였다.

(4) 기타 물성치 산정: 시방서, 품질 및 설계기준을 참고하였으며, 구할 수 없었던 압축계수 값은 0으로 설정하여 하중에 대한 압축을 고려하지 않았고, 포화함수비 또한 0으로 설정하여 불투수체로 가정하였다. 다만 수평배수공은 유효한 포화함수비가 필요했지만 구할 수 없었음에 따라 0으로 설정한 후 프로그램의 Drainage 기능을 통해 배수를 구현하였다.

SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정 해석

해석 이론과 계산

◇ 불포화토의 침투해석 이론

(1) 불포화토의 특성

1) 삼상구조

- 불포화토는 ‘흙입자-물-공기’의 삼상구조를 가짐으로써 포화토와 구분된다. 이때, 간극의 물과 공기 접촉면은 곡선의 형태를 띠고 그 면을 따라 공기압에 저항하는 물의 인장응력이 발생한다. 이러한 인장응력에 의해 불포화토는 일정 공기압에서 일정 수분을 유지할 수 있으며 이를 ‘함수특성’이라고 한다. 함수특성을 정량적으로 표현할 수 있는 독립변수가 바로 모관흡수력과 체적함수비이다.

2) 함수특성곡선

- 정의: 불포화 지반의 고유한 특성이며, 지반의 강도와 거동 특성을 결정하는 매우 중요한 기본 물성이다. 함수특성곡선은 모관흡수력(matric Suction)과 체적함수비(Vw/V)의 관계로 정의된다.

- 위의 그림 1은 일반적인 불포화토의 S자형 함수특성곡선을 나타낸다.

① 포화영역(Saturated Zone): 모관흡수력이 공기함입값을 초과하기 전까지는 간극으로 공기가 유입되지 않아 거의 일정한 체적함수비가 유지된다. 공기함입값이란 간극 내부로 공기가 유입되기 시작할 때의 압력으로, 지반의 고유값이다.

② 전이영역(Transition Zone): 간극으로 공기가 유입되고 밖으로 물이 유출되며 모관흡수력이 계속해서 증가하는 구간이다. 불포화토의 거동을 나타내는 매우 중요한 영역으로, 그래프의 경사가 지반 고유의 특성을 결정짓는다.

③ 잔류영역(Residual Zone): 모관흡수력이 계속해서 증가하지만 더 이상 간극의 물이 유출되지 않아 체적함수비도 더 이상 줄어들지 않는 구간이다. 간극의 잔류함수량은 열에 의해서만 완전히 제거될 수 있다.

- 불포화토의 함수특성곡선의 산출방법

① 함수특성시험을 통한 경험식 제안(S: 모관흡수력, θ: 표준화된 체적함수비): 다양한 흙에 대한 함수특성곡선의 유형을 방정식으로 표현하는데 있어서 Van Genuchten과 Fredlund and Xing의 방법이 여러 흙들에게 이용되며 방정식의 검증으로 이용되고 있다.

② 흙입자의 구조, 입도분포와 습윤단위중량으로 함수특성곡선 도출

3) 투수계수곡선

- 불포화토의 투수계수는 포화토에서와 같이 Darcy의 법칙을 적용할 수 있지만 간극 내의 물을 추가적으로 고려하여 산정해야 한다. 이러한 간극 내의 물, 즉 함수비를 나타내는 곡선이 함수특성곡선이므로 불포화토의 투수계수곡선은 함수특성곡선과 유사성을 갖는다.

- 불포화토의 투수계수곡선의 산출방법: 실험을 이용해 직접적으로 구할 수 있지만, 보편적으로 경험식을 이용한 산출법이 이용된다.

① Van-Genuchten의 투수계수곡선 경험식: 포화체적함수비와 잔류체적함수비 이용.

(2) 불포화토의 침투해석의 지배방정식

- 2차원 흐름에 관한 식: 외부에서 들어오는 유량이 있을 때 요소 내의 유량의 변화율의 합계는 체적함수비의 시간에 관한 변화율과 동일하다고 할 수 있다.

- 전수두를 나타내는 식

- 체적함수비와 간극수압의 관계는 투수계수의 특성에 의존하며 그 관계는 다음과 같다.

