서론

우리나라는 계절적으로 강수량의 차이가 심하며 짧은 기간에 많은 강우를 동반하는 특징을 갖는다. 우리나라는 온대성 저기압에 의한 4월부터 7월까지의 강우, 열대성 저기압과 이동성 고기압에 의한 8월부터 9월까지의 강우, 그리고 북태평양 고기압과 오츠크 고기압에 의한 전선성 강우 등의 특징을 갖고 있다. 이 가운데 연평균 강우량의 약 70%가 6월에서 9월 사이에 집중호우 형태로 발생하고 있다. 따라서 우리나라에서 발생되는 산사태는 대부분 이 시기에 발생되므로 산사태 발생의 주요 요인은 강우라고 판단할 수 있을 것이다.

광산 개발시 발생되는 폐석을 특별한 처리 없이 자연사면에 적치하여 많은 환경적인 문제를 야기하고 있다(Dobry and Alvarez, 1967; Banks et al., 1997; Blight, 2000). 또한 자연사면에 조성된 폐석적치장의 경우 강우시 표면침식과 사면변형이 발생될 수 있으며(Blight and Amponash-Da Costa, 2004), 붕괴시 막대한 인명 및 재산피해를 유발할 수 있다(Blight et al., 1981; Lo and Klohn, 1996). 국내의 경우 폐석적치장에 대한 적절한 유지관리가 수행되지 못하여 적치장의 법면이 유실되는 표면침식, 폐석적치장 하중으로 인한 자연사면의 활동파괴 등이 발생하고 있다(Cho et al., 2011; Cho and Song, 2014). 따라서 폐광산지역에 대한 환경공학적 측면에서의 안정성과 더불어 지반공학적 측면에서의 안정성을 확보할 수 있는 연구가 요구되고 있다.

최근 강우시 발생되는 절성토 사면에서의 파괴양상은 지하수의 상승으로 인한 깊은 파괴형태보다는 지표면으로부터 침윤선의 하강으로 인한 얕은 파괴형태를 보인다. 이에 대한 사면안정성 평가 방법으로는 이론적 혹은 실험적 침투깊이를 산정한 후 한계평형해석을 수행하는 방법(Cho and Lee, 2001; Song et al., 2012)과 유한요소해석을 수행하는 방법(Ng and Shi, 1998; Griffiths and Lu, 2005)이 있다.

본 연구에서는 광미 적치사면에 설치된 불포화 특성변화측정시스템의 계측결과를 활용하여 강우에 따른 적치사면의 침투거동과 강우 침투를 고려한 사면안정성 변화를 고찰하고자 한다. 이를 위하여 전술한 바와 같이 이론적 침투깊이를 산정한 후 한계평형해석을 적용한 사면안정해석법을 적용하였다. 본 연구를 위하여 대상사면의 강우 침투해석과 이를 연계한 사면안정해석이 가능한 SEEP/W (Geo-Slope International Ltd., 2008a)와 SLOPE/W (Geo-Slope International Ltd., 2008b)를 이용하였다. 즉 적치사면내 강우의 침투거동을 해석하기 위하여 SEEP/W를 활용하고 이 결과를 토대로 사면내 침투깊이를 고려한 사면안정해석을 위하여 SLOPE/W를 활용하였다. 위의 해석결과를 이용하여 실제 현장에서 측정된 모관흡수력에 대한 측정결과와의 비교분석을 수행하고, 강우에 따른 광미 적치사면의 사면안정성 변화를 고찰하고자 한다.

모니터링 시스템

연구지역은 부산광역시 기장군 철마면 임기리에 위치한 임기광산의 광미 적치사면으로서, 1992년에 폐광된 이후 광해방지사업이 적용되지 못하고 방치되어 왔다. 광미 적치사면에 광해방지공법을 적용하지 않은 상태에서 장기간 노출되어 현재 사면의 표층부에 심각한 풍화와 침식으로 인한 세굴현상이 발생되고 있으며, 세굴로 인한 광미의 유실을 줄이기 위하여 현재 방수천을 덮어놓은 상태이다.

