Research Article

The Journal of Engineering Geology. March 2018. 11-24
https://doi.org/10.9720/kseg.2018.1.011

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역의 지형 및 지질

  •   연구지역의 지형

  •   연구지역의 지질

  • 해석 모델

  •   해석 모델

  •   Huff 4분위법

  •   집수 모델

  •   무한사면 안정해석 모델

  • 해석 조건

  •   Huff 4분위법을 이용한 강우패턴 산정

  •   지반정수 산정

  • 해석 결과 및 분석

  •   경사에 따른 안전율 분석

  •   지속시간에 따른 안전율 분석

  • 결 론

서 론

산사태의 안정성 및 취약성 분석은 산사태 유발 인자와 해석모델에 대한 접근 방법에 따라 통계적 기법과 지질역학적 기법으로 구분된다(Aleotti and Chowdhury, 1999; Chacón et al., 2006; Fell et al., 2008). 통계적 기법은 산사태의 발생위치 및 유발 인자들과 산사태 발생의 상관성을 통계적으로 분석하여 산사태 취약성을 판단하는 방법으로서 넓은 면적에서 다양한 산사태 유발 인자 자료가 산사태 발생에 미치는 영향을 분석하는데 효과적이다. 한편, 지질역학적 기법은 사면의 기하학적 특성과 구성 물질의 역학적 특성을 고려하여 사면의 안정성을 판단하는 기법으로서 지형적 모델과 현장 및 실내시험 결과를 역학정수로 적용하여 산사태 발생 위험도를 정량적으로 분석할 수 있다(Terlien, 1996; Frattini et al., 2004; Griffiths et al., 2011; Santoso et al., 2011; Song and Hong, 2011).

산사태에 대한 안정성 해석 시 고려되는 산사태 유발인자는 크게 자연적 요인과 인위적 요인으로 구분되며, 인위적 요인은 절토, 성토, 광산개발 등이 포함된다. 자연적 요인은 직접적 요인과 간접적 요인으로 세분되며, 직접적 요인에는 강우, 해안침식, 지진 등이 속하고 이들은 주로 산사태의 거동과 속도를 지배하는 요인으로 작용한다. 간접적 요인에는 지형학적 특성, 지질학적 특성, 토양 특성, 식생 등이 있으며, 이들은 다른 직접적 요인들과 결합하여 사면의 불안정성을 야기하고 산사태의 거동 형태를 결정한다(Bromhead, 1992).

자연적 요인들 중에서도 산사태 발생에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 강우이며(Polemio and Petrucci, 2000; Chae et al., 2007; Chen et al., 2015), 강우가 토층으로 침투하면 토층 내 간극수압이 증가하고, 토립자들의 유효응력과 전단강도를 감소시켜 사면의 붕괴를 유발하게 된다(Brand, 1981; Anderson and Sitar, 1995; Montgomery et al., 1997). 국내의 강우 특성은 장마기간 동안 넓은 지역에 지속적으로 강우가 내리던 패턴에서 짧은 기간 동안 좁은 지역에 많은 양의 강우가 내리는 게릴라성 호우 패턴으로 변화되고 있다(Kim et al, 2006; National Disaster Management Institute, 2008; Associated Ministries of South Korean Government, 2013). 국내 집중강우의 사례를 살펴보면 부산에서 2009년 7월 7일과 16일에 각각 310 mm, 266.5 mm의 강우가 4~5시간 동안 집중적으로 내렸으며, 2011년 7월 27일에는 서울의 일강우량이 301.5mm, 2014년 8월 25일에는 창원시의 일강우량이 246.5mm로 보고되어 있다. 연구대상 지역인 울릉도에서도 2016년 8월 29일부터 9월 1일까지 사흘간 약 380mm의 집중강우가 기록된 바 있다.

