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 교통공학과 2019XXX0** 김**

서울시립대학교 토목공학과 2017XXX0** 이**

서울시립대학교 토목공학과 2019XXX0** 김**

서론

개발 과제의 개요

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

개발 과제 요약

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

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

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

개발 과제의 배경

◇ 수도권 전역에 호우경보가 발효된 8월 8일에 서울특별시 동작구 신대방동 일대는 최고 시 간당 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 복합토목 섬유 및 배수공법(수평배수공)의 사면안정공법을 적용한 사면의 안정성을 침투해석 및 사면안 정해석 시뮬레이션을 통해 비교하고자 한다.

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

◇ 최적배수공법과 기존 녹화공법의 시공비용을 비교하여 경제적 활용 가능성이 높음을 제시 하고자 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 안 전율 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(70,349원)보다 복합토목섬유에 쓰 이는 면적당 비용(20,266원)으로 약 1/3 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°

실험강우량 산정

내용

해석에 필요한 물성치 산정

내용

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

해석 이론과 계산

내용

SEEP/W 침투해석 시뮬레이션 및 결과

내용

SLOPE/W 사면안정 시뮬레이션 및 결과

내용

경제성 분석

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

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

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

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

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