4조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 강원도 산불 발생 후 지오셀과 바이오폴리머를 활용한 취약해진 사면의 안정성 확보 방안

영문 : A Study on Securing the Stability of Fragile Slopes Using Geocell and Biopolymer after Forest Fire in Gangwon-do

과제 팀명

사태 방지하조

지도교수

강*훈 박사님

개발기간

2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 육*혁(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 길*성

서울시립대학교 토목공학과 20178600** 조*홍

서울시립대학교 조경학과 20168750** 이*우

서울시립대학교 조경학과 20178750** 김*수

서울시립대학교 토목공학과 20158600** 박*석

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

산불이 일어난 후 전단강도가 낮아지고 식물들이 화재로 없어지므로 척박해진 사면은 여름철 우기에 산사태 위험이 크므로 산불의 특수성을 고려한 공법 사용하여 대책 강구할 것이다.

개발 과제의 배경

2022년 3월 4일 오전 11시 17분경 강원도 인근에서부터 대규모 산불이 발생했다. 이 산불은 역대 최장 기록인 총 213시간 동안 진행되었으며 이로 인해 20923ha의 임야가 소실되었고 이는 여의도 면적의 72배에 달하는 면적이다. 이로 인해 강원도의 산림은 파괴되어 산사태와 같은 2차 피해의 위험과 여름철의 우기에는 평상시보다 산사태의 위험 가능성이 더 크기 때문에 대책이 강구되어야 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 설계는 아래 3가지를 목표로 한다.

1. 동해안 산불 발생지역 중 산사태 발생 위험이 가장 높은 곳을 예측한다.

2. 산불 발생 후 나타나는 토양의 특수성을 고려한다.

3. 추후 복구될 산림을 고려하여 환경에 적합한 재료와 공법을 사용한다.

◇ 위 목표를 수행하기 위한 설계 방향을 아래와 같이 설정하였다.

1. GIS 정보를 이용하여 실제 시나리오를 구성하고 산사태 발생위험이 가장 높은 곳을 선정한다.

2. 장소를 선정한 뒤 산불 발생 후 지반의 강도저하 및 소수성 발생 등을 고려하여 사면을 해석한다.

3. 사면 해석이 완료되면 환경 친화적인 재료와 공법을 이용해 설계안에 반영한다.

관련 기술의 현황(State of Art)

◇ 산림청 산사태 정보시스템

1. 산림청에서 제공하는 산사태 정보시스템은 산사태 예측정보와 산사태 위험지도 총 2가지로 나뉨

2. 산사태 예측정보는 기상청 강우자료를 토대로 권역별 산사태 토양함수지수를 KLES 모델을 사용하여 예측정보를 제공

3. 산사태 위험지도는 산사태의 발생인자 중 9개(임상, 경급, 사면경사, 사면방위, 사면길이, 사면곡률, 모암, 토심, 지형습윤지수)를 선정하여 제작

◇ 산사태 방지 대책

1. 안전율 유지법과 안전율 증가법의 두 가지 방법이 존재

2. 안전율 유지법에는 물리 역학적 방법과 생물 화학적 방법이 있으며 물리 역학적 방법으로는 배수공, 블록공이 있고, 생물화학적 방법으로는 피복공, 표층안정공이 있음

3. 안전율 증가법에는 활동력 감소법과 저항력 증가법이 있으며 활동력 감소법에는 절토공과 압성토공 저항력 증가법에는 억지말뚝공, 앵커공, 옹벽공과 고압분사주입공이 있음

◇ 사방사업의 설계 · 시공 기준

1. 시공 대상지의 토질을 토사/암반으로 구분하여 조사하고 지하암반은 지형 및 절토단면을 참고하여 추정 조사, 피해재발 우려지역은 필요시 지반조사를 병행하며 지황, 임황, 기상인자도 조사

2. 인근 주택 및 산업시설 등의 피해방지를 우선으로 하며, 2차적인 붕괴 · 침식, 토석류를 방지하기 위한 공법 적용

3. 산불이라는 특수성을 고려하여 산사태를 예방한 공법은 존재하지 않는 것으로 확인됨

시장상황에 대한 분석

기존/경쟁 기술/제품 조사 비교

◇ 산림청 산사태정보시스템

그림 1. 강원도 동해시의 산사태 위험지도 (적색(1등급) - 주황색(2등급) - 초록색(3등급) - 하늘색(4등급) - 청색(5등급))