- 이를 미분하면 불포화토에 대한 비정상흐름의 지배방정식이 도출된다.

- 식(3)을 정리하여 식(4)와 식(2)에 대입하면 불포화토의 2차원 침투해석을 위한 지배방정식이 도출된다.

◇ 강우에 의한 사면의 붕괴 매커니즘

- 부(-)의 간극수압을 갖는 불포화토의 경우 일정 시간 강우가 지속되면 사면 내부는 물과 공기의 흐름이 동시에 발생함에 따라 포화토와는 달리 모관흡수력(matric suction)에 의해 사면의 안정성이 좌우된다.

- 불포화토 사면은 강우에 의해 지반의 함수비 및 포화도가 증가하고 모관흡수력이 감소됨에 따라 유효응력이 감소하여 결과적으로 전단강도가 감소하는 지배 매커니즘을 갖는다.

◇ 사면안정해석 이론

(1) Bishop의 간편법

- 본 연구에서는 대표적인 사면안정 분석방법인 ‘Bishop의 간편법’을 적용하였다.

1) 기본 조건

- 토체의 원형파괴에 적용

- 모멘트 평형조건만을 고려

- 절편력의 합력의 방향은 수평이라고 가정

- 파괴 기준

2) 평형조건 및 식 유도

- 평형조건은 연직방향만 고려한다.

- Eq.1을 Eq.2에 대입하여 N에 관한 식으로 정리한다.

- 전체 절편에 대한 모멘트 평형조건

· Eq.1에 대입

· Eq.5에 Eq.3을 대입

- m_a 식에 포함된 F_s를 가정하면서 Eq.6의 F_s(m)를 계산하고, F_s와 F_s(m)가 일치할 때까지 반복수행하여 해를 구한다.(출처: 대림대학교 강의자료)

SEEP/W 침투해석 시뮬레이션 및 결과

◇ SEEP/W 침투 시뮬레이션

(1) 구조 입력: 구조는 연구대상 사면의 수해복구공사 도면을 이용하여 만든 CAD 파일을 이용하였다.

(2) 물성치 정의 및 할당

Toolbox의 Define → Meterials → Add 클릭 후 이름, 색상 설정 → Meterial Model에서 불포화토(Saturated/Unsaturated) 또는 포화토(Only Saturated) 선택

1) 불포화토

① 함수특성곡선 설정: 불포화토의 거동은 ‘모관흡수력-체적함수비’의 관계로 정의되는 함수특성곡선에 의해 결정된다. SEEP/W는 포화함수비(Saturated WC), 샘플시료(Clay, Silty Clay, Sand, Silty Sand, Gravel,…), 압축계수(Compressibility) 등의 값을 입력하면 프로그램 자체적으로 실험을 통해 해당 불포화토의 함수특성곡선(SWCC)을 도출한다.

- ‘Vol WC data point function’ 선택 → Estimate 클릭 후 해당 샘플시료의 포화함수비(Saturated WC)와 샘플시료의 종류(Clay, Sand, …) 선택(흡입력 설정도 가능) → 압축계수(Compressibility) 입력

② 수리전도도의 설정: 본 연구에서는 Van-Genuchten 방법을 이용하여 수리전도도함수를 얻었다. 이전에 정의한 해당 물성의 함수특성곡선을 선택하고 포화투수계수, 잔류함수비를 입력하면 프로그램 내에서 경험식을 이용하여 수리전도도함수를 도출한다(Van-Genuchten 경험식 선택).

- Hyd.Conductivity Fu란에서 새로운 수리전도도 함수 생성을 위해 ‘Hyd K data Point Function’을 선택한 후 Estimate 클릭 → 추정 방법을 ‘Van Geunchten’ 또는 ‘Fredlund-Xing-Huang’ 중에 선택(본 연구에서는 모두 전자의 방법 이용) → 이전에 정의한 체적함수비와 수평 투수계수(Kx) 설정(흡입력 설정 가능)

③ 기타 조건: 흙이 이방성일 경우 수직, 수평 투수계수의 비를 입력할 수 있으며, 흙입자가 회전되어 있는 경우 수평투수계수(Kx)의 회전각을 x축을 기준으로 반시계 방향 +, 시계 방향 -로 조절할 수 있다.

