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2022년 5월 31일 (화) 06:30 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 태양광 설치 사면의 안정성 증대 방안 연구
영문 : A study on ways to increase the stability of solar-power plants installed slope

과제 팀명

무너지지말아조

지도교수

문영일 교수님

멘토교수

박도원 교수님

개발기간

2022년 3월~ 2022년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 한*욱(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 김*현

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 김*재

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 김*정

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 김*찬

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 이*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 태양광 발전 시설이 설치되어 있는 사면의 안정성을 검토하고, 시추공 데이터를 통해 얻은 특정 토질에 대한 최적의 보강 공법(말뚝의 종류, 간격, 개수 및 사면의 각도 등)을 Slide3 프로그램을 이용하여 분석한다.

개발 과제의 배경

◇ 우리나라는 전체 국토면적의 63%가 산림으로 이루어져 있으며 지형특성상 태양광 발전에 적합한 부지 확보가 쉽지 않아 임야(60.9%, 43.3)에 태양광 발전 시설이 집중적으로 설치되고 있음

◇ 지역별로는 개발 면적에서 임야가 차지하는 비중은 경북은 86%, 충북은 82%로 높은 비율을 보임

◇최근 태양광 패널의 설치가 증가하면서 지속적인 피해 사례가 발생하고 있음.
- 2018-2020 3년간 충청도 지역은 5건, 경상도 지역은 4건으로 가장 많은 피해가 발생함.
- 특히 경북 청도의 경우 18,19년 연속 피해를 받은 것으로 확인됨
- 피해 사례들은 태양광 패널이 사면에 위치해 있어 호우가 발생함에 따라 토사 무게를 견디지 못하고 무너지는 양상을 보임

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 태양광 설치 사면의 안정성 증대 방안 연구를 통해 설치된 시설물의 안정성과 지속가능한 운영을 도모함과 동시에 향후 설치될 구조물의 지형에 대한 참고자료로서의 가치를 도모

◇ 태양광 시설 기설치 지역에 대해 산사태 발생 가능성을 그렇지 않은 지역과 비교

◇ 상기 목표에 대해 수치적으로 접근

◇ 위 데이터를 이용하여 태양광 설치 사면에 대한 최적의 보강 방법과 시공방식에 대한 제언을 통한 주변 지반에 대한 사고 예방, 대응, 복구 방안 마련에 도움

관련 기술의 현황

현재 설계 기준 분석

◇ 한국에너지공단에서는 다음과 같이 태양광 발전설비 시공기준을 제시하였다.

 2) 산지 및 농지형 준수사항

 가) 유속 완화 및 토사유출 방지
① 급경사지에 배수로를 설치하는 경우에는 유속 완화 시설과 낙차에 의한 세굴 및 침식 방지 시설을 설치하여야 한다.
② 우천시 우수의 유출과 토사유출에 의한 태양광 발전설비 주변 수로 및 하류에 위치한 소하천 등의 범람, 퇴적 등을 방지하기 위해 임시 또는 영구 우수 저류조 등 저감시설을 설치하여야 한다. 이 경우 설치 및 유지관리는 자연재해대책법 및 우수유출저감시설의 종류·구조·설치 및 유지관리 기준 등을 따른다.

 나) 지반과 사면의 안전성 확보
① 절토와 성토를 통해 부지를 조성할 경우에는 단계별로 충분히 다짐하여 지지력과 안전성을 확보하여야 한다.
② 절토 및 성토 비탈면의 경우 완만하게 시공하여야 하며 침식방지 및 비탈면 보호를 위한 녹화 등을 통해 비탈면의 안전을 도모하고 산사태를 방지할 수 있도록 하여야 한다. 비탈면에 구조물(콘크리트 옹벽, 보강토 옹벽, 석축 등)을 설치할 경우에는 설계기준에 맞춰 계획하고 시공되도록 하여야 한다.

기존 연구 사례 분석

◇ 태양광 발전소 부지의 식생관리에 관한 연구
1. 태양광 발전소를 방문 한 후 식물을 조사하고, 토양을 채취하고 분석하여 조사
2. 태양광 발전소의 녹화공법은 태양광 발전소에 대한 위치별 공법의 종류와 식생의 종류 등을 조사
3. 각 공법에 대해서는 태양광 발전소의 관리방법 등을 파악한 후 부지의 식생관리의 기본 자료로 기록
4. 또한, 태양광 발전소의 절·성토면 대상지와 하부 대상지에 관련한 실태를 파악