사면 안정성 해석 시 강우의 시간적 분포는 해석 결과에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 많은 연구자들이 사면 안정해석 시 강우요소를 현실적으로 반영하기 위해 강우패턴을 설정하거나 사면붕괴와의 상관성을 분석하였다. Keifer and Chu (1957)는 시간구간별 강우강도를 설정하는 순간강우 강도법을 제안한 바 있으며, Yen and Chow (1980)는 통계학적 분석방법을 이용하여 강우의 시간적 분포를 삼각형과 사다리꼴 우량주상도로 표현하였다. Hong et al. (1990)은 과거 재해사례와 강우량 분석을 통해 일강우량 및 시강우량과 사면붕괴와의 상관성을 밝힌 바 있으며, 지역적 강우 특성에 따라 산사태 발생 원인이 다르다는 것을 확인하였다. Rahardjo et al. (2001)은 싱가포르에서 1993년 11월, 1994년 11월, 1995년 2월에 내린 3가지 강우 패턴을 적용하여 지반의 투수성에 따른 불포화 사면의 안정성을 분석하였다. 분석결과 선행강우는 흙의 투수성을 증가시켜 추후에 내리는 강우에 의한 산사태 발생 가능성을 높이는 것으로 나타났다. Lee and Kim (2013)은 1999년부터 2011년까지 국내의 사면붕괴사례 106건을 분석하여 SMR (strong major rainfall)과 SAR (strong antecedent rainfall)의 강우패턴을 설정하였으며, 이를 반영하여 불포화 사면의 침투 및 안정해석을 수행하였다. 해석결과 선행강우량이 많을수록 당일강우로 인해 사면붕괴가 더 빨리 발생하는 것을 확인하였다.

한편, 무한사면 안정성 해석 모델과 관련된 연구로는 Chae et al. (2012)이 기존에 제안된 무한사면 안정해석 식을 보완하여 수정식을 제안하였으며, 불포화토 내에 강우침투 시 침투속도 차이에 따른 포화깊이비가 안전율에 미치는 영향을 검토하였다. Yuan et al. (2015)은 무한사면 안정해석을 통해 다양한 지형학적 모델에서 지반정수에 따른 사면의 안전율 변화를 정량적으로 표현하였다. Kim (2016)은 불포화 상태의 무한사면 이론을 적용하여 Mein and Larson (1973)의 1차원 침투모델과 Lu and Likos (2006)의 전단강도 모델을 통해 사면 붕괴에서 발생하는 지반의 거동을 예측한 바 있다.

기존의 연구에서는 무한사면 안정해석 시 강우조건을 고려하기 위해 지하수위를 임의로 가정하여 해석을 수행하였으나 임의로 지하수위를 지정할 경우 시간에 따른 사면의 수리지질학적 및 지형학적 특징을 반영할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 수치지형 모델, 지하수위 변화를 반영한 집수모델, 무한사면 안정해석 모델을 결합한 해석모델을 구축하였으며, 울릉도 산지를 대상으로 Huff의 4분위법을 이용한 강우패턴을 해석 모델에 적용하여 강우 지속시간별로 변화하는 지하수위를 고려한 사면의 안정성을 정량적으로 분석하였다.

연구지역의 지형 및 지질

연구지역의 지형

연구지역은 행정구역상 경상북도 울릉군 울릉읍 저동리 일대로 동경 130°53'0.98"t~130°55'6.75", 북위 37°30'26.20"~37°51'39.96"에 위치하며, 남-북 방향으로 680 m, 동-서 방향으로 800 m의 면적을 가진다. 연구지역 내 최대 고도는 518 m이며, 사면은 수평지대인 0°부터 암반의 절벽부분인 80°까지 다양한 경사로 형성되어 있다. 연구지역 일대에는 2개의 큰 계곡부가 존재한다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Digital topographic map of the study area in Ulleung-do on a scale of 1:25,000 (modified from Kim and Lee, 2008).

