강우침투 특성을 고려한 불포화 급경사지 붕괴예측

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the number of disaster occurrence is increasing world widely due to climate changes. Accordingly, the losses of lives and properties resulting from domestic natural disaster is also increasing year by year. In Korea, the average annual number of deaths caused by the steep slope failure, which is one of the representative natural disasters, is about forty-two over the past thirty-six years. To prevent steep slope failure, prediction of locations with high probability of steep slopes' failures is important for the purpose of minimizing the losses resulting from their failures. Therefore, many researchers suggested indices of steep slope failure estimation based on the Rainfall Criteria and Intensity-Duration (I-D) threshold. Studies on constructing hazard maps are actively being conducted with the consideration of topographical factors and geographical information system (GIS). From the implementation of the steep slope failure estimation criteria recommended in the literature to domestic disaster cases, it was found that the existing estimation criteria have limitations because they take an account of three major factors, rainfall, topography, and geotechnical characteristics separately. Furthermore, even with an advanced steep slope analyses using conventional unsaturated soil mechanics, estimations of real steep slope behavior or physics under slope failure were not accurate.
In this study, new analysis and prediction methods on steep slope failure are suggested so that these new methods reflect the rainfall characteristics, topography (including slope angle), and hydro and mechanical properties of unsaturated soils. To consider the realistic mechanism of steep slope failure, unsaturated characteristics (soil-water characteristic curve, unsaturated permeability curve, and shear strength of unsaturated soil) and rainfall infiltration of weathered soils from frequent steep slope failure regions were analyzed. Steep slope infiltration-considered stability analyses were performed for different rainfall characteristics (rainfall intensities and durations)　and slope angles by assigning the analyzed hydro and mechanical properties of unsaturated foundations as input parameters. The unsaturated infinite steep slope infiltration-considered stability analyses were conducted using the infiltration model by Mein and Larson (1973) and shear strength model accounting suction stresses. In the analyses, suction profile which expresses in terms of positive pore water pressure within seepage profile exerted from precipitation is adapted based on the results of infiltration model tests and the research by Rahardjo et al. (1995). Stability analysis is performed using unsaturated infinite slope stability theory, and Prediction Criteria for Steep Slope Failure (Hazard Diagram & I-D Equation) are suggested and verified. The Prediction Criteria for Steep Slope Failure are developed based on the boundary criterion representing safety level obtained from safety factor considering rainfall intensity and duration. The suggested Prediction Criteria for Steep Slope Failure consider the rainfall characteristics, steep slope angle, geotechnical characteristics simultaneously and suggest more reliable failure estimation criterion of steep slopes by compensating the problems found from the previous studies. In addition, new prediction model for steep slope failure is suggested based on the dynamic risk analyses for wide area by integrating the safety factor calculated from unsaturated infinite slope stability analysis and GIS. The suggested prediction model for steep slope failure enables steep slope risk assessment based on the major influential factors of steep slope failure, such as rainfall, topographic characteristics (slope angle), engineering properties (unsaturated characteristics) of slopes.
Future studies are required for the improvement of the prediction model for steep slope failure proposed in this study. The improvement should be focused on real-time risk assessment of steep slopes and suggestion of management and disaster warning system of steep slopes based on the real-time risk assessment.

국문 초록 (Abstract)