Fig. 1은 연구지역의 적치사면에 대한 불포화 특성변화 모니터링을 위하여 현장에 설치된 계측장치를 나타낸 것이다(Song and Jung, 2016). 그림에서 보는 바와 같이 광미 적치사면의 중앙부에 Tensiometer와 Time-Domain Reflectometer (TDR)를 지표면으로부터 0.5 m, 1.0 m 및 1.5 m에 각각 설치하였다. Tensiometer는 모관흡수력의 변화를 측정하기 위한 것이며, TDR은 체적함수비의 변화를 측정하기위한 것이다. 깊이별로 설치된 Tensiometer와 TDR을 이용하여 강우시 침투로 인한 침윤전선의 거동을 조사하였다. 그리고 광미 적치사면의 상부에 경사계와 지하수위계를 설치하였으며, 이는 적치사면의 변형거동과 지하수위의 변화를 측정하기 위한 것이다. 한편 현장에 설치된 다양한 센서로 부터 측정된 자료를 수집, 관리 및 전송하는 Data Acquisition System (DAS)과 전원공급을 위한 태양광 시스템을 설치하였다.

Fig. 1.

Setup of the measuring device on the mine waste-dump slope (Song and Jung, 2016).

한편, Table 1은 적치사면의 불포화 특성변화 측정항목과 함께 현장에 설치된 센서의 종류를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 5가지의 측정항목을 선정하고 현장조건을 고려하여 각 항목을 측정할 수 있는 센서를 선정하였다. 표에서 보는바와 같이, 강우측정을 위한 강우계는 티핑버킷(Tipping bucket) 타입으로 선정하였고, 모관흡수력 측정을 위한 Tensiometer는 제트필(Jet-fill) 타입으로 선정하였다. 그리고 체적함수비 측정을 위하여 TDR 센서는 강산성을 띄는 현장조건을 고려하여 내구성 및 내부식성이 우수한 것으로 선정하였다.

광미의 공학적 특성

연구지역의 적치사면을 구성하고 있는 광미에 대한 공학적 특성을 조사하기 위하여 현장에서 시료를 채취하여 각종 토질시험을 수행하였다. 연구지역 광미의 공학적 특성을 조사하기 위하여 체분석시험, 비중시험, 액소성한계시험, 다짐시험 등을 수행하였다. Table 2는 연구지역 적치사면에서 채취된 광미의 공학적 특성을 측정한 결과이다. 표에서 보는바와 같이 적치사면을 구성하고 있는 광미는 통일분류법(USCS) 상에서 실트질 모래(SM)로 구분되며, 현장건조단위 중량은 1.59 t/m³으로 측정되었다.

한편 연구지역의 적치사면을 구성하고 있는 광미의 불포화 특성을 조사하기 위하여 현장의 건조단위중량으로 시료를 성형하고 자동 흙-함수특성곡선(SWCC) 시험장치를 활용하여 건조 및 습윤과정의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하였다(Song et al., 2014). 본 연구에서는 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 식 (1)에 제시한 van Genuchten (1980) 방법을 활용하였다. van Genuchten (1980) 방법은 체적함수비 혹은 유효포화도와 모관흡수력의 상관관계를 불포화 관련계수인 α (공기유입값과 관련된 계수), n (변곡점의 경사에 관련된 계수) 및 m (잔류함수비에 관련된 계수)으로 나타낸다. Table 3은 실험을 통하여 산정된 연구지역의 적치사면을 구성하고 있는 광미의 불포화 관련계수를 나타낸 것이다.

  (1)

Fig. 2는 van Genuchten (1980)방법을 적용하여 건조 및 습윤과정의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 각각 도시한 것이다. 이를 토대로 도해적인 방법을 적용하여 건조과정의 공기함입치(Air-Entry Value, AEV)와 습윤과정의 수분함입치(Water-Entry Value, WEV)를 산정한 결과 각각 2.5 kPa 및 0.6 kPa로 나타났다.

Fig. 2.

Estimation of Air-Entry Value and Water-Entry Value (Song et al., 2014).