연구지역의 지질

울릉도는 신생대 제 3기 플라이오세부터 제 4기 홀로세까지의 화산활동에 의해 형성된 종상 화산섬이며, 연구지역의 지질은 제 4기 현무암, 각력암, 조면암 그리고 조면암질 응회암으로 구성되어 있다(Jin et al., 2005). 최하부의 도동현무암질암류는 해수면 아래와 울릉도 해안 저지대를 따라 기반암을 형성하고 있으며, 주로 현무암질 각력암 및 용암층으로 구성되어 있고 국부적으로 화산역암과 응회질 사암이 포함되어 있다. 사동각력암층은 하위의 현무암질암류를 부정합으로 덮으며 비교적 완만한 지세로 형성되어 있다(Kim and Kim, 1977; Kim and Lee, 2008). 그 위에는 하부 조면암질암류인 석포조면암과 모시개 조면암으로 형성되어 있다. 성인봉층군으로 분류되는 상부 조면암질암류인 사태감 응회암, 관모봉 조면암, 천두산 조면암, 나리봉 조면암은 울릉도의 해수면 위의 화산체를 이루는 주 구성암체이고 반상조직을 포함하며, 급경사를 이루고 있는 것이 특징이다. 최상부에는 나리봉층군으로 분류되는 말잔등응회암 층이 넓은 지역을 덮고 있다(Fig. 2).

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Fig. 2.

Geological map of the study area (modified from Kim and Kim, 1977).

해석 모델

해석 모델

시간대별 강우패턴을 고려한 사면 안정해석을 수행하기 위해 시간에 따른 지하수위 변화를 반영할 수 있는 집수모델과 무한사면 안정해석 기법을 결합한 사면 안정해석 모델을 구축하였다. 해석모델은 Microsoft사의 Visual basic 6.0을 이용하여 작성되었다. 해석 과정은 크게 3단계로 나뉘며(Fig. 3), 첫 번째 단계에서는 수치지형도를 이용하여 연구지역의 기하형상을 모델링하고 일정간격의 메시(mesh)로 나누어 해석 영역의 x, y, z좌표를 획득한다. 해석 영역에는 총 11개의 입력변수(대상좌표, 표토층 두께, 강우데이터, 식생에 의한 상재하중 및 점착력, 포화 및 습윤단위중량, 내부마찰각, 점착력, 공극률, 투수계수)를 적용할 수 있다. 입력변수는 일괄적으로 적용하거나 각 셀별로 다르게 적용할 수 있도록 구축되어 있다. 두 번째 단계에서는 집수모델을 이용하여 각 셀에서의 시간당 지하수위를 셀별로 추출하며, 세 번째 단계는 시간당 지하수위 결과를 무한사면 안정해석 식과 결합함으로써 각 셀에서의 시간당 안전율을 산정한다.

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Fig. 3.

Calculation procedure of an infinite slope stability analysis considering the time distribution of the daily maximum rainfall.

Huff 4분위법

시간경과에 따라 변화하는 강우패턴을 고려한 무한사면 안정성분석을 위하여 Huff (1967)가 제안한 4분위법 강우패턴을 적용하였다. Huff (1967)의 4분위법은 1955년부터 1966년까지 Illinois 지역의 강우 자료를 분석하여 제안된 총 우량의 시간분포 모형으로써, 누가우량곡선의 작성을 통해 가장 큰 강우량이 발생한 구간을 4가지로 구분하고 지속시간에 따른 누가강우량을 백분율로 제시한 것이다. 강우 지속기간 중 최대 강우량이 초기의 1/4 구간에서 발생하면 1분위 호우(1st quartile storm), 2/4 구간에서 발생하면 2분위 호우(2nd quartile storm), 3/4 구간에서 발생하면 3분위 호우(3rd quartile storm), 4/4 구간에서 발생하면 4분위 호우 (4th quartile storm)로 분류된다. 4개 유형의 호우에 대하여 시간별 누가강우량을 총 강우 지속시간과 총 강우량의 백분율로 표시하면 식 (1)과 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M1.gifhttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M2.gif  (1)

여기서, PT(i): 임의시간 i에서의 강우 지속시간 (%)

  T(i): 임의시간 i까지의 강우 지속시간 (hour)

  T(0): 총 강우 지속시간 (hour)