2) 포화토

① 포화수리전도도: 완전포화 시의 수평 투수계수를 입력

② 포화체적함수비, 압축계수 입력

③ 불포화토의 경우와 마찬가지로 흙입자의 이방성과 회전에 관한 설정

(3) 경계조건 설정: 강우, 배수가 발생할 경계에 조건 할당, 초기 지하수위 설정

1) 강우(rainfall) 조건

- 실험 대상 지역인 구로구의 2022년 8월 8일 00시~9일 24시(총 48시간)의 강우자료

- 역대 일 최대 강우량을 갱신한 동작구의 2022년 8월 8일 13시~9일 12시(총 24시간)의 강우자료

- 적용 위치: - 모든 사면 지표면에 강우를 적용

2) 배수(Drainage) 설정: SEEP/W에 내재된 경계조건 ‘Drainage’는 시뮬레이션 중 압력이 0 이상인 위치의 물을 배수시켜 항상 간극수압을 0으로 유지하는 역할을 한다.

- 적용 위치: 실트질 모래층 위의 토목섬유 연직면 일부 사면 가장자리

3) 초기 지하수위 설정

- 1 곳의 시추주상도에서 얻을 수 있는 초기 지하수위는 -10m이지만 이를 실험 사면에 확장시켜 적용하기에는 무리가 있다고 판단하였다. 대안적으로, 집중 강우 시 사면 표면으로부터 하강하는 침윤선과 표층으로 증가하는 지하수위의 영향으로 사면의 얕은 파괴 및 표층파괴가 발생한다는 점을 고려하여 연구 지역의 실트질모래층(3.5m)-편마암층(연암층 0.5m, 경암층 6m, 총 6.5m)의 토질구성 중 그 경계에 지하수위가 존재한다고 가정하였다.

(4) 시뮬레이션 실시

- 시뮬레이션 조건: 1차 강우조건은 48시간, 2차 강우조건은 24시간 진행하며 time step은 각각 48, 24로, 1시단 단위로 계산하였고 결과값은 12시간, 8시간 간격으로 정리하였다.

◇ 시뮬레이션 결과 분석

(1) 구로구 강우자료(2022년 8월 8일 00시 ~ 9일 24시)

- 기존 사면의 최저 간극수압은 -50kPa이지만 보강된 두 사면의 최저 간극수압은 -75kPa로 약 1.5배 큰 부(-)의 간극수압을 가진다.

- 복합토목섬유로 보강된 사면의 수평배수공의 유무는 지하수위의 저하로 확인할 수 있다.

- 12시간 단위의 결과 중 압도적으로 큰 최대강우강도와 평균강우강도를 가지는 24hr의 사면의 간극수압 분포는 사면 조건별로 뚜렷한 차이가 나타나기 시작한다. 사면1은 최저 간극수압이 -10kPa이지만 사면2,3의 최저 간극수압은 -40kPa로 이전 12hr의 1.5배 차이에서 4배 차이로 급증하였다. 사면1의 녹화사면은 불포화 모래층이 전부 -10kPa~0kPa 사이의 큰 간극수압 분포를 가지는 것으로 보아 제대로 된 차수효과를 발휘하지 못하고 있지만, 반면 지오셀과 지오멤브레인을 설치한 사면2,3은 보강사면 하부 모래층의 간극수압이 이전 12hr와 큰 차이 없이 안정적으로 차수효과를 발휘하여 침윤선의 하강을 억제하고 있는 것을 볼 수 있다.

- 한편 수평배수공의 기능을 중심으로 사면2,3을 비교해보면, 수평배수공을 통한 간극수의 배수가 원활이 진행되어 사면3의 간극수압이 사면2에 비해 약 10kPa정도 낮은 것을 확인할 수 있다.

- 사면1은 지하수위가 옹벽 높이까지 증가하여 많은 용출수가 발생하는 것으로 확인되었다.

- 사면2는 여전히 -40kPa의 최저 간극수압을 유지하고 있으며 옹벽 기초부의 불투과성으로 인해 기초 위쪽으로 지하수위가 약 1m정도 증가하였다.