연구지역의 적치사면을 구성하고 있는 광미의 전단강도를 측정하기 위하여 완속배수 직접전단시험(KS F 2343)을 수행하였다. 현장의 건조단위중량으로 광미 시료를 성형한 후 연직응력을 1 kgf, 1.5 kgf 및 2 kgf으로 변화시켜가며 전단응력을 측정하였으며, 전단속도는 0.3 mm/min으로 하였다. 광미의 전단강도를 산정하기 위하여 Mohr-Coulomb의 파괴기준을 적용하였다. Fig. 3은 연직응력에 따른 최대전단응력의 상관관계를 도시한 것이다. Mohr-Coulomb의 파괴기준을 적용하여 분석한 결과 점착력 c는 0.0067 kg/cm²이며, 내부마찰각은 46.58°인 것으로 나타났다.

Fig. 3.

Relationship between normal stress and maximum shearstress (Song, 2015).

그리고 연구지역의 적치사면을 구성하고 있는 광미의 포화투수계수를 측정하기 위하여 삼축압축시험장치를 이용한 투수시험(ASTM D5084)을 수행하였다. 측정결과 현장조건상태의 광미에 대한 포화투수계수(ks)는 1.71×10⁻³ cm/sec이다.

해석단면 및 지반정수 선정

해석단면 선정

Fig. 4는 연구지역의 광미 적치사면의 전경을 나타낸 것으로 침투해석 및 사면안정해석을 위하여 적치사면의 기하학적 형상을 그대로 적용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 대상사면의 경사는 40-45° 범위이며, 중간에 약 2 m 폭의 2개의 소단이 위치하고 있다. 지반조사 결과 약 7-8 m 두께의 광미가 기반암층 상부에 위치하는 것으로 나타났으며, 지하수위는 지표면으로부터 약 6.6 m 깊이에 위치하는 것으로 조사되었다.

Fig. 4.

Panoramic view of the mine waste-dump slope.

해석 입력자료 선정

연구지역의 광미 적치사면에 대한 침투해석 및 사면안정해석을 위하여 전술한 광미의 공학적 특성 시험결과를 토대로 지반정수를 산정하였다. 광미 적치사면의 침투해석 및 사면안정해석을 위하여 각각 SEEP/W와 SLOPE/W를 활용하였다. 강우로 인한 침투거동은 흙-함수특성곡선(SWCC) 측정을 위한 시험에서 습윤과정과 동일하므로 습윤과정의 불포화 계수를 해석시 적용하였다. 또한 광미의 전단강도는 완속배수조건에서 측정된 것이므로 유효전단강도 정수로 정의 할 수 있다. 이와 같이 연구지역의 광미에 대한 실험결과를 토대로 산정한 해석시 지반정수는 Table 4와 같이 나타낼 수 있다.

강우침투 해석

SEEP/W 프로그램 개요

SEEP/W프로그램은 Geo-Slope International Ltd.에서 개발된 GeoStudio 프로그램 가운데 하나로 다공성 재료에서 지하수위의 흐름을 해석할 수 있다. 본 프로그램은 단순함 포화조건에 대한 해석부터 복잡한 시간의존적인 포화 및 불포화 조건에 대한 해석까지 가능하다. 특히 포화토 및 불포화토의 흐름해석, 정상류 및 비정상류 해석, 다층지반 해석이 가능하며, 사면안정해석, 응력변형 해석, 지진해석 등과의 연계해석이 가능하다.

해석결과 및 분석

대상지역에서 측정된 강우자료를 토대로 측정기간 중 최대 강우강도가 발생된 시점을 대상으로 강우 침투해석을 수행하였다. Fig. 5는 2014년 8월 24일부터 8월 27일까지 3일간의 강우기록을 나타낸 것이다. 해당기간은 측정기간 중 최대 강우강도가 발생된 시점인 8월 25일의 기간을 포함하고 있으며, 이 기간 중 발생된 최대 강우강도는 87.5 mm/hr이고, 8월 25일에 발생된 일일 누적강우량은 187.1 mm로 나타났다. 그리고 강우는 8월 24일 0시 부터 30시간이 경과된 8월 25일 6시부터 내리기 시작하여 8월 25일 16시까지 약 10시간 동안 집중호우가 발생되었다.