  PR(i): 임의시간 i에서의 누적강우량 (%)

  R(i): 임의시간 i까지의 누적강우량 (mm)

  R(0): 총 강우량 (mm)

집수 모델

집수면적은 사면의 안정성을 평가함에 있어 집수의 양적 크기를 나타낼 수 있는 요소이지만 집수면적의 형상 및 사면의 국소경사 조건을 고려한 유량 변화를 나타내는데 있어 불확실성을 가지고 있다. 따라서 사면붕괴 발생위치의 신뢰성을 높이기 위해서 집수면적만으로 평가하기보다 지형적 특성을 고려하여 집수특성을 평가 할 필요가 있다(Chae et al., 2010). 본 연구에서는 지표류 유출해석모델의 개념을 지하수 흐름에 응용한 방법을 이용하였으며, 일반적으로 자연사면에 적용 시 높은 신뢰성을 가지는 것으로 평가되고 있다(Kawatani, 1981; Okimura and Ichikawa, 1985). 집수모델은 연속방정식(식 (2))과 달시의 법칙(식 (3))으로 구성되며, 정사각형으로 분할된 셀에서의 단위시간 당 지하수위를 계산한다(Fig. 4).

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http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M4.gif,http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M5.gif

여기서, http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M6.gif: 유효간극률

  h: 지하수위 (m)

  q(x,y): 단위시간당 단위폭 유량 (m2/hr)

  r: 유효강우강도 (mm/hr)

  k: 투수계수 (cm/s)

  I(i): 각 방향의 동수경사 (i=1~4(±x,y))

  x, y: 각각의 방향성분

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http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M8.gif

여기서, q(i): 각 단면의 단위시간당 단위폭 유량 (i=1~4(±x,y))

  h(0): 초기 지하수위 (m)

  h(1): http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M9.gif가 경과한 후의 지하수위 (m)

  I(i): 각 방향의 동수경사 (i=1~4(±x,y))

  d: 메시간격

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Fig. 4.

Schematic diagram showing assumed directions of groundwater flow in a cell (modified from Okimura and Ichikawa, 1985).

무한사면 안정해석 모델

Simons et al. (1978)은 자연사면을 대상으로 붕괴 위험을 평가하기 위해 무한사면 안정해석 모델을 고안하였으며(Fig. 5), 2차원의 사면에서 임의의 지하수위를 적용한 경우의 안전율 계산식을 제시하였다(식 (4)). 식 (4)를 기반으로 인접한 셀에서의 영향 및 실시간 지하수위 변화를 반영하여 각 셀의 안전율을 산정하기 위해 식 식 (5)를 이용하였다.

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Fig. 5.

Schematic diagram showing an idealized infinite slope model (modified from Simons et al., 1978).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M10.gif  (4)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M11.gif  (5)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M12.gif

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M13.gif

여기서, F: 안전율CS: 흙의 점착력(tf/m2)

  CR: 뿌리에 의한 점착력(tf/m2)

  Ø: 흙의 내부마찰각(°)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M14.gif: 흙의 포화단위중량(tf/m3)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M15.gif: 흙의 습윤단위중량(tf/m3)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M16.gif: 물의 단위중량(tf/m3)

  Hs: 기반암면에서부터의 표토층 두께(m)

  h: 기반암면에서부터 지하수위(m)

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M17.gif: 사면경사(°)

  q0: 식생에 의한 상재하중(tf/m3)

  i,j: i열, j행의 셀

상기와 같이 각각의 셀에 대해 안전율을 계산하는 경우, 셀의 크기는 해석결과에 중요한 영향을 미친다. 셀의 크기를 크게 나눌 경우 지형의 특성이 지나치게 단순화되어 해석결과의 신뢰도가 떨어지며, 셀의 크기를 작게 나눌 경우 상세한 해석결과를 얻을 수 있으나 해석시간이 많이 소요되어 대용량의 컴퓨터 메모리 확보가 요구된다. 본 연구에서는 셀의 크기를 5 m × 5 m의 정사각형 모양으로 분할하였으며, 모든 셀에서 토층의 두께는 1 m로 설정하였다. 또한 사면의 붕괴가 발생하는 활동면은 기반암과 토층의 경계부이며, 초기 지하수위가 기반암면에 있는 것으로 가정하여 무한사면 안정해석을 수행하였다.