- 사면3도 -40kPa의 최저 간극수압을 유지하고 있으며 모래층 내부의 간극수압 또한 비슷한 크기와 분포의 부(-)의 간극수압을 가진다.

- 하지만 사면2,3 모두 지하수위가 모래층 하단 경계층 상부까지 증가하였으며, 사면1의 용출수 발생과 대비되어 많은 양의 표면수가 발생하고 있음을 볼 수 있다. 이는 복합토목섬유에 의해 사면 내로 투과되지 못하고 그대로 사면을 따라 흐른 유출수이므로 U자형 배수관 등을 통해 수집하여 배수시키는 것이 중요하다고 판단된다.

- 세 가지 사면의 지하수위 분포를 도시하면 아래의 그래프와 같다.

사면1 대비 사면2는 최대 9.61%, 사면3은 최대 13.49% 지하수위가 감소하였다.

- 사면1은 모래층의 대부분이 지하수위에 포함되어 36hr보다 많은 용출수가 발생하고 있다. 과다한 용출수는 표면토의 유실 및 토사류의 발생으로 이어질 수 있으므로 많은 주의가 필요하다.

- 사면2,3의 모래층은 대부분 -30~-20kPa의 충분한 부(-)의 간극수압을 가지지만 지하수위는 이전보다 상당히 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 또한 많은 양의 표면수도 발생하고 있다.

- 세 가지 사면의 지하수위 분포를 도시하면 아래의 그래프와 같다.

사면1 대비 사면2는 최대 5.04%, 사면3은 최대 6.75% 지하수위가 감소하였다.

(2) 동작구 강우자료(2022년 8월 8일 13시 ~ 9일 12시)

- 사면 1은 녹화공법이 적용된 사면 내부의 부(-)의 간극수압이 대부분 0으로 증가하였고 지하수위 또한 암반 경계층에서 모래층 상부로 증가하였다.

- 반면 보강공법이 적용된 사면2와 사면3의 경우 사면 내의 간극수압이 최저 -40kPa로 낮은 값이 유지되었다. 지하수위는 암반 경계층에서 오히려 더 아래쪽으로 하강한 것을 보아, 복합토목섬유이 차수능이 효과적으로 작용하여서 사면으로 물이 거의 침투하지 않았음을 확인할 수 있다. 한편 수평배수공의 효과는 미미하게 나타났다.

- 시뮬레이션 시간의 최종 결과값인 24시의 간극수압 분포는 사면1의 경우 모래층의 절반 이상이 포화되어 0 이상의 간극수압을 나타내었다. 간극수압의 증가는 유효응력의 감소, 즉 전단강도의 감소로 이어지기 때문에 매우 안정성이 낮은 상태로 판단된다. 한편 사면2,3의 경우 이전 12시간 때의 간극수압 분포와 거의 유사함에 따라 여전히 큰 전단강도를 가지고 있음을 알 수 있다.

- 지하수위의 변화를 살펴보면, 사면1은 지하수위가 매우 크게 증가하여 사면 표면까지 도달하였다. 이는 표면수 유출, 사면 붕괴의 직접적인 요인이 된다. 사면2,3의 경우 암반 경계층 하부에 있던 지하수위가 상부 모래층까지 증가하였지만 수평배수공의 위치에서 유지되고 있어 사면1과 비교했을 때 지하수위의 상승은

- 24hr의 지하수위 분포를 나타내면 다음의 표와 같다. 크게 억제되었음을 알 수 있다.

사면1 대비 사면2는 최대 9.69%, 사면3은 최대 8.94% 지하수위가 감소하였다.

◇ 결론

- 두 가지의 강우 조건 하에서 복합토목섬유가 설치된 사면은 강한 강우에도 불구하고 매우 낮은 부(-)의 간극수압(1차 최저 –20kPa, 2차 최저 –40kPa)을 유지하였다. 이는 복합토목섬유 중 지오멤브레인의 강한 차수성이 효과적으로 작용하였음을 알 수 있다.

- 우수가 사면에 침투되지 않고 표면으로 흘러 유출됨에 따라 사면은 건조한 상태가 유지되었고 동시에 지하수위가 상승함을 크게 억제할 수 있었다. 다음 표는 각각의 강우 조건 하에서 사면1 대비 지하수위의 최대 감소율을 보여준다.