1. 산사태의 위험도를 색깔별로 분류하여 위험도의 직관적인 예측 가능

2. 위험도 예측을 통해서 피해를 예방하는 경우도 존재하고 있지만, 위험도가 표시되어있지 않는 지역에서 발생하는 산사태에 대한 피해를 예방하지 못한다는 한계점 존재

3. 산불 등 대상지가 가지는 특수한 요인을 고려하지 못함

◇ 비탈면 녹화공법

1. 비탈면 표면을 장기적으로 안정화시키고 친환경적으로 복원시키기 위한 공법

2. 단기적으로는 비탈면의 세굴 및 유실을 방지하며 장기적으로는 비탈면 보호사면 주변의 경관 및 식생환경과 어울리게 조성되어 훼손된 환경이 복원하는데 도움을 주며 시각적 안정감을 줌

3. 녹화 공법의 적용은 비탈면 경사, 지반조건, 토양의 경도 및 산습도, 시비 여부, 녹화보조공법 필요 여부를 고려하여 선정

그림 2. 비탈면 녹화공법 선정도표

◇ 토목섬유

1. 토목섬유란 인공적으로 만들어진 토양구조물의 구성요소로 작용하는 고분자 섬유 재료를 일컫는 말

2. 대표적으로 벌집 형태의 지오셀, 지오웹이 있으며 토양의 안정성을 증가시키는 것 뿐만 아니라 필터 기능, 배수 기능, 부식 및 침식방지 기능을 수행함

시장성 분석

◇ 산림청 산사태정보시스템

1. 극한강우에 의한 산사태는 전통적 개별 모니터링 센서를 이용한 방법으로는 측정의 정확성이나 신속성에 한계가 있음

2. 산사태정보시스템에서 제공하는 산사태 위험지도의 경우 임상, 경급, 사면경사 등 9개의 인자만을 한정하여 판단하기 때문에 지형이 가지고 있는 자체적 인자나 산불과 같은 외부환경의 변화로 인해 발생하는 변화를 고려하지 못하는 이용상의 한계가 존재

3. 개략적인 위험도의 파악하는 데에는 뛰어나지만 피해의 방지 및 외부요인의 변화로 인한 특정 지역의 위험도 파악에는 한계가 있음

◇ 비탈면 녹화공법

1. 일반 토사와 식생기반재를 혼합하여 뿜어치기하는 방식은 급경사지나 암반 노출사면에서의 부착성과 내구성이 결여되어 3-4년 뒤 탈착되거나 토사가 흘러내리거나 식생이 멈추는 문제점 발생

2. 건조수축에 의한 표면 탈락으로 조기 부착력이 저조하게 발현되며, 우천 시 강우강도가 높을 경우 사면의 세굴 및 훼손으로 인한 내구성 감소가 발생하며 사면안정성이 떨어짐

3. Seed Spary의 경우 설계비용으로 1,784원/㎡가 필요하여 저렴하지만 안정성 확보를 위해서는 추가적인 시공이 필요하고 유지관리 비용이 필요

표1. (주)한국법면보호에서 제공하는 Seed Spray(KS 364)에 대한 일위대가 표

◇ 토목섬유 이용공법 – GEO WEB 공법

1. 토체의 전단강도와 강성을 증가시키므로 구조적 채움재의 강도를 증가시킴

2. 하중이 작용하면 횡방향 구속력과 흙과 셀 벽 사이에 상호 마찰력을 발생시키는데 이는 채움재가 연약지반으로 침투하는 것을 방지하며 구조적 가교를 형성하여 구조채의 두께와 무게를 약 50% 이상 절감시킴

3. 구조체 두께와 무게의 절감 및 성토재를 구매하지 않고 현장 유용토를 사용할 수 있어 경제적인 공법임

사회성 분석

◇ 산림청 산사태정보시스템 : 올해 초 발생한 동해안 산불로 인해 발생한 국지적 특수성(화재로 인한 토양의 발수성 증가, 수목의 토양 지지력 감소 등)을 고려하지 못하여 해당 지역에 대한 산사태 위험도 평가는 유의미하지 못함

◇ 비탈면 녹화공법 : 비용이 저렴하고 기존 자연 식생과의 연계성을 통하여 시각적 안정감을 주고 환경 복원에 긍정적인 영향을 끼치지만, 부착성 보완을 위한 부수적 재료비와 시공비가 발생하여 경제성이 떨어지며 생애주기비용(Life Cycle Cost)이 높아 효율적이지 못할 것으로 예상됨