Fig. 5.

Selection of analysis period (72 hours) with the highest rainfall intensity.

Fig. 6은 대상지역에서 깊이별로 설치된 Tensiometer로부터 측정된 모관흡수력을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모관흡수력의 변화는 강우에 의해 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났으나, 최대 강우강도 발생시점에서 모관흡수력이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 6.

Variation in matric suction during the analysis period.

강우시 광미 적치사면의 침투거동을 해석하기 위하여 SEEP/W프로그램을 이용하였다. Fig. 7은 대상사면의 지형학적 특성과 지반조건을 고려하여 모델링한 해석단면을 나타낸 것이다. 해석단면은 4,615개의 노드와 4,459개의 요소로 구성되어 있으며, 삼각형 및 사각형 요소로 구성하였다.

Fig. 7.

Cross-section of numerical model of seepage analysis.

그리고 침투조건은 비정상류 상태로 가정하였으며, 지하수위는 지반조사시 측정된 깊이로 적용하였다. Fig. 8은 2014년 8월 24일부터 8월 26일까지 3일간(72시간)의 강우자료(Fig. 5)를 적용하여 침투해석을 수행한 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우침투로 인한 습윤전선(wetting front)이 생성되고 지속적인 강우로 인하여 습윤전선이 약 1.5-2.0 m 깊이까지 도달하는 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Results of seepage analysis for the analysis period.

깊이별 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 분석하기 위하여 실제로 임기광산 광미 적치사면의 현장에 모니터링 센서가 설치된 위치에서의 결과를 활용하였다. Fig. 9는 2014년 8월 24일부터 8월 26일까지 3일간(72시간) 동안 침투해석을 통하여 계산된 깊이에 따른 체적함수비와 모관흡수력의 변화를 나타낸 것이다. 침투해석을 위한 초기 모관흡수력은 현장에서 측정된 결과를 토대로 입력하였으며, 3시간 간격으로 체적함수비 및 모관흡수력의 변화를 도시한 것이다. Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 강우가 내리기 시작하는 시점은 8월 24일 0시부터 30시간 경과후 부터이며, 강우의 침투로 인하여 체적함수비와 모관흡수력이 변화되기 시작하는 시점은 33시간 경과 후부터 이다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 깊이에 따른 체적함수비 및 모관흡수력은 강우지속시간이 증가함에 따라 침투깊이가 증가됨을 알 수 있다. 즉 해석을 수행한 시점인 8월 24일 0시부터 39시간 경과 후 강우로 인하여 지표면(GL(-)0.0 m)이 포화되어 습윤전선을 형성하고, 45시간 경과후 습윤전선은 GL(-)0.5 m로 하강함을 알 수 있다. 그리고 48시간 경과후 습윤전선은 GL(-)1.0 m로 하강하며, 이후 지속적인 강우로 인하여 습윤전선은 하강을 하고 있으나 GL(-)1.5 m까지 완전히 포화되지는 않는 것으로 나타났다. 각 깊이별 습윤전선의 생성 및 하강은 모관흡수력이 포화로 인하여 0 kPa에 이르게 되는 시점으로 결정할 수 있다. 그리고 모관흡수력이 0 kPa일 때 즉, 포화시 측정된 체적함수비는 약 0.33-0.36의 값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 흙-함수특성곡선에서 습윤과정에서의 포화시 체적함수비(θ_s^w)인 0.36과 일치하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9.

Profile of volumetric water content and matric suction for the duration time.