- 복합토목섬유와 수평배수공으로 인해 강우의 침투가 효과적으로 방지되었다. 이 결과를 사면안정해석에 연계, 적용하여 보다 현실적이고 정확하게 사면안정에 미칠 영향을 확인할 수 있다.

SLOPE/W 사면안정 시뮬레이션 및 결과

◇ Slope/W 사면안정해석 시뮬레이션(Seep/W 결과 연계)

- 사면안정해석 시에는 이전에 정의한 세 가지 사면에 모두 소일네일링을 적용하여 진행된다.

· 사면1: 기존사면, 녹화공법과 소일네일링 설치

· 사면2: 복합토목섬유, 소일네일 설치

· 사면3: 복합토목섬유, 수평배수공과 소일네일 설치

(1) 지반 데이터 입력: Seep/W에서와 같은 물질들을 사용하지만 사면안정해석에 필요한 물 성치로서 단위중량, 점착력, 내부마찰각을 추가적으로 정의하여 사용한다.

(2) Nail 데이터 입력: Slope/W에는 소일네일을 정의하고 시뮬레이션에 적용할 수 있는 프로그램이 내재되어 있다. Nail의 데이터는 Geostudio의 예제파일을 참고하여 결정하였다.

- 실험대상 지역의 수해복구공사 설계도와 같게 네일 길이 2.0m, 간격 2.0m로 총 6개의 소일네일을 사면에 입력한다.

(3) 파괴원 설정: 분석할 파괴원의 중심과 반지름을 설정한다.

- 파괴원 중심: 위쪽 사각형 격자영역

- 파괴원 반지름: 아래쪽 가로선 영역

◇ 사면안정해석 결과 분석

(1) 구로구 강우자료(2022년 8월 8일 00시~9일 24시)

최대 시간당 강우량 89mm/hr, 총 강우량 403mm/hr

- 48시간 경과 시 안전율은 사면1이 1.39, 사면2가 1.42, 사면3이 1.43으로 사면1 대비 사면 2는 2.16% 증가하였고, 사면3은 2.88% 증가하였다.

- 구로구의 집중강우는 실험에 필요한 강한 강우강도를 나타내기에 적절했지만, 시뮬레이션이 진행된 48시간 동안 강우가 지속적으로 발생하지 않아 기존 사면과 두 가지 보강 사면의 안전율 차이가 그리 높지 않게 도출되었다.

- 보강사면에 적용된 공법의 뚜렷한 효과를 확인하기 위하여, 더욱 극단적인 강우 조건이 필요하다. 따라서 같은 시기에 서울에서 가장 많은 강우량을 기록한 동작구의 8월 8일 13시 부터 24시간동안의 강우자료를 활용하여 다시 침투해석과 사면안정해석 시뮬레이션을 진행 하였다.

(2) 동작구 강우자료(2022년 8월 8일 13시~9일 12시)

최대 시간당 강우량 136.5mm/hr, 총 강우량 431.5mm

1) 시간 경과에 따른 안전율 변화

- 동작구 강우자료의 최대 시간당 강우량은 136.5mm/h로 이는 구로구의 시간당 최대 강우량의 약 1.53배 큰 수치이다. 따라서 동작구 강우량의 실험 시보다 큰 안전율 증가를 예상 하였다.

- 24시간 동안 진행된 시뮬레이션의 최종 안전율은 사면1이 1.22, 사면2가 1.39, 사면3이 1.39로 도출되었다.

- 사면2,3은 시뮬레이션 후반 3시강 동안 같은 안전율 값을 보였으며, 최종적으로 사면1에 비해 13.93%만큼 크게 안전율이 증가하였다. 이는 연구하고자 하는 복합토목섬유의 차수성능 과 지지력 향상 능력이 사면 안정성 향상에 매우 효과적임을 뒷받침하는 유의미한 실험결과로 판단된다.

2) 수평배수공의 효과 검토

- 개념 설계 단계에서 사면 내의 침투수를 원활히 배수, 지하수위를 저하를 통해 유효응력의 감소를 막고 사면 안정성을 증가시키기 위한 목적으로 수평배수공을 실험사면에 적용하였다. 하지만 동작구 강우자료의 실험결과는 수평배수공이 설치된 사면3과 설치되지 않은 사면2의 안전율이 같게 도출되었고, 이에 수평배수공이 효과적으로 작용하지 않은 원인을 검토해보고자 한다.