◇ 토목섬유 이용공법 : 구조체의 두께와 무게가 적어 시공 비용이 비교적 저렴하며 비탈면 녹화공법과 같은 다른 공법과 동시에 적용이 가능하여 구조적 안정성을 확보한 상태에서 친환경적 산지복원에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상됨

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ GIS와 GEO SLOPE을 이용하여 현재 화재 피해 발생 대상지 중 구체적 지역에 대한 위험도 및 사면안정공법 제안

◇ 토목섬유와 바이오폴리머, 비탈면 녹화공법을 조합하여 경제적이고 친환경적인 사면안정공법 제안

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 최근 2019년 태풍의 직 · 간접적 영향의 증가로 피해면적이 156ha에 해당하여 2013년 이후 피해면적이 최대가 되었으며, 2020년 역대 최장기간 기록적 폭우로 인해 산사태 피해면적이 1343ha로 급격히 증가

그림5

◇ 그림 5을 보면 올해 5월과 6월 경우 강수량이 평년보다 크거나 같을 확률이 80%인데, 지난 3월 4일 발생한 울진-삼척 산불로 인해 해당 지역의 경우 산사태 피해 발생 가능성이 높아져 2021년의 피해액인 14,999,000,000원 보다 피해액과 복구비용이 더 커질 수 있는데, 제안한 공법을 통하여 이러한 피해액과 복구비용을 더 감소할 수 있어 불필요한 예산의 지출을 감소시킬 수 있을 것으로 예상함.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

3D 설계도 제작 : 김*수, 이*우

보고서 제작 : 김*수, 길*성, 육*혁, 이*우, 조*홍

피피티 제작 : 길*성, 육*혁

GIS 프로그램 : 이*우

GEO SLOPE 프로그램 : 육*혁, 조*홍

발표 : 조*홍

예산 책정 및 집행 : 길*성, 이*우, 육*혁

보고서 및 아이디어, 경제성 피드백 : 박*석

설계

설계사양

설계 사양

공법의 적용

공법 별 요구사항

 (1) 바이오폴리머

     ◇ 산불로 취약해진 흙의 전단 강도를 충분히 높일 수 있어야 한다.
     ◇ 산불로 인해 척박해진 흙에 바이오폴리머를 적용했을 때 식물이 잘 자랄 수 있어야한다.

 (2) 지오셀
      
     ◇ 지오셀 설치 후 셀 안에 흙을 다져서 넣어야한다.
     ◇ 셀 안에 식생 공법 적용 시, 셀의 직경보다 작은 식물을 써야한다.

개념설계안

GIS 정보를 활용한 산사태 위험 지역 예측

◇ Qgis프로그램을 사용하여 경사도가 31˚~40˚이며 동시에 화재 심각도가 약함 이상인 지역을 추출한다. 유효 토심 정보까지 연산하여 강원도 내의 산사태 위험구역 대상지 후보를 선정. 
그 후 기반암의 유형, 경사도, 표고, 사면의 길이 등에 대한 데이터를 gis로 추출.

GEO SLOPE 프로그램을 이용한 사면안정해석

◇ 위 그림은 GEO SLOPE 의 활용 예시이다. GEO SLOPE은 여러 파괴면을 나타내어 각 파괴면들의 안전율을 구하는 프로그램이다. 선정한 산사태 위험구역 대상지 후보에 대해 GEO SLOPE를 이용하여 사면 안정 해석을 실시한다.

지오셀과 바이오폴리머를 활용한 사면 안정방안

지오셀의 구조

◇ 지오셀의 입체구조는 바이오 폴리머 재료를 이용하여 셀을 형성하기 때문에 사면에 작용하는 하중을 지지하는 효과와 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 표층에서 우수로 인한 표토들은 위 그림과 같이 지오셀의 노출된 패널 모서리로 의하여 추가 유실을 방지하고 여과성 구멍으로 인하여 사면 안정 뿐만 아니라 녹화 이용까지 가능하다.

바이오 폴리머로 인한 식생 성장 촉진

◇ 바이오 폴리머 재료는 위 그림과 같이 식생 성장을 촉진할 뿐 아니라 사면 토양 고결화로 침식으로 인한 손상이 적기 때문에 사면 피복을 빠르게 회복하고 우수로 인한 피해를 최소화할 수 있다. 기존 고결제인 벤토나이트 용액과 달리 바이오 폴리머 재료는 식생과 함께 적용할 수 있기 때문에 기존 사면 고결 재료에 비해 환경친화적으로 미관개선까지 기대할 수 있다.