해석 조건

Huff 4분위법을 이용한 강우패턴 산정

MOLIT (2000)는 울릉도 우량관측소에서 측정한 강우데이터를 바탕으로 Huff의 4분위법을 적용하여 시간분포 곡선을 작성하였으며, 각 분위별 호우에 대한 초과발생확률 10~90%에 따른 누가우량 백분율을 산정하였다. 각 분위에서 초과발생확률 50%의 곡선은 통계적으로 중앙값을 나타내므로, 무한사면 안정해석 시 각 분위별 초과발생확률 50%의 강우패턴을 적용하여 해석결과를 비교하였다(Table 1).

연구지역의 강우강도를 산정하기 위하여 1980~2017년까지 발생한 울릉도의 연도별 최대 일강수량을 조사한 결과 1981년 9월 3일에 257.8 mm의 일강수량이 최대로 나타났다. 강우패턴 적용 시 강우시간을 24시간으로 설정하여 일강수량을 모두 반영해야하나 본 연구에서는 Huff의 4분위법을 적용하기 위해 강우시간을 총 20시간으로 설정하여 214.83 mm의 강우가 발생하는 것으로 가정하였으며, 214.83 mm의 강우강도를 기준으로 4가지 강우패턴을 작성하였다(Fig. 6).

Table 1. Time distribution of rainfall rate analyzed by Huff method for 50% probabilities of each quartile in Ulleung-do (MOLIT, 2000)

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Fig. 6.

Rainfall amount according to rainfall durations by Huff’s method. (a) 1st quartilem, (b) 2nd quartile, (c) 3rd quartile and (d) 4th quartile.

지반정수 산정

토층의 지반정수를 산정하기 위하여 연구지역 인근 5개 지점에서 흙 시료를 채취하여 물성 및 직접전단시험을 실시하였다. 무한사면 안정해석 시 적용된 물리·역학적 지반정수는 단위중량, 공극률, 투수계수, 마찰각, 점착력이며, 단위중량과 공극률은 흙의 함수비 측정법(ASTM D 2216-10)과 흙의 비중시험법(ASTM D854-10)을 준용하여 측정하였다. 투수계수는 입도분포분석 시험(ASTM D422-63)으로 산정한 유효입경(d10)을 Hazen (1892)의 경험식에 대입하여 추정하였다(식 (6)). 형상계수는 0.4~1.2의 범위를 보이며, Onur (2014)는 일반적으로 모래지반에서 형상계수를 1.0으로 적용한다고 언급하였다. 따라서 본 연구에서도 형상계수 1.0을 적용하여 투수계수를 추정하였다. 마찰각과 점착력은 흙의 직접전단시험(ASTM D 3080-98)을 수행하여 획득하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2018-028-01/N0520280102/images/kseg_28_01_02_M18.gif  (6)

여기서, K: 투수계수(cm/s)

  d10: 유효입경(mm)

  C: 형상계수

기존 연구에 의하면 식물 뿌리에 의한 점착력은 흙의 입자간의 전단저항력을 증가시키며, 식물의 수분흡수로 인한 유효강우 감소 효과, 보강토 효과, 뿌리에 의한 조립입자 탈락방지 효과 등으로 사면 안정성을 높이는 요소로 작용하면서도 식생에 의한 상재하중 작용효과, 식물 뿌리에 의한 지반 교란 효과, 강우의 지중침투 가속효과 등으로 사면의 안정성을 저해하는 요소로도 작용한다(Akitani, 1978; Park, 2005). 하지만 식생에 의한 효과를 정량적으로 산정하는 평가방법은 미흡하기 때문에 본 연구에서는 식생에 의한 상재하중 및 점착력의 효과를 고려하지 않았다.