- 아래의 그림은 각각의 사면에 대하여 시뮬레이션이 종료된 24hr의 지하수위 및 간극수압분포를 나타내며, 그래프는 사면별 지하수위의 위치를 정량적으로 보여주고 있다.

- 사면2,3에서 지하수위는 거의 같은 곳에 위치하고 있다. 배수시설이 없는 사면2에서도 강우에 의한 지하수위의 상승이 수평배수공이 존재할 위치까지만 발생하는 것으로 판단된다. 이는 수평배수공을 통해 지하수위를 낮추는 효과가 미미할 수밖에 없음을 반증한다. 따라서, 앞으로 발생할 더욱 강한 강우, 긴 지속시간에 의해 사면에 지하수위가 빠르게 급증하는 경우에는 수평배수공이 제대로 효과를 발휘할 수 있을 것이라 예상된다.

경제성 분석

◇ 연구 대상지역의 기존 사면은 <법면녹화+소일네일>이 적용된 상태이고, 비교하고자 하는 보강 사면은 침투 및 사면안정해석 시뮬레이션 결과 <복합토목섬유+소일네일>이 적용된 사면 과 <복합토목섬유+소일네일+수평배수공>이 적용된 사면이 안전율 향상에 유효한 것으로 나타 났다.

◇ 비용 및 물량 산정(가격단위: 원)

(1) 기존 사면

- 2011년 산사태에 대한 수해복구공사 중 피해면적 175에 대하여 BHS 공법을 이용한 두 께 7cm의 법면녹화가 적용되었고 또한 2m 길이의 D25 철근으로 45개소에 소일네일링이 시 공되었음이 확인되었다. 기존 사면의 시공비용을 측정하기 위해 ‘2022년 하반기 적용 건설공 사표준시장단가’ 중 ‘절토사면녹화공법(발파암, 두께 7cm)’의 단가와 노무비율을 이용하였다. 해당 단가는 법면보호를 위한 고정핀, 착지핀, 녹화기반제(유기자연토양), 양생제(섬유소) 등의 전체적인 재료비 및 설치비를 포함하고 있으며 노무비율은 49%로 제시하고 있다.

(2) 보강 사면

- 지오셀과 지오멤브레인을 이용한 복합토목섬유의 비용을 산정해야 한다. 비용 조사 결과, 개인적으로 온라인에서 구매할 수 있는 토목섬유의 가격은 알 수 있었지만, 설치비 및 인건비 는 시공업체를 통해 문의해야만 알 수 있었던 관계로 복합토목섬유의 전체 비용은 재료비만 산정하였다. 수평배수공은 한국도로공사의 설계지침에 따라 규격과 물량을 결정하였고, ‘㈜더 베스트테크’의 ‘발파석을 이용한 절개지의 조경시설물 시공방법 및 그를 이용한 조경시설물’의 가격자료를 참고하여 총 길이 6m의 수평배수공에 대한 재료비, 설치비, 노무비를 포함하여 산정하였다.

(3) 소일네일링(기존, 보강 사면에 공통적으로 적용됨) - 수평배수공과 같은 참고자료를 이용하였다. 하지만 기존사면의 소일네일링 시공 조건은 철근 길이만 파악되었기 때문에, 참고자료의 ‘장비조립 및 해체’, ‘소일네일결속구’, ‘지압판 설치’ 등등 총 5개의 조건에 대해서는 ‘네일 설치 길이’ 값과의 비율을 이용하여 새로운 값으 로 대체하였다. 소일네일링의 총 비용은 재료비, 노무비, 경비를 포함하여 산정되었다.

◇ 비용 비교 및 경제성 분석

- 보강사면의 <복합토목섬유+(수평배수공)+소일네일링> 설치비용이 기존 사면의 <법면 녹화+ 소일네일링>의 설치비용보다 약 2.5배 저렴하기 때문에 본 연구의 공법을 적용한다면 매우 큰 비용 절감을 가져올 수 있다.