◇ 집중호우시 사면 붕괴의 특성 및 토층 심도와 지하수변동에 따른 사면 안정성 해석
1. 절토사면의 안정성 해석에 ITASCA사에서 개발된 FLAC-SLOPE 이용
2. 붕괴 형태의 기하학적인 양상을 분석하기 위하여 7개의 평가 항목을 선정
3. 사면 높이(H), 붕괴 폭(W), 사면 연장(L), 사면 경사(α), 붕괴 심도(Df), 붕괴 길이(Lf), 붕괴부 수직거리(ΔH)를 측정
4. 사면 붕괴의 특성을 토대로 하여 토층 및 지하수가 사면 안정에 미치는 영향에 대하여 수치해석을 통하여 분석

개발과제의 기대효과

1. 체계적인 태양광 발전시설 주변 지반에 대한 사고 예방·대응·복구 가능
◇ 명확한 정책목표와 추진방향 설정으로 계획성 있는 대책 추진
◇ 설치 지역 중 취약지반 중심의 사고예방 및 대응체계 구축, 안전 시설 추가 설치를 통한 안정적인 태양광 발전 및 시설 이용 효율 극대화
◇ 기후 변화 및 여러 가지 경우의 수를 대비한 최적의 안전율 도출

2. 태양광 발전 지형 참고 자료로서의 가이드라인
◇ 중앙에서 시행하는 태양광 발전시설 인허가 정책 수립의 방향성 안내
◇ 민간기업 및 운영기관의 원활한 시공 업무 추진 도움

3. 설비 운영 유관기관 간 협력체계 구축으로 피해 최소화
◇ 중앙-지방-민간기업간 유기적인 협력체계 유지로 사고 발생시 신속 조치 기반 마련
◇ 또한, 피해 발생 시 유관기관 간의 신속한 대응으로 피해 확산 방지 및 2차 추가피해 차단

4. 사고에 대한 예방·대응을 통한 국민 안전보장
◇ 태양광 발전시설 설치로 인한 산사태로부터 인명·재산피해를 최소화하여 국민의 만족 향상
◇ 국민의 안전을 보장하여 안심하고 행복한 삶을 영위하도록 함

기술개발 일정 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품 평가내용

◇ 본 연구에서는 ‘rocscience’社에서 출시한 프로그램 중 ‘slide3’를 이용하고자 함. 프로그램을 선정함에 있어 해석 방법의 다양성 및 적용가능성, UI의 직관성, 그리고 해석 결과의 신뢰성을 고려했음. 해당 프로그램의 경우 학부생들이 이용 가능할 정도로 프로그램의 동작 환경이 사용자 친화적이어서 구하고자 하는 해석 결과를 얻기에 무리가 없어보임.

설계 사양

개념설계안

가. 개요
태양광 사면이 설치된 위험 지역들을 설정하여 해당 지역에서의 안전율을 수치해석적 기법으로 계산하고 이를 바탕으로 해당 사면에서의 안전율을 증대시키기 위한 방법을 반영하여 해당 지역을 보강하고자 한다.

▶태양광 사면 수치해석 프로그램의 선정 요건 
① 해석 방법의 다양성 및 적용 가능성
② UI의 직관성
③ 해석 결과의 신뢰성

이상을 종합하여 'Slide 3' 프로그램을 사용하기로 결정하였음.

'Slide 3'란 
- 토양 또는 암석 경사면에서 안전 계수를 평가하기 위한 3D 한계 평형 경사면 안정성 프로그램

- 암석 (Mohr-Coulomb, Hoek-Brown)과 토양 (Mohr-Coulomb, 수직 및 전단 응력 비율) 재료 모델의 재료 라이브러리를 가져서  다양한 상황을 구현 가능

해당 프로그램을 바탕으로 본 연구에서는 다음과 같은 사항을 중점적으로 확인하고자 함

-실제 사고가 발생한 지역과 유사한 사면 환경을 구현해서 문제점 파악 및 보강대책 제시

-유사한 사면 환경 구현을 위해 지반의 물성치(내부마찰각, 단위중량, 포화도 등)는 국토지반정보 및 지질정보포털시스템을 이용, 사면 경사각은 DEM(수치표고자료)의 좌표를 통해 계산

-문제점 파악 후, 적절한 보강대책 제시(ex 말뚝, 식생공법)

나. 평가 및 분석

평가 기준

- 산사태가 발생한 태양광 시설의 위험성을 수치해석 기법을 이용하여 판단

- 현재 태양광 사면 허용기준과 선정 모델 비교

- 수치해석 프로그램을 이용하여 만든 모델의 실용성 여부 평가

평가 내용

- 여러 해석법 (Bishop, Janbu)과 다양한 조건 (말뚝의 종류, 지하수위, 지반의 물성치 등)을 적용하여 모델의 안전율을 계산
- 다양한 선례들과 정책 (태양광 부작용 해소대책)을 통하여 적절한 조건(ex. 산지 경사도 등)을 선정
- 구축한 여러 조건을 적용한 모델들의 실현 가능성과 경제성 판단(모델이 부적합하다고 판단될 경우 재구축)

다. 연구 범위의 한정
연구 범위의 한정을 위하여 본 연구에서는 분석 지역을 충북 제천과 경북 청도 2곳의 지역으로 한정하고자 한다. 그 이유는 다음과 같은 신문 기사 인용으로 갈음하고자 한다.