한편 Fig. 10은 현장에서 측정된 모관흡수력의 변화와 수치해석을 통하여 계산된 모관흡수력의 변화를 서로 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모관흡수력의 크기는 측정결과와 해석결과가 차이가 있으나 시간에 따른 변화양상은 유사한 것으로 나타났다. 특히 GL(-)0.5 m 깊이에서 모관흡수력에 대한 측정결과와 해석결과가 가장 유사한 것으로 나타났다. 그러나 모관흡수력의 측정심도가 깊어질수록 측정결과와 해석결과의 차이가 더 크게 발생되었다. 즉 실제 현장에서는 강우로 인한 습윤전선의 하강이 수치해석에서와 같이 원활하게 진행되지 않음을 알 수 있다. 이러한 이유는 수치해석에서 현장에서의 다양한 조건을 모두 고려하지 못하기 때문으로 판단된다. 그리고 실제로 현장에서는 강우시 침투현상과 건조시 증발현상이 번갈아 가면서 발생되는데 수치해석에서는 이러한 현상을 정확하게 모사하기 어렵다. 그러나 수치해석결과를 보면 시간에 따라 습윤전선이 하강하여 토층내 포화심도가 깊어지며, 측정결과에 비해 더 큰 값을 나타내므로 실제 현장조건보다 더 낮은 사면안전율이 계산됨을 알 수 있다.

Fig. 10.

Comparison between measured and simulated matricsuction.

강우침투를 고려한 사면안정 해석

SLOPE/W 프로그램

SEEP/W프로그램은 Geo-Slope International Ltd.에서 개발된 GeoStudio 프로그램 가운데 하나로 한계평형해석기법을 활용한 사면안정해석 프로그램이다. 본 프로그램에서는 사용자가 지정한 가상활동면의 안전율을 구하거나 임의 발생에 의한 가상활동면을 구할 수 있으며, 여러 해석법을 동시에 사용할 수 있다. 절편사이의 힘들에 가정을 실시하고 이러한 가정들이 비선형 안전율 방정식을 만들어 내면 프로그램은 활동면에서 절편과 관련된 몇가지 힘들이 수렴될 때까지 반복하여 계산하게 된다. 또한 전단강도에 있어서 쌍일차(Bilinear) 전단강도 포락선이 이용될 수 있으며, 불포화 흙에 대해서는 확장된 Mohr-Coulomb 파괴포락선을 이용할 수 있다. 또한 부분적으로 사면이 물에 잠겼을 경우나 인장균열, 사면이 완전히 잠겼을 경우의 해석도 가능하다. 한편, 지표면의 등분포하중 및 집중하중에 대한 해석이 가능하며, 지진하중도 고려할 수 있도록 되어있다. 본 프로그램에서 적용이 가능한 해석법은 Ordinary법, Fellenius법, Bishop간편법, Janbu간편법, Spencer법, Morgenstern-Proce법, GLE법 등이 있으며, 활동면의 형상은 원호활동, 평면활동, 복합활동 중 선택사용이 가능하다.

해석결과 및 분석

SEEP/W프로그램과 연동시켜 강우시 광미 적치사면에서의 침투깊이를 고려하여 사면안정해석을 수행하였다. Fig. 11은 강우침투 해석결과와 연동하여 침투깊이를 산정하고 이를 고려하여 사면안정해석을 수행한 결과이다. Fig. 11의 경우 2014년 8월 24일부터 72시간이 경과된 8월 26일까지의 침투해석 결과를 적용하여 사면안정해석을 수행한 결과이다. 사면안정해석법은 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 Bishop 간편법을 적용하였으며, 원호활동파괴로 가정하였다. 그리고 지하수위는 지반조사시 측정된 깊이로 적용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 사면안전율은 1.67로 나타났으며, 최소 사면안전율을 나타내는 활동파괴면은 약 1.5 m 깊이까지 위치하고 있다.

Fig. 11.

Results of slope stability analysis considering seepage analysis.