- 결론적으로 본 연구에서 제안하는 <복합토목섬유+(수평배수공)+소일네일링>의 사면보강 공 법은 기존에 사용된 비용의 40%만으로 안전율을 14% 증가시킬 수 있기 때문에 그 경제성과 적용성이 매우 뛰어나다고 판단된다.

- 한편, 2011년의 집중호우로 인한 서울의 총 산사태 피해면적은 70만 미터제곱, 총 복구비 용은 392억 9백만원이다(산림청-연도별 산림분야 자연재난 복구비용). 이를 1미터제곱당 복구 비로 계산해보면 5만6천13원이 산정되고, 개웅산 사면의 수해복구가 진행된 175미터제곱은 약 9백8십만2천원이 소요되었다고 가정해볼 수 있다. 본 연구에서 제안하는 보강공법은 약 6 백50만원이 소요된다고 예측되었고 이는 피해면적당 복구비용으로 가정한 9백8십만2천원의 약 66.7%에 불과하다. 따라서 본 연구의 보강공법은 경제성이 매우 높은 공법임을 알 수 있 다. 하지만, 비용 산정 중의 정확한 인건비 및 시공비의 부정확성이 있다는 한계는 존재한다.

결과 및 평가

◇ 최종 결론

- 본 연구에서는 집중 강우 시 사면 내로 침투하는 우수에 의해 ‘불포화토의 포화도 및 함수 비 증가-> 부(-)의 간극수압 감소-> 모관흡수력 감소-> 유효응력 감소-> 전단강도 감소’의 매커니즘을 따라 사면의 얕은 파괴가 발생함을 이해하고 이를 방지할 수 있는 공학적 대안 을 제시함에 목적이 있다.

- 강한 차수성을 지닌 지오멤브레인을 활용하여 강우의 사면 내로의 침투를 효과적으로 차단 하고, 일정 두께의 격자로 구성되어 사면 지지력 향상 및 표면유실 방지의 기능이 있는 지 오셀을 설치하는 방안을 고안하였다.

- 일반적으로 주된 목적의 1개의 토목섬유를 설치 또는 그 이상의 토목섬유를 별개로 설치하 는 방식에서 벗어나, 지오셀 각각의 격자 중간부에 지오멤브레인을 설치하는 형식의 ‘복합 토목섬유’의 활용을 제안하였다.

- 사면 배수 공법으로는 침투수 수집 및 지하수위 저하에 효과적으로 사용되는 수평배수공을 적용하여 최적화된 배수 시스템을 검증하고자 하였다.

- 서울시 내의 유효한 시추주상도를 가지며 산사태 위험등급이 높은 지역 중 산사태 발생 이 력이 2회 존재하는 구로구의 길훈아파트 전면 개웅산 사면을 실험 대상으로 선정하였으며, 역대 최다 일 강수량을 기록한 2022년 8월 8일~9일의 구로구(실제 대상 지역), 동작구(역대 최대 시간당 강수량, 일 강수량 경신)의 강우자료를 적용하여 SEEP/W로 침투해석을 진행 한 후 그 결과를 적용하여 SLOPE/W로 사면안정해석을 실시하였다.

- 기존 녹화공법이 적용된 사면과 복합토목섬유 및 수평배수공을 설치한 대안 공법의 사면에 각각 시뮬레이션을 진행하였고, 간극수압 및 지하수위, 안전율의 결과를 비교하였다.

· 구로구 강우조건의 경우, 기존 사면의 안전율은 1.39로 계산되었으며 복합토목섬유가 설 치된 사면은 2.16% 증가한 1.42, 복합토목섬유와 수평배수공이 설치된 사면은 2.88% 증가한 1.43으로 도출되었다. 한편 더욱 강한 강우강도의 동작구 강우조건의 경우, 기존 사면의 안전율은 1.22, 복합토목섬유 및 수평배수공 설치 사면은 13.93%나 증가한 1.39의 안전율이 도출되었다.

· 최종 지하수위는 구로구 강우조건 시 기존 사면에 비해 복합토목섬유 설치 사면이 평균 5.04% 감소, 복합토목섬유와 수평배수공 설치 사면이 6.75% 감소하였다. 동작구 강우조 건 하에서는 기존 사면에 비해 복합토목섬유 설치 사면이 평균 8.52%, 복합토목섬유와 수평배수공 설치 사면이 8.20% 감소된 지하수위가 나타났다.