◇ 지오셀, 바이오 폴리머 공법을 산사태 발생 위험 후보지에 적용했을 때의 사면 안정 해석을 GEO SLOPE를 이용하여 실시한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

산사태 위험지역 선정과정

그림A.화재발생 이전 NBR(정규산불피해비율)값 그림B.화재발생 이후 NBR(정규산불피해비율)값

◇ 위 그림과 같이 LANDSAT 데이터를 이용하여 강원도 부근의 산불 발생지역을 산출한다.

그림C.dNBR값 그림D.dNBR값을 이용한 맵핑

◇ [그림 C]는 [그림 A]과 [그림 B]의 화재발생이전 NBR값과 화재발생 이후 NBR값의 차인 dNBR값을 이용해 화재 발생 심각도 계산한 것이고 [그림 D]는 [그림 C]의 결과값을 색상별로 맵핑한 것이다. 화재 심각도가 0~0.269인 곳은 산불피해가 없는 곳이며 표시는 되어있지않다. 화재 심각도가 0.269~1.3인 곳은 산불피해가 낮은 곳이며 노랑색으로 표시되어있다. 화재 심각도가 0.269~0.439인 곳은 산불피해가 보통 수준인 곳이며 주황색으로 표시되어있다. 마지막으로 화재 심각도가 0.659 이상인 곳은 산불피해가 높은 수준인 곳이며 붉은색으로 표시되어있다.

DEM 데이터를 이용한1m-1m 경사도 경사도가 31도~40도임과 동시에 화재심각도가 약함 이상인 지역 추출

대상지의 유효토심 정보 앞의 세 그림을 종합한 대상지 후보

◇ 첫번째 그림은 DEM 데이터를 이용한 1m-1m 경사도이다. 이성재 외(2019)에 의하면 경사도가 31˚~40˚이고, 토심이 15cm 이하인 곳에서 산사태 발생확률이 높아진다고 한다. 따라서 첫번째 그림]를 이용하여 두번째 그림과 같이 경사도가 31˚~40˚이며 동시에 화재 심각도가 약함 이상인 지역을 추출한다. 또한 세번째 그림의 유효토심 정보까지 연산하여 네번째 그림과 같이 강원도 내의 산사태 위험구역 대상지 후보를 선정한다. 그 후 기반암의 유형, 경사도, 표고, 사면의 길이 등에 대한 데이터를 gis로 추출하여 산사태 예상 지역을 선정하고 그 사면에 대한 사면 안정 해석을 실시한다.

13곳의 산사태 예상 지역 13곳의 산사태 예상 지역(토심도)

◇ 아래의 3가지 조건을 이용하여 위의 그림과 같이 13곳의 잠재적 산사태 발생 구역을 선별한다. 

   (1) 산불의 피해가 약함 이상인 지역
   (2) 대상지 중 경사도가 31~40도 인 지역
   (3) 대상지 중 인적 피해가 있을 지역이나 민가 도로 등이 있는 곳

동해시의 유효토심 자료

◇ 위 그림은 동해시의 유효토심이다. 대상지가 붉을수록 유효토심이 얕다는 것을 의미하고 밝을수록 유효토심이 깊다는 것을 의미한다. 앞선 과정에서 도출된 13개의 대상지 중 유효토심이 가장 얕은 빨간색 부분인 1번, 6번, 8번 구역의 시뮬레이션을 진행한다.

GEO SLOPE의 결정인자

◇2차원 사면 해석 프로그램인 GEO SLOPE는 총 6개의 결정인자에 의해 시뮬레이팅된다. 그 6개의 인자는 아래와 같다. 

(1) 흙의 단위중량

(2) 내부마찰각

(3) 점착력

(4) 표층의 두께

(5) 풍화토의 두께

(6) 지반의 지하수위

◇본 항목에서는 위에서 언급한 1,6,8번 사면에 대한 6개의 지반 물성치 산출과정에 대해 서술하고자 한다.

 (1) 흙의 단위중량

◇ 위 그림은 사면 1, 6, 8의 인접한 시추 주상도이다. 이를 통하여 사면 1, 6, 8의 표토, 풍화토, 풍화암 층의 N값을 구하였다.