“지난해 장마 때 무너졌던 산지 태양광 시설이 최근 태풍에 또 붕괴됐다. 사고가 난 시설은 최근 산림청이 실시한 장마철 대비 일제 점검에서 '양호' 판정을 받은 것으로 확인됐다. 무리하게 지어진 산지 태양광의 위험성이 다시 한 번 드러났다는 지적이 나온다.”1년 만에 또… 청도서 '태양광 산사태', 조선일보 ,19.07.27

“이곳에서 40년을 살았는데 이렇게 산사태로 무너진 것은 처음”
“아직 일부 남아 있는 태양광시설도 이미 기울었거나 무너지기 일보 직전의 위태로운 상태”
이영재 경북대 토목공학과 교수⋯ “산 중턱을 깎아 태양광시설을 지으면 지반이 약해지면서 산사태와 인과관계가 생길 수밖에 없다”‘태양광 짓기 전엔 산사태 없었는데⋯ ’ 서울경제 ,20.08.12

◇ 청도의 경우 사고가 발생한 후 1년 만에 재발하는 결과를 보여준 지역이고, 제천의 경우 배수시설 의 문제로 인해 시설 비탈면이 붕괴되어 토사가 쓸려 내려간 사례로 자칫 잘못하면 큰 인명피해로 이어질 수 있는 사건이었다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 이론적 배경

본 연구에서는 사면의 안정성을 검토하기 위해 여러 가지 사면안정 해석법을 고려하였다. 해당 내용을 간략히 정리하면 다음과 같다.

본 연구에서는 유한요소해석 프로그램에서 사용하기 좋은 두 가지의 방법을 사용하고자 한다. 다음은 두 가지 방법에 대한 간략한 설명이다.

2. 시뮬레이션을 위한 가정과 수치

◇ 본 보고서는 제천과 청도의 2개의 필지(충청북도 제천시 봉양읍 구곡리 산 108번지 2호, 청도군 매전면 온막리 산13-2)에 설치된 태양광 발전소의 안전성을 중심적으로 검토하였다. 이는 상술한 사고 지역과 같은 지방자치단체 소속이고, 또 산사태 위험 지역과도 인접해 있는 지역이기에 사고에 대한 위험성 검토가 중요하다 생각되어 위 지역을 선정하였다.
◇ 연구 지형의 경우 지형 정보를 알기 위해 국토교통부에서 제공하는 ‘공간정보 오픈플랫폼(https://map.vworld.kr)’을 사용하였고, 위 포털을 통해 지형에 대한 일반적인 정보 (사면의 각도, 사면 고도차, 면적)를 획득하여 연구 자료로 활용하였다. 길이나 각도의 경우 평균치를 사용하여 그 값의 신뢰성을 높이고자 노력하였다.
◇ 또한, 시추공의 정보는 ‘국토교통부 산하 국토지반정보 통합DB센터(https://www.geoinfo.or.kr)’에서 제공하는 정보를 이용하였다. 모든 시추공에 대한 정보가 기술적 결함으로 인해 본 DB에 존재하지 않는 이유로, 인접 시추공의 정보를 통해 해당 지형 특성 정보를 간접적으로 획득할 수 있었다. 이는 후술할 제언에서도 언급할 것이다.
◇ 계산을 하기 위해서, 먼저 태양광 설치시 보강 방법과 하중 조건을 알 필요가 있다. 태양광 패널의 무게와 지지대와 무근콘크리트를 합한 하중이 0.93kN/m^2 로 작용하는 것으로 계산하였다.

이상의 2개의 사진은 각각 해당 필지 주변의 시추주상도 데이터이다.

◇ 또한, 문헌 참고 (공간분포형 습윤지수를 이용한 유역규모의 사면안정해석 – 한국지리학회지 3권 2호 2014 오성렬, 이기하)를 통하여 제천과 청도에 대한 지반 정수를 다음과 같이 설정하였다. 각 지역의 단위중량과, 점착력, 내부 마찰각은 다음과 같다.


제천 지역의 지반 정수 데이터


청도 지역의 지반 정수 데이터

상세설계 내용

수치해석 결과 및 설명

위 사진은 Slide3 프로그램을 이용하여 청도 지역 태양광 설치 사면의 평상시와 우천시 안전율을 분석한 결과이다.

위 사진은 Slide3 프로그램을 이용하여 제천 지역 태양광 설치 사면의 평상시와 우천시 안전율을 분석한 결과이다.

Janbu, Bishop 방법으로 각각 계산한 결과는 다음과 같다.