최근 전 세계적으로 기상이변에 따른 재해가 증가하고 있는 실정이며, 국내에서도 자연재해로 인한 인명 및 재산피해가 매년 증가하고 있다. 국내에서 발생되고 있는 대표적인 자연재해인 급경사지 붕괴로 연 평균 41.7명(1976～2011)의 인명피해가 발생되고 있다. 급경사지 재해를 미연에 방지하고, 급경사지 붕괴에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 급경사지 붕괴 발생 가능지역에 대한 예측이 필요하다. 따라서 많은 연구자들은 기준강우량(criteria rainfall) 및 I-D(intensity-duration) 기준(threshold)을 급경사지 붕괴예측 지표로 제시하거나, 지형인자에 GIS를 접목하여 위험지도(hazard map)를 작성하는 등 관련연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 선행연구에서 제시한 급경사지 붕괴예측 기준을 국내 재해사례에 적용한 결과, 급경사지 붕괴 영향인자인 강우, 지형(경사) 및 지반특성을 동시에 반영하지 못하여 급경사지 붕괴예측 지표로 활용하기에는 많은 한계점을 가지는 것으로 분석되었다. 또한 고전적인 포화토 원리를 적용하여 실제 급경사지 지반에서 발생하는 현상과 거동을 합리적으로 해석 및 예측하기 어렵다는 사실이 파악되었다.
이에 따라 본 연구에서는 급경사지 붕괴에 큰 영향을 미치는 강우와 경사, 불포화 지반의 수리/역학적 특성을 반영할 수 있는 새로운 분석기법 및 예측방법을 제안하고자 하였다. 급경사지 붕괴의 실질적 메커니즘을 고려하기 위해 급경사지 붕괴가 빈번히 발생하는 지역의 불포화특성(함수특성곡선, 불포화 투수곡선 그리고 불포화 전단강도)과 강우침투(rainfall infiltration)특성을 분석하고, 강우침투로 인한 불포화 지반의 거동특성을 반영할 수 있는 불포화 무한사면 안정이론을 도입하였다. 분석된 불포화 지반의 수리/역학적 특성을 안정해석의 입력변수로 적용하고, 강우특성(강우강도 및 강우 지속기간) 및 경사에 따른 급경사지 침투안정해석을 수행하였다. 불포화 무한사면 침투안정해석은 Mein and Larson(1973) 침투모델과 흡입응력(suction stress)을 고려할 수 있는 Lu and Likos(2006)의 전단강도 모델을 사용하였으며, 침투모형시험 및 Rahardjo 등(1995)의 연구를 참고하여 강우발생에 따라 침윤전선 내부의 간극수압이 양(+)의 값을 갖는 형태의 간극수압 분포도(suction profile)를 적용하여 수행하였다.
급경사지 침투안정해석을 통해 산정된 안전율에 안전수준(safety level)을 나타낼 수 있는 경계기준(boundary criterion)을 제시하여 급경사지 붕괴예측 기준(prediction criteria for steep slope failure)을 제시하고 검증하였다. 제시된 급경사지 붕괴예측 기준은 강우특성뿐만 아니라 급경사지 경사와 지반공학적 특성을 동시에 반영하여 선행연구에서 분석된 문제점을 보완하여 더욱 신뢰성 높은 급경사지 붕괴예측 기준을 제시하였다. 또한, 불포화 무한사면 안정이론을 통해 도출된 안전율을 GIS에 접목하여 광역적인 지역에 대한 동적인 위험성 분석을 수행할 수 있는 새로운 급경사지 붕괴예측 모델(prediction model for steep slope failure)을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 급경사지 붕괴예측 모델은 급경사지 붕괴에 가장 큰 영향을 미치는 강우와 기하학적 특성(경사), 급경사지 구성물질의 공학적 특성(불포화 특성)을 고려하여 급경사지 위험성을 정량적으로 판단하는 기법으로 급경사지 붕괴발생 메커니즘과 과정을 고려할 수 있다.
향후 본 논문에서 제시한 급경사지 붕괴예측 모델을 발전시켜 나간다면, 강우에 따른 실시간 급경사지 위험성 평가가 이루어질 뿐만 아니라 실시간 위험도를 기준으로 급경사지 재해 조기경보체계 및 급경사지 관리방안을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차
• 표 목차
• 국문초록
• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구배경 및 목적
• 1.2 연구방법 및 내용
• 제 2 장 급경사지 재해와 예측
• 2.1 기후변화에 따른 강우특성
• 2.1.1 한반도 기후변화
• 2.1.2 한반도 강우특성
• 2.2 급경사지 재해발생 현황
• 2.2.1 자연재해와 급경사지 재해로 인한 인명피해
• 2.2.2 급경사지 재해발생 현황 분석
• 2.2.3 풍화토에 따른 급경사지 재해
• 2.3 강우특성을 고려한 국내 급경사지 재해분석
• 2.3.1 신뢰성 있는 강우자료 수집
• 2.3.2 강우로 인한 급경사지 붕괴
• 2.4 급경사지 재해 예측법
• 2.4.1 급경사지 위험성 예측기법
• 2.4.2 강우특성을 이용한 급경사지 붕괴예측
• 2.4.3 GIS를 이용한 급경사지 재해 예측법
• 2.5 요약 및 토의
• 제 3 장 불포화토의 이론적 고찰
• 3.1 불포화토의 기본이론
• 3.1.1 불포화토의 기본구조
• 3.1.2 표면장력
• 3.1.3 모관흡수력
• 3.2 불포화토의 수리․역학적 특성
• 3.2.1 함수특성곡선
• 3.2.2 불포화 투수특성
• 3.2.3 불포화 전단강도
• 3.2.4 흡입응력특성곡선
• 3.3 불포화토 침투이론
• 3.3.1 Green-Ampt 모델
• 3.3.2 습윤대 방법
• 3.3.3 Pradel and Raad 모델
• 3.3.4 Mein and Larson 모델
• 3.3.5 Chu 모델
• 3.4 요약 및 토의
• 제 4 장 불포화 지반의 수리․역학적 특성
• 4.1 풍화토에 따른 불포화 지반특성
• 4.2 풍화토에 따른 불포화토의 수리학적 특성
• 4.2.1 함수특성곡선 실험
• 4.2.2 불포화 투수실험
• 4.3 풍화토에 따른 불포화토의 역학적 특성
• 4.4 불포화토의 침투특성
• 4.2.1 침투모형시험
• 4.2.2 급경사지 현장계측
• 4.5 요약 및 토의
• 제 5 장 급경사지 붕괴예측
• 5.1 강우침투에 의한 급경사지 붕괴
• 5.2 불포화 무한사면 안정해석
• 5.2.1 불포화 안정이론의 주요 영향인자
• 5.2.2 불포화 급경사지 침투안정해석
• 5.3 급경사지 붕괴예측 기준 제안
• 5.3.1 급경사지 붕괴예측 기준
• 5.3.2 지반정수 산정 및 안전율 분석
• 5.3.3 급경사지 붕괴예측 기준 작성
• 5.3.4 급경사지 붕괴예측 기준 검증
• 5.4 급경사지 붕괴예측 모델 제안
• 5.4.1 강우침투 특성을 고려한 급경사지 붕괴예측 모델
• 5.4.2 GIS를 이용한 경사 주제도 구축
• 5.4.3 불포화 급경사지 침투안정해석
• 5.4.4 급경사지 붕괴예측 모델 적용
• 5.5 요약 및 토의
• 제 6 장 결 론
• 참고문헌
• Abstract