N값과 내부마찰각, 상대밀도, 습윤단위중량 사이의 관계

MATLAB을 통한 다항 회귀식

다항회귀식을 통해 추출된 흙의 단위중량값

◇ 위 과정에서 도출된 사면 1,6,8번의 N값을 첫번째 그림의 표에 기재되어있는 N값과 습윤단위중량의 관계를 통해 두번째 그림과 같이 MATLAB을 통해 다항 회귀식을 추출할 수 있었다. 그 후 N값을 대입하여 시추주상도 위치의 단위중량 값을 얻을 수 있었고 세번째 그림과 같이 그 지점들의 단위 중량값을 GIS 보간시스템을 이용하여 대상지의 단위 중량값을 추출할 수 있었다. 

 (2) 내부마찰각

[[파일:사태방지하조그림26.png] 도로교 시방서의 경험식

◇ 내부마찰각의 경우는 도로교 시방서의 경험식을 이용하여 시추주상도 위치의 내부마찰각을 얻고 그 지점의 내부마찰각을 마찬가지로 GIS 보간시스템을 이용하여 대상지의 내부마찰각 값을 얻을 수 있었다.

 (3) 점착력

[[파일:사태방지하조그림27.png] N값에 따른 일축압축강도(출처: 기초공학, 권호진 외 3인)

◇ 점착력의 경우는 실측에 기반한 범위를 제시한 논문(공내 전단시험을 이용한 암종별 풍화대의 전단강도 특성에 관한 연구(손인환))을 참고하였습니다. 그림 20는 암종별 풍화토 풍화암의 물성치가 나오는데 대상지는 사암, 셰일을 기반으로 하고 있으므로 퇴적암 풍화토, 풍화암의 점착력 범위의 평균값을 사용하였다. 표층의 경우는 구할 수 없어 기초공학(권호진 외 3인)의 표에서 점착력을 추출하였다.

 (4) 표층의 두께 

◇ 표층의 두께의 경우는 대상지에 가장 인접하고 산지를 대상으로 한 위의 시추 주상도를 이용하여 6m로 설정하였다. 

 (5) 풍화토의 두께

◇ 풍화토의 두께의 경우는 대상지에 가장 인접하고 산지를 대상으로 한 위의 시추 주상도를 이용하여 9m, 15m의 평균인 12m로 설정하였다. 

(6) 지반의 지하수위

◇ GEO SLOPE 해석에서 지하수위의 입력값은 동해시의 지하수위 관측 자료가 없어 바로 윗 지역인 초구동의 데이터를 사용했다. 본래는 30년, 50년, 100년 등의 자료로 선정해야하나 지하수위 자료가 2011년부터 2021년까지의 11년치의 자료 밖에 없어서 과거 11년치의 지하수위 자료만을 사용하였다. 지하수위 평수위의 자료 계산 결과값은 2.88m임을 알 수 있었다. GEO SLOPE의 단위는 1m 단위로 계산되므로 지반의 지하수위를 3m로 산정하였다. 

◇ 이를 통해 산출된 1, 6, 8번 사면의 물성치는 아래와 같이 정리할 수 있었다. 사면 안정 해석 방법은 Spencer법을 사용하였다.

slope 1

slope 6

slope 8

산불로 인한 물성치 변화

◇ 본 대상지는 일반적인 대상지와 다르게 산불이 발생한 지역이기 때문에 일반적으로 산출된 지반의 물성치가 아니라 산불로 인해 교란되었다는 사실을 반영해야 한다. 따라서 ‘’산불 발생지역에서 상부토층의 공학적 특성 변화(송영석 외 2인)’을 통해 산불이 발생한 이후에 지반의 물성치가 변화한다는 것을 반영하여 사면 1, 6, 8번의 물성치를 수정하였다. 산불 발생 이후 지반 물성치에 대한 변화값과 그를 통해 산출된 사면 1, 6, 8번의 물성치는 아래와 같다. 

◇ 논문(‘산불 발생지역에서 상부토층의 공학적 특성 변화(송영석 외 2인)’)에서의 산불 발생 전후 물성치 변화값
 1) 단위중량 1.25 > 1.1
 2) 내부마찰각 35 > 33.5
 3) 점착력 0.56 > 0.39
 이 값을 사용하여 산불에 영향을 받은 상부 토층의 단위중량, 내부마찰각, 점착력 값을 비율을 맞추어 감소시켰다. 그리고 표층은 6m로 설정하였는데, 산불이 표층 두께 전체에 영향을 끼쳤다고 가정하였다.

결과 및 평가

완료작품의 평가

내용