· 두 가지 실험 결과를 바탕으로, ‘복합토목섬유+수평배수공’의 안전율 증가 효과는 강우 조건에 따라 상이하지만 최근 잦은 빈도로 발생하는 짧은 시간 동안의 높은 강우강도의 강우조건 하에서 대안 공법의 안전율 증가 효과는 매우 뛰어날 것으로 판단된다. 또한 본 실험에서는 수평배수공의 지하수위 저감 효과가 극적이지는 않았지만, 실제 시공 과 정 중 단순설치 방식에 따라 발생할 지오멤브레인과 지오셀 사이의 유격으로 인한 침투 수를 고려한다면, 실제 수평배수공의 배수 효과는 더욱 클 것으로 예상한다.

· 경제적 측면에서 기존 공법(녹화+소일네일)은 약 1620만원이 소요되고 2011년 산림분야 평균 복구비용으로 산정했을 때는 약 980만원이 소요된다. 이에 비해 토목섬유, 소일네 일 설치 사면은 약 634만원, 수평배수공까지 설치한 사면은 616만원이 산정되었다. 따 라서 보강사면은 기존사면에 비해 약 2.5배, 평균 복구비용 비해 약 1.6배 저렴하며, 제 하는 공법이 경제적으로도 매우 뛰어남을 알 수 있다.

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

- 왼쪽 모형은 본 연구에서 고안한 ‘지오셀+지오멤브레인‘의 복합토목섬유 형태를 보여준다.

- 실제 길훈아파트가 옹벽으로 지지된 개웅산 사면을 매우 가깝게 마주하고 있어 산사태 피해위험에 노출되어 있는 상황을 재현하였다(현재는 재건축 중에 있음).

- 모형 기준 바깥쪽 사면은 소일네일과 복합토목섬유가 설치된 사면을 나타내며, 그 위로 잔디 등의 녹화가 이루어져 사면의 피복시공이 완료되었을 때의 사면을 그 옆에 나타내고 있다.

포스터

완료작품의 평가

- 산지 지형이 많은 수도권 내에서 더 많은 건축 부지를 확보하기 위해 사면을 깎아 점점 더 경사가 가파르고 불안정한 지형조건에서 시민들이 거주 또는 이용하게 된다. 게다가 강해지는 집중강우의 강도와 빈도로, 산사태 및 토석류의 발생을 방지하기 위한 조치가 더욱 시급해지고 있다.

- 본 연구팀이 고안하고 설계한 ’복합토목섬유(지오셀, 지오멤브레인)+수평배수공‘의 공법을 사면에 적용한다면, 더욱 경제적으로 높은 사면 안정성을 확보할 수 있다는 결론이 도출되고 따라서 본 연구는 상당히 성공적이었다고 판단된다.

- 본 연구 공법을 실제 도심 및 거주지 주변 사면에 적용하여 사면 안정성을 충분히 확보해놓는다면, 시민들의 불안감을 해소하고 안전한 도시사회를 만드는 데에 이바지할 수 있을 것이다. 또한 화학적, 물리적으로 검증되었고 꾸준히 개발되고 있는 토목섬유(Geosynthetics)를 활용함에 따라 앞으로 친환경적인 공법으로도 발전하기를 기대해볼 수 있다.

1조(사태방지하조)

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

멘토교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황(State of Art)

시장상황에 대한 분석

기존 제품을 통한 새로운 기술제시

시장성 분석

사회성 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

공법의 적용

공법별 요구사항

제품 평가내용

개념설계안

QGIS 및 산사태 위험지도를 활용한 사면 불안정 지역 예측

복합토목섬유와 배수공법을 활용한 사면 안정방안

SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정해석 계획

상세설계 내용

사면 불안정 지역 선정 및 실험 사면 생성

QGIS, CAD 파일 생성(3가지 사면 제시)

실험강우량 산정

해석에 필요한 물성치 산정

SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정 해석

해석 이론과 계산

SEEP/W 침투해석 시뮬레이션 및 결과

SLOPE/W 사면안정 시뮬레이션 및 결과

경제성 분석

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

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