한편 Fig. 12는 2014년 8월 24일부터 8월 26일까지 3일(72시간) 동안 현장에서 측정된 강우자료를 적용하여 침투해석을 수행하고 이와 연동하여 사면안정해석을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우 발생시점인 8월 25일 6시 이후 사면안전율은 미소하게 증가하다가 강우강도가 60.6 mm/hr인 8월 25일 14시 이후 급격하게 사면안전율이 감소하는 것으로 나타났다. 이후 사면안전율은 급격하게 감소하였으며, 8월 25일 16시에 최소사면안전율인 1.59를 나타내었다. 이후 2시간 동안 강우가 내리지 않았으며, 이때 사면안전율은 약 0.05 정도 다시 증가하는 것으로 나타났다. 이는 강우 발생 이후 지표면 상부에서 모관흡수력이 증가됨에 따라 지반의 유효응력이 증가되어 발생된 것으로 판단된다. 이후 다시 강우로 인하여 사면안전율은 감소하다가 강우가 종료된 이후 미소하게 증가하는 경향을 보이고 있다.

Fig. 12.

Temporal variations in minimum safety factor of slope.

이상의 결과로 보아 현장에서 측정된 강우자료를 토대로 강우침투해석을 수행하고, 이와 연동하여 사면안정해석을 수행할 경우 강우에 따른 광미 적치사면의 안정성을 지속적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

결론

본 연구에서는 연구대상 현장인 부산 임기광산의 광미 적치사면을 대상으로 현장에서 측정된 강우자료를 토대로 침투해석과 이와 연동된 사면안정해석을 수행하였다. 이를 위하여 계측기간 동안 강우강도가 가장 크게 발생된 기간을 선정하고, 이때의 강우자료를 적용하여 수치해석에 수행하였다. 강우에 따른 사면내 침투거동을 해석하기 위하여 SEEP/W를 활용하고 사면내 침투깊이를 고려한 사면안정해석을 위하여 SLOPE/W를 활용하였다. 해석결과를 이용하여 실제 강우에 따른 대상지역의 광미 적치사면의 침투거동과 사면안정성의 변화를 분석할 수 있으며, 이에 대한 결과는 다음과 같다.

(1) 광미 적치사면의 해석단면은 불포화 특성 모니터링 설치구간으로 선정하였으며, 적용된 강우자료는 계측기간 동안 강우강도가 가장 크게 발생된 2014년 8월 25일(최대강우강도 87.5 mm/hr, 일누적 강우량 187.1 mm)을 포함하여 8월 24일부터 26일까지 72시간 동안으로 선정하였다.

(2) 각 깊이별 습윤전선의 생성 및 하강은 모관흡수력이 포화로 인하여 0 kPa에 이르게 되는 시점으로 결정할 수 있다. 강우자료를 이용한 침투해석결과 강우 발생시점으로부터 6시간 경과후 지표면(GL(-)0.0 m) 전체가 포화되어 습윤전선을 형성하고, 이후 6시간 경과후 습윤전선은 GL(-)0.5 m로 하강하였다. 이후 3시간 경과후 습윤전선은 GL(-)1.0 m로 하강하며, 이후 지속적인 강우로 인하여 습윤전선은 하강을 하고 있으나 GL(-)1.5 m까지 완전히 포화되지는 않음을 알 수 있다.

(3) 현장에서 측정된 포화시 체적함수비는 약 0.33-0.36의 값을 갖는 것으로 나타났으며, 흙-함수특성곡선에서 습윤과정의 포화시 체적함수비인 0.36과 동일함을 알 수 있다.

(4) 현장에서 측정된 모관흡수력과 수치해석을 통하여 계산된 모관흡수력의 변화를 비교한 결과 모관흡수력의 크기는 차이가 있으나 시간에 따른 변화양상은 유사한 것으로 나타났다. 그리고 모관흡수력에 대한 측정결과와 해석결과의 차이는 측정심도가 깊어질수록 더 크게 발생되므로 실제현장에서는 강우로 인한 습윤전선의 하강이 수치해석에서와 같이 원활하게 진행되지 않았음을 예상할 수 있다.

(5) 현장에서 측정된 강우자료를 적용하여 침투해석을 수행하고 이와 연동하여 사면안정해석을 수행한 결과 강우강도가 급속하게 증가되는 시점에서 사면안전율은 크게 감소하였으며, 이후 강우가 발생되지 않는 경우 사면안전율이 일부 회복됨을 알 수 있다.