실시간 모니터링 기반 비탈면의 토양피복에 따른 얕은파괴 경보 기준 제안 = A Study on Shallow Failure Warning Criteria according to Soil Cover on Slopes based on Real-Time Monitoring

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화로 인한 국지성 호우 및 집중강우의 빈도 증가로 인해 산사태의 위험이 점차 증가하고 있다. 특히, 인위적 벌목, 둘레길 개발, 임도 등 계속적으로 진행되는 공사 등의 영향으로 지반 환경이 빠르게 풍화가 가속화되고 강우 침투로 인한 지반 함수비의 상승은 비탈면 붕괴로 이어질 가능성이 높다. 이에 따라 실시간 지반 함수비 계측 기반의 사면 모니터링 기술 개발이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 무선 센서 네트워크(WSN; Wireless Sensor Network)시스템을 활용하여 비탈면에 실시간 함수비 모니터링을 수행하였다.
연구 대상지는 광주광역시 서구 OO산으로 2018년 장마철에 얕은 비탈면 붕괴 이력이 있으며, 소나무 재선충병 방지를 위한 벌목작업으로 인해 벌목지역과 수풀지역이 혼재된 지형이다. 모니터링 시스템 구축은 각 지역별로 3개소 씩 총 6개소로 한 곳당 3개의 함수비 센서를 심도 깊이별(20cm, 40cm, 60cm)로 설치하여 1년 7개월간 계측을 수행하였다. 수집된 자료를 기반으로 유효누적강우량(ECR; Effective Cumulative Rainfall)과 체적함수비 증가 기울기(VWCG; Volumetric Water Content Gradient)간의 상관성을 분석하였다.
비탈면의 강우 모니터링 결과, 수풀지역은 대부분 체적함수비 증가 기울기 0.1 이하이고 유효누적강우량(ECR) 60mm 이하 구간에 분포하여 식생 피복이 침투 속도를 지연시키고 함수비 변화 속도를 완화하는 완충 효과를 확인하였다. 반면, 벌목지역은 ECR이 40～70mm를 초과하고 함수비 증가 기울기 0.2 이상으로 강우 초기부터 급변하는 함수비 변화가 발생하였다. 이는 식생 유무와 토양의 풍화작용 등 현장의 지반 환경이 복합적으로 작용한 결과로 해석 된다.
또한, 무한사면 조건을 적용한 수치해석을 통해 사면경사(30°～45°) 및 강우 침투 심도 조건(20cm, 40cm, 60cm)에 따른 안전율 변화를 분석하였다. 강우 침투 심도가 깊어질수록 유효누적강우량이 사면 내부에서 증가되면서 사면 안정성 저하에 직접적인 영향을 끼쳤다. 특히, 45° 사면 경사에서 심도 60cm의 최저 안전율은 0.694로 20cm 및 40cm 조건에서 나타난 최저 안전율(1.058, 1.031) 대비 약 10배 이상의 큰 감소폭을 보였다. 이는 비탈면 지층의 포화 깊이 심도가 증가할수록 사면 안정성에 미치는 영향이 급격히 증대됨을 의미한다.
결과적으로 실측 데이터와 수치해석 결과를 종합하여 체적함수비 증가 기울기(VWCG)와 유효누적강우량(ECR)을 기준으로 강우시 비탈면 조기경보 단계를 제안하였다. 기존 연구(Suk et al., 2020)에서는 실내모형시험을 기반으로 VWCG 기준만을 활용하여 경보 단계를 설정한 반면, 본 연구에서는 2018년 실제 비탈면 붕괴 사례와 1년 7개월 동안 수집된 현장 데이터를 분석하여 VWCG와 ECR을 조합한 경보 기준을 제안하였다. 강우로 인한 비탈면 경보 기준은 총 4단계로 『관심단계』(VWCG 0.1 이하, ECR 60mm 이하), 『주의단계』(VWCG 0.3 이하, ECR 80mm 이상), 『경계단계』(VWCG 0.3 이상, ECR 80mm 이하), 『심각단계』(VWCG 0.3 이상, ECR 80mm 이상)로 체적함수비 증가 기울기(VWCG)의 영향력을 유효누적강우량(ECR)보다 가중치를 높게 책정했다. 이는 WSN 기반 실시간 모니터링 시스템과 연계하여 사면 붕괴 징후를 조기에 탐지하고, 단계별 재난 대응체계를 운용하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목차 ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• 초록 ⅵ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 4
• 1.3 연구방법 7
• 제 2 장 이론적 배경 9
• 2.1 불포화토 특성 9
• 2.1.1 모관흡수력 10
• 2.1.2 질량-체적 관계 12
• 2.1.3 불포화토의 전단강도 14
• 2.1.4 함수특성곡선(Soil-Water Characteristic Curve, SWCC) 17
• 2.2 불포화 특성을 고려한 사면의 강우조건 19
• 2.2.1 국내 강우의 특성 20
• 2.2.2 불포화 특성을 고려한 무한사면 침투가정 21
• 2.2.3 강우지속시간과 강우강도 23
• 2.3 토양침식의 종류 25
• 2.3.1 토양침식 영향인자 26
• 2.3.2 토양침식과 지표피복 28
• 2.4 산사태 및 토석류 특성 30
• 2.4.1 사면 재해의 종류 31
• 2.4.2 사면 재해의 발생 요인 33
• 2.4.3 토석류 35
• 2.5 산사태 모니터링 37
• 2.5.1 산사태 모니터링의 필요성 37
• 2.5.2 무선 센서 네트워크(WSN) 시스템 39
• 2.5.3 무선 센서 네트워크(WSN) 시스템의 기술 39
• 제 3 장 함수비 모니터링 시스템 구축 45
• 3.1 연구방법 및 장비 45
• 3.1.1 무선 센서 네트워크(WSN) 시스템 구성 요소 46
• 3.1.2 토양 함수비 센서 47
• 3.1.3 무선 센서 네트워크 최적 배치 49
• 3.2 대상지역 현황 및 토질특성 51
• 3.2.1 연구지역 현황 51
• 3.2.2 구역별 지반재료 특성 53
• 제 4 장 무선 센서 네트워크를 이용한 토양 함수비 모니터링 58
• 4.1 강우침투 특성 분석 62
• 4.2 체적함수비 증가 기울기 산정 72
• 4.3 유효누적강우량(ECR) 산정 93
• 4.4 매설깊이에 따른 안정성 비교 96
• 제 5 장 얕은파괴 조기경보 기법 제안 103
• 5.1 얕은파괴 조기경보 단계 기준 제시 113
• 제 6 장 결론 118
• 참고문헌 121
• ABSTRACT 128