5개의 지점에서 채취한 시료를 바탕으로 산정된 지반정수는 Table 2와 같다. 무한사면 안정해석 식에 따르면 단위중량은 값이 커질수록 사면의 하중을 증가시키기 때문에 불안정한 요소로 판단되며, 마찰각, 점착력, 공극률, 투수계수는 값이 커질수록 사면의 전단강도를 증가시키거나 지하수 및 침투수를 원활하게 배수시키기 때문에 사면의 안전율을 증가시키는 요소로 분류된다. 본 연구에서는 사면의 안정성을 보수적으로 판단하기 위해 5개 지점에서의 시험결과를 대상으로 사면이 가장 불안정해지는 경우의 지반정수를 Case 1로 선정하였으며 그 결과를 분석하였다.

Table 2. Physical and mechanical properties of each case used for slope stability analysis

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해석 결과 및 분석

경사에 따른 안전율 분석

사면붕괴는 토층 두께, 강우 조건, 지반정수 등 다양한 요인들에 의해 발생되지만 지형학적 조건에서는 사면의 경사가 가장 중요한 요소이다. 사면의 경사가 저각일 경우 흙의 내부마찰각에 의해서 사면붕괴가 발생할 가능성이 낮으며, 반대로 경사가 고각일 경우 풍화작용을 통해 생성된 흙이 퇴적될 수 없는 환경이기 때문에 사면붕괴의 발생확률이 낮아지게 된다. Park (2005)은 사면붕괴 발생 위치를 대상으로 암종에 따라 사면붕괴의 특성을 연구하였다. 그 결과 사면의 경사가 화성암 지역에서는 37~42°, 변성암 지역에서는 34~38°, 퇴적암 지역에서는 31~34°일 때 사면붕괴가 많이 나타났으며, 전반적으로 36~40° 사이의 경사에서 사면붕괴가 발생되는 것으로 분석되었다. 또한 KIGAM (1993)과 Bae (2001)에 따르면 사면 경사가 20~45°일 때 사면붕괴가 많이 발생된다고 보고한 바 있다.

Fig. 7은 Case 1의 지반정수를 적용한 해석결과를 바탕으로 분석대상 사면에서 안전율 1.0 이하로 나타난 셀의 개수를 도시한 것이다. 1분위의 경우 안전율 1.0 이하의 셀은 총 2,024개이며, 사면의 경사 20~50°에서 안전율 1.0 이하의 셀 개수는 1,399개(69.1%)로 나타났다. 2분위의 경우 전체 2,154개의 셀 중 1,491개(69.2%), 3분위의 경우 전체 2,555개의 셀 중 1,784개(69.8%), 4분위의 경우 전체 3,258개의 셀 중 2,280개(70.0%)가 사면 경사 20~50°에서 분포한다. 사면의 경사가 50° 이상인 지점에서 안전율 1.0 이하의 셀이 모든 분위에서 약 17~18% 정도로 나타나는데, 이는 사면의 경사와 무관하게 모든 셀에서 토층두께를 1 m로 일괄 적용했기 때문인 것으로 판단된다. 사면의 경사가 50°이상인 셀에서 사면붕괴가 발생될 수 있는 토사층이 존재하지 않는다는 점을 고려하면, 안전율 1.0 이하의 셀 중 약 90%가 경사 20~50°에서 발생하는 것으로 분석된다. 이러한 분석 결과는 경사 20~45°에서 산사태가 많이 발생된다는 기존의 연구 결과와 유사한 것으로 나타났다. 따라서 다음 절의 강우지속시간에 따른 안전율 분석에서는 사면 경사가 20~50°인 셀의 결과를 바탕으로 분석을 수행한다.

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Fig. 7.

The number of FS < 1 cells according to slope angle (°). (a) 1st quartile, (b) 2nd quartile, (c) 3rd quartile and (d) 4th quartile.