보강방법

◇ 본 연구에서는 현지 실정에 맞는 2가지의 보강공법, 즉 Soil nailing 공법과 micro pile 공법에 대해 소개하고, 현지 지역에 적용하여 안전율을 산출하고자 한다. 시뮬레이션 된 계산 결과를 바탕으로 안정적이고 경제적인 지형을 설계하는 방안에 대해 제안하고자 한다.

설계도면

◇ Slide3 프로그램에 포함되어 있는 보강 공법(soil nailing, micro pile 등)을 이용하여 보강을 실시하면 위와 같은 결과물을 얻을 수 있다. 위 사진은 사면 보강 공법 중 하나인 soil nailing 공법을 적용한 사면의 모식도이다. 위 사진은 본 연구의 방향성 제시를 위한 예시를 든 것이며, 최적의 공법은 아님을 밝힌다.

◇ 최적의 보강 공법은 추후 연구를 통해 채택할 것이고, 그 기준은 다음과 같다.
1. 포화 된 지반으로 가정
2. 안전율은 1.3 이상
3. 경제성 고려
4. 최소의 근입깊이
5. 보편적인 공법 사용

청도 지역 보강 시뮬레이션

◇ 위 표를 참조하면, 우기시 극한 상황에서 사면의 안전율은 1.3 이상이 나와야 함을 규정하고 있다. 따라서, 본 조에서는 이러한 규정을 준수하는 최적의 보강 방법을 찾고자 한다.
◇ 최적의 보강 방법은 경제성과 안정성 동시에 만족을 하는 방법이어야 한다. 따라서, 점성토 지반에서도 유효한 방법인 Micro Pile 공법을 이용하여 말뚝의 근입 깊이와 간격을 변경하면서 시험하고자 한다.
◇ 다음은 건설워커의 게시글에서 참고한 마이크로파일공사 단가를 바탕으로 해당 지반에 보강시 필요한 금액을 근입깊이와 간격(=천공횟수)으로 산정한 표이다.

◇ 빨강색으로 칠한 경우는 경제적이지 못한 보강방법이라 생각하여 제외하고 총 6개의 경우에 대해서 프로그램을 이용하여 보강시의 안전율을 계산해 보았다. 계산 과정은 다음과 같다.


◇이 외의 경우를 포함하여 다음과 같은 표로 나타낼 수 있다.

◇ 따라서, 말뚝 근입깊이 15m와 간격 20/30m가 최적의 보강공법임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 얻은 안전율은 1.401로 위에서 언급한 기준에도 만족하는 모습을 보였다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

위 사진들은 각각 완성된 모형을 정면과 측면, 그리고 45도 측면에서 촬영한 사진이다.

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

◇ 본 연구에서는 제천과 청도의 태양광이 설치된 사면의 안전율을 건기와 우기의 경우로 나누어 각각의 안전율을 조사하였고, 그 결과는 표 3과 같다.

◇ 해당 사면에서 우기시 청도 태양광 설치 사면의 안전율은 0.616이었고 이는 KDS 11 70 05 기준에 적합하지 못한 것으로 확인되었다.

◇따라서 본 연구에서는 해당 지역의 지반 보강의 필요성을 확인할 수 있었다. 청도 지역의 지반을 보강하기 위해 Micro Pile 공법과 Soil Nailing 공법의 적용성을 확인하였고, 점성토가 섞인 해당 지반의 경우 Micro Pile을 적용하는 것이 더욱 합리적이라고 판단함.

◇ 따라서, 해당 공법을 이용하여 보강하는 경우의 공사단가를 파악하고, 말뚝의 간격과 근입 깊이에 따른 안전율을 비교한 결과 말뚝 45개를 15m의 깊이로 근입하였을 때 안전율 1.401이라는 결과를 확인할 수 있었음. 이는 KDS 11 70 05 기준에 적합한 것으로 확인 되었고, 본 연구의 보강 방법이 효과가 있었음을 확인할 수 있었음.

◇ 본 연구의 의의는 의심으로만 가지고 있었던 태양광 사면의 안정성에 대해서 지반공학적 지식과 수치해석적 기법을 통해 직접 해석함으로서 사면이 가지고 있는 위험성에 대해서 공학적인 방법에서 접근하였다는 점이다.

◇ 또한, 미비된 규정 등 현재 상태의 한계에 대해서 확인해 볼 수 있었고, 관련 규정의 추가적인 도입과 구체적인 시공 기준의 마련의 필요성을 확인할 수 있었음.

◇ 다만, 본 연구가 가지는 한계사항은 시추공 위치 데이터의 부족으로 인해 근사적인 지반 정수 수치를 사용하였다는 것과, 본 연구 내용이 다른 지역에 직접적으로 적용되기 어렵다는 점이다. 이 점에 대해서는 추가적인 연구를 통해 해결할 수 있으리라고 생각한다.

향후계획

특허 출원 내용