지속시간에 따른 안전율 분석

강우패턴별 지속시간에 따른 안전율을 분석한 결과, 안전율 1.0 이하의 셀이 처음 나타나는 강우 지속시간은 1분위의 경우 2시간(누적강우량 39.1 mm)이었으며, 2분위는 5시간(누적강우량 40.94 mm), 3분위는 7시간(누적강우량 34.7 mm), 4분위는 6시간(누적강우량 31.6 mm)으로 분석되었다. 안전율 1.0 이하의 셀은 모든 분위에서 누적 강우량이 30 mm 이상 되는 시점부터 나타나는 것으로 파악된다. 또한 안전율 1.0 이하의 셀이 최대로 나타나는 강우 지속시간은 1분위의 경우 6시간(최대 강우 발생 2시간 후, 누적강우량 128.9 mm)이며, 전체 면적 중 약 14.3%를 차지한다(Fig. 8). 2분위는 12시간(최대 강우 발생 4시간 후, 누적강우량 171.9 mm)에서 약 15.0%로 나타났으며, 3분위는 16시간(최대 강우 발생 4시간 후, 누적강우량 189.05 mm)에서 약 15.6%로, 4분위는 강우 20시간(최대 강우 발생 2시간 후, 누적강우량 214.8 mm)에서 약 16.3%로 안전율 1.0 이하의 셀이 가장 많이 나타났다.

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Fig. 8.

The first appearance time of FS < 1 and the maximum unstable area according to rainfall duration. (a) 1st quartile, (b) 2nd quartile, (c) 3rd quartile and (d) 4th quartile.

결 론

본 연구에서는 울릉도 산지를 대상으로 Huff의 4분위법을 이용한 강우패턴을 해석 모델에 적용하여 강우 지속시간별로 변화하는 지하수위를 고려한 사면의 안정성 해석을 수행하였다. 울릉도 저동리 인근에서 채취한 흙 시료를 대상으로 물성 및 직접전단시험을 통해 지반정수를 산정하였으며, 울릉도의 최대 일강우량으로부터 Huff의 4분위법을 통해 4가지의 강우패턴을 설정하였다. 해석결과를 요약하면 다음과 같다.

1.사면의 경사도에 따른 안전율 분석 결과, 경사가 20~50°에서 안전율 1.0 이하의 셀이 69.1~70.0%로 분포하며, 경사가 50°이상인 셀에서 사면붕괴가 발생될 수 있는 토사층이 존재하지 않는다는 점을 고려하면, 안전율 1.0 이하의 셀 중 약 90%가 경사 20~50°에서 발생하는 것으로 분석된다.

2.강우 지속시간에 따른 사면의 안정성을 분석한 결과, 안전율 1.0 이하의 셀이 처음으로 나타나는 강우 지속시간은 1분위의 경우 2시간(누적강우량 39.1 mm)이었으며, 2분위는 5시간(누적강우량 40.94 mm), 3분위는 7시간(누적강우량 34.7 mm), 4분위는 6시간(누적강우량 31.6 mm)으로 분석되었다. 안전율 1.0 이하의 셀은 모든 분위에서 누적 강우량이 30 mm 이상 되는 시점부터 나타나는 것으로 파악된다.

3.안전율 1.0 이하의 셀이 최대로 나타나는 강우 지속시간은 1분위의 경우 6시간이며, 전체 면적 중 약 14.3%를 차지한다. 2분위는 12시간에서 약 15.0%로 나타났으며, 3분위는 16시간에서 약 15.6%로, 4분위는 20시간에서 약 16.3%로 나타났다.

4.본 연구에 적용된 무한사면 안정성 해석모델은 분석대상 지역을 메시로 구분하여 각 셀별 안전율을 계산할 수 있으므로 사면의 위험 영역을 비교적 정확하게 예측할 수 있다. 또한 지역별 강우패턴을 고려하여 위험 개소를 광역적으로 예측할 수 있다. 또한 본 연구에 적용된 모델은 해석에 소요되는 시간이 짧기 때문에 기상청의 강우예보를 유사 실시간으로 적용하여 실시간 산사태 경보에 활용할 수 